基于無線射頻識別與電力載波的特定場合服務(wù)系統(tǒng)的研究

郭國法+高楊浩++張開生

摘 要： 針對目前景區(qū)以及大型展覽的智能化管理運(yùn)營的欠缺，以及國家對低碳環(huán)保節(jié)約能源的號召，該文研究一種基于無線射頻識別與電力載波的特定場合服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過使用電子門票取代傳統(tǒng)紙質(zhì)門票，通過RFID以及電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對區(qū)域內(nèi)以及各子區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時人數(shù)的監(jiān)控，幫助管理人員掌握實(shí)時訪客人數(shù)，從而采取相應(yīng)措施對區(qū)域內(nèi)實(shí)時人數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，保證景區(qū)游客人數(shù)處于景區(qū)可承載范圍之內(nèi)，最大化提升景區(qū)內(nèi)游客的舒適度。系統(tǒng)針對旅游景區(qū)還對游客游覽信息進(jìn)行記錄，有利于景區(qū)管理人員對區(qū)內(nèi)各個景點(diǎn)進(jìn)行評估。系統(tǒng)利用上位機(jī)軟件處理得到景區(qū)內(nèi)的熱門路徑，有利于景區(qū)合理安排商業(yè)活動，增加景區(qū)收入。結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境的目的。

關(guān)鍵詞： 無線射頻識別； 景區(qū)； 實(shí)時人數(shù)； 電力載波通信； 特定場合服務(wù)系統(tǒng)

0 引 言

目前，絕大多數(shù)的旅游景區(qū)、游樂場所以及大型展覽都采用紙質(zhì)的門票，對于上述場合的現(xiàn)代化運(yùn)營及管理來說，傳統(tǒng)紙質(zhì)門票有以下幾種缺陷：這種門票無法實(shí)現(xiàn)回收利用，造成了資源的浪費(fèi)； 使用紙質(zhì)門票必須要有專門的工作人員完成檢票工作，增加人力成本；紙質(zhì)門票無法為訪客及管理方提供更多現(xiàn)代化功能；傳統(tǒng)的紙質(zhì)門票也無法滿足管理人員對掌握實(shí)時訪客數(shù)量的需求。尤其是對于景區(qū)來說，其可以承載的游客人數(shù)有一定的范圍，超出這個范圍，游客不斷增加，對自然環(huán)境的影響和破壞就會越來越大、游客觀光效果也會越來越差；在一個景區(qū)之內(nèi)，各個景點(diǎn)的運(yùn)營情況不同，有的景點(diǎn)對游客吸引力大，而有的景點(diǎn)幾乎無法吸引游客，甚至由于年久失修、不合理的設(shè)計(jì)或者不人性化的服務(wù)對景區(qū)形象造成負(fù)面影響。上述的問題廣泛存在于使用傳統(tǒng)紙質(zhì)門票的景區(qū)或其他大型活動之中。

針對上述問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)與電力載波技術(shù)的特定場合與訪客之間的服務(wù)與反饋的系統(tǒng)。為了景區(qū)能得到更好的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了游客信息反饋環(huán)節(jié)，并通過對反饋信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理并以可視化的形式展示給管理人員，可以使管理人員較好地了解系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際狀況。訪客可以通過手持終端遠(yuǎn)程訪問，合理安排參觀線路，從而提高科學(xué)管理程度以及游客的游覽體驗(yàn)。在系統(tǒng)防偽方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用DES加密算法提高電子門票的防偽能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主體架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)可以用于大型旅游景區(qū)、大型游樂場以及大型展覽，校園圖書館等場合，采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子門票功能，在此基礎(chǔ)上，通過RFID電子標(biāo)簽卡對游客游覽信息進(jìn)行記錄，并利用電力載波技術(shù)以及上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸以及統(tǒng)計(jì)匯總等處理對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息反饋，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)覆蓋區(qū)域整體以及各個子區(qū)域?qū)崟r游客人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)還可以為來訪者介紹景點(diǎn)或各個子區(qū)域的信息，引導(dǎo)訪客合理規(guī)劃參觀路線。

此外，針對旅游景區(qū)以及游樂場系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各個景點(diǎn)對游客吸引力的評估。 系統(tǒng)的組成包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)庫、門禁系統(tǒng)等部分。門禁系統(tǒng)包括MF?RC500讀卡模塊、電力載波模塊、微處理器。其中，上位機(jī)為管理人員為整個系統(tǒng)的管理提供操作平臺。數(shù)據(jù)庫用于存儲系統(tǒng)自身以及游客反饋的數(shù)據(jù)。門禁系統(tǒng)分為進(jìn)/出口門禁以及各個子區(qū)域的門禁。每個門禁看作為一個從機(jī)，每個從機(jī)都通過電力線與主機(jī)相連，從機(jī)與主機(jī)可以相互通信。從機(jī)負(fù)責(zé)讀卡、獲得實(shí)時游客信息以及控制門禁，并將數(shù)據(jù)以一定周期定時發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)將各從機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理再通過串口發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并顯示在上位機(jī)界面。訪客也可以通過手持終端查看各個子區(qū)域信息，比如相關(guān)區(qū)域的實(shí)時人數(shù)、概述信息、自身大概位置等。

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

1.1 系統(tǒng)在景區(qū)的應(yīng)用

在景區(qū)進(jìn)出口以及各個景點(diǎn)進(jìn)出口分別設(shè)置有門禁系統(tǒng)，游客在各個門禁處刷卡打開或關(guān)閉門禁，從機(jī)識別游客電子門票后，打開或關(guān)閉門禁，從機(jī)微處理器計(jì)算進(jìn)出口門禁讀卡數(shù)據(jù)得出景區(qū)或景點(diǎn)的實(shí)時人數(shù)，并利用電力載波技術(shù)通過電力線將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)，主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過RS 232串口最終傳送到上位機(jī)。上位機(jī)在收到匯總后的數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，顯示在上位機(jī)界面，并用不同顏色標(biāo)示各景點(diǎn)人數(shù)對管理人員提出調(diào)度意見。管理人員可根據(jù)實(shí)時人數(shù)通知售票處限制售票數(shù)量或促銷，管理人員亦可查看當(dāng)前景區(qū)內(nèi)各個景點(diǎn)的實(shí)時人數(shù)，引導(dǎo)分散人流，緩解景點(diǎn)擁擠狀況。游客也可以在手持設(shè)備上通過互聯(lián)網(wǎng)查看自己在景區(qū)內(nèi)的大概位置以及各景點(diǎn)的實(shí)時人數(shù)合理制定游覽路線。上位機(jī)將各景點(diǎn)一定周期內(nèi)的接納游客人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比較以便管理人員直觀地了解景區(qū)的運(yùn)營情況。管理人員通過對比，了解每個景點(diǎn)的運(yùn)營情況，從而有的放矢地解決景區(qū)存在的問題，改進(jìn)景點(diǎn)的軟硬件設(shè)施，提升景區(qū)的整體吸引力。此外，系統(tǒng)通過算法對游客游覽記錄進(jìn)行分析得到游客在景區(qū)內(nèi)的熱門游覽線路，管理人員通過熱門路徑合理安排商業(yè)活動，增加景區(qū)收入。

1.2 系統(tǒng)在大型展覽中的應(yīng)用

很多展覽如大型車展的會場一般面積巨大，整個會場一般分為很多分會場便于管理。針對這種應(yīng)用場合，系統(tǒng)使用RFID電子門票，參觀者購買所需要的門票，該門票只能打開相應(yīng)分會場門禁。各個分會場門禁可以統(tǒng)計(jì)該分會場內(nèi)實(shí)時訪客人數(shù)，并通過電力載波通信技術(shù)上傳至上位機(jī)，游客亦可通過網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)，查看會場內(nèi)的情況，選擇適合的參觀路線。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是利用射頻信號通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并達(dá)到識別目的的技術(shù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可以對高速運(yùn)動物體實(shí)現(xiàn)識別，亦可同時對多個標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)識別，操作快捷方便。RFID技術(shù)的基本工作原理：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間耦合，在耦合通道內(nèi)根據(jù)時序關(guān)系實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)交換，最終由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[1?4]。典型的RFID系統(tǒng)如圖3所示。

電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)有的電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程的檢測和控制中，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越普遍。由于電力載波通信技術(shù)在實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信的同時可以避免重新架設(shè)線路網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省人力物力成本，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)景區(qū)及各個景點(diǎn)與主機(jī)的通信。

系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)部分如圖4所示。其中，讀寫卡模塊由子處理器、MF?RC500和天線電路組成。

MF?RC500是ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)下低成本、高集成、高性能的Mifare非接觸式讀寫芯片，基于13.56 MHz的非接觸通信模式。MF?RC500內(nèi)部有高集成的調(diào)制解調(diào)模塊，內(nèi)部發(fā)射器可以直接驅(qū)動基于13.56 MHz的非接觸式天線，最大通信距離可以達(dá)到10 cm。MF?RC500在基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式通信的場合，如交通卡、飯卡、門禁系統(tǒng)等場合有廣泛的應(yīng)用。讀卡模塊的原理如圖5所示。

讀寫卡模塊的工作原理如下：讀寫器向射頻卡發(fā)1組固定頻率的電磁波，電子標(biāo)簽內(nèi)有1個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有1個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)[5]。

LC諧振電路的諧振頻率調(diào)諧至閱讀器的工作頻率為13.56 MHz，其值由湯姆遜公式得出：

[f=12πLC] （1）

天線電感的估算公式如下：

[L=2×l1×lnl1D1-K×N1.8] （2）

式中：L為天線電感估計(jì)值，單位為nH；[l1]為一圈天線導(dǎo)線環(huán)的長度，單位為cm；[D1]為PCB線圈導(dǎo)線的寬度；若線圈為環(huán)形，則K=1.07，若線圈為矩形，則K=1.47；N為線圈匝數(shù)。根據(jù)式（2），并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，完成匹配天線的設(shè)計(jì)，如圖6所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的各門禁通過讀寫卡模塊與訪客手持的電子門票進(jìn)行讀寫操作完成數(shù)據(jù)采集，并以一定時間為周期利用電力載波技術(shù)通過電力線向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)接收并處理各從機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，處理后通過串口發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)繼續(xù)對各數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、計(jì)算、顯示等處理。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，涉及到了一些技術(shù)上的難點(diǎn)，主要有：由于大型景區(qū)（展覽）內(nèi)有眾多景點(diǎn)（分會場）而且節(jié)假日期間訪客人數(shù)非常大，短時間內(nèi)的刷卡次數(shù)過多，數(shù)據(jù)更新過快容易造成系統(tǒng)的異常。為了解決這個問題，系統(tǒng)采用各從機(jī)按周期輪流向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的方式為主機(jī)更新數(shù)據(jù)，可以有效避免短時間內(nèi)主機(jī)接收大量數(shù)據(jù)的情況。由于RFID技術(shù)是建立在無線通信的基礎(chǔ)上，相比于有線通信，安全性一直是制約其發(fā)展的一個重大因素。為了提高系統(tǒng)的安全性，增強(qiáng)門票的防衛(wèi)能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用DES加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

3 RFID加密算法研究

3.1 DES加密算法

DES算法（Data Encryption Standard）是1972年IBM公司研制的對稱密碼體制加密算法。DES加密算法是用64位密鑰（實(shí)際用56位）來加密（解密）64位數(shù)據(jù)，加密的過程實(shí)際上是16輪次對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與代換操作。

DES算法的核心是一個輪函數(shù)。明文（密文）數(shù)據(jù)經(jīng)過初始置換后進(jìn)行16次輪函數(shù)的操作，最后輸出加密（解密）結(jié)果。在每一次輪函數(shù)的操作中使用的密鑰Ki是初始密鑰經(jīng)過變換后得到的，所以每一輪的密鑰都不同；對于輸入的64位明文數(shù)據(jù)，算法將其分成長度相同的兩部分[Li]，[Ri]進(jìn)行處理，則每輪輸出給下一輪的64位數(shù)據(jù)為：

[Li+1=Ri]

[Ri+1=Li⊕P（S（E（Ri）⊕Ki））]

其中，E表示將右半部分的32位數(shù)據(jù)擴(kuò)展為48位，與密鑰異或后經(jīng)過8個S盒處理，每個S盒接收6位的輸入，產(chǎn)生4位的輸出。然后經(jīng)過一個置換矩陣P，與左半部分再次異或后作為下一輪函數(shù)的右半部分?jǐn)?shù)據(jù)[6?7]。

由以上仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出DES加密算法對于數(shù)據(jù)加密切實(shí)有效，將其應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中可以較好地解決系統(tǒng)的安全性問題。

4 結(jié) 語

針對旅游景區(qū)，系統(tǒng)通過算法對游客游覽記錄進(jìn)行分析得到游客在景區(qū)內(nèi)的熱門游覽線路，管理人員通過熱門路徑合理安排商業(yè)活動，增加景區(qū)收入。經(jīng)過試驗(yàn)證明，系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)電子門票的功能，還可以對景區(qū)（會場）以及景區(qū)（會場）內(nèi)各景點(diǎn)（分會場）的實(shí)時人數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以便管理人員合理調(diào)整景區(qū)（會場）及各個景點(diǎn)（分會場）的游客人數(shù)；為管理人員評估各個景點(diǎn)的運(yùn)營情況提供數(shù)據(jù)參考，實(shí)現(xiàn)景區(qū)的智能化管理和服務(wù)；方便訪客合理安排參觀路線，避開人流過大的參觀路線，提升游覽體驗(yàn)；有利于節(jié)約資源，保護(hù)景區(qū)生態(tài)環(huán)境，提升景區(qū)綜合競爭力。在圖書館的使用亦可幫助師生提高工作效率。

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