RFID技術在數字城市建設中的應用

數字城市的建設是一項復雜的系統工程, 涉及到政務、公用事業、交通、社區等各個方面。人口管理、社會福利管理需要保管大量居民的詳細資料, 水電氣管理、交通管理需要方便的付費方式和消費數據, 如此大量的數據采集、統計、查詢工作成為現有城市管理方式的癥結, 而RFID技術可以方便的將市民的生活信息和消費信息進行數字化記錄, 反映到城市的相關的信息系統中, 為城市信息的綜合管理提供必要的數據與分析。 

1 RFID的基本概念 

RFID是利用感應、無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信, 實現識別和交換數據目的的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據, 無需人工接觸、無需光學可視、無需人工干預即可完成信息輸入和處理, 操作快捷方便。電子標簽不同于條型碼, 它具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽等優點。 

2 RFID系統的組成 

RFID系統至少應包括以下兩個部分, 一是讀寫器, 二是電子標簽( 或稱射頻卡) 。另外還應包括天線, 主機等。RFID系統在具體的應用過程中, 根據不同的應用目的和應用環境, 系統的組成會有所不同, 但從RFID系統的工作原理來看, 系統一般都由信號發射機、信號接收機、發射接收天線幾部分組成, 見圖1。 

1) 信號發射機。在RFID系統中, 信號發射機為了不同的應用目的, 會以不同的形式存在, 典型的形式是標簽( TAG) 。標簽相當于條碼技術中的條碼符號, 用來存儲需要識別傳輸的信息, 另外, 與條碼不同的是, 標簽必須能夠自動或在外力的作用下, 把存儲的信息主動發射出去。 

RFID系統中的標簽可以是有源標簽也可以是無源標簽。有源標簽中帶有電源, 標簽接收發送數據靠所攜帶的電源供電。無源標簽可以通過變壓器、電磁波的吸收或者反射得到能量。無源標簽的通信所需要的能量由外部識讀器提供, 因此在每天需要多次讀寫標簽、長時間傳遞數據、標簽需要長期工作等條件下, 需要采用無源標簽。與無源標簽相比, 有源標簽的最大優點是標簽與識讀器之間的距離較大。 

2) 信號接收機。在RFID系統中, 信號接收機一般叫做閱讀器。閱讀器基本的功能就是提供與標簽進行數據傳輸的途徑。另外, 閱讀器還提供相當復雜的信號狀態控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。標簽中除了存儲需要傳輸的信息外, 還必須含有一定的附加信息, 如錯誤校驗信息等。識別數據信息和附加信息按照一定的結構編制在一起, 并按照特定的順序向外發送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數據流的發送。一旦到達閱讀器的信息被正確的接收和譯解后, 閱讀器通過特定的算法決定是否需要發射機對發送的信號重發一次, 或者知道發射器停止發信號, 這就是“命令響應協議”。 

3) 編程器。只有可讀可寫標簽系統才需要編程器。編程器是向標簽寫入數據的裝置, 編程器寫入數據一般來說是離線完成的, 也就是預先在標簽中寫入數據, 等到開始應用時直接把標簽黏附在被標識物體上。也有一些RFID應用系統, 寫數據是在線完成的, 尤其是在生產環境中作為交互式便攜數據文件來處理時。 

4) 天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數據的發射、接收裝置。在實際應用中, 除了系統功率, 天線的形狀和相對位置也會影響數據的發射和接收, 需要專業人員對系統的天線進行設計、安裝。 

3 RFID的工作原理 

RFID的工作原理是: 閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號, 當標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流, 標簽獲得能量被激活; 標簽將自身編碼等信息通過內置發送天線發送出去; 系統接收天線接收到從標簽發送來的載波信號, 經天線調節器傳送到閱讀器, 閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理, 如圖2所示: 主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性, 針對不同的設定做出相應的處理和控制, 發出指令信號控制執行機構動作。 

在實際應用中, 可進一步通過Ethernet或WLAN等實現對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。 

4 RFID在城市公共交通中的應用 

隨著社會經濟的發展, 城市化進程加速, 城市人口、車輛數量不斷增長, 因此不可避免地帶來一系列的交通問題。由于城市公共交通具有客運量大、相對投資少、占有資源少、效率高、污染相對較少、人均占用道路少等優點。因此, 發展公共交通是改善城市交通的優先原則。如何大力發展公共交通, 現已成為擺在各城市主管領導及交通管理部門面前的重要課題。RFID的應用可有效實現數字化、智能化的城市公交管理, 提高公共交通運營管理效率和社會服務水平, 提升城市形象。 

4.1 系統功能 
RFID應用在公交管理系統中實現的功能和特性有以下幾個方面: 
1) 不停車遠距離自動識別, 實時定點采集公交車輛進出站和通過站臺的時間, 確定公交車輛所處位置; 
2) 調度中心和站臺顯示牌可以分別顯示公交車在某站臺或站臺之間的在線運行動態信息( 包括車輛所處的位置、載客的擁擠程度、空車、正常信息提示) , 便于靈活調度車輛和方便乘客候車; 
3) 便于稽查公交車輛是否按規定的線路運行,提高車輛到達站臺的準時性; 便于對車輛的調度、流量統計、車輛考勤、任務考核、路單報表生成, 以及維修保養期提示、車輛維修記錄、審驗記錄等方面的自動化管理。 

4.2 系統組成 
系統主要有安裝電子標簽的公交車、數字公交站、調度中心及通信網絡組成, 如圖3所示。電子標簽安裝在公交車的前保險桿上, 由于RFID的讀取距離大、可識別高速運動物體等優點, 在一級公路上可以在不減速、不停車的情況下使用進行識別, 該系統數據傳輸速率可以達到300 kbit/s, 標簽移動速度( 車速) 可以達到300 km/h。閱讀器直接安裝在各個公交站臺或交通流量大的路口, 并通過GSM網用GPRS方式傳輸到公交調度中心。數字公交站配置有顯示牌及RFID閱讀器等設備, 在顯示牌上可以預報車輛到站的時間或滾動發布天氣預報、政府公告、新聞摘要、財經簡訊等信息。 

4.3 系統實現 
系統要求準確而可靠地了解每輛公交車的所處位置。例如, 在系統正常運行的情況下, 應該能了解在站臺的哪邊停靠了車輛, 在哪條路上行駛。由于采用了RFID技術系統可以達到這些要求, RFID閱讀器嵌在進出車站的路面上, 只有當車直接從閱讀器上方經過時, 讀寫器才能讀取電子標簽的ID號, 采用這個方法給車定位, 精確度在1 m以內。公交車到達以及離開時間的信息就會由數字公交站自動采集通過GSM網GPRS方式源源不斷地傳送到“后臺”的調度中心,沿途的眾多數字公交站以此匯報一輛輛公交車的“蹤跡”, 調度中心經過一系列數據處理, 從而快速推算最近一輛公交車距離乘客等候的公交站所需時間。其信息發布準確、及時, 車輛到站預報準確, 可滿足公交實際運營需要, 有效改善公交乘客候車環境, 從而形成一種定時、準確、高效、可靠的綜合運輸系統,實現智能化、網絡化的公共交通運營管理。 

5 RFID是數字城市的神經末梢 

在信息社會, 對于各種信息的獲取及處理, 要求快速、準確, 而RFID技術可以方便的實現這些工作并在此基礎上構筑一個統一的城市信息化平臺, 將市民的生活信息和消費信息進行數字化記錄, 反映到城市的相關的信息系統中, 為城市信息的綜合管理提供必要的數據與分析。而事實上RFID技術已經大量應用于與城市居民生活息息相關的方方面面: 

實例1: 市民張先生去領略網球大師球技。從家門口上車, 到步入體育場, 他享受了3項RFID技術:坐出租車, 是計價器上的RFID確保儀表走得準; 刷公交卡, 又是RFID幫他付賬; 到了網球中心, 張先生發現手中的門票內嵌有RFID芯片, 這就杜絕了所有假票。 

實例2: 近年來, 全國液氯泄露、鋼瓶爆炸事故時有發生。它們就像城市里的“不定時炸彈”, 為此,國家質監總局和上海市科委專門立項, 用電子標簽“鉚牢”全市20萬個液氯鋼瓶、乙炔氣瓶。配合GPS技術, 瓶罐流動到哪兒, 都能實時跟蹤定位。 

6 結語 

RFID的應用相當廣泛, 最常見的應用為: 工業制造、物流; 商業供應鏈的管理; 醫院的病歷系統、危險或管制的生化物品管理; 高速公路的收費系統;超市、圖書館或書店的防盜管理; 身份識別以及聯合多種用途的智能卡系統等。基于RFID技術的城市信息化平臺建設, 已經成為城市建設的重要方向, 也是實現數字化城市的基石。 

參考文獻 
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作者簡介: 孫偉, 講師, 主要從事攝影測量和空間信息系統應用研究。