基于RFID的公交智能收费系统研究

梁玉亮，张绍群，邹常丰，侯森垚，刘　林，刘唯恒

(1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



基于RFID的公交智能收费系统研究

梁玉亮1，张绍群1，邹常丰2，侯森垚1，刘林1，刘唯恒1

(1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

摘要：随着我国城市公共交通智能化发展，将无线射频技术(RFID)应用到城市公交系统具有重要意义。将RFID引入公交计费系统，提出一种基于RFID技术的智能公交收费系统设计方案，主要运用STM32微处理器、RFID读卡器、智能收费模块、显示模块的相互配合，根据乘坐里程进行计费的方法，对传统公交计费方式进行改进，实现城市公共交通智能化管理。

关键词：无线射频识别技术;微处理器;智能收费系统;城市公共交通

城市公共交通自17世纪出现以来，已逐步成为城市交通乃至整个城市系统中重要组成部分，与城市经济文化发展和广大市民的生活息息相关。随着人口增长和社会发展,给城市道路交通系统带来了巨大压力，而公共交通系统在缓解交通压力以及环境污染方面起到了举足轻重的作用。

射频识别(RFID)是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品的标签上传送出去，并自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波(调成无线电频率的电磁场)。标签包含电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。

目前，全国许多城市实行公交车无人售票，随着城市的快速发展，很多公交车的线路延伸至20 km以上，这些城市公交普遍使用分段计费方法，有些城市人工进行售票，方便购票者咨询交通信息和价格，但增加了运营和管理成本；有些城市上下车均放置刷卡设备，相对人工售票方式提高了收费效率和准确率，但在客流高峰时期，出现乘客下车刷卡动作困难、乘客在下车时忘记刷卡等情况。为了解决上述问题，在城市公共交通原有的售票方式和管理模式的基础上，研究一种基于RFID的公交智能收费系统，乘客携带集成的公交卡只需上车进行刷卡，下车时无需刷卡即可根据里程进行收费，使公交计费更加合理，提高运营效率，降低人工成本。

1设计理念

目前，主要有两种收费模式应用于长距离公交车收费：一种是静态分段计费方式，一种是动态计费方式。所谓静态分段计费方式，首先把整个公交路线划分成几段，如果乘客在始发站与第一段之间的某个站点上车，则收取全程票价；如果乘客在第一段与第二段之间的某个站点上车，则收取稍低的票价，以此类推进行收费。这种静态分段计费方式存在两个缺点:其一是第一段之间上车的乘客必须缴纳全程费用,无形中多收取了仅仅乘坐数站路的乘客的费用，因此，这种收费方式并不合理。而动态分段计费方式，是指乘客上车刷一次卡，下车时再刷一次卡,根据每个乘客乘坐公交车的里程来收取乘车费用,这种收费方式虽然合理，但是需要两个刷卡机才能完成扣费工作，不仅增加了运营成本，而且使得乘客上下车不便，尤其是在客流高峰时期，乘客甚至无法完成刷卡动作，而且采用这种模式收费不能很好地避免漏票现象，乘客上车后甚至提前刷卡却不下车，给运输公司带来损失，或者乘客在下车时忘记刷卡而使得乘客蒙受损失。

本文主要利用一种2.4 GHz有源标签和非接触式IC集成卡，实现上车刷卡登记，下车即可自动扣费的公交智能收费系统。每个乘客携带1张存有加密数据同时可以被远距离识别的集成卡，乘客上车时，进行刷卡登记，此时车内有源卡读卡器会对该乘客携带的有源卡进行监测，如果监测到相应ID有源卡不在判读区，系统认为该乘客下车，并根据路程计算该乘客车费，同时给予扣费。

该方案只需要在乘客上车时进行刷卡一次，当乘客到达目的地时直接下车，系统就可以根据乘客的乘车距离进行收费。下车时无需乘客操作，降低人工成本，减少公交车停靠时间，提高运营效率。

2系统基本结构

公交智能收费系统主要功能模块包括STM32微处理器、2.4 GHz有源标签读卡器、IC卡读卡器、显示模块、智能收费模块以及集成卡和电源模块等。对于集成卡，使用符合ISO/IEC18000-4协议的2.4 GHz有源标签，同时集成应用符合ISO/IEC14443A标准的非接触式IC卡卡片，公交收费系统基本结构如图1所示。

图1　公交收费系统基本结构

微处理器采用STM32F103C8T6，属于ARM架构的Cortex-M3内核，数据总线宽度32位，工作频率72 MHz，程序存储器64 KB，具有优异的实时性能和功耗控制，性价比高，外设资源丰富，具有USART、CAN、USB等接口。考虑到实时性和扩展性，所以采用该型号的微处理器，以满足实际使用中对性能的要求。

RFID技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。基本工作原理并不复杂，标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

本系统同时使用13.56 MHz的非接触式无源标签和2.4 GHz有源标签技术，在刷卡验证时可以对13.56 MHz无源标签的加密信息进行验证，对乘客在车上进行检测，使用相应读卡器对2.4 GHz有源标签远距离判读。

乘客上车进行刷卡，13.56 MHz读卡器将卡片检测信息发送给微处理器，进行身份校验和登记。登记后车内有源标签读卡器会对该乘客携带的2.4 G有源卡进行不断监测，如果监测到相应ID有源卡不在判读区，系统认为该乘客下车，并根据相应路程计算该乘客车费并将信息发送给收费模块，收费模块与服务器通信完成扣费操作。公交收费系统如图2所示。

图2　公交收费系统

3实现原理

在公交智能收费系统中，STM32作为微处理器，访问存储了该公交车所在的公交线路中所有站点和每个站点之间的距离等信息的内存卡，乘客上车后，在前门使用集成卡进行刷卡，读卡器访问IC卡加密信息，并登记该卡上车信息，同时通过服务器对卡内余额进行检查，若余额不足以支付全程路费，则此时对乘客进行提醒。

当乘客到达目的地从后门下车时，后门的读卡器检测到2.4 GHz有源标签，将ID信息传送给微处理器，根据上车时微处理器存储的登记站点进行车费计算，然后与服务器进行通信，完成金额扣除动作。

由于许多不确定因素的存在，收费系统有可能出现一些意外情况，2.4 GHz有源标签传输距离可至几米，有可能在乘客未下车即造成扣费，使用有向2.4 GHz读卡器和计费策略可以有效解决这个问题，如果乘客没有下车但收费系统进行了扣费，当乘客下车时，系统会根据该乘客上车站点和已扣费金额进行补交车费。本程序设计流程如图3所示。

当乘客需要下车，通过后门的读卡器超过2～3 m远时，系统会利用预存的站点信息根据上车地点与下车地点的路程计算出该乘客费用，并与服务器进行通讯，完成扣费操作。

4结束语

射频识别为信息数字化采集、存储、传输提供技术保证。随着RFID 技术在交通领域的广泛应用，将不断出现功能更完备、性能更优异、可靠性更高、安全性更强的产品，以满足市场需求。

本文基于RFID技术的智能公交收费系统，对传统公交计费方式进行改进，实现根据路程收费的智能公交系统，同时改善了目前公交系统乘客乘车收费所存在的不合理性，以及乘客逃票、漏票的问题，能够提高运营效率，该系统可进一步在全国城市推广，具有不可估量的社会效益和经济效益。

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[责任编辑：郝丽英]

Bus intelligent billing system based on RFID

LIANG Yuliang1,ZHANG Shaoqun1,ZOU Changfeng2,HOU Senyao1,LIU Lin1,LIU Weiheng1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China; 2.Traffic College,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Abstract：As the urban public transport system in China is developing more and more intelligent,the way of applying the wireless radio frequency technology (RFID)to the urban public transport system becomes important.This paper introduces the RFID for the bus billing system,and offeres a new proposal of bus intelligent billing system based on RFID.This systerm mainly combines the STM32 MCU,RFID card reader with intelligent billing module and display module,and the charge of ride mileage to achieve the bus intelligent billing system.

Key words：RFID microcontroller unit; intelligent billing system; urban public transport

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.008

收稿日期：2016-04-06

基金项目：东北林业大学大学生创新训练项目(201510225197)

作者简介：梁玉亮(1994-)，男，本科生，研究方向:汽车电控.

中图分类号：U495

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)03-0029-04