城市一卡通中RFID物聯網技術的應用

席慧穎 由睿 張曉君

摘要：基于RFID的物聯網技術在城市一卡通建設中有廣泛的應用，市民在乘坐公交、地鐵等方面已經得到了體驗，這為城市信息化的發展帶來了極大的便利，方便了市民的生活。本文將進一步對城市一卡通所能覆蓋的行業進行探索，結合市民生活相關的消費應用、醫療應用、金融應用、商業應用等方面的現實情況，提出了城市一卡通功能整合的觀點，并給出一套較完整一卡通建設方案，積極探索RFID技術在城市建設和發展中的應用，充分發揮目前已有的建設優勢，為未來地區間物聯網的融合，實現一卡通跨區域使用打下了基礎。

關鍵詞：RFID技術物聯網技術城市一卡通

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

1 前言

隨著社會經濟的發展，公交、地鐵、電車等交通工具在城市早已司空見慣，市民乘坐交通工具刷卡也早已經成為一種習慣，而這個過程中射頻識別技術起到了關鍵作用。射頻設別技術簡稱RFID技術，是屬于非接觸的信息識別技術，功能強大、安全性強，目前廣泛應用于物體識別和物流運輸等諸多領域。特別是物聯網技術在全球范圍內廣泛興起以來，針對RFID技術在物聯網中的應用成為一個熱點。歐美等發達國家對于RFID技術在物聯網的應用研究較早，已經廣泛應用在制造業、企業管理等方面。我國自2005年將RFID技術引入以來，目前各地對于該方面的研究和建設都有突破，特別是目前人們使用的第二代身份證核心芯片就使用了RFID技術[1]，極大地方便了人們的生活，促進了城市信息化的發展。

2 基于RFID物聯網技術在一卡通應用原理

物聯網技術，也被稱作IOT技術，是新型的識別技術，利用該技術能對物體進行跟蹤、識別、管理等[2]。物聯網技術由諸多部分組成，基礎核心依然是互聯網。使用射頻識別技術、激光掃描技術等信息采集設備，將物體的數據信息采集起來，通過互聯網進行傳輸，來完成對物體的管理。對于物體的信息采集而言，目前常用的有RFID技術、二維碼掃描技術、一維條碼掃描技術、藍牙技術等[3]。一維條碼掃描技術常用于圖書信息、商品信息當中，目前已經逐步開始淘汰；二維碼掃描技術適用于大規模生產當中，需要互聯網才可以識別；藍牙技術由于標準不統一的局限性，使用范圍不廣泛；相比而言，RFID技術屬于非接觸技術，存儲信息量大，識別速度快，不需要網絡即可完成。RFID技術主要由電子標簽（分為有源標簽和無源標簽，有源標簽能夠自動發出射頻信號，無源標簽被動接收信號）[4]、信息采集設備、信息處理設備三部分組成。其基本工作原理是信息采集設備發射射頻掃描信號，掃描信號以一定的頻率定期進行掃描，按照頻率的不同有一定的距離要求。帶有電子標簽的物體進入掃描磁場以后，根據接收到的射頻信號，電子標簽存儲信息的芯片被觸發，將信息通過芯片中的天線傳輸到信息采集設備當中，根據采集的設備信息，信息處理設備需要進行解調和解碼操作，然后傳輸到計算機網絡系統當中，用戶根據顯示的內容可以了解到物品的具體的信息，并可以對物體的數據進行讀寫操作。應用原理如圖1所示。

3 基于RFID物聯網技術的優勢

RFID技術目前已經廣泛應用，取得了較好的效果。具體優勢有以下幾個方面：一是可以自動識別信息，不需要人工操作，只要物體進入到一定的范圍內，就可以識別，受環境因素影響較小，特別是高速運動的物體，均可實現設別；二是安全性強，信息被寫到電子標簽芯片當中，芯片的加密算法比較完善，沒有正確的解密器很難進行破解，安全系數比二維碼、一維條碼、藍牙技術高很多；三是能夠對電子標簽芯片信息進行讀寫，反復使用，目前的公交卡就是利用該原理；四是存儲信息量大，具有近16K的超大容量，可以將物體的諸多信息寫入到芯片當中，可反復擦除和重寫[5]；四是信息采集設備能夠同時采集多個物體的電子標簽信息，實現了同步采集、同步處理和同步傳輸功能。綜合來看，RFID技術由于獨有的優勢，比傳統的識別技術效果較好，在物流運輸、身份認證等行業已經得到了廣泛的應用。目前幾種常用的技術所占市場份額如圖2所示。

4 城市一卡通功能整合建設方案

4.1 整合建設方案分析

目前諸多城市所使用的一卡通只是將公交、地鐵等簡單的功能融合到了公交卡當中，而沒有充分發揮出一卡通的優勢。如果能將老百姓日常生活有關的事項納入到一卡通當中，能夠促進城市信息化的發展。整合后的一卡通建設方案應該將醫療、公交、社保、繳費等常用的事項融合在一起。完成住院看病繳費、公交出行、社保管理、日常生活繳費（水電氣）、汽車過路繳費、消費支付等市民常用的功能。由于一卡通的設備在分散到城市當中的各個點，而且部分設備沒有互聯網連接，因此不能使用B/S模式進行設計，建設方案將采用C/S模式完成，每個射頻掃描點均可以按照具體的使用要求對一卡通的電子標簽數據進行讀寫，例如市民乘坐公交車時，刷卡以后，信息采集系統自動完成讀的程序，將信息發送給計算機當中，計算機自動將寫的程序發回到一卡通的電子標簽接收芯片上，將市民的卡上余額數據進行改寫，完成整個功能。整個過程不需要互聯網的支持，采用C/S模式實現系統是符合目前的實際情況的，且實現較為簡單，需要將上述項目信息寫入到一卡通電子標簽芯片當中，掃描時根據標志位的不同判斷屬于哪個事項（例如定義標志位信號為1是醫療、2是社會保險，醫院掃描時判斷信號為1時，就可以讀取存放在其中的芯片信息）。同時對信息數據采用RSA的算法進行加密，每次掃描時的對接密碼都不相同，即使出現賦值卡也不能使用，保證了一卡通使用的安全性。

4.2 初步功能設計

由于系統是采用C/S架構來完成，主要有兩個部分組成，一是服務器端；二是客戶端[6]。對于服務器端來說，主要完成數據的存儲和管理工作，將用戶的信息數據存放在服務器端，當客戶端根據需要將請求發送到業務邏輯層時，業務邏輯層會調用服務器端的數據進行處理，然后將處理結果返回到客戶端；客戶端有管理終端和應用終端組成。管理終端主要是完成一卡通用戶信息管理、數據信息管理、系統管理、接口管理、用戶數據管理、一卡通發行管理；應用終端主要是分布在市區各處的處理設備，通過相應的程序讀寫一卡通的數據，包括住院看病繳費、公交出行、社保管理、日常生活繳費（水電氣）、汽車過路繳費、消費支付終端。

對于管理終端而言，用戶信息管理主要是對用戶的信息進行基本的管理操作，這個是由一卡通管理中心來完成的，數據信息的管理是對用戶卡內數據的綜合管理功能；系統管理是對整個一卡通物聯網的管理，包括系統的維護和升級，密碼的設定，安全級別的提升等；接口管理是系統可以監控到各個應用終端是否出現異常情況；用戶數據管理是對用戶一卡通的金額進行讀寫操作，該功能根據通訊協議來完成，每臺應用終端都必須進行跟蹤和監控，才能保證用戶的財產安全不受到威脅；一卡通發行管理是來對一卡通發售、充值、注銷、掛失等基礎操作和管理。而應用終端主要分布在市區各個地點，住院看病繳費可以幫助用戶進行身份認證和識別，自動和醫保掛鉤，完成掛號、診療、住院治療、自動報銷多種功能；公交出行是根據具體的使用情況來扣除一卡通的金額；社保管理是將住房公積金和社會保險存入一卡通當中，用戶不需要再辦理其他卡就可以實現多種保險管理的功能；日常生活繳費（水電氣）能夠讓用戶不用去跑多個地區，每月使用一卡通去固定繳費點一次性繳費完畢；汽車過路繳費在用戶出行時，將一卡通放置在前玻璃處，路過收費點時自動扣費，實現EPC自動繳費功能；消費支付是在用戶消費時可以利用該卡作為支付卡來進行轉賬、消費、支付的功能。具體的功能架構如圖3所示。

4.3 數據庫架構設計

數據庫是一卡通建設中非常重要的步驟，目前數據庫發展比較成熟，常用的數據庫都可以滿足一卡通整合建設。但是考慮到數據的擴展性以及一卡通未來的發展，可能實現多地區共用數據庫（多省市共用數據庫），選擇SQL Server2010作為開發工具。整個數據庫設計需要建立多個數據庫表格來完成數據的存放和鏈接，在管理終端需要建立用戶表、數據信息表、系統管理信息表、接口信息表、費用信息表、發卡管理信息表，在建立數據表的過程中需要使用自然連接，將表的關系通過數據庫概念設計和邏輯設計對應起來。在系統實現的過程中根據數據庫表的形式，采用標準SQL語言進行實現。應用終端需要根據每個行業具體的特點建立對應的數據庫表格，主要存放與各行業有關的數據信息，這些信息需要和管理終端的信息數據對應起來，才可以實現對用戶一卡通的識別和讀寫。

4.4 整合建設實現

4.4.1 整合建設系統環境選擇

系統建設過程中，其中開發過程中需要使用數據庫和開發軟件，其中開發軟件選用VS2010，編程語言為C#，使用的數據庫為SQL Server2010，系統運行支持WinXp/Win7/Win8。開發完成后需要進行系統搭建，主要有服務器端和客戶端兩個部分，具體搭建如表1所示。

4.4.2 整合系統方案實現

系統實現之前應該選擇射頻識別卡，由于采用的是非接觸性質的射頻卡，并且對于系統的安全、應用和環境要求較高，整合建設選用的是CPU卡，該卡中的芯片具有處理器和運存、數據存儲器，類似于一個小型計算機系統，不僅僅能夠對數據進行處理，還能夠實現數據加密和解密功能。同時該卡還采用了動態加密的措施，每一次刷卡自動認證的密碼都不同，可以有效防止出現射頻卡相同的事件，適合系統使用。

系統硬件設備選擇完成以后，需要對軟件架構進行實行，由于軟件獨立分成了兩個部分，即管理終端和應用終端，對于應用終端而言，在硬件設備采集到數據信息以后，需要通過read（）、write（）函數操作硬件設備，然后將讀取的信息進行采集和處理，處理完成主要通過硬件設備中的解調和解密來實現，解調是將采集的信號進行還原，加密采用RSA加密算法來實現，解密后的數據通過應用終端處理后顯示給用戶查看。應用終端需要進行格外的數據處理，由于經常會出現多個電子標簽進入設備當中，應該依次給予處理，在實際使用當中，也會有干擾因素的出現，應該能對這些數據進行篩選，在應用程序軟件系統中增加排序和防碰撞算法，當碰撞出現的時候，采用分時并發處理的機制，對碰撞的信息進行排序處理，依據先后順序分時分斷處理。

管理終端的實現主要在一卡通管理中心和分中心，需要利用軟件將用戶的請求進行處理，處理的過程也是對用戶卡信息的讀寫操作，處理完成以后通過計算機顯示給用戶。管理終端和應用終端是從屬關系，其中管理終端負責應用終端，對其進行管理和控制。在管理終端實現的時候需要注意到用戶權限的問題，不同的權限能夠進行不同的操作，例如充值管理員只能進行充值操作；監控人員能夠對各應用終端進行動態監控。系統的軟件架構平臺如圖4所示。

4.4.3 整合系統的應用

隨著信息技術的不斷發展，未來城市間數字化技術也將逐步走上歷史的舞臺，經過整合后的城市一卡通，將諸多業務功能全部利用一張卡來實現，極大方便了市民的生活，同時將無線射頻識別技術和城市物聯網技術融合在了一起，利用物聯網技術的優勢，將分散的公共服務以及不同性質、不同特點的業務全部組織在一起，實現了一致的數據管理。整合后的系統能夠在城市中擴展和應用，在城市應用以后，逐步擴展到其它地區，利用物聯網信息融合和共享的特點，實現跨區域一卡通應用，進而實現全國一卡通應用。而具體的功能融合和實現將根據各個行業不同的特點，根據實際的需要增加進去，擴展性強、穩定性高，符合當代社會的發展需要。

5 結語

物聯網技術和其他技術的融合發展，極大地促進了城市信息化服務的提升，而一卡通是這一過程的代表作品，它的產生基于數字化發展的綜合背景之下，運用了射頻識別技術、物聯網技術和計算機網絡技術等最新的理論，為廣大市民帶來了新的生活模式。尤其是RFID射頻識別技術的應用，為一卡通在其它領域的普及和發展奠定了基礎，市民在消息、乘車、購物、就醫、社保等都可以使用一卡通來完成，避免了諸多的事項和麻煩，安全系數高，可靠性強。因此一卡通在今后有很大的發展前景。未來隨著城市化進度的加快，單純的城市一卡通已經不能適合社會的發展，能夠跨區域、跨省使用，使得市民出行辦事更加方便時未來一卡通研究的熱點。

參考文獻

[1] 李坡，吳彤，匡興華.物聯網技術及其應用[J].國防科技，2011（01）.

[2] 朱洪波，楊龍祥，于全.物聯網的技術思想與應用策略研究[J].通信學報，2010（11）.

[3] 寧煥生，徐群玉.全球物聯網發展及中國物聯網建設若干思考[J].電子學報，2010（11）.

[4] 王小寧，李琪.數字城市建設與智能卡應用[J].城市問題，2009（05）.

[5] 徐濟仁，陳家松，易向軍，牛紀海.基于射頻識別技術的圖書館智能管理系統的設計與實現[J].電子技術應用，2009（05）.

[6] Emanuel Peres，Miguel A. Fernandes，Raul Morais，Carlos R. Cunha，Juan A. López，Samuel R. Matos，P.J.S.G. Ferreira，M.J.C.S. Reis. An autonomous intelligent gateway infrastructure for in-field processing in precision viticulture[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2011（2）.