基于無線射頻識別與電力載波的特定場合服務系統的研究

郭國法+高楊浩++張開生

摘 要： 針對目前景區以及大型展覽的智能化管理運營的欠缺，以及國家對低碳環保節約能源的號召，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系統。系統通過使用電子門票取代傳統紙質門票，通過RFID以及電力載波技術實現了對區域內以及各子區域實現實時人數的監控，幫助管理人員掌握實時訪客人數，從而采取相應措施對區域內實時人數進行動態調整，保證景區游客人數處于景區可承載范圍之內，最大化提升景區內游客的舒適度。系統針對旅游景區還對游客游覽信息進行記錄，有利于景區管理人員對區內各個景點進行評估。系統利用上位機軟件處理得到景區內的熱門路徑，有利于景區合理安排商業活動，增加景區收入。結果表明，使用該系統可以實現節約資源保護環境的目的。

關鍵詞： 無線射頻識別； 景區； 實時人數； 電力載波通信； 特定場合服務系統

0 引 言

目前，絕大多數的旅游景區、游樂場所以及大型展覽都采用紙質的門票，對于上述場合的現代化運營及管理來說，傳統紙質門票有以下幾種缺陷：這種門票無法實現回收利用，造成了資源的浪費； 使用紙質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；紙質門票無法為訪客及管理方提供更多現代化功能；傳統的紙質門票也無法滿足管理人員對掌握實時訪客數量的需求。尤其是對于景區來說，其可以承載的游客人數有一定的范圍，超出這個范圍，游客不斷增加，對自然環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；在一個景區之內，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、不合理的設計或者不人性化的服務對景區形象造成負面影響。上述的問題廣泛存在于使用傳統紙質門票的景區或其他大型活動之中。

針對上述問題，系統設計了一種基于RFID技術與電力載波技術的特定場合與訪客之間的服務與反饋的系統。為了景區能得到更好的發展，系統設計了游客信息反饋環節，并通過對反饋信息進行統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內的實際狀況。訪客可以通過手持終端遠程訪問，合理安排參觀線路，從而提高科學管理程度以及游客的游覽體驗。在系統防偽方面，系統設計使用DES加密算法提高電子門票的防偽能力。

1 系統總體設計

系統的主體架構如圖1所示。本系統可以用于大型旅游景區、大型游樂場以及大型展覽，校園圖書館等場合，采用RFID技術實現電子門票功能，在此基礎上，通過RFID電子標簽卡對游客游覽信息進行記錄，并利用電力載波技術以及上位機軟件對數據進行傳輸以及統計匯總等處理對系統實現信息反饋，實現了對系統覆蓋區域整體以及各個子區域實時游客人數的統計。系統還可以為來訪者介紹景點或各個子區域的信息，引導訪客合理規劃參觀路線。

此外，針對旅游景區以及游樂場系統可以實現各個景點對游客吸引力的評估。 系統的組成包括上位機、數據庫、門禁系統等部分。門禁系統包括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的管理提供操作平臺。數據庫用于存儲系統自身以及游客反饋的數據。門禁系統分為進/出口門禁以及各個子區域的門禁。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。從機負責讀卡、獲得實時游客信息以及控制門禁，并將數據以一定周期定時發送給主機。主機將各從機發來的數據進行匯總處理再通過串口發送至上位機。上位機對所有數據進行處理，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域信息，比如相關區域的實時人數、概述信息、自身大概位置等。

系統硬件框圖如圖2所示。

1.1 系統在景區的應用

在景區進出口以及各個景點進出口分別設置有門禁系統，游客在各個門禁處刷卡打開或關閉門禁，從機識別游客電子門票后，打開或關閉門禁，從機微處理器計算進出口門禁讀卡數據得出景區或景點的實時人數，并利用電力載波技術通過電力線將數據傳輸至主機，主機對數據進行處理后通過RS 232串口最終傳送到上位機。上位機在收到匯總后的數據后，對這些數據進行處理和分析，顯示在上位機界面，并用不同顏色標示各景點人數對管理人員提出調度意見。管理人員可根據實時人數通知售票處限制售票數量或促銷，管理人員亦可查看當前景區內各個景點的實時人數，引導分散人流，緩解景點擁擠狀況。游客也可以在手持設備上通過互聯網查看自己在景區內的大概位置以及各景點的實時人數合理制定游覽路線。上位機將各景點一定周期內的接納游客人數進行統計，比較以便管理人員直觀地了解景區的運營情況。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存在的問題，改進景點的軟硬件設施，提升景區的整體吸引力。此外，系統通過算法對游客游覽記錄進行分析得到游客在景區內的熱門游覽線路，管理人員通過熱門路徑合理安排商業活動，增加景區收入。

1.2 系統在大型展覽中的應用

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。針對這種應用場合，系統使用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分會場門禁。各個分會場門禁可以統計該分會場內實時訪客人數，并通過電力載波通信技術上傳至上位機，游客亦可通過網絡訪問系統，查看會場內的情況，選擇適合的參觀路線。

2 實現方案

2.1 系統的硬件實現

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

電力載波通信是電力系統特有的通信方式，電力載波通信是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，利用現有的電線就能進行數據傳輸。在現代生產過程的檢測和控制中，遠程控制系統應用越來越普遍。由于電力載波通信技術在實現實時通信的同時可以避免重新架設線路網絡，節省人力物力成本，因此本系統設計利用該技術實現景區及各個景點與主機的通信。

系統的門禁系統部分如圖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標準下低成本、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內部有高集成的調制解調模塊，內部發射器可以直接驅動基于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標準的非接觸式通信的場合，如交通卡、飯卡、門禁系統等場合有廣泛的應用。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1組固定頻率的電磁波，電子標簽內有1個LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有1個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接收讀寫器的數據[5]。

LC諧振電路的諧振頻率調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]為一圈天線導線環的長度，單位為cm；[D1]為PCB線圈導線的寬度；若線圈為環形，則K=1.07，若線圈為矩形，則K=1.47；N為線圈匝數。根據式（2），并查閱相關文獻，結合實踐經驗，完成匹配天線的設計，如圖6所示。

2.2 系統的軟件實現

系統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據采集，并以一定時間為周期利用電力載波技術通過電力線向主機發送數據，主機接收并處理各從機發來的數據，處理后通過串口發送至上位機，上位機繼續對各數據進行保存、計算、顯示等處理。

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

系統軟件流程圖如圖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位數據，加密的過程實際上是16輪次對數據的轉換與代換操作。

DES算法的核心是一個輪函數。明文（密文）數據經過初始置換后進行16次輪函數的操作，最后輸出加密（解密）結果。在每一次輪函數的操作中使用的密鑰Ki是初始密鑰經過變換后得到的，所以每一輪的密鑰都不同；對于輸入的64位明文數據，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位數據為：

[Li+1=Ri]

[Ri+1=Li⊕P（S（E（Ri）⊕Ki））]

其中，E表示將右半部分的32位數據擴展為48位，與密鑰異或后經過8個S盒處理，每個S盒接收6位的輸入，產生4位的輸出。然后經過一個置換矩陣P，與左半部分再次異或后作為下一輪函數的右半部分數據[6?7]。

由以上仿真的實驗結果可以得出DES加密算法對于數據加密切實有效，將其應用在RFID系統中可以較好地解決系統的安全性問題。

4 結 語

針對旅游景區，系統通過算法對游客游覽記錄進行分析得到游客在景區內的熱門游覽線路，管理人員通過熱門路徑合理安排商業活動，增加景區收入。經過試驗證明，系統不僅可以實現電子門票的功能，還可以對景區（會場）以及景區（會場）內各景點（分會場）的實時人數進行監控，以便管理人員合理調整景區（會場）及各個景點（分會場）的游客人數；為管理人員評估各個景點的運營情況提供數據參考，實現景區的智能化管理和服務；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；有利于節約資源，保護景區生態環境，提升景區綜合競爭力。在圖書館的使用亦可幫助師生提高工作效率。

參考文獻

[1] 游戰清，李蘇劍.無線射頻識別技術（RFID）理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 繆中華.RFID技術在地鐵自動售檢票機中的應用[J].電子技術與軟件工程，2015（7）：120.

[3] 李趙麒.智能手持式RFID讀寫器的研究與實現[D].成都：電子科技大學，2013.

[4] 鐘經偉.基于RFID技術的智能景區系統設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（16）：8?11.

[5] 李和平，黎福海.基于MF RC500的Mifare射頻卡讀寫器設計[J].電測與儀表，2007（9）：61?64.

[6] 羅斌.基于動態加密算法的RFID系統安全性研究與設計[D].北京：北京郵電大學，2010.

[7] 劉念，殷業，葉龍，等.一種改進的高效RFID加密安全協議[J].計算機工程，2014（7）：87?91.

[8] 冉建華.射頻識別技術在九寨溝景區應用分析[J].鐵路計算機應用，2009（3）：34?36.

[9] 陳鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載波通信技術及應用[J].電力系統保護與控制，2009（22）：188?195.

[10] 李水明.基于電力線載波技術的嵌入式視頻監控系統研究[D].柳州：廣西科技大學，2013.