非接触智能卡在城市轨道交通运输中的研究与应用

1、非接触智能卡在城市轨道交通运输中的研究与应用陈伟彭北华摘要作者介绍了非接触智能卡的组成和工作原理，在此基础上详细论述了非接触智能卡在城市轨道交通运输中的应用中存在的问题和解决这些问题的方法。关键词非接触智能卡城市轨道交通AFC1引言城市轨道交通以快捷、方便、舒适以及安全准时等优点吸引大量的乘客，地铁和轻轨尤其突出，因此使用自动化程度高、技术更加先进的自动售检票系统，来保证大负荷运营状态下城市轨道交通安全有序的运营。城市轨道交通运营自动售检票系统AFC（Automatic Fare Collection）的发展经历了从70年代的磁卡设备到90年代非接触智能卡（IC）设备，由于磁记录技术成熟，磁卡

2、价格低且可读写，因此，二十多年的时间内，以磁卡为车票的AFC系统在世界各地得到了广泛的应用。随着科技水平的发展和设备的更新换代，磁卡系统存在的容量小、易于磨损和划伤、数据易于出错丢失，记录的数据无安全保密措施，极易被伪造和仿制，磁卡读写设备复杂、价格昂贵、故障率高，维护成本高等缺陷和问题。由于磁卡读写是通过磁头接触磁卡匀速运动来实现的，任何读写过程中的抖动、磁头与磁卡接触压力不均匀、磁头或磁卡的污染都会造成读写的错误。由于磁记录的车票存在如此多的问题，长期以来，国内外很多公司寻找一种比磁卡更为适用的媒体，直至非接触IC卡的发明。IC卡是1974年法国人发明的，最早是法国在八十年代初使其产品化，

3、由于其具有抗磁场、抗静电，保密性好，交易速度快和防冲撞以及适合多种应用等特点。很快进入包括城市轨道交通在内的各个领域，到目前为止已有香港、新加坡、美国、韩国等的地铁AFC系统部分使用磁卡系统代替，在运营中发挥了很好的作用，因此，如何在城市轨道交通的AFC系统中全面使用这一系统是一个十分重要的课题。2非接触IC卡系统的组成和工作原理城市轨道交通AFC的IC卡系统是由处理系统和IC 卡两部分组成，IC卡又分为接触式和非接触式，非接触IC卡是射频技术和IC卡技术结合起来，解决了无源及免接触等问题，由于产品的种类繁多和应用数量的增加，随之产生了这一产品的技术规范ISO/IEC14443和ISO7816

4、。根据ISO/IEC14443标准非接触IC卡分为A和B两种类型。2.1组成非接触IC卡的电器部分由天线、RF接口、控制单元及存储器等组成，图1所示。在卡的控制单元是一个微控制器，这种微控制器提供通讯协议来达到高度保密，同时还加快了读写速度，一般用软件解决的方案快400500倍。非接触卡技术的难点主要在芯片制造和片的封装方面，芯片电路包括模数混合集成电路、射频接口电路、稳压电路和防冲突电路，封装技术与接触卡截然不同。图1非接触IC卡电器部分示意图2.2工作原理读写器向非接触IC卡发出特定频率的电磁波，卡进入读卡器的工作区域后，在电磁波的激励下，片内的LC谐振电路产生共振使电容产生电荷，由于电容

5、的另一端接有一个单向导通的电子泵，电子泵将电荷输送到容量较大的电容中，当电容两端的电压达到一定的值时为其它电路提供工作电压，启动控制单元等器件工作，来完成数据的操作。2.3存储结构在带微处理器的非接触IC卡中，存储器由编程只读存储器EEPROM存放固化的微代码、用户只读存储器EEPROM和随机存储器等组成。根据容量的大小存储空间分若干的扇区，每个扇区分若干个块，每个块有16个字节，在每个扇区的0块中存放ID码，此码不能更改，在第3块上存有6个字节的密码和存取权限的控制字，根据用户的需求，也可设置一个密码。在扇区中有一个完全用于密码的块，其它的块存放数据，因此一张IC卡可以在不同的场合应用。根据

6、读写器选中的IC卡后，读写器在指定卡的地址，对该地址中的内容进行读写、加减、传输、存储、暂停等操作。2.4通讯和安全性根据IC卡ISO14443的标准不同类型的IC卡其通讯方式不同，但通讯频率固定为13.56MHz7KHz。卡和读写器通讯时根据已经定义的协议和固定的波特率进行相互认证，验证后返回信息包括序列号和代码等内容，读写器发出电磁波确定访问的扇区号，并对扇区号密码进行校验，通过后即可进行操作。在数据操作过程中，卡和读写器与读写器与卡的传输有所不同，在传输过程中每块字节都有纠错码进行校验。MIFARE PRO 卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES交叉算法，密码是受保护且不可读，

7、只有知道密码的用户才能修改，在EEPROM存储器的扇区中都有自己的密码，用户可根据扇区的不同应用设定不同的密码，扇区的访问密码分为KEY A和KEY B三次之后才可以对存储器进行访问，确认过程如图2所示。图2 访问密码确认过程示意图图中的所示符号：Token AB=ekAB(RAIIRBIIText2)Token AB=ekAB(RBIIRAIIText4)B发出一个随机数RB，A收到后返回信息TOKENab给B，收到后，B译码并验证符号AB中所含的随机数RB是否与B发出的一致；B又发给A一个值BA，收到后，A译码并验证符号RB的正确性，同时还验证BA中所含随机数RA是否与TOKENab一致。

8、3问题和解决方法早期的城市轨道交通使用磁卡式的AFC系统，如香港、新加坡等城市的地铁都采用此方式，随着机电技术的发展和城市轨道交通的需求，这一系统逐步体现出它的局限性，在AFC的票务系统中有单程票和储值票之分，以目前非接触卡的技术来衡量，用非接触智能卡做为单程票，它的成本价格要高于票的面额价格，为了保证整个AFC系统的安全和发行部门的经济效益，防范套购单程票以及卡流失事件的发生，又要改进这一系统来满足城市轨道交通发展的需求。如何解决这一矛盾？其一在原有的AFC系统上添加IC卡读写器，单程票使用磁卡制式车票，而储值票使用非接触IC卡，其优点解决了单程票问题，但增加了设备的成本，由于非接触卡目前主要是逻辑加密卡，不能作DES、RES运算，不如CUP卡安全性高，因此，使用接触卡和非接触卡合在一张卡片上（称混合卡）。其二引进非接触IC卡的封装生产线，实现国内封装，降低IC卡成本，促进国内IC卡生产技术的发展。第三使用硬币式非接触智能卡作为单程票，由于此形式卡存储容量较小，价格较低。乘客在进出站时便于识别单程票与储值票，有利于单程票的回收。4结束语非接触智能卡在城市轨道