基于射频技术的煤炭票务一卡通系统研究

　　为了实现煤炭产运销各环节的有效监管, 实现煤炭行业的可持续发展, 煤炭管理票据是有效的管理手段。然而目前煤炭管理票据种类繁多, 包括煤炭销售票、煤炭过磅单、煤炭可持续发展专项基金票、煤炭调运单, 由于票据出具单位不同, 各自单位拥有自身票据管理的体系, 在实际的管理工作中存在的问题如下:

　　1、各部门数据的不统一。如过磅票和销售票数据不一致, 调运单与销售票数据不一致。
　　2、矿端操作复杂。目前, 矿端售煤时开具几种票据的过程中, 每种票据都有自身的开票流程, 专用纸张和开票工具。且需要有专人负责。这就造成了每一车煤都需要一系列的繁冗的开票过程。
　　3、运输单位的手续复杂。煤炭运输单位在承运过程中开具各种票据的手续、流程, 多次验票的复杂过程。
　　4、销售票被偷递使用和伪造使用的问题。现行销售票存在被偷递使用, 以及复制二维码伪造假票等的问题。

　　本着“合并票种、减少数量, 统一印制、集中管理,科学管控、提高效率”的原则。本文通过分析目前四票的管理运行情况中, 以及存在的问题, 提出了一种基于射频技术的煤炭票务一卡通方案, 下面将系统业务流程、系统结构、硬件的设计、数据分发RFID 中间件以及系统的安全措施等几个方面进行阐述。

　　1　系统业务流程分析

　　本系统的业务流程如图1 所示。 

　　图1　基于射频技术的煤炭票务管理一卡通系统业务流程图

　　1. 1　下发煤控卡

　　票证中心根据管理部门提供的煤炭销售单位可销售煤炭量信息制作煤控卡, 逐级下发到煤矿、洗储煤等销售单位。

　　1. 2　下发用户卡、票控卡

　　票证中心下发包含用户证书的用户USBkey 给各煤炭销售单位、稽查验票单位、回收单位。并下发给各煤炭销售单位票控U SBkey。

　　1. 3　煤炭销售单位售煤写卡

　　煤炭销售单位持用户卡, 票控卡登录票控机系统,打印纸质票据, 并将四票信息写入封压在纸质票中的煤控卡。同时, 通过中间件分别上传4 类信息到4 个管理部门的应用系统。

　　1. 4　稽查单位稽查煤控卡

　　读取煤控卡信息, 与各应用系统的数据库比对卡内信息, 查验卡内信息真伪。

　　1. 5　回收单位回收废卡

　　读取煤控卡内信息, 回收煤控卡, 并上传每张回收卡内信息。

　　2　系统结构设计

　　系统采用三层C/ S 结构, 包括矿端票控机系统/中间件, 中间件服务器/ 各应用后台服务器。同时, 系统设计为层安全结构, 如图2 所示, 设计通过引入四层安全结构模型( 应用层、中间件层、网络层、感知层) 来保障系统的安全。 

　　中间件层是解决对全省各大票务管理应用系统在应用级别的统一集成问题, 采用w eb ser vice/ XML 技术实现不同的应用系统在XML 接口级上的应用集成。中间件采用四层设计, 第1 层为WebService 应用服务层, 为各部门应用系统提供统一数据调用接口。该层设计以元数据作为系统的数据组织与驱动策略, 采用Web serv ice 应用集成接口标准对应用系统及网络安全认证功能统一集成。第2 层为元数据驱动层, 是系统实现数据层集成的关键部分。通过在该层定义各种主题元数据, 如销售票信息元数据、基金票信息元数据、用户权限元数据等, 并采用元数据建模技术对这些元数据进行建模, 实现整个系统的灵活集成, 保障各个子系统的异构性及可扩充性等需求; 第3 层为数据源头层( 各个票务数据库) ; 第4 层为通信代理层, 主要完成网络数据接收、处理、存储, 及数据发送功能。

　　3　系统硬件设计

　　系统中硬件设计主要包括煤控卡设计、读写器设计。

　　3. 1　煤控卡的设计

　　煤控卡设计为一张封压有CPU 芯片, 存储芯片,天线的纸质卡, 在保留原有票控机系统使用的情况下,在打印票面信息的同时, 将信息写入卡内。

　　3. 1. 1　CPU 芯片：采用T HR2408, 一款带有T DES/ DES 硬件加速的非接触CPU 卡芯片, 主要由ISO/ IEC14443 T ype B通讯接口、8051/ 2 兼容CPU、T DES/ DES 加速引擎以及8 K 字节EEPROM、14 K 字节ROM、512 字节RAM 组成。
　　3. 1. 2　存储芯片：采用T HR1064 非接触存储卡芯片, 主要由ISO/IEC14443 T ype B 通讯接口、防冲突及安全控制逻辑和64 字节EEPROM 存储器组成。
　　3. 1. 3　封装技术：采用芯片层、薄膜保护层、纸质票面层三层封压技术实现煤控卡制作。卡片厚度为0. 20 mm～0. 38 mm,制卡封装时仅将PVC 在天线周边封合, 不是熔合, 芯片部位又不受挤压, 可以避免出现芯片被压碎。

　　3. 2　读写器的设计

　　读写器采用THM3060 芯片, 该芯片是一款符合ISO/ IEC14443 TYPEA / B 和ISO/ IEC15693 标准的多协议非接触卡读写器芯片, 支持这些协议的所有通讯速率, 内置接收放大和数字解调电路、时钟电路、复位电路。

　　4　中间件设计

　　RFID 中间件的核心是一条基于XML 格式消息的消息服务总线, 是硬件系统、遗留系统、数据库系统以及企业应用层等之间信息交互的公共平台[ 1] 。

　　本系统中的RFID 中间件的设计采用EPC global标准, 采用应用程序为中心的架构以及层次调用的思想, 根据EPC 中间件的标准要求, 本系统中间件的结构分为通信管理、数据管理和应用程序接口3 个模块。其中通信管理模块是ALE 规范模型中与底层设备交互的部分, 数据管理模块则完成了ALE 规范模型中的数据收集、数据过滤和数据存储等主要处理功能, 应用程序接口主要完成中间件对4 个管理系统的对接功能, 为上层的应用提供可以使用的访问对象, 并传递处理后的标签数据信息, 是中间件和上层4 个管理系统间通信的桥梁[ 2] 。

　　本系统中RFID 中间件的主要功能有:

　　1、提供对网络中所有RFID 设备的配置和管理功能。包括选择读写器与计算机的通信模式, 如串口、网口的选择, 配置串口的属性参数, 如串口号、波特率等;设置RFID 读写器的属性, 如读写器的识别间隔、识别模式、天线的选择和设置等; 操作和监控读写器, 如打开和关闭读写器、读取标签数据、查询读写器的状态和属性等。
　　2、 数据接收和处理功能。接收读写器采集的数据信息, 分离标签中的四票信息, 四票信息的加密处理等。
　　3、数据的分发上传。数据的上传分两种情况, 第1种情况是矿端写卡的同时, 将卡内四票信息同时通过中间件分发上传到4 个管理信息系统中, 第2 种情况是在稽查或者回收的时候, 通过读取卡内信息, 通过中间件分别提供4 种票据信息给各自管理系统, 进行比对和统计。

　　5　安全措施

　　在系统的安全保证方面, 保留了原来煤炭销售票控机及管控系统的USBkey 身份认证, 数据加密等安全措施[ 3] , 二维码技术一定程度上消除了票据伪造的可能, 但却存在销售票被偷递使用得问题, 因此在本系统中采用三层认证技术保证了煤控卡的安全, 杜绝了伪造卡的现象发生。

　　最基本的射频识别系统由3 部分组成[ 4] :

　　标签( T ag ) : 由耦合元件及芯片组成; 每个标签具有唯一的电子编码附着在物体上标识目标对象;
　　读写器( Reader) : 读取( 写入) 标签信息的设备, 可设计为手持式或固定式;
　　天线( Antenna) : 在标签和读取器间传递射频信号。

　　射频卡与读写器之间采用双向验证机制, 即读写器验证射频卡的合法性, 同时射频卡也验证读写器的合法性; 处理前, 卡要与读写器进行三次相互认证, 而且在通讯过程中所有的数据都加密。三层认证基于安全认证管理数据库中存有煤控卡的UID 及认证号, 具体过程如下:

　　1、读写器通过天线发送出一定频率的射频信号;当标签进入读写器工作场时, 其天线产生感应电流, 使标签获得能量被激活, 并向读写器发送出自身编码等信息;
　　2、读写器接收到来自标签的载波信号, 对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理; 计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性, 若判断为不合法, 则发送错误代码; 若合法, 发送卡的认证号。
　　3、票卡接受认证号后判断认证信息是否合法, 若不合法则发送错误代码; 若合法, 则认证通过启动交互模式。

　　6　结论

　　本文在保留原有煤炭销售票, 煤炭调运单、煤炭过磅单、煤炭可持续发展基金票各自后台管理系统的前提下。将矿端开票、票据的验核销等环节进行了有效地整合, 实现了一体化闭环式管理。为煤炭管理部门在进行煤炭票务整合提供了可依据的方案。