基于RFID技術(shù)的港口車輛管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，港口業(yè)務(wù)增長迅猛，提高吞吐量的需要也越來越強(qiáng)烈。而目前依靠人工管理的方式顯得捉襟見肘，所以采用高新技術(shù)改善港口管理模式勢在必然。RFID港口車輛管理系統(tǒng)通過給港口車輛綁定電子身份芯片，把車輛的相關(guān)信息記錄到系統(tǒng)中，由系統(tǒng)統(tǒng)一管理港口車輛的進(jìn)出行為，從實(shí)際上解決人工管理車輛所帶來的效率與效益的問題。系統(tǒng)利用高性能的超高頻讀寫器，采用基于C／S模式分層結(jié)構(gòu)，利用緩存，雙數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)交互便捷。從而很好地提高了港口碼頭的管理效率與服務(wù)水平。
關(guān)鍵詞：港口車輛管理系統(tǒng)；RFID技術(shù)；車牌識(shí)別；電子標(biāo)簽

0 引言
    隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，快速增長的港口業(yè)務(wù)量對港口碼頭管理系統(tǒng)的要求越來越高。將RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、地感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，建設(shè)基于RFID技術(shù)的港口車輛管理系統(tǒng)能大大提高港口的效率與效益。
    傳統(tǒng)的人工管理手段存在很多缺陷，港口使用RFID技術(shù)等管理能有效地解決以下問題：
    (1)人工管理存在著人為的過失與耗時(shí)長的問題，而使用計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)讀取RFID存儲(chǔ)信息，在系統(tǒng)正常運(yùn)行中不存在失誤的問題，計(jì)算機(jī)的高性能也使單位流程的作業(yè)時(shí)間減少到最優(yōu)。
    (2)在遇到不實(shí)時(shí)的問題時(shí)可通過系統(tǒng)調(diào)出歷史記錄，防止無法追溯問題的出現(xiàn)，減少不必要的分爭端。
    (3)在遇到網(wǎng)絡(luò)故障等問題時(shí)，車輛身份的信息可直接通過讀取寫入RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)區(qū)獲取，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。
    (4)減少司機(jī)的工作量，RFID技術(shù)的遠(yuǎn)距離、可移動(dòng)的讀取方式可使司機(jī)不下車，不等待便可以通行。
    (5)可防偽性，系統(tǒng)根據(jù)一定的規(guī)則向每張車輛身份卡寫入數(shù)據(jù)，他人不可效仿。

1 RFID技術(shù)
    RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)無接觸式信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，RFID技術(shù)迅速發(fā)展，因其具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，穿透力強(qiáng)，讀寫距離遠(yuǎn)，讀取速率快，使用壽命長，環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、物流管理、物品追蹤、防偽、交通、動(dòng)物管理等諸多領(lǐng)域。
    一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)主要由限量的后臺(tái)計(jì)算機(jī)、若干讀寫器、閱讀器及電子標(biāo)簽組成。其中，電子標(biāo)簽是物品識(shí)別的載體，每個(gè)標(biāo)簽具有惟一的電子編碼，其內(nèi)部存放著物品的相關(guān)信息；讀寫器和閱讀器是系統(tǒng)的中間設(shè)備，它們通過射頻信息同電子標(biāo)簽進(jìn)行近距離通信，從而識(shí)別標(biāo)簽指代的物品信息，通過接口把信息匯總給后臺(tái)計(jì)算機(jī)。讀寫器和閱讀器的區(qū)別在于，讀寫器可以對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，而閱讀器只能讀取標(biāo)簽內(nèi)部存放的信息；后臺(tái)計(jì)算機(jī)分析從中問設(shè)備傳來的信息，負(fù)責(zé)管理整個(gè)標(biāo)簽系統(tǒng)的正常工作。
    RFID系統(tǒng)的硬件組成包括電子標(biāo)簽和電子標(biāo)簽讀寫器兩部分。讀寫器通過射頻信息同電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，系統(tǒng)通過讀寫器給電子標(biāo)簽發(fā)送指令，并通過讀寫器分析電子標(biāo)簽返回的有關(guān)信息；電子標(biāo)簽是應(yīng)答器，用來響應(yīng)讀寫器的指令，并報(bào)告處理結(jié)果。
    電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片組成，標(biāo)簽天線是讀寫器和標(biāo)簽芯片之間進(jìn)行信號(hào)和能量傳遞的終結(jié)。標(biāo)簽芯片則根據(jù)讀寫器的指令，做出相應(yīng)的操作和響應(yīng)。

2 系統(tǒng)概述
    系統(tǒng)分為軟件與硬件部分，硬件部分包括RFID讀寫器、RFID電子標(biāo)簽、工控機(jī)、攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、自動(dòng)道閘、LED顯示屏、地感等。軟件部分采用C／S模式設(shè)計(jì)，具有響應(yīng)速度快，操作界面漂亮等優(yōu)點(diǎn)。軟件實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)合法用戶的管理，并允許對應(yīng)的用戶管理車輛的身份卡(RFID標(biāo)簽)，包含新增與注銷。另外，對應(yīng)的系統(tǒng)用戶可以監(jiān)控整個(gè)車輛的出入行為，必要時(shí)可進(jìn)行人工干預(yù)，超級用戶具有對這個(gè)系統(tǒng)所有功能的權(quán)限，具有對系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)字典、過往歷史記錄的查閱統(tǒng)計(jì)等操作權(quán)限。另外，系統(tǒng)具有雙數(shù)據(jù)庫，即中心數(shù)據(jù)庫與本地?cái)?shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)正常情況下系統(tǒng)記錄信息與獲取信息的媒體，系統(tǒng)通過WebService服務(wù)與中心服務(wù)器進(jìn)行交互；本地?cái)?shù)據(jù)庫應(yīng)具有與中心服務(wù)器相同的數(shù)據(jù)字典，以便于網(wǎng)絡(luò)異常情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)脫機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)在這一時(shí)期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)暫時(shí)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫，待網(wǎng)絡(luò)正常后自動(dòng)上傳到中心服務(wù)器，保證記錄的完整，其物理結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

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    由圖1可以看出，系統(tǒng)主要運(yùn)行在局域網(wǎng)內(nèi)，一個(gè)網(wǎng)內(nèi)可分步多個(gè)閘口子系統(tǒng)，一般情況下一個(gè)子系統(tǒng)可包含一個(gè)出子系統(tǒng)與一個(gè)入子系統(tǒng)，圖中只畫出一個(gè)子系統(tǒng)的出與入子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)通過連接基礎(chǔ)硬件設(shè)備已達(dá)到系統(tǒng)全方位控制，讀寫器與網(wǎng)絡(luò)相連，可通過讀寫器的ID地址區(qū)分不同的子系統(tǒng)，同時(shí)安裝視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場的畫面并保存，通過串口服務(wù)器主要是要達(dá)到控制自動(dòng)道閘與LED顯示屏的目的。其系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層  包括與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的接口，如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、文件系統(tǒng)或者其他類型的數(shù)據(jù)源，主要是存儲(chǔ)系統(tǒng)所產(chǎn)生與所需要的數(shù)據(jù)記錄。
    數(shù)據(jù)接口層  此層是為業(yè)務(wù)服務(wù)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，通過WebService接口實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的連接。該層由一系列的數(shù)據(jù)訪問組件組成，它可以完成對數(shù)據(jù)對象的CRUD(增加、刪除、查詢、修改)操作，可抽象出數(shù)據(jù)訪問方式，分離數(shù)據(jù)訪問的實(shí)現(xiàn)與其他業(yè)務(wù)邏輯，上層的業(yè)務(wù)邏輯組件無需理會(huì)底層的數(shù)據(jù)庫訪問細(xì)節(jié)，專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。
    應(yīng)用服務(wù)層  此層是應(yīng)用系統(tǒng)的核心，由系列的業(yè)務(wù)邏輯組件組成。它完成了系統(tǒng)所需的所有業(yè)務(wù)邏輯方法。業(yè)務(wù)邏輯層建立在數(shù)據(jù)接口層之上。為了分離業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)接口層之間的耦合，即業(yè)務(wù)邏輯組件只調(diào)用數(shù)據(jù)接口層提供的接口，而不與具體的實(shí)現(xiàn)類耦合。使應(yīng)用層僅僅與業(yè)務(wù)邏輯組件的接口耦合，而無需理會(huì)業(yè)務(wù)邏輯組件的實(shí)現(xiàn)。
    用戶表示層  表示層即UI，UI(User Interface)用戶界面，也稱人機(jī)界面。是指用戶和某些系統(tǒng)進(jìn)行交互方法的集合，這些系統(tǒng)不單單指電腦程序，還包括某種特定的機(jī)器、設(shè)備、復(fù)雜的工具等?？刂茖咏邮苡脩舻妮斎耄⒄{(diào)用模型和視圖去完成用戶的需求，當(dāng)用戶單擊系統(tǒng)界面中的按鈕等時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的事件提交對應(yīng)的模塊進(jìn)行處理。
    系統(tǒng)工作流程圖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    上圖主要是從大的角度描述整個(gè)系統(tǒng)工作的流程，首先系統(tǒng)定義了身份卡的類型有2種：臨時(shí)卡、固定卡。臨時(shí)卡只有一個(gè)單位的生命周期，即只能完成1次車輛的出入操作，車輛進(jìn)港口時(shí)發(fā)卡區(qū)提供如車牌等的必要信息后，發(fā)卡用戶確認(rèn)無誤后發(fā)出該車輛對應(yīng)的臨時(shí)卡。固定卡是代表長時(shí)間有效的，車輛持卡進(jìn)入識(shí)別區(qū)，進(jìn)行核對身份并進(jìn)行相應(yīng)的操作。臨時(shí)卡的車輛出閘口時(shí)，用戶應(yīng)該在系統(tǒng)的提醒下回收身份卡后才能放行。

3 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

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3．1 用戶管理
    界面如圖5所示。

    (1)查詢：在用戶名稱文本框中輸入需要查詢用戶的用戶名稱，即對應(yīng)詳細(xì)信息列表中的賬戶名，即可查詢對應(yīng)的賬號(hào)信息，該查詢屬于精確查詢，默認(rèn)文本框?yàn)榭?，則查詢系統(tǒng)所有的合法用戶。
    (2)添加：在添加信息中輸入用戶的必要信息，通過驗(yàn)證，包含賬戶名不允許相同，2次輸入的密碼要一致等，即可完成用戶的添加。
    (3)刪除：在詳細(xì)信息列表中選中需要?jiǎng)h除的用戶，點(diǎn)擊刪除用戶按鈕完成用戶的刪除。
3．2 卡片管理
    界面如圖6所示。

    (1)添加新卡。首先保證軟件跟讀寫器設(shè)備正常連接，軟件左下角會(huì)提示當(dāng)前的連接情況；然后拿一張新的標(biāo)簽在讀寫器上讀取它的編號(hào)后，再根據(jù)界面的需求完成必要的信息填寫，點(diǎn)擊確認(rèn)新增按鈕，即可完成發(fā)卡的功能，同時(shí)標(biāo)簽內(nèi)會(huì)寫入一些相關(guān)的信息，由于車牌部分設(shè)計(jì)漢字編碼，按照國際編碼規(guī)范轉(zhuǎn)換一個(gè)漢字得占用16 b，因?yàn)檐嚺茲h字固定，故采用自定義編碼規(guī)則，有效節(jié)省標(biāo)簽存儲(chǔ)空間，其他的寫入信息也按照定義的簡單類型進(jìn)行寫入，所以讀取標(biāo)簽時(shí)也要在此編碼規(guī)則下進(jìn)行翻譯才能讀取有用的數(shù)據(jù)。
    (2)銷毀卡片。當(dāng)卡片不再在系統(tǒng)中有效時(shí)，可先讀取標(biāo)簽的編號(hào)，界面顯示這標(biāo)簽的相關(guān)信息，待用戶確認(rèn)并填寫相關(guān)的銷毀原因后點(diǎn)擊確認(rèn)銷毀即可完成操作。
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3．3 車輛管理
    界面如圖7所示。

    此模塊主要自動(dòng)完成車輛持有效身份標(biāo)簽后通過閘口的操作，可以對車輛進(jìn)行有效的身份確認(rèn)與記錄功能。閘口歷史記錄列表記錄允許通過閘口的車輛記錄，顯示最新的N條記錄。左下角是車牌識(shí)別模塊實(shí)時(shí)識(shí)別顯示，顯示當(dāng)前車道的攝像槍的攝像內(nèi)容，點(diǎn)擊切換按鈕可在出口通道與入口通道的視頻畫面中轉(zhuǎn)化。
    右面顯示的區(qū)域是最新通過閘口車輛的截圖與狀態(tài)。右上區(qū)域顯示出口車輛的畫面，并在標(biāo)簽車牌文本框中顯示當(dāng)前車輛的身份卡中記錄的車牌號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)與車牌識(shí)別模塊中的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行匹配，如果識(shí)別成功則自動(dòng)完窀開閘、LED顯示、記錄行跡等相關(guān)操作；如果識(shí)別失敗則提示人工識(shí)別，如果識(shí)別成功則填寫開閘原因，并點(diǎn)擊手動(dòng)開閘按鈕進(jìn)行放行；如果識(shí)別的結(jié)果與身份卡的信息不匹配，則提示操作人員匹配失敗，操作人員人工確認(rèn)后可進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3．4 統(tǒng)計(jì)查詢
    車輛基本信息查詢界面、行跡信息查詢界面如圖8所示。

    車輛基本信息查詢是查詢所有已發(fā)車輛身份卡的信息。行跡信息查詢是查詢所有允許通行的車輛的記錄信息。此模塊按照界面所能提供的屬性進(jìn)行相應(yīng)模塊的查詢操作，支持組合條件查詢，查詢部分為提供更快的查詢效率，添加緩存機(jī)制。根據(jù)搜索內(nèi)容的關(guān)鍵字，可優(yōu)先從本地緩存中取數(shù)據(jù)，不用向服務(wù)器請求。
    除此之外，系統(tǒng)還有一些其他的功能模塊，菜單欄中的下載數(shù)據(jù)是指在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下。從服務(wù)器下載最新的數(shù)據(jù)字典，達(dá)到本地?cái)?shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)的一致性。上傳數(shù)據(jù)是指脫機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如行跡記錄等都暫時(shí)保存在本地，客戶端跟服務(wù)器恢復(fù)正常通信后通過“上傳數(shù)據(jù)”菜單把記錄保存到后臺(tái)服務(wù)器。切換用戶是指在模塊的管理員賬戶之間可以在不退出系統(tǒng)的情況下進(jìn)行切換。修改密碼是指修改當(dāng)前處于登錄狀態(tài)的用戶密碼，需要輸入原始密碼與新密碼。

4 結(jié)語
    RFID港口車輛管理系統(tǒng)是基于RFID的車輛管理應(yīng)用解決方案，采用先進(jìn)的RFID技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、電子技術(shù)、通信和信息技術(shù)等諸多高科技技術(shù)，能有效地解決港口車輛信息管理中的傳統(tǒng)問題，有效地提高閘口的管理水平和信息化水平，實(shí)現(xiàn)對車輛的自動(dòng)識(shí)別和實(shí)時(shí)跟蹤，避免了人為的過失，提高了車輛在港口的通關(guān)速度。所以RFID技術(shù)應(yīng)用于港口車輛的綜合服務(wù)與管理，具有多方面的戰(zhàn)略性積極影響與巨大的市場前景。