基于无线射频识别与电力载波的特定场合服务系统的研究

郭国法+高杨浩++张开生

摘 要： 针对目前景区以及大型展览的智能化管理运营的欠缺，以及国家对低碳环保节约能源的号召，该文研究一种基于无线射频识别与电力载波的特定场合服务系统。系统通过使用电子门票取代传统纸质门票，通过RFID以及电力载波技术实现了对区域内以及各子区域实现实时人数的监控，帮助管理人员掌握实时访客人数，从而采取相应措施对区域内实时人数进行动态调整，保证景区游客人数处于景区可承载范围之内，最大化提升景区内游客的舒适度。系统针对旅游景区还对游客游览信息进行记录，有利于景区管理人员对区内各个景点进行评估。系统利用上位机软件处理得到景区内的热门路径，有利于景区合理安排商业活动，增加景区收入。结果表明，使用该系统可以实现节约资源保护环境的目的。

关键词： 无线射频识别； 景区； 实时人数； 电力载波通信； 特定场合服务系统

0 引 言

目前，绝大多数的旅游景区、游乐场所以及大型展览都采用纸质的门票，对于上述场合的现代化运营及管理来说，传统纸质门票有以下几种缺陷：这种门票无法实现回收利用，造成了资源的浪费； 使用纸质门票必须要有专门的工作人员完成检票工作，增加人力成本；纸质门票无法为访客及管理方提供更多现代化功能；传统的纸质门票也无法满足管理人员对掌握实时访客数量的需求。尤其是对于景区来说，其可以承载的游客人数有一定的范围，超出这个范围，游客不断增加，对自然环境的影响和破坏就会越来越大、游客观光效果也会越来越差；在一个景区之内，各个景点的运营情况不同，有的景点对游客吸引力大，而有的景点几乎无法吸引游客，甚至由于年久失修、不合理的设计或者不人性化的服务对景区形象造成负面影响。上述的问题广泛存在于使用传统纸质门票的景区或其他大型活动之中。

针对上述问题，系统设计了一种基于RFID技术与电力载波技术的特定场合与访客之间的服务与反馈的系统。为了景区能得到更好的发展，系统设计了游客信息反馈环节，并通过对反馈信息进行统计处理并以可视化的形式展示给管理人员，可以使管理人员较好地了解系统内的实际状况。访客可以通过手持终端远程访问，合理安排参观线路，从而提高科学管理程度以及游客的游览体验。在系统防伪方面，系统设计使用DES加密算法提高电子门票的防伪能力。

1 系统总体设计

系统的主体架构如图1所示。本系统可以用于大型旅游景区、大型游乐场以及大型展览，校园图书馆等场合，采用RFID技术实现电子门票功能，在此基础上，通过RFID电子标签卡对游客游览信息进行记录，并利用电力载波技术以及上位机软件对数据进行传输以及统计汇总等处理对系统实现信息反馈，实现了对系统覆盖区域整体以及各个子区域实时游客人数的统计。系统还可以为来访者介绍景点或各个子区域的信息，引导访客合理规划参观路线。

此外，针对旅游景区以及游乐场系统可以实现各个景点对游客吸引力的评估。 系统的组成包括上位机、数据库、门禁系统等部分。门禁系统包括MF?RC500读卡模块、电力载波模块、微处理器。其中，上位机为管理人员为整个系统的管理提供操作平台。数据库用于存储系统自身以及游客反馈的数据。门禁系统分为进/出口门禁以及各个子区域的门禁。每个门禁看作为一个从机，每个从机都通过电力线与主机相连，从机与主机可以相互通信。从机负责读卡、获得实时游客信息以及控制门禁，并将数据以一定周期定时发送给主机。主机将各从机发来的数据进行汇总处理再通过串口发送至上位机。上位机对所有数据进行处理，并显示在上位机界面。访客也可以通过手持终端查看各个子区域信息，比如相关区域的实时人数、概述信息、自身大概位置等。

系统硬件框图如图2所示。

1.1 系统在景区的应用

在景区进出口以及各个景点进出口分别设置有门禁系统，游客在各个门禁处刷卡打开或关闭门禁，从机识别游客电子门票后，打开或关闭门禁，从机微处理器计算进出口门禁读卡数据得出景区或景点的实时人数，并利用电力载波技术通过电力线将数据传输至主机，主机对数据进行处理后通过RS 232串口最终传送到上位机。上位机在收到汇总后的数据后，对这些数据进行处理和分析，显示在上位机界面，并用不同颜色标示各景点人数对管理人员提出调度意见。管理人员可根据实时人数通知售票处限制售票数量或促销，管理人员亦可查看当前景区内各个景点的实时人数，引导分散人流，缓解景点拥挤状况。游客也可以在手持设备上通过互联网查看自己在景区内的大概位置以及各景点的实时人数合理制定游览路线。上位机将各景点一定周期内的接纳游客人数进行统计，比较以便管理人员直观地了解景区的运营情况。管理人员通过对比，了解每个景点的运营情况，从而有的放矢地解决景区存在的问题，改进景点的软硬件设施，提升景区的整体吸引力。此外，系统通过算法对游客游览记录进行分析得到游客在景区内的热门游览线路，管理人员通过热门路径合理安排商业活动，增加景区收入。

1.2 系统在大型展览中的应用

很多展览如大型车展的会场一般面积巨大，整个会场一般分为很多分会场便于管理。针对这种应用场合，系统使用RFID电子门票，参观者购买所需要的门票，该门票只能打开相应分会场门禁。各个分会场门禁可以统计该分会场内实时访客人数，并通过电力载波通信技术上传至上位机，游客亦可通过网络访问系统，查看会场内的情况，选择适合的参观路线。

2 实现方案

2.1 系统的硬件实现

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术，是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并达到识别目的的技术，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可以对高速运动物体实现识别，亦可同时对多个标签实现识别，操作快捷方便。RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器通过耦合元件实现射频信号的空间耦合，在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递和数据交换，最终由上位机实现数据处理[1?4]。典型的RFID系统如图3所示。

电力载波通信是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，利用现有的电线就能进行数据传输。在现代生产过程的检测和控制中，远程控制系统应用越来越普遍。由于电力载波通信技术在实现实时通信的同时可以避免重新架设线路网络，节省人力物力成本，因此本系统设计利用该技术实现景区及各个景点与主机的通信。

系统的门禁系统部分如图4所示。其中，读写卡模块由子处理器、MF?RC500和天线电路组成。

MF?RC500是ISO/IEC 14443标准下低成本、高集成、高性能的Mifare非接触式读写芯片，基于13.56 MHz的非接触通信模式。MF?RC500内部有高集成的调制解调模块，内部发射器可以直接驱动基于13.56 MHz的非接触式天线，最大通信距离可以达到10 cm。MF?RC500在基于ISO/IEC 14443A标准的非接触式通信的场合，如交通卡、饭卡、门禁系统等场合有广泛的应用。读卡模块的原理如图5所示。

读写卡模块的工作原理如下：读写器向射频卡发1组固定频率的电磁波，电子标签内有1个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有1个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据[5]。

LC谐振电路的谐振频率调谐至阅读器的工作频率为13.56 MHz，其值由汤姆逊公式得出：

[f=12πLC] （1）

天线电感的估算公式如下：

[L=2×l1×lnl1D1-K×N1.8] （2）

式中：L为天线电感估计值，单位为nH；[l1]为一圈天线导线环的长度，单位为cm；[D1]为PCB线圈导线的宽度；若线圈为环形，则K=1.07，若线圈为矩形，则K=1.47；N为线圈匝数。根据式（2），并查阅相关文献，结合实践经验，完成匹配天线的设计，如图6所示。

2.2 系统的软件实现

系统中的各门禁通过读写卡模块与访客手持的电子门票进行读写操作完成数据采集，并以一定时间为周期利用电力载波技术通过电力线向主机发送数据，主机接收并处理各从机发来的数据，处理后通过串口发送至上位机，上位机继续对各数据进行保存、计算、显示等处理。

在系统的设计中，涉及到了一些技术上的难点，主要有：由于大型景区（展览）内有众多景点（分会场）而且节假日期间访客人数非常大，短时间内的刷卡次数过多，数据更新过快容易造成系统的异常。为了解决这个问题，系统采用各从机按周期轮流向主机发送数据的方式为主机更新数据，可以有效避免短时间内主机接收大量数据的情况。由于RFID技术是建立在无线通信的基础上，相比于有线通信，安全性一直是制约其发展的一个重大因素。为了提高系统的安全性，增强门票的防卫能力，系统设计使用DES加密算法对数据进行加密。

系统软件流程图如图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公司研制的对称密码体制加密算法。DES加密算法是用64位密钥（实际用56位）来加密（解密）64位数据，加密的过程实际上是16轮次对数据的转换与代换操作。

DES算法的核心是一个轮函数。明文（密文）数据经过初始置换后进行16次轮函数的操作，最后输出加密（解密）结果。在每一次轮函数的操作中使用的密钥Ki是初始密钥经过变换后得到的，所以每一轮的密钥都不同；对于输入的64位明文数据，算法将其分成长度相同的两部分[Li]，[Ri]进行处理，则每轮输出给下一轮的64位数据为：

[Li+1=Ri]

[Ri+1=Li⊕P（S（E（Ri）⊕Ki））]

其中，E表示将右半部分的32位数据扩展为48位，与密钥异或后经过8个S盒处理，每个S盒接收6位的输入，产生4位的输出。然后经过一个置换矩阵P，与左半部分再次异或后作为下一轮函数的右半部分数据[6?7]。

由以上仿真的实验结果可以得出DES加密算法对于数据加密切实有效，将其应用在RFID系统中可以较好地解决系统的安全性问题。

4 结 语

针对旅游景区，系统通过算法对游客游览记录进行分析得到游客在景区内的热门游览线路，管理人员通过热门路径合理安排商业活动，增加景区收入。经过试验证明，系统不仅可以实现电子门票的功能，还可以对景区（会场）以及景区（会场）内各景点（分会场）的实时人数进行监控，以便管理人员合理调整景区（会场）及各个景点（分会场）的游客人数；为管理人员评估各个景点的运营情况提供数据参考，实现景区的智能化管理和服务；方便访客合理安排参观路线，避开人流过大的参观路线，提升游览体验；有利于节约资源，保护景区生态环境，提升景区综合竞争力。在图书馆的使用亦可帮助师生提高工作效率。

参考文献

[1] 游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] 缪中华.RFID技术在地铁自动售检票机中的应用[J].电子技术与软件工程，2015（7）：120.

[3] 李赵麒.智能手持式RFID读写器的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2013.

[4] 钟经伟.基于RFID技术的智能景区系统设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（16）：8?11.

[5] 李和平，黎福海.基于MF RC500的Mifare射频卡读写器设计[J].电测与仪表，2007（9）：61?64.

[6] 罗斌.基于动态加密算法的RFID系统安全性研究与设计[D].北京：北京邮电大学，2010.

[7] 刘念，殷业，叶龙，等.一种改进的高效RFID加密安全协议[J].计算机工程，2014（7）：87?91.

[8] 冉建华.射频识别技术在九寨沟景区应用分析[J].铁路计算机应用，2009（3）：34?36.

[9] 陈凤，郑文刚，申长军，等.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制，2009（22）：188?195.

[10] 李水明.基于电力线载波技术的嵌入式视频监控系统研究[D].柳州：广西科技大学，2013.