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RFID技术在数字城市建设中的应用
1 RFID的基本概念
RFID是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信, 实现识别和交换数据目的的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据, 无需人工接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理, 操作快捷方便。电子标签不同于条型码, 它具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、可识别高速运动物体并可同时识别多个标签等优点。
2 RFID系统的组成
RFID系统至少应包括以下两个部分, 一是读写器, 二是电子标签( 或称射频卡) 。另外还应包括天线, 主机等。RFID系统在具体的应用过程中, 根据不同的应用目的和应用环境, 系统的组成会有所不同, 但从RFID系统的工作原理来看, 系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成, 见图1。
RFID系统中的标签可以是有源标签也可以是无源标签。有源标签中带有电源, 标签接收发送数据靠所携带的电源供电。无源标签可以通过变压器、电磁波的吸收或者反射得到能量。无源标签的通信所需要的能量由外部识读器提供, 因此在每天需要多次读写标签、长时间传递数据、标签需要长期工作等条件下, 需要采用无源标签。与无源标签相比, 有源标签的最大优点是标签与识读器之间的距离较大。
2) 信号接收机。在RFID系统中, 信号接收机一般叫做阅读器。阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外, 阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外, 还必须含有一定的附加信息, 如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起, 并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后, 阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次, 或者知道发射器停止发信号, 这就是“命令响应协议”。
3) 编程器。只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置, 编程器写入数据一般来说是离线完成的, 也就是预先在标签中写入数据, 等到开始应用时直接把标签黏附在被标识物体上。也有一些RFID应用系统, 写数据是在线完成的, 尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理时。
4) 天线。天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中, 除了系统功率, 天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收, 需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。
3 RFID的工作原理
RFID的工作原理是: 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号, 当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流, 标签获得能量被激活; 标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去; 系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号, 经天线调节器传送到阅读器, 阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理, 如图2所示: 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性, 针对不同的设定做出相应的处理和控制, 发出指令信号控制执行机构动作。
4 RFID在城市公共交通中的应用
随着社会经济的发展, 城市化进程加速, 城市人口、车辆数量不断增长, 因此不可避免地带来一系列的交通问题。由于城市公共交通具有客运量大、相对投资少、占有资源少、效率高、污染相对较少、人均占用道路少等优点。因此, 发展公共交通是改善城市交通的优先原则。如何大力发展公共交通, 现已成为摆在各城市主管领导及交通管理部门面前的重要课题。RFID的应用可有效实现数字化、智能化的城市公交管理, 提高公共交通运营管理效率和社会服务水平, 提升城市形象。
4.1 系统功能
RFID应用在公交管理系统中实现的功能和特性有以下几个方面:
1) 不停车远距离自动识别, 实时定点采集公交车辆进出站和通过站台的时间, 确定公交车辆所处位置;
2) 调度中心和站台显示牌可以分别显示公交车在某站台或站台之间的在线运行动态信息( 包括车辆所处的位置、载客的拥挤程度、空车、正常信息提示) , 便于灵活调度车辆和方便乘客候车;
3) 便于稽查公交车辆是否按规定的线路运行,提高车辆到达站台的准时性; 便于对车辆的调度、流量统计、车辆考勤、任务考核、路单报表生成, 以及维修保养期提示、车辆维修记录、审验记录等方面的自动化管理。
4.2 系统组成
系统主要有安装电子标签的公交车、数字公交站、调度中心及通信网络组成, 如图3所示。电子标签安装在公交车的前保险杆上, 由于RFID的读取距离大、可识别高速运动物体等优点, 在一级公路上可以在不减速、不停车的情况下使用进行识别, 该系统数据传输速率可以达到300 kbit/s, 标签移动速度( 车速) 可以达到300 km/h。阅读器直接安装在各个公交站台或交通流量大的路口, 并通过GSM网用GPRS方式传输到公交调度中心。数字公交站配置有显示牌及RFID阅读器等设备, 在显示牌上可以预报车辆到站的时间或滚动发布天气预报、政府公告、新闻摘要、财经简讯等信息。
4.3 系统实现
系统要求准确而可靠地了解每辆公交车的所处位置。例如, 在系统正常运行的情况下, 应该能了解在站台的哪边停靠了车辆, 在哪条路上行驶。由于采用了RFID技术系统可以达到这些要求, RFID阅读器嵌在进出车站的路面上, 只有当车直接从阅读器上方经过时, 读写器才能读取电子标签的ID号, 采用这个方法给车定位, 精确度在1 m以内。公交车到达以及离开时间的信息就会由数字公交站自动采集通过GSM网GPRS方式源源不断地传送到“后台”的调度中心,沿途的众多数字公交站以此汇报一辆辆公交车的“踪迹”, 调度中心经过一系列数据处理, 从而快速推算最近一辆公交车距离乘客等候的公交站所需时间。其信息发布准确、及时, 车辆到站预报准确, 可满足公交实际运营需要, 有效改善公交乘客候车环境, 从而形成一种定时、准确、高效、可靠的综合运输系统,实现智能化、网络化的公共交通运营管理。
5 RFID是数字城市的神经末梢
在信息社会, 对于各种信息的获取及处理, 要求快速、准确, 而RFID技术可以方便的实现这些工作并在此基础上构筑一个统一的城市信息化平台, 将市民的生活信息和消费信息进行数字化记录, 反映到城市的相关的信息系统中, 为城市信息的综合管理提供必要的数据与分析。而事实上RFID技术已经大量应用于与城市居民生活息息相关的方方面面:
实例1: 市民张先生去领略网球大师球技。从家门口上车, 到步入体育场, 他享受了3项RFID技术:坐出租车, 是计价器上的RFID确保仪表走得准; 刷公交卡, 又是RFID帮他付账; 到了网球中心, 张先生发现手中的门票内嵌有RFID芯片, 这就杜绝了所有假票。
实例2: 近年来, 全国液氯泄露、钢瓶爆炸事故时有发生。它们就像城市里的“不定时炸弹”, 为此,国家质监总局和上海市科委专门立项, 用电子标签“铆牢”全市20万个液氯钢瓶、乙炔气瓶。配合GPS技术, 瓶罐流动到哪儿, 都能实时跟踪定位。
6 结语
RFID的应用相当广泛, 最常见的应用为: 工业制造、物流; 商业供应链的管理; 医院的病历系统、危险或管制的生化物品管理; 高速公路的收费系统;超市、图书馆或书店的防盗管理; 身份识别以及联合多种用途的智能卡系统等。基于RFID技术的城市信息化平台建设, 已经成为城市建设的重要方向, 也是实现数字化城市的基石。
参考文献
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作者简介: 孙伟, 讲师, 主要从事摄影测量和空间信息系统应用研究。
