课题无线智能射频地铁消费刷卡系统设计的详细信息

无线智能射频地铁消费刷卡系统设计的详细信息摘要本射频卡读写器读写距离可达10cm，操作方便、灵活，通信接口多样，利用USB接口传输数据提高了数据的传输速度，保证了系统的可靠性和便携性要求；利用GPRS模块M33实现了读写器的无线接入，保证了系统的安全性和网络化的要求。本系统在地铁AFC系统中运行良好，可靠性高，读写射频卡迅速、方便、可靠、安全、稳定，并且在此读写器的基础上，只要稍加修改就能开发出不同的射频识别应用系统，具有很高的应用价值。关键词：无线智能射频；地铁消费；刷卡系统；自动检票 AbstractThisRFcardreadercanreadandwritedistanceupto10cm,easytooperate,flexible,diversecommunicationinterface,theuseofUSBinterfacetransmissiondatatoimprovethespeedofdatatransmission,toensurethesystem'sreliabilityandportabilityrequirements;UsingGPRSmoduleM33realizesthewirelessaccessofthereader,whichguaranteesthesystemsecurityandnetworkrequirements.ThesysteminthesubwayAFCsystemrunningwell,highreliability,readandwriteRFcardfast,convenient,reliable,safe,stable,andonthebasisofthisreader,aslongasalittlemodificationcandevelopadifferentRFIDapplicationsystem,withhighapplicationvalue.Keywords:wirelessintelligent;RF;subwayconsumption;swipesystem 目录TOC\o"1-5"\h\z\u1引言 12射频识别技术解析 13RFID技术在地铁自动售检票中应用 34无线智能射频地铁消费刷卡系统设计 44.1地铁消费刷卡系统功能分析 44.2硬件电路设计 55软件设计 75.1软件总体结构 75.2射频卡读写程序 85.3GPRS数据传输程序 85.4多接口协同工作机制 96功能测试 97结语 10参考文献 11致谢 141引言近年来，中国各大城市轨道交通蓬勃发展，AFC系统的使用，可实现购票、检票、计费、收费、统计的全过程自动化，有效控制地铁的客流量；而作为与乘客直接接触，关系地铁形象的读写器、票卡等设备，更为重要。目前国内的射频卡读写器系统主要采用ARM7处理器为控制器，与上位机的通信方式通常采用RS232或RS422有线通信方式，限制了AFC系统的自动化和网络化进程。国外早在20世纪90年代就开始了地铁AFC系统的全面运行，并且拥有本国的专业制造厂家，如美国CUBIC公司、法国CGA公司以及澳大利亚ERG公司。国内首先使用地铁AFC设备是在1999年上海的地铁一、二号线上，由于当时国内AFC设备尚处于样机开发阶段，引进了美国CUBIC公司的AFC设备。RFID技术出现能对自动化售票机的纸币、硬币以及加票、空票箱实现自动化管理，进一步提高自动售检票高效稳定运行。同时随着业务的扩展，现有系统的数据存储容量已经无法满足日益增长的交易数据的要求。针对以上问题，设计了—种基于ARM9和MFRC531的高性能读写器，能够进一步提高票卡刷卡效率，节约乘客进出站时间，提高票卡读写数据准确性，为实现读写器全面国产化提供基础。2射频识别技术解析RFID（射频识别技术）即新型的非接触化射频识别技术，其工作原理为借助射频信号的空间融合特性达到无接触信息传递目的并实现自动识别对物体接收信息。只要标签进入磁场控制范围内，RFID技术就能准确捕捉到从读卡器发射出特殊的频率信号，最后则借助感应电流发送标签芯片中的信息数据。该技术有以下方面优势：首先重复使用性；电子标签数据存储区会因不同协议标准和不同芯片型号而不同，除了物理信息ID，其他均信息均可以由用户定义并可以反复读写，一次读写字数可达到10，000次，点标签回收后仍然可以二次使用。其次非接触性；通常标签的读写工作会在非接触操作状态下完成，高频13.56MHz的读卡距离适用于距离较短的无线信息传输区域。尤其标签可以有效穿透木材、纸张、塑料等非金属材质实现与读写器的信息交换。由于金属具有屏蔽作用，在一定程度会阻碍电磁波传播而无法穿透，如果经吸波材料的抗金属处理可以让标签放置于金属表面进行使用。第三高可靠性；RFID的非接触式识别能有效避免因各种因素导致接触不良而出现的读写措错误和无法识别情况，能良好的适应如油污、灰尘较多的环境。一般电子标签都有不易损坏的固定包装，无需自带供电电源就能实现免维护。物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，《物联网“十二五”发展规划》的出台，无疑给正在发展的中国物联网又吹来一股强劲的东风，而RFID技术作为物联网发展的最关键技术，其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。RFID巨大的市场空间即将打开，而一个企业成功的关键就在于，是否能够在需求尚未形成之时就牢牢的锁定并捕捉到它。伴随行业的发展，业内的竞争不断加剧，国内优秀的RFID企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对行业发展环境和产品购买者的深入研究。据调查数据显示，到2010年，全球RFID标签的生产数量将达到330亿，是2005年13亿产量的25倍以上，RFID在未来几年的应用会随着产业不同而有很大差异。从1991年至今，已经有超过15000万台汽车在使用RFID标签。而根据分析师的预测，未来RFID将主要应用在供应链管理等物流领域，而这个市场将成为RFID市场的重头戏。但如果在应用上能够采取有效措施，实现RFID标签的量产化，RFID标签的价格将会迅速下跌，应用普及也将指日可待。在无源超高频电子标签技术上还存在着系统集成稳定性差、超高频标签性能本身有一些物理缺陷等许多技术方面不完善的问题。在系统集成方面，现阶段中国十分缺乏专业、高水平的超高频系统集成公司，整体而言无源超高频电子标签应用解决方案还不够成熟。这种现状便造成应用系统的稳定性不高，常会出现“大毛病没有，小毛病不断”的现象，进而影响了终端用户采用超高频应用方案的信心。从超高频标签产品本身而言，存在着标签读写性能稳定性不高、在复杂环境下漏读或读取准确率低等诸多问题。无源超高频电子标签在国内尚无形成统一的标准，国际上制定的ISO18000-6C/EPCClass1Gen2协议，由于涉及多项专利，所以很难把它作为国家标准来颁布和实施，国内超高频市场上相关的标准及检测体系实际上是处于缺位状态。在没有统一标准的环境下，十分制约产业和应用的发展!尽管近两年来，无源超高频电子标签价格下降很快，但是从RFID芯片以及包含读写器、电子标签、中间件、系统维护等整体成本而言，超高频RFID系统价格依然偏高，而项目成本是应用超高频RFID系统最终用户权衡项目投资收益的重要指标。所以，超高频系统的成本瓶颈，也是制约中国超高频市场发展的重要因素。2010年以来，由于经济形势的好转和物联网产业发展等利好因素推动，全球RFID市场也持续升温，并呈现持续上升趋势，预计2012年，市场规模将达到200多亿美元。与此同时，RFID的应用领域越来越多，人们对RFID产业发展的期待也越来越高。RFID技术正处于迅速成熟的时期，许多国家都将RFID作为一项重要产业予以积极推动。总之，中国无源超高频市场还处于发展的初期，核心技术急需突破，商业模式有待创新和完善，产业链需要进一步发展和壮大，只有核心问题得到有效解决，才能够真正迎来RFID无源超高频市场发展。3RFID技术在地铁自动售检票中应用地铁自动售检票系统的读卡器由RF板、主控板、天线板、SAM卡板组成，通过使用USB通信接口实现与RS232相互切换使用。读卡器使用的RFID技术部件则由电子标签（一卡通、单程票）、读写器（天线、读写器）等组件组成。工作原理为，天线会在读写器接通电源后形成磁场区域，电子标签进入磁场区域后会立即接受到其中得到读取信息，之后凭借感应电流获得相应的能量，最后将已经存储于芯片中的相关信息发送出去，当读卡器读取信息并对破译解码后则直接将其送往中央信息系统接受处理。当前RFID技术工作频率有超高频、高频、低频等且和不同标准下的不同产品相符，如果根据工作频率可以将其分为以下三种：首先低频；指120～134kHz，借助电感耦合方式传输数据，运用ISO18000-2、ISO11784/11785电子标签，一般低频电子标签读写小于1米，有较低的信息量。其次高频；指3～30MHz，同样借助电感耦合方式传输数据，13.56MHz是其典型的工作频率，多采用IOS1800-3、ISO1443等电子标签，一般中高频电子标签的读写距离小于1m，能支持较高的安全特性。第三超高频；指850～960MHz，借助电磁波方式传输数据，和中高频相比，超高频能实现长距离识别，尤其可以对距离大于10m进行识别，但其安全特性一般。一般地铁收费系统都为封闭式计程、计时系统，使用单程票、储值票、一卡通，同时采用验票、自动检售票满足乘客在地铁站内快速换票乘车需求。REID技术在地铁闸机、售票机、票亭售票机、自动验票机均有应用。其中单程票在自动售票功能中需要回收作为二次利用，自动售票机可提前设置储值票充值和单程票读写，尤其RFID标签读写次数能远远超过10万次，写票时间在500ms内，而回收的单程票可借助RFID技术自动补充到售票机上，实现自动售票机的可重复性、可靠性和快捷性。将RFID读写器安装于闸机上能达到8cm以上距离读卡识别，快速处理读卡范围内的车票，有较快的操作反应速度。按照地铁运行规则及根据进站、出站里程扣费，交易数据会直接通过闸机控制快速传送于地铁站计算机，保证交易数据的完整性和准确性。可以说REID技术在地铁自动售检票应用能满足互联网技术模式下的灵活多变的计费模式，达到节约运营成本的目的。4无线智能射频地铁消费刷卡系统设计4.1地铁消费刷卡系统功能分析地铁AFC系统主要由中央计算机系统、站点计算机系统、终端设备和车票4部分组成。终端设备包括出/人站检票闸机、自动售票机、车站票务系统、自动充值机等现场设备，如图1所示。图1地铁AFC系统终端设备是自：接为乘客提供售检票的设备，乘客通过射频卡可以购买票卡、进出闸机、为票卡充值，而建立射频卡与终端设备的桥梁就是射频卡读写器。射频卡读写器作为与射频卡通信的核心，其性能和数据处理能力直接影响到整个地铁AFC系统的工作质量。图2为读写器总体结构图。图2读写器总体结构框图目前读写器主要采用RS232或RS422有线通信方式与现场终端设备通信，接口单一，传输速率有限，同时也不能同远程监控主机进行无线通信，限制了读写器的网络化。本设计增加了USB传输接口，提卨数据传输效率，使用方便快捷。同时增加了GPRS无线通信方式，能够与远程的监控主机保持通信，向监控主机发送设备状态信息。采用这种多接口协同工作的方式，可以保证读写器的可靠性和安全性。4.2硬件电路设计射频卡读写器硬件结构如图3所示，主要由主控CPU、Flash/SDRAM存储器件、射频收发模块、SAM卡认证电路、通信电路和显所报警电路等组成。主控CPU采用Atmel公司基于ARM926EJ-S的AT91SAM9260，主频可达到180MHz,显著提高了读写器的处理速度。外围扩展256MB容量的NANDFlash存储数据和2MB容量的NORFlash存储代码，实现数据和代码分离。一方面提高数据的存储容量，另一方面提高了代码的执行效率。图3射频卡读写器硬件结构框图AT91SAM9260不同于一般的嵌入式微处理器的一个特点是，支持USB2.0全速12Mbps的从机接口，同时它的USART多达4个，方便RS232、RS422和GPRS模块的扩展。GPRS模块主要部分为Qisda公司的M33模块，读写器正是利用了该微处理器丰富的通信接口资源和强大的中断控制机制，快速高效地处理与上位机之间的数据交换。射频读卡芯片选用MFRC531。MFRC531是Philips公司开发的非接触式读卡器芯片系列的一种，可以读写符合ISO/IEC14443标准的TYPEA和TYPEB卡，具有很高的集成度、数据处理能力和很强的抗电磁干扰特性。内部肖带的发射部件能够直接驱动天线，操作距离达到10cm,不需要增加额外的驱动电路[3]。MFRC531灵活的SPI总线接口可以方便地和微处理器相连，SPI接口不需要进行寻址操作且为全双工通信，使得通信简单高效。读写芯片是整个读写器的核心，它实现读写射频卡所有必需的功能，包括RF信号的产生、调制、解调、安全认证和防冲突等。作为微处理器与射频卡通信的中介，MFRC531与射频卡由射频场来建立无线连接并完成数据交换。读写器天线通过自身线圈建立射频场与射频卡进行通信，将产生很大的电磁辐射；同时GPRS模块发射的无线电磁波也会影响读写器的电磁兼容性（EMC）。为了保证EMC要求，采用读写器射频主板和天线、GPRS模块分别制版，天线和GPRS模块放置在读写器底部，与读写器主板之间通过隔离板屏蔽电磁干扰。同时读写器主板PCB制版采用4层板，射频部分属于高频电路，集中放置在电路板的一侧边缘处，可以减少电路板的电磁干扰。读写器天线、GPRS模块和读写器射频主板分离的设计方案，不仅有效地保证了电磁兼容性，而&形成了系统的模块化结构，为系统的扩展升级提供了硬件设计和软件开发上的极大便利。5软件设计5.1软件总体结构该读写器的软件部分主要采用c语言开发，启动过程中的低级初始化部分用fl:编语言编写。读写器软件设计采用模块化的编程思想，系统软件包括主程序、射频卡识别及读写子模块、GPRS数据传输子模块以及USB、RS232/RS422多接口的协同工作机制。软件总体结构流程如图4所示。图4软件总体结构流程总体软件主要负责各个模块的控制，并协调各个模块之间的丁作。在系统上电后，首先负责对系统各个硬件接口进行初始化，然后进人正常丁作循环。在正常工作循环中，可以实时感应射频卡，对射频卡进行读写相关操作；GPRS采用串口中断方式响应远程监控主机，向远程监控主机发送设备信息；而与现场设备终端通信的方式可以有USB、RS232和RS422方式。这3种方式优先采用USB方式，然后采用RS232或RS422方式，很好地处理了多接口之间的协同问题。为了实时地实现各项功能，把多个任务合理安排到前后台工作是设计的重点。一方面采用模块化和结构化的编程思想，使得读写器能够将各程序合理地组织起来，方便程序的调试、修改和维护；另一方面采用高效的中断机制，串口中断实时接收来自设备终端或监控主机的命令，定时器中断实现读写器T作模式的切换，当外界无卡时切换到空闲模式可以有效地降低读写器的功耗。5.2射频卡读写程序微处理器通过对MFRC531相关寄存器的控制实现对射频卡的读写等各种操作。对射频卡的操作分为寻卡、防冲突、选卡、认证、读块、写块、增值、减值、挂起等，其操作的流程如图5所示。当射频卡进人读写器的天线感应范围（10cm内）并经过一段时间的延迟，射频卡上电复位，接收MFRC531发送的请求应答指令，返回卡的类壁号。当有多张卡同时接近读卡器时，MFRC531随即图S射频卡读写操作流程发送防冲突指令，系统进入防冲突循环中，选中一张卡，典时被选中的卡进人激活状态，随后卡与MFRC531之间进行3次相互认证，认证通过方可进行读、写、加、减等交易操作。操作完成后，MFRC531发出停卡指令，射频卡从激活状态返冋停止状态，一次交易结束。在对卡内数据进行读写操作之前，需要进行从请求应答到相互认证的过程，如果这个过程器件出现错误，将导致读写操作无法进行。5.3GPRS数据传输程序GPRS数据终端起着连接读写器设备与远程监控中心通信的作用，通过GPRS模块M33，远程监控主机可以随时了解读写器的状态。模块M33有两种状态，一种是短消息接收状态，另一种是自动监控状态。图6是M33处于短消息接收状态时GPRS数据传输的流程。M33模块在上电后通过指令“AT+CNMI”设置成短消息提醒功能，当远程监控主机要求与之建立GPRS连接，将向M33发送短消息。M33接收到新的短消息，会向处理器发送一系列的数据信息，产生串口中断，微处理器相应串口中断进入中断服务子程序，执图6GPRS数据传输操作流程行指令“AT+CMGR”读取短消息内容，短消息内容符合规则将建立GPRS连接，进行GPRS数据通信，通信结束后关闭GPRS连接，重新回到短消息提醒模式[5]»同时M33还可以自动监控读写器。在读写器处于异常状态下主动向监控主机发出短消息，要求建立GPRS连接，主动告知监控主机读写器的状态，方便工作人员的管理，真正实现了系统的自动化和网络化。5.4多接口协同工作机制读写器可以通过RS232、RS422、USB有线通信方式或GPRS无线通信方式与终端设备或监控主机保持通信。为了在实际应用中有效地使用这几个接口，需要采用多接口协同工作机制。有线通信方式用于读写器与现场终端设备的通信，其中USB接口方式以其接口方便和髙传输速率优先采用，在现场终端设备无USB接口或USB接口出现故瘅的情况下，可以选择RS232/RS422方式与设备终端通信。硬件设计上，读写器通过一个I/O口状态可以自动探测微处理器接人的接口方式，当USB接口和RS232/RS422接口同时存在时，优先选择USB通信方式。GPRS无线通信方式用于读写器与远程监控主机的通信，微处理器通过串口发送AT命令控制GPRS模块M33。监控中心和M33之间的通信采用GPRS网络，用户手机和M33之间的通信采用GSM网络短消息的形式。经过设置，模块一旦上电即可处于短消息提醒状态，远程设备端可以在需要与之建立GPRS数据通信时向M33模块发送短消息建立数据通信，并在数据通信完毕后关闭GPRS连接，重新回到短消息提醒状态，这样就可以与M33方便地建立通信关系并且减少了永久在线时心跳包所造成的数据资源浪费。另外，M33还可以在读写器处于异常状态下主动向监控主机发出短消息，保证了系统的安全性。6功能测试该读写器测试结果如下：待机电流为160mA，读写射频卡时电流为240mA,—般环境中可在0〜10cm范围内寻到射频卡；同时采用多人轮流刷卡的方法测试读卡的反应速度及准确度，1min连续测试200次未出现不读卡、反应不灵敏等现象；将多张卡放在读写器上面测试是否防冲突正常，测试没有出现不读卡、读错卡等现象。读写器的USB和RS232/RS422接口通信方式切换自如，其中USB接口传输速率可以达到320kb/s。GPRS模块M33可以快速地响应监控主机的短消息命令，其GPRS数据传输速率可以达到57.6kb/s。整个测试结果表明，读写器运行稳定，数据传输速度快，GPRS无线接人方便快捷，基本达到了技术指标要求。7结语总之，在地铁自动售检票中应用RFID技术效果显著，随着城市地铁线路的增多和不断扩大的客流量，REID技术能更好地满足地铁软硬件设施自动化需求，实现降低成本、提高工作效率和科学管理。而REID技术也能凭借自身快速合理的读写速度和读写距离以及较强的抗金属性能在地铁自动化售检票中发挥出更强的价值，进一步推动地铁建设发展。参考文献[1]王艳，彭超，魏嘉池，游艺林.基于时空拥挤度的地铁拥挤踩踏事故实时监测预警系统[J].都市快轨交通，2018，31（01）：99-104.[2]陈艺旋.基于RFID技术的地铁安全预警系统构建[J].建材与装饰，2018（06）：256-257.[3]王乾坤，张雨峰，刘捷，彭自强，冯晖林.基于WSID与BIM的钢支撑轴力实时感知预警研究[J].施工技术，2018，47（01）：19-23.[4]刘小磊，黄璞.RFID技术在列车高精度定位中的应用[J].都市快轨交通，2017，30（03）：107-111.[5]潘嵊.列车辅助定位系统的设计[J].电气自动化，2017，39（03）：12-15.[6]陈维亚，蔡适，蒋琦玮.基于多源数据的地铁站客流动态监测与管控决策系统[J].城市公共交通，2017（04）：23-28.[7]钟锐楠.RFID技术在地铁自动售检票中的应用探究[J].数字通信世界，2017（04）：148+150.[8]吴宁宁，张不和.“你是我的眼”列车辅助追踪系统[J].上海信息化，2016（12）：29-31.[9]焦友金.地铁施工实时动态监控研究[J].建筑知识，2016，36（12）：100-101.[10]刘琳琳，梁雪慧，徐道强.地铁系统自动售票机的售票方式及技术研究[J].自动化技术与应用，2016，35（08）：142-145.[11]鞠丽丽，李军，梁汝军，王君.地铁列车辅助追踪预警系统设计方案[J].现代城市轨道交通，2016（04）：15-18.[12]吴晓，王孔明，汪峥，李艳，段文彬.基于RFID射频技术的地铁车辆段车号识别及定位监测方案研究[J].低碳世界，2016（19）：203-204.[13]严翔，赵慧，王保华.无人驾驶地铁中定点紧急停车系统的研究[J].铁道机车车辆，2016，36（03）：97-102.[14]张超宇.基于射频识别技术的地铁车厢人数检测方法研究[J].科技风，2016（11）：115+117.[15]蒋智军.RFID-SIM系统与深圳地铁同频通讯设备共存性现场测试测试方案浅析[J].中国新技术新产品，2016（09）：22-23.[16]江斌，严龙，韩洁.RFID技术在自动售检票设备巡检维护中的应用设想[J].铁路通信信号工程技术，2015，12（06）：79-82+88.[17]彭乃珠，钟永恒，赵蕾霞.国内外地铁图书馆实践及思考[J].图书馆学研究，2015（20）：11-14.[18]李其林，李源军