摘  要： 針對(duì)現(xiàn)行的基于二維碼技術(shù)的實(shí)名制火車票容易造成信息泄露存在安全隱患的問(wèn)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(jì)了符合實(shí)際應(yīng)用的UHF頻段RFID電子火車票系統(tǒng)并對(duì)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(chǔ)更多的個(gè)人信息,，具有更高的防偽級(jí)別,，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客運(yùn)輸?shù)挠行Ч芾恚阌诟黜?xiàng)客運(yùn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作,，與鐵路售票系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售檢票,，提高工作效率和自動(dòng)化水平，滿足當(dāng)前鐵路高速,、高密度的運(yùn)營(yíng)需要,。
關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)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(gè)弊端：車票丟棄會(huì)導(dǎo)致個(gè)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(mén)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(dòng)識(shí)別率低,，自動(dòng)檢票速度受到限制,，而且極易受到污染和磨損。射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)具有非接觸識(shí)讀,、讀寫(xiě)距離遠(yuǎn),、可識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、安全性高,、適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)[1],。應(yīng)用基于RFID技術(shù)的電子火車票，實(shí)現(xiàn)實(shí)名制的同時(shí)以上問(wèn)題都可迎刃而解,。
    在我國(guó)鐵路客運(yùn)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(lái)看,，HF RFID火車票存在著成本高、識(shí)別距離短,、安全等級(jí)低等問(wèn)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(zhǎng)適中、空間衰耗小,、識(shí)別距離遠(yuǎn),、識(shí)別速度快、有較強(qiáng)的防碰撞能力的優(yōu)點(diǎn),。近年來(lái)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(jià)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(duì)UHF RFID火車票進(jìn)行了研究,，提出了系統(tǒng)的構(gòu)架,，并對(duì)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(guò)讀寫(xiě)器與標(biāo)簽間的耦合進(jìn)行通信。圖1顯示了一個(gè)基本的UHF RFID系統(tǒng),。UHF RFID系統(tǒng)的組成至少包括兩個(gè)部分：電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器,。讀寫(xiě)器的作用是產(chǎn)生和發(fā)射電磁波信號(hào)并接收由電子標(biāo)簽反射回來(lái)的電磁波信號(hào)。電子標(biāo)簽是待識(shí)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(xiě)器經(jīng)天線以電磁波的形式向外發(fā)射查詢信號(hào)，標(biāo)簽接收到信號(hào)后激活其控制系統(tǒng),，然后將存儲(chǔ)的信息調(diào)制到載波上經(jīng)標(biāo)簽天線反射出去,。讀寫(xiě)器收到反射信號(hào)并對(duì)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(yàn)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(kù)存儲(chǔ)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(duì)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(dòng)售票終端，設(shè)備核心部件是UHF RFID讀寫(xiě)器,。乘客購(gòu)票時(shí)需出示身份證,，通過(guò)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(kù)中,，并與RFID電子車票上的唯一代碼相對(duì)應(yīng),，然后將乘客信息及乘車信息寫(xiě)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(mén)禁系統(tǒng),，負(fù)責(zé)驗(yàn)證乘客身份，持有偽造車票和無(wú)效車票的乘客將無(wú)法通過(guò)門(mén)禁,。RFID電子車票進(jìn)入檢票系統(tǒng)的RFID有效識(shí)別區(qū)即可被自動(dòng)識(shí)別。自動(dòng)檢票機(jī)內(nèi)的閱讀器通過(guò)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(yàn)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(xiě)器進(jìn)行驗(yàn)票,，讀寫(xiě)器通過(guò)天線與電子車票內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行通信,，乘客的個(gè)人信息便能在屏幕中顯示出來(lái)，然后與身份證信息對(duì)照即可完成驗(yàn)票,。如果乘客需要延站或者補(bǔ)票,，也可以由手持讀寫(xiě)器完成信息的再次讀寫(xiě)。
3 UHF RFID火車票系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 UHF RFID電子火車票設(shè)計(jì)
    內(nèi)嵌UHF RFID標(biāo)簽的電子火車票是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體,，一個(gè)UHF RFID標(biāo)簽唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)序列號(hào)并與乘客信息關(guān)聯(lián),。UHF FRID標(biāo)簽芯片的設(shè)計(jì)是電子車票設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
    電子標(biāo)簽分為無(wú)源,、有源和半有源3種,。UHF RFID電子火車票采用無(wú)源標(biāo)簽，標(biāo)簽工作的能量來(lái)自讀寫(xiě)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(xiě)距離,。所以，必須采用超低功耗的電路設(shè)計(jì)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(gè)部分：射頻前端,、模擬前端,、數(shù)字基帶和存儲(chǔ)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(hào)整流為直流能量供標(biāo)簽工作,；對(duì)射頻輸入信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，恢復(fù)讀寫(xiě)器發(fā)送過(guò)來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào),。設(shè)計(jì)中選用傳統(tǒng)的4級(jí)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(duì)天線接收到的信號(hào)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(shí)鐘和上電復(fù)位信號(hào)等,。模擬前端電路設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)防碰撞算法、協(xié)議指令和安全等功能。
    （4）存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)標(biāo)簽信息并個(gè)性化每個(gè)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(jì)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(lái)越低,，性能越來(lái)越好,。將UHF RFID電子標(biāo)簽和天線封裝起來(lái)便可用作電子火車票，經(jīng)過(guò)初始化,、密鑰加載和數(shù)據(jù)寫(xiě)入等操作便是一張完整的火車票,。
3．2 UHF RFID讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)
    在RFID火車票系統(tǒng)中，讀寫(xiě)器應(yīng)用于售票環(huán)節(jié)和檢票環(huán)節(jié),。讀寫(xiě)器在火車票系統(tǒng)中的應(yīng)用有3種形式：(1)桌面式讀寫(xiě)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(xiě)器,，用于車站大廳的自動(dòng)檢票,；(3)便攜式讀寫(xiě)器，用于列車上的驗(yàn)票和補(bǔ)票,。不同類型的讀寫(xiě)器在外觀設(shè)計(jì),、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(xiě)器基本原理
    RFID讀寫(xiě)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(yàn)證,；③控制標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的數(shù)據(jù)交換。
    (2)射頻模塊負(fù)責(zé)射頻信號(hào)收發(fā)并處理射頻信號(hào),，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(hào),，激活工作區(qū)域內(nèi)的無(wú)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(hào)并進(jìn)行必要的處理,。
    (3)射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)器必須通過(guò)天線來(lái)發(fā)射能量，形成電磁場(chǎng),，通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別,。
3．2．2 UHF RFID讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)
    UHF RFID讀寫(xiě)器硬件主要按照模塊化思想設(shè)計(jì)，各個(gè)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(guó)內(nèi)外成熟的芯片進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā),。UHF RFID讀寫(xiě)器的整體硬件電路框圖如圖5所示,。

    在讀寫(xiě)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(duì)外電源接口及與計(jì)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(yùn)行固件,、I/O接口模塊，控制基帶電路和射頻電路的各個(gè)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(xiě)模塊）和下行處理（從讀寫(xiě)模塊到標(biāo)簽）,，兩者共同實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽的讀寫(xiě)操作。
    設(shè)計(jì)UHF RFID讀寫(xiě)器一個(gè)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(jià)比,。此外，電路板設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵,，因?yàn)樵赨HF射頻電路設(shè)計(jì)時(shí),，各種寄生參數(shù)都對(duì)射頻信號(hào)很敏感，要合理選擇各項(xiàng)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(jì)
    對(duì)于RFID系統(tǒng)而言,，天線是標(biāo)簽和讀寫(xiě)器的空間接口。
3．3．1 UHF RFID火車票天線設(shè)計(jì)
    RFID標(biāo)簽天線的主要作用是接收來(lái)自讀寫(xiě)器的射頻能量和閱讀器發(fā)送給標(biāo)簽的信號(hào),，并將標(biāo)簽返回給閱讀器的信息發(fā)送回讀寫(xiě)器,。
    UHF RFID火車票天線的選擇要從以下幾個(gè)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(hào)；(4)具有魯棒性,；(5)成本低,。
    基于以上幾點(diǎn)考慮，振子天線具有輻射能力強(qiáng),、制造工藝簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn),，可以用作UHF RFID火車票的天線。
3．3．2 UHF RFID讀寫(xiě)器天線設(shè)計(jì)
    射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)器必須通過(guò)天線來(lái)發(fā)射能量,，形成電磁場(chǎng),，通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)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(diǎn),。可以選用微帶天線作為UHF RFID讀寫(xiě)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(xiě)器與標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線信道進(jìn)行通信,，讀寫(xiě)器發(fā)送給標(biāo)簽的信號(hào)由于功率較大，傳輸距離較遠(yuǎn),，容易受到竊聽(tīng)和跟蹤,；而標(biāo)簽發(fā)送給讀寫(xiě)器的信號(hào)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(guò)程中數(shù)據(jù)的機(jī)密性,、完整性,、可用性、真實(shí)性和隱私性,。
    RFID系統(tǒng)的安全性應(yīng)從以下方面來(lái)改進(jìn)：(1)采用標(biāo)簽與讀寫(xiě)器相互認(rèn)證的機(jī)制,，防止非法的讀寫(xiě)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(xiě)器通信,；(2)避免通信過(guò)程中使用明文傳輸,，選取合適的加密算法；(3)加強(qiáng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理,，避免數(shù)據(jù)庫(kù)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(wèn)題
    如果讀寫(xiě)器信號(hào)作用范圍內(nèi)有多個(gè)待識(shí)別的標(biāo)簽,，同一時(shí)刻有多個(gè)標(biāo)簽向讀寫(xiě)器返回響應(yīng)信息,，這些響應(yīng)信息會(huì)發(fā)生重疊與相互干擾，導(dǎo)致讀寫(xiě)器無(wú)法正確識(shí)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(lái)解決碰撞問(wèn)題，控制標(biāo)簽逐個(gè)與讀寫(xiě)器通信,。防碰撞算法主要解決如何準(zhǔn)確快速地從多個(gè)標(biāo)簽中選出一個(gè)與讀寫(xiě)器進(jìn)行通信并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別完所有標(biāo)簽,。TDMA時(shí)分多路方式應(yīng)用簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫(xiě),，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(shù)型搜索算法等,。ALOHA算法操作簡(jiǎn)便,，便于實(shí)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(shù)型搜索算法的電路實(shí)現(xiàn)雖然比ALOHA算法復(fù)雜，但算法識(shí)別率較高,。因此,，UHF RFID火車票系統(tǒng)可以選用動(dòng)態(tài)二進(jìn)制樹(shù)型算法來(lái)解決火車票標(biāo)簽碰撞問(wèn)題。
    本文提出了UHF RFID火車票系統(tǒng)的構(gòu)架,，對(duì)火車票的電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)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(shí)現(xiàn)對(duì)旅客運(yùn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)售檢票,，可極大提高鐵路客運(yùn)服務(wù)水平,，使旅客體驗(yàn)到新技術(shù)帶來(lái)的更多便利。
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