周世晶,田　濤

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093;2.上海華虹集成電路有限責(zé)任公司,上?！?01203)

基于RFID與非接觸式Mifare1復(fù)合通行卡設(shè)計(jì)

周世晶1,田濤2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海華虹集成電路有限責(zé)任公司,上海201203)

摘要在高速公路連接成網(wǎng)的情況下,從入口到出口有多種路徑可能。為準(zhǔn)確識(shí)別實(shí)際的行車路徑,提出了一種基于RFID技術(shù)與Mifare 1的復(fù)合通行卡解決方案,通過RFID技術(shù)記錄車輛在行駛過程中接收到的路徑信息,以Mifare 1記錄入口地址及車輛型號(hào)等收費(fèi)信息,在出口處一并讀取并上傳收費(fèi)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)精確的路徑識(shí)別,為高速公路管理部門正確收取通行費(fèi)用與合理拆賬提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞RFID技術(shù);Mifare 1;路徑識(shí)別

A Compound Pass Card Design Based on RFID and Contactless Mifare 1

ZHOU Shijing1,TIAN Tao2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093,China;2.Shanghai Huahong Integrated Circuit CO.,Ltd,Shanghai 201203,China)

AbstractUnder the condition of the highway connected into a net,there may be a variety of paths from the entrance to export.A compound pass card base on RFID and Mifare 1 are designed to accurately identify the path of the actual driving.RFID is used to record the path information received during driving,and the Mifare 1 is used to record the toll information like entrance and vehicle information.The information is read at the exit to accurately identify the drive path,thus providing the basis for reasonable collection and correctly charge the highway tolls for the highway administration.

KeywordsRFID;Mifare 1;path identification

隨著高速公路的快速發(fā)展與延伸,高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)區(qū)間不斷擴(kuò)大和投資業(yè)主多元化,如何合理收費(fèi)并精確拆賬成了高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題,即“高速公路的多義性問題”。因此,本文提出了基于RFID技術(shù)和非接觸式Mifare 1的復(fù)合通行卡方案,用于解決高速公路多義性路徑問題。

1常見的路徑識(shí)別技術(shù)

目前國內(nèi)解決高速公路多義性問題的方案主要分為概率識(shí)別與精確識(shí)別。常見的概率識(shí)別方法主要有最短路徑法、概率統(tǒng)計(jì)法、協(xié)商法等;常見的精確識(shí)別方法有車牌識(shí)別與標(biāo)識(shí)站識(shí)別。

最短路徑等概率識(shí)別方法以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ),按照一定的算法估算出車輛最可能的行駛路徑。由于其無法識(shí)別車輛的真實(shí)行駛路徑,在收費(fèi)與拆賬時(shí)容易產(chǎn)生糾紛。車牌識(shí)別法是在高速公路的出、入口及路網(wǎng)每條路徑中都放置識(shí)別裝置,根據(jù)車牌這個(gè)唯一性的標(biāo)志確定實(shí)際的行駛路徑,作為精確拆賬的根據(jù),但在抓拍時(shí)對(duì)外界環(huán)境要求較高,比如在雨雪霧等不良天氣時(shí)識(shí)別率通常會(huì)大幅降低。因此,基于RFID技術(shù)的不停車式標(biāo)識(shí)方式是目前較為流行方案。

不停車式標(biāo)識(shí)法利用RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)[1],在車輛行駛過程中,通過路測(cè)安裝的電子標(biāo)識(shí)單元對(duì)車輛上的通行卡進(jìn)行標(biāo)識(shí),整個(gè)過程無需人參與自動(dòng)完成的,無需減速,不影響高速公路的通行能力,能夠充分體現(xiàn)高速公路的社會(huì)效益,是目前使用較多的一種技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵部件之一就是基于RFID技術(shù)與非接觸式Mifare 1的復(fù)合通行卡。

2多義性路徑識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成

復(fù)合通行卡收費(fèi)系統(tǒng)主要有4部分構(gòu)成,如圖2所示,分別為復(fù)合通行卡、復(fù)合讀寫器、路側(cè)標(biāo)識(shí)單元以及收費(fèi)軟件。通行車輛在高速公路入口處領(lǐng)取復(fù)合通行卡,發(fā)卡時(shí)通過布置在收費(fèi)亭內(nèi)的復(fù)合讀寫器將入口及車輛信息寫入復(fù)合通行卡。路測(cè)標(biāo)識(shí)單元安裝在有多義性路徑[2]可能的道路的兩邊,不間斷地對(duì)外發(fā)射路徑信息的信號(hào)。車輛在行駛過程中,放置在擋風(fēng)玻璃前面復(fù)合通行卡自動(dòng)識(shí)別由路測(cè)標(biāo)識(shí)單元發(fā)出的路徑信息[3-5],在正確接收到路徑信息后向路測(cè)標(biāo)識(shí)單元發(fā)送確認(rèn)信號(hào),并將該路徑信息保存[6-9]。在出口處由復(fù)合讀寫器將保存在復(fù)合通行卡中的入口及路徑信息一起讀出,通過安裝在收費(fèi)亭內(nèi)電腦上的收費(fèi)軟件的計(jì)算,即可得出該車輛的收費(fèi)情況[10]。

圖1　系統(tǒng)原理示意圖

3復(fù)合通行卡的方案設(shè)計(jì)

3.1　復(fù)合通行卡的硬件設(shè)計(jì)

復(fù)合通行卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,其包含了短距離的13.56 MHz 射頻標(biāo)簽與433 MHz的長距離射頻標(biāo)簽兩個(gè)模塊,分別用于兼容目前使用的Mifare卡收費(fèi)方案和獲取路徑信息。

Mifare 1是目前世界上使用量最大的非接觸式IC,由荷蘭飛利浦(Philips)公司發(fā)明,所采用的技術(shù)被定義成為世界標(biāo)準(zhǔn),即ISO/IEC 14443 Type A標(biāo)準(zhǔn)。Mifare 1同時(shí)也是邏輯加密卡,內(nèi)嵌有高速的 CMOS EEPROM,MCU等,工作時(shí)只需一副天線。復(fù)合讀寫器發(fā)送13.56 MHz無線載波信號(hào)耦合到天線上產(chǎn)生電壓,當(dāng)電壓達(dá)到2 V時(shí),Mifare 1開始將芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)以相同頻率發(fā)送出去。

Mifare 1內(nèi)部集成了總?cè)萘繛? kB的EEPROM,分為16個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)4塊,每塊16 B,且以塊為存取單位。除了扇區(qū)0的塊0被寫入了廠商信息不可更改外,其他每個(gè)扇區(qū)的塊3是控制塊,包含了該扇區(qū)的密碼A、存取控制、密碼B,其他3塊均是數(shù)據(jù)塊。每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的,可根據(jù)實(shí)際的需要來設(shè)定。Mifare 1卡具有較高的安全性,數(shù)據(jù)不易丟失,但其有效通信距離較短,通常約為10 cm。

圖2　復(fù)合通行卡結(jié)構(gòu)示意圖

為獲取數(shù)百米以外的路測(cè)標(biāo)識(shí)單元發(fā)送的路徑信息,還需要載波頻率為433 MHz的RFID模塊。RFID模塊包括射頻天線、射頻匹配電路、無線收發(fā)模塊、電池、主控芯片、電壓檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。由于整個(gè)卡片的電能由一顆容量為500 mAh的電池提供,且要求可使用5年以上,因此對(duì)卡片的低功耗性能有著較高的要求。整個(gè)硬件電路被封裝在塑料材料的卡殼當(dāng)中,既可保護(hù)電路不受損壞,方便使用,同時(shí)也不影響在高速移動(dòng)中記錄路徑信息。

3.2　復(fù)合通行卡的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)復(fù)合通行卡進(jìn)入讀卡器的操作范圍時(shí),讀卡器以特定的通信頻率和速率與復(fù)合卡進(jìn)行通信,其通信流程如圖4所示。

圖3　Mifare 1交易流程

首先Mifare 1復(fù)位后會(huì)發(fā)送應(yīng)答信號(hào),如果有多個(gè)Mifare 1在操作范圍內(nèi),則讀卡器要啟動(dòng)位結(jié)構(gòu)防沖突循環(huán)來選擇一張卡進(jìn)行操作,未被選中的卡進(jìn)入空閑模式等待下次選卡。被選中的卡確定訪問的扇區(qū)時(shí),要對(duì)該扇區(qū)的密碼進(jìn)行校驗(yàn)。Mifare 1先向讀寫器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)RB,讀寫器收到后產(chǎn)生一個(gè)新的隨機(jī)數(shù)RA,然后生成TOKEN AB發(fā)送給Mifare 1,卡片收到后驗(yàn)證隨機(jī)數(shù)的一致性,再發(fā)送TOKEN BA給讀寫器,以完成驗(yàn)證,之后才能進(jìn)行下一步交易。對(duì)其他扇區(qū)進(jìn)行操作則需要重新校驗(yàn)密碼。

復(fù)合通行卡RFID模塊的軟件流程如圖5所示。復(fù)合通行卡共有路上模式和睡眠模式兩種工作模式。

圖4　復(fù)合通行卡軟件流程圖

路上模式即復(fù)合通行卡處于高速公路行駛過程中。通常在入口處由復(fù)合讀寫器發(fā)送指令將復(fù)合通行卡設(shè)置成路上模式,在出口處設(shè)置成睡眠模式。路上模式用以接收路測(cè)標(biāo)識(shí)單元發(fā)射的路徑信息。處于路上模式時(shí),設(shè)置定時(shí)器RTC每3 s喚醒MCU一次,然后433 MHz的RFID模塊開始嘗試接收路徑信息,如果接收到了路徑信息并且校驗(yàn)通過,則保存在復(fù)合通行卡內(nèi)部存儲(chǔ)器中,如果檢測(cè)不到路徑信息或者接收到的路徑信息有誤則進(jìn)入休眠狀態(tài),等待再次喚醒,直至出口處被設(shè)置為睡眠模式。

工作在睡眠模式時(shí)只能由外部中斷喚醒,即只能通過復(fù)合讀寫器來改變通行卡的工作模式。讀寫器與復(fù)合通行卡進(jìn)行433 MHz的通信時(shí),會(huì)先通過Mifare 1芯片給RFID模塊的MCU一個(gè)外部中斷喚醒信號(hào),于是 RFID模塊初始化,開始等待接收數(shù)據(jù)。然后復(fù)合讀寫器發(fā)送433 MHz的信號(hào)來與復(fù)合通行卡進(jìn)行通信,如設(shè)置復(fù)合卡的工作狀態(tài),讀取或者寫入相關(guān)信息等。同樣,為了節(jié)省電能,RFID初始化完成后,一段時(shí)間內(nèi)沒有收到有效數(shù)據(jù)則重新進(jìn)入睡眠,等待再次喚醒。

3.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用本設(shè)計(jì)的復(fù)合通行卡在廣東省高速公路部分路段進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試,實(shí)際效果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)組是采用本設(shè)計(jì)的復(fù)合通行卡,對(duì)照組是其他廠家提供的通行卡,可以看出,采用本設(shè)計(jì)的復(fù)合通行卡在標(biāo)識(shí)成功率上有明顯提高。

圖5　廣州RFID標(biāo)識(shí)成功率對(duì)比

4結(jié)束語

采用該設(shè)計(jì)的復(fù)合通信卡不影響高速公路的通行能力,對(duì)原有高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的改造較小,無需土建新的收費(fèi)車道和改造現(xiàn)有的入口與出口的發(fā)卡模式,節(jié)省了運(yùn)營資本。且該復(fù)合通行卡已經(jīng)在浙江、四川、廣東等省份投入使用,可正確識(shí)別車輛在高速公路網(wǎng)中的實(shí)際行駛路徑,為收取費(fèi)通行費(fèi)用與合理拆賬提供了重要依據(jù)。

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作者簡介:周世晶(1989—),男,碩士研究生。研究方向:智慧城市與智能交通。田濤(1969—),男,博士,高級(jí)工程師。研究方向:智慧城市與智能交通。

收稿日期:2015- 05- 19

中圖分類號(hào)TN925;TP391.45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)01-091-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.024