基于RFID不停车收费系统.docx
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基于RFID不停车收费系统
2013--2014学年第二学期计算机学院期末考试卷《射频识别原理与应用》（课程论文试卷样式）
学号:
201171060138姓名:
杨盛培班级:
11级物联网1班
成绩：
评语：
（考试题目及要求）
考试题目：
基于UHFRFID的射频识别应用演示系统设计与实现，论文中可以加副标题
考试要求：
1.基于UHFRFID和ISO18000-6C规范实现
2.基本内容
1）具体应用环境、情景自行设定
2）基于教9-C506实验室已有的实验箱、手持数据终端、服务器等设备完成
3）演示系统要体现出RFID技术、网络数据库技术和应用软件开发三个方面的内容
3.考试结果由系统实现工程文件、论文和其它文档三部分构成
1）课程论文要求完成对系统设计实现总体思路的分析，完成对系统硬件核心组成和关键代码的分析
2）基本格式：
参见下一页课程报告内容参考格式。
4.本封面要求必须作为课程论文的第一页,。
学号、姓名、班级由同学填写，成绩和评
语处留空。
5.工程文件、论文电子文档和其它文档以EMAIL附件的形式发送到教师信箱：
suogr@。
EMAIL主题：
2011物联网班同学的射频识别原理与应用考试试卷。
空白处填提交报告的同学的名字。
6.除上述内容外，课程论文另添加两部分内容：
1）对本学期该课程学习的总结。
2）对教师的教学建议。
7.每个同学独立完成自己的课程论文。
同学之间不得出现论文相同的情况。
《物联网RFID原理与技术》
期
末
论
文
题目：
基于RFID不停车收费系统（模拟）
学院：
计算机科学与工程学院
专业：
计算机科学与技术（物联网方向）
学生姓名：
杨盛培
学号：
201171060138
指导教师：
索国瑞
摘要
随着高速公路的发展，高速公路运输在公路运输中占据重要位置，为长距离连续交通流提供了可靠完善的服务。
目前收取道路交通费是我国道路建设投资的主要收回方式之一，然而伴随着每条高速公路通车都需要大量的收费站24小时值班，收费站的建成和运营本身就消耗了相当一部分资金，而且由于大多数收费站采用人工或半人工收费方式，车辆交费需要完全停止，效率很低。
在交通高峰时期，收费站成为高速公路的“瓶颈”。
车辆频繁的启动刹车也造成了能源浪费和环境污染，同时还加快了车辆部件的磨损，带来交通隐患。
因此不停车电子收费（ElectronicTollCollection,ETC）是高速公路上一种最理想的收费方式，不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式。
通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站ETC车道上的阅读器之间实现微波通信，结合计算机联网技术与ETC管理中心进行后台结算处理，从而实现车辆通过路桥收费站不需停车而自动缴费；据此，本文将详细介绍一个用无线龙实验箱模拟的基于RFID不停车收费系统。
关键词：
高速公路交通拥堵RFID技术阅读器电子标签不停车收费
Abstrct
Withthedevelopmentoftheexpressway,highwaytransportoccupiesanimportantpositioninroadtransportforlong-distancetrafficflowprovidesareliablecontinuousimprovementofservices.Roadtrafficfeeiscurrentlychargedtorecoveroneofthemainwaysofroadconstructioninvestment,however,eachaccompaniedbyalargenumberofhighwaytollstationsneed24hoursadaytobuildandoperatethetollstationitselfconsumesaconsiderablepartofthefunds,andSincemostofthetollstationusingmanualorsemi-manualchargingmethods,paymentneedstocompletelystopthevehicle,inefficient.Intherushperiod,highwaytollstationtobecomea"bottleneck."Startthevehiclebrakesalsocausedfrequentenergywasteandenvironmentalpollution,butalsoacceleratethewearandtearofvehiclecomponents,bringingtraffichazards.Sodonotstopelectronictollcollectionisoneofthebestonthehighwaytollwaytollcollectionsystemiscurrentlytheworld'smostadvancedbridgetollway.BycarelectronictagsinstalledbetweenthevehicleandthewindshieldontheETClanetollstationreaderrealizemicrowavecommunications,computernetworkingtechnologyinconjunctionwithETCmanagementcenterbacksettlementprocess,enablingthevehiclethroughthebridgetollstationwithoutParkingandautomaticpayment;Accordingly,thisarticlewilldetailadragonwithawirelessRFID-basedsimulationchambertollcollectionsystem.
Keywords:
Highway,Trafficcongestion,RFIDtechnology,Reader,Electronictags,RFID-basedtollcollectionsystem
第一章绪论
1.1课题背景
80年代以来，伴随着经济的发展，交通设备日益增加，随之而来的城市交通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化、收费制式混乱、交通落后以及能源短缺等成为当前世界各国面临的共同问题，无论是发达国家还是发展中国家都承受着不断恶化的交通困扰。
据美国有关部门预测，到2020年，国内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约为1230亿美元。
解决交通问题的传统办法是修建或扩建道路，但是，随着人口的增长，城市人均居住面积日益减少，可供修建的道路空间也越来越少。
同时，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。
近年来，世界各发达国家虽然己经基本建成了四通八达的现代化国家道路网，但随着社会经济的发展，路网通过能力己满足不了交通量增长的需要，交通拥挤堵塞现象日趋严重。
经过长期和广泛的研究，各个国家已从主要依靠修建更多的道路、扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，逐渐转移到用高新技术来改造现有的道路运输系统及其管理体系，从而大幅度地提高了路网的通行能力和服务质量。
日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同面临的交通问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验。
1.2RFID技术
射频识别技术（RFID，RadioFrequencyIdentification）是从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术。
随着超大规模集成电路技术的发展，射频识别系统的体积大大缩小，进入了实用化的阶段。
它是利用电磁感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。
目前的RFID系统有很多工作频段，包括了低频、高频和超高频段。
工作原理也不尽相同，有的是利用近场的电磁感应，有的是利用电磁波发射。
和同期或早期的接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它可实现非接触目标识别、多目标识别和运动目标识别。
RFID系统已经在很多领域得到了广泛应用。
RFID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，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
RFID技术的基本工作原理并不复杂：
标签进入磁场后，接收读写器发
出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信
息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或
主动标签）；读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据
处理。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。
一套完整的RFID系统,是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）
也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成。
目前RFID技术在我国比较典型的应用主要有防伪、工业自动化、交通信息化管理、物流与供应链管理等几个方面。
在仿伪领域，RFID技术主要应用于各类电子票证、身份鉴别、特殊商品防
伪等。
比如2004年开始陆续换发的二代身份证就采用了13.56MHz的RFID技术，军车防伪中采用的含有电子标签的智能车牌。
此外，大学生假期火车购票优惠券、烟酒等特殊物品的批发售卖中电子标签也已有应用。
在工业自动化方面，准时制等现代生产方式对各个环节的协同提出了越来越高的要求，借助RFID技术能够实现存货管理的自动化，零部件的数量和位置全在掌控之中——当任何一处的存货水平降低到额定值以下时，系统就会自动发出补货指令。
目前国内的生产制造企业，如一些大的汽车制造企业如北京现代、上汽集团和第一汽车制造厂等汽车生产企业和一些IT生产企业，已在其生产线上采用RFID电子标签，这些点子标签的应用有效地改善了生产线的制造工艺，提高了劳动生产效率。
一些知名发动机企业也在积极筹备在生产中应用RFID电子标签。
在交通信息化方面的应用主要是城市“公交一卡通”工程、公路和铁路的
调度和统计系统，以及高速公路的不停车收费系统、智能化停车场等。
“公交一
卡通”工程使用非接触式IC卡作为地铁、出租、公交的电子车票，电子标签使
用13.56MHz频率下的ISO/IEC14443标准，交易便捷，快速通过，可靠性高，而
且越来越多的城市正在为准备使用的电子车票增加更多的功能。
在物流与供应链管理中，从供应商供货到仓库储存以及最终产品销售，RFID
技术都有所应用。
目前为业内熟知的有海尔立体仓库、白沙物流以及香港溢达棉
包物流管理等。
新的应用主要是针对客户订单跟踪管理和即时出货、建立中央数
据库储存关于周围环境的信息和客户需求、记录它们在供应链当中流动时的时间
和位置信息。
制造商、零售商以及最终用户都可以利用这个中央数据库来获知产
品的实时位置、交付确认信息以及产品损坏情况等信息。
在供应链的各个环节当
中，RFID技术都可以通过增加信息传输的速度和准确度来节省供应链管理成本。
除此之外，RFID技术在全网通讯、民航行李和邮政速递包裹管理、图书和
文档管理、医药卫生、食品安全、检验检疫、港口生产、海关监管、汽车防盗、
车辆管理、货物（危险品）和动物体以及人员的追踪管理与监控、运动计时、资
产管理等方面也有所应用，其它一些新的应用也在不断开拓。
第二章系统设计基本思路
2.1系统构思
基于RFID不停车收费系统，收费站采用智能型远距离非接触收费机，当车辆驶抵收费站时，通过读取车辆上配备的电子标签的数据，收费站的收费机将数据写入卡片并上传给收费站的微机，可使惟一车辆收到信号，车辆在驶至下个收费站时，经过卡片和收费站机的相互认证，并将电子标签上的相关信息发给收费站的收费机。
经收费机无线接收系统核对无误后完成一次自动收费，并开启绿灯或其他放行信号，控制道闸抬杆，指示车辆正常通过。
如收不到信号或核对该车辆通行合法性有误，则维持红灯或其他停车信号，指示该车辆属于非正常通行车辆。
系统功能主要包括：
收费数据采集、实现收费、管理收费车道的交通、车道控制机与后台结算网络的数据接口、业主内部管理功能、查询系统等。
工作人员通过客户端登录“工作人员”界面进行开户、销户、添加标签、给用户绑定标签等操作；同时，车主可通过客户端登录“普通用户”界面查询个人信息、车辆信息、充值和缴费记录等。
2.2系统框架
本系统采用三级结构：
ETC管理中心、收费站管理、收费车道控制。
当车辆经过收费站车道时，由车道管理控制系统完成车辆数据采集和通行的实时管理控制，收费站监控管理系统对各自收费车道过车数据进行采集、分类汇总和处理，将每日经过的车辆信息和记录通过专用网或公共网上传到ETC管理中心，ETC管理中心核对收费站监控管理系统汇总上传的信息，最后实现收费。
大致框架如下图：
收费站示意图：
收费车道效果图：
2.3系统工作流程
主要步骤：
①车辆经过入口地感线圈，使地感线圈启动阅读器工作；
②阅读器从电子标签中获取相关身份证据，送上位机（收费站主机）处理；
③将获取的信息相互比对核实，进行数据融合和判断，如果是合法车辆，计算本次收费额，并写回数据库；同时绿灯显示、挡车器栏杆抬起，放行；
④如果是非法车辆（无效卡、无卡、假卡），红灯显示，挡车器栏杆闭合，同时进行人工收费，如果愿意开户的话则开户；如果是低值车辆（即用户余额不足），黄灯显示，挡车器栏杆闭合，同时进行人工收费，或充值；
⑤车辆经过车道的出口地感线圈，地感线圈发出信号，关闭阅读器、放下栏杆，完成收费过程；
⑥把本次收费数据写入ETC管理中心后台数据库。
第三章硬件设计
3.1RFID读写器
3.1.1简介
RFID读写器是负责读取或写入标签信息的设备,在RFID系统中有着举足轻重的作用。
读写器可以是单独的整体，也可以作为部件嵌入到其他系统中。
它可以单独具有读写、显示、数据处理等功能，也可以与计算机或其他系统进行联合，完成对电子标签的操作。
读写器的频率决定了RFID系统工作的频段，同时读写器的发射功率和接受灵敏度直接影响了系统识别的距离。
在物联网中，RFID读写器将成为同时具备通信，控制和计算功能的核心设备。
3.1.2基本组成
①振荡器：
振荡器电路产生符合RFID系统要求的射频振荡频率，一路经过时钟电路产生MCU所需要的时钟信号，另外一路经过载波形成电路产生读写器工作的载波信号。
②发送通道：
发送通道包括编码、调制和功率放大电路，用于向电子标签传送命令和写数据。
③接收通道：
接收通道包括解调、解码电路，用于接收电子标签返回的应答信息和数据。
同时还应该考虑防碰撞电路的设计。
④微控制器（MCU）：
MCU是读写器工作的核心，完成收发控制、向标签发送命令和写数据、标签数据读取和处理、与应用系统的高层进行通信等任务。
⑤电源管理器：
通过读射频读写部分的独立电源控制，系统可以在MCU中根据需要选择开启或者关闭射频读写功能。
当应用系统有低功耗要求，不需要射频模块芯片一直工作的时候，这种控制方式是必不可少的。
⑥天线：
天线的作用就是产生磁通量，为无源标签提供电源，在读写设备和标签之间传送信息。
天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域。
3.1.3分类
按工作频率划分：
①低频读写器
②高频读写器
③超高频读写器
3.1.4主要功能
①实现与电子标签的通讯：
最常见的就是对标签进行读数，这项功能需要有一个可靠的软件算法确保安全性、可靠性等。
除了进行读数以外，有时还需要对标签进行写入，这样就可以对标签批量生产，由用户按照自己需要对标签进行写入；
②给标签供能:
在标签是被动式或者半被动式的情况下，需要读写器提供能量来激活射频场周围的电子标签；阅读器射频场所能达到的范围主要由天线的大小以及阅读器的输出功率决定的。
天线的大小主要是根据应用要求来考虑的，而输出功率在不同国家和地区，都有不同的规定；
③实现与计算机网络的通讯：
这一功能也很重要，读写器能够利用一些接口实现与上位机的通讯，并能够给上位机提供一些必要的信息；
④实现多标签识别：
读写器能够正确的识别其工作范围内的多个标签；
⑤实现移动目标识别：
读写器不但可以识别静止不动的物体，也可以识别移动的物体；
⑥实现错误信息提示：
对于在识别过程中产生的一些错误，读写器可以发出一些提示；
⑦对于有源标签，读写器能够读出有源标签的电池信息，如电池的总电量、剩余电量等。
3.2电子标签
3.2.1简介
电子标签（Tag）又称应答器，射频标签或射频卡，也常称为标签，是RFID系统中存储可识别数据的电子装置，在RFID系统中起着关键的作用。
射频识别技术之所以能够被广泛应用，根本原因在于RFID技术通过电子标签对物品进行非接触的自动识别。
电子标签通常被安装在被识别物体上，存储被识别物体的相关信息，可以通过读写器对电子标签存储器上的信息进行非接触式的读写操作。
3.2.2基本组成
①天线：
主要的功能是接收阅读器传送过来的电磁信号或者将阅读器所需要的数据传回给阅读器，也就是负责发射和接收电磁波。
它是电子标签与读写器之间联系的重要一环；
②逻辑控制单元：
负责对读写器传送来的信号进行译码，并且按照读写器的要求回传数据给读写器；
③调制解调单元：
由控制单元传出的数据需要经过调制单元的调制以后，才能加载到天线上，成为天线可以传送的射频信号，再回传给阅读器；解调单元负责将经过调制的信号加以解调，将载波去除，以获得最初的调制信号；
④电压调节单元：
主要用来把从读写器接收过来的射频信号转化为直流电源（DC），并且经由其内部的储能装置（大电容）将能量储存起来，再通过稳压电路，以确保稳定的电源供应；
⑤存储单元：
主要用于存储系统运行时产生的数据或者识别数据等。
3.2.3分类
●按照标签获取能量的方式分类
①有源标签
有源标签的内部自带电源，标签工作时所需的能量全部来自于这个自带电源。
只要标签进入阅读器的有效工作范围内，标签就可以主动发送信号。
②半有源标签
半有源标签的内部也自带电源，但是该电源并不提供标签工作时所需的全部能量，它仅用来维持标签内部的电路工作，并不提供传送电磁信号所需的能量。
③无源标签
无源标签，顾名思义，就是内部不带电源的标签，无源标签工作时所需的能量全部来自于阅读器传送过来的射频信号，其内部电路将该信号转化为直流电源为其工作提供能量。
因为这一点，所以无源标签的工作距离较短。
但是它的使用寿命相对要长很多，而且也比较便宜，体积也比较小。
目前无源标签是使用最为广泛的一类标签。
●按照数据调制方式分类
①主动式
主动式标签的内部带有电源，也就是有源标签，可以主动向阅读器发送数据，应用场合主要是那些对传输距离要求比较高的场合中。
②半主动式
半主动式标签的内部也带有电源，但必须经过阅读器的激活才能向阅读器传送数据，也就是说不能主动传输数据。
③被动式
被动式标签主要采用散射调制方式传输数据，它的信号必须经过调制以后才能进行传输，一般应用于对传输距离要求不太高的场合。
3.3天线
3.3.1简介
天线（Antenna）是一种以电磁波形式发射或接收射频信号的装置，即一种能够将电流信号转换为电磁波，或者将接收到的电磁波转换成电流信号的装置。
在RFID系统中，读写器和电子标签之间的通信是以无线方式完成的，因此读写器和电子标签都必须具有自己的天线，用来接收和发送电磁波，从而完成数据的传输。
RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，一般都和RFID标签集成在一起；另一类读写器标签，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频端口相连。
3.3.2分类
●按工作性质可分为：
发射天线，接收天线和收发共用天线。
●按波段分类：
长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线等。
●按结构分类：
线状天线，面状天线，缝隙天线和微带天线等。
●按用途分类：
广播天线，通信天线，雷达天线，导航天线等。
3.4本模拟系统所需硬件组成
3.4.1EPC读卡器
特点：
①支持多通信协议；
②高集成度，外围电路简单；
③低工作电流；
④输出功率可达20dBm；
⑤可选择时钟输出提供给MCU；
⑥支持和MCU之间的8位并行或者4线串行通信；
⑦采用ASK或者PR．ASK信号调制；
⑧可选择接收增益控制；
⑨支持三种工作模式间切换，大大降低功耗。
3.4.2UHF天线
本模拟系统中共需EPC读卡器4个，UHF天线4个，以及4台PC机，用来模拟一条路的2个收费站之间的2个入口，2个出口（每个收费站各一个出入口）的不停车收费运行。
因实验器件有限，其它器件如感应线圈，显示灯，闸栏等在本模拟系统中并没有使用到，本模拟系统只是模拟了最最基本的功能，而显示灯黄红绿灯的显示，以及闸栏的抬杆放行，均以程序输出提示信息表示。
第四章软件设计
4.1数据库设计
数据库的名称为ysp_RFID，里面共设计了10张表。
4.1.1Manager_Login表
用来保存工作人员账号和登录密码
4.1.2User_Login表
用来保存用户账号和登录密码
4.1.3User_information表
用来保存用户的个人信息
4.1.4Car_information表
用来保存用户登记的车辆信息
4.1.5User_RFID表
用来保存用户账号和标签绑定记录，一个用户账号只能同时绑定一张RFID标签
4.1.6Money表
用来保存用户的余额
4.1.7Payment表
用来保存用户的缴费记录
4.1.8Recharge表
用来保存用户的充值记录
4.1.9Enter_record表
用来保存入口车辆的记录
4.1.10RFID_information表
用来保存所有入库RFID标签的信息
4.2系统功能及操作流程
4.2.1客户端子系统
4.2.1.1工作人员界面
Ⅰ.用户管理模块（工作人员9506登录到工作人员界面）
①开户
②登记车辆信息
在【所有未登记车辆信息的用户】框内点击用户即可登记车辆信息
③绑定标签（为刚开户的用户绑定一张标签）
④查看用户信息（此处还可修改信息和删除用户）
直接在【所有用户】框中选定要查看的用户，或输入用户名点击查询按钮即可看到用户信息。
⑤充值（在充值界面还可查看充值和缴费记录）
Ⅱ.RFID标签管理模块
4.2.
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