智慧交通篇 2 —— 公交刷卡（非接触IC卡）系统全透析

公交刷卡（非接触IC卡）系统全透析

1  引言

城市公交系统经过长年的逐步演化，从有人售票机制到无人售票（刷卡）系统，从售票信息的半人工采集到全自动化采集，已经日趋完善。公交刷卡系统已经不是前沿科技，但是整个系统的运作机制是怎么样的呢，今天小编为大家做个解析。

2  技术体制

以13.56MHz非接触式IC卡作为充值与刷卡扣费的介质，依托市政公交管理信息平台，将收费数据进行统一的清算管理。

3  公交卡介绍

3.1  公交卡技术指标

公交卡所采用的非接触IC卡，常用芯片包括飞利浦MIFARE Std 1k(MF1 IC S50)、SLE66R35 MifareNRG、MIFARE Std 4k(MF1 IC S70)、MifareDESFire 4k(MF3 IC D41)。很适宜应用于电子钱包、公路收费系统、公共汽车自动售票系统、小额储值消费卡等。其主要指标有：

（1）符合ISO/IEC14443 TYPE A非接触式IC卡国际标准；

（2）满足《中国金融集成电路（IC）卡规范》和《中国金融集成电路（IC）卡应用规范》；

（3）容量为8K位EEPROM；

（4）分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位；每个扇区有独立的一组密码及访问控制；因此可以分区分别存储电子钱包和次数记录（成都公交收费模式）；

（5）每张卡有唯一序列号，为32位；

（6）具有防冲突机制，支持多卡操作；

（7）采用国际标准的DES和RES保密交叉算法

（8）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路；

（9）数据保存期为10年，可擦写10万次，读无限次；

（10）IC卡的完整使用过程，包括防冲突、相互认证、数据的读、写和校验等，成功率不小于99.95%，其处理时间不超过300ms；

（11）工作温度：-40℃~60℃（根据产品工艺）；

（12）工作频率：13.56MHZ；

（13）通信速率：106Kbps；

（14）读写距离：100mm以内（与读写器有关）；

（15）IC卡使用故障率不超过1/1000。

3.2  应用流程

3.2.1  刷卡流程

乘客乘车刷卡时，将公交卡靠近刷卡设备（车载刷卡收费机，下文简称车载机）前的感应区，车载机感应到卡片后，首先对卡片的合法性进行验证，验证通过后对卡片进行扣费，上述操作完成，车载机完成了对乘客卡的收费，乘客可以搭乘汽车。

3.2.2  数据采集流程

乘客刷卡乘车后，车载机主机完成相应的扣款并存储相应的消费记录。当公交车进入总站后，车载主机的数据需要上传至服务器。早期的方式为办自动方式，即工作人员拿手持式数据采集器到车载机前“碰”一下，以此进行数据交换。如今发展成无线数据传输方式，多采用基于WIFI的方式，公交车进站后，车载机WIFI通讯模块自动连接到架设在各停车站点的AP，AP则通过有线局域网方式与服务器/数据中心连接。关联完成后，车载机将本次机上存储数据自动上传至数据采集系统，并将黑名单及其它需下载内容下发到车载机上，此过程无人为干预。有机会可以体验到：停在公交场站的公交车传出一声清脆的语音提示“采集完成。”

3.3  IC卡运行原理

IC卡读写器将要发送的信息编码后加载到一固定频率的载波上，卡片内有一个谐振电路，其频率与读写器发送的载波频率相同，当交通卡进入读写器的工作区域后，谐振电路产生共振并产生电荷积累，当电荷积累到一定数值时，就能为卡内的电路提供工组电压、复位信号、系统时钟，读写器发送的数据信息经过卡内射频接口模块解码，由控制单元来判断这些信息的要求和合理性，然后进行处理，最终决定是否对EEPROM内的数据进行改写或输出。

3.4  IC卡工作流程

读卡机实时的向外发射一定的电磁波，当IC卡进入电波的有效范围时，天线就会接收到电磁波，电磁波的实质就是电场与磁场的交变，而变化的磁场则会在天线、MPU和 FLASH ROM组成的闭合回路里产生电流。该电流为MPU提供能源并同时加载一定形式的数据信息。MPU先与读卡机同步，从FLASH ROM中取得 卡片身份资料，与读卡机进行验证。验证完成后，对FASH ROM内的金额数据进行操作。操作成功后向读卡机发送数据，由读卡机向使用者显示余额等信息。

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注：ROM最初不能编程，出厂什么内容就永远什么内容，不灵活。后来出现了PROM，可以写入一次，如果写错了就废了，只能换一片。技术不断进步，产生了可多次擦除写入的EPROM，每次擦除要把芯片拿到紫外线上照一下，试想一下你往单片机上下了一个程序之后发现有个地方需要加一句话，为此你要把单片机放紫外灯下照半小时，然后才能再下一次，这么折腾一天也改不了几次。历史的车轮不断前进，EEPROM出现了，拯救了一大批程序员，终于可以随意的修改ROM中的内容了。

FLASH属于广义的EEPROM，因为它也是电擦除的ROM。但是为了区别于一般的按字节为单位的擦写的EEPROM，我们都叫它FLASH。

FLASH做的改进就是擦除时不再以字节为单位，而是以块为单位，一次简化了电路，数据密度更高，降低了成本。上兆（M）的ROM一般都是FLASH。

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3.5  通讯安全机制

MIFARE系统的读写模块（MCM）与感应卡之间采用相似的鉴别算法建立通讯，并使用随机数对通迅数据进行加密。该鉴别算法称为三次传递鉴证（Three Pass Authentication）。符合国际标准ISO 9798－2。如下图所示：

（1）感应卡产生并发送随机数RB给读卡器。

（2）读卡器将RB与密匙、读卡器序列号及随机数RA结合形成TokenAB发送给感应卡。

（3）感应卡解读TokenAB，判断读卡器的合法性。

（4）感应卡将RA、RB、密匙及芯片号相结合产生TokenAB发给读写器。

（5）读写器解读TokenAB，判别感应卡的合法性。

4  收费模式

公交IC卡收费模式将采用一票制、多票制同时并存的方式。

（一）一票制收费

对于一票制收费系统，系统在启动前，公交车载机内设有级别的收费金额标准（发行卡片时对卡片进行设置），乘客无论在那里上车，缴纳的乘车费用相同。

车载机存储所有的在一个工作日内发生的交易记录，在指定时间内，将所有的交易记录通过采集器送到服务器后台。

（二）分段收费

对分段多票制收费模式，可以采用以下几种方式之一：

（1）车载机+司机键盘方式：在这种方式下，为司机配备一个专用键盘用于设置车载机的扣费金额。键盘与车载机通过物理线路连接，车载机的扣费金额需要更改时，司机通过键盘控制。

（2）手持POS机方式：这种方式下，要求有专门的售票员操作，售票员采用手持式POS机进行按需刷卡售票。

（3）上车刷卡，下车刷卡方式：上车刷卡记录一个标志，下车刷卡比对标志，并自动扣费。

分段多票制收费模式对比图：

 

车载机+司机键盘方式

手持POS机方式

上车刷卡，下车刷卡方式

刷卡

慢

快

烦

成本

设备成本低

设备成本高

成本高，两台车载机较高

查票

无可查

售票员任意查

需售票员监督

5  票卡类型

卡种类可分为三种，分别为普通卡、学生卡、老人卡。每种卡可定义不同的收费金额，比如：学生卡0.8 元、普通卡1.0元、老人卡 0.5元。要采用一票制，软件开户时，可将卡片的类型定好。

（1）普通卡

乘客在购买普通卡时，如果登记了身份证，该卡可以凭身份证进行挂失等服务操作，否则不予挂失。卡金额不足，可到任意充值点充值。挂失功能可用，也可不用。

（2）学生卡

学生优惠卡只能由学生凭学生证购买。该卡只限于本人使用，不可带人，不可挂失。开户时，可根据学生的学年制来限定刷卡时间。比如到2008年01月01日，该卡就过期。过期刷卡报警，该卡只有经过再次授权后才能使用。

乘客使用学生优惠卡时，车载机首先检查是否在刷卡有效期功能，如果在，就可刷卡扣费。

（3）老人卡

该卡是一种面向社会发行的优惠卡，老人卡是一种优惠卡，初次申请时，本人需持老人优待证、身份证、本市户口本，在公交公司指定的地点办理。购卡时需交租（押）金25元（例）。

老人卡是个人化卡，只限本人使用，不可带人刷卡。老人卡使用时有语音及声光提示，具有严格的时间限制，每半年在公交公司指定的地点进行有效性核查、充值，超过有效期的老人卡将视为黑卡处理。

6  系统建设

6.1 设计依据

主要设计依据包括但不限于：

  l    GB  6833—2（3、4、5）－87电子测量仪器电磁兼容性试验规范

  l   《中国金融集成电路（IC）卡规范》

  l   《中国金融集成电路（IC）卡应用规范》

  l   《商用密码管理条例》

  l   《建设事业IC卡应用技术规范》

  l    CJ/T 166—2002建设部标准《建设事业IC应用技术》

  l    CJ／T 3087-1999建设部标准《城市公共汽电车收费设备——电子收费机应用技术条件》

  l    ISO/IEC 14443 TYPE A非接触式IC卡国际标准

  l    国家金卡工程办公室《全国IC卡应用发展规划》

7  系统框架

7.1  车载刷卡收费机 

安装在公交车上车门边的非接触式IC卡的读写装置。乘客上车时，将有效的储值车票以正常速度(不能过快或过慢，以防止因抖动而引起误操作），放置在读写区的表面上面约0-10CM的感应范围内(最佳感应距离约为5CM左右)，稍作停顿（约0.3秒），车载机发出“嘀”的声音，绿灯亮，显示卡内余额，车载机已经完成扣款的全过程。对月卡可作扣除使用次数等操作。

7.2  验票机  

它的结构原理与车载机相同。不同之处在于它不对卡进行扣值或扣次处理，也不存贮记录，只阅读并显示卡内余额或次数，卡号等相关信息。验票机用于乘客查看储值卡上余额或月卡所剩余的乘车次数。

7.3  公交充值发卡器 

用于为乘客提供销售，充值，退卡等服务。公交充值发卡器由操作员凭合法操作员卡进入系统进行操作，对每一笔充值或退卡业务有明细的记录，并且记录有校验密码防止非法删除或改写交易记录，交易记录可通过拨号网络上传到管理中心服务器。

7.4  数据采集终端 

主要负责采集车载机内的原始数据。该系统由两部分组成。一是结算中心工作人员对车载机采集数据用的数据采集器（手持POS机），二是结算中心工作人员专用的数据采集卡（用于打开车载机上的数据库）。 

7.5  无线AP

只具备数据传输功能，作为管理平台数据收集系统与车载机进行数据对接的通讯中间装置。

7.6  应用系统 

应用系统主要包括以下七个子系统:

（1）特殊卡制作系统 

主要用于空白卡初始化以及通用授权卡、票价设定管理卡、票价设定卡、数据采集管理卡、数据采集卡、操作员管理卡、操作员卡、车载机授权卡等特殊卡的制作。 

（2）乘客卡发行系统

主要是对刚刚购买入库的ＩＣ卡进行初始化，使其变成公交公司的授权格式，防止非法伪造。 

（3）数据收集系统

主要用于接受数据采集机采集的原始数据并进行数据汇总，保证所有数据安全正确地返回到管理中心。

（4）充值点管理系统

接收充值点终端上传的原始数据，并进行汇总统计。

（5）数据管理系统 

管理原始数据，对数据进行备份、恢复、维护，输出各管理阶层所需的报表，并可查询各种原始记录。

（6）财务管理系统

　　对原始数据进行处理，查询各种财务统计报表。

（7）营运管理系统

对原始数据进行处理，查询各种营运统计报表。如各线路营运收入及客流量统计报表。

8  效益分析

采用非接触IC卡，对比传统的收费方式，有以下效益点。

8.1  经济效益

（1）加快乘客上车速度，减少车辆停站时间,加速车辆周转等于减少车辆。

（2）学生采用学生计费后刷卡依然给予优惠，老年人采用老年计费刷卡给予优惠。用IC卡替代月票及钱币方式，最终取代月票，消除福利月票的种种弊病，对促进管理，加强经济改革，打破大锅饭具有重要的意义，并为最终减少公交企业亏损，减少依赖政府补贴创造前提。

（3）及时掌握客流情况，科学合理调度而创造效益。

（4）可以节省无人售票点钞工作人员的费用。。

（5）广告费收入，IC卡面可印广告，抵消IC卡的部分成本。

（6）可以预收票款，增加企业周转资金。

（7）有效制止了假币的流通。

8.2  社会效益

（1）可以提高公共交通的服务档次，符合建设国际城市的目标。

（2）可以方便市民，减少社会现金流通量。现在由于市面上缺少零钱，乘车购物很不方便，使用IC卡后，一卡在手，可以乘坐所有公共汽车。IC卡的使用将来还可以推广到小巴、出租汽车、地铁、购物商场等处，一张卡可以在各处使用。

（3）可以提高车辆运行效率，节省乘车时间。采用非接触式IC卡，完成一次收费过程仅需一秒钟时间，比插入式IC卡和磁卡（约3秒）及投币（约5秒）的速度大大提高。由于收费速度提高，车辆缩短运行时间，等于节省乘车时间。

（4）收费及统计全面自动化管理，有效堵塞漏洞，杜绝可能发生的管理人员贪污及假票现象。

（5）非接触式IC卡美观大方，携带方便，不易破损，可长久保存。

（6）非接触式IC卡有庞大的内存空间，可预留为其它方面领域开发应用。实现一卡多用的新管理模式。如大型企业内部营运系统，员工的乘车卡还可用于考勤、门禁、售饭系统等。

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