RFID技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用

數(shù)字城市的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 涉及到政務(wù)、公用事業(yè)、交通、社區(qū)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(xì)資料, 水電氣管理、交通管理需要方便的付費(fèi)方式和消費(fèi)數(shù)據(jù), 如此大量的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、查詢工作成為現(xiàn)有城市管理方式的癥結(jié), 而RFID技術(shù)可以方便的將市民的生活信息和消費(fèi)信息進(jìn)行數(shù)字化記錄, 反映到城市的相關(guān)的信息系統(tǒng)中, 為城市信息的綜合管理提供必要的數(shù)據(jù)與分析。 

1 RFID的基本概念 

RFID是利用感應(yīng)、無線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信, 實(shí)現(xiàn)識別和交換數(shù)據(jù)目的的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù), 無需人工接觸、無需光學(xué)可視、無需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理, 操作快捷方便。電子標(biāo)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(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽等優(yōu)點(diǎn)。 

2 RFID系統(tǒng)的組成 

RFID系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下兩個部分, 一是讀寫器, 二是電子標(biāo)簽( 或稱射頻卡) 。另外還應(yīng)包括天線, 主機(jī)等。RFID系統(tǒng)在具體的應(yīng)用過程中, 根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境, 系統(tǒng)的組成會有所不同, 但從RFID系統(tǒng)的工作原理來看, 系統(tǒng)一般都由信號發(fā)射機(jī)、信號接收機(jī)、發(fā)射接收天線幾部分組成, 見圖1。 

1) 信號發(fā)射機(jī)。在RFID系統(tǒng)中, 信號發(fā)射機(jī)為了不同的應(yīng)用目的, 會以不同的形式存在, 典型的形式是標(biāo)簽( TAG) 。標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號, 用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔? 另外, 與條碼不同的是, 標(biāo)簽必須能夠自動或在外力的作用下, 把存儲的信息主動發(fā)射出去。 

RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽可以是有源標(biāo)簽也可以是無源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽中帶有電源, 標(biāo)簽接收發(fā)送數(shù)據(jù)靠所攜帶的電源供電。無源標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽、長時間傳遞數(shù)據(jù)、標(biāo)簽需要長期工作等條件下, 需要采用無源標(biāo)簽。與無源標(biāo)簽相比, 有源標(biāo)簽的最大優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽與識讀器之間的距離較大。 

2) 信號接收機(jī)。在RFID系統(tǒng)中, 信號接收機(jī)一般叫做閱讀器。閱讀器基本的功能就是提供與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。另? 閱讀器還提供相當(dāng)復(fù)雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗(yàn)與更正功能等。標(biāo)簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼? 還必須含有一定的附加信息, 如錯誤校驗(yàn)信息等。識別數(shù)據(jù)信息和附加信息按照一定的結(jié)構(gòu)編制在一起, 并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送。一旦到達(dá)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(fā)射機(jī)對發(fā)送的信號重發(fā)一次, 或者知道發(fā)射器停止發(fā)信號, 這就是“命令響應(yīng)協(xié)議”。 

3) 編程器。只有可讀可寫標(biāo)簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)的裝置, 編程器寫入數(shù)據(jù)一般來說是離線完成的, 也就是預(yù)先在標(biāo)簽中寫入數(shù)據(jù), 等到開始應(yīng)用時直接把標(biāo)簽黏附在被標(biāo)識物體上。也有一些RFID應(yīng)用系統(tǒng), 寫數(shù)據(jù)是在線完成的, 尤其是在生產(chǎn)環(huán)境中作為交互式便攜數(shù)據(jù)文件來處理時。 

4) 天線。天線是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實(shí)際應(yīng)用中, 除了系統(tǒng)功率, 天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收, 需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝。 

3 RFID的工作原理 

RFID的工作原理是: 閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號, 當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流, 標(biāo)簽獲得能量被激活; 標(biāo)簽將自身編碼等信息通過內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去; 系統(tǒng)接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號, 經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器, 閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理, 如圖2所示: 主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性, 針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制, 發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。 

在實(shí)際應(yīng)用中, 可進(jìn)一步通過Ethernet或WLAN等實(shí)現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。 

4 RFID在城市公共交通中的應(yīng)用 

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 城市化進(jìn)程加速, 城市人口、車輛數(shù)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(yùn)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(yōu)點(diǎn)。因此, 發(fā)展公共交通是改善城市交通的優(yōu)先原則。如何大力發(fā)展公共交通, 現(xiàn)已成為擺在各城市主管領(lǐng)導(dǎo)及交通管理部門面前的重要課題。RFID的應(yīng)用可有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的城市公交管理, 提高公共交通運(yùn)營管理效率和社會服務(wù)水平, 提升城市形象。 

4.1 系統(tǒng)功能 
RFID應(yīng)用在公交管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能和特性有以下幾個方面: 
1) 不停車遠(yuǎn)距離自動識別, 實(shí)時定點(diǎn)采集公交車輛進(jìn)出站和通過站臺的時間, 確定公交車輛所處位置; 
2) 調(diào)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(yùn)行動態(tài)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(diào)度車輛和方便乘客候車; 
3) 便于稽查公交車輛是否按規(guī)定的線路運(yùn)行,提高車輛到達(dá)站臺的準(zhǔn)時性; 便于對車輛的調(diào)度、流量統(tǒng)計(jì)、車輛考勤、任務(wù)考核、路單報(bào)表生成, 以及維修保養(yǎng)期提示、車輛維修記錄、審驗(yàn)記錄等方面的自動化管理。 

4.2 系統(tǒng)組成 
系統(tǒng)主要有安裝電子標(biāo)簽的公交車、數(shù)字公交站、調(diào)度中心及通信網(wǎng)絡(luò)組成, 如圖3所示。電子標(biāo)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(yùn)動物體等優(yōu)點(diǎn), 在一級公路上可以在不減速、不停車的情況下使用進(jìn)行識別, 該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到300 kbit/s, 標(biāo)簽移動速度( 車速) 可以達(dá)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(wǎng)用GPRS方式傳輸?shù)焦徽{(diào)度中心。數(shù)字公交站配置有顯示牌及RFID閱讀器等設(shè)備, 在顯示牌上可以預(yù)報(bào)車輛到站的時間或滾動發(fā)布天氣預(yù)報(bào)、政府公告、新聞?wù)?、?cái)經(jīng)簡訊等信息。 

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 
系統(tǒng)要求準(zhǔn)確而可靠地了解每輛公交車的所處位置。例如, 在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下, 應(yīng)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(shù)系統(tǒng)可以達(dá)到這些要求, RFID閱讀器嵌在進(jìn)出車站的路面上, 只有當(dāng)車直接從閱讀器上方經(jīng)過時, 讀寫器才能讀取電子標(biāo)簽的ID號, 采用這個方法給車定位, 精確度在1 m以內(nèi)。公交車到達(dá)以及離開時間的信息就會由數(shù)字公交站自動采集通過GSM網(wǎng)GPRS方式源源不斷地傳送到“后臺”的調(diào)度中心,沿途的眾多數(shù)字公交站以此匯報(bào)一輛輛公交車的“蹤跡”, 調(diào)度中心經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)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(fā)布準(zhǔn)確、及時, 車輛到站預(yù)報(bào)準(zhǔn)確, 可滿足公交實(shí)際運(yùn)營需要, 有效改善公交乘客候車環(huán)境, 從而形成一種定時、準(zhǔn)確、高效、可靠的綜合運(yùn)輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的公共交通運(yùn)營管理。 

5 RFID是數(shù)字城市的神經(jīng)末梢 

在信息社會, 對于各種信息的獲取及處理, 要求快速、準(zhǔn)確, 而RFID技術(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)這些工作并在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑一個統(tǒng)一的城市信息化平臺, 將市民的生活信息和消費(fèi)信息進(jìn)行數(shù)字化記錄, 反映到城市的相關(guān)的信息系統(tǒng)中, 為城市信息的綜合管理提供必要的數(shù)據(jù)與分析。而事實(shí)上RFID技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于與城市居民生活息息相關(guān)的方方面面: 

實(shí)例1: 市民張先生去領(lǐng)略網(wǎng)球大師球技。從家門口上車, 到步入體育場, 他享受了3項(xiàng)RFID技術(shù):坐出租車, 是計(jì)價器上的RFID確保儀表走得準(zhǔn); 刷公交卡, 又是RFID幫他付賬; 到了網(wǎng)球中心, 張先生發(fā)現(xiàn)手中的門票內(nèi)嵌有RFID芯片, 這就杜絕了所有假票。 

實(shí)例2: 近年來, 全國液氯泄露、鋼瓶爆炸事故時有發(fā)生。它們就像城市里的“不定時炸彈”, 為此,國家質(zhì)監(jiān)總局和上海市科委專門立項(xiàng), 用電子標(biāo)簽“鉚牢”全市20萬個液氯鋼瓶、乙炔氣瓶。配合GPS技術(shù), 瓶罐流動到哪兒, 都能實(shí)時跟蹤定位。 

6 結(jié)語 

RFID的應(yīng)用相當(dāng)廣泛, 最常見的應(yīng)用為: 工業(yè)制造、物流; 商業(yè)供應(yīng)鏈的管理; 醫(yī)院的病歷系統(tǒng)、危險或管制的生化物品管理; 高速公路的收費(fèi)系統(tǒng);超市、圖書館或書店的防盜管理; 身份識別以及聯(lián)合多種用途的智能卡系統(tǒng)等?；赗FID技術(shù)的城市信息化平臺建設(shè), 已經(jīng)成為城市建設(shè)的重要方向, 也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化城市的基石。 

參考文獻(xiàn) 
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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(tǒng)應(yīng)用研究。