智能交通RFID與視頻雙機(jī)識(shí)別系統(tǒng)

　　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。可自動(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。

　　(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。

　　(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(chǎng)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(cè)分析的技術(shù)能夠檢測(cè)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

　　3.1 RFID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(chǎng)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。

　　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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到一次，但通常情況下清點(diǎn)操作可以檢測(cè)到數(shù)次至數(shù)十次，這由車輛的速度決定。在檢測(cè)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。

　　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?？礽DS-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(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)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。

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