二维码技术在移动地铁购票系统中的应用研究
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摘要：二维码具有存储量大，保密性高，抗损性强，成本低廉，制作要求低等特性。随着二维码技术的不断发展与完善，二维码正在我们的生活中扮演重要的角色，并且二维码已应用于诸多领域，但是二维码技术在地铁方面应用匮乏。该文章总结了各类二维码的优劣势并主要研究了二维码的关键技术，加密与解密技术，并结合当前主流技术设计了一个移动地铁购票应用的案例。
关键词：二维码；关键技术；二维码应用；移动地铁购票应用；加密解密技术
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0187-03
Abstract： Two-dimensional code has many characteristics ， such as a large storage capacity， high security， strong anti loss， low cost， low production requirements. With the continuous development and improvement of two-dimensional code technology ， it is playing an important role in our life， and two-dimensional code has been widely used in many fields. But the two-dimensional code technology is rarely used in the subway， there is no real subway class app to provide services to passengers. This article summarizes the advantages and disadvantages of various types of two-dimensional code and mainly studies the key technology of the two-dimensional code，encryption and decryption technology and combines with the current mainstream technology to design a mobile Metro ticketing application.
Key words： two-dimensional code；key technology； two-dimensional code application； mobile metro ticketing applications；encryption and decryption technology
1 引言
21世o以来一维码占据全国主要市场。条码在我们的日常生活中随处可见，如在快递、超市零售、部门管理、医疗卫生以及制造等行业中，一维条码仍处于主导地位，其中在大众消费领域最广泛，占了条码市场的80%左右。由于其具有价格优势，发展时间较长等特点逐渐形成了一定规模和标准。
然而，随着条码技术飞速发展，人们日常生活的需求不断增加，二维码逐渐替代一维码终将是一个大趋势。二维码具有存储量大，抗损性强，成本低，不依赖于数据库和计算机网络，保密防伪性能强等优点，使数据采集和信息处理的速度加快，极大地提高了工作效率。随着硬件技术的发展，也将推动二维码市场的升温。如今，二维码已经渗透到各行各业，它的发展呈现一片繁荣景象。
本文对二维码的关键技术进行了研究分析，并基于研究的技术设计构建了一套移动地铁系统的实例。
2 二维码概念及特点
2.1 二维码技术概念
二维码（2-dimensional bar code）是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形，用于记录数据符号信息等。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示相关信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读从而实现信息自动处理。它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；处理图形旋转变化点；有一定的校验功能，对不同行的信息自动识别功能等。
2.2 特点
1）二维码信息承载量更大
一维码的信息部分只能是数字或字母，空间利用率较低，数据容量较小一般只可容纳30个字符左右。二维码信息承载量大，最大数据含量可达1850个字符，不仅能显示数字、字母，还可以显示的信息内容可包含，字母，数字，汉字，字符等更详细的内容。
2）纠错能力强
一维码有一点损坏则无法正常识别，而二维码则很好解决了这个问题，二维码把部分数据进行重复冗余编码，简单说就是一个数据在码上不同的地方同时存储，这样当其中一个存储数据的区域被遮挡或损坏时，只要与其存储数据相同的区域没有被遮挡或损坏，就可以正常识读。在最高纠错级别下，损坏30%的情况，仍可以识读，纠错能力与一维码相比大大增强。
3）速度更快
二维码由于自身存储信息量较少，所以不需要调用电脑的数据库资源进行配合，识别速度由自身因素决定，识别速度大大提高。
4）安全性高
与一维条码相比，二维码的保密性更好。通过在二维码生成中，利用加密算法进行加密，保护了二维码内容不被他人获得。
3 二维码关键技术
3.1 QR Code码制
（1）QR Code码简介
二维码中常用的码制有：Data Matrix， Maxi Code， Aztec， QR Code， Vericode， PDF417， Ultracode， Code 49， Code 16K等，目前最为流行的为QR Code码，这种二维码能够快速读取，与之前的条形码相比，QR 码能存储更丰富的信息，包括对文字、URL 地址和其他类型的数据加密，因此本文主要讨论QR Code码制的关键技术。
（2）QR Code编码技术流程
1）首先进行数据分析，用以确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成符号字符，再选择纠错等级，规格一定的条件下，纠错等级越低表示真实数据的容量越大。
2）其次对数据进行编码，以8位一个码字的方式将数据字符转换为位流，整体构成一个数据的码字序列。
3）纠错编码。按需要将上面的序列分块，根据纠错等级和分好块的码字，产生纠错码字序列，再加入到数据码字序列后面，生成一个新的序列。
4）构造最终数据信息。在确定完规格后，将上面产生的序列按次序放入分块中。
5）构造矩阵。将探测图形、定位图形、校正图形、分隔符和码字模块放入矩阵中。
6）掩摸。将掩摸图形用于符号的编码区域，使得二维码图形中的深色和浅色（黑色和白色）区域能够按最优比率分布，提高阅读的可靠性。
7）最后将生成格式和版本信息放入相应区域内。
3.2移动地铁应用中车票加密技术
在移动地铁应用中，车票的安全性问题是人们较为关注的，本文讨论一种对二维码的加密技术，以保障车票的安全性。
（1）混合加密算法
用算法对明文文件进行加密，同时用RSA加密算法对DES密钥进行加密，混合算法进一步保证了二维码的安全性。
首先，生成DES加密密钥，为了提高数据的安全性，每一个密钥K只能使用一次。
其次，生成用于加密明文的密钥，利用RSA加密算法的公开加密密钥对DES的密钥K进行加密，形成DES加密的密Ck，并保存。
最后，利用生成的密钥Ck对明文P进行DES加密，生成密文。
（2）基于DES与RSA的混合加密算法的解密算法
用DES算法对密文解密，同时用RSA算法对DES密钥进行解密。
首先，生成用于DES解密的密钥K。
其次，利用RSA的解密密钥对DES的密钥Ck进行解密，形成DES解密的密钥K。
最后，利用生成的密钥K对密文C进行DES解密，生成明文文件。
4 二维码应用实现
4.1二维码车票生成
在乘客明确乘车路线后，对于没有城市交通卡的乘客，可以选择手机购票功能。手机购票页面提供武汉地铁线路图，点击站点，即可设置起点终点或查看站点信息，也可手动输入始终点。设置完成后，会出现票价的详细信息（包括路程和地铁班次时间），乘客选择购票并完成在线支付后，系统会自动生成一个临时二维码并保存在“我的二维码”中。乘客出入站可直接扫二维码，在出站后，服务器端会抹掉该条记录，而乘客手机里的临时二维码也会随之消失。该功能解决了乘客排队购票的不便，并为乘客提供在线查看站点出口详情的方便，而地铁公司也可省去制作临时地铁票的成本。
4.2个人二维码
对于持有城市一卡通的乘客，应用提供交通卡绑定，余额查询，充值，挂失等功能，用户可以通过手机号注册账号，登录后即可使用以上四个功能，在完成交通卡绑定后，系统会生成一个个人专属的二维码，并保存在“我的二维码”中。此版块为交通卡持有人群也提供了极大的便利，可以在忘带交通卡时，通过手机应用里的个人二维码在闸机上直接扫码进出站，出站时如果卡上余额不足，及时弹出补差价的提醒，在线支付补完差价后，乘客才可出站。个人二维码区别于临时二维码的是，不会在使用一次后消失，除非乘客解除绑定。
之所以把我的二维码单独列出来作为一个功能版块，一是由于生成的二维码分为两种，二是为了方便乘客快速进出站。如何用户购买了临时票，临时二维码则会覆盖个人二维码，理论上应当优先使用临时票。
4.3 二维码读取技术
1） 线性CCD和线性图像式阅读器
可阅读一维条码和线性堆叠式二维码（如PDF417），在阅读二维码时需要沿条码的垂直方向扫过整个条码，我们称为“扫动式阅读”。这类产品比较便宜。
2）带光栅的激光阅读器
可阅读一维条码和线性堆叠式二维码。阅读二维码时将光线对准条码，由光栅元件完成垂直扫描，不需要手工扫动。
3）图像式阅读器
采用面阵CCD摄像方式将条码图像摄取后进行分析和解码，可阅读一维条码和所有类型的二维条码。
5 结束语
随着互联网的飞速发展，人们对二维码的需求不断的上升，二维码也在我们的日常生活中扮演重要角色。基于二维码的移动地铁应用会推动经济社会的发展，我们需要把握有利和不利因素，二维码在地铁中的应用还未成型，这有利于我们抓住机遇。当然，我们的作品尚且存在诸多的不足，也需要不断地完善，下一步我们将在识别二维码的地铁闸机上进行研究，努力提高识别二维码的速度与稳定性，使我们的系统得到更好的应用。我们相信，我们构想的服务模式会得到乘客们的认可。
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