摘  要： 針對現行的基于二維碼技術的實名制火車票容易造成信息泄露存在安全隱患的問題，介紹了采用內嵌UHF RFID芯片的電子火車票技術，設計了符合實際應用的UHF頻段RFID電子火車票系統并對系統的關鍵技術進行了研究。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，而且可以實現對旅客運輸的有效管理，便于各項客運數據的統計工作，與鐵路售票系統聯網還可以實現自動售檢票，提高工作效率和自動化水平，滿足當前鐵路高速、高密度的運營需要。
關鍵詞： 射頻識別；UHF RFID；電子火車票；防碰撞

    現行的紙質二維碼火車票存在一個弊端：車票丟棄會導致個人信息泄露，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、適應惡劣環境等諸多優點[1]。應用基于RFID技術的電子火車票，實現實名制的同時以上問題都可迎刃而解。
    在我國鐵路客運領域，廣深鐵路線最早使用RFID紙質火車票，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點。近年來UHF RFID技術得到了快速的發展，而且IC智能卡技術不斷成熟，UHF RFID標簽價格也不斷降低，因此UHF RFID技術在物流、供應鏈管理等領域獲得了廣泛的應用[2-3]。本文對UHF RFID火車票進行了研究，提出了系統的構架，并對其中的關鍵技術進行了研究。
1 UHF RFID系統基本原理
    UHF頻段的RFID系統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。UHF RFID系統的組成至少包括兩個部分：電子標簽和讀寫器。讀寫器的作用是產生和發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據載體，內部存有一定格式的電子數據。UHF RFID系統的工作原理是：讀寫器經天線以電磁波的形式向外發射查詢信號，標簽接收到信號后激活其控制系統，然后將存儲的信息調制到載波上經標簽天線反射出去。讀寫器收到反射信號并對其進行解調和解碼，然后送給微控制器。微控制器根據得到的數據判斷標簽的合法性，做出相應的處理和控制，然后傳給中央信息系統進行數據處理或應用。

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

    （1）中央管理系統提供票務管理系統支持、密鑰管理系統支持和數據庫存儲功能，主要負責管理乘客信息、處理票務數據和管理下層應用系統，并且對旅客提供相關的信息查詢服務。
    （2）售票系統負責售票，包括人工售票系統和自動售票終端，設備核心部件是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的后端數據庫中，并與RFID電子車票上的唯一代碼相對應，然后將乘客信息及乘車信息寫入車票內的RFID標簽[6]。
    （3）檢票系統負責檢票，表現為門禁系統，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的RFID有效識別區即可被自動識別。自動檢票機內的閱讀器通過RS232或網絡與上層的應用軟件進行通信，既可以執行應用系統軟件的指令，也可以將閱讀器解碼后的標簽應答信息上傳至上位機的應用系統軟件。
    （4）驗票單元是人工輔助環節，乘務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火車票系統設計
3．1 UHF RFID電子火車票設計
    內嵌UHF RFID標簽的電子火車票是整個系統的數據載體，一個UHF RFID標簽唯一對應一個序列號并與乘客信息關聯。UHF FRID標簽芯片的設計是電子車票設計的重點。
    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計方法，才能滿足UHF RFID系統的工作要求。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檢波，恢復讀寫器發送過來的數據信息。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換成直流信號。設計中選用傳統的4級二極管整流電路結構。
    （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；為標簽芯片工作提供穩定的電壓，為數字基帶模塊提供穩定的時鐘和上電復位信號等。模擬前端電路設計的關鍵是低壓、低功耗、高靈敏度的解調電路和低功耗、大動態范圍的穩壓電路，這些電路直接影響著標簽的工作距離和性能。
    （3）數字基帶處理器的主要作用是處理標簽接收到的數據，此外還實現防碰撞算法、協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。
    以上內容介紹了UHF RFID電子標簽的工作原理和電路設計的關鍵技術。隨著RFID產業的發展，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，經過初始化、密鑰加載和數據寫入等操作便是一張完整的火車票。
3．2 UHF RFID讀寫器設計
    在RFID火車票系統中，讀寫器應用于售票環節和檢票環節。讀寫器在火車票系統中的應用有3種形式：(1)桌面式讀寫器，用于RFID電子車票的發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計、接口定義、通信流程和數據傳輸方法上不同，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)基帶模塊按協議規定操作控制射頻收發模塊，主要完成以下任務：①與應用系統軟件進行通信；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據交換。
    (2)射頻模塊負責射頻信號收發并處理射頻信號，主要完成以下任務：①根據協議要求發射一定功率的射頻信號，激活工作區域內的無源標簽；②發送數據和命令給標簽；③接收標簽返回的信號并進行必要的處理。
    (3)射頻識別系統的讀寫器必須通過天線來發射能量，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讀寫器硬件設計
    UHF RFID讀寫器硬件主要按照模塊化思想設計，各個部分盡量采用經典或者成熟的技術解決方案，并采用國內外成熟的芯片進行產品開發。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構中，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），兩者共同實現讀寫器對標簽的讀寫操作。
    設計UHF RFID讀寫器一個很重要的環節是器件選擇。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，電路板設計也非常關鍵，因為在UHF射頻電路設計時，各種寄生參數都對射頻信號很敏感，要合理選擇各項參數并合理布局走線。
3．3 UHF RFID火車票系統天線設計
    對于RFID系統而言，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送給標簽的信號，并將標簽返回給閱讀器的信息發送回讀寫器。
    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點，可以用作UHF RFID火車票的天線。
3．3．2 UHF RFID讀寫器天線設計
    射頻識別系統的讀寫器必須通過天線來發射能量，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體接地板的介質基片上貼加導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用，具有重量輕、體積小、成本低、平面結構以及可以和集成電路兼容等優點。可以選用微帶天線作為UHF RFID讀寫器的天線。
4 UHF RFID火車票系統關鍵技術研究
4．1 UHF RFID系統安全方案
    RFID系統中讀寫器與標簽通過無線信道進行通信，讀寫器發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；而標簽發送給讀寫器的信號由于傳輸的能量小、作用距離短，容易受到干擾和阻斷攻擊。要確保鐵路RFID系統的安全性能，就必須保證信息交換過程中數據的機密性、完整性、可用性、真實性和隱私性。
    RFID系統的安全性應從以下方面來改進：(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據，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)加強后臺數據庫管理，避免數據庫受到攻擊導致系統數據、密鑰等信息泄漏。
4.2 UHF RFID系統防碰撞問題
    如果讀寫器信號作用范圍內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信息，這些響應信息會發生重疊與相互干擾，導致讀寫器無法正確識別標簽，這種現象稱為標簽沖突或者碰撞，RFID系統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識別完所有標簽。TDMA時分多路方式應用簡單，容易實現對大量標簽數據的讀寫，因此被多數防碰撞算法
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，便于實際應用，但在應用中隨著標簽數量的擴大，容易引起性能急劇惡化，不適宜大規模標簽讀取。二進制樹型搜索算法的電路實現雖然比ALOHA算法復雜，但算法識別率較高。因此，UHF RFID火車票系統可以選用動態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火車票系統的構架，對火車票的電子標簽和讀寫器及系統關鍵技術都進行了研究。將UHF RFID技術應用于票務系統，可以實現對旅客運輸的有效管理，與鐵路客票預定與售票系統聯網，可實現自動售檢票，可極大提高鐵路客運服務水平，使旅客體驗到新技術帶來的更多便利。
參考文獻
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