基于UHF频段RFID技术的实名制火车票研究

刘永玲，路 勇，王 梦

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京100044）

现行的纸质二维码火车票存在一个弊端：车票丢弃会导致个人信息泄露，不法分子可能破解二维码，利用图像处理设备制造假票，这将给铁路部门和乘客造成很大的损失。除防伪能力差之外，二维码火车票的自动识别率低，自动检票速度受到限制，而且极易受到污染和磨损。射频识别（RFID）技术具有非接触识读、读写距离远、可识别运动目标、安全性高、适应恶劣环境等诸多优点[1]。应用基于RFID技术的电子火车票，实现实名制的同时以上问题都可迎刃而解。

在我国铁路客运领域，广深铁路线最早使用RFID纸质火车票，该RFID火车票的射频频率属于高频（HF）频段的13.56 MHz范围，从目前的使用状况来看，HF RFID火车票存在着成本高、识别距离短、安全等级低等问题。超高频（UHF）频率范围通常是指 433 MHz、860 MHz～960 MHz、UHF频段的RFID，具有波长适中、空间衰耗小、识别距离远、识别速度快、有较强的防碰撞能力的优点。近年来UHF RFID技术得到了快速的发展，而且IC智能卡技术不断成熟，UHF RFID标签价格也不断降低，因此UHF RFID技术在物流、供应链管理等领域获得了广泛的应用[2-3]。本文对UHF RFID火车票进行了研究，提出了系统的构架，并对其中的关键技术进行了研究。

1 UHF RFID系统基本原理

UHF频段的RFID系统使用电磁波通过读写器与标签间的耦合进行通信。图1显示了一个基本的UHF RFID系统。UHF RFID系统的组成至少包括两个部分：电子标签和读写器。读写器的作用是产生和发射电磁波信号并接收由电子标签反射回来的电磁波信号。电子标签是待识别物体的数据载体，内部存有一定格式的电子数据。UHF RFID系统的工作原理是：读写器经天线以电磁波的形式向外发射查询信号，标签接收到信号后激活其控制系统，然后将存储的信息调制到载波上经标签天线反射出去。读写器收到反射信号并对其进行解调和解码，然后送给微控制器。微控制器根据得到的数据判断标签的合法性，做出相应的处理和控制，然后传给中央信息系统进行数据处理或应用。

2 UHF RFID火车票系统

该系统包括中央管理系统、售票系统、检票系统和验票系统，如图 2所示[4-5]。

（1）中央管理系统提供票务管理系统支持、密钥管理系统支持和数据库存储功能，主要负责管理乘客信息、处理票务数据和管理下层应用系统，并且对旅客提供相关的信息查询服务。

（2）售票系统负责售票，包括人工售票系统和自动售票终端，设备核心部件是UHF RFID读写器。乘客购票时需出示身份证，通过二代身份证阅读器扫描乘客身份证，乘客的身份信息及照片将被存入车站系统的后端数据库中，并与RFID电子车票上的唯一代码相对应，然后将乘客信息及乘车信息写入车票内的RFID标签[6]。

（3）检票系统负责检票，表现为门禁系统，负责验证乘客身份，持有伪造车票和无效车票的乘客将无法通过门禁。RFID电子车票进入检票系统的RFID有效识别区即可被自动识别。自动检票机内的阅读器通过RS232或网络与上层的应用软件进行通信，既可以执行应用系统软件的指令，也可以将阅读器解码后的标签应答信息上传至上位机的应用系统软件。

（4）验票单元是人工辅助环节，乘务人员在列车上可使用手持读写器进行验票，读写器通过天线与电子车票内的标签进行通信，乘客的个人信息便能在屏幕中显示出来，然后与身份证信息对照即可完成验票。如果乘客需要延站或者补票，也可以由手持读写器完成信息的再次读写。

3 UHF RFID火车票系统设计

3．1 UHF RFID电子火车票设计

内嵌UHF RFID标签的电子火车票是整个系统的数据载体，一个UHF RFID标签唯一对应一个序列号并与乘客信息关联。UHF FRID标签芯片的设计是电子车票设计的重点。

电子标签分为无源、有源和半有源3种。UHF RFID电子火车票采用无源标签，标签工作的能量来自读写器发射的电磁波，标签芯片的功耗直接影响标签的读写距离。所以，必须采用超低功耗的电路设计方法，才能满足UHF RFID系统的工作要求。图3是UHF RFID标签芯片的功能框图，主要包括4个部分：射频前端、模拟前端、数字基带和存储单元。

（1）射频前端与标签天线直接相连，主要作用是将天线接收到的射频信号整流为直流能量供标签工作；对射频输入信号进行包络检波，恢复读写器发送过来的数据信息。射频前端最重要的模块是倍压整流电路，又称为电荷泵电路，主要作用是将交流信号转换成直流信号。设计中选用传统的4级二极管整流电路结构。

（2）超高频电子标签的模拟前端电路的主要作用是对天线接收到的信号进行解调；为标签芯片工作提供稳定的电压，为数字基带模块提供稳定的时钟和上电复位信号等。模拟前端电路设计的关键是低压、低功耗、高灵敏度的解调电路和低功耗、大动态范围的稳压电路，这些电路直接影响着标签的工作距离和性能。

（3）数字基带处理器的主要作用是处理标签接收到的数据，此外还实现防碰撞算法、协议指令和安全等功能。

（4）存储器用来存储标签信息并个性化每个标签。

以上内容介绍了UHF RFID电子标签的工作原理和电路设计的关键技术。随着RFID产业的发展，电子标签芯片的成本越来越低，性能越来越好。将UHF RFID电子标签和天线封装起来便可用作电子火车票，经过初始化、密钥加载和数据写入等操作便是一张完整的火车票。

3．2 UHF RFID读写器设计

在RFID火车票系统中，读写器应用于售票环节和检票环节。读写器在火车票系统中的应用有3种形式：(1)桌面式读写器，用于RFID电子车票的发放和车票信息的修改等；(2)固定式读写器，用于车站大厅的自动检票；(3)便携式读写器，用于列车上的验票和补票。不同类型的读写器在外观设计、接口定义、通信流程和数据传输方法上不同，但其功能原理是一致的。

3．2．1 RFID 读写器基本原理

RFID读写器由基带模块、射频模块和天线模块组成，如图4所示。

(1)基带模块按协议规定操作控制射频收发模块，主要完成以下任务：①与应用系统软件进行通

信；②进行阅读器和标签之间的身份验证；③控制标签与读写器之间的数据交换。

(2)射频模块负责射频信号收发并处理射频信号，主要完成以下任务：①根据协议要求发射一定功率的射频信号，激活工作区域内的无源标签；②发送数据和命令给标签；③接收标签返回的信号并进行必要的处理。

(3)射频识别系统的读写器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别。

3．2．2 UHF RFID 读写器硬件设计

UHF RFID读写器硬件主要按照模块化思想设计，各个部分尽量采用经典或者成熟的技术解决方案，并采用国内外成熟的芯片进行产品开发。UHF RFID读写器的整体硬件电路框图如图5所示。

在读写器核心模块的结构中，电源负责向所有子模块供电；接口模块提供对外电源接口及与计算机的通信接口；处理器模块处于核心控制位置，负责运行固件、I/O接口模块，控制基带电路和射频电路的各个部分；基带电路和射频电路都可以分为两部分：上行处理（从标签到读写模块）和下行处理（从读写模块到标签），两者共同实现读写器对标签的读写操作。

设计UHF RFID读写器一个很重要的环节是器件选择。选择的原则是：保证功能要求；尽量采用标准和通用芯片；降低成本，提高性价比。此外，电路板设计也非常关键，因为在UHF射频电路设计时，各种寄生参数都对射频信号很敏感，要合理选择各项参数并合理布局走线。

3．3 UHF RFID火车票系统天线设计

对于RFID系统而言，天线是标签和读写器的空间接口。

3．3．1 UHF RFID 火车票天线设计

RFID标签天线的主要作用是接收来自读写器的射频能量和阅读器发送给标签的信号，并将标签返回给阅读器的信息发送回读写器。

UHF RFID火车票天线的选择要从以下几个方面考虑：(1)足够小，可以贴到火车票上；(2)有全向或半球覆盖的方向性；(3)给火车票标签芯片提供最大可能的信号；(4)具有鲁棒性；(5)成本低。

基于以上几点考虑，振子天线具有辐射能力强、制造工艺简单和成本低等优点，可以用作UHF RFID火车票的天线。

3．3．2 UHF RFID 读写器天线设计

射频识别系统的读写器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。微带天线在100 MHz～100 GHz的宽频带上获得了大量成功应用，具有重量轻、体积小、成本低、平面结构以及可以和集成电路兼容等优点。可以选用微带天线作为UHF RFID读写器的天线。

4 UHF RFID火车票系统关键技术研究

4．1 UHF RFID系统安全方案

RFID系统中读写器与标签通过无线信道进行通信，读写器发送给标签的信号由于功率较大，传输距离较远，容易受到窃听和跟踪；而标签发送给读写器的信号由于传输的能量小、作用距离短，容易受到干扰和阻断攻击。要确保铁路RFID系统的安全性能，就必须保证信息交换过程中数据的机密性、完整性、可用性、真实性和隐私性。

RFID系统的安全性应从以下方面来改进：(1)采用标签与读写器相互认证的机制，防止非法的读写器获取标签信息或篡改标签数据，或者用伪造标签与读写器通信；(2)避免通信过程中使用明文传输，选取合适的加密算法；(3)加强后台数据库管理，避免数据库受到攻击导致系统数据、密钥等信息泄漏。

4.2 UHF RFID系统防碰撞问题

如果读写器信号作用范围内有多个待识别的标签，同一时刻有多个标签向读写器返回响应信息，这些响应信息会发生重叠与相互干扰，导致读写器无法正确识别标签，这种现象称为标签冲突或者碰撞，RFID系统必须采用一定的算法来解决碰撞问题，控制标签逐个与读写器通信。防碰撞算法主要解决如何准确快速地从多个标签中选出一个与读写器进行通信并在尽可能短的时间内识别完所有标签。TDMA时分多路方式应用简单，容易实现对大量标签数据的读写，因此被多数防碰撞算法采用。在UHF频段，常用的防碰算法有ALOHA算法和二进制树型搜索算法等。ALOHA算法操作简便，便于实际应用，但在应用中随着标签数量的扩大，容易引起性能急剧恶化，不适宜大规模标签读取。二进制树型搜索算法的电路实现虽然比ALOHA算法复杂，但算法识别率较高。因此，UHF RFID火车票系统可以选用动态二进制树型算法来解决火车票标签碰撞问题。

本文提出了UHF RFID火车票系统的构架，对火车票的电子标签和读写器及系统关键技术都进行了研究。将UHF RFID技术应用于票务系统，可以实现对旅客运输的有效管理，与铁路客票预定与售票系统联网，可实现自动售检票，可极大提高铁路客运服务水平，使旅客体验到新技术带来的更多便利。

[1]张智文.射频识别技术理论与实践[M].北京：中国科学技术出版社，2008.

[2]武茂荣.广深铁路基于UHF RFID电子客票研究[J].铁路计算机应用，2011，20（4）：17-19.

[3]史天运，王成.RFID技术在铁路客票系统中的应用[J].中国铁道科学，2009，30（6）：135-140.

[4]张亚娟，刘奇宏.RFID在实名制火车票中的应用[J].科技传播，2010(18)：251.

[5]王成，史天云，蒋秋华，等.基于移频识别技术的铁路长期票和储值卡应用[J].铁路计算机应用，2008，17（5）：35-38.

[6]曾少锋.第二代身份证票务系统的设计[J].铁路通信信号工程技术，2009，6（3）：15-17.