城市一卡通中RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用

席慧穎 由睿 張曉君

摘要：基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市一卡通建設中有廣泛的應用，市民在乘坐公交、地鐵等方面已經(jīng)得到了體驗，這為城市信息化的發(fā)展帶來了極大的便利，方便了市民的生活。本文將進一步對城市一卡通所能覆蓋的行業(yè)進行探索，結(jié)合市民生活相關(guān)的消費應用、醫(yī)療應用、金融應用、商業(yè)應用等方面的現(xiàn)實情況，提出了城市一卡通功能整合的觀點，并給出一套較完整一卡通建設方案，積極探索RFID技術(shù)在城市建設和發(fā)展中的應用，充分發(fā)揮目前已有的建設優(yōu)勢，為未來地區(qū)間物聯(lián)網(wǎng)的融合，實現(xiàn)一卡通跨區(qū)域使用打下了基礎。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)城市一卡通

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

1 前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，公交、地鐵、電車等交通工具在城市早已司空見慣，市民乘坐交通工具刷卡也早已經(jīng)成為一種習慣，而這個過程中射頻識別技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。射頻設別技術(shù)簡稱RFID技術(shù)，是屬于非接觸的信息識別技術(shù)，功能強大、安全性強，目前廣泛應用于物體識別和物流運輸?shù)戎T多領域。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)廣泛興起以來，針對RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用成為一個熱點。歐美等發(fā)達國家對于RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的應用研究較早，已經(jīng)廣泛應用在制造業(yè)、企業(yè)管理等方面。我國自2005年將RFID技術(shù)引入以來，目前各地對于該方面的研究和建設都有突破，特別是目前人們使用的第二代身份證核心芯片就使用了RFID技術(shù)[1]，極大地方便了人們的生活，促進了城市信息化的發(fā)展。

2 基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在一卡通應用原理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，也被稱作IOT技術(shù)，是新型的識別技術(shù)，利用該技術(shù)能對物體進行跟蹤、識別、管理等[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由諸多部分組成，基礎核心依然是互聯(lián)網(wǎng)。使用射頻識別技術(shù)、激光掃描技術(shù)等信息采集設備，將物體的數(shù)據(jù)信息采集起來，通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳輸，來完成對物體的管理。對于物體的信息采集而言，目前常用的有RFID技術(shù)、二維碼掃描技術(shù)、一維條碼掃描技術(shù)、藍牙技術(shù)等[3]。一維條碼掃描技術(shù)常用于圖書信息、商品信息當中，目前已經(jīng)逐步開始淘汰；二維碼掃描技術(shù)適用于大規(guī)模生產(chǎn)當中，需要互聯(lián)網(wǎng)才可以識別；藍牙技術(shù)由于標準不統(tǒng)一的局限性，使用范圍不廣泛；相比而言，RFID技術(shù)屬于非接觸技術(shù)，存儲信息量大，識別速度快，不需要網(wǎng)絡即可完成。RFID技術(shù)主要由電子標簽（分為有源標簽和無源標簽，有源標簽能夠自動發(fā)出射頻信號，無源標簽被動接收信號）[4]、信息采集設備、信息處理設備三部分組成。其基本工作原理是信息采集設備發(fā)射射頻掃描信號，掃描信號以一定的頻率定期進行掃描，按照頻率的不同有一定的距離要求。帶有電子標簽的物體進入掃描磁場以后，根據(jù)接收到的射頻信號，電子標簽存儲信息的芯片被觸發(fā)，將信息通過芯片中的天線傳輸?shù)叫畔⒉杉O備當中，根據(jù)采集的設備信息，信息處理設備需要進行解調(diào)和解碼操作，然后傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡系統(tǒng)當中，用戶根據(jù)顯示的內(nèi)容可以了解到物品的具體的信息，并可以對物體的數(shù)據(jù)進行讀寫操作。應用原理如圖1所示。

3 基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢

RFID技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應用，取得了較好的效果。具體優(yōu)勢有以下幾個方面：一是可以自動識別信息，不需要人工操作，只要物體進入到一定的范圍內(nèi)，就可以識別，受環(huán)境因素影響較小，特別是高速運動的物體，均可實現(xiàn)設別；二是安全性強，信息被寫到電子標簽芯片當中，芯片的加密算法比較完善，沒有正確的解密器很難進行破解，安全系數(shù)比二維碼、一維條碼、藍牙技術(shù)高很多；三是能夠?qū)﹄娮訕撕炐酒畔⑦M行讀寫，反復使用，目前的公交卡就是利用該原理；四是存儲信息量大，具有近16K的超大容量，可以將物體的諸多信息寫入到芯片當中，可反復擦除和重寫[5]；四是信息采集設備能夠同時采集多個物體的電子標簽信息，實現(xiàn)了同步采集、同步處理和同步傳輸功能。綜合來看，RFID技術(shù)由于獨有的優(yōu)勢，比傳統(tǒng)的識別技術(shù)效果較好，在物流運輸、身份認證等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應用。目前幾種常用的技術(shù)所占市場份額如圖2所示。

4 城市一卡通功能整合建設方案

4.1 整合建設方案分析

目前諸多城市所使用的一卡通只是將公交、地鐵等簡單的功能融合到了公交卡當中，而沒有充分發(fā)揮出一卡通的優(yōu)勢。如果能將老百姓日常生活有關(guān)的事項納入到一卡通當中，能夠促進城市信息化的發(fā)展。整合后的一卡通建設方案應該將醫(yī)療、公交、社保、繳費等常用的事項融合在一起。完成住院看病繳費、公交出行、社保管理、日常生活繳費（水電氣）、汽車過路繳費、消費支付等市民常用的功能。由于一卡通的設備在分散到城市當中的各個點，而且部分設備沒有互聯(lián)網(wǎng)連接，因此不能使用B/S模式進行設計，建設方案將采用C/S模式完成，每個射頻掃描點均可以按照具體的使用要求對一卡通的電子標簽數(shù)據(jù)進行讀寫，例如市民乘坐公交車時，刷卡以后，信息采集系統(tǒng)自動完成讀的程序，將信息發(fā)送給計算機當中，計算機自動將寫的程序發(fā)回到一卡通的電子標簽接收芯片上，將市民的卡上余額數(shù)據(jù)進行改寫，完成整個功能。整個過程不需要互聯(lián)網(wǎng)的支持，采用C/S模式實現(xiàn)系統(tǒng)是符合目前的實際情況的，且實現(xiàn)較為簡單，需要將上述項目信息寫入到一卡通電子標簽芯片當中，掃描時根據(jù)標志位的不同判斷屬于哪個事項（例如定義標志位信號為1是醫(yī)療、2是社會保險，醫(yī)院掃描時判斷信號為1時，就可以讀取存放在其中的芯片信息）。同時對信息數(shù)據(jù)采用RSA的算法進行加密，每次掃描時的對接密碼都不相同，即使出現(xiàn)賦值卡也不能使用，保證了一卡通使用的安全性。

4.2 初步功能設計

由于系統(tǒng)是采用C/S架構(gòu)來完成，主要有兩個部分組成，一是服務器端；二是客戶端[6]。對于服務器端來說，主要完成數(shù)據(jù)的存儲和管理工作，將用戶的信息數(shù)據(jù)存放在服務器端，當客戶端根據(jù)需要將請求發(fā)送到業(yè)務邏輯層時，業(yè)務邏輯層會調(diào)用服務器端的數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理結(jié)果返回到客戶端；客戶端有管理終端和應用終端組成。管理終端主要是完成一卡通用戶信息管理、數(shù)據(jù)信息管理、系統(tǒng)管理、接口管理、用戶數(shù)據(jù)管理、一卡通發(fā)行管理；應用終端主要是分布在市區(qū)各處的處理設備，通過相應的程序讀寫一卡通的數(shù)據(jù)，包括住院看病繳費、公交出行、社保管理、日常生活繳費（水電氣）、汽車過路繳費、消費支付終端。

對于管理終端而言，用戶信息管理主要是對用戶的信息進行基本的管理操作，這個是由一卡通管理中心來完成的，數(shù)據(jù)信息的管理是對用戶卡內(nèi)數(shù)據(jù)的綜合管理功能；系統(tǒng)管理是對整個一卡通物聯(lián)網(wǎng)的管理，包括系統(tǒng)的維護和升級，密碼的設定，安全級別的提升等；接口管理是系統(tǒng)可以監(jiān)控到各個應用終端是否出現(xiàn)異常情況；用戶數(shù)據(jù)管理是對用戶一卡通的金額進行讀寫操作，該功能根據(jù)通訊協(xié)議來完成，每臺應用終端都必須進行跟蹤和監(jiān)控，才能保證用戶的財產(chǎn)安全不受到威脅；一卡通發(fā)行管理是來對一卡通發(fā)售、充值、注銷、掛失等基礎操作和管理。而應用終端主要分布在市區(qū)各個地點，住院看病繳費可以幫助用戶進行身份認證和識別，自動和醫(yī)保掛鉤，完成掛號、診療、住院治療、自動報銷多種功能；公交出行是根據(jù)具體的使用情況來扣除一卡通的金額；社保管理是將住房公積金和社會保險存入一卡通當中，用戶不需要再辦理其他卡就可以實現(xiàn)多種保險管理的功能；日常生活繳費（水電氣）能夠讓用戶不用去跑多個地區(qū)，每月使用一卡通去固定繳費點一次性繳費完畢；汽車過路繳費在用戶出行時，將一卡通放置在前玻璃處，路過收費點時自動扣費，實現(xiàn)EPC自動繳費功能；消費支付是在用戶消費時可以利用該卡作為支付卡來進行轉(zhuǎn)賬、消費、支付的功能。具體的功能架構(gòu)如圖3所示。

4.3 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設計

數(shù)據(jù)庫是一卡通建設中非常重要的步驟，目前數(shù)據(jù)庫發(fā)展比較成熟，常用的數(shù)據(jù)庫都可以滿足一卡通整合建設。但是考慮到數(shù)據(jù)的擴展性以及一卡通未來的發(fā)展，可能實現(xiàn)多地區(qū)共用數(shù)據(jù)庫（多省市共用數(shù)據(jù)庫），選擇SQL Server2010作為開發(fā)工具。整個數(shù)據(jù)庫設計需要建立多個數(shù)據(jù)庫表格來完成數(shù)據(jù)的存放和鏈接，在管理終端需要建立用戶表、數(shù)據(jù)信息表、系統(tǒng)管理信息表、接口信息表、費用信息表、發(fā)卡管理信息表，在建立數(shù)據(jù)表的過程中需要使用自然連接，將表的關(guān)系通過數(shù)據(jù)庫概念設計和邏輯設計對應起來。在系統(tǒng)實現(xiàn)的過程中根據(jù)數(shù)據(jù)庫表的形式，采用標準SQL語言進行實現(xiàn)。應用終端需要根據(jù)每個行業(yè)具體的特點建立對應的數(shù)據(jù)庫表格，主要存放與各行業(yè)有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，這些信息需要和管理終端的信息數(shù)據(jù)對應起來，才可以實現(xiàn)對用戶一卡通的識別和讀寫。

4.4 整合建設實現(xiàn)

4.4.1 整合建設系統(tǒng)環(huán)境選擇

系統(tǒng)建設過程中，其中開發(fā)過程中需要使用數(shù)據(jù)庫和開發(fā)軟件，其中開發(fā)軟件選用VS2010，編程語言為C#，使用的數(shù)據(jù)庫為SQL Server2010，系統(tǒng)運行支持WinXp/Win7/Win8。開發(fā)完成后需要進行系統(tǒng)搭建，主要有服務器端和客戶端兩個部分，具體搭建如表1所示。

4.4.2 整合系統(tǒng)方案實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)之前應該選擇射頻識別卡，由于采用的是非接觸性質(zhì)的射頻卡，并且對于系統(tǒng)的安全、應用和環(huán)境要求較高，整合建設選用的是CPU卡，該卡中的芯片具有處理器和運存、數(shù)據(jù)存儲器，類似于一個小型計算機系統(tǒng)，不僅僅能夠?qū)?shù)據(jù)進行處理，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)加密和解密功能。同時該卡還采用了動態(tài)加密的措施，每一次刷卡自動認證的密碼都不同，可以有效防止出現(xiàn)射頻卡相同的事件，適合系統(tǒng)使用。

系統(tǒng)硬件設備選擇完成以后，需要對軟件架構(gòu)進行實行，由于軟件獨立分成了兩個部分，即管理終端和應用終端，對于應用終端而言，在硬件設備采集到數(shù)據(jù)信息以后，需要通過read（）、write（）函數(shù)操作硬件設備，然后將讀取的信息進行采集和處理，處理完成主要通過硬件設備中的解調(diào)和解密來實現(xiàn)，解調(diào)是將采集的信號進行還原，加密采用RSA加密算法來實現(xiàn)，解密后的數(shù)據(jù)通過應用終端處理后顯示給用戶查看。應用終端需要進行格外的數(shù)據(jù)處理，由于經(jīng)常會出現(xiàn)多個電子標簽進入設備當中，應該依次給予處理，在實際使用當中，也會有干擾因素的出現(xiàn)，應該能對這些數(shù)據(jù)進行篩選，在應用程序軟件系統(tǒng)中增加排序和防碰撞算法，當碰撞出現(xiàn)的時候，采用分時并發(fā)處理的機制，對碰撞的信息進行排序處理，依據(jù)先后順序分時分斷處理。

管理終端的實現(xiàn)主要在一卡通管理中心和分中心，需要利用軟件將用戶的請求進行處理，處理的過程也是對用戶卡信息的讀寫操作，處理完成以后通過計算機顯示給用戶。管理終端和應用終端是從屬關(guān)系，其中管理終端負責應用終端，對其進行管理和控制。在管理終端實現(xiàn)的時候需要注意到用戶權(quán)限的問題，不同的權(quán)限能夠進行不同的操作，例如充值管理員只能進行充值操作；監(jiān)控人員能夠?qū)Ω鲬媒K端進行動態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)平臺如圖4所示。

4.4.3 整合系統(tǒng)的應用

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，未來城市間數(shù)字化技術(shù)也將逐步走上歷史的舞臺，經(jīng)過整合后的城市一卡通，將諸多業(yè)務功能全部利用一張卡來實現(xiàn)，極大方便了市民的生活，同時將無線射頻識別技術(shù)和城市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合在了一起，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，將分散的公共服務以及不同性質(zhì)、不同特點的業(yè)務全部組織在一起，實現(xiàn)了一致的數(shù)據(jù)管理。整合后的系統(tǒng)能夠在城市中擴展和應用，在城市應用以后，逐步擴展到其它地區(qū)，利用物聯(lián)網(wǎng)信息融合和共享的特點，實現(xiàn)跨區(qū)域一卡通應用，進而實現(xiàn)全國一卡通應用。而具體的功能融合和實現(xiàn)將根據(jù)各個行業(yè)不同的特點，根據(jù)實際的需要增加進去，擴展性強、穩(wěn)定性高，符合當代社會的發(fā)展需要。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和其他技術(shù)的融合發(fā)展，極大地促進了城市信息化服務的提升，而一卡通是這一過程的代表作品，它的產(chǎn)生基于數(shù)字化發(fā)展的綜合背景之下，運用了射頻識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)等最新的理論，為廣大市民帶來了新的生活模式。尤其是RFID射頻識別技術(shù)的應用，為一卡通在其它領域的普及和發(fā)展奠定了基礎，市民在消息、乘車、購物、就醫(yī)、社保等都可以使用一卡通來完成，避免了諸多的事項和麻煩，安全系數(shù)高，可靠性強。因此一卡通在今后有很大的發(fā)展前景。未來隨著城市化進度的加快，單純的城市一卡通已經(jīng)不能適合社會的發(fā)展，能夠跨區(qū)域、跨省使用，使得市民出行辦事更加方便時未來一卡通研究的熱點。

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