一种基于RDID技术的低成本车站智能信息系统模型的设计
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摘要 本文依托对超高频 RFID 技术的技术研究，针对目前公交信息系统缺陷，提出一种新颖的基于超高频 RFID 技术的智能公交信息系统模型方案，通过分别对系统的标签距离测试及标签碰撞识别测试，证实了该模型的合理性及实用性，能够从而克服了目前公交车辆对 GPS 的依赖，完成对公交车辆信息的实时预报，使车站信息系统更加准确、智能．
-----课题项目：湖南省科技厅应用基础研究计划《基于嵌入式系统的超高频RFID读写控制器的研究》
-----项目编号2012FJ3043
关 键 词 车站信息系统；射频识别；无源标签; 识别防碰撞；
中图分类号：U291.1+2文献标识码： A
1、引言
城市公共汽车交通是我国城市交通的主要手段，但我国城市公交运营效率较低，一线城市公交车辆高峰期运营速度仅为每小时4 ~10公里；交通信息不明确，居民等车空耗时间较高。如何改善目前的公交管理手段、提高公交运营效率，成为公交系统面临的主要问题[1]。
在传统方式难以实现效果的情况下，部分国内一线城市已经尝试通过先进的科技手段改造传统的公交运营模式，如上海世博智能交通系统、苏州智能公交系统等，这些系统大多通过GPS定位技术对公交车辆位置及状态进行实施监控，并在电子站牌、移动信息平台等工具上，以提高车辆运行正步率来吸引客流[2]。此种模式在带来良好效果的同时，也体现了诸多弊端：① 整体系统多以GPS定位技术为基础，核心技术来源于国外，设备维护、更新难度较大；② 受城市地形、建筑的影响，GPS卫星定位在碰到高层建筑比较多和密集的路段时信号衰减严重，影响调度中心的监控及后续电子站牌的显示。
因此，结合城市公共交通的特点[3]，本文旨在提出一种基于RFID技术的低成本、快速实现的车站智能信息系统模型，该系统能够在没有GPS及GPRS传输的前提下，实现公交车辆的定位与预报，保证在公交站台能随时现实最新车辆动态，提高居民出行选择。
2、RFID技术
射频识别技术(RFID) 是一项利用无线射频信号穿过电磁耦合来实现非接触信息传递的自动识别技术。射频识别系统通常由电子标签、阅读器及天线组成，按标签的能量供应方式，可分为有源和无源两种。
无源标签是指标签内无电池，完全由阅读器供电。当接收到来自阅读器的数据信号时，无源标签对射频 RF能量进行整流以生成保持标签工作所需的小部分能量，为了保证数据能及时安全的到达阅读器，信号需要采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制方法，将基带信号频谱搬移到适合在信道传输的频率范围发送[4]。无源标签及RFID阅读器工作过程如下图所示
图1无源FRID工作示意图
3、结构模型及工作方式
按照功能划分，车站智能信息系统具体分为3部分：公交站FRID阅读器及传输模块、公交车辆无源标签及后台数据库管理系统。
FRID阅读器和无源标签为系统的主要功能部分。每辆公交车上配备唯一ID的无源标签，标签内容包括运营单位信息、车牌信息、班次信息等车辆基本信息。每个车站都配有超高频RFID阅读器，用于收集进入公交车站车辆的标签信息，并通过RS232接口连接WLAN，保持同后台管理系统的实时通信。当RFID阅读器开启后，系统如下模式进行工作：
① 车站RFID阅读器通电，完成自检，确认是否收到标签回馈信息，若没有，按固定周期发送信号，等待回馈信息；
② 有公交车靠近车站，在距站小于10米范围内，无源标签对射频 RF能量进行整流以获得能量，完成基带信号调制、编码、反向发送；
③ RFID阅读器获得无源标签信息，对信息来源进行验证并判断是否丢弃；将有效信息信息同时间、及公交站点名称一起封装成数据报文，通过WLAN发送到后台数据处理中心，同时继续等待新的无源标签信息；
④ 当在RFID阅读器接到到某一ID的无源标签信息后，在其后续时间内（3分钟），将会丢弃同一标签发送的所有信息，避免数据重复；
⑤ 数据中心接收报文后，根据车辆班次及站点信息，将车辆位置信息路线发送到当前及后续站点，并现实在LED显示屏上，完成信息公布。其工作过程如下图所示.
图2 RFID阅读器工作流程
相对于GPS车载定位系统，采用RFID技术不需实时采集地理位置信息并发送至后台服务器，避免了因四周环境影响、网络高峰阻塞带来的定位不准、信息延迟等问题。但采用RFID技术进行车辆定位同样存在识别差错率：为保证对标签信息的确认，RFID阅读器必须要完成如下工作的识别失败率：① 对非经过该站点车辆标签的报错识别；② 对同一时间多标签查询的碰撞识别。
通常情况下，一个公交站点有多路公交车停靠，即一个阅读器对应多种不同的信息标签，但可能出现非该站点公交车辆（堵车、检修等）经过该站点，造成阅读器误报，所以，需要对接收信息源字节与阅读器自身存储器中的车号表进行匹配，确认进行报文封装或丢弃。
但是当存在多个标签向阅读器查询，基带信息之间会产生相互碰撞，识别时间明显延长，；随着标签数增加，碰撞概率也随之增加，进一步降低工作效率，所以，必须在RFID阅读器中进行识别防碰撞算法的设计。
4、防碰撞算法
在RFID系统中，阅读器和标签之间存在两种工作方式[5]：RTF（Reader Talk First，阅读器先发言）、TTF（TagTalk，标签先发言）。针对于无源标签和RTF的工作方式，防碰撞算法又分为两大类：一种是基于二进制树的搜索算法，另一种是基于时隙随机分配的 ALOHA 算法。本文采用的算法为二进制搜索算法。
二进制树算法(BS)[ 6]的基本思想是将碰撞的标签分为0和1两个子集， 先查询子集 0， 若没有冲突，则识别；否则再分裂分为00和01两个子集；如此依旧，直到集合0中的所有标签全部识别，再按同样方法查询子集 1。这种算法虽然解决了“标签存在不能被识别”的可能，但也存在着识别周期长、标签能耗大的问题。所以系统在二进制树算法的基础上，系统模型采用了一种带堆栈二叉树的防碰撞算法[7]，以减少识别次数，提高识别效率，其工作过程如下：
① 阅读器先发送一个Request ( 11111111 )命令，接收区域内的电子标签对此做出应答并反馈各自ID。
② 阅读器检测回馈信号，若未接收信号，返回步骤①，否则转到步骤③
③ 阅读器判断是否有碰撞发生，若无则进行信号读取；否则转到步骤④。
④ 将多个查询码压入堆栈，并发送栈顶的查询码 ，满足该查询码的标签应答；若无应答，则本次识别结束，并检堆栈是否为；若只有一个标签应答，表示无碰撞，对该标签进行读写操作之后，释放标签，识别完成；若有多个标签做出应答，即发生碰撞，则转到步骤⑤。
⑤ 根据碰撞位的不同情况，选择不同查询码，重复步骤⑤，直到堆栈为空。
⑥ 堆栈为空说明所有标签都被成功识别，整个标签识别过程结束。
5、仿真结果
本系统为湖南省科技厅课题《基于嵌入式系统的超高频RFID读写控制器的研究》（课题编号：S2012F1023）的外延应用，读写控制单元为独立设计产品：通信协议采用高频段（UHF）ISO/IEC18000－6TYPE B协议；设计基于Nios II的915MHz RFID读写器主控模块；采用SkyeTek公司的SkyeModule模块作为读写器的射频收发模块；采用Monza5模块作为标签平台模块；后台数据库由SQL2000进行建库及数据传输；各类接口程序、算法都采用C++描述。
因为目前系统为模型测试，所以终端未配置LED显示屏，实验着重对样机在不同模拟场景中的读取性能、标签碰撞识别性能测试。通过不断变化标签与读写器的距离，测试RFID阅读器在不同距离下的标签读取标签性能，测试结果如表1所示。
表1 测试结果
对测试结果进行分析：随着距离逐渐变大时，读取成功率变化不大，直到距离达到6 m时，成功率下降剧烈，表示RFID系统的工作范围应限定在6 m之内。
其次通过调整单位时间阅读器范围内标签出现的频次进行标签碰撞测试，随机分布多个标签以模拟公车出入站，主要测试在标签碰撞严重的情况下读取成功率及识别时间的变化，测试结果如表 2 所示。
表2 测试结果
从表 2 可以看出，在同一距离上随着标签的数量不断增加，读取成功率变化不大，但识别时间呈延长趋势，这表示防碰撞算法能较好的保证读取器的正常工作。
结束语
针对目前公交调度系统中存在的 GPS 定位不准，系统扩容成本高等不足等问题，通过对超高频RFID传感技术进行研究，设计一种低成本智能公交车站信息系统投入应用，能为旅客选择出行方式、提高公交运营效率带来直接效果，也为低沉本、快捷的智能交通系统设计提供了另一个方向。
参考文献:
[1] 曲大义，张晓靖，王殿海．智能化公交调度系统结构及功能设计 [J]．交通与计算机，2008，26（1）：116-120
[2] 詹艳军，杨笔锋．基于 RFID的智能车辆管理系统 [J]．微计算机信息，2010，26（5）：166-168
[3] 王少飞，关可，武庆文．射频识别（RFID）技术在智能公交系统中的应用研究 [J]．公路交通科技，2008，3：140-142．
[4] 吴慎山，高频电子线路，北京：电子工业出版社 2007.157~169
[2] 谢振华，赖声礼，陈鹏 . RFID技术和防冲撞算法[J].计算机工程与应用，2007，43（6）：223-225.
[6] 丁治国 . RFID 关键技术研究与实现 [D]. 合肥 ： 中国科学技术大学,2009.
[7] 林伟，李景霞， 叶林锋 . 基于多叉树搜索算法改进的RFID 防碰撞算法[J].计算机技术与应用，2013，39（2）：130-133.