基于RFID的公交智能收費系統(tǒng)研究

梁玉亮，張紹群，鄒常豐，侯森垚，劉　林，劉唯恒

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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基于RFID的公交智能收費系統(tǒng)研究

梁玉亮1，張紹群1，鄒常豐2，侯森垚1，劉林1，劉唯恒1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要：隨著我國城市公共交通智能化發(fā)展，將無線射頻技術(shù)(RFID)應(yīng)用到城市公交系統(tǒng)具有重要意義。將RFID引入公交計費系統(tǒng)，提出一種基于RFID技術(shù)的智能公交收費系統(tǒng)設(shè)計方案，主要運用STM32微處理器、RFID讀卡器、智能收費模塊、顯示模塊的相互配合，根據(jù)乘坐里程進(jìn)行計費的方法，對傳統(tǒng)公交計費方式進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)城市公共交通智能化管理。

關(guān)鍵詞：無線射頻識別技術(shù);微處理器;智能收費系統(tǒng);城市公共交通

城市公共交通自17世紀(jì)出現(xiàn)以來，已逐步成為城市交通乃至整個城市系統(tǒng)中重要組成部分，與城市經(jīng)濟文化發(fā)展和廣大市民的生活息息相關(guān)。隨著人口增長和社會發(fā)展,給城市道路交通系統(tǒng)帶來了巨大壓力，而公共交通系統(tǒng)在緩解交通壓力以及環(huán)境污染方面起到了舉足輕重的作用。

射頻識別(RFID)是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或者光學(xué)接觸。無線電信號是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場，把數(shù)據(jù)從附著在物品的標(biāo)簽上傳送出去，并自動辨識與追蹤該物品。某些標(biāo)簽在識別時從識別器發(fā)出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池；也有標(biāo)簽本身擁有電源，并可以主動發(fā)出無線電波(調(diào)成無線電頻率的電磁場)。標(biāo)簽包含電子存儲的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

目前，全國許多城市實行公交車無人售票，隨著城市的快速發(fā)展，很多公交車的線路延伸至20 km以上，這些城市公交普遍使用分段計費方法，有些城市人工進(jìn)行售票，方便購票者咨詢交通信息和價格，但增加了運營和管理成本；有些城市上下車均放置刷卡設(shè)備，相對人工售票方式提高了收費效率和準(zhǔn)確率，但在客流高峰時期，出現(xiàn)乘客下車刷卡動作困難、乘客在下車時忘記刷卡等情況。為了解決上述問題，在城市公共交通原有的售票方式和管理模式的基礎(chǔ)上，研究一種基于RFID的公交智能收費系統(tǒng)，乘客攜帶集成的公交卡只需上車進(jìn)行刷卡，下車時無需刷卡即可根據(jù)里程進(jìn)行收費，使公交計費更加合理，提高運營效率，降低人工成本。

1設(shè)計理念

目前，主要有兩種收費模式應(yīng)用于長距離公交車收費：一種是靜態(tài)分段計費方式，一種是動態(tài)計費方式。所謂靜態(tài)分段計費方式，首先把整個公交路線劃分成幾段，如果乘客在始發(fā)站與第一段之間的某個站點上車，則收取全程票價；如果乘客在第一段與第二段之間的某個站點上車，則收取稍低的票價，以此類推進(jìn)行收費。這種靜態(tài)分段計費方式存在兩個缺點:其一是第一段之間上車的乘客必須繳納全程費用,無形中多收取了僅僅乘坐數(shù)站路的乘客的費用，因此，這種收費方式并不合理。而動態(tài)分段計費方式，是指乘客上車刷一次卡，下車時再刷一次卡,根據(jù)每個乘客乘坐公交車的里程來收取乘車費用,這種收費方式雖然合理，但是需要兩個刷卡機才能完成扣費工作，不僅增加了運營成本，而且使得乘客上下車不便，尤其是在客流高峰時期，乘客甚至無法完成刷卡動作，而且采用這種模式收費不能很好地避免漏票現(xiàn)象，乘客上車后甚至提前刷卡卻不下車，給運輸公司帶來損失，或者乘客在下車時忘記刷卡而使得乘客蒙受損失。

本文主要利用一種2.4 GHz有源標(biāo)簽和非接觸式IC集成卡，實現(xiàn)上車刷卡登記，下車即可自動扣費的公交智能收費系統(tǒng)。每個乘客攜帶1張存有加密數(shù)據(jù)同時可以被遠(yuǎn)距離識別的集成卡，乘客上車時，進(jìn)行刷卡登記，此時車內(nèi)有源卡讀卡器會對該乘客攜帶的有源卡進(jìn)行監(jiān)測，如果監(jiān)測到相應(yīng)ID有源卡不在判讀區(qū)，系統(tǒng)認(rèn)為該乘客下車，并根據(jù)路程計算該乘客車費，同時給予扣費。

該方案只需要在乘客上車時進(jìn)行刷卡一次，當(dāng)乘客到達(dá)目的地時直接下車，系統(tǒng)就可以根據(jù)乘客的乘車距離進(jìn)行收費。下車時無需乘客操作，降低人工成本，減少公交車?？繒r間，提高運營效率。

2系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

公交智能收費系統(tǒng)主要功能模塊包括STM32微處理器、2.4 GHz有源標(biāo)簽讀卡器、IC卡讀卡器、顯示模塊、智能收費模塊以及集成卡和電源模塊等。對于集成卡，使用符合ISO/IEC18000-4協(xié)議的2.4 GHz有源標(biāo)簽，同時集成應(yīng)用符合ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式IC卡卡片，公交收費系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　公交收費系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

微處理器采用STM32F103C8T6，屬于ARM架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，數(shù)據(jù)總線寬度32位，工作頻率72 MHz，程序存儲器64 KB，具有優(yōu)異的實時性能和功耗控制，性價比高，外設(shè)資源豐富，具有USART、CAN、USB等接口。考慮到實時性和擴展性，所以采用該型號的微處理器，以滿足實際使用中對性能的要求。

RFID技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需在識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸?；竟ぷ髟聿⒉粡?fù)雜，標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

本系統(tǒng)同時使用13.56 MHz的非接觸式無源標(biāo)簽和2.4 GHz有源標(biāo)簽技術(shù)，在刷卡驗證時可以對13.56 MHz無源標(biāo)簽的加密信息進(jìn)行驗證，對乘客在車上進(jìn)行檢測，使用相應(yīng)讀卡器對2.4 GHz有源標(biāo)簽遠(yuǎn)距離判讀。

乘客上車進(jìn)行刷卡，13.56 MHz讀卡器將卡片檢測信息發(fā)送給微處理器，進(jìn)行身份校驗和登記。登記后車內(nèi)有源標(biāo)簽讀卡器會對該乘客攜帶的2.4 G有源卡進(jìn)行不斷監(jiān)測，如果監(jiān)測到相應(yīng)ID有源卡不在判讀區(qū)，系統(tǒng)認(rèn)為該乘客下車，并根據(jù)相應(yīng)路程計算該乘客車費并將信息發(fā)送給收費模塊，收費模塊與服務(wù)器通信完成扣費操作。公交收費系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　公交收費系統(tǒng)

3實現(xiàn)原理

在公交智能收費系統(tǒng)中，STM32作為微處理器，訪問存儲了該公交車所在的公交線路中所有站點和每個站點之間的距離等信息的內(nèi)存卡，乘客上車后，在前門使用集成卡進(jìn)行刷卡，讀卡器訪問IC卡加密信息，并登記該卡上車信息，同時通過服務(wù)器對卡內(nèi)余額進(jìn)行檢查，若余額不足以支付全程路費，則此時對乘客進(jìn)行提醒。

當(dāng)乘客到達(dá)目的地從后門下車時，后門的讀卡器檢測到2.4 GHz有源標(biāo)簽，將ID信息傳送給微處理器，根據(jù)上車時微處理器存儲的登記站點進(jìn)行車費計算，然后與服務(wù)器進(jìn)行通信，完成金額扣除動作。

由于許多不確定因素的存在，收費系統(tǒng)有可能出現(xiàn)一些意外情況，2.4 GHz有源標(biāo)簽傳輸距離可至幾米，有可能在乘客未下車即造成扣費，使用有向2.4 GHz讀卡器和計費策略可以有效解決這個問題，如果乘客沒有下車但收費系統(tǒng)進(jìn)行了扣費，當(dāng)乘客下車時，系統(tǒng)會根據(jù)該乘客上車站點和已扣費金額進(jìn)行補交車費。本程序設(shè)計流程如圖3所示。

當(dāng)乘客需要下車，通過后門的讀卡器超過2～3 m遠(yuǎn)時，系統(tǒng)會利用預(yù)存的站點信息根據(jù)上車地點與下車地點的路程計算出該乘客費用，并與服務(wù)器進(jìn)行通訊，完成扣費操作。

4結(jié)束語

射頻識別為信息數(shù)字化采集、存儲、傳輸提供技術(shù)保證。隨著RFID 技術(shù)在交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將不斷出現(xiàn)功能更完備、性能更優(yōu)異、可靠性更高、安全性更強的產(chǎn)品，以滿足市場需求。

本文基于RFID技術(shù)的智能公交收費系統(tǒng)，對傳統(tǒng)公交計費方式進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)根據(jù)路程收費的智能公交系統(tǒng)，同時改善了目前公交系統(tǒng)乘客乘車收費所存在的不合理性，以及乘客逃票、漏票的問題，能夠提高運營效率，該系統(tǒng)可進(jìn)一步在全國城市推廣，具有不可估量的社會效益和經(jīng)濟效益。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Bus intelligent billing system based on RFID

LIANG Yuliang1,ZHANG Shaoqun1,ZOU Changfeng2,HOU Senyao1,LIU Lin1,LIU Weiheng1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China; 2.Traffic College,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Abstract：As the urban public transport system in China is developing more and more intelligent,the way of applying the wireless radio frequency technology (RFID)to the urban public transport system becomes important.This paper introduces the RFID for the bus billing system,and offeres a new proposal of bus intelligent billing system based on RFID.This systerm mainly combines the STM32 MCU,RFID card reader with intelligent billing module and display module,and the charge of ride mileage to achieve the bus intelligent billing system.

Key words：RFID microcontroller unit; intelligent billing system; urban public transport

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.008

收稿日期：2016-04-06

基金項目：東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201510225197)

作者簡介：梁玉亮(1994-)，男，本科生，研究方向:汽車電控.

中圖分類號：U495

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-4679(2016)03-0029-04