An Intelligent System for Vehicle Access Control using RFID and
ALPR Technologies
Received: 15 April 2015 / Accepted: 28 March 2016 / Published online: 16 April 2016
copy; King Fahd University of Petroleum amp; Minerals 2016
Abstract
This paper introduces a hybrid system for vehicle access control using RFID and automatic license plate recognition (ALPR) technologies. RFID technology is proven to provide an effective solution to different tracking and localization problems. However, the technology has its shortcomings in tracking objects/users without a tag. As such, we propose to complement this technology with ALPR to control the access of different types of vehicles to the area of Makkah (Saudi Arabia) during Pilgrimage seasons. This limited area can easily get congested with the huge number of vehicles attempting access. Before the start of the season, vehicles authorized to access the region are assigned passive RFID tags specifying their allowed schedule of entry. Violating vehicles that do not have RFID tags are detected and identified using ALPR. The developed system was tested over two pilgrimage seasons. The experiments showed that the developed RFID system was able to identify all passing vehicles with speeds up to 100 km/h, while the ALPR system achieved 94 % recognition accuracy of vehicles not equipped with RFID tags.
Keywords
RFID bull; Arabic characters bull; License plate bull; recognition bull; Vehicle access control bull; Pilgrimage bull; Hajj
1 Introduction
The Hajj (or pilgrimage) season in Saudi Arabia is a major event for Muslims around the world. During this period, a substantial number of vehicles commute to and from the holy area of Makkah. According to the data collected by the department of transportation, around 2.6 million vehicles enter this area during the month of Hajj. As part of the performed rituals, all pilgrims (more than 2.5 million) need to move simultaneously between different sites at pre-specified times. This results in major traffic congestion in the region, which can take hours to clear. Surveys have shown that a simple one-way trip between Makkah and Mina (10 km), during the days of Hajj, can easily take more than 2 h.
Managing such a number of vehicles in the presence of large crowds is a major challenge to the traffic authorities. The recently introduced train system has only resolved a small part of the problem. However, reaching the train stations is by itself a major challenge for the elderly particularly that most pilgrims are on the high age side. In this work, we propose a new framework for managing traffic and access to the holy areas during the pilgrimage (or Hajj) season. The developed system is hybrid in nature and combines RFID technology with license/number plate recognition/identification (LPR) technology. RFID solutions have been widely deployed, in different countries from around the world, for vehicle access control as well as other diverse applications. However, for our particular application, there is a need to identify the plate number of violating vehicles that are not equipped with RFID tags. Such an LPR system should be able to recognize both English and Arabic characters.
RFID technology has proven its suitability in diverse tracking and localization applications such as asset management, passports, transportation payments and inventory taking, etc. [1, 2]. The RFID basic concept relies on storing data and retrieving it using tags, which are either embedded into the objects or attached on them. The main components of RFID tags are: an integrated circuit for storing and processing information and an antenna for receiving and transmitting signals. More recently, chipless RFID technology has been introduced which allows for the identification of tags without the need for integrated circuits and by direct printing on the objects to be identified [3].
RFID technology has several advantages over barcodes. More specifically, RFID technology does not need line-of-sight alignment, and information can be changed if needed. The technology also allows for the scanning of multiple objects simultaneously.
There are three types of RFID tags: passive, semi-passive, and active [1, 2]. While active tags use an internal battery, passive tags do not. However, for large communication ranges, active tags are more suitable. For our application, passive tags are used as they are cost-effective, durable, and meet the reading range requirements. During the past few years, we have witnessed a surge in applications deploying RFID technology in traffic control with particular focus on identification of vehicles. RFID tags have even been proposed as an alternative to license plates. We briefly outline below some of the relevant work in this area.
In [4], Pandit et al. developed a vehicle tracking system using RFID to solve traffic signal timing, congestions on roads and theft of vehicles. The system used RFID tags installed on all vehicles with readers at various junctions of the city for the tracking. In [5], the authors developed a proto-type system to manage studentsrsquo; buses at a university campus in Malaysia. For the identification and monitoring of busses, the system used jointly RFID technology and a geographical information system (GIS). Drivers and their scheduled arrivals at each bus stop were monitored for punctuality. The GIS was used to display bus information on an interactive map.
In [6], Lin-ying and his team developed a system integrating RFID technology with a communication network, a database, and some other embedded technologies to improve the level of acquired information, automation, and intelligence of vehicle management systems. However, their system focused mainly on access to parking areas. Finally, Isasi et al. [7] developed a system which combines RFID identification ability with a complex machine vision system using multiple camera
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基于无线射频识别和门禁技术的车辆出入控制的智能系统
收到:2015年4月15日/接受:2016年3月28日/网上公布:2016年4月16日
copy;法赫德国王大学2016年石油和矿产
摘要
本文介绍了一种使用RFID和自动车牌识别（ALPR）技术的车辆访问控制的混合系统。 RFID技术被证明可以为不同的跟踪和定位问题提供有效的解决方案。然而，该技术在跟踪没有标签的对象/用户方面具有缺点。因此，我们建议用ALPR补充这项技术，以控制不同类型的车辆在朝圣季节期间进入麦加（沙特阿拉伯）地区。这个有限的区域可以很容易地拥挤着大量的试图访问的车辆。在赛季开始之前，授权进入该地区的车辆被分配无源RFID标签，指定其允许的进入时间表。使用ALPR检测并识别不具有RFID标签的违规车辆。开发的系统在两个朝圣季节进行测试。实验表明，开发的RFID系统能够识别速度高达100公里/小时的所有过往车辆，而ALPR系统实现了未配备RFID标签的车辆的94％的识别精度。
关键词：无线射频识别 阿拉伯字符 车牌识别 车辆访问控制 朝圣 朝觐
1介绍
沙特阿拉伯的朝觐（或朝圣）季节是世界各地穆斯林的主要活动。在此期间，大量车辆往返于麦加圣地。 根据交通部收集的数据，在朝觐月期间，约有260万辆车进入该地区。 作为执行仪式的一部分，所有朝圣者（超过250万）需要在预先指定的时间在不同地点之间同时移动。这导致该地区的主要交通拥堵，这可能需要几个小时才能清除。调查表明，在麦加和米娜（10公里）之间在朝觐期间的简单单程旅行可以轻易地超过2小时。
在人群面前管理这么多的车辆对交通部门来说是一个重大的挑战。最近推出的铁路系统只能解决一小部分的问题。然而，对大多数老年人尤其是高龄的朝圣者来说，到达火车站本身就是一个重大的挑战。在这项工作中,我们提出一个新的框架来管理交通和访问在朝圣(或麦加朝圣)期间的神圣领域。结合射频识别技术与许可证/车牌识别/识别(LPR)技术，开发系统在本质上是混合的。无线射频识别解决方案广泛部署于全世界不同的国家，用于车辆访问控制以及其他多样化应用程序。然而，对于我们的特定应用，需要识别未配备RFID标签的违章车辆的板数。 这样的LPR系统应该能够识别英语和阿拉伯字符。
RFID技术已经证明其在多种多样的跟踪和本地化应用程序上的适用性，如资产管理，年龄，护照，运输支付和库存等[1,2]。RFID基本概念依赖于存储数据并使用标签来检索它嵌入到对象中或附加在对象上。RFID标签的主要部件是：用于存储和处理信息的集成电路以及用于接收和发送信号的天线。 最近，无芯片RFID技术已经推出，允许识别标签，而不需要集成电路和直接打印在要识别的对象[3]。
RFID技术比条形码多了一些优点。更具体地说，RFID技术不需要视线对准，并且如果需要可以改变信息。技术还允许扫描多个对象。
有三种类型的RFID标签：无源，半无源和有源[1,2]。 当有源标签使用内部电池时，无源标签不使用。 然而，对于大的通信范围，有源标签更合适。 对于我们的应用，使用无源标签，因为它们具有成本效益，耐用，并满足读取范围要求。 在过去几年中，我们目睹了在交通控制领域部署RFID技术的应用激增，特别是车辆识别。 RFID标签甚至已经被建议作为牌照的替代。 我们简要介绍一下这一领域的一些相关工作。
在[4]中，权威人士开发了使用RFID解决交通信号时机，道路拥堵和车辆盗窃的车辆跟踪系统。 系统使用RFID标签安装在所有车辆上，带有读卡器在城市的各个交叉口进行跟踪。 在[5]，作者开发了一个原型系统来管理学生的巴士在马来西亚的大学校园。 对于总线的识别和监测，系统使用RFID技术和地理信息系统（GIS）。 司机和他们在每个公共汽车站的预计到达时间被监控准时。 GIS用于在交互式地图上显示总线信息。
在[6]中，林英和他的团队开发了一个将RFID技术与通信网络，数据库和一些其他嵌入式技术相结合的系统，以提高车辆管理系统获得的信息，自动化和智能水平。 然而，他们的系统主要集中在进入停车场。 最后，伊萨娅等人[7]开发了一个系统，它结合了RFID识别能力和复杂的机器视觉系统，使用多个摄像机，以便识别，定位和跟踪车辆的广泛区域。 该系统能够融合所有来源的数据。 然而，他们的系统主要是打算在室内工作。许多其他尝试开发基于RFID的系统识别车辆可以在文献中找到[8-11]。
然而，我们注意到，大多数现有的基于RFID的系统仅限于具有少量车辆的限制区域。 挑战是将技术推广到开放区域的更大用户群，更重要的是，没有配备RFID标签的车辆的情况作为我们特定应用的情况。 为此，我们在这里建议使用RFID和自动车牌识别（ALPR）技术识别车辆和控制进入圣地。
ALPR在智能交通系统中获得了很多人气。 在文献中已经讨论了大量用于ALPR的系统，并且许多系统在商业上可用于美国，欧盟，韩国，中国和日本牌照。 然而，阿拉伯语支持的ALPR没有得到充分研究[12]。 ALPR系统被许多人认为是典型的模式识别系统。 这种系统的主要组成部分是：1.图像采集，2.LP区域检测，3.LP分割和字符提取，以及4.字符识别。 文献中的大多数现有贡献依赖于增强上述一个或多个组件的性能。
ALPR系统的第一阶段包括一个鲁棒的图像采集模块。 对于大规模部署，通常使用专用相机。 在本应用中使用的IR（红外）相机（Carmen相机）提供高分辨率的图像，可以在日夜条件下操作。 这款相机专为ALPR应用而设计[13]。
对于第二，第三和第四阶段，已经提出了集中于照明，室内/室外，复杂背景，多个车道等的一个或多个方面的各种算法。 [14]例如，讨论了使用多种颜色检测韩国板材的系统，Zhang和Yin [15]使用霍夫变换方法检测牌照的矩形结构。 Hontani和Koga [16]使用尺度形状分析来提取板区域，而不知道其位置和尺寸。艾哈迈德等[12]使用边缘检测，然后是基于黑白比的自适应阈值技术，使得排除非板区域。 在他们的工作中，使用基于特征的方法检测LP区域，随后使用神经网络识别阿拉伯字符的阶段。 对于文献的全面审查，读者可以参考以下调查/评论[17-20]。
本文的主要贡献在于一个新的混合系统的开发，集成了RFID和ALPR技术，以解决车辆进入圣地的主要问题。这一应用对沙特阿拉伯王国极为重要。系统被定制为处理使用阿拉伯字符的区域车牌。对于我们的应用，总有一个瓶颈，大量的车辆试图在短时间内进入圣地。因此，我们的系统使用RFID技术用于授权车辆。这种技术非常有效，不需要ALPR所需的分段和识别阶段。然而，对于违规车辆（更不用说数量），我们使用ALPR系统。混合技术的使用提高了我们应用的整体效率。此外，该系统仅允许根据预先规定的时间表进入服务车辆。任何尝试在其允许的时间表之外进入的服务车辆被视为违规车辆。这样的布置有助于缓解拥塞，因为服务车辆的进入可以分布在整个白天或夜晚以及以良好分布的方式跨越圣地的不同入口。
本文组织如下： 2详细介绍了所提出的系统。 3概述了系统设计及其操作。 4描述了系统部署设置，其次是我们的实验结果5。最后，本文结束部分6。
2拟议系统
我们在本文中的主要目标是开发一个系统，解决在沙特阿拉伯朝圣季节车辆拥堵的一个主要问题。 对可用的商业系统的初步研究表明，它们中的大多数不适合于我们的特定应用。 在拟议系统的设计之前，我们开始与当地运输部门的官员协调制定一套规范。 这些人在朝圣节期间在圣地组织和管理交通方面具有丰富的经验。 基于这些讨论，我们在下面列出系统的主要规格。
bull;向不同的车辆（私人或服务）提供进入该地区的规定的时间表。
bull;这些车辆配备有预编程的RFID标签。
bull;进入检查点区域后，车辆将扫描RFID标签。
bull;在标签存在的情况下，在该特定时间对其有效性进行交叉检查以便输入。
bull;未授权的车辆被拒绝访问和/或发出罚款（预防与威慑模式）。
bull;对于没有标签的车辆，使用ALPR系统识别车牌。
bull;为了控制重型车辆，在检查点前约50米处，安装车道分隔器，以限制每辆车辆通过特定车道的通道。
该系统的操作有两个主要阶段。 在第一阶段，未经许可的车辆的驾驶员通过道路侧的大型显示板警告，以在检查站之前退出。 这将减少主检查点之前的拥塞。 所有设备，包括传感器，读取器，摄像机和障碍物，都安装在检查点。 这里使用的障碍可以自动或交警手动操作（在需要时）。
在检查点收集的所有信息被发送到区域数据中心进行进一步处理。 从违章车辆收集的图像被处理并传送到中央处以进一步处理和发出。 该系统设置有获取和传输视频流而不是单个图像的选项。图1和图2显示了所提出的系统的整体配置以及部署的示例。
对于数据通信，我们已经审查了包括通用分组无线电业务（GPRS），全球微波接入互操作性（WiMAX），陆地集群无线电（TETRA）技术和集成数字增强型网络（iDEN）的许多替代方案。 下面列出了我们应用的数据通信模块的主要要求。
bull;支持2 MB / s的数据速率。
bull;安全和专用通信信道。
bull;易于访问和管理系统。
bull;初始和运行成本低。
bull;与其他交通管理系统轻松集成。
基于上述要求，作者与当局讨论了两个主要选项，即TETRA和GPRS。 虽然TETRA可以由交通当局完全管理，但它遭受低数据速率。 另一方面，GPRS系统需要与沙特阿拉伯的一个移动电话运营商（STC，Mobily，Virgin和Zain）协调安装和管理。 这两个选项需要在全面部署之前进一步调查。
图1 系统的总体结构
图2 系统部署的示例
3系统设计与操作
在朝圣季节开始之前，批准的车辆设置有预编程的RFID标签。 标签包含有关驾驶员，车辆识别信息的信息，更重要的是，分配给这些车辆的路线和时间段。 在接近麦加的圣地时，未经许可的车辆会在出现大型警告路边标志的情况下发出警报（见图3）。
主检查点的系统包括触发模块，RFID读取器，LPR摄像机和每个通道的屏障。 为了在部署系统中提供灵活性，我们提出两种操作模式。 在第一种模式中，称为威慑模式，允许未经授权的车辆进入，但是它们被发出重物，而在防止模式下，使用障碍物来迫使未经授权的车辆退出。 下面更详细地解释这两种操作模式。
3.1预防模式
在这种情况下，未经许可的车辆被迫离开主要道路，因为障碍物不会打开（参见图4）。另外，当局可以选择发出罚单，用于违反抵达主检查站的车辆。 这将有助于减少主检查点的瓶颈。 实际上，该模式可以被看作是组合的预防 - 威慑模式。
3.2威慑模式
由于强迫未经授权的车辆本身可能增加拥塞，所以当局可以选择允许这些车辆进入受限区域，但是向驾驶员发出严重违规的选项。 这样的沉重将阻止潜在的违规者未来尝试进入（也可以施加与驾驶执照相关的其他惩罚）。所提出的系统的整体流程图显示在图5中。
3.3开发系统的主要组成部分
开发的系统由下面简要描述的多个部件组成。
3.3.1光学传感器
每个光学传感器包括由12V DC电源供电的发射器和接收器（见图6）。 光接收器连接到控制器单元。 发射器 - 接收器对必须放置成使得两者总是直接在视线上。当视线被遮挡时，光接收器产生由控制器感测的信号。
图3 警告司机的路边标志（如果未经授权，则退出）
图4 预防情景的草图
图5 系统的整体流程图
图6 光发射器 - 接收器对在视线内
感测系统用于检测经过的车辆。 如果检测到车辆，但在一秒钟内没有读取RFID标签，则向ALPR系统发送触发信号以读取并识别经过的车辆的牌照。
3.3.2 UHF RFID标签
RFID在六个频带中操作：LF（125-135KHz的频带），HF（13.56MHz的频带），433MHz，UHF（860-960MHz的频带），2.45和5.8GHz。 使用UHF频带的系统更适合于涉及较长距离读取的应用。 在这个项目中，我们使用在UHF频带中工作的标签。 RFID标签包含有关驾驶员和车辆的完整信息。 只要读取标签的唯一标识（UID）号码，就可以从中央数据库检索这些信息。
3.3.3自动车牌识别（ALPR）系统
违规车辆的板在运动中使用IR相机捕获。 IR相机由光学传感器的控制器产生的脉冲触发。捕获的图像在传输到中央站之前被本地处理。 ALPR系统的本地处理单元如图7所示。
开发的用于提取牌照信息的软件在图8中示出。
图7 ALPR系统的本地处理单元
图8 开发的ALPR GUI包（请注意，实际板有三个字母和四个数字）
4实验设置
对于我们的实验，RFID读取器安装在每个通道的顶部。 该组RFID读取器被布置成使得车辆仅被相应车道的读取器检测（和计数）。 在车辆被两个读取器（两个车道）检测到的情况下，管理系统的软件将解决复制。此外，通往检查站的道路已经装备有车道分隔器，以限制每辆车停留在其车道内。 该系统还包括用于为每个违章车辆拍摄图像序列的专用相机。 图9中显示了所提出的设置的示例。
原型系统的主要组件有：
bull;一组光学传感器（发射器 - 接收器对），用于检测经过的车辆。
bull;分配给每辆授权车辆的UHF RFID挡风玻璃标签。
bull;控制单元，包括UHF RFID读取器，光学传感器的接口，以
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