基于無線射頻識別與電力載波的特定場合服務(wù)系統(tǒng)的研究

郭國法+高楊浩++張開生

摘 要： 針對目前景區(qū)以及大型展覽的智能化管理運營的欠缺，以及國家對低碳環(huán)保節(jié)約能源的號召，該文研究一種基于無線射頻識別與電力載波的特定場合服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過使用電子門票取代傳統(tǒng)紙質(zhì)門票，通過RFID以及電力載波技術(shù)實現(xiàn)了對區(qū)域內(nèi)以及各子區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實時人數(shù)的監(jiān)控，幫助管理人員掌握實時訪客人數(shù)，從而采取相應(yīng)措施對區(qū)域內(nèi)實時人數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，保證景區(qū)游客人數(shù)處于景區(qū)可承載范圍之內(nèi)，最大化提升景區(qū)內(nèi)游客的舒適度。系統(tǒng)針對旅游景區(qū)還對游客游覽信息進行記錄，有利于景區(qū)管理人員對區(qū)內(nèi)各個景點進行評估。系統(tǒng)利用上位機軟件處理得到景區(qū)內(nèi)的熱門路徑，有利于景區(qū)合理安排商業(yè)活動，增加景區(qū)收入。結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)節(jié)約資源保護環(huán)境的目的。

關(guān)鍵詞： 無線射頻識別； 景區(qū)； 實時人數(shù)； 電力載波通信； 特定場合服務(wù)系統(tǒng)

0 引 言

目前，絕大多數(shù)的旅游景區(qū)、游樂場所以及大型展覽都采用紙質(zhì)的門票，對于上述場合的現(xiàn)代化運營及管理來說，傳統(tǒng)紙質(zhì)門票有以下幾種缺陷：這種門票無法實現(xiàn)回收利用，造成了資源的浪費； 使用紙質(zhì)門票必須要有專門的工作人員完成檢票工作，增加人力成本；紙質(zhì)門票無法為訪客及管理方提供更多現(xiàn)代化功能；傳統(tǒng)的紙質(zhì)門票也無法滿足管理人員對掌握實時訪客數(shù)量的需求。尤其是對于景區(qū)來說，其可以承載的游客人數(shù)有一定的范圍，超出這個范圍，游客不斷增加，對自然環(huán)境的影響和破壞就會越來越大、游客觀光效果也會越來越差；在一個景區(qū)之內(nèi)，各個景點的運營情況不同，有的景點對游客吸引力大，而有的景點幾乎無法吸引游客，甚至由于年久失修、不合理的設(shè)計或者不人性化的服務(wù)對景區(qū)形象造成負(fù)面影響。上述的問題廣泛存在于使用傳統(tǒng)紙質(zhì)門票的景區(qū)或其他大型活動之中。

針對上述問題，系統(tǒng)設(shè)計了一種基于RFID技術(shù)與電力載波技術(shù)的特定場合與訪客之間的服務(wù)與反饋的系統(tǒng)。為了景區(qū)能得到更好的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計了游客信息反饋環(huán)節(jié)，并通過對反饋信息進行統(tǒng)計處理并以可視化的形式展示給管理人員，可以使管理人員較好地了解系統(tǒng)內(nèi)的實際狀況。訪客可以通過手持終端遠(yuǎn)程訪問，合理安排參觀線路，從而提高科學(xué)管理程度以及游客的游覽體驗。在系統(tǒng)防偽方面，系統(tǒng)設(shè)計使用DES加密算法提高電子門票的防偽能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的主體架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)可以用于大型旅游景區(qū)、大型游樂場以及大型展覽，校園圖書館等場合，采用RFID技術(shù)實現(xiàn)電子門票功能，在此基礎(chǔ)上，通過RFID電子標(biāo)簽卡對游客游覽信息進行記錄，并利用電力載波技術(shù)以及上位機軟件對數(shù)據(jù)進行傳輸以及統(tǒng)計匯總等處理對系統(tǒng)實現(xiàn)信息反饋，實現(xiàn)了對系統(tǒng)覆蓋區(qū)域整體以及各個子區(qū)域?qū)崟r游客人數(shù)的統(tǒng)計。系統(tǒng)還可以為來訪者介紹景點或各個子區(qū)域的信息，引導(dǎo)訪客合理規(guī)劃參觀路線。

此外，針對旅游景區(qū)以及游樂場系統(tǒng)可以實現(xiàn)各個景點對游客吸引力的評估。 系統(tǒng)的組成包括上位機、數(shù)據(jù)庫、門禁系統(tǒng)等部分。門禁系統(tǒng)包括MF?RC500讀卡模塊、電力載波模塊、微處理器。其中，上位機為管理人員為整個系統(tǒng)的管理提供操作平臺。數(shù)據(jù)庫用于存儲系統(tǒng)自身以及游客反饋的數(shù)據(jù)。門禁系統(tǒng)分為進/出口門禁以及各個子區(qū)域的門禁。每個門禁看作為一個從機，每個從機都通過電力線與主機相連，從機與主機可以相互通信。從機負(fù)責(zé)讀卡、獲得實時游客信息以及控制門禁，并將數(shù)據(jù)以一定周期定時發(fā)送給主機。主機將各從機發(fā)來的數(shù)據(jù)進行匯總處理再通過串口發(fā)送至上位機。上位機對所有數(shù)據(jù)進行處理，并顯示在上位機界面。訪客也可以通過手持終端查看各個子區(qū)域信息，比如相關(guān)區(qū)域的實時人數(shù)、概述信息、自身大概位置等。

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

1.1 系統(tǒng)在景區(qū)的應(yīng)用

在景區(qū)進出口以及各個景點進出口分別設(shè)置有門禁系統(tǒng)，游客在各個門禁處刷卡打開或關(guān)閉門禁，從機識別游客電子門票后，打開或關(guān)閉門禁，從機微處理器計算進出口門禁讀卡數(shù)據(jù)得出景區(qū)或景點的實時人數(shù)，并利用電力載波技術(shù)通過電力線將數(shù)據(jù)傳輸至主機，主機對數(shù)據(jù)進行處理后通過RS 232串口最終傳送到上位機。上位機在收到匯總后的數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，顯示在上位機界面，并用不同顏色標(biāo)示各景點人數(shù)對管理人員提出調(diào)度意見。管理人員可根據(jù)實時人數(shù)通知售票處限制售票數(shù)量或促銷，管理人員亦可查看當(dāng)前景區(qū)內(nèi)各個景點的實時人數(shù)，引導(dǎo)分散人流，緩解景點擁擠狀況。游客也可以在手持設(shè)備上通過互聯(lián)網(wǎng)查看自己在景區(qū)內(nèi)的大概位置以及各景點的實時人數(shù)合理制定游覽路線。上位機將各景點一定周期內(nèi)的接納游客人數(shù)進行統(tǒng)計，比較以便管理人員直觀地了解景區(qū)的運營情況。管理人員通過對比，了解每個景點的運營情況，從而有的放矢地解決景區(qū)存在的問題，改進景點的軟硬件設(shè)施，提升景區(qū)的整體吸引力。此外，系統(tǒng)通過算法對游客游覽記錄進行分析得到游客在景區(qū)內(nèi)的熱門游覽線路，管理人員通過熱門路徑合理安排商業(yè)活動，增加景區(qū)收入。

1.2 系統(tǒng)在大型展覽中的應(yīng)用

很多展覽如大型車展的會場一般面積巨大，整個會場一般分為很多分會場便于管理。針對這種應(yīng)用場合，系統(tǒng)使用RFID電子門票，參觀者購買所需要的門票，該門票只能打開相應(yīng)分會場門禁。各個分會場門禁可以統(tǒng)計該分會場內(nèi)實時訪客人數(shù)，并通過電力載波通信技術(shù)上傳至上位機，游客亦可通過網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)，查看會場內(nèi)的情況，選擇適合的參觀路線。

2 實現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并達到識別目的的技術(shù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可以對高速運動物體實現(xiàn)識別，亦可同時對多個標(biāo)簽實現(xiàn)識別，操作快捷方便。RFID技術(shù)的基本工作原理：標(biāo)簽進入磁場后，接收解讀器通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間耦合，在耦合通道內(nèi)根據(jù)時序關(guān)系實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)交換，最終由上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[1?4]。典型的RFID系統(tǒng)如圖3所示。

電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)有的電線就能進行數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程的檢測和控制中，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越普遍。由于電力載波通信技術(shù)在實現(xiàn)實時通信的同時可以避免重新架設(shè)線路網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省人力物力成本，因此本系統(tǒng)設(shè)計利用該技術(shù)實現(xiàn)景區(qū)及各個景點與主機的通信。

系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)部分如圖4所示。其中，讀寫卡模塊由子處理器、MF?RC500和天線電路組成。

MF?RC500是ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)下低成本、高集成、高性能的Mifare非接觸式讀寫芯片，基于13.56 MHz的非接觸通信模式。MF?RC500內(nèi)部有高集成的調(diào)制解調(diào)模塊，內(nèi)部發(fā)射器可以直接驅(qū)動基于13.56 MHz的非接觸式天線，最大通信距離可以達到10 cm。MF?RC500在基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式通信的場合，如交通卡、飯卡、門禁系統(tǒng)等場合有廣泛的應(yīng)用。讀卡模塊的原理如圖5所示。

讀寫卡模塊的工作原理如下：讀寫器向射頻卡發(fā)1組固定頻率的電磁波，電子標(biāo)簽內(nèi)有1個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有1個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)[5]。

LC諧振電路的諧振頻率調(diào)諧至閱讀器的工作頻率為13.56 MHz，其值由湯姆遜公式得出：

[f=12πLC] （1）

天線電感的估算公式如下：

[L=2×l1×lnl1D1-K×N1.8] （2）

式中：L為天線電感估計值，單位為nH；[l1]為一圈天線導(dǎo)線環(huán)的長度，單位為cm；[D1]為PCB線圈導(dǎo)線的寬度；若線圈為環(huán)形，則K=1.07，若線圈為矩形，則K=1.47；N為線圈匝數(shù)。根據(jù)式（2），并查閱相關(guān)文獻，結(jié)合實踐經(jīng)驗，完成匹配天線的設(shè)計，如圖6所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)中的各門禁通過讀寫卡模塊與訪客手持的電子門票進行讀寫操作完成數(shù)據(jù)采集，并以一定時間為周期利用電力載波技術(shù)通過電力線向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，主機接收并處理各從機發(fā)來的數(shù)據(jù)，處理后通過串口發(fā)送至上位機，上位機繼續(xù)對各數(shù)據(jù)進行保存、計算、顯示等處理。

在系統(tǒng)的設(shè)計中，涉及到了一些技術(shù)上的難點，主要有：由于大型景區(qū)（展覽）內(nèi)有眾多景點（分會場）而且節(jié)假日期間訪客人數(shù)非常大，短時間內(nèi)的刷卡次數(shù)過多，數(shù)據(jù)更新過快容易造成系統(tǒng)的異常。為了解決這個問題，系統(tǒng)采用各從機按周期輪流向主機發(fā)送數(shù)據(jù)的方式為主機更新數(shù)據(jù)，可以有效避免短時間內(nèi)主機接收大量數(shù)據(jù)的情況。由于RFID技術(shù)是建立在無線通信的基礎(chǔ)上，相比于有線通信，安全性一直是制約其發(fā)展的一個重大因素。為了提高系統(tǒng)的安全性，增強門票的防衛(wèi)能力，系統(tǒng)設(shè)計使用DES加密算法對數(shù)據(jù)進行加密。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

3 RFID加密算法研究

3.1 DES加密算法

DES算法（Data Encryption Standard）是1972年IBM公司研制的對稱密碼體制加密算法。DES加密算法是用64位密鑰（實際用56位）來加密（解密）64位數(shù)據(jù)，加密的過程實際上是16輪次對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與代換操作。

DES算法的核心是一個輪函數(shù)。明文（密文）數(shù)據(jù)經(jīng)過初始置換后進行16次輪函數(shù)的操作，最后輸出加密（解密）結(jié)果。在每一次輪函數(shù)的操作中使用的密鑰Ki是初始密鑰經(jīng)過變換后得到的，所以每一輪的密鑰都不同；對于輸入的64位明文數(shù)據(jù)，算法將其分成長度相同的兩部分[Li]，[Ri]進行處理，則每輪輸出給下一輪的64位數(shù)據(jù)為：

[Li+1=Ri]

[Ri+1=Li⊕P（S（E（Ri）⊕Ki））]

其中，E表示將右半部分的32位數(shù)據(jù)擴展為48位，與密鑰異或后經(jīng)過8個S盒處理，每個S盒接收6位的輸入，產(chǎn)生4位的輸出。然后經(jīng)過一個置換矩陣P，與左半部分再次異或后作為下一輪函數(shù)的右半部分?jǐn)?shù)據(jù)[6?7]。

由以上仿真的實驗結(jié)果可以得出DES加密算法對于數(shù)據(jù)加密切實有效，將其應(yīng)用在RFID系統(tǒng)中可以較好地解決系統(tǒng)的安全性問題。

4 結(jié) 語

針對旅游景區(qū)，系統(tǒng)通過算法對游客游覽記錄進行分析得到游客在景區(qū)內(nèi)的熱門游覽線路，管理人員通過熱門路徑合理安排商業(yè)活動，增加景區(qū)收入。經(jīng)過試驗證明，系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)電子門票的功能，還可以對景區(qū)（會場）以及景區(qū)（會場）內(nèi)各景點（分會場）的實時人數(shù)進行監(jiān)控，以便管理人員合理調(diào)整景區(qū)（會場）及各個景點（分會場）的游客人數(shù)；為管理人員評估各個景點的運營情況提供數(shù)據(jù)參考，實現(xiàn)景區(qū)的智能化管理和服務(wù)；方便訪客合理安排參觀路線，避開人流過大的參觀路線，提升游覽體驗；有利于節(jié)約資源，保護景區(qū)生態(tài)環(huán)境，提升景區(qū)綜合競爭力。在圖書館的使用亦可幫助師生提高工作效率。

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