RFID和ETC技术在门禁系统中的应用

　　0 引言

　　2009年，温家宝总理在《让科技引领中国可持续发展》的讲话中指出：要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。2010年的上海世博会自开幕以来，累计接待游客已突破1200万人次，这意味着已经有1200多万张世博门票经过验票闸机，带领游客们展开世界之旅。世博门票设计制造方上海华虹集团副总裁陈剑波说：“可以说，是‘世博芯’这一具有自主知识产权的核心技术，让世博门票通过了入园大考”。“世博芯”是首次对无线射频识别技术(RFID技术)进行大规模的综合应用，证明了我国的RFID技术已经相当成熟。

　　1 相关技术

　　1.1 无线射频识别

　　RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可快速进行物品追踪和数据交换，其识别工作无需人工干预。

　　RFID作为一种新的技术，是无线电技术与雷达技术的结合。1948年，哈里·斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别RFID的理论基础。奠定RFID基础的技术最先在第二次世界大战中得到发展。当时为了鉴别飞机，又称为“敌友”识别技术，该技术的后续版本至今仍在飞机识别中使用[1]。

　　一个典型的RFID系统包括电子标签、读写器(含天线)和应用系统三个主要组成部分。电子标签是射频识别系统的数据载体，它由标签天线和标签专用芯片组成，能接收读写器的电磁场调制信号并返回响应信号，实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。读写器用于接收主机端命令，并将存储在感应器中的数据以有线或无线的方式传回主机，它内含控制器和天线，如果读取距离较长，则天线会单独存在。应用系统是指用户原有的MIS系统。与RFID系统交互的应用系统的终端计算机，传递着应用系统发出的工作指令，并通过中间件控制电子标签和读写器之间的协调工作，处理RFID系统采集的所有数据，并进行运算、存储及数据传输。

　　RFID系统工作原理为：当带有电子标签的物品进入读写器天线辐射范围时，接收读写器发出的无线射频信号。无源电子标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在标签芯片中的数据，有源电子标签则主动发送存储在标签芯片中的数据，读写器一般配备了一定功能的中间件，可以读取数据、解码并直接进行简单的数据处理，然后送至应用系统。应用系统根据逻辑运算判断电子标签的合法性，并针对不同的设定进行相应的处理和控制，由此实现RFID系统的基本功能[2]。

　　1.2 射频标签

　　射频标签即射频卡，又称非接触式IC卡。由IC芯片、感应天线组成，芯片和天线无外露，被封装在一个标准的PVC卡片内。射频卡的读写过程，通常由射频卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合在一起，结束了无源和免接触这两大技术难题，这是电子器件领域的一大突破。

　　按照标签的供电方式，射频标签可以分为有源和无源两种形式。有源标签使用标签内电源提供的能量，识别距离较远(可以达到几十米甚至上百米)，但寿命有限，成本较高。无源标签内不含电源，工作时从读写器的电磁场中获取能量，其重量轻、体积小，寿命很长，成本很低，但通信距离受到限制。

　　按照工作频率的不同，RFID系统可分为低频、中高频、超高频和微波系统。低频系统的工作频率一般在30KHz～300KHz，其典型工作频率有125KHz和133KHz。其基本特点是标签的成本较低，标签内保存的数据量较少，读写距离较短(10cm左右)，标签外形多样，阅读天线方向性不强，主要应用于畜牧业和动物管理等。中高频系统的工作频率一般在3MHz～30MHz，其典型工作频率有13.56MHz。其基本特点是标签和读写器的成本较低，标签内保存的数据量较大，读写距离较远(可达到1m以上)，适应性强，外形一般为卡状，读写器和标签天线均有一定的方向性，主要应用于二代身份证系统和一卡通系统等。超高频和微波系统的工作频率一般在300MHz～3GHz或者大于3GHz。其典型工作频率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。根据各频段电波特点可适用于不同场合。例如，433MHz有源标签常用于近距离通信及工业控制领域。915MHz无源标签式物流领域的首选。2.45GHz除广泛应用于近距离通信之外，还广泛应用于我国的铁路运输识别管理。5.8GHz的RFID系统更是作为我国ETC的工作频段，并率先制定了国家ETC标准[3]。 　　1.3 电子不停车收费系统

　　ETC(Electronic Toll Collection，电子不停车收费系统)是目前世界各国均在大力推崇的先进的收费方式。车主只需在车窗上安装电子标签，车辆在经过收费站时，通过收费站点设置的读写器对经过车辆的电子标签进行读写识别，并自动从预先绑定的射频卡或银行帐户上扣除相应费用，无需车主停车和人工缴费即可快速通过收费站点，真正实现一路畅通。

　　ETC系统主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助设施组成。其中，车辆自动识别系统由OBU(On board unit，车载单元)、RSU(Road side unit，路边单元)、环路感应器等组成。OBU(即电子标签)储存了车辆的相关信息，一般安装在车辆的前挡风玻璃上。RSU(即读写器)安装在收费站旁边。环路感应器安装在车道地面下。中心管理系统存储了大量已注册车辆和车主的信息。当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，RSU发出询问信号，OBU做出响应，并进行双向通信和数据交换，中心管理系统获取车辆识别信息后进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的操作，从而实现对行驶车辆的自动管理[4]。

　　ETC系统以专用DSRC(专用短程通信)方式通过远距离(10m～30m)、完善的加密通信机制(支持3DES、RSA算法)、非接触方式(工作频段支持915MHz、2.45GHz和5.8GHz)来交换ETC信息，实现车辆在快速移动状态下的自动识别，从而实现对目标的自动化管理。

　　与以往的人工收费系统相比较，现行的ETC系统具有以下优点：第一，交通更流畅。驾驶者可以不用停车并直接通过ETC系统进行自动缴费，有效地提高了收费站的车辆通行能力，避免了收费站造成的交通堵塞，提高了公路利用率。第二，缴费方便透明。驾驶者通过ETC系统缴费意味着单位时间内通过的车辆数量会更多，从而加快了缴费速度，提高了缴费效率，也杜绝了缴费工作中贪污腐败行为的发生。第三，节能环保。ETC系统减少了车辆在收费站人工缴费的等待时间，降低了油耗，减少了汽车怠速时的尾气排放，从而达到了节约能源，保护环境的效果。

　　ETC系统的成熟应用，为今后的智能交通打下了坚实的基础，最近这项技术也被应用于城市中心区域的高峰期拥堵收费。

　　2 应用案例

　　如今，绝大多数的门禁系统(包括车库门禁和楼宇门禁)仍然在使用高频射频卡进行管理。目前车库门禁系统和楼宇门禁系统在使用过程中存在如下一些问题。

　　高频射频卡理论识别距离范围仅为2.5cm～10cm(射频卡与读卡器之间距离)。受环境影响，实际识别距离比理论识别距离还要短。

　　对于车库门禁系统来讲，停车道闸票箱设置的位置要求驾驶人员在驾驶车辆时，主驾驶室位置要与停车道闸票箱位置靠得相当近，以便刷卡，从而增加了驾驶人员的驾驶难度，特别是停车道闸票箱设置在一边是平地、一边有坡度的车库入口处。一些驾驶人员索性先刷卡，竖起停车闸杆，然后再到车库发动汽车，驶离车库。此外，停车道闸票箱一般设置在车库入口处，接近于露天环境，对雷雨天气的防水防潮性能较差，从而增加了票箱内电气原件的故障发生率，造成停车道闸不能正常起落。

　　对于楼宇门禁系统来讲，射频卡与读卡器之间距离也要靠得相当近，才能使门禁打开，特别是人员从雷雨天气的室外进入楼宇内部时，延长了人员等待通过楼宇门禁的时间。

　　针对当前门禁系统存在的一些问题，我们借鉴基于RFID技术的高速公路电子不停车收费系统的成熟应用经验，将ETC技术应用到当前门禁系统中(利用ETC系统中不停车功能模块，取消ETC系统中收费功能模块)，为提高门禁系统的智能化和高效化水平，提出以下解决方案。

　　⑴ 停用车库门禁系统中目前使用的高频射频卡(工作频段：13.56MHz，识别距离范围：2.5cm～10cm)，启用微波射频卡(工作频段：5.8GHz，识别距离范围：10m～30m)。微波读写器的三组天线成“品”字形分别安装在车库出入口墙顶和墙两侧，以充分采集车辆的微波射频卡的相关信息。

　　⑵ 取消ETC系统中的收费功能模块，增加视频图像识别和语音报警模块。当车辆经过预先埋设的地感线圈时，ETC系统中的车辆自动识别(包括无线射频识别和车牌图像识别)系统对该车辆进行自动识别。如果该车辆被识别为本车库已登记车辆时，停车闸杆自动竖起并放行;如果该车辆被识别为本车库未登记车辆时，中心管理系统及时报警并记录日志，提醒安保人员及时到场处理。

　　⑶ 停用楼宇门禁系统中使用的高频射频卡，启用ETC系统中的微波射频卡。微波读写器设置在楼宇门禁入口处，以采集微波射频卡的相关信息。利用红外感应触发替换ETC系统中的地感线圈触发。当有人员经过时，红外感应触发微波读写器，对携带微波射频卡人员进行自动识别。如果确认是本楼宇已登记人员信息，则楼宇门禁会提前自动开启。

　　⑷ 针对临时车辆和临时人员的进出，可以通过管理员发放临时微波射频卡的方式解决。

　　3 结束语

　　RFID技术作为一种新兴的自动识别技术。特别是微波射频技术，因其所具备无屏障读取和远距离穿透、快速扫描、高储存量、体积小、安全保密性好等优势而备受各界瞩目，从众多的自动识别技术中脱颖而出，在各领域应用非常广泛，在我国拥有巨大的发展潜力。借鉴高速公路电子不停车收费系统的成熟应用经验，用微波射频技术替代当前门禁系统中广泛使用的高频射频技术，同时将ETC技术应用到上述门禁系统中，以提高门禁系统的智能化和高效化水平。

　　ETC技术在门禁系统中具有广阔的应用前景，比如在智能化停车场管理方面正逐步得到推广应用。但是，对于楼宇内部距离非常接近的多个门禁，由于红外感应范围的重叠，会同时触发多个微波读写器，导致对这些门禁均有权限的工作人员可以同时打开多个门禁的问题，需要进一步研究并加以解决。

　　参考文献：

　　[1] 米志强.射频识别(RFID)技术与应用[M].电子工业出版社，2011.

　　[2] 程曦.RFID应用指南——面向用户的应用模式、标准、编码及软硬件选择[M].电子工业出版社，2011.

　　[3] 宁焕生.RFID重大工程与国家物联网[M].机械工业出版社，2012.

　　[4] 肖质红，官宗琪.高速公路不停车收费系统的研究与开发[J].广西轻工业，2007.3：71-73