基于RFID與非接觸式Mifare 1復合通行卡設計

周世晶,田　濤

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海　200093;2.上海華虹集成電路有限責任公司,上?！?01203)

基于RFID與非接觸式Mifare1復合通行卡設計

周世晶1,田濤2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093;2.上海華虹集成電路有限責任公司,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。為準確識別實際的行車路徑,提出了一種基于RFID技術與Mifare 1的復合通行卡解決方案,通過RFID技術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等收費信息,在出口處一并讀取并上傳收費系統(tǒng),從而實現(xiàn)精確的路徑識別,為高速公路管理部門正確收取通行費用與合理拆賬提供依據(jù)。

關鍵詞RFID技術;Mifare 1;路徑識別

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)收費區(qū)間不斷擴大和投資業(yè)主多元化,如何合理收費并精確拆賬成了高速公路收費系統(tǒng)的關鍵問題,即“高速公路的多義性問題”。因此,本文提出了基于RFID技術和非接觸式Mifare 1的復合通行卡方案,用于解決高速公路多義性路徑問題。

1常見的路徑識別技術

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

最短路徑等概率識別方法以概率統(tǒng)計為基礎,按照一定的算法估算出車輛最可能的行駛路徑。由于其無法識別車輛的真實行駛路徑,在收費與拆賬時容易產(chǎn)生糾紛。車牌識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別裝置,根據(jù)車牌這個唯一性的標志確定實際的行駛路徑,作為精確拆賬的根據(jù),但在抓拍時對外界環(huán)境要求較高,比如在雨雪霧等不良天氣時識別率通常會大幅降低。因此,基于RFID技術的不停車式標識方式是目前較為流行方案。

不停車式標識法利用RFID(Radio Frequency Identification)技術[1],在車輛行駛過程中,通過路測安裝的電子標識單元對車輛上的通行卡進行標識,整個過程無需人參與自動完成的,無需減速,不影響高速公路的通行能力,能夠充分體現(xiàn)高速公路的社會效益,是目前使用較多的一種技術。該技術的關鍵部件之一就是基于RFID技術與非接觸式Mifare 1的復合通行卡。

2多義性路徑識別系統(tǒng)的構成

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

圖1　系統(tǒng)原理示意圖

3復合通行卡的方案設計

3.1　復合通行卡的硬件設計

復合通行卡的硬件結構如圖3所示,其包含了短距離的13.56 MHz 射頻標簽與433 MHz的長距離射頻標簽兩個模塊,分別用于兼容目前使用的Mifare卡收費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,所采用的技術被定義成為世界標準,即ISO/IEC 14443 Type A標準。Mifare 1同時也是邏輯加密卡,內嵌有高速的 CMOS EEPROM,MCU等,工作時只需一副天線。復合讀寫器發(fā)送13.56 MHz無線載波信號耦合到天線上產(chǎn)生電壓,當電壓達到2 V時,Mifare 1開始將芯片內的數(shù)據(jù)以相同頻率發(fā)送出去。

Mifare 1內部集成了總容量為1 kB的EEPROM,分為16個扇區(qū),每個扇區(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。每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的,可根據(jù)實際的需要來設定。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　復合通行卡結構示意圖

為獲取數(shù)百米以外的路測標識單元發(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、電壓檢測及數(shù)據(jù)存儲模塊等。由于整個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,因此對卡片的低功耗性能有著較高的要求。整個硬件電路被封裝在塑料材料的卡殼當中,既可保護電路不受損壞,方便使用,同時也不影響在高速移動中記錄路徑信息。

3.2　復合通行卡的軟件設計

當復合通行卡進入讀卡器的操作范圍時,讀卡器以特定的通信頻率和速率與復合卡進行通信,其通信流程如圖4所示。

圖3　Mifare 1交易流程

首先Mifare 1復位后會發(fā)送應答信號,如果有多個Mifare 1在操作范圍內,則讀卡器要啟動位結構防沖突循環(huán)來選擇一張卡進行操作,未被選中的卡進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,要對該扇區(qū)的密碼進行校驗。Mifare 1先向讀寫器發(fā)送一個隨機數(shù)RB,讀寫器收到后產(chǎn)生一個新的隨機數(shù)RA,然后生成TOKEN AB發(fā)送給Mifare 1,卡片收到后驗證隨機數(shù)的一致性,再發(fā)送TOKEN BA給讀寫器,以完成驗證,之后才能進行下一步交易。對其他扇區(qū)進行操作則需要重新校驗密碼。

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

圖4　復合通行卡軟件流程圖

路上模式即復合通行卡處于高速公路行駛過程中。通常在入口處由復合讀寫器發(fā)送指令將復合通行卡設置成路上模式,在出口處設置成睡眠模式。路上模式用以接收路測標識單元發(fā)射的路徑信息。處于路上模式時,設置定時器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通過,則保存在復合通行卡內部存儲器中,如果檢測不到路徑信息或者接收到的路徑信息有誤則進入休眠狀態(tài),等待再次喚醒,直至出口處被設置為睡眠模式。

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

3.3　實驗結果

采用本設計的復合通行卡在廣東省高速公路部分路段進行了實地測試,實際效果如圖5所示。實驗組是采用本設計的復合通行卡,對照組是其他廠家提供的通行卡,可以看出,采用本設計的復合通行卡在標識成功率上有明顯提高。

圖5　廣州RFID標識成功率對比

4結束語

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

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[10]馮志慧,陳紅,任艷娜,等.基于 RFID 的高速公路通行費精確拆分技術研究與應用[J].公路工程,2010,35(1):56-58.

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TN925;TP391.45

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-091-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.024