基于射频识别的电子车证系统设计(2)

　　本电子车证系统的主要功能是标识车辆的身份。该电子车证系统采用符合ISO/IEC18000-6C（EPC C1G2）国际标准的电子标签，条件成熟时，将采用符合GB/T29768-2013国家标准的电子标签。这两种标准的被动式超高频电子标签，不带电池，由读写器提供能量，成本低廉、维护方便。

　　电子标签的存储区分为保留区、EPC区、TID区和用户区，其中，保留区主要存储各种密码，只能写入，不能读取；EPC区存储物品的标识，可以写入和读取，大部分电子标签的EPC区存储容量为96 b；TID区存储标签生产厂商在标签出厂时写入唯一标识符，包括厂商标识符和序列号，TID区只能读取，不能写入；用户区存储物品的额外信息，用户区的存储容量从0到64 kb不等，常见的是512 b。

　　根据空中接口协议，电子标签被识别时，首先返回给读写器的数据是存储在EPC区中的数据，为读取TID区和用户区中的数据，需要读写器再发送读取指令。因此，EPC区中的读取速度最快。对于电子车证应用，通常要求在车辆高速运动下也能识别车辆，这样，车辆的号牌等数据应该存储在EPC区中，其他数据应存储在用户区中，这可以保证车辆速度在180 km/h的情况下，也能被正确识别。

　　电子车证的安全性主要包括数据私密性、数据完整性和车证真实性等[5]。为保证EPC区和用户区中数据的私密性，可以采用对称分组加密算法，在数据写入标签前，加密数据，并在数据从标签读取后，解密数据。为保证数据的完整性，可以在加密数据的同时，生成消息验证码（Message Authentication Code，MAC），与数据一起存储。同时，对EPO区和用户区增加访问密码（写保护密码）。数据加密密钥和访问密码都可以利用标签的TID分散主密钥得到。电子车证的真实性由两个措施来保证：电子标签采用防拆卸的陶瓷封装方式，后台系统监控电子车证在各个采集点处出现情况。

　　2.2 车证发行子系统

　　车证发行子系统的功能比较简单，主要实现电子车证生命周期管理，包括标签的初始化、写入车辆信息、电子车证的挂失解挂、电子车证报废等管理。

　　2.3 数据采集子系统

　　电子车证数据采集分为3种采集方式。其中固定式采集，试讲采集设备安装在道路上方，实现对高度运动车辆的识别；而移动式采集，则将采集设备安装在车辆上、停车场出入口、或临时安装在路测，主要实现对低速运动车辆的识别；手持式采集，是管理人员利用手持式采集设备实现对静止车辆的识别。

　　由于数据采集设备与后台通过广域网连接，为防止网络中断丢失数据，需要数据采集设备具有本地存储功能和一定的处理能力。因此，固定式采集设备和移动式采集设备采用工控机加RFID读写模块的方式，手持式采集设备采用手持计算机加读写模块的方式。

　　根据应用要求，固定式采集设备又分为RFID数据采集设备和综合数据采集设备两类。一台RFID数据采集设备配备一个RFID读写器、2～4个天线，可采集2～4个车道上的电子车证。一台综合采集设备配备一个RFID读写器、2个天线、2台图像/视频采集设备，天线的作用范围与图像/视频采集设备的作用范围尽量保持一致，由于实现了车辆电子车证和车牌的识别和融合，从而具有一定的取证功能。RFID采集设备的软件结构如图3所示，综合采集设备的软件结构如图4所示。

　　图3 RFID采集设备的软件结构

　　图4 综合采集设备的软件结构

　　RFID采集设备软件分为设备控制、数据过滤和数据传输等3个模块。设备控制模块的功能是设置读写器参数，控制读写器识别电子标签、读取电子标签中的数据。数据过滤模块实现简单的消除重复读取的功能，根据设置，删除一段时间内重复读取到的电子标签数据，同时，利用读取到的重复数据，计算交通拥挤程度，以充分利用RFID数据的价值。数据传输模块负责与后台数据整合的通信接入部分的交互，向后台传输采集到电子车证信息和交通拥挤程度，同时接收后台传输的读写器配置命令，配置读写器参数，实现读写器固件、数据采集软件本身的在线升级。数据传输模块实现了读写器的适配功能，允许电子车证系统中存在多种厂商的读写器，只需要数据传输模块和后台之间的通信协议符合系统规定的要求即可。

　　综合采集设备软件分为5个模块：RFID设备控制、RFID数据过滤、车牌识别、数据融合和数据传输。设备控制、数据过滤和数据传输等3个模块的功能与RFID采集设备软件对应模块相同。车牌识别模块用于控制图像/视频采集，并识别图像中的车牌，保存包含车牌的图像。数据融合模块将车牌识别的结果和RFID数据采集的结果融合，以车牌识别的结果为基准，对于时刻t识别到的车牌，在电子车证中寻找采集时间在t±Δt内与这个车牌匹配的车牌，作为融合结果，将车牌和电子车证关联，否则认为出现车牌误识或RFID漏识，无法融合。

　　2.4 数据整合子系统

　　数据整合子系统采用RFID中间件的思想设计。RFID中间件是介于读写器和应用系统之间的软件系统[6-8]。RFID中间件的主要功能包括：屏蔽各种读写器之间的差异，为应用系统访问、配置和管理读写器提供统一的接口；对读写器采集到的与标签有关的事件和数据进行过滤、汇集和计算，减少从读写器传送到应用系统的海量原始数据；面向不同的应用，提供统一的服务接口，实现应用的透明操作。

　　由于上述RFID中间件的功能主要针对物流供应链的RFID应用。在电子车证系统中，备识别的车辆移动速度较快，在读写器天线的作用范围内不会同时出现多个车辆。因此，电子车证中间件的数据过滤功能要求不高，而对实时事件检测和数据分析的功能要求较高。

　　根据应用对电子车证系统中间件的需求，我们将屏蔽读写器差异的读写器适配功能、部分数据过滤功能、数据处理功能和数据融合功能从数据整合系统移动到数据采集子系统，以减轻数据整合子系统的负载。在数据整合子系统中，我们增加了实时事件检测功能、数据分析功能和数据挖掘功能。数据整合子系统的结构如图5所示。

　　在图5中，数据整合子系统主要由8个模块组成，并通过4个接口与其他子系统交互。数据采集子系统通过TCP接口，与数据传输模块进行数据交换；用户通过Web接口，与配置管理模块进行交互，配置数据采集设备的工作参数，查看数据采集设备工作状态，并配置事件检测规则；业务应用通过TCP接口，从实时数据管理模块获取实时数据和实时事件；业务应用通过Web Service接口，获取历史数据和历史事件，并调用数据整合子系统的数据分析和数据挖掘模块，对历史数据和事件进行分析和挖掘。