非接觸智能卡在城市軌道交通運輸中的研究與應(yīng)用

1、非接觸智能卡在城市軌道交通運輸中的研究與應(yīng)用陳偉彭北華摘要作者介紹了非接觸智能卡的組成和工作原理，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)論述了非接觸智能卡在城市軌道交通運輸中的應(yīng)用中存在的問題和解決這些問題的方法。關(guān)鍵詞非接觸智能卡城市軌道交通AFC1引言城市軌道交通以快捷、方便、舒適以及安全準(zhǔn)時等優(yōu)點吸引大量的乘客，地鐵和輕軌尤其突出，因此使用自動化程度高、技術(shù)更加先進(jìn)的自動售檢票系統(tǒng)，來保證大負(fù)荷運營狀態(tài)下城市軌道交通安全有序的運營。城市軌道交通運營自動售檢票系統(tǒng)AFC（Automatic Fare Collection）的發(fā)展經(jīng)歷了從70年代的磁卡設(shè)備到90年代非接觸智能卡（IC）設(shè)備，由于磁記錄技術(shù)成熟，磁卡

2、價格低且可讀寫，因此，二十多年的時間內(nèi)，以磁卡為車票的AFC系統(tǒng)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科技水平的發(fā)展和設(shè)備的更新?lián)Q代，磁卡系統(tǒng)存在的容量小、易于磨損和劃傷、數(shù)據(jù)易于出錯丟失，記錄的數(shù)據(jù)無安全保密措施，極易被偽造和仿制，磁卡讀寫設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴、故障率高，維護(hù)成本高等缺陷和問題。由于磁卡讀寫是通過磁頭接觸磁卡勻速運動來實現(xiàn)的，任何讀寫過程中的抖動、磁頭與磁卡接觸壓力不均勻、磁頭或磁卡的污染都會造成讀寫的錯誤。由于磁記錄的車票存在如此多的問題，長期以來，國內(nèi)外很多公司尋找一種比磁卡更為適用的媒體，直至非接觸IC卡的發(fā)明。IC卡是1974年法國人發(fā)明的，最早是法國在八十年代初使其產(chǎn)品化，

3、由于其具有抗磁場、抗靜電，保密性好，交易速度快和防沖撞以及適合多種應(yīng)用等特點。很快進(jìn)入包括城市軌道交通在內(nèi)的各個領(lǐng)域，到目前為止已有香港、新加坡、美國、韓國等的地鐵AFC系統(tǒng)部分使用磁卡系統(tǒng)代替，在運營中發(fā)揮了很好的作用，因此，如何在城市軌道交通的AFC系統(tǒng)中全面使用這一系統(tǒng)是一個十分重要的課題。2非接觸IC卡系統(tǒng)的組成和工作原理城市軌道交通AFC的IC卡系統(tǒng)是由處理系統(tǒng)和IC 卡兩部分組成，IC卡又分為接觸式和非接觸式，非接觸IC卡是射頻技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源及免接觸等問題，由于產(chǎn)品的種類繁多和應(yīng)用數(shù)量的增加，隨之產(chǎn)生了這一產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范ISO/IEC14443和ISO7816

4、。根據(jù)ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡分為A和B兩種類型。2.1組成非接觸IC卡的電器部分由天線、RF接口、控制單元及存儲器等組成，圖1所示。在卡的控制單元是一個微控制器，這種微控制器提供通訊協(xié)議來達(dá)到高度保密，同時還加快了讀寫速度，一般用軟件解決的方案快400500倍。非接觸卡技術(shù)的難點主要在芯片制造和片的封裝方面，芯片電路包括模數(shù)混合集成電路、射頻接口電路、穩(wěn)壓電路和防沖突電路，封裝技術(shù)與接觸卡截然不同。圖1非接觸IC卡電器部分示意圖2.2工作原理讀寫器向非接觸IC卡發(fā)出特定頻率的電磁波，卡進(jìn)入讀卡器的工作區(qū)域后，在電磁波的激勵下，片內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振使電容產(chǎn)生電荷，由于電容

5、的另一端接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，電子泵將電荷輸送到容量較大的電容中，當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到一定的值時為其它電路提供工作電壓，啟動控制單元等器件工作，來完成數(shù)據(jù)的操作。2.3存儲結(jié)構(gòu)在帶微處理器的非接觸IC卡中，存儲器由編程只讀存儲器EEPROM存放固化的微代碼、用戶只讀存儲器EEPROM和隨機(jī)存儲器等組成。根據(jù)容量的大小存儲空間分若干的扇區(qū)，每個扇區(qū)分若干個塊，每個塊有16個字節(jié)，在每個扇區(qū)的0塊中存放ID碼，此碼不能更改，在第3塊上存有6個字節(jié)的密碼和存取權(quán)限的控制字，根據(jù)用戶的需求，也可設(shè)置一個密碼。在扇區(qū)中有一個完全用于密碼的塊，其它的塊存放數(shù)據(jù)，因此一張IC卡可以在不同的場合應(yīng)用。根據(jù)

6、讀寫器選中的IC卡后，讀寫器在指定卡的地址，對該地址中的內(nèi)容進(jìn)行讀寫、加減、傳輸、存儲、暫停等操作。2.4通訊和安全性根據(jù)IC卡ISO14443的標(biāo)準(zhǔn)不同類型的IC卡其通訊方式不同，但通訊頻率固定為13.56MHz7KHz?？ê妥x寫器通訊時根據(jù)已經(jīng)定義的協(xié)議和固定的波特率進(jìn)行相互認(rèn)證，驗證后返回信息包括序列號和代碼等內(nèi)容，讀寫器發(fā)出電磁波確定訪問的扇區(qū)號，并對扇區(qū)號密碼進(jìn)行校驗，通過后即可進(jìn)行操作。在數(shù)據(jù)操作過程中，卡和讀寫器與讀寫器與卡的傳輸有所不同，在傳輸過程中每塊字節(jié)都有糾錯碼進(jìn)行校驗。MIFARE PRO 卡與讀寫器之間的通訊采用國際通用的DES和RES交叉算法，密碼是受保護(hù)且不可讀，

7、只有知道密碼的用戶才能修改，在EEPROM存儲器的扇區(qū)中都有自己的密碼，用戶可根據(jù)扇區(qū)的不同應(yīng)用設(shè)定不同的密碼，扇區(qū)的訪問密碼分為KEY A和KEY B三次之后才可以對存儲器進(jìn)行訪問，確認(rèn)過程如圖2所示。圖2 訪問密碼確認(rèn)過程示意圖圖中的所示符號：Token AB=ekAB(RAIIRBIIText2)Token AB=ekAB(RBIIRAIIText4)B發(fā)出一個隨機(jī)數(shù)RB，A收到后返回信息TOKENab給B，收到后，B譯碼并驗證符號AB中所含的隨機(jī)數(shù)RB是否與B發(fā)出的一致；B又發(fā)給A一個值BA，收到后，A譯碼并驗證符號RB的正確性，同時還驗證BA中所含隨機(jī)數(shù)RA是否與TOKENab一致。

8、3問題和解決方法早期的城市軌道交通使用磁卡式的AFC系統(tǒng)，如香港、新加坡等城市的地鐵都采用此方式，隨著機(jī)電技術(shù)的發(fā)展和城市軌道交通的需求，這一系統(tǒng)逐步體現(xiàn)出它的局限性，在AFC的票務(wù)系統(tǒng)中有單程票和儲值票之分，以目前非接觸卡的技術(shù)來衡量，用非接觸智能卡做為單程票，它的成本價格要高于票的面額價格，為了保證整個AFC系統(tǒng)的安全和發(fā)行部門的經(jīng)濟(jì)效益，防范套購單程票以及卡流失事件的發(fā)生，又要改進(jìn)這一系統(tǒng)來滿足城市軌道交通發(fā)展的需求。如何解決這一矛盾？其一在原有的AFC系統(tǒng)上添加IC卡讀寫器，單程票使用磁卡制式車票，而儲值票使用非接觸IC卡，其優(yōu)點解決了單程票問題，但增加了設(shè)備的成本，由于非接觸卡目前主要是邏輯加密卡，不能作DES、RES運算，不如CUP卡安全性高，因此，使用接觸卡和非接觸卡合在一張卡片上（稱混合卡）。其二引進(jìn)非接觸IC卡的封裝生產(chǎn)線，實現(xiàn)國內(nèi)封裝，降低IC卡成本，促進(jìn)國內(nèi)IC卡生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。第三使用硬幣式非接觸智能卡作為單程票，由于此形式卡存儲容量較小，價格較低。乘客在進(jìn)出站時便于識別單程票與儲值票，有利于單程票的回收。4結(jié)束語非接觸智能卡在城市軌道