基于UHF頻段RFID技術(shù)的實名制火車票研究

劉永玲，路 勇，王 夢

（北京交通大學 電子信息工程學院，北京100044）

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、可識別運動目標、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、識別速度快、有較強的防碰撞能力的優(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簽間的耦合進行通信。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簽反射回來的電磁波信號。電子標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)標簽天線反射出去。讀寫器收到反射信號并對其進行解調(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，主要負責管理乘客信息、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)負責售票，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標簽[6]。

（3）檢票系統(tǒng)負責檢票，表現(xiàn)為門禁系統(tǒng)，負責驗證乘客身份，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。自動檢票機內(nèi)的閱讀器通過RS232或網(wǎng)絡(luò)與上層的應(yīng)用軟件進行通信，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簽應(yīng)答信息上傳至上位機的應(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行驗票，讀寫器通過天線與電子車票內(nèi)的標簽進行通信，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標簽唯一對應(yīng)一個序列號并與乘客信息關(guān)聯(lián)。UHF FRID標簽芯片的設(shè)計是電子車票設(shè)計的重點。

電子標簽分為無源、有源和半有源3種。UHF RFID電子火車票采用無源標簽，標簽工作的能量來自讀寫器發(fā)射的電磁波，標簽芯片的功耗直接影響標簽的讀寫距離。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簽工作；對射頻輸入信號進行包絡(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）超高頻電子標簽的模擬前端電路的主要作用是對天線接收到的信號進行解調(diào)；為標簽芯片工作提供穩(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）存儲器用來存儲標簽信息并個性化每個標簽。

以上內(nèi)容介紹了UHF RFID電子標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，電子標簽芯片的成本越來越低，性能越來越好。將UHF RFID電子標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)軟件進行通

信；②進行閱讀器和標簽之間的身份驗證；③控制標簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換。

(2)射頻模塊負責射頻信號收發(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)的無源標簽；②發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給標簽；③接收標簽返回的信號并進行必要的處理。

(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簽進行識別。

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，電源負責向所有子模塊供電；接口模塊提供對外電源接口及與計算機的通信接口；處理器模塊處于核心控制位置，負責運行固件、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（從標簽到讀寫模塊）和下行處理（從讀寫模塊到標簽），兩者共同實現(xiàn)讀寫器對標簽的讀寫操作。

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；盡量采用標準和通用芯片；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)送給標簽的信號，并將標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、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簽進行識別。

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?？梢赃x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)中讀寫器與標簽通過無線信道進行通信，讀寫器發(fā)送給標簽的信號由于功率較大，傳輸距離較遠，容易受到竊聽和跟蹤；而標簽發(fā)送給讀寫器的信號由于傳輸?shù)哪芰啃?、作用距離短，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：(1)采用標簽與讀寫器相互認證的機制，防止非法的讀寫器獲取標簽信息或篡改標簽數(shù)據(jù)，或者用偽造標簽與讀寫器通信；(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)有多個待識別的標簽，同一時刻有多個標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簽，這種現(xiàn)象稱為標簽沖突或者碰撞，RFID系統(tǒng)必須采用一定的算法來解決碰撞問題，控制標簽逐個與讀寫器通信。防碰撞算法主要解決如何準確快速地從多個標簽中選出一個與讀寫器進行通信并在盡可能短的時間內(nèi)識別完所有標簽。TDMA時分多路方式應(yīng)用簡單，容易實現(xiàn)對大量標簽數(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)用中隨著標簽數(shù)量的擴大，容易引起性能急劇惡化，不適宜大規(guī)模標簽讀取。二進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)二進制樹型算法來解決火車票標簽碰撞問題。

本文提出了UHF RFID火車票系統(tǒng)的構(gòu)架，對火車票的電子標簽和讀寫器及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)都進行了研究。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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