李文 趙明

【摘要】隨著科技的發(fā)展，RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但在電子火車票上的研究還比較少，藉此開展了對(duì)電子火車票的研究。本文介紹了把如何RFID技術(shù)應(yīng)用于火車票上，制成電子火車票。首先對(duì)RFID技術(shù)及電子標(biāo)簽的工作原理、特點(diǎn)做了簡(jiǎn)單的介紹。再主要對(duì)研究中的程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)的總體思想闡述。電子火車票的研究將會(huì)促進(jìn)未來鐵路客運(yùn)售票、檢票的自動(dòng)化發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】RFID;電子火車票;電子標(biāo)簽;檢票自動(dòng)化

Abstract：With the development of technology，the field of the application of RFID technology is extending. It is much less that the researching on the Visible Electronic Train Ticket（VEET）. So we had a studying on it. The article introduces RFID technology that is applied to train ticket，how to utilize it make the VEET. In the first part of the article is about introducing working theories and feature of the RFID technology and Electronic tags. Then the article mainly introduces how to make designing on program and circuit. The researching of VEET will promote automation on ticket selling and checking of railway transport in the feature.

Key Words：Electronic Train Ticket;RFID technology;Electronic tags;ticket selling and checking

引言

中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，每年的鐵路客運(yùn)量達(dá)到數(shù)十億人次[1]，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同樣數(shù)量的紙質(zhì)火車票，造成了巨大的資源浪費(fèi)，而且紙質(zhì)火車票的售票、驗(yàn)票存在著效率低的問題，這也是基于RFID技術(shù)可視化電子火車票（電子火車票）研究的原因。

隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，RFID已在多方面成功應(yīng)用，比如：圖書館管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和地鐵票證等等。而國(guó)內(nèi)目前在電子火車票方面的研究比較少，所以電子火車票的研究是具有潛力的。

本次研究在可視化上采用MFRC522芯片構(gòu)成的讀寫模塊與單片機(jī)相結(jié)合，單片機(jī)通過讀寫模塊間接對(duì)M1卡數(shù)據(jù)修改和讀取，再通過液晶模塊顯示出乘客信息。

1.RFID技術(shù)及MIFARE卡片介紹：

1.1 RFID技術(shù)

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識(shí)別。是一種無線通信技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[2]，無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。當(dāng)M1卡進(jìn)入感應(yīng)區(qū)后，讀寫設(shè)備會(huì)對(duì)M1卡進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、驗(yàn)證，再對(duì)M1卡的數(shù)據(jù)操作。

RFID可分為無源、有源品、半有源三大類，無源在頻段上又可分為低頻125KHZ、高頻13.56MHZ、超高頻433MHZ和超高頻915MHZ。無源RFID標(biāo)簽具有價(jià)廉、輕小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，本次研究中要實(shí)現(xiàn)非接觸式、近距離信息通訊，因此采用無源高頻RFID技術(shù)。

1.2 M1卡

M1卡作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)，屬于非接觸式IC卡。它的容量為8Kb EEPROM，分16個(gè)獨(dú)立扇區(qū)（編號(hào)0～15）和64個(gè)塊（編號(hào)0～63），其中除去每個(gè)扇區(qū)的最后一塊（密碼塊）和第0塊（廠商代碼塊），剩有47個(gè)塊供存儲(chǔ)信息。每個(gè)扇區(qū)可用獨(dú)立密碼驗(yàn)證。

工作流程如圖1所示：M1卡具有防沖突機(jī)制[3]，可以消去多卡同時(shí)進(jìn)去感應(yīng)區(qū)引起的沖突。當(dāng)一個(gè)扇區(qū)訪問結(jié)束，要訪問其它扇區(qū)時(shí)，就要對(duì)新扇區(qū)密碼驗(yàn)證，這樣可以提高信息存儲(chǔ)安全度。

圖1 M1卡工作流程圖

2.總體設(shè)計(jì)思路

向M1卡寫數(shù)據(jù)。以單片機(jī)作為核心模塊，把單片機(jī)和MFRC522制成的讀寫模塊用硬件電路結(jié)合，通過單片機(jī)控制讀寫模塊對(duì)M1卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。試先編好控制程序，當(dāng)M1卡進(jìn)入讀寫模塊的感應(yīng)區(qū)后，上位機(jī)軟件會(huì)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收完數(shù)據(jù)后通過讀寫模塊把數(shù)據(jù)再寫到M1卡上，如圖2所示。

讀取M1卡的數(shù)據(jù)，顯示M1卡上數(shù)據(jù)包含的信息。M1卡進(jìn)入讀寫模塊的感應(yīng)區(qū)，讀寫器通過天線給M1卡提供能量，喚醍M1卡，把卡中的數(shù)據(jù)讀回到單片機(jī)的存儲(chǔ)空間，單片機(jī)再把獲得的數(shù)據(jù)放在要顯示的數(shù)據(jù)變量空間中，液晶模塊調(diào)用顯示數(shù)據(jù)變量空間肥數(shù)據(jù)顯示出來，如圖3所示。

圖2 乘客信息傳遞流程

圖3 液晶工作流程

3.程序設(shè)計(jì)

3.1 液晶顯示程序

在顯示上，要顯示出乘客的乘車信息，比如：始發(fā)站在和目的地、車次、時(shí)間等等，因研究中所用的顯示屏為NOKIA5110型號(hào)，其滿屏顯示的內(nèi)容有限，所以將分三次顯示。

首先對(duì)液晶初始化，設(shè)置液晶的偏置電壓、基本指令、顯示模式。單片機(jī)與液晶通信為SPI通信方式，編寫一個(gè)用SPI傳數(shù)據(jù)的調(diào)用函數(shù)：void LCD_write_byte（unsigned char dt，unsigned char command），這個(gè)函數(shù)在液晶顯示中多次調(diào)用。再者對(duì)液晶的顯示坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，調(diào)用函數(shù)void LCD_set_XY（unsigned char X，unsigned char Y）函數(shù)中X為顯示的所在列，Y為顯示的所在行。以上是液晶的初始及基本調(diào)用函數(shù)。

單片機(jī)向讀寫模塊發(fā)命令讀取M1卡的數(shù)據(jù)，再把從M1卡讀回的數(shù)據(jù)送入液晶顯示要引用的數(shù)據(jù)空間中，顯示函數(shù)把獲得的數(shù)據(jù)再送入液晶中顯示。當(dāng)數(shù)據(jù)據(jù)顯示完后，單片機(jī)再向讀寫模塊發(fā)命令，重復(fù)傳遞液晶顯示數(shù)據(jù)的過程，直到運(yùn)行到單片機(jī)程序中預(yù)設(shè)的斷點(diǎn)處停止。

顯示子程序中建立固定的字庫(kù)，例如：始發(fā)地、車箱、坐位等等。這樣可以減小M1卡的容量負(fù)擔(dān)，把建立好的字庫(kù)中的信息預(yù)設(shè)顯示在液晶上，讀取的車票信息直接在留下對(duì)應(yīng)的空位處寫上，當(dāng)寫滿預(yù)設(shè)的屏幕顯示信息，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)用清屏指令，把前一屏寫的信息擦除，以便后面的信息顯示。

3.2 讀寫程序

讀寫程序在基礎(chǔ)建立在飛利浦公司編寫的調(diào)用函數(shù)之上，當(dāng)對(duì)M1卡進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，要編寫程序調(diào)用函數(shù)庫(kù)的中子程序。

如圖1所示，打開系統(tǒng)電源后，主函數(shù)中首先調(diào)用尋卡函數(shù)、防沖突[4]函數(shù)和選卡函數(shù)。如果沒有M1 卡趕往感應(yīng)區(qū)，程序一直在尋卡函數(shù)處循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)M1卡進(jìn)行感應(yīng)區(qū)，系統(tǒng)搜尋到感應(yīng)區(qū)的卡片，程序才會(huì)繼續(xù)向下運(yùn)行。經(jīng)過尋卡、防沖突、選卡確定一個(gè)M1卡作為操作對(duì)象。再對(duì)M1卡扇區(qū)（可以任意指定某一扇區(qū)）首次密碼驗(yàn)證，密碼驗(yàn)證無誤才可以對(duì)M1卡中的數(shù)據(jù)操作。訪問其它扇區(qū)時(shí)，系統(tǒng)通過對(duì)其它扇區(qū)的密碼驗(yàn)證，再次的驗(yàn)證可以使用其它密碼，也就是說每次的驗(yàn)證使用獨(dú)立的密碼，保證的扇區(qū)的獨(dú)立性，和數(shù)據(jù)的安全性。

主函數(shù)中建立一個(gè)密碼庫(kù)，放在單片機(jī)的內(nèi)存空間，每一個(gè)密碼對(duì)應(yīng)一個(gè)扇區(qū)的驗(yàn)證密鑰，對(duì)M1 卡驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)動(dòng)密碼庫(kù)中的密碼和M1 卡的扇區(qū)密鑰匹配。密碼庫(kù)中的密碼可以在需要更改時(shí)重新修改，用不同的密碼和可更改的密碼庫(kù)對(duì)M1卡加密驗(yàn)證，大大提高的M1卡攜帶的數(shù)據(jù)安全和不可復(fù)制性。

4.硬件設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中，使用STC89C52RC單片機(jī)作為微控制器，以單片機(jī)最小系統(tǒng)板作為核心載體。再以MFRC522芯片作為讀寫模塊的核心，通過SPI通信方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊。單片機(jī)與讀寫模塊用插槽結(jié)構(gòu)連接，方便讀寫模塊與單片機(jī)的分離和組合。

單片機(jī)最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)，包括電源、復(fù)位電路、晶振、蜂鳴器等。電源使用USB接口電路、+5V直流電源供電。復(fù)位電路由串聯(lián)電容、電阻器構(gòu)成，這里使用10K電阻和10uF電容。復(fù)位電路存在作用是當(dāng)單片機(jī)程序跑飛時(shí)，按下復(fù)位鍵單片機(jī)會(huì)停下，然后重頭運(yùn)行程序，無需斷電重啟。當(dāng)讀寫乘客的信息時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，通過復(fù)位鍵很快的停止程序錯(cuò)誤地運(yùn)行，避免了從新上電引起的問題。

晶振電路，它是是單片機(jī)最重要的部分，晶振產(chǎn)生單片機(jī)工作的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在晶振提供的時(shí)鐘頻率上，單片機(jī)的電路中使用11.0592MHz晶振，采用三端式接法，如圖4所示：

圖4 單片機(jī)的晶振電路

電路中蜂鳴器提醒裝置，用PNP型的三極管和一個(gè)4.7K的電阻組成，三極管的基極與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相接，基極置位時(shí)，三極管處于關(guān)斷狀態(tài);基極清除位時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作。在程序設(shè)計(jì)中，讀寫器和M1卡進(jìn)行一次正確的數(shù)據(jù)通信后，單片機(jī)會(huì)拉低與基極相接的I/O口的電位，三極導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音，提醒用戶電子火車票工正常。

讀寫器中采用MFRC522芯片，該芯片采用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，支持 13.56MHz 頻段所有被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，并支持 ISO14443A 所有的層，傳輸速度最高可達(dá) 424kbps，應(yīng)用比較廣泛[5]。讀寫模塊的電路中包含，晶振電路、通信方式選擇電路等。這里的晶振電路也采用三端式接法，電路中所用的晶振頻率為27.12MHZ，通過二分頻后頻得到目前高頻通信所用的13.56MHz的頻率。

圖5 讀寫模塊Pcb圖

表1 ?MRFC522通信方式選接口擇

天線是讀寫模塊中最復(fù)雜，最重要的部分，天線的質(zhì)量決定了在與M1卡通信中射頻信號(hào)的質(zhì)量，設(shè)計(jì)中采用了Philips公司提供的參考電路[6]，根據(jù)參考電路中所給定的設(shè)計(jì)參數(shù)直接制作。其中MFRC522的四個(gè)引腳TX1、TX2、WMID、RX與天線部分連接，TX1、TX2為天線部分提供能量載波。RX引腳在天線感應(yīng)到M1卡發(fā)送的信號(hào)作為輸入端，把信號(hào)送入MFRC522芯片處理。電路如圖5所示。

讀寫模塊的SPI通信。MFRC522可以支持多種通信方式，如：SPI、I2C和UART。工作中MFRC522可復(fù)位其接口，并自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前微控制器接口的類型。其連接方式如表1所示。

實(shí)際電路中I2C引腳接地，EA引接接高電平，使MFRC522工作在SPI通信方式。

5.測(cè)試、調(diào)試

程測(cè)試中遇到的問題，如：怎么對(duì)M1卡的指定塊訪問、多扇區(qū)訪問、液晶顯示的數(shù)據(jù)傳送等。M1卡的訪問需要通過，尋卡、防沖突、選擇卡這三步確定對(duì)象，再對(duì)其進(jìn)行密鑰驗(yàn)證。M1卡扇區(qū)的密碼一定要保存?zhèn)溆?，一旦忘記就很難找回，那樣扇區(qū)就作廢了。訪問其它扇區(qū)時(shí)，一定要重新驗(yàn)證扇區(qū)的密碼，不然扇區(qū)會(huì)絕訪問，訪其它扇區(qū)問時(shí)不需要重新上電。液晶讀取數(shù)據(jù)顯示的位置不對(duì)、亂碼等，對(duì)函數(shù)語句逐一排查，如：變量的自增加、初始、調(diào)用位置等。

硬件電路運(yùn)用Keil聯(lián)合Protuse仿真，測(cè)試單片機(jī)和液晶模塊組合工作狀態(tài)，再制成實(shí)物與讀寫模塊一起調(diào)試，測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定性，完整性，感應(yīng)區(qū)的范圍。對(duì)于出現(xiàn)了信號(hào)不穩(wěn)定、不完整的情況，把濾波電路，發(fā)送天線重新檢查，是否焊接、線路排布、器件參數(shù)等有問題。調(diào)試成功結(jié)果如圖6所示：

圖6 樣品展示

6.總結(jié)

RFID技術(shù)會(huì)隨著科技的發(fā)展應(yīng)用于更寬的生活領(lǐng)域，RFID在電子火車票上的應(yīng)用也是一個(gè)潛在的領(lǐng)域。本文介紹了把RFID應(yīng)用在火車票上，鑒于RFID便捷、易操作、安全等特性制成電子火車票。電子火車票的使用會(huì)將大大提高鐵路客運(yùn)的效率，同時(shí)電子火車票避免的紙質(zhì)火車票的資源浪費(fèi)，起到了環(huán)保的作用，響應(yīng)了國(guó)家低碳發(fā)展的理念。但電子標(biāo)簽作為火車票技術(shù)還不成熟，電子火車票的使用還需要一套完整的系統(tǒng)，需要更多的研究。

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：AH201310371026）。