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1、RFID技术的电子车牌系统设计摘要 射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是自动识别技术中一个快速发展的领域，它具有高保密性、环境适应力强、抗干扰性强、识别距离远和识别速度快等优点，在智能交通管理中可望有重要应用。目前，近距离RFID技术已发展的比较成熟并获得了大规模商用，但远距离RFID技术相对滞后。在主动式(有源)标签的设计中，采用了微功耗单片机和射频芯片,以nRF24L01和MSP430为核心，分别从硬件和软件两个方面进行了主动式电子标签和阅读器的设计。低频激励器将激励信号不间断的向外发送，当载有电子车牌的车辆进入激发区时，电子标签接收激
2、励信号，此时，电子车牌的标签将激励信号和电子车牌信息通过2.45GHz频道发送给阅读器，阅读器将接收的信息重新打包，经过基站发送给控制中心，控制中心根据激励器信息和电子标签信息，就能判断车辆在某时刻经过车道，实现车道上对经过车辆信息的统计。通过这样的电子车牌系统的设计，可以有效地监控道路上的车辆信息，结合道路的实时信息，通过对信号灯的控制，实现对交通流进行调控，减少交通拥塞。同时可完成对超速、套牌、黑名单及非法营运等车辆的识别。关键词:射频识别;电子车牌;车辆识别;缝隙天线目录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的与意义21.3 研究内容3第二章 RFID电子车牌系统总体方案52.1
3、 需求分析52.2 RFID电子车牌系统构成62.3 RFID电子车牌系统硬件组成72.4 RFID电子车牌系统软件组成10第三章 RFID电子车牌系统硬件设计113.1 RFID电子车牌硬件结构113.2 RFID电子车牌硬件设计113.2.1 电子车牌天线设计123.2.2 电子车牌处理器和收发模块设计143.3 电子车牌阅读器设计183.4 低频激励器设计20第四章 RFID电子车牌系统软件设计214.1 RFID电子车牌软件框架214.2 电子车牌阅读器软件设计244.3 电子车牌软件设计26第五章 结论与展望295.1 结论295.2 展望29参考文献30致谢32第一章 绪论1.1
4、研究背景射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触通信并通过所传递的信息达到自动识别目标的技术。作为一种非接触式的自动识别技术，RFID技术通过远程接收射频信号来自动识别目标并获取相关数据，识别过程无需人工操作，且可在各种恶劣环境中有效工作。目前RFID技术被广泛应用到工业自动化、商业自动化和交通实时控制等领域，应用最成功的当属物流管理领域及商品流通领域。伴随科学技术发展和人民生活水平提高，汽车成为日常交通工具，如何对汽车进行有效及高效管理成为摆在人们面前的一大难题。我国在汽车管理、汽车收费、汽车GPS、汽车防盗以及路况信息系统等方面的研究和应用都比较落后，离自动
5、化和智能化的还有相当大的差距。在发达国家相关研究成果业已部分应用到汽车产业当中，实现了汽车管理的高效化和智能化。车牌是机动车外在的唯一性标志，其主要作用体现在车牌的可视性与唯一性。如今我国使用的GA36-92型车牌在可视性与唯一性上存在缺陷，科技含量也不够高。伴随智能化交通的发展，车牌的智能性也成为需要我们考虑的问题。目前对车牌的识别大多采用图像分割与识别技术，图象识别受污染、距离、光线、位置、角度等环境因素的影响较大，且图像识别存储空间及算法实现占用资源比较多，实现起来也非常困难，而且图像识别技术对于套牌、盗牌甚至无牌车也没有办法识别。这些问题使得盗牌、套牌、盗车、劫车、肇事逃逸等违法犯罪行
6、为成为可能，是社会治安的重大隐患，同时也可能对国民经济造成巨额损失，最终导致对机动车进行有效管理的成为巨大的难题。如何遏制上述问题的发生，只有使用新技术才能从根本上解决问题。与现有车辆管理系统中使用的图像识别技术相比，应用RFID技术的系统具有包含信息量大，环境适应能力强，不受风雪、冰雹等天气因素影响，抗干扰能力强，可穿透非金属物体进行识别，可全天候、无接触地进行自动识别、跟踪及管理，算法简单且实现起来较为简单等优点。将RFID技术引入车牌中，实现车牌的自动识别功能且会大大提高车辆管理系统的智能化程度,可以应用于下列情况：1)车辆调度。可实时跟踪车辆，统计路况信息，然后由交通管理部门指挥车辆避
7、开堵塞路段。2)车辆管理。车辆管理部门可以对盗牌、套牌、盗车、劫车、肇事逃逸等行为进行更有效率的处理。3)高速公路、桥梁收费。RFID卡采用充值卡模式，阅读器读取卡中存储的ID号和车牌号，同时从卡中扣除相关费用。4)小区车辆管理。对小区内车辆起到防盗作用。5)停车场管理。用于对车辆实行自动结算收费、防盗。1.2 研究目的与意义 随着社会经济的发展，人口、车辆数量不断增长，但是有限的可用土地以及经济要素的制约却使得城市道路扩建增容有限，因此不可避免地带来一系列的交通问题。当今世界各地的大中城市无不存在着交通问题的困扰。交通拥堵使得人们每天将大量宝贵的时间消耗在路上、车中，同时也导致商业车辆在交通
8、运输中延误，增加了运输成本。交通事故率也不断上升，每年都会带来巨大的人员伤亡和经济损失。据美国有关部门预测，到2020年，美国因交通事故造成的经济损失每年将会超过1500亿美元，而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失为1230亿美元。为解决日益严重的交通问题，各国政府采取各种措施，如对汽车以重税限制汽车的数量，实施交通管制等来加强管理。但是在做过各种尝试，花费了巨大的管理成本后，交通状况依然难有根本改观。 人们逐渐认识到交通系统是一个复杂的综合性系统，单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题，必须把车辆和道路综合起来，考虑如何在有限的道路资源条件下，提高道路资源的利用率，这才是解
9、决问题的关键。同时自上世纪后期以来信息技术的迅猛发展和广泛应用也给以上的解决思路提供了有效的技术手段支持。在这样的背景下，智能交通系统(Intelligent Transportation Systems, ITS)的概念应运而生，成为研究应用的热点。ITS是指将先进的信息技术、电子通信技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统，它由若干子系统所组成，通过系统集成将道路、驾驶员和车辆有机地结合在一起，加强三者之间的联系，借助于系统的智能技术将各种交通方式的信息及道路状况进行登记、收集、分析，并通过远程通
10、信和信息技术，将这些信息实时提供给需要的人们，以增强行车安全，减少行车时间，并指导行车路线。同时管理人员通过采集车辆、驾驶员和道路的实时信息来提高其管理效率，以达到充分利用交通资源的目的。在智能交通领域，目前车辆识别技术主要有两个方面:基于图像处理的识别技术和基于射频的识别技术。基于视频与图像处理技术的车牌识别，主要是依据数字图像处理技术对所拍摄的汽车牌照进行处理和识别。一般要先对原始图像进行转换、压缩、增强、水平校正等处理，再用边缘检测法对牌照进行定位与分割，最后进行模式识别。基于视频和图像处理的技术国内外己有不少的研究，但受到采集图像的噪声污染、光照影响等原因无法做到精确识别。RFID技术
11、具有远距离识别、可存储携带较多的信息、读取速度快、可应用范围广等优点，因此基于射频识别技术的车辆识别准确性较高，非常适合在智能交通和车辆管理方面使用，在我国的研究和应用尚处在起步阶段。本课题研究的电子车牌识别系统就是一种基于RFID技术的车辆识别系统，它将为智能交通系统注入新的活力。1.3 研究内容智能电子车牌是将普通车牌与RFID技术相结合形成一种新型电子车牌。一个智能电子车牌由普通车牌和电子车牌组成。电子车牌通过发卡管理系统事先写入该车辆的基本信息，如车辆的ID号、车牌号、驾驶员信息、车型、车重等信息。并将RFID电子车牌安装在车辆上，此时车辆拥有了独一无二的身份证。应用RFID技术的车流
12、量检测系统是在交叉路口交通信号灯上游安装阅读器，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，射频阅读器全天候运行，装有RFID标签的车辆进入天线工作区域时产生感应电流，送出自身信息。读取的电子车牌内的相关信息，并实时发送至控制中心，控制中心服务器经过存储、查询、对比等信息处理，配合视频监控，通过对信号灯的控制，实现对交通流进行调控，减少交通拥塞。同时可完成对超速、套牌、黑名单及非法营运等车辆的识别。文中首先对RFID电子车牌系统进行了一个整体的设计，初步完成了系统设计的总体方案，接着以nRF24L01和MSP430为核心，从硬件方面进行了主动式电子标签和阅读器的设计，最终应用C语言编程完善了电子
13、车牌系统的软件设计。第二章 RFID电子车牌系统总体方案2.1 需求分析电子车牌通过发卡管理系统事先写入该车辆的基本信息，如车辆的ID号、车牌号、驾驶员信息、车型、车重等信息。并将RFID电子车牌安装在车辆上，此时车辆拥有了独一无二的身份证。应用RFID技术的车流量检测系统是在交叉路口交通信号灯上游安装阅读器，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，射频阅读器全天候运行，装有RFID标签的车辆进入天线工作区域时产生感应电流，送出自身信息。读取的电子车牌内的相关信息，并实时发送至控制中心，控制中心服务器经过存储、查询、对比等信息处理，配合视频监控，通过对信号灯的控制，实现对交通流进行调控，减少
14、交通拥塞。同时可完成对超速、套牌、黑名单及非法营运等车辆的识别1。近年来，在车辆识别技术中，电子车牌受到了人们的广泛关注。然而，在大多数所谓的电子车牌识别系统中，标签被安装在汽车挡风玻璃上，或者汽车内任何可以看得到的地方，甚至被驾驶员随身携带。这些应用方式存在着性能和安全上的弊端，例如，很多车辆的挡风玻璃上装有含金属成分的防爆膜，它会影响标签的性能，可能会导致标签无法正常工作;驾驶员有可能会忘记携带标签，甚至丢失标签，难免会造成不必要的麻烦。但如果可以将RFID标签与车号牌集为一体，不仅可以解决上述问题，还可以有效抑制盗牌、套牌等违法行为，例如，在犯罪分子盗取电子车牌时，电子车牌在损毁的同时，
15、其防拆卸装置还可以发出电子警报，损坏的车牌对于犯罪分子来说也就毫无用处；又假设RFID标签与车牌是分离式的，那么当司机丢失的标签被不法分子获取后，还可以配合制造的假牌继续使用，但如果将RFID标签与车号牌集为一体，就会避免这一违法行为的发生。因此，为了更好地管理交通、维护公共安全，要求将RFID标签与车号牌集成在一起，从而形成真正的电子车牌。 典型的电子车牌是嵌入了主动式有源电子标签的车号牌，它由英国伯明翰的Hills Numberplates Ltd公司研发并申请了专利。所有安装了电子车牌的车辆，无论是在静止还是在移动的状态下，都能够被安全地识别。从表面上看，嵌入了RFID标签的电子车牌与传
16、统的车号牌基本没有什么区别，但它不仅能够提供与传统车号牌相同的视觉信息，还能够提供相关的电子信息。之所以采用主动式的电子标签，是由于主动式的电子标签自身带有电池，与被动式无源电子标签相比，它拥有更远的阅读距离和较大的信息存储量，此外，如果该电子标签为读写型标签，它还可以存储阅读器发送的额外信息。 电子车牌内的主动式RFID标签由天线、标签电路和电池组成，天线是电子车牌中的关键部分，它在电子车牌和阅读器之间传递射频信号，它的选择和设计是否合理，对整个识别系统的性能有很大的影响，尤其是当系统的工作频率上升到微波频段2。若天线设计不当，就可能导致整个识别系统不能正常工作，因此对其详细地研究具有重要意义。2.2 RFID电子车牌系统构成图2.1 电子车牌系统总体结构如图2.1所
