摘  要： 針對現(xiàn)行的基于二維碼技術(shù)的實名制火車票容易造成信息泄露存在安全隱患的問題，介紹了采用內(nèi)嵌UHF RFID芯片的電子火車票技術(shù)，設(shè)計了符合實際應(yīng)用的UHF頻段RFID電子火車票系統(tǒng)并對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。RFID電子火車票不僅能存儲更多的個人信息，具有更高的防偽級別，而且可以實現(xiàn)對旅客運輸?shù)挠行Ч芾?，便于各項客運數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作，與鐵路售票系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)還可以實現(xiàn)自動售檢票，提高工作效率和自動化水平，滿足當(dāng)前鐵路高速、高密度的運營需要。
關(guān)鍵詞： 射頻識別；UHF RFID；電子火車票；防碰撞

    現(xiàn)行的紙質(zhì)二維碼火車票存在一個弊端：車票丟棄會導(dǎo)致個人信息泄露，不法分子可能破解二維碼，利用圖像處理設(shè)備制造假票，這將給鐵路部門和乘客造成很大的損失。除防偽能力差之外，二維碼火車票的自動識別率低，自動檢票速度受到限制，而且極易受到污染和磨損。射頻識別（RFID）技術(shù)具有非接觸識讀、讀寫距離遠(yuǎn)、可識別運動目標(biāo)、安全性高、適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點[1]。應(yīng)用基于RFID技術(shù)的電子火車票，實現(xiàn)實名制的同時以上問題都可迎刃而解。
    在我國鐵路客運領(lǐng)域，廣深鐵路線最早使用RFID紙質(zhì)火車票，該RFID火車票的射頻頻率屬于高頻（HF）頻段的13.56 MHz范圍，從目前的使用狀況來看，HF RFID火車票存在著成本高、識別距離短、安全等級低等問題。超高頻（UHF）頻率范圍通常是指433 MHz、860 MHz～960 MHz、UHF頻段的RFID，具有波長適中、空間衰耗小、識別距離遠(yuǎn)、識別速度快、有較強(qiáng)的防碰撞能力的優(yōu)點。近年來UHF RFID技術(shù)得到了快速的發(fā)展，而且IC智能卡技術(shù)不斷成熟，UHF RFID標(biāo)簽價格也不斷降低，因此UHF RFID技術(shù)在物流、供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2-3]。本文對UHF RFID火車票進(jìn)行了研究，提出了系統(tǒng)的構(gòu)架，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
1 UHF RFID系統(tǒng)基本原理
    UHF頻段的RFID系統(tǒng)使用電磁波通過讀寫器與標(biāo)簽間的耦合進(jìn)行通信。圖1顯示了一個基本的UHF RFID系統(tǒng)。UHF RFID系統(tǒng)的組成至少包括兩個部分：電子標(biāo)簽和讀寫器。讀寫器的作用是產(chǎn)生和發(fā)射電磁波信號并接收由電子標(biāo)簽反射回來的電磁波信號。電子標(biāo)簽是待識別物體的數(shù)據(jù)載體，內(nèi)部存有一定格式的電子數(shù)據(jù)。UHF RFID系統(tǒng)的工作原理是：讀寫器經(jīng)天線以電磁波的形式向外發(fā)射查詢信號，標(biāo)簽接收到信號后激活其控制系統(tǒng)，然后將存儲的信息調(diào)制到載波上經(jīng)標(biāo)簽天線反射出去。讀寫器收到反射信號并對其進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送給微控制器。微控制器根據(jù)得到的數(shù)據(jù)判斷標(biāo)簽的合法性，做出相應(yīng)的處理和控制，然后傳給中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或應(yīng)用。

2 UHF RFID火車票系統(tǒng)
    該系統(tǒng)包括中央管理系統(tǒng)、售票系統(tǒng)、檢票系統(tǒng)和驗票系統(tǒng)，如圖2所示[4-5]。

    （1）中央管理系統(tǒng)提供票務(wù)管理系統(tǒng)支持、密鑰管理系統(tǒng)支持和數(shù)據(jù)庫存儲功能，主要負(fù)責(zé)管理乘客信息、處理票務(wù)數(shù)據(jù)和管理下層應(yīng)用系統(tǒng)，并且對旅客提供相關(guān)的信息查詢服務(wù)。
    （2）售票系統(tǒng)負(fù)責(zé)售票，包括人工售票系統(tǒng)和自動售票終端，設(shè)備核心部件是UHF RFID讀寫器。乘客購票時需出示身份證，通過二代身份證閱讀器掃描乘客身份證，乘客的身份信息及照片將被存入車站系統(tǒng)的后端數(shù)據(jù)庫中，并與RFID電子車票上的唯一代碼相對應(yīng)，然后將乘客信息及乘車信息寫入車票內(nèi)的RFID標(biāo)簽[6]。
    （3）檢票系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢票，表現(xiàn)為門禁系統(tǒng)，負(fù)責(zé)驗證乘客身份，持有偽造車票和無效車票的乘客將無法通過門禁。RFID電子車票進(jìn)入檢票系統(tǒng)的RFID有效識別區(qū)即可被自動識別。自動檢票機(jī)內(nèi)的閱讀器通過RS232或網(wǎng)絡(luò)與上層的應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，既可以執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件的指令，也可以將閱讀器解碼后的標(biāo)簽應(yīng)答信息上傳至上位機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件。
    （4）驗票單元是人工輔助環(huán)節(jié)，乘務(wù)人員在列車上可使用手持讀寫器進(jìn)行驗票，讀寫器通過天線與電子車票內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行通信，乘客的個人信息便能在屏幕中顯示出來，然后與身份證信息對照即可完成驗票。如果乘客需要延站或者補(bǔ)票，也可以由手持讀寫器完成信息的再次讀寫。
3 UHF RFID火車票系統(tǒng)設(shè)計
3．1 UHF RFID電子火車票設(shè)計
    內(nèi)嵌UHF RFID標(biāo)簽的電子火車票是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，一個UHF RFID標(biāo)簽唯一對應(yīng)一個序列號并與乘客信息關(guān)聯(lián)。UHF FRID標(biāo)簽芯片的設(shè)計是電子車票設(shè)計的重點。
    電子標(biāo)簽分為無源、有源和半有源3種。UHF RFID電子火車票采用無源標(biāo)簽，標(biāo)簽工作的能量來自讀寫器發(fā)射的電磁波，標(biāo)簽芯片的功耗直接影響標(biāo)簽的讀寫距離。所以，必須采用超低功耗的電路設(shè)計方法，才能滿足UHF RFID系統(tǒng)的工作要求。圖3是UHF RFID標(biāo)簽芯片的功能框圖，主要包括4個部分：射頻前端、模擬前端、數(shù)字基帶和存儲單元。

    （1）射頻前端與標(biāo)簽天線直接相連，主要作用是將天線接收到的射頻信號整流為直流能量供標(biāo)簽工作；對射頻輸入信號進(jìn)行包絡(luò)檢波，恢復(fù)讀寫器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。射頻前端最重要的模塊是倍壓整流電路，又稱為電荷泵電路，主要作用是將交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號。設(shè)計中選用傳統(tǒng)的4級二極管整流電路結(jié)構(gòu)。
    （2）超高頻電子標(biāo)簽的模擬前端電路的主要作用是對天線接收到的信號進(jìn)行解調(diào)；為標(biāo)簽芯片工作提供穩(wěn)定的電壓，為數(shù)字基帶模塊提供穩(wěn)定的時鐘和上電復(fù)位信號等。模擬前端電路設(shè)計的關(guān)鍵是低壓、低功耗、高靈敏度的解調(diào)電路和低功耗、大動態(tài)范圍的穩(wěn)壓電路，這些電路直接影響著標(biāo)簽的工作距離和性能。
    （3）數(shù)字基帶處理器的主要作用是處理標(biāo)簽接收到的數(shù)據(jù)，此外還實現(xiàn)防碰撞算法、協(xié)議指令和安全等功能。
    （4）存儲器用來存儲標(biāo)簽信息并個性化每個標(biāo)簽。
    以上內(nèi)容介紹了UHF RFID電子標(biāo)簽的工作原理和電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。隨著RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子標(biāo)簽芯片的成本越來越低，性能越來越好。將UHF RFID電子標(biāo)簽和天線封裝起來便可用作電子火車票，經(jīng)過初始化、密鑰加載和數(shù)據(jù)寫入等操作便是一張完整的火車票。
3．2 UHF RFID讀寫器設(shè)計
    在RFID火車票系統(tǒng)中，讀寫器應(yīng)用于售票環(huán)節(jié)和檢票環(huán)節(jié)。讀寫器在火車票系統(tǒng)中的應(yīng)用有3種形式：(1)桌面式讀寫器，用于RFID電子車票的發(fā)放和車票信息的修改等；(2)固定式讀寫器，用于車站大廳的自動檢票；(3)便攜式讀寫器，用于列車上的驗票和補(bǔ)票。不同類型的讀寫器在外觀設(shè)計、接口定義、通信流程和數(shù)據(jù)傳輸方法上不同，但其功能原理是一致的。
3．2．1 RFID讀寫器基本原理
    RFID讀寫器由基帶模塊、射頻模塊和天線模塊組成，如圖4所示。

    (1)基帶模塊按協(xié)議規(guī)定操作控制射頻收發(fā)模塊，主要完成以下任務(wù)：①與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信；②進(jìn)行閱讀器和標(biāo)簽之間的身份驗證；③控制標(biāo)簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換。
    (2)射頻模塊負(fù)責(zé)射頻信號收發(fā)并處理射頻信號，主要完成以下任務(wù)：①根據(jù)協(xié)議要求發(fā)射一定功率的射頻信號，激活工作區(qū)域內(nèi)的無源標(biāo)簽；②發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給標(biāo)簽；③接收標(biāo)簽返回的信號并進(jìn)行必要的處理。
    (3)射頻識別系統(tǒng)的讀寫器必須通過天線來發(fā)射能量，形成電磁場，通過電磁場來對電子標(biāo)簽進(jìn)行識別。
3．2．2 UHF RFID讀寫器硬件設(shè)計
    UHF RFID讀寫器硬件主要按照模塊化思想設(shè)計，各個部分盡量采用經(jīng)典或者成熟的技術(shù)解決方案，并采用國內(nèi)外成熟的芯片進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。UHF RFID讀寫器的整體硬件電路框圖如圖5所示。

    在讀寫器核心模塊的結(jié)構(gòu)中，電源負(fù)責(zé)向所有子模塊供電；接口模塊提供對外電源接口及與計算機(jī)的通信接口；處理器模塊處于核心控制位置，負(fù)責(zé)運行固件、I/O接口模塊，控制基帶電路和射頻電路的各個部分；基帶電路和射頻電路都可以分為兩部分：上行處理（從標(biāo)簽到讀寫模塊）和下行處理（從讀寫模塊到標(biāo)簽），兩者共同實現(xiàn)讀寫器對標(biāo)簽的讀寫操作。
    設(shè)計UHF RFID讀寫器一個很重要的環(huán)節(jié)是器件選擇。選擇的原則是：保證功能要求；盡量采用標(biāo)準(zhǔn)和通用芯片；降低成本，提高性價比。此外，電路板設(shè)計也非常關(guān)鍵，因為在UHF射頻電路設(shè)計時，各種寄生參數(shù)都對射頻信號很敏感，要合理選擇各項參數(shù)并合理布局走線。
3．3 UHF RFID火車票系統(tǒng)天線設(shè)計
    對于RFID系統(tǒng)而言，天線是標(biāo)簽和讀寫器的空間接口。
3．3．1 UHF RFID火車票天線設(shè)計
    RFID標(biāo)簽天線的主要作用是接收來自讀寫器的射頻能量和閱讀器發(fā)送給標(biāo)簽的信號，并將標(biāo)簽返回給閱讀器的信息發(fā)送回讀寫器。
    UHF RFID火車票天線的選擇要從以下幾個方面考慮：(1)足夠小，可以貼到火車票上；(2)有全向或半球覆蓋的方向性；(3)給火車票標(biāo)簽芯片提供最大可能的信號；(4)具有魯棒性；(5)成本低。
    基于以上幾點考慮，振子天線具有輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單和成本低等優(yōu)點，可以用作UHF RFID火車票的天線。
3．3．2 UHF RFID讀寫器天線設(shè)計
    射頻識別系統(tǒng)的讀寫器必須通過天線來發(fā)射能量，形成電磁場，通過電磁場來對電子標(biāo)簽進(jìn)行識別。
　　微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。微帶天線在100 MHz~100 GHz的寬頻帶上獲得了大量成功應(yīng)用，具有重量輕、體積小、成本低、平面結(jié)構(gòu)以及可以和集成電路兼容等優(yōu)點。可以選用微帶天線作為UHF RFID讀寫器的天線。
4 UHF RFID火車票系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究
4．1 UHF RFID系統(tǒng)安全方案
    RFID系統(tǒng)中讀寫器與標(biāo)簽通過無線信道進(jìn)行通信，讀寫器發(fā)送給標(biāo)簽的信號由于功率較大，傳輸距離較遠(yuǎn)，容易受到竊聽和跟蹤；而標(biāo)簽發(fā)送給讀寫器的信號由于傳輸?shù)哪芰啃　⒆饔镁嚯x短，容易受到干擾和阻斷攻擊。要確保鐵路RFID系統(tǒng)的安全性能，就必須保證信息交換過程中數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、可用性、真實性和隱私性。
    RFID系統(tǒng)的安全性應(yīng)從以下方面來改進(jìn)：(1)采用標(biāo)簽與讀寫器相互認(rèn)證的機(jī)制，防止非法的讀寫器獲取標(biāo)簽信息或篡改標(biāo)簽數(shù)據(jù)，或者用偽造標(biāo)簽與讀寫器通信；(2)避免通信過程中使用明文傳輸，選取合適的加密算法；(3)加強(qiáng)后臺數(shù)據(jù)庫管理，避免數(shù)據(jù)庫受到攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)、密鑰等信息泄漏。
4.2 UHF RFID系統(tǒng)防碰撞問題
    如果讀寫器信號作用范圍內(nèi)有多個待識別的標(biāo)簽，同一時刻有多個標(biāo)簽向讀寫器返回響應(yīng)信息，這些響應(yīng)信息會發(fā)生重疊與相互干擾，導(dǎo)致讀寫器無法正確識別標(biāo)簽，這種現(xiàn)象稱為標(biāo)簽沖突或者碰撞，RFID系統(tǒng)必須采用一定的算法來解決碰撞問題，控制標(biāo)簽逐個與讀寫器通信。防碰撞算法主要解決如何準(zhǔn)確快速地從多個標(biāo)簽中選出一個與讀寫器進(jìn)行通信并在盡可能短的時間內(nèi)識別完所有標(biāo)簽。TDMA時分多路方式應(yīng)用簡單，容易實現(xiàn)對大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫，因此被多數(shù)防碰撞算法
采用。在UHF頻段，常用的防碰算法有ALOHA算法和二進(jìn)制樹型搜索算法等。ALOHA算法操作簡便，便于實際應(yīng)用，但在應(yīng)用中隨著標(biāo)簽數(shù)量的擴(kuò)大，容易引起性能急劇惡化，不適宜大規(guī)模標(biāo)簽讀取。二進(jìn)制樹型搜索算法的電路實現(xiàn)雖然比ALOHA算法復(fù)雜，但算法識別率較高。因此，UHF RFID火車票系統(tǒng)可以選用動態(tài)二進(jìn)制樹型算法來解決火車票標(biāo)簽碰撞問題。
    本文提出了UHF RFID火車票系統(tǒng)的構(gòu)架，對火車票的電子標(biāo)簽和讀寫器及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)都進(jìn)行了研究。將UHF RFID技術(shù)應(yīng)用于票務(wù)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對旅客運輸?shù)挠行Ч芾?，與鐵路客票預(yù)定與售票系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)自動售檢票，可極大提高鐵路客運服務(wù)水平，使旅客體驗到新技術(shù)帶來的更多便利。
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