城市一卡通中RFID物联网技术的应用

席慧颖 由睿 张晓君

摘要：基于RFID的物联网技术在城市一卡通建设中有广泛的应用，市民在乘坐公交、地铁等方面已经得到了体验，这为城市信息化的发展带来了极大的便利，方便了市民的生活。本文将进一步对城市一卡通所能覆盖的行业进行探索，结合市民生活相关的消费应用、医疗应用、金融应用、商业应用等方面的现实情况，提出了城市一卡通功能整合的观点，并给出一套较完整一卡通建设方案，积极探索RFID技术在城市建设和发展中的应用，充分发挥目前已有的建设优势，为未来地区间物联网的融合，实现一卡通跨区域使用打下了基础。

关键词：RFID技术物联网技术城市一卡通

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

1 前言

随着社会经济的发展，公交、地铁、电车等交通工具在城市早已司空见惯，市民乘坐交通工具刷卡也早已经成为一种习惯，而这个过程中射频识别技术起到了关键作用。射频设别技术简称RFID技术，是属于非接触的信息识别技术，功能强大、安全性强，目前广泛应用于物体识别和物流运输等诸多领域。特别是物联网技术在全球范围内广泛兴起以来，针对RFID技术在物联网中的应用成为一个热点。欧美等发达国家对于RFID技术在物联网的应用研究较早，已经广泛应用在制造业、企业管理等方面。我国自2005年将RFID技术引入以来，目前各地对于该方面的研究和建设都有突破，特别是目前人们使用的第二代身份证核心芯片就使用了RFID技术[1]，极大地方便了人们的生活，促进了城市信息化的发展。

2 基于RFID物联网技术在一卡通应用原理

物联网技术，也被称作IOT技术，是新型的识别技术，利用该技术能对物体进行跟踪、识别、管理等[2]。物联网技术由诸多部分组成，基础核心依然是互联网。使用射频识别技术、激光扫描技术等信息采集设备，将物体的数据信息采集起来，通过互联网进行传输，来完成对物体的管理。对于物体的信息采集而言，目前常用的有RFID技术、二维码扫描技术、一维条码扫描技术、蓝牙技术等[3]。一维条码扫描技术常用于图书信息、商品信息当中，目前已经逐步开始淘汰；二维码扫描技术适用于大规模生产当中，需要互联网才可以识别；蓝牙技术由于标准不统一的局限性，使用范围不广泛；相比而言，RFID技术属于非接触技术，存储信息量大，识别速度快，不需要网络即可完成。RFID技术主要由电子标签（分为有源标签和无源标签，有源标签能够自动发出射频信号，无源标签被动接收信号）[4]、信息采集设备、信息处理设备三部分组成。其基本工作原理是信息采集设备发射射频扫描信号，扫描信号以一定的频率定期进行扫描，按照频率的不同有一定的距离要求。带有电子标签的物体进入扫描磁场以后，根据接收到的射频信号，电子标签存储信息的芯片被触发，将信息通过芯片中的天线传输到信息采集设备当中，根据采集的设备信息，信息处理设备需要进行解调和解码操作，然后传输到计算机网络系统当中，用户根据显示的内容可以了解到物品的具体的信息，并可以对物体的数据进行读写操作。应用原理如图1所示。

3 基于RFID物联网技术的优势

RFID技术目前已经广泛应用，取得了较好的效果。具体优势有以下几个方面：一是可以自动识别信息，不需要人工操作，只要物体进入到一定的范围内，就可以识别，受环境因素影响较小，特别是高速运动的物体，均可实现设别；二是安全性强，信息被写到电子标签芯片当中，芯片的加密算法比较完善，没有正确的解密器很难进行破解，安全系数比二维码、一维条码、蓝牙技术高很多；三是能够对电子标签芯片信息进行读写，反复使用，目前的公交卡就是利用该原理；四是存储信息量大，具有近16K的超大容量，可以将物体的诸多信息写入到芯片当中，可反复擦除和重写[5]；四是信息采集设备能够同时采集多个物体的电子标签信息，实现了同步采集、同步处理和同步传输功能。综合来看，RFID技术由于独有的优势，比传统的识别技术效果较好，在物流运输、身份认证等行业已经得到了广泛的应用。目前几种常用的技术所占市场份额如图2所示。

4 城市一卡通功能整合建设方案

4.1 整合建设方案分析

目前诸多城市所使用的一卡通只是将公交、地铁等简单的功能融合到了公交卡当中，而没有充分发挥出一卡通的优势。如果能将老百姓日常生活有关的事项纳入到一卡通当中，能够促进城市信息化的发展。整合后的一卡通建设方案应该将医疗、公交、社保、缴费等常用的事项融合在一起。完成住院看病缴费、公交出行、社保管理、日常生活缴费（水电气）、汽车过路缴费、消费支付等市民常用的功能。由于一卡通的设备在分散到城市当中的各个点，而且部分设备没有互联网连接，因此不能使用B/S模式进行设计，建设方案将采用C/S模式完成，每个射频扫描点均可以按照具体的使用要求对一卡通的电子标签数据进行读写，例如市民乘坐公交车时，刷卡以后，信息采集系统自动完成读的程序，将信息发送给计算机当中，计算机自动将写的程序发回到一卡通的电子标签接收芯片上，将市民的卡上余额数据进行改写，完成整个功能。整个过程不需要互联网的支持，采用C/S模式实现系统是符合目前的实际情况的，且实现较为简单，需要将上述项目信息写入到一卡通电子标签芯片当中，扫描时根据标志位的不同判断属于哪个事项（例如定义标志位信号为1是医疗、2是社会保险，医院扫描时判断信号为1时，就可以读取存放在其中的芯片信息）。同时对信息数据采用RSA的算法进行加密，每次扫描时的对接密码都不相同，即使出现赋值卡也不能使用，保证了一卡通使用的安全性。

4.2 初步功能设计

由于系统是采用C/S架构来完成，主要有两个部分组成，一是服务器端；二是客户端[6]。对于服务器端来说，主要完成数据的存储和管理工作，将用户的信息数据存放在服务器端，当客户端根据需要将请求发送到业务逻辑层时，业务逻辑层会调用服务器端的数据进行处理，然后将处理结果返回到客户端；客户端有管理终端和应用终端组成。管理终端主要是完成一卡通用户信息管理、数据信息管理、系统管理、接口管理、用户数据管理、一卡通发行管理；应用终端主要是分布在市区各处的处理设备，通过相应的程序读写一卡通的数据，包括住院看病缴费、公交出行、社保管理、日常生活缴费（水电气）、汽车过路缴费、消费支付终端。

对于管理终端而言，用户信息管理主要是对用户的信息进行基本的管理操作，这个是由一卡通管理中心来完成的，数据信息的管理是对用户卡内数据的综合管理功能；系统管理是对整个一卡通物联网的管理，包括系统的维护和升级，密码的设定，安全级别的提升等；接口管理是系统可以监控到各个应用终端是否出现异常情况；用户数据管理是对用户一卡通的金额进行读写操作，该功能根据通讯协议来完成，每台应用终端都必须进行跟踪和监控，才能保证用户的财产安全不受到威胁；一卡通发行管理是来对一卡通发售、充值、注销、挂失等基础操作和管理。而应用终端主要分布在市区各个地点，住院看病缴费可以帮助用户进行身份认证和识别，自动和医保挂钩，完成挂号、诊疗、住院治疗、自动报销多种功能；公交出行是根据具体的使用情况来扣除一卡通的金额；社保管理是将住房公积金和社会保险存入一卡通当中，用户不需要再办理其他卡就可以实现多种保险管理的功能；日常生活缴费（水电气）能够让用户不用去跑多个地区，每月使用一卡通去固定缴费点一次性缴费完毕；汽车过路缴费在用户出行时，将一卡通放置在前玻璃处，路过收费点时自动扣费，实现EPC自动缴费功能；消费支付是在用户消费时可以利用该卡作为支付卡来进行转账、消费、支付的功能。具体的功能架构如图3所示。

4.3 数据库架构设计

数据库是一卡通建设中非常重要的步骤，目前数据库发展比较成熟，常用的数据库都可以满足一卡通整合建设。但是考虑到数据的扩展性以及一卡通未来的发展，可能实现多地区共用数据库（多省市共用数据库），选择SQL Server2010作为开发工具。整个数据库设计需要建立多个数据库表格来完成数据的存放和链接，在管理终端需要建立用户表、数据信息表、系统管理信息表、接口信息表、费用信息表、发卡管理信息表，在建立数据表的过程中需要使用自然连接，将表的关系通过数据库概念设计和逻辑设计对应起来。在系统实现的过程中根据数据库表的形式，采用标准SQL语言进行实现。应用终端需要根据每个行业具体的特点建立对应的数据库表格，主要存放与各行业有关的数据信息，这些信息需要和管理终端的信息数据对应起来，才可以实现对用户一卡通的识别和读写。

4.4 整合建设实现

4.4.1 整合建设系统环境选择

系统建设过程中，其中开发过程中需要使用数据库和开发软件，其中开发软件选用VS2010，编程语言为C#，使用的数据库为SQL Server2010，系统运行支持WinXp/Win7/Win8。开发完成后需要进行系统搭建，主要有服务器端和客户端两个部分，具体搭建如表1所示。

4.4.2 整合系统方案实现

系统实现之前应该选择射频识别卡，由于采用的是非接触性质的射频卡，并且对于系统的安全、应用和环境要求较高，整合建设选用的是CPU卡，该卡中的芯片具有处理器和运存、数据存储器，类似于一个小型计算机系统，不仅仅能够对数据进行处理，还能够实现数据加密和解密功能。同时该卡还采用了动态加密的措施，每一次刷卡自动认证的密码都不同，可以有效防止出现射频卡相同的事件，适合系统使用。

系统硬件设备选择完成以后，需要对软件架构进行实行，由于软件独立分成了两个部分，即管理终端和应用终端，对于应用终端而言，在硬件设备采集到数据信息以后，需要通过read（）、write（）函数操作硬件设备，然后将读取的信息进行采集和处理，处理完成主要通过硬件设备中的解调和解密来实现，解调是将采集的信号进行还原，加密采用RSA加密算法来实现，解密后的数据通过应用终端处理后显示给用户查看。应用终端需要进行格外的数据处理，由于经常会出现多个电子标签进入设备当中，应该依次给予处理，在实际使用当中，也会有干扰因素的出现，应该能对这些数据进行筛选，在应用程序软件系统中增加排序和防碰撞算法，当碰撞出现的时候，采用分时并发处理的机制，对碰撞的信息进行排序处理，依据先后顺序分时分断处理。

管理终端的实现主要在一卡通管理中心和分中心，需要利用软件将用户的请求进行处理，处理的过程也是对用户卡信息的读写操作，处理完成以后通过计算机显示给用户。管理终端和应用终端是从属关系，其中管理终端负责应用终端，对其进行管理和控制。在管理终端实现的时候需要注意到用户权限的问题，不同的权限能够进行不同的操作，例如充值管理员只能进行充值操作；监控人员能够对各应用终端进行动态监控。系统的软件架构平台如图4所示。

4.4.3 整合系统的应用

随着信息技术的不断发展，未来城市间数字化技术也将逐步走上历史的舞台，经过整合后的城市一卡通，将诸多业务功能全部利用一张卡来实现，极大方便了市民的生活，同时将无线射频识别技术和城市物联网技术融合在了一起，利用物联网技术的优势，将分散的公共服务以及不同性质、不同特点的业务全部组织在一起，实现了一致的数据管理。整合后的系统能够在城市中扩展和应用，在城市应用以后，逐步扩展到其它地区，利用物联网信息融合和共享的特点，实现跨区域一卡通应用，进而实现全国一卡通应用。而具体的功能融合和实现将根据各个行业不同的特点，根据实际的需要增加进去，扩展性强、稳定性高，符合当代社会的发展需要。

5 结语

物联网技术和其他技术的融合发展，极大地促进了城市信息化服务的提升，而一卡通是这一过程的代表作品，它的产生基于数字化发展的综合背景之下，运用了射频识别技术、物联网技术和计算机网络技术等最新的理论，为广大市民带来了新的生活模式。尤其是RFID射频识别技术的应用，为一卡通在其它领域的普及和发展奠定了基础，市民在消息、乘车、购物、就医、社保等都可以使用一卡通来完成，避免了诸多的事项和麻烦，安全系数高，可靠性强。因此一卡通在今后有很大的发展前景。未来随着城市化进度的加快，单纯的城市一卡通已经不能适合社会的发展，能够跨区域、跨省使用，使得市民出行办事更加方便时未来一卡通研究的热点。

参考文献

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[2] 朱洪波，杨龙祥，于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报，2010（11）.

[3] 宁焕生，徐群玉.全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J].电子学报，2010（11）.

[4] 王小宁，李琪.数字城市建设与智能卡应用[J].城市问题，2009（05）.

[5] 徐济仁，陈家松，易向军，牛纪海.基于射频识别技术的图书馆智能管理系统的设计与实现[J].电子技术应用，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）.