基于RFID的智能公交扣费系统总体设计

刘玉庆,邹常丰,张　莉

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



基于RFID的智能公交扣费系统总体设计

刘玉庆,邹常丰,张莉

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

分析目前长线公交扣费方式存在的弊端，为了解决长线公交扣费方式存在的问题，提出一种基于RFID技术的智能公交扣费系统。这种智能扣费方法是指乘客只需上车时刷一次近卡，下车时远卡模块会自动识别乘客的射频卡，根据GPS的位置信息计算乘车里程，然后根据里程扣费。这种扣费方式实现一次刷卡就可以合理扣费的目标。实验表明，智能公交扣费系统可以提高公交车的运行效率，减少乘客的乘车时间，还可以有效地避免乘客逃票、漏票的现象。

智能公交；射频读卡器；地标天线；智能扣费

随着城市化进程的不断推进,机动车数量的不断增加,许多城市都在或陆续将面临机动化日益严重而引发的各种交通问题。而完善的城市公共交通系统已经成为各国所公认的解决城市交通问题的首选方法[1]。目前，我国公交采用的收费方式为非接触式IC卡或者投币。非接触式IC卡凭借其保密性好、使用方便的优点被广大群众和公交公司认可，在一定程度上提高了公共交通的运营效率。但是，随着长线公交的增加，这种扣费方式已经不能适应公交发展的要求，因而国内部分城市长线公交重新采用了人工售票的方式，这种售票方式将大大增加公交的运行时间以及投入的人力、财力。本文对这两种扣费方式优缺点进行分析，提出了一种更加方便、快捷、低成本的智能公交扣费系统，本系统可以有效地解决长线公交收费难问题，而且能够避免客流高峰期逃票、漏检和临时下车等问题。

1　RFID技术概述

1.1RFID简介

RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可在各种恶劣环境中应用[2]。典型的射频识别系统主要由三部分组成：标签、阅读器以及天线。标签也称射频卡，具有智能读写及加密通信的能力，标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，RFID标签根据发射射频信号的方式不同，分为主动式和被动式两种[3]；阅读器是读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线在标签和读写器间传递射频信号[4]；天线与读写器相连接，主要作用是通过无线电波向标签传送数据，同时感应并接受标签的反馈数据，以此完成双方之间的信息交互[5-6]。

RFID的工作原理是：阅读器在一定区域内通过天线散射一定频率的射频信号，当电子标签通过天线的发射区域时产生感应电流，电子标签获得能量被触发，并将存储在电子标签内部的信息通过电子标签的内置天线发送出去。阅读器天线(有内置外置之分)将电子标签发送来的载波信号接收，并传送到阅读器。阅读器对接收的信号进行解调和过滤，然后送到后台数据处理中心进行处理。读写器可以与标签建立无线通信，实现向标签发射数据以及从标签接收数据，并通过标准接口与计算机网络进行通信，从而完成了射频识别系统的工作[7]， RFID系统的原理如图1所示。

图1　RFID工作原理

1.2RFID技术用于公共交通的研究现状

以前将 RFID 技术应用到交通领域，其中最主要的是智能停车场，司机可以不再像从前一样停车取卡，而是通过射频技术识别车牌号，并帮助车主记住车所停的位置，既可以为停车场节省开支，又可以方便司机[8]。近年来，RFID技术被广泛地应用到公共交通中，很大程度上促进了公共交通的发展。

吴江洲等设计的基于RFID的公交客流信息采集系统，实现了公交车车内乘客人数和OD信息的采集[9]。黄海波等对基于RFID技术的快速公交的收费系统进行了研究，得出一个基于RFID技术的多节点BRT收费系统模型，同时该系统模型能够实现数据读取的实时性，解决了单节点数据读取和实时性欠缺问题[10]。余红红等设计的基于RFID技术的城市智能公交系统，结合公交车辆的运行特点，建设集智能场站管理、智能公交调度、公交信号优先控制、智能公交信息服务等于一体的智能公交系统[11]。杨烈君利用单片机技术并结合RFID独有的特点，提出一种基于RFID技术的智能公交报站系统设计方案，乘客不需要采用手动按键的报站方式实现公交车站的自动识别与自动报站[12]。周福丽等设计的基于RFID智能公交系统，实现了公交车到站时，卡无需取出，读写器自动读卡。将获取的相关数据信息通过无线通信传至公交总站，公交总站通过对数据分析处理即可实现车辆的身份识别，从而将相关信息(包括车次信息、站点信息、到站信息)发送到各个站台电子屏上显示，站台上的乘客就可以及时了解到公交车的信息[13]。严天宇设计的基于RFID和ZigBee的智能公交系统，通过智能车上RFID射频识别检测站台信息，运用无线传感网络车载路由器节点将车辆检测数据传送至控制中心协调器，由控制中心节点将车辆运行状态发送至各站台路由器，控制公交站台LCD显示。在车辆运行中，利用labview编写的上位机，对车辆运行数据实时监测，以便做好公交车调度安排[14]。

目前，主要有两种收费模式应用于长距离公交车收费：一种是静态分段收费方式，一种是动态收费方式。所谓静态分段收费方式，首先把整个公交路线进行段点划分，如果乘客在始发站与第一个段点之间的某个站点上车，则收取全程票价；如果乘客在第一与第二个段点之间的某个站点上车，则收取除第一段点以外的乘车费，以此类推。这种静态分段计费方式存在两个缺点:其一是第一段之间上车的乘客必须缴纳全程费用,无形中多收取了仅仅乘坐数站路的乘客的费用，因此，这种收费方式并不合理。而动态分段计费方式，是指乘客上下车各刷一次卡,根据每个乘客乘坐公交车的里程或者站点数来收取乘车费用,这种收费方式虽然合理，但是需要两个刷卡机才能完成扣费工作，不仅增加了运营成本，而且使得乘客上下车不便，尤其是在早晚客流高峰时期，乘客甚至无法完成刷卡动作，采用这种模式收费不能很好地避免漏票现象，乘客上车后甚至提前刷卡却不下车，给运输公司带来损失，或者乘客在下车时忘记刷卡而使得乘客蒙受损失[15]。通过对长线公交客流及运行特点的分析，提出了一种基于RFID的智能公交扣费系统，可以有效地解决目前长线公交存在的问题。

2　智能公交扣费系统的总体设计

2.1设计方案

基于RFID的智能公交扣费系统需要两个地标天线：一个远卡读卡器，一个近卡读卡器。前门保留原有的近卡读卡器，在后门内外各安装一个地标天线，安装的位置在后门的上侧，这两个地标天线与远卡读卡器构成远卡模块。当乘客从前门上车后采用刷卡的方式，近卡读卡器会读取射频卡信息，结合GPS，通过控制中心的数据处理确定上车位置及时间；当乘客到站后从后门下车，后门两个天线再次与乘客身上的射频卡产生信息传递，下车时乘客不需要取卡，读卡器再次读取射频卡的信息，这时GPS可以确定乘客下车位置，控制中心再次进行数据处理得到乘客的乘车距离，扣费模块根据标准费率以及乘客的乘车距离便得到乘客此次乘车费用。当乘车高峰期时，有部分乘客为了让出下车空间临时下车，远卡读卡器会根据后门两个天线的读卡顺序以及GPS所记录的位置变化情况判断出临时下车的乘客。智能公交扣费系统方案设计流程如图2所示。

图2　智能公交扣费系统方案设计流程

2.2硬件设计

智能公交扣费系统包括远卡模块、数据处理模块、近卡模块、扣费模块以及功能辅助模块。本文提出的智能公交扣费系统在智能化升级的基础上保留了原有的非接触IC卡扣费的方式，将原有的非接触式IC读卡器与射频卡进行参数及性能匹配，使射频卡被近卡读卡器和远卡读卡器都能够识别。硬件设备包括读卡器、地标天线、射频卡、GPS、单片机、显示屏、蜂鸣器以及其他辅助电路。系统的硬件结构如图3所示。

图3　智能扣费系统硬件结构

1)数据处理模块。本扣费系统以单片机为数据处理中心，读卡器识别乘客随身携带射频卡的信息，通过串口传输线与单片机相连，再结合GPS的位置标定，将所有数据汇总到单片机。单片机作为控制核心将所有数据进行分析、处理并及时反馈给其他硬件设备。

2)远卡模块。远卡模块是本系统的核心模块，设计的射频读卡器通过地标天线发出识别信号，识别距离不得低于2 m，天线极化需要采用全向读取，确保乘客上车时随身携带的射频卡可以被读卡器读取。读卡器的读卡速度以及读卡数量都要满足系统设计的要求，地标天线的参数要与读卡器的参数相符，且标签能够实现自动识别、追踪、定位、收集等功能。读卡器配有串行口或者是weigand接口，方便以后进行二次开发。

基于RFID的智能公交扣费系统所采用的远距离读卡器，由于输出功率可调，可根据不同应用要求灵活调整识别距离，而且实时操作系统可以满足工业的可靠性和鲁棒性。现在应用于公交车的非接触式IC卡读卡器一般是低频近距离读卡器，无法实现智能读卡。

地标天线是远卡模块的重要组成部分，将两个地标天线分别安装于公交车后门内外，可以判断出乘客的进出。本扣费系统所采用的地标天线不同于其他RFID系统的天线，目前，RFID技术应用到交通行业所采用的天线大多是定向读取，而且发出的射频信号受外界干扰比较大，这类天线用于智能公交扣费系统很难实现无需取卡自动读取的功能；而本文所采用的地标天线可以实现全向读取以及低频触发通用标签的低频触发唤醒功能，乘客上车后无需将卡掏出，地标天线就可以读取乘客放置于口袋或者包内的射频卡。而且地标天线还可以将自身 ID 信息发送给定位卡。

3)其他模块。保留刷卡扣费的方式可以最大限度地减少成本的投入，起到辅助扣费的功能。辅助模块主要指GPS定位系统和语音提示系统，通过GPS定位获取乘客的上下车位置坐标，与事先规定好的各站点坐标进行比对，确定乘车区间；语音提示系统可以提示成功读取乘客射频卡及乘客的远卡余额。

2.3软件设计

智能公交扣费系统的软件设计主要包括主程序设计、串行通信程序设计、定位系统程序设计与语音播报系统程序设计,采用模块化编程方法进行软件设计，编程的过程中要将程序进行模块化与结构化划分,使二者相辅相成[15]。

智能公交扣费系统软件的主程序部分包括扣费系统程序、防冲突程序、射频卡读写管理程序、地标天线管理程序，软件的主程序部分是整个扣费系统的核心，控制着智能公交扣费系统的远卡模块、近卡模块和扣费模块的有序运行。串行口程序、定位系统程序以及语音播报系统程序都是智能公交扣费系统的辅助子系统。定位系统的程序包括两部分：一是分离提取经纬度信息，二是坐标比较。语音播报程序可以实现车辆驶入或者驶离某个站点，根据具体情形从存储器内提取所需站点名称，并通过语音芯片功率放大之后通知乘客，并且当乘客上车时，如果卡内余额不足，语音播报模块会向乘客报告。串行口选择的是RS485通讯协议，方便硬件设施之间的数据传输以及系统的二次开发。智能公交扣费系统的功能需求如图4所示。

图4　智能公交扣费系统的功能需求

本设计使用C语言编写程序，并把主程序进行模块化与结构化，把程序整体进行划分。乘客信息的获取以及定位系统是实现智能扣费的关键组成部分。软件设计的重点在于：一是正确、实时地接收和获取GPS发送的定位信息和读取乘客的射频卡信息，以达到精确扣费的目的；二是设计合理收费标准及遇到特殊问题的处理方法，根据里程收费的特点 ，解决乘客客流高峰期逃票、漏检和临时下车等问题。

3　结束语

本文设计的智能公交扣费系统，将公交车原有的近卡模块与远卡模块结合起来，实现了只需一次刷卡就可以实现动态收费。硬件部分和软件部分相结合，可以解决乘客逃票、漏检以及乘客临时下车等特殊情况。基于RFID的智能公交扣费系统可以有效地解决长线公交目前存在的问题，具有很好的发展前景。

[1]宋成举,张亚平,姜莉.城市公共交通系统发展策略的系统动力学建模与仿真[J].黑龙江工程学院学报,2014(1):15-19.[2]张文溥.道路交通检测技术与应用[M].北京：人民交通出版社,2010: 138-139.

[3]李泉林,郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].中国电子商情(RFID技术与应用),2006(1):51-62.

[4]丁昌华,路小波.无线射频识别技术在车辆识别系统中的应用研究[J].交通科技与应用,2006(1):89-90.

[5]周晓光,王晓华.射频识别(RFID)技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社,2006.

[6]胡婷婷.无人售票车多费率收费系统的设计[D].青岛：青岛大学,2012.

[7]孙慧强.物联网中基于 RFID 技术浅析[J].通信世界,2016(2):1-2.

[8]吴江洲.基于RFID的公交客流信息采集系统设计与实现[D].重庆：重庆大学,2013.

[9]黄海波.基于RFID技术的BRT公交收费系统的研究[D].长沙：中南大学,2011.

[10]余红红.基于RFID的城市智能公交系统设计[J].中国市场,2015(43):180-191.

[11]杨烈君.基于RFID的智能公交报站系统[J].长春理工大学学报,2011(3):191-192.

[12]周富丽,刘红.基于RFID智能公交系统的设计[J].物联网技术,2015(7):62-63.

[13]严天宇.基于RFID和ZigBee的城市智能公交系统设计[J].中国新通信,2015(7):125-126.

[14]李舜江.基于射频识别技术的智能公交扣费系统的设计[D].青岛：青岛大学,2013.

[责任编辑：郝丽英]

The overall design of intelligent public transportation deduction system based on RFID

LIU Yuqing,ZOU Changfeng,ZHANG Li

(School of Traffic,Northeast Forestry University，Harbin 150040,China)

Having analyzed the drawbacks of the currently long-line bus deductions,this paper puts forward an intelligent public transportation deductions system based on RFID technology so as to solve the problems of the long-line bus deductions.This intelligent chargeback method indicates the passengers swipe the card when they take the bus,so the far card module will automatically recognize electronic tags.Then according to the position of GPS information,and based on mileage to deduct fares,the chargeback method can reach to the goal of reasonable deductions when they swipe the card by bus.Experiments show,this intelligent public transportation deduction system can improve the efficiency of the bus,reduce the traveling time of passengers,and avoid the passenger fare evasion and missing.

intelligent public transportation; radio frequency card reader; landmark antenna; intelligent deduction

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.005

2016-04-21

东北林业大学大学生创新实验项目(201510225197)

刘玉庆(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：交通运输工程.

U491

A

1671-4679(2016)05-0015-04