劉玉慶,鄒常豐,張　莉

(東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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基于RFID的智能公交扣費系統(tǒng)總體設計

劉玉慶,鄒常豐,張莉

(東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

分析目前長線公交扣費方式存在的弊端，為了解決長線公交扣費方式存在的問題，提出一種基于RFID技術(shù)的智能公交扣費系統(tǒng)。這種智能扣費方法是指乘客只需上車時刷一次近卡，下車時遠卡模塊會自動識別乘客的射頻卡，根據(jù)GPS的位置信息計算乘車里程，然后根據(jù)里程扣費。這種扣費方式實現(xiàn)一次刷卡就可以合理扣費的目標。實驗表明，智能公交扣費系統(tǒng)可以提高公交車的運行效率，減少乘客的乘車時間，還可以有效地避免乘客逃票、漏票的現(xiàn)象。

智能公交；射頻讀卡器；地標天線；智能扣費

隨著城市化進程的不斷推進,機動車數(shù)量的不斷增加,許多城市都在或陸續(xù)將面臨機動化日益嚴重而引發(fā)的各種交通問題。而完善的城市公共交通系統(tǒng)已經(jīng)成為各國所公認的解決城市交通問題的首選方法[1]。目前，我國公交采用的收費方式為非接觸式IC卡或者投幣。非接觸式IC卡憑借其保密性好、使用方便的優(yōu)點被廣大群眾和公交公司認可，在一定程度上提高了公共交通的運營效率。但是，隨著長線公交的增加，這種扣費方式已經(jīng)不能適應公交發(fā)展的要求，因而國內(nèi)部分城市長線公交重新采用了人工售票的方式，這種售票方式將大大增加公交的運行時間以及投入的人力、財力。本文對這兩種扣費方式優(yōu)缺點進行分析，提出了一種更加方便、快捷、低成本的智能公交扣費系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以有效地解決長線公交收費難問題，而且能夠避免客流高峰期逃票、漏檢和臨時下車等問題。

1　RFID技術(shù)概述

1.1RFID簡介

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可在各種惡劣環(huán)境中應用[2]。典型的射頻識別系統(tǒng)主要由三部分組成：標簽、閱讀器以及天線。標簽也稱射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的能力，標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象，RFID標簽根據(jù)發(fā)射射頻信號的方式不同，分為主動式和被動式兩種[3]；閱讀器是讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；天線在標簽和讀寫器間傳遞射頻信號[4]；天線與讀寫器相連接，主要作用是通過無線電波向標簽傳送數(shù)據(jù)，同時感應并接受標簽的反饋數(shù)據(jù)，以此完成雙方之間的信息交互[5-6]。

RFID的工作原理是：閱讀器在一定區(qū)域內(nèi)通過天線散射一定頻率的射頻信號，當電子標簽通過天線的發(fā)射區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，電子標簽獲得能量被觸發(fā)，并將存儲在電子標簽內(nèi)部的信息通過電子標簽的內(nèi)置天線發(fā)送出去。閱讀器天線(有內(nèi)置外置之分)將電子標簽發(fā)送來的載波信號接收，并傳送到閱讀器。閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和過濾，然后送到后臺數(shù)據(jù)處理中心進行處理。讀寫器可以與標簽建立無線通信，實現(xiàn)向標簽發(fā)射數(shù)據(jù)以及從標簽接收數(shù)據(jù)，并通過標準接口與計算機網(wǎng)絡進行通信，從而完成了射頻識別系統(tǒng)的工作[7]， RFID系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1　RFID工作原理

1.2RFID技術(shù)用于公共交通的研究現(xiàn)狀

以前將 RFID 技術(shù)應用到交通領(lǐng)域，其中最主要的是智能停車場，司機可以不再像從前一樣停車取卡，而是通過射頻技術(shù)識別車牌號，并幫助車主記住車所停的位置，既可以為停車場節(jié)省開支，又可以方便司機[8]。近年來，RFID技術(shù)被廣泛地應用到公共交通中，很大程度上促進了公共交通的發(fā)展。

吳江洲等設計的基于RFID的公交客流信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了公交車車內(nèi)乘客人數(shù)和OD信息的采集[9]。黃海波等對基于RFID技術(shù)的快速公交的收費系統(tǒng)進行了研究，得出一個基于RFID技術(shù)的多節(jié)點BRT收費系統(tǒng)模型，同時該系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實時性，解決了單節(jié)點數(shù)據(jù)讀取和實時性欠缺問題[10]。余紅紅等設計的基于RFID技術(shù)的城市智能公交系統(tǒng)，結(jié)合公交車輛的運行特點，建設集智能場站管理、智能公交調(diào)度、公交信號優(yōu)先控制、智能公交信息服務等于一體的智能公交系統(tǒng)[11]。楊烈君利用單片機技術(shù)并結(jié)合RFID獨有的特點，提出一種基于RFID技術(shù)的智能公交報站系統(tǒng)設計方案，乘客不需要采用手動按鍵的報站方式實現(xiàn)公交車站的自動識別與自動報站[12]。周福麗等設計的基于RFID智能公交系統(tǒng)，實現(xiàn)了公交車到站時，卡無需取出，讀寫器自動讀卡。將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過無線通信傳至公交總站，公交總站通過對數(shù)據(jù)分析處理即可實現(xiàn)車輛的身份識別，從而將相關(guān)信息(包括車次信息、站點信息、到站信息)發(fā)送到各個站臺電子屏上顯示，站臺上的乘客就可以及時了解到公交車的信息[13]。嚴天宇設計的基于RFID和ZigBee的智能公交系統(tǒng)，通過智能車上RFID射頻識別檢測站臺信息，運用無線傳感網(wǎng)絡車載路由器節(jié)點將車輛檢測數(shù)據(jù)傳送至控制中心協(xié)調(diào)器，由控制中心節(jié)點將車輛運行狀態(tài)發(fā)送至各站臺路由器，控制公交站臺LCD顯示。在車輛運行中，利用labview編寫的上位機，對車輛運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，以便做好公交車調(diào)度安排[14]。

目前，主要有兩種收費模式應用于長距離公交車收費：一種是靜態(tài)分段收費方式，一種是動態(tài)收費方式。所謂靜態(tài)分段收費方式，首先把整個公交路線進行段點劃分，如果乘客在始發(fā)站與第一個段點之間的某個站點上車，則收取全程票價；如果乘客在第一與第二個段點之間的某個站點上車，則收取除第一段點以外的乘車費，以此類推。這種靜態(tài)分段計費方式存在兩個缺點:其一是第一段之間上車的乘客必須繳納全程費用,無形中多收取了僅僅乘坐數(shù)站路的乘客的費用，因此，這種收費方式并不合理。而動態(tài)分段計費方式，是指乘客上下車各刷一次卡,根據(jù)每個乘客乘坐公交車的里程或者站點數(shù)來收取乘車費用,這種收費方式雖然合理，但是需要兩個刷卡機才能完成扣費工作，不僅增加了運營成本，而且使得乘客上下車不便，尤其是在早晚客流高峰時期，乘客甚至無法完成刷卡動作，采用這種模式收費不能很好地避免漏票現(xiàn)象，乘客上車后甚至提前刷卡卻不下車，給運輸公司帶來損失，或者乘客在下車時忘記刷卡而使得乘客蒙受損失[15]。通過對長線公交客流及運行特點的分析，提出了一種基于RFID的智能公交扣費系統(tǒng)，可以有效地解決目前長線公交存在的問題。

2　智能公交扣費系統(tǒng)的總體設計

2.1設計方案

基于RFID的智能公交扣費系統(tǒng)需要兩個地標天線：一個遠卡讀卡器，一個近卡讀卡器。前門保留原有的近卡讀卡器，在后門內(nèi)外各安裝一個地標天線，安裝的位置在后門的上側(cè)，這兩個地標天線與遠卡讀卡器構(gòu)成遠卡模塊。當乘客從前門上車后采用刷卡的方式，近卡讀卡器會讀取射頻卡信息，結(jié)合GPS，通過控制中心的數(shù)據(jù)處理確定上車位置及時間；當乘客到站后從后門下車，后門兩個天線再次與乘客身上的射頻卡產(chǎn)生信息傳遞，下車時乘客不需要取卡，讀卡器再次讀取射頻卡的信息，這時GPS可以確定乘客下車位置，控制中心再次進行數(shù)據(jù)處理得到乘客的乘車距離，扣費模塊根據(jù)標準費率以及乘客的乘車距離便得到乘客此次乘車費用。當乘車高峰期時，有部分乘客為了讓出下車空間臨時下車，遠卡讀卡器會根據(jù)后門兩個天線的讀卡順序以及GPS所記錄的位置變化情況判斷出臨時下車的乘客。智能公交扣費系統(tǒng)方案設計流程如圖2所示。

圖2　智能公交扣費系統(tǒng)方案設計流程

2.2硬件設計

智能公交扣費系統(tǒng)包括遠卡模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、近卡模塊、扣費模塊以及功能輔助模塊。本文提出的智能公交扣費系統(tǒng)在智能化升級的基礎上保留了原有的非接觸IC卡扣費的方式，將原有的非接觸式IC讀卡器與射頻卡進行參數(shù)及性能匹配，使射頻卡被近卡讀卡器和遠卡讀卡器都能夠識別。硬件設備包括讀卡器、地標天線、射頻卡、GPS、單片機、顯示屏、蜂鳴器以及其他輔助電路。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　智能扣費系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1)數(shù)據(jù)處理模塊。本扣費系統(tǒng)以單片機為數(shù)據(jù)處理中心，讀卡器識別乘客隨身攜帶射頻卡的信息，通過串口傳輸線與單片機相連，再結(jié)合GPS的位置標定，將所有數(shù)據(jù)匯總到單片機。單片機作為控制核心將所有數(shù)據(jù)進行分析、處理并及時反饋給其他硬件設備。

2)遠卡模塊。遠卡模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，設計的射頻讀卡器通過地標天線發(fā)出識別信號，識別距離不得低于2 m，天線極化需要采用全向讀取，確保乘客上車時隨身攜帶的射頻卡可以被讀卡器讀取。讀卡器的讀卡速度以及讀卡數(shù)量都要滿足系統(tǒng)設計的要求，地標天線的參數(shù)要與讀卡器的參數(shù)相符，且標簽能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別、追蹤、定位、收集等功能。讀卡器配有串行口或者是weigand接口，方便以后進行二次開發(fā)。

基于RFID的智能公交扣費系統(tǒng)所采用的遠距離讀卡器，由于輸出功率可調(diào)，可根據(jù)不同應用要求靈活調(diào)整識別距離，而且實時操作系統(tǒng)可以滿足工業(yè)的可靠性和魯棒性?，F(xiàn)在應用于公交車的非接觸式IC卡讀卡器一般是低頻近距離讀卡器，無法實現(xiàn)智能讀卡。

地標天線是遠卡模塊的重要組成部分，將兩個地標天線分別安裝于公交車后門內(nèi)外，可以判斷出乘客的進出。本扣費系統(tǒng)所采用的地標天線不同于其他RFID系統(tǒng)的天線，目前，RFID技術(shù)應用到交通行業(yè)所采用的天線大多是定向讀取，而且發(fā)出的射頻信號受外界干擾比較大，這類天線用于智能公交扣費系統(tǒng)很難實現(xiàn)無需取卡自動讀取的功能；而本文所采用的地標天線可以實現(xiàn)全向讀取以及低頻觸發(fā)通用標簽的低頻觸發(fā)喚醒功能，乘客上車后無需將卡掏出，地標天線就可以讀取乘客放置于口袋或者包內(nèi)的射頻卡。而且地標天線還可以將自身 ID 信息發(fā)送給定位卡。

3)其他模塊。保留刷卡扣費的方式可以最大限度地減少成本的投入，起到輔助扣費的功能。輔助模塊主要指GPS定位系統(tǒng)和語音提示系統(tǒng)，通過GPS定位獲取乘客的上下車位置坐標，與事先規(guī)定好的各站點坐標進行比對，確定乘車區(qū)間；語音提示系統(tǒng)可以提示成功讀取乘客射頻卡及乘客的遠卡余額。

2.3軟件設計

智能公交扣費系統(tǒng)的軟件設計主要包括主程序設計、串行通信程序設計、定位系統(tǒng)程序設計與語音播報系統(tǒng)程序設計,采用模塊化編程方法進行軟件設計，編程的過程中要將程序進行模塊化與結(jié)構(gòu)化劃分,使二者相輔相成[15]。

智能公交扣費系統(tǒng)軟件的主程序部分包括扣費系統(tǒng)程序、防沖突程序、射頻卡讀寫管理程序、地標天線管理程序，軟件的主程序部分是整個扣費系統(tǒng)的核心，控制著智能公交扣費系統(tǒng)的遠卡模塊、近卡模塊和扣費模塊的有序運行。串行口程序、定位系統(tǒng)程序以及語音播報系統(tǒng)程序都是智能公交扣費系統(tǒng)的輔助子系統(tǒng)。定位系統(tǒng)的程序包括兩部分：一是分離提取經(jīng)緯度信息，二是坐標比較。語音播報程序可以實現(xiàn)車輛駛?cè)牖蛘唏傠x某個站點，根據(jù)具體情形從存儲器內(nèi)提取所需站點名稱，并通過語音芯片功率放大之后通知乘客，并且當乘客上車時，如果卡內(nèi)余額不足，語音播報模塊會向乘客報告。串行口選擇的是RS485通訊協(xié)議，方便硬件設施之間的數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)的二次開發(fā)。智能公交扣費系統(tǒng)的功能需求如圖4所示。

圖4　智能公交扣費系統(tǒng)的功能需求

本設計使用C語言編寫程序，并把主程序進行模塊化與結(jié)構(gòu)化，把程序整體進行劃分。乘客信息的獲取以及定位系統(tǒng)是實現(xiàn)智能扣費的關(guān)鍵組成部分。軟件設計的重點在于：一是正確、實時地接收和獲取GPS發(fā)送的定位信息和讀取乘客的射頻卡信息，以達到精確扣費的目的；二是設計合理收費標準及遇到特殊問題的處理方法，根據(jù)里程收費的特點 ，解決乘客客流高峰期逃票、漏檢和臨時下車等問題。

3　結(jié)束語

本文設計的智能公交扣費系統(tǒng)，將公交車原有的近卡模塊與遠卡模塊結(jié)合起來，實現(xiàn)了只需一次刷卡就可以實現(xiàn)動態(tài)收費。硬件部分和軟件部分相結(jié)合，可以解決乘客逃票、漏檢以及乘客臨時下車等特殊情況?；赗FID的智能公交扣費系統(tǒng)可以有效地解決長線公交目前存在的問題，具有很好的發(fā)展前景。

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[責任編輯：郝麗英]

The overall design of intelligent public transportation deduction system based on RFID

LIU Yuqing,ZOU Changfeng,ZHANG Li

(School of Traffic,Northeast Forestry University，Harbin 150040,China)

Having analyzed the drawbacks of the currently long-line bus deductions,this paper puts forward an intelligent public transportation deductions system based on RFID technology so as to solve the problems of the long-line bus deductions.This intelligent chargeback method indicates the passengers swipe the card when they take the bus,so the far card module will automatically recognize electronic tags.Then according to the position of GPS information,and based on mileage to deduct fares,the chargeback method can reach to the goal of reasonable deductions when they swipe the card by bus.Experiments show,this intelligent public transportation deduction system can improve the efficiency of the bus,reduce the traveling time of passengers,and avoid the passenger fare evasion and missing.

intelligent public transportation; radio frequency card reader; landmark antenna; intelligent deduction

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.005

2016-04-21

東北林業(yè)大學大學生創(chuàng)新實驗項目(201510225197)

劉玉慶(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：交通運輸工程.

U491

A

1671-4679(2016)05-0015-04