取消高速公路省界收费站项目中射频技术的应用

摘要：文章基于射频技术的原理、特点和结构基础，介绍了在取消高速公路省界收费站背景下，无线射频技术在不停车收费系统中的应用，提出以射频技术为基础的射频识别系统可以实现车辆快速识别、收费，具有良好的应用前景。

关键词：省界收费站;射频技术;电子标签

0 引言

在取消高速公路省界收费站的背景下，不停车电子收费系统得到了广泛的应用，该系统简称ETC，实质为智能交通服务，可以解决当前高速公路收费方式的缺陷[1]。应用ETC系统收费是凭借无线通信技术完成的。车辆经过收费车道，无线射频技术首先感受车辆的到来，然后在车辆行驶状态下和车辆中的设备进行信息传递和交互，完成登记、收费过程。整个过程在车辆行驶的状态下完成，有效缓解了收费站附近区域的拥堵问题，提高了高速公路通车效率，给人们的出行带来了极大的便利。

1 射频技术的原理和特点

射频技术的工作原理：阅读器借助发射天线的作用发射特定频率的射频信号，发射天线的工作区域一定，当射频卡随着车辆进入到发射天线的工作区域后，在射频信号的作用下射频卡被激活，射频卡利用卡内的发送天线将自身编码信息发送出去，系统接收天线负责接收信息，这些信號经过天线调节器传递至阅读器。信号经过阅读器的解码传输到后台系统，系统根据提前设定的逻辑预算对该射频卡的合法性进行分析和判断，在做出相应处理的同时发出执行动作[2]。

无线射频技术具有以下特点：

（1）对视距没有特殊要求：射频技术传输载波信息依靠无线电波完成，对视距无特殊要求，这一特点和条码收费完全不同。条码因为对距离和角度都具有一定的要求，需要驾驶员或收费员不断调整，无形中延长了整个收费过程。

（2）非接触性：射频技术具有非接触性，所以对环境无特殊要求，即使在流动的化学环境中也可以应用。

（3）识读速度极快：射频技术读取车辆电子标签中信息的时间仅为250 ms，无论标签位置是什么方向都能快速精准地读取出来。[=XJT（]取消高速公路省界收费站项目中射频技术的应用/覃耀明[=JP2] （4）可同时完成多个标签的识读：只要在射频范围内，阅读器即可同时完成多个标签的识读。据统计，其读取速度是传统扫描读取速度的1 000倍左右。

（5）可编程性：可编程性是射频技术独有的特点，实现了标签随时写入交互信息的目的。

2 射频技术的结构基础

2.1 电子标签

射频技术功能的发挥必须借助各类基础结构。电子标签的主要作用是存储车辆基本信息，由芯片和射频天线两部分构成，大多被固定在车辆挡风玻璃的内侧。当车辆经过收费通道时，ETC系统的阅读器对电子标签可以执行两种操作：读取其内部信息和根据读取结果写入必要的收费信息。电子标签达到射频技术范围内后，其会通过两种方式向阅读区传递信息：改变调制信号和调整电子标签内部天线阻抗[3]。

在过去几年，国内很多地区开通了IC卡功能，和普通电子标签相比，IC卡的识别速度更快、更准确，随着射频技术的飞速发展，IC卡也开始了技术升级，升级后形成复合通行卡。CPC卡兼具5.8 G Hz和13.56 M Hz通信功能，可以随时完成车辆入口信息、计费信息和路径等信息的读写。车辆驶入高速公路收费路段时，将CPC卡发放给车主，当车辆驶离收费路段后回收CPC卡，将其继续发放给下一个车主使用，在取消高速公路省界收费站的背景下CPC可全国通用。

2.2 阅读器

作为射频系统关键的结构，阅读器也叫作读写器，其实质是一种读写装置。车辆驶入射频技术敷设范围内后，阅读器首先阅读车辆中电子标签或CPC卡的数据和信息，并且根据这些数据和信息识别车辆，可以读、写电子标签或CPC卡中的数据，并根据信息识别车辆，然后根据车型和费率计算费用。

阅读器的工作原理是：设置在阅读器内部的芯片所发出的数据信号经过频率合成器进行处理，得到具有固定频率的信号，在功率分配器的分配作用下该信号会分成两个部分：其中一部分和车辆电子标签所发射的信号混合在一起，降低其原有的频率，经过功率放大器放大、滤波处理后得到电子标签内部的所有信息;另外一部分信号经过功率放大器放大、滤波处理后直接通过天线发送出去。

2.3 天线

天线的主要作用是发射或者接收无线电波，发射无线电波的天线叫作发射天线，接收无线电波的天线叫作接收天线。在天线的作用下，射频信号的发射或者接收都以电磁波的形式完成。信号经过调制、放大、滤波处理后，在发射天线的作用下传递到接收设备。不停车收费系统主要有ETC车道和龙门架两种，当车辆通过时，车辆上的电子标签迅速接收到射频天线信号，获得能量后被激活，然后将接收到的射频信号反射给系统阅读器，阅读器对信号进行识别，传递到处理单元，处理单元对车辆信息进行计算得出扣费信息。

2.4 应用系统

应用系统主要由应用软件和中间件部分组成，其主要功能是对阅读器传递过来的信息进行存储和管理。应用系统的应用软件作为独立系统软件而存在，中间件部分对计算机资源和网络通信进行管理，真正实现了应用系统中不同技术的共享。另外，中间件部分是程序和电子标签之间的桥梁，在程序接口的作用下中间件接入到阅读器，阅读器阅读电子标签后将电子标签中的信息传输到中间件，中间件再将信息传递到应用程序，让应用程序根据电子标签信息做出反应。

3 无线射频技术在不停车收费系统中的应用3.1 无线数据传输

生活中无线网络主要包括无线局域网和无线广域网两种，前者主要借助蓝牙、Hiper LAN、Home RF等技术构建起来，后者则以2G、3G、4G无线通信技术构建起来。近几年，蓝牙和3G、4G的走势最为引人注目，和有线网络相比，无线网络具有随时、随地、可移动三个主要特征。在不停车收费系统中，无线射频技术的主要作用是构建无线网络、传输无线数据。以无线射频技术为基础的无线网络是一种灵活的数据传输网络，在这个无线网络中，射频技术利用无线电波收发数据的过程就是传统有线网络中网络线路传递数据和信息的过程。

3.2 无线射频识别

无线射频技术也是一种非接触式的微波射频识别技术，简称RFID，从1980年后逐渐发展成熟。随着大规模集成电路技术的成熟，无线射频识别系统功能越来越强大，体积却大大减小，标志着该技术正式进入到实用化阶段。无线射频识别系统利用无线射频技术进行非接触双向通信，以识别为前提进行数据和信息的交互。和条码技术不同，无线射频技术不需要人工操作即可自动完成数据采集工作。另外，因为不需要依赖文书操作，可以为收费方和驾驶者提供更加客观的时间戳和电子数据验证，让整个收费过程变得“无懈可击”，这也正是无线射频技术应用更加广泛的原因之一。

以无线射频技术为基础的无线射频识别系统由读写器和标签两部分构成，前者由收发天线、控制电路、收发模组构成，读写器发射能量，在特定区域范围内形成电磁场，该电磁场的大小和无线尺寸以及工作频率有关。当车载标签进入到这个磁场范围内时，在读写器电磁波能量的激发下标签获得电能被激活，然后将卡内所存储的信息以无线电波的方式传递给读写器，读写器接收到信息后对信息进行解码，验证数据的有效性，再将其传递到专门的计算机网络中进行分析、处理和计算。标签实质是安装在车内的芯片，该芯片由若干模块构成，完成与读写器通信。芯片主要分为内存部分和外围部分：内存部分的主要功能是存储号码或数据，目前芯片内存容量处于1 bit～64 kb之间;外围部分的主要作用是连接天线或者电池。

根据通过频率不同，以射频技术为基础的射频识别系统分为高频系统、中频系统及低频系统三种。其中，高频系统中微波频率处于850～950 kHz之间，主要用于对读写距离和读写速度要求较高的场合，如高速公路收费系统、货车监控等，这类微波应用成本较高;中频系统中微波频率处于10～15 MHz之间，主要用于大数据的传输，在我国，该系统在门禁控制系统中的应用频率也较大;低频系统中微波频率处于100～500 kHz之间，主要用于短距离传输，如货物跟踪、动物监管等，这类系统应用成本较低。

和射频系统对应的射频卡也分为有源射频卡和无源射频卡两种：前者识别距离较长、使用成本较高、使用寿命较短，经常被用作读写卡;后者识别距离短、体积小、重量轻、使用成本低、使用寿命长，经常被用作只读卡。根据不同的调制方式，射频卡还可以为分为主动式射频卡和被动式射频卡：前者主动向读写器发送射频能量，如果微波传输过程中存在障碍物，射频卡发射的信号只需要穿越一次障碍物;后者以散射方式发射数据，然后利用读写器载波对自己的信号进行调制，如果微波传输的过程存在障碍物，读写器能量需要两次穿过障碍物。对比来说，主动式射频卡更适合存在障碍物的场景，其微波传输的距离也更远。

3.3 在ETC系统中的应用

取消高速公路收费站背景下，ETC系统得到了广泛应用，而射频技术在ETC系统中充分体现出其长距离识别、非接触识别的优势，让车辆可以在不停车的情况下完成自动收缴费，彻底解决了高速公路拥堵问题。尤其是进入到21世纪以后，我国各个地区私家车的数量骤增，人们生活水平得到改善，出行需求不断增加，很多地区开始应用无线射频技术，如北京地区高速公路已使用无线射频识别系统实现自动收费;广东省也开始应用ETC自动收费系统，旨在缓解高速公路运营瓶颈，提高车辆通行率。

一般来说，车辆在高速公路上行驶，无线射频系统读取、识别车辆信息的时间仅需要0.5 ms，信息读取的正确率高达99.95%。随着高速公路的不断发展，无线射频技术必将成为未来高速公路的主要收费方式之一。在可靠、高效的服务环境中，高速公路的运营水平也会得到提高。

4 结语

随着国家不断倡导经本增强的运输方式，给高速公路运营工作提出了更高的要求。國内各个地区已经基本实现了开放式自由流收费方式，该收费方式的应用极大地提高了高速公路通行效率。以射频技术为基础的射频识别系统，可以实现车辆快速识别、收费，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]陈吉阳.辽宁省高速公路ETC联网收费系统的设计与实现[D].沈阳：东北大学，2011.

[2]李 明.射频技术在取消高速公路省界收费站项目中的应用[J].交通世界，2020（11）：157-158.

[3]吴晓东.无线射频技术在高速公路不停车收费系统中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2010（1）：163-165.