隨著公路建設的飛速發展，我省高速公路通車里程不斷增加，2010年通車里程達到3 400 km，居西部第一。在通車公路里程增加的同時，交通流量也在不斷增加，人工和半自動收費方式已不能滿足高速路上通行車輛對收費管理系統的需求。原始的收費方式嚴重制約高速公路向現代化方向發展，存在很多弊端，主要表現在：

（1）收費設施及收費技術落后，停車收費造成收費站交通擁堵。

（2）在收費站停車次數增多，汽車耗油增加，汽車尾氣對環境的污染增加。

為了解決以上問題，2009年我省高速公路開始建設電子公路不停車收費系統（Eleefronie Toll Collection，ETC），通過對車載電子標簽的自動識別完成不停車情況下通行費的自動收取處理全過程。自動車輛識別技術主要通過射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）來采集車載電子標簽的數據信息而實現的。RFID是一種非接觸的射頻通信方式，通過RFID讀寫器與RFID電子標簽的無線通信可以進行信息的采集功能，從而識別車載RFID電子標簽載體的身份等特征，達到提高收費站通行效率的目的。

1 RFID射頻識別技術

RFID是一種無線的、非接觸方式的自動識別技術，作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術和信息標準化的基礎，被公認為20世紀十大重要技術之一。這項技術最大的優點就在于非接觸，在完成識別工作時無須人工干預，適于實現自動化和遠程實時監控及管理，可識別高速運動物體并可同時識別多個RFID電子標簽，操作快捷方便。典型的射頻識別系統的工作原理如圖1所示。

系統通電工作后，RFID讀寫器通過其內部的線圈周期性地發出一個固有頻率的電磁波（激發信號）。當RFID電子標簽處于RFID讀寫器的感應范圍內時，RFID電子標簽內的線圈在“激發信號”的感應下產生微弱電流作為集成芯片的電源。RFID電子標簽上電復位后，原本處于“休眠狀態”的RFID電子標簽被激活并將含有自身種類識別碼標志、制造商標志等信息代碼調制到載波上，經RFID電子標簽內天線發射出去。

2 ETC實施方案

ETC是一個集中了射頻識別、計算機網絡、信息處理以及自動控制等多項高新技術，在公路自動收費綜合系統中的應用。它利用車載RFID電子標簽自動與安裝在路側或門架上的RFID閱讀器進行信息交換，中心控制計算機根據RFID電子標簽中存儲的信息識別出車主信息，然后自動從車主的銀行賬號中扣除通行費。ETC收費系統可以做到通行車輛不停車、車輛通行時無人操作與無現金交易。ETC收費系統效果圖如圖2所示。

高速路收費站ETC通道采用智能型遠距離非接觸RFID閱讀器，當車輛駛抵收費站ETC通道入口時，RFID閱讀器將收費站入口信息數據寫入車載RFID電子標簽內。該車輛在駛至下個收費站ETC通道出口時，RFID讀寫器讀取出車載RFID電子標簽的信息并將讀取到的信息傳送到ETC后臺管理系統。經ETC后臺收費管理系統核對無誤后完成一次網上銀行的自動收費，并開啟綠燈或其他放行信號，控制道閘抬桿，指示車輛正常通過。如果核對該車輛通行合法性有誤，則維持紅燈或其他停車信號，指示該車輛屬于非正常通行車輛，同時安裝的高速攝像系統能將車輛的有關信息數據快速記錄下來并通過管理人員進行處理。該系統的工作流程如下：

（1）車主辦理ETC通行以及網上銀行業務。車主到高速公路管理部門購置RFID電子標簽。由發行系統向RFID電子標簽輸入車輛識別碼，并在數據庫中存入該車輛的全部有關信息，并在銀行系統開通網上銀行業務，使銀行賬戶與車主信息綁定。

（2）車輛信息入庫。發行系統將上述車主、車輛信息輸入收費計算機系統。RFID電子標簽貼在車上相應的部位，可以立即使用。

（3）收費站ETC通道入口寫信息。當車輛通過高速公路ETC通道入口時，該站的收費系統的RFID閱讀器發出射頻信號，由RFID電子標簽的天線接收射頻信號，激活RFID電子標簽后，該RFID讀寫器同時還向RFID電子標簽寫入入口信息。寫入信息也由電子標簽的天線接收，寫入RFID電子標簽芯片中。

（4）收費站ETC通道出口讀信息。當車輛通過高速公路ETC通道出口時，該站的收費系統的RFID閱讀器發出射頻信號，由RFID電子標簽的天線接收射頻信號，激活RFID電子標簽后，RFID讀寫器讀寫出RFID電子標簽中存儲的入口信息。

（5）車輛處理。收費計算機系統向執行機構輸出執行信號。當網上銀行的儲值，即結余金額足夠支付過站的費用時，出站口綠燈亮，給予放行；若結余金額已不多，處于警告值以下，則黃燈亮，提示車主應再購買儲值，但仍予以放行；若結余金額不足或已無余款，則紅燈亮，不予放行。對于闖紅燈的車輛，將由站內攝像機自動攝下站牌號，并由計算機系統記錄沖紅燈的時間，以便追究其責任。

（6）收費完成。上述過程，均于瞬間完成，ETC系統可保證車輛高速通過收費站，收費計算機系統將通過該站的車輛識別碼及其新儲值等信息，經通信網絡，送至有關中心與其他收費系統中。

3 關鍵技術研究

項目采用的主要技術包括：RFID技術、網絡數據傳輸安全技術和處理數據的RFID中間件技術等。本文著重介紹處理數據的RFID中間件技術。

3．1 RFID中間件模型的建立

RFID中間件在上位機應用程序和讀寫器的數據采集之間扮演著樞紐的角色，其為上層應用程序提供的一組通用應用程序接口（API），應用程序能實現到RFID讀寫器的透明連接。RFID中間件是在物聯網三層架構中的應用層實現具體的功能，主要分為三個層次：數據采集層、事件處理層、信息發布層。中間件數據采集層負責感知車載RFID電子標簽的信息，整個系統的可用性、可靠性都以此為基礎；中間件事件處理層是RFID中間件至關重要的一層，在該層中對采集到的RFID電子標簽信息進行歸納整理，從無意義的數據中，提取出含有一定實際意義的事件信息。并且進一步封裝RFID電子標簽返回信息包，為上層應用提供更全面的信息與服務；中間件信息發布層負責為上位機軟件提供安全可靠的數據。就如何實時地對巨量RFID數據進行處理，如何充分挖掘RFID數據所包含的有用信息方面建立了模型。RFID中間件模型架構圖如圖3所示。

3．2 中間件算法實現

在項目的具體應用中，由于讀寫器讀取RFID電子標簽信息的間隔是幾十毫秒，所以讀寫器獲取的信息數量巨大、雜亂無章、冗余的。這些原始的巨量RFID數據對上位機應用管理系統是無效的，把原始巨量的RFID數據變成對上位機應用管理系統有意義、有價值的數據是設計并實現算法的最終目的。RFID事件處理過程示意圖如圖4所示。

感知層感知的數據上傳給傳輸層，傳輸層得到數據后并沒對數據做任何處理，而是把數據傳輸給應用層的中間件。中間件首先對上傳的數據消除冗余，再進一步判斷數據對本系統來說是不是有效的數據。對于RFID中間件判斷感知數據是不是對本系統有效的，本文提出兩種方案：

（1）在本系統的注冊環節，把所有有效數據綁定RFID電子標簽的EPC（Electronic Product Code，電子產品代碼）編碼后存入后臺數據庫。對于這種方案，RFID中間件并不對消除冗余后的數據進行處理，而是把數據上傳給上層應用軟件，應用軟件可根據中間件上傳的RFID電子標簽EPC信息查詢數據庫，依次判斷感知層感知的數據對本系統是不是有效的。在此方案中RFID中間件對感知層感知的數據只是做了消除冗余、上傳數據的功能。上層應用軟件則完成了對數據是否為有效數據的判斷。

（2）根據一定的編碼規則對本系統使用的所有RFID電子標簽，在信息注冊環節重新寫入RFID電子標簽內存儲EPC信息，例如：可以向RFID電子標簽內寫入以下EPC信息：ETC000000000000000000001，ETC000000000000000000002，ETC00000000000000000003，ETC000000000000000 000004等。對于這種方案，RFID中間件首先對感知層感知的數據進行消除冗余處理。然后RFID中間件會獲取感知到每個RFID電子標簽EPC編碼的前三位，判斷是不是ETC，進而判斷感知到的RFID電子標簽是不是本系統的電子標簽，感知的數據是不是有效的，最后再把有效的數據傳輸給上層應用軟件。

對于以上RFID中間件對判斷感知數據是否有效提出的兩種方案各有各的特點，對于具體應用應該采用哪種處理機制，應根據上次應用軟件的應用特點來判斷。

基于RFID技術的電子不停車收費系統由于采用了滿足該項目具體要求的RFID中間技術，使得上位機應用軟件得到了所需要的數據。本文已經實現用簡潔的算法實現RFID中間件處理巨量的RFID數據，挖掘應用系統有用信息的功能，進而緩解了網絡和處理器處理信息的壓力。

4 結論

RFID由單一識別向多功能識別發展的同時，將結合射頻識別、計算機網絡、信息處理以及自動控制等技術，實現跨地區、跨行業的應用。而基于RFID無線射頻識別技術的ETC系統與傳統的收費系統相比，有著絕對的發展優勢，隨著RFID無線射頻識別技術的發展，ETC系統也會逐漸得到完善，在高速公路收費系統中得到廣泛應用。