智能交通RFID與視頻雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)

馬昀驊，關(guān)寶璐，萬培元，謝　飛

（1.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院 北京市嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

智能交通RFID與視頻雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)

馬昀驊1，關(guān)寶璐2，萬培元1，謝飛1

（1.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院 北京市嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

隨著機(jī)動(dòng)車保有量的大幅提升，由此引發(fā)的交通問題越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)方法也越來越難以對(duì)車輛進(jìn)行有效管理。設(shè)計(jì)了一種雙機(jī)匹配識(shí)別系統(tǒng)，將RFID與視頻識(shí)別融為一體，實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)采集以及前端匹配識(shí)別，達(dá)到在城市交通道路上對(duì)車輛的精確管理。該系統(tǒng)中射頻識(shí)別部分采用 ISO18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器、控制器、標(biāo)簽，視頻識(shí)別部分采用車牌識(shí)別一體機(jī)，可支持前端攝像、識(shí)別、儲(chǔ)存等功能。

RFID技術(shù)；視頻識(shí)別；電子標(biāo)簽；智能交通

0　引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高以及道路交通的發(fā)展，智能交通已經(jīng)成為交通科技領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。車牌識(shí)別作為智能交通的核心組成部分，在交通管理的智能化方面起著重要作用。目前，主要的道路車輛監(jiān)控技術(shù)是圖像或視頻識(shí)別，這種違章視頻抓拍和電子攝像頭監(jiān)管技術(shù)在使用中存在一定缺陷，即無法精確地抓拍到每一輛車。射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification Devices，RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻識(shí)別技術(shù)可彌補(bǔ)視頻識(shí)別的不足，為車輛信息的數(shù)字化、車輛識(shí)別的自動(dòng)化以及車輛管理的智能化提供了一個(gè)很好的智能平臺(tái)。

本文以城市道路車輛為主要研究對(duì)象，通過采集電子標(biāo)簽和視頻車牌號(hào)碼，進(jìn)行雙機(jī)匹配識(shí)別?？勺詣?dòng)對(duì)通行車輛進(jìn)行監(jiān)控，約束駕駛員的違章行為，提高交通管理水平，減少交通事故的發(fā)生。

1　RFID電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)

一套完整的RFID系統(tǒng)的組成部分主要有：電子標(biāo)簽、閱讀器、天線、應(yīng)用系統(tǒng)軟件。如圖1所示。

圖1　RFID系統(tǒng)框圖

(1)電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽將耦合元件和存儲(chǔ)芯片等模塊一并被封裝在一張卡內(nèi)，通過對(duì)每張電子標(biāo)簽操作，可隨時(shí)對(duì)標(biāo)簽內(nèi)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，對(duì)于特定的信息還可以用加密等方式進(jìn)行保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用遵循ISO18000-6C國際標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽，每張電子標(biāo)簽存儲(chǔ)區(qū)域分為四部分：RESERVED區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)、USER區(qū)，所有存儲(chǔ)體的邏輯尋址均從00h開始。RESERVED區(qū)用于存儲(chǔ)kill和access功能所需密碼；EPC區(qū)用于存儲(chǔ)識(shí)別標(biāo)簽附著對(duì)象的代碼；TID區(qū)用于存儲(chǔ)標(biāo)簽出廠時(shí)寫入的唯一序列號(hào)；USER區(qū)用于存儲(chǔ)用戶特有的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中EPC區(qū)只作為電子標(biāo)識(shí)使用，并且將車牌號(hào)、電子ID號(hào)、車身顏色、車輛類型、按照一定的編碼規(guī)則存儲(chǔ)在USER區(qū)。編碼規(guī)則如圖2所示。

圖2　USER區(qū)編碼規(guī)則

(2)RFID閱讀器

RFID閱讀器主要對(duì)電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫入，利用空間電磁場實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容的讀取和向標(biāo)簽發(fā)送控制命令等作用。閱讀器的另一個(gè)重要作用是決定整個(gè)RFID系統(tǒng)的工作頻率，閱讀器的工作頻率和功率將直接決定閱讀器與電子標(biāo)簽的通信距離。一般的閱讀器包括天線、射頻模塊、控制模塊以及與計(jì)算機(jī)相連的各類接口模塊。

(3)天線

天線是無線射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其主要功能是將電子標(biāo)簽發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳送給閱讀器，同時(shí)將閱讀器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電磁信號(hào)通過天線發(fā)射出去。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效的工作區(qū)域時(shí)，接收閱讀器發(fā)出的射頻脈沖經(jīng)過整流后給電容充電，當(dāng)電容電壓經(jīng)過穩(wěn)壓后就可以作為標(biāo)簽的工作電壓，進(jìn)而使電子標(biāo)簽有足夠的能量將自身編碼信息通過內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去。閱讀器天線接收標(biāo)簽發(fā)送過來的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器信號(hào)處理模塊，進(jìn)行解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。主機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算識(shí)別該標(biāo)簽的身份，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出指令信號(hào)控制閱讀器完成不同的讀寫操作。

(4)應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)主要由中間件和應(yīng)用軟件組成。中間件由主機(jī)、服務(wù)器、通信硬件接口組成，常用于搭建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源，能讓各種應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與信息共享。應(yīng)用軟件處于硬件平臺(tái)的上層，是一種系統(tǒng)軟件或獨(dú)立程序。應(yīng)用程序?qū)﹄娮訕?biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是通過 RFID中間件來來實(shí)現(xiàn)的，中間件通過應(yīng)用程序接口（API）連接到應(yīng)用程序端口，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序—中間件—閱讀器—電子標(biāo)簽的指令和數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫工作。

2　視頻車牌識(shí)別系統(tǒng)

視頻識(shí)別技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和視頻圖像處理為基礎(chǔ)，對(duì)路面運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行監(jiān)測分析的技術(shù)能夠檢測到受監(jiān)控路面的車輛并自動(dòng)提取車輛牌照信息（含漢字字符、英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字及號(hào)牌顏色）后進(jìn)行處理。一般完整的視頻車牌識(shí)別系統(tǒng)包括前端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、后臺(tái)系統(tǒng)。

(1)前端系統(tǒng)是由路面交通視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、隧道交通視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和高點(diǎn)交通視頻監(jiān)控子系統(tǒng)組成。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：視頻獲取與回傳，采用高清視頻電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)監(jiān)控?cái)z像設(shè)備獲取視頻，并對(duì)視頻流進(jìn)行采樣，分析得到車牌號(hào)碼，以國際通用的編碼格式，將視頻數(shù)字化傳回后臺(tái)系統(tǒng)。

(2)通信系統(tǒng)采用有線或無線等方式傳輸，將前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交付后端系統(tǒng)。

(3)后端系統(tǒng)主要用于將前端系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、回放、系統(tǒng)管理、查詢等功能。

3　RFID與視頻雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建

3.1RFID系統(tǒng)的基本工作流程

本設(shè)計(jì)采用遵循 ISO18000-6C國際標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器，當(dāng)攜帶電子標(biāo)簽的目標(biāo)車輛出現(xiàn)在閱讀器的工作范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器所發(fā)出的磁場對(duì)區(qū)域內(nèi)所有的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，當(dāng)每一個(gè)電子標(biāo)簽接收到閱讀器發(fā)出的信號(hào)，依據(jù)收到信號(hào)進(jìn)行解析，返回含有目標(biāo)信息的高頻載波信號(hào)，經(jīng)過卡內(nèi)模擬射頻模塊發(fā)射出去，接收天線接收到電子標(biāo)簽發(fā)來的載波信號(hào)，經(jīng)過閱讀器解碼器解析提取出相應(yīng)信息，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)車輛的自動(dòng)識(shí)別和信息采集。實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3　RFID系統(tǒng)工作流程圖

3.2雙機(jī)系統(tǒng)識(shí)別過程

在本設(shè)計(jì)中，由于RFID系統(tǒng)識(shí)別的距離較遠(yuǎn)可達(dá)到20 m～25 m，所以整個(gè)雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)會(huì)先從射頻系統(tǒng)執(zhí)行。首先進(jìn)行清點(diǎn)操作，清點(diǎn)操作主要是用于檢測射頻區(qū)域內(nèi)是否有電子標(biāo)簽存在。為了避免因車輛速度過快而檢測不到的情況，每次清點(diǎn)操作間隔會(huì)盡可能短，約為0.2 s。檢測區(qū)域長度一般 5 m～15 m左右，所以當(dāng)車輛在小于180 km/h速度的情況下，至少可以檢測到一次，但通常情況下清點(diǎn)操作可以檢測到數(shù)次至數(shù)十次，這由車輛的速度決定。在檢測到區(qū)域內(nèi)的電子標(biāo)簽后，可獲取到射頻區(qū)域內(nèi)電子標(biāo)簽的數(shù)量以及每個(gè)標(biāo)簽EPC碼（Electronic Product Code），由于EPC碼作為標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)，進(jìn)而通過EPC碼定位到對(duì)應(yīng)標(biāo)簽，讀取標(biāo)簽的USER區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，將得到的內(nèi)容存入臨時(shí)列表中。

由于清點(diǎn)操作每 0.2 s進(jìn)行一次，所以會(huì)得到大量重復(fù)數(shù)據(jù)，需要去掉多余數(shù)據(jù)，只留下第一次進(jìn)入天線射頻區(qū)域的記錄，此記錄第一個(gè)數(shù)據(jù)段為毫秒級(jí)的時(shí)間戳，第二個(gè)數(shù)據(jù)段為USER區(qū)的內(nèi)容，將維護(hù)后的數(shù)據(jù)存入原始ID數(shù)據(jù)庫。

視頻識(shí)別系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)觸發(fā)方式，攝像頭可設(shè)置觸發(fā)位置和車道寬度。當(dāng)車輛行駛至觸發(fā)位置時(shí)，進(jìn)行觸發(fā)拍照，一次觸發(fā)最少得到3張照片，即一張車牌照片、一張違章照片、還有一張全景照片。將車牌照片進(jìn)行定位、字符分割、字符識(shí)別等處理，得到車輛號(hào)牌等信息，將號(hào)牌信息存入視頻識(shí)別數(shù)據(jù)庫。

原始ID數(shù)據(jù)庫作為整套雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)的核心部分，將每次拍照的到的視頻車牌號(hào)碼與5 s內(nèi)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷逐一匹配。匹配主要內(nèi)容為視頻識(shí)別號(hào)碼與USER區(qū)車牌號(hào)內(nèi)容。

匹配結(jié)果分為匹配成功和匹配失敗兩類。如果匹配成功，說明視頻號(hào)碼找到與之對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽號(hào)碼，故不存在車輛套牌情況，屬于合法車輛，將本次識(shí)別的車牌信息與電子標(biāo)簽信息，一并存入對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫。匹配失敗包含兩種情況：一種是由于硬件系統(tǒng)識(shí)別問題，光線或角度問題導(dǎo)致視頻系統(tǒng)或射頻系統(tǒng)識(shí)別錯(cuò)誤；二是在視頻和射頻系統(tǒng)都正常工作的情況下，匹配不成功，說明存在號(hào)牌造假、套牌等情況，該車為違法車輛。將視頻識(shí)別信息與標(biāo)簽信息，分別存進(jìn)兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫中。在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的第一段為毫秒級(jí)時(shí)間戳，這樣有益于數(shù)據(jù)庫的管理，降低后期人工執(zhí)法的難度。同時(shí)，為了保證采集的視頻識(shí)別號(hào)碼遍歷整個(gè)數(shù)據(jù)庫的速度，故需將原始ID數(shù)據(jù)庫定期進(jìn)行清除，大約為1.5 min清空一次。雙機(jī)系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4　雙機(jī)系統(tǒng)工作流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)中RFID部分采用中興ZXRIS 6700閱讀器，ZXRID 6602發(fā)卡器，ZXRID 2621陶瓷標(biāo)簽。閱讀器最大通信距離25 m，最大傳輸速率為前向160 Kb/s、反向640 Kb/s。視頻識(shí)別部分采用海康iDS-2CD9361-S型攝像機(jī)，500萬像素，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觸發(fā)、前端解析。雙機(jī)識(shí)別設(shè)備安裝如圖5所示。

在單向雙車道的實(shí)際道路中，由于電子標(biāo)簽的安裝數(shù)據(jù)量較小，約為100張，所以可以很好地實(shí)現(xiàn)雙機(jī)匹配識(shí)別功能，能夠?qū)⒌玫降臄?shù)據(jù)按照規(guī)定的編碼規(guī)則存入數(shù)據(jù)庫。對(duì)于匹配失敗的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行高亮提示。本系統(tǒng)安裝便利，組網(wǎng)簡單，操作簡單，可為大規(guī)模雙機(jī)識(shí)別技術(shù)的推廣提供應(yīng)用參考。

圖5　雙機(jī)識(shí)別設(shè)備安裝圖

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RFID and video dual identification system of intelligent transportation

Ma Yunhua1，Guan Baolu2，Wan Peiyuan1，Xie Fei1
(1.College of Electronic Information&Control Engineering，Beijing Embedded System Key Lab，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.College of Electronic Information&Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

With the sharp rise in the number of vehicles,the traffic problems caused increasingly serious and traditional methods is more and more difficult to effective management.This paper aims at using RFID and video for tracking and managing for vehicle on the road of city.This system is consisted of RFID and image processing technology to accomplish identifying and matching the vehicles information automatically.The reader,controller and tags are used in this system which supports ISO-18000-6C protocol standards.In addition,video camera is adopted as video part to recognize vehicle license plate,which is for capturing,recognizing and storage video image.

RFID technology；video identification；electronic tag；intelligent traffic

TP273

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.016

2015-06-01)

馬昀驊（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式軟件設(shè)計(jì)。

萬培元（1978-），男，講師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

中文引用格式：馬昀驊，關(guān)寶璐，萬培元，等.智能交通 RFID與視頻雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：62-64.

英文引用格式：Ma Yunhua，Guan Baolu，Wan Peiyuan，et al.RFID and video dual identification system of intelligent transportation[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：62-64.