智慧港口码头电子闸口RFID应用.doc

智慧港口码头电子卡口RFID应用
智慧港口
海关监管电子闸口RFID系统应用

一、概述
随着我国各大港口建设飞速发展，港口吞吐量居世界前列，国际经济一体化的不断融合，作为承当物流运输的航运码头，提高物流的高科技含量，提高物流的自动化作业水平，减少人为作业环节，提高工作效率，降低物流成本，最大限度地与监管机构、政府职能部门联网，做到系统的无缝连接，形成一体化的作业体系，加快物流速度，已成智慧港口建设未来发展趋势。
本系统可以用于海关监管场所的电子闸口，是一套集集装箱箱号识别、RFID电子车牌识别、电子地磅数据采重、电子关锁识别系统、车道信号灯和电子挡杆控制系统、IC卡识别系统和电子闸口实时处理软件为一体的综合业务系统。
根据海关总署第171号令《中华人民共和国海关监管场所管理办法》的规定，所有海关监管的场所必须安装电子闸口系统，适用B类闸口的设备包括电子车牌识别系统、车道信号灯和电子档杆控制系统、IC卡识别系统和电子地磅数据采重系统，通过电子闸口实时处理软件，与海关系统联网。
二、系统设计原则
l 满足用户需求原则
l 具有较高性能价格比的原则
l 质量第一的设计原则
l 系统可靠性原则
l 系统的安全性原则
l 系统的可扩展性和先进性原则
l 系统易维护性原则
l 遵循的规范和标准
三、系统设计目标
1、建立智能型RFID闸口系统，安装有车道信号灯电子档杆放行控制指示系统、驾驶员IC卡车辆管理子系统、地磅数据采重子系统和电子闸口数据实时处理系统。对进出港区的车辆进行全方位的监管，为车辆的分类安排提供有效的电子数据支持。
2、安装车道信号灯和电子档杆系统，通过接收闸口管理系统的比对指令，控制挡杆的升降，以及红绿灯，达到指示车辆放行的目的。
3、安装IC卡驾驶员车辆管理子系统，对进入港区的车辆发放驾驶员IC卡，预录入车辆及驾驶员的基本信息，在闸口进行数据读取，同时与系统进行比对。
4、安装地磅电子数据采集系统，对进出闸口的车辆称重数据进行采集，计算出入港区的货物重量
6、通过电子闸口数据实时处理系统，对所有闸口的设备进行集成，与海关监管业务系统进行数据交互。
四、系统总体框架
集装箱通道管理系统包括：电子车牌自动识别系统，红绿灯电子档杆控制系统，地磅数据采集系统，闸口综合管理系统。系统框图如下：

五、系统功能说明
5.1电子车牌识别子系统
5.1.1射频识别技术
5.1.2 RFID无线射频技术用于车辆牌照
我们在********港口智能闸口系统中，应用的是深圳市万全智能技术有限公司研发生产的VF-642型车牌读写器以及VA-9121H型天线；该系统可以读取集装箱车和散货车上安装的车牌中的信息，并且可以进行现场车牌换装。

图：RFID无线射频使用范例图
RFID电子车牌应用
如图所示，无线射频技术用于电子车牌数据系统由以下几部分组成：
¿车载rfid无线射频标签：即电子车牌，用来存储内部标识ID、车牌号码、车架牌号、车辆自重等信息；电子车牌系统中采用的射频标签内部固化128个字节的存储空间，可擦写，具备扩充信息的能力。
¿无线射频天线：用来发射无线信号激活电子车牌，同时接收电子车牌反馈的无线射频信号，并将这些信号传送给读写器；电子车牌系统中采用的天线方向性强，作用距离较远，排除相邻车辆通道天线信号的相互干扰。天线对除本身工作轴向正方向以外的其他方向电磁辐射不显著（甚至达不到手机的电磁辐射强度），对附近操作人员安全。
¿读写器：负责驱动天线发射信号或接收天线接收到的信号，分析处理其中包含的电子车牌数据，同时将这些数据传送到PC中。电子车牌读写器作为一个外部设备，使用网络协议与PC机相连，增加了它的位置灵活性和可靠性。
5.1.3无线射频技术特点
¿安装简便。电子车牌标签采用一次性成型封装，本身不可拆。通过使用玻璃胶粘贴在集装箱车辆前风挡玻璃的中上方和车体中央，一旦固定则不可拆卸（保证一车两牌，不可冒名顶替）。天线可以室外安装，天线与读写器可以采用通信用低损耗同轴电缆，读写器与计算机有多种连接方式，包括串行通讯口，RJ45网络接口。

¿作用距离远。可在12米的距离识别出电子车牌的信息，理论上识别距离可以可达20米；。
¿抗干扰能力强。采用广谱跳频工作模式，具备超强的抗干扰能力，保证相邻通道和同一道口之间对左右前后的车辆识别不受干扰，由于方向性好，相邻通道不产生相互干扰。
¿读写速率快。从单个标签上识读8个字节耗时不超过12ms，在单个标签上写入1个字节耗时不超过25ms，高速的读写保证在车辆高速通过时仍然能够准确读写出电子车牌的信息，读取率在99.99％以上；
¿工作稳定可靠。产品均采用工业标准设计，室外部分对雨雪和高低温等自然环境适应性强；
¿数据采集方便。外场采集到的射频识别数据通过2100UAP直接并入到局域网中。
5.1.4 RFID电子车牌采集过程
电子车牌子系统在系统中是一个独立的线程。每辆集装箱卡车的前风挡玻璃中上方固定有电子车牌标签，其中记录了该车辆的车牌号码，车辆自重，识别ID。其中识别ID是为了配合“电子车牌卡片管理系统”设计的字段，电子车牌卡片管理系统主要负责电子车牌的登记、发放、审核、注销、查询等业务，因与本数据采集系统没有直接关系，不在此详述。

系统启动后，电子车牌数据采集系统经过必要的初始化操作自行进入待命工作状态，此状态下可以随时接受开始读取的信号。电子车牌读取操作遵循以下过程：
¿当前端总控制子系统发现车辆已进入数据采集区域（以红外触发探头逻辑信号为准）的消息后，向电子车牌采集子系统发送开始读取信号。
¿电子车牌采集子系统收到信号后对该消息进行分析，确定使用两个天线中的一个并完成相应的设置操作。
¿电子车牌采集系统通过控制射频读写器，驱动天线发射无线射频信号。在有效区域内的电子车牌标签接收到天线发射的无线信号后将其转化成微弱电流提供给内部芯片计算使用，并借此能量将电子车牌标签中存储的数据发射出去；
¿天线接收到电子车牌发射的数据信号，将该电信号传送给射频读写器进行分析。通过读写器对电信号的分析解码，解析出车牌号码、车辆自重等数据，数据无线通信过程中自带校验检查，一旦发生错误，则可判断未读到标签或标签读取不正确。一次读取如果没有成功则可进行多次循环读取操作，直到正确读取标签数据或本次车牌采集任务超时或者被采集结束信号终止。
¿经过射频读写器确认的数据（或者读取失败的消息）通过网络协议被返回给电子车牌采集子系统，并继续传送到前端控制系统等待处理。至此一次车牌号码数据采集完成。
5.2车道信号灯和电子档杆子系统
5.2.1车道信号灯
车道信号灯采用红绿灯形式，通过前端设备控制器的发送组码指令，控制继电器的开关，从而接通或断开红绿灯的电源。
车道信号灯安装在档杆的机座上部，无需单独立杆，美观实用。
5.2.2系统结构
红绿灯

计算机通过并口将红绿灯开关的编码通知单片控制器，由单片将控制编码转换成相应的继电器动作，接通或断开红绿灯的电源。
5.2.3电子档杆功能描述
挡杆放行控制系统主要是接收闸口管理系统的比对指令，控制挡杆的升降，达到指示车辆放行的目的。
1、硬件连接方式
电子挡杆支持两种硬件连接方式。
485接口连接方式（推荐）
连接示意图如下
工控机
232/485转接头

电子挡杆（485接口）
两线数据线
RS232串口

这种连接方式通过485协议操作挡杆和接受状态反馈，系统接线简单，稳定性好，适合大部分的连接环境，也是目前大部分设备通行的连接方式。
此种硬件连接方式的前提下，我们开发了相应的软件驱动接口，提供DLL封装的函数，对挡杆进行抬杆和落杆操作。
工控板开关量控制
连接示意图如下
电子挡杆（开关量接口）
多芯控制线
工控板
工控机

由于有些闸口原有的工控机采用并具备冗余开关量信号，电子挡杆保留了传统的工控开关量控制方式。
此种工控开关量连接方式不需要软件接口。
根据海关总署的设备功能配置要求，选用电子档杆。该电子档杆的具体设备性能如下：
电子挡杆系统是新一代智能型电动栏杆，采用高可靠性微处理器作为中央控制器，由电子挡杆、信号灯、车辆感应器三部分构成。该产品的核心技术是采用专用的 AC220V 特种转矩电机，主动摇臂直接与电机输出轴联接，省掉了外接的减速机构，使整个系统更趋于紧凑、合理；电机可以被制动于任意位置而不会造成损坏。在两个终端极限位置时，该电机功率减退至约20VA，既可节省能耗，又可避免冷凝及腐蚀，即使在寒冷的冬季也可正常运转。采用独特的正弦控制器控制此特种转矩电机使挡杆起落更加平稳、快捷。
产品功能
 提供工控机开关量、 RS232/485、红外等多种标准的控制接口
 具备先进的自学习智能操作功能
九种工作模式，方便用户根据实际需要选择
防砸、防撞功能、断电时自动抬杆等全方位安全保护功能
产品特点
免调试，自学习智能操作
 高性能的专用特种转矩电机
优化的正弦连杆机构保证了高可靠性
长使用寿命系统设计
环境适应性能强，可工作在高温，高湿，高寒各种气候状态
技术参数
电源电压: AC230V
电源频率: 50/60Hz
电机额定功率: 80W
电机额定转速: 22r/min
电机额定扭矩: 20N·m
标准挡杆长度: 3.00m
 运行噪音: <=60Db
挡杆起落时间: 1.2~1.4S
平均无故障时间MTBF: >5,000小时
平均无故障周期MCBF: >50,000次
运行寿命: >=500万次
挡杆误动作: 0.01%
环境温度: -40℃—+75℃
相对湿度: 50%~90%
 大气压力: 86Kpa—106Kpa
v 环境适应性能超强
海关闸口安装地域非常广泛，几乎涵盖我国所有地区。有些地区使用条件比较恶劣。这样就要求本系统必须适应各种气候状态，如高温，高湿，高寒，大风，盐份腐蚀，强紫外线照射，高强度长时间不间断工作。
5.2.4系统结构

闸口管理系统通过网络发送档杆命令道口控制机，道口控制机将命令转换为RS232通知档杆控制器，相应继电器作出开关动作，从而控制挡杆。当有车辆强行通过闸口时，可进行声光报警并记录。在特殊情况下，可以进行手动操作开启道闸，在软件系统中记录开启人员、时间并通过电子车牌记录车牌号，在系统中做不可更改记录。
5.3.2软件功能
w 卡片备案功能：对持卡人及车辆的信息进行备案，对卡片的唯一ID号进行备案，具有卡片丢失管理功能
w 制卡、发卡功能：将人员及车辆的备案信息写入IC卡中，建立卡ID与备案信息的关联
w 海关、港区共用，海关业务系统与港内业务系统共用一个IC卡，数据分区存放，车辆或人员出入时一次打卡，数据分发给TOS系统和电子口岸系统。
w 可以将某些信息永久锁定，不得随意修改
w 能够读取并记录IC卡中存储的司机身份识别信息、车牌号码、车辆基本情况或者人员的基本信息以及通过时间
w 可以实现载货清单内容录入、修改和维护
w 能在闸口现场记录通过闸口的车辆的称重数据，通过时间、地点
w 能和挡杆、打印等系统联动，实时查询集装箱的数据。为现场业务人员提供方便。
w 符合工业标准的实时多任务操作系统内核
5.3.3安全、加密、防伪措施
w 具有完备的加密和安全机制，采用符合PBOC（中国人民银行认证）相应设备产品，确保支持多种安全访问方式和权限。
w 数据完整性有保证，当通讯过程一场中段时，卡片内容可自动恢复；设备、卡片、数据库多重备份，互为印证，卡内记录交易历史纪录，确保数据完整。
w 多极授权支持单张卡实现多个不同应用，各应用之间相互独立
w 支持多种加密认证算法，DES、RSA、FAC
w 支持多种通讯协议，接触界面支持T=0、T=1协议（ISO7816-3标准），非接触界面，支持T=CL协议
w 防冲突机制，非接触界面允许多张卡片同时进入交易区
5.4地磅采重子系统
5.4.1地磅与计算机连接
为了在本数据采集系统的应用中确保在无人值守的条件下及时准确的采集到地磅示数，必须将地磅终端与控制计算机相连。
地磅终端提供一个RS232串行通讯口，这样地磅终端通过普通串行电缆连接控制计算机。为保证计算机串口电路和地磅称重仪串口电路的安全，防止意外事件（如瞬间断开和漏电高压等）将串口电路烧毁，在连接时还采用了红外光电隔离设备。该设备通过使用光电转换电路从物理电路上隔离计算机与地磅终端的连接，但是在数据通路上双方通讯不受任何影响。地磅终端的串口与计算机串行通讯口连接如下图：

图6.2 串口连接光电隔离图
5.4.2地磅采重机制和时机
地磅终端允许两种采重方式，一种是静态称重，要求被称物体在地磅上不能移动；另一种是动态称重，允许被称物体在地磅上低速的运动。地磅重量的取得也有两种方式，一种是问讯式，即计算机向地磅终端发送问讯指令，地磅终端回答；另一种是连续发送式，即地磅终端动态的连续发送地磅的重量示数。
在本系统的应用中，集装箱通道无人员坚守，不能人为确定车辆的具体位置和采集重量数据的时机，所以需要采用动态称重的工作模式；采用连续发送数据的工作模式；同时具有滤波功能，能够滤掉汽车颠簸或行驶过程中产生的杂波。
为了在车辆通过通道的过程中由系统自动的判断采集重量的时机，设定了以下的规则：
¿在卡车开上地磅的过程中，地磅的示数会不断的增加，当地磅的示数大于某个限定的阈值（如8,000kg）时，认定一辆集装箱卡车已经进入闸口并正在地磅上面通过，作为一个开始记录的信号。
¿承载有集装箱的卡车通过数据采集通道时，安装在闸口上用于控制时序的红外触发探头必然被遮挡，当卡车完全驶上地磅后，红外探头自然经历了从遮挡到连通的过程，同样可以作为另一个开始记录的信号。
¿如果集装箱车辆遵守业务部门的规则停留在地磅上，根据系统时序设计和物理布局，在集装箱号码自动采集子系统完成了图像的抓拍、传输和识别后，集装箱尾部已经完全通过闸口，标志着车辆已经完全驶上地磅而且地磅示数也是一个比较稳定的值，可以作为一个记录结束的信号。
¿一旦车辆不遵守规则擅自驶离地磅，则地磅示数在开始记录并达到峰值后，会随着车辆离开地磅逐渐减小，当地磅示数小于某个阈值（如5,000kg）或者地磅示数与开始记录后的最大值之差大于某个阈值（比如4,000kg）时，可以作为一个结束记录的信号。
¿从开始记录信号到记录结束信号中间每秒采集5次地磅示数并将数值记录到数据队列，经过分析取得合理数值（通常是取数据队列的最大值）作为当前通过数据采集系统通道的集装箱卡车的整车重量（即称重重量）。
5.5电子闸口数据实时处理系统
电子闸口数据实时处理系统是闸口操作的平台，通过该系统，可以整合所有的子系统以及与TMS、海关监管系统进行连接。下面我们简要介绍一些基本处理模块，更多功能可以根据用户的需求进行定制开发。
5.5.1数据、图像传输模块
功能描述
数据、图像传输模块负责将前端数据采集系统采集到的集装箱号码、车牌号码和重量数据，以及前端计算机无法处理的集装箱号码图像，传输到闸口管理系统中指定的目录或数据库中，等候人工处理集装箱信息。处理完成后，控制道闸、LED等设备做相应的动作。
考虑到网络情况，若网络不通时，可以在本地保留采集的数据，等待故障恢复后，再将数据和图片发送到闸口管理系统上。
考虑到网络实际运行情况，为保证数据能在较快时间内比对完成，采用数据和图片异步发送方式，即先发送数据供TOS系统使用，然后再发送图片。
工作流程
与数据代理服务器建立SOCKET网络连接，准备数据传输；若网络不通或数据库连接失败，则将数据保留在本地数据文件中。
建立起网络和数据库连接后，将本地数据文件读出，数据文件中意义一条记录表示一辆车的数据，系统逐条进行解释
解释纪录，若本纪录中集装箱号码识别失败，则将集装箱号码图片压缩，保存到图片发送目录下，并将记录数据发送到服务器上
服务器接收数据后，解释数据，等待TOS系统的处理结果；处理完成后，反馈处理结果到闸口系统。
闸口系统接收比对结果和货物类型，返回给时序控制系统，控制红绿灯、LED显示屏。

5.5.2闸口设备控制
通过前端设备控制器，控制和获取闸口现场所有设备的状态和动作。同时可以将各个子系统的工作状态通过网络传输到TMS或者海关监管系统中，使TMS和海关系统的操作人员可以通过软件进行闸口设备的远程控制。
硬件代理服务器
功能描述
为了简化硬件数据的传送和控制，增加一个硬件代理服务器，它负责将前端设备控制器与其它系统之间建立无缝连接，用户不直接和工控机联系，所有的数据采集和硬件控制都是通过硬件代理服务器来完成。对其它系统来说，硬件代理服务器就是所用的硬件。所有的命令都直接发给唯一的硬件代理服务器，不需要知道工控机的信息，如IP地址等。所有的工控机只与硬件代理通讯，不需要了解具体用户的信息，它们只有一个唯一的用户，就是硬件代理。这种结构简化了软件的部署。
用户和硬件代理程序，工控机和硬件代理程序，都通过TCP协议通讯。

工作原理
硬件代理服务器开启一个网络端口监听用户指令，接收到指令后首先验证指令来源，再根据报文格式解释指令。
如果是数据指令，与相应的数据服务器或数据采集系统通讯请求获取数据，收到有效数据后编译成数据报文传回指令来源。
如果是设备指令，首先向数据采集系统发送请求指令，获取设备控制权，然后直接通过设备控制接口控制相应的设备动作，动作执行完毕后向数据采集系统发送清除指令将设备控制权交回给数据采集系统。
对于无法执行的指令，将返回执行失败信息，包括：网络故障、系统忙碌、不支持指令等。
客户端接口组件
与TMS程序的接口程序，是一个COM组件，或者是用C#写的一个库（一些接口类），以下简称为“接口组件”。在接口组件中实现了一个TCP协议的服务器（需要一个端口号，对硬件代理来说），同时也是一个客户端（对硬件代理服务器来说）。接口组件通过属性，事件，方法与用户的程序通讯。所有的通讯命令，协议等都封装在接口组件中。当有车辆到来，工控机采集完数据后发送给硬件代理，硬件代理再发送给用户程序中的接口组件，接口组件触发相应的事件，在事件的参数中有车牌号，箱号，箱型等。用户通过调用接口组件的方法，控制硬件。用户调用接口组件的方法，接口组件则将控制信息发送给硬件代理，硬件代理再将控制信息发送给数据采集系统，控制硬件采取相应的动作。
接口功能描述
红绿灯状态：调用时提供闸口代码、通道号信息，返回通道工作状态，数据类型为整型。功能是显示通道的使用状态，使用和档杆相同的指令。现场操作人员可以通过人工进行操作。
地磅取数：调用时提供闸口代码、通道号、功能编号信息，返回采重重量数据或地磅示数，数据类型为整型，单位为千克。功能编号为0时（缺省）返回当前车辆的采重数据，这个数据在电子道闸升起后自动清零；功能编号为1时，返回地磅的当前示数，以便于及时校正地磅示数。
抬杠指令传递：调用一次抬杠一次；其中，落杠由地感感应控制；
通道状态：调用时提供闸口代码、通道号信息，功能编号信息，功能编号为关闭道口时，道闸不再升起；调用功能号为通道开启时，通道正常工作；调用功能号为状态查询时返回通道的当前状态0—通道关闭，1—通道空闲，2—通道有车。