取消高速公路省界收費站項目中射頻技術(shù)的應用

摘要：文章基于射頻技術(shù)的原理、特點和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，介紹了在取消高速公路省界收費站背景下，無線射頻技術(shù)在不停車收費系統(tǒng)中的應用，提出以射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛快速識別、收費，具有良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：省界收費站;射頻技術(shù);電子標簽

0 引言

在取消高速公路省界收費站的背景下，不停車電子收費系統(tǒng)得到了廣泛的應用，該系統(tǒng)簡稱ETC，實質(zhì)為智能交通服務，可以解決當前高速公路收費方式的缺陷[1]。應用ETC系統(tǒng)收費是憑借無線通信技術(shù)完成的。車輛經(jīng)過收費車道，無線射頻技術(shù)首先感受車輛的到來，然后在車輛行駛狀態(tài)下和車輛中的設備進行信息傳遞和交互，完成登記、收費過程。整個過程在車輛行駛的狀態(tài)下完成，有效緩解了收費站附近區(qū)域的擁堵問題，提高了高速公路通車效率，給人們的出行帶來了極大的便利。

1 射頻技術(shù)的原理和特點

射頻技術(shù)的工作原理：閱讀器借助發(fā)射天線的作用發(fā)射特定頻率的射頻信號，發(fā)射天線的工作區(qū)域一定，當射頻卡隨著車輛進入到發(fā)射天線的工作區(qū)域后，在射頻信號的作用下射頻卡被激活，射頻卡利用卡內(nèi)的發(fā)送天線將自身編碼信息發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線負責接收信息，這些信號經(jīng)過天線調(diào)節(jié)器傳遞至閱讀器。信號經(jīng)過閱讀器的解碼傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)提前設定的邏輯預算對該射頻卡的合法性進行分析和判斷，在做出相應處理的同時發(fā)出執(zhí)行動作[2]。

無線射頻技術(shù)具有以下特點：

（1）對視距沒有特殊要求：射頻技術(shù)傳輸載波信息依靠無線電波完成，對視距無特殊要求，這一特點和條碼收費完全不同。條碼因為對距離和角度都具有一定的要求，需要駕駛員或收費員不斷調(diào)整，無形中延長了整個收費過程。

（2）非接觸性：射頻技術(shù)具有非接觸性，所以對環(huán)境無特殊要求，即使在流動的化學環(huán)境中也可以應用。

（3）識讀速度極快：射頻技術(shù)讀取車輛電子標簽中信息的時間僅為250 ms，無論標簽位置是什么方向都能快速精準地讀取出來。[=XJT（]取消高速公路省界收費站項目中射頻技術(shù)的應用/覃耀明[=JP2] （4）可同時完成多個標簽的識讀：只要在射頻范圍內(nèi)，閱讀器即可同時完成多個標簽的識讀。據(jù)統(tǒng)計，其讀取速度是傳統(tǒng)掃描讀取速度的1 000倍左右。

（5）可編程性：可編程性是射頻技術(shù)獨有的特點，實現(xiàn)了標簽隨時寫入交互信息的目的。

2 射頻技術(shù)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

2.1 電子標簽

射頻技術(shù)功能的發(fā)揮必須借助各類基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。電子標簽的主要作用是存儲車輛基本信息，由芯片和射頻天線兩部分構(gòu)成，大多被固定在車輛擋風玻璃的內(nèi)側(cè)。當車輛經(jīng)過收費通道時，ETC系統(tǒng)的閱讀器對電子標簽可以執(zhí)行兩種操作：讀取其內(nèi)部信息和根據(jù)讀取結(jié)果寫入必要的收費信息。電子標簽達到射頻技術(shù)范圍內(nèi)后，其會通過兩種方式向閱讀區(qū)傳遞信息：改變調(diào)制信號和調(diào)整電子標簽內(nèi)部天線阻抗[3]。

在過去幾年，國內(nèi)很多地區(qū)開通了IC卡功能，和普通電子標簽相比，IC卡的識別速度更快、更準確，隨著射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，IC卡也開始了技術(shù)升級，升級后形成復合通行卡。CPC卡兼具5.8 G Hz和13.56 M Hz通信功能，可以隨時完成車輛入口信息、計費信息和路徑等信息的讀寫。車輛駛?cè)敫咚俟肥召M路段時，將CPC卡發(fā)放給車主，當車輛駛離收費路段后回收CPC卡，將其繼續(xù)發(fā)放給下一個車主使用，在取消高速公路省界收費站的背景下CPC可全國通用。

2.2 閱讀器

作為射頻系統(tǒng)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，閱讀器也叫作讀寫器，其實質(zhì)是一種讀寫裝置。車輛駛?cè)肷漕l技術(shù)敷設范圍內(nèi)后，閱讀器首先閱讀車輛中電子標簽或CPC卡的數(shù)據(jù)和信息，并且根據(jù)這些數(shù)據(jù)和信息識別車輛，可以讀、寫電子標簽或CPC卡中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)信息識別車輛，然后根據(jù)車型和費率計算費用。

閱讀器的工作原理是：設置在閱讀器內(nèi)部的芯片所發(fā)出的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過頻率合成器進行處理，得到具有固定頻率的信號，在功率分配器的分配作用下該信號會分成兩個部分：其中一部分和車輛電子標簽所發(fā)射的信號混合在一起，降低其原有的頻率，經(jīng)過功率放大器放大、濾波處理后得到電子標簽內(nèi)部的所有信息;另外一部分信號經(jīng)過功率放大器放大、濾波處理后直接通過天線發(fā)送出去。

2.3 天線

天線的主要作用是發(fā)射或者接收無線電波，發(fā)射無線電波的天線叫作發(fā)射天線，接收無線電波的天線叫作接收天線。在天線的作用下，射頻信號的發(fā)射或者接收都以電磁波的形式完成。信號經(jīng)過調(diào)制、放大、濾波處理后，在發(fā)射天線的作用下傳遞到接收設備。不停車收費系統(tǒng)主要有ETC車道和龍門架兩種，當車輛通過時，車輛上的電子標簽迅速接收到射頻天線信號，獲得能量后被激活，然后將接收到的射頻信號反射給系統(tǒng)閱讀器，閱讀器對信號進行識別，傳遞到處理單元，處理單元對車輛信息進行計算得出扣費信息。

2.4 應用系統(tǒng)

應用系統(tǒng)主要由應用軟件和中間件部分組成，其主要功能是對閱讀器傳遞過來的信息進行存儲和管理。應用系統(tǒng)的應用軟件作為獨立系統(tǒng)軟件而存在，中間件部分對計算機資源和網(wǎng)絡通信進行管理，真正實現(xiàn)了應用系統(tǒng)中不同技術(shù)的共享。另外，中間件部分是程序和電子標簽之間的橋梁，在程序接口的作用下中間件接入到閱讀器，閱讀器閱讀電子標簽后將電子標簽中的信息傳輸?shù)街虚g件，中間件再將信息傳遞到應用程序，讓應用程序根據(jù)電子標簽信息做出反應。

3 無線射頻技術(shù)在不停車收費系統(tǒng)中的應用3.1 無線數(shù)據(jù)傳輸

生活中無線網(wǎng)絡主要包括無線局域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)兩種，前者主要借助藍牙、Hiper LAN、Home RF等技術(shù)構(gòu)建起來，后者則以2G、3G、4G無線通信技術(shù)構(gòu)建起來。近幾年，藍牙和3G、4G的走勢最為引人注目，和有線網(wǎng)絡相比，無線網(wǎng)絡具有隨時、隨地、可移動三個主要特征。在不停車收費系統(tǒng)中，無線射頻技術(shù)的主要作用是構(gòu)建無線網(wǎng)絡、傳輸無線數(shù)據(jù)。以無線射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的無線網(wǎng)絡是一種靈活的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，在這個無線網(wǎng)絡中，射頻技術(shù)利用無線電波收發(fā)數(shù)據(jù)的過程就是傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡中網(wǎng)絡線路傳遞數(shù)據(jù)和信息的過程。

3.2 無線射頻識別

無線射頻技術(shù)也是一種非接觸式的微波射頻識別技術(shù)，簡稱RFID，從1980年后逐漸發(fā)展成熟。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，無線射頻識別系統(tǒng)功能越來越強大，體積卻大大減小，標志著該技術(shù)正式進入到實用化階段。無線射頻識別系統(tǒng)利用無線射頻技術(shù)進行非接觸雙向通信，以識別為前提進行數(shù)據(jù)和信息的交互。和條碼技術(shù)不同，無線射頻技術(shù)不需要人工操作即可自動完成數(shù)據(jù)采集工作。另外，因為不需要依賴文書操作，可以為收費方和駕駛者提供更加客觀的時間戳和電子數(shù)據(jù)驗證，讓整個收費過程變得“無懈可擊”，這也正是無線射頻技術(shù)應用更加廣泛的原因之一。

以無線射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的無線射頻識別系統(tǒng)由讀寫器和標簽兩部分構(gòu)成，前者由收發(fā)天線、控制電路、收發(fā)模組構(gòu)成，讀寫器發(fā)射能量，在特定區(qū)域范圍內(nèi)形成電磁場，該電磁場的大小和無線尺寸以及工作頻率有關(guān)。當車載標簽進入到這個磁場范圍內(nèi)時，在讀寫器電磁波能量的激發(fā)下標簽獲得電能被激活，然后將卡內(nèi)所存儲的信息以無線電波的方式傳遞給讀寫器，讀寫器接收到信息后對信息進行解碼，驗證數(shù)據(jù)的有效性，再將其傳遞到專門的計算機網(wǎng)絡中進行分析、處理和計算。標簽實質(zhì)是安裝在車內(nèi)的芯片，該芯片由若干模塊構(gòu)成，完成與讀寫器通信。芯片主要分為內(nèi)存部分和外圍部分：內(nèi)存部分的主要功能是存儲號碼或數(shù)據(jù)，目前芯片內(nèi)存容量處于1 bit～64 kb之間;外圍部分的主要作用是連接天線或者電池。

根據(jù)通過頻率不同，以射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻識別系統(tǒng)分為高頻系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)及低頻系統(tǒng)三種。其中，高頻系統(tǒng)中微波頻率處于850～950 kHz之間，主要用于對讀寫距離和讀寫速度要求較高的場合，如高速公路收費系統(tǒng)、貨車監(jiān)控等，這類微波應用成本較高;中頻系統(tǒng)中微波頻率處于10～15 MHz之間，主要用于大數(shù)據(jù)的傳輸，在我國，該系統(tǒng)在門禁控制系統(tǒng)中的應用頻率也較大;低頻系統(tǒng)中微波頻率處于100～500 kHz之間，主要用于短距離傳輸，如貨物跟蹤、動物監(jiān)管等，這類系統(tǒng)應用成本較低。

和射頻系統(tǒng)對應的射頻卡也分為有源射頻卡和無源射頻卡兩種：前者識別距離較長、使用成本較高、使用壽命較短，經(jīng)常被用作讀寫卡;后者識別距離短、體積小、重量輕、使用成本低、使用壽命長，經(jīng)常被用作只讀卡。根據(jù)不同的調(diào)制方式，射頻卡還可以為分為主動式射頻卡和被動式射頻卡：前者主動向讀寫器發(fā)送射頻能量，如果微波傳輸過程中存在障礙物，射頻卡發(fā)射的信號只需要穿越一次障礙物;后者以散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，然后利用讀寫器載波對自己的信號進行調(diào)制，如果微波傳輸?shù)倪^程存在障礙物，讀寫器能量需要兩次穿過障礙物。對比來說，主動式射頻卡更適合存在障礙物的場景，其微波傳輸?shù)木嚯x也更遠。

3.3 在ETC系統(tǒng)中的應用

取消高速公路收費站背景下，ETC系統(tǒng)得到了廣泛應用，而射頻技術(shù)在ETC系統(tǒng)中充分體現(xiàn)出其長距離識別、非接觸識別的優(yōu)勢，讓車輛可以在不停車的情況下完成自動收繳費，徹底解決了高速公路擁堵問題。尤其是進入到21世紀以后，我國各個地區(qū)私家車的數(shù)量驟增，人們生活水平得到改善，出行需求不斷增加，很多地區(qū)開始應用無線射頻技術(shù)，如北京地區(qū)高速公路已使用無線射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)自動收費;廣東省也開始應用ETC自動收費系統(tǒng)，旨在緩解高速公路運營瓶頸，提高車輛通行率。

一般來說，車輛在高速公路上行駛，無線射頻系統(tǒng)讀取、識別車輛信息的時間僅需要0.5 ms，信息讀取的正確率高達99.95%。隨著高速公路的不斷發(fā)展，無線射頻技術(shù)必將成為未來高速公路的主要收費方式之一。在可靠、高效的服務環(huán)境中，高速公路的運營水平也會得到提高。

4 結(jié)語

隨著國家不斷倡導經(jīng)本增強的運輸方式，給高速公路運營工作提出了更高的要求。國內(nèi)各個地區(qū)已經(jīng)基本實現(xiàn)了開放式自由流收費方式，該收費方式的應用極大地提高了高速公路通行效率。以射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻識別系統(tǒng)，可以實現(xiàn)車輛快速識別、收費，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]陳吉陽.遼寧省高速公路ETC聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].沈陽：東北大學，2011.

[2]李 明.射頻技術(shù)在取消高速公路省界收費站項目中的應用[J].交通世界，2020（11）：157-158.

[3]吳曉東.無線射頻技術(shù)在高速公路不停車收費系統(tǒng)中的應用[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2010（1）：163-165.