基于RFID技术可视化电子火车票的研究

【摘要】随着科技的发展，RFID技术的应用范围日益扩大，但在电子火车票上的研究还比较少，藉此开展了对电子火车票的研究。本文介绍了把如何RFID技术应用于火车票上，制成电子火车票。首先对RFID技术及电子标签的工作原理、特点做了简单的介绍。再主要对研究中的程序设计、电路设计的总体思想阐述。电子火车票的研究将会促进未来铁路客运售票、检票的自动化发展。

【关键词】RFID;电子火车票;电子标签;检票自动化

Abstract：With the development of technology，the field of the application of RFID technology is extending. It is much less that the researching on the Visible Electronic Train Ticket（VEET）. So we had a studying on it. The article introduces RFID technology that is applied to train ticket，how to utilize it make the VEET. In the first part of the article is about introducing working theories and feature of the RFID technology and Electronic tags. Then the article mainly introduces how to make designing on program and circuit. The researching of VEET will promote automation on ticket selling and checking of railway transport in the feature.

Key Words：Electronic Train Ticket;RFID technology;Electronic tags;ticket selling and checking

引言

中国是一个人口大国，每年的铁路客运量达到数十亿人次[1]，同时也会产生同样数量的纸质火车票，造成了巨大的资源浪费，而且纸质火车票的售票、验票存在着效率低的问题，这也是基于RFID技术可视化电子火车票（电子火车票）研究的原因。

随着RFID技术的发展，RFID已在多方面成功应用，比如：图书馆管理系统、门禁系统和地铁票证等等。而国内目前在电子火车票方面的研究比较少，所以电子火车票的研究是具有潜力的。

本次研究在可视化上采用MFRC522芯片构成的读写模块与单片机相结合，单片机通过读写模块间接对M1卡数据修改和读取，再通过液晶模块显示出乘客信息。

1.RFID技术及MIFARE卡片介绍：

1.1 RFID技术

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。是一种无线通信技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[2]，无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。当M1卡进入感应区后，读写设备会对M1卡进行自动识别、验证，再对M1卡的数据操作。

RFID可分为无源、有源品、半有源三大类，无源在频段上又可分为低频125KHZ、高频13.56MHZ、超高频433MHZ和超高频915MHZ。无源RFID标签具有价廉、轻小、使用寿命长等优点，本次研究中要实现非接触式、近距离信息通讯，因此采用无源高频RFID技术。

1.2 M1卡

M1卡作为信息存储介质，属于非接触式IC卡。它的容量为8Kb EEPROM，分16个独立扇区（编号0～15）和64个块（编号0～63），其中除去每个扇区的最后一块（密码块）和第0块（厂商代码块），剩有47个块供存储信息。每个扇区可用独立密码验证。

工作流程如图1所示：M1卡具有防冲突机制[3]，可以消去多卡同时进去感应区引起的冲突。当一个扇区访问结束，要访问其它扇区时，就要对新扇区密码验证，这样可以提高信息存储安全度。

图1 M1卡工作流程图

2.总体设计思路

向M1卡写数据。以单片机作为核心模块，把单片机和MFRC522制成的读写模块用硬件电路结合，通过单片机控制读写模块对M1卡上的数据进行操作。试先编好控制程序，当M1卡进入读写模块的感应区后，上位机软件会向单片机发送数据，单片机接收完数据后通过读写模块把数据再写到M1卡上，如图2所示。

读取M1卡的数据，显示M1卡上数据包含的信息。M1卡进入读写模块的感应区，读写器通过天线给M1卡提供能量，唤醍M1卡，把卡中的数据读回到单片机的存储空间，单片机再把获得的数据放在要显示的数据变量空间中，液晶模块调用显示数据变量空间肥数据显示出来，如图3所示。

图2 乘客信息传递流程

图3 液晶工作流程

3.程序设计

3.1 液晶显示程序

在显示上，要显示出乘客的乘车信息，比如：始发站在和目的地、车次、时间等等，因研究中所用的显示屏为NOKIA5110型号，其满屏显示的内容有限，所以将分三次显示。

首先对液晶初始化，设置液晶的偏置电压、基本指令、显示模式。单片机与液晶通信为SPI通信方式，编写一个用SPI传数据的调用函数：void LCD_write_byte（unsigned char dt，unsigned char command），这个函数在液晶显示中多次调用。再者对液晶的显示坐标进行设置，调用函数void LCD_set_XY（unsigned char X，unsigned char Y）函数中X为显示的所在列，Y为显示的所在行。以上是液晶的初始及基本调用函数。

单片机向读写模块发命令读取M1卡的数据，再把从M1卡读回的数据送入液晶显示要引用的数据空间中，显示函数把获得的数据再送入液晶中显示。当数据据显示完后，单片机再向读写模块发命令，重复传递液晶显示数据的过程，直到运行到单片机程序中预设的断点处停止。

显示子程序中建立固定的字库，例如：始发地、车箱、坐位等等。这样可以减小M1卡的容量负担，把建立好的字库中的信息预设显示在液晶上，读取的车票信息直接在留下对应的空位处写上，当写满预设的屏幕显示信息，单片机会自动调用清屏指令，把前一屏写的信息擦除，以便后面的信息显示。

3.2 读写程序

读写程序在基础建立在飞利浦公司编写的调用函数之上，当对M1卡进行数据操作时，要编写程序调用函数库的中子程序。

如图1所示，打开系统电源后，主函数中首先调用寻卡函数、防冲突[4]函数和选卡函数。如果没有M1 卡赶往感应区，程序一直在寻卡函数处循环运行，当M1卡进行感应区，系统搜寻到感应区的卡片，程序才会继续向下运行。经过寻卡、防冲突、选卡确定一个M1卡作为操作对象。再对M1卡扇区（可以任意指定某一扇区）首次密码验证，密码验证无误才可以对M1卡中的数据操作。访问其它扇区时，系统通过对其它扇区的密码验证，再次的验证可以使用其它密码，也就是说每次的验证使用独立的密码，保证的扇区的独立性，和数据的安全性。

主函数中建立一个密码库，放在单片机的内存空间，每一个密码对应一个扇区的验证密钥，对M1 卡验证时，系统自动调动密码库中的密码和M1 卡的扇区密钥匹配。密码库中的密码可以在需要更改时重新修改，用不同的密码和可更改的密码库对M1卡加密验证，大大提高的M1卡携带的数据安全和不可复制性。

4.硬件设计

电路设计中，使用STC89C52RC单片机作为微控制器，以单片机最小系统板作为核心载体。再以MFRC522芯片作为读写模块的核心，通过SPI通信方式与单片机进行通讯。单片机与读写模块用插槽结构连接，方便读写模块与单片机的分离和组合。

单片机最小系统板设计，包括电源、复位电路、晶振、蜂鸣器等。电源使用USB接口电路、+5V直流电源供电。复位电路由串联电容、电阻器构成，这里使用10K电阻和10uF电容。复位电路存在作用是当单片机程序跑飞时，按下复位键单片机会停下，然后重头运行程序，无需断电重启。当读写乘客的信息时出现了错误，通过复位键很快的停止程序错误地运行，避免了从新上电引起的问题。

晶振电路，它是是单片机最重要的部分，晶振产生单片机工作的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在晶振提供的时钟频率上，单片机的电路中使用11.0592MHz晶振，采用三端式接法，如图4所示：

图4 单片机的晶振电路

电路中蜂鸣器提醒装置，用PNP型的三极管和一个4.7K的电阻组成，三极管的基极与单片机的一个I/O口相接，基极置位时，三极管处于关断状态;基极清除位时，三极管导通，蜂鸣器工作。在程序设计中，读写器和M1卡进行一次正确的数据通信后，单片机会拉低与基极相接的I/O口的电位，三极导通，蜂鸣器发出声音，提醒用户电子火车票工正常。

读写器中采用MFRC522芯片，该芯片采用先进的调制和解调技术，支持 13.56MHz 频段所有被动非接触式通信方式和协议，并支持 ISO14443A 所有的层，传输速度最高可达 424kbps，应用比较广泛[5]。读写模块的电路中包含，晶振电路、通信方式选择电路等。这里的晶振电路也采用三端式接法，电路中所用的晶振频率为27.12MHZ，通过二分频后频得到目前高频通信所用的13.56MHz的频率。

图5 读写模块Pcb图

表1 MRFC522通信方式选接口择

天线是读写模块中最复杂，最重要的部分，天线的质量决定了在与M1卡通信中射频信号的质量，设计中采用了Philips公司提供的参考电路[6]，根据参考电路中所给定的设计参数直接制作。其中MFRC522的四个引脚TX1、TX2、WMID、RX与天线部分连接，TX1、TX2为天线部分提供能量载波。RX引脚在天线感应到M1卡发送的信号作为输入端，把信号送入MFRC522芯片处理。电路如图5所示。

读写模块的SPI通信。MFRC522可以支持多种通信方式，如：SPI、I2C和UART。工作中MFRC522可复位其接口，并自动检测当前微控制器接口的类型。其连接方式如表1所示。

实际电路中I2C引脚接地，EA引接接高电平，使MFRC522工作在SPI通信方式。

5.测试、调试

程测试中遇到的问题，如：怎么对M1卡的指定块访问、多扇区访问、液晶显示的数据传送等。M1卡的访问需要通过，寻卡、防冲突、选择卡这三步确定对象，再对其进行密钥验证。M1卡扇区的密码一定要保存备用，一旦忘记就很难找回，那样扇区就作废了。访问其它扇区时，一定要重新验证扇区的密码，不然扇区会绝访问，访其它扇区问时不需要重新上电。液晶读取数据显示的位置不对、乱码等，对函数语句逐一排查，如：变量的自增加、初始、调用位置等。

硬件电路运用Keil联合Protuse仿真，测试单片机和液晶模块组合工作状态，再制成实物与读写模块一起调试，测试信号的稳定性，完整性，感应区的范围。对于出现了信号不稳定、不完整的情况，把滤波电路，发送天线重新检查，是否焊接、线路排布、器件参数等有问题。调试成功结果如图6所示：

图6 样品展示

6.总结

RFID技术会随着科技的发展应用于更宽的生活领域，RFID在电子火车票上的应用也是一个潜在的领域。本文介绍了把RFID应用在火车票上，鉴于RFID便捷、易操作、安全等特性制成电子火车票。电子火车票的使用会将大大提高铁路客运的效率，同时电子火车票避免的纸质火车票的资源浪费，起到了环保的作用，响应了国家低碳发展的理念。但电子标签作为火车票技术还不成熟，电子火车票的使用还需要一套完整的系统，需要更多的研究。

参考文献

[1]中国情报网.2013-2017年中国铁路运输行业市场调研咨询报告[M/MT].中国情报网，[2013-09-23].http：///print/4/188840/.

[2]刘莹.RFID技术原理及其应用分析[J].中央民族大学学报（自然科学版），2006，15（4）.

[3]王道强.RFID系统在公交智能化的应用仿真与相关技术研究[D].东北林业大学，2012.

[4]苏明强，刘伟，邝涛.高性价比的MIFARE卡读写模块设计[J].微计算机信息，2006，22（5-2）：3-3.

[5]徐绍娟，邱琳.基于RC522模块的水控机卡通读写控制器设计[J].应用技术，2011-10（上）.

[6]Philips Semiconductors. Application Note- Mifare MF RC500 Active Antenna Concept[Z].http：///semiconductors，2003.

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（项目编号：AH201310371026）。