基于μ-Chip芯片RFID防偽票證系統(tǒng)的設(shè)計

劉敏

(天津環(huán)球磁卡股份有限公司，天津 300202)

眾所周知，奧運會是目前世界上規(guī)模最宏大的綜合性體育賽事，集體育比賽、休閑、交流、游玩、購物及其他商業(yè)活動于一體，因此，承載該賽事的奧運場館必將接納龐大的觀眾、運動員、管理人員和服務(wù)人員等，且人群身份極其復(fù)雜并處于不停的移動之中。

如何驗證人員所持的票卡和證件是否有效？如何及時跟蹤和查詢?nèi)藛T是否進入到指定區(qū)域？當人員誤入或非法闖入禁入?yún)^(qū)域時又如何警示和引導(dǎo)其迅速離開？如何實時查詢某區(qū)域人員擁擠程度？采用RFID[1]電子門票管理系統(tǒng)將能解決上述問題。

RFID電子門票是一種將智能芯片嵌入紙質(zhì)門票等介質(zhì)中，用于快捷檢票/驗票并能實現(xiàn)對持票人進行實時、精準的定位跟蹤和查詢管理的新型門票。2008年北京奧運會使用了基于RFID芯片技術(shù)的電子門票，生動體現(xiàn)了“科技奧運”和“人文奧運”的深刻內(nèi)涵。

1 RFID的工作原理

電子標簽與閱讀器之間通過耦合組件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)根據(jù)時序關(guān)系實現(xiàn)能量的傳遞、資料的交換。RFID系統(tǒng)的基本模型如圖1所示。發(fā)生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種。(1)電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。(2)電磁反向散射耦合。雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器和收音機原理一樣，射頻標簽和閱讀器也要調(diào)制到相同的頻率才能工作。LF、HF、UHF就對應(yīng)著不同頻率的射頻。LF代表低頻射頻，在125 kHz左右，HF代表高頻射頻，在13.56 MHz左右，UHF代表超高頻射頻，在850 MHz~910 MHz范圍之內(nèi)，還有2.4 GHz的微波讀寫器。

電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。

不同國家所使用的RFID頻率也不盡相同，各國政府也通過調(diào)整閱讀器的功率來限制它對其他設(shè)備的影響。有些組織(如全球商務(wù)促進委員會)正鼓勵政府取消限制，標簽和閱讀器生產(chǎn)廠商也正在開發(fā)能使用不同頻率的系統(tǒng)以避免這些問題。

2 RFID讀寫器防沖撞原理

RFID技術(shù)的一個難點是同時讀取復(fù)數(shù)個標簽。為了實現(xiàn)這個功能，在通信上所采取的技術(shù)是“防沖撞”，同時，讀取復(fù)數(shù)個標簽是常被人們談及的RFID比條形碼更為優(yōu)越的地方，但是如果沒有 “防沖撞”的功能，RFID系統(tǒng)只能讀寫一個標簽。在這種情況下，如果有兩個以上的標簽同時處于可讀取的范圍內(nèi)，就會導(dǎo)致讀取的錯誤。

即使是具有“防沖撞”功能的RFID系統(tǒng)，實際上并非同時讀取所有標簽的內(nèi)容。在同時查出有復(fù)數(shù)個標簽存在的情況下，檢索信號并且防止沖突的功能開始動作。為了進行檢索，首先要確定檢索條件。例如，13.56 MHz頻帶的RFID系統(tǒng)中應(yīng)用ALOHA方式的防碰撞功能的工作步驟如下。

(1)閱讀器指定電子標簽內(nèi)存的特定位數(shù)(1~4位左右)為次數(shù)批量。

(2)電子標簽根據(jù)次數(shù)批量將響應(yīng)的時機離散化。例如，在兩位數(shù)的次數(shù)批量“00、01、10、11”時，讀寫器將以不同的時機對這四種可能性逐一進行響應(yīng)。

(3)若在各個時機里同時響應(yīng)的電子標簽只有一個的場合下才能得到這個電子標簽的正常數(shù)據(jù)，信息讀取后，閱讀器對于這個電子標簽發(fā)送睡眠指令，使其在一定的時間內(nèi)不再響應(yīng)(Sleep/Mute)。

(4)若在各個時機內(nèi)同時有幾個電子標簽響應(yīng)，判別為“沖突”。在這種情況下，內(nèi)存內(nèi)的另外兩位數(shù)所記錄的次數(shù)批量重復(fù)從步驟(2)開始的處理。

(5)所有的電子標簽都完成響應(yīng)之后，閱讀器向它們發(fā)送喚醒的指令(Wake Up)，從而完成對所有電子標簽的信息讀取。

在這種搭載有“防沖撞”功能的RFID系統(tǒng)中，為了只讀一個標簽，幾經(jīng)調(diào)整次數(shù)批量反復(fù)讀取進行檢索。因此，在一次性讀取具有一定數(shù)量的標簽的情況下，所有的標簽都被讀到的速度是不同的，一次性讀取的標簽數(shù)目越多，完成讀取所需時間要比單純計算所需的時間越長。

實現(xiàn)“防沖撞”功能是RFID在物流領(lǐng)域中取代條形碼所必不可少的條件。例如，在超市中，商品是裝在購物車里面進行計價的。為了實現(xiàn)這種計價方式，“防沖撞”功能必須完備。具有“防沖撞”功能的RFID系統(tǒng)的價格比不具有這種功能的系統(tǒng)的要昂貴。當個人用戶在制作RFID系統(tǒng)的時候，如果沒有必要進行復(fù)數(shù)個ID同時識讀時就沒有必要選擇防碰撞功能的讀寫器。

3 μ-Chip芯片的技術(shù)指標及優(yōu)勢[2]

3.1 μ-Chip 芯 片 技 術(shù) 指 標

(1)芯片尺寸：0.4 mm×0.4 mm×0.15 mm，超小超薄可嵌入紙張等較薄介質(zhì)中，不易損壞；

(2)頻率：2.45 GHz；

(3)存儲容量：128 bit只讀容量，出廠后不可復(fù)制或改寫 ID；

(4)可發(fā)行 ID 數(shù)量：2128個(1038)；

(5)最大讀取距離：大約 30 cm(使用外附天線)；

(6)讀取速度：20 ms。

3.2 μ-Chip 芯 片 優(yōu) 勢

μ-Chip芯片優(yōu)勢主要有以下幾點：(1)尺寸微小，適合于在各種票證，特別是在紙質(zhì)印刷品中進行封裝；(2)天線柔軟可彎曲，可以適應(yīng)多樣化需求；(3)具有高強度，耐用性強的特點；(4)其最初設(shè)計就是為了解決日元紙幣的防偽問題，使用專有的加密閱讀技術(shù)，具有極高的安全性能；(5)μ-Chip標簽防偽技術(shù)與傳統(tǒng)印刷防偽技術(shù)的結(jié)合，使RFID防偽技術(shù)有了無法取代的優(yōu)勢。

4 票證閱讀器的硬件設(shè)計

為了達到設(shè)計功能和環(huán)境需求，本讀取器主板采用了PCB 6層設(shè)計，機殼加裝了電磁屏蔽網(wǎng)，還專門配備了標準接口用來外接計算機，采用的主要元件如下：

(1)微處理器(MPU)。針對終端對高速運算和數(shù)據(jù)庫操作的需求，并考慮到系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況，本讀取器系統(tǒng)采用ARM9核的SAMSUNG S3C2410處理器，最高主頻可達 203 MHz[3]。

同時，我們也應(yīng)當看到培訓(xùn)并不是萬能的。真正有效的方式還要在實戰(zhàn)中培養(yǎng)，必須依靠長期的業(yè)務(wù)實踐。而我國企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層個人成長經(jīng)歷較為單一，多以豆芽型個體出現(xiàn)，不能批量涌現(xiàn)中堅力量，難以形成卓越的公司領(lǐng)導(dǎo)層。

(2)SDRAM存儲部分采用Hynix公司的HY57V561620CT內(nèi)存，存儲量為 32 MB[4]。

(3)Flash存儲器采用三星公司的K9F1208UOM Nand Flash，存儲量為 64 MB。

(4)RFID閱讀器模塊采用了日立公司的系列產(chǎn)品。

(5)網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用了Realtek 8039芯片，支持10 MHz/100 MHz網(wǎng)絡(luò)通信[5]。

票證讀寫器的技術(shù)指標如表1所示。

閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送自身編碼和相關(guān)信息以被讀取器讀取并解碼，然后送回計算機中進行相關(guān)處理。識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。高性能的RFID讀寫器可以同時識別多個物體。

表1 票證讀寫器的技術(shù)指標

在實際應(yīng)用中，各類電磁干擾源和采集點非常多，而通常的RFID讀寫器由于采用單片機為主控制器，運算能力弱，本地不具備數(shù)據(jù)分析和存儲能力，不具備較強的抗干擾能力，對后臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力要求較高。而如果直接將所有采集點 (通常多達數(shù)百點)所讀取的信息直接傳回服務(wù)器，由于要在服務(wù)器上進行繁重的數(shù)據(jù)分析和干擾排除，過大的數(shù)據(jù)量和計算量很容易造成服務(wù)器端的信息堵塞，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)有的解決方案往往直接使用價格昂貴的工業(yè)PC機完成前端工作，但這樣無疑大大增加了總體的部署成本。本系統(tǒng)通過功能強大的RFID嵌入式終端，直接在本地完成復(fù)雜的標簽讀取、數(shù)據(jù)糾錯、干擾排除、信息提取和數(shù)據(jù)保存等工作，僅將有效信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺服務(wù)器，這樣就大大降低了網(wǎng)絡(luò)通信的開銷和服務(wù)器的資源占用，從而提高了系統(tǒng)整體的運行效率和穩(wěn)定性，增加了業(yè)務(wù)的靈活性。

5 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

5.1 票務(wù)系統(tǒng)概述

票務(wù)系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

門票流通圖如圖4所示。

5.2 票務(wù)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

票務(wù)防偽管理系統(tǒng)由中央數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、售票子系統(tǒng)、驗票子系統(tǒng)等模塊組成，除需配備常規(guī)的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備外，還需配備門票發(fā)行設(shè)備、門票檢票設(shè)備和RFID電子門票。

票務(wù)防偽管理系統(tǒng)軟件部分由發(fā)行端軟件和數(shù)據(jù)監(jiān)控分析軟件兩部分構(gòu)成。按照功能可劃分為票務(wù)登記、發(fā)行、檢票、數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)管理五大功能模塊。票務(wù)防偽演示系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖5。

售票工作流程圖判斷如圖6所示。檢票流程判斷如圖7所示。

圖5 票務(wù)防偽演示系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

圖6 售票工作流程圖

圖7 檢票流程圖

將μ-Chip嵌入入場券中，由于其只讀的特性，可避免信息被復(fù)制到同樣的μ-Chip芯片上，真正實現(xiàn)了每張入場券被賦予一個唯一的識別碼，起到有效的防偽作用。而可讀可寫的芯片理論上是可復(fù)制的，而且為了防止非法讀寫，可讀可寫的芯片需要不斷提高保密等級從而不斷增加芯片的單價成本，但事實上，又并不能從根本上解決隨時被解密的煩惱。

將μ-Chip芯片嵌入到門票中，除了門票的防偽，μ-Chip還有在非接觸情況下高速進行通信的特點，保證了大型賽事大量人流情況下的檢票速度。同時，后臺的集中管理可以即時監(jiān)控各個入場口的人流，甚至監(jiān)控到個人。此外，通過ID管理可為持券者提供預(yù)約及其他更為豐富、體貼的服務(wù)，滿足每位持券者的不同需求；更可依據(jù)后臺記錄的大量信息，給運營商在會員管理上增加高附加值服務(wù)項目，設(shè)計個性化和人性化的服務(wù)。

[1]Klaus Finkenzeller.射頻識別(RFID)技術(shù)-無線電感應(yīng)的應(yīng)答器和非接觸IC卡的原理與應(yīng)用[M].陳大才，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2]日立公司.RFM EV-Kit v10 User Guide_V1_ENG[Z].2007.

[3]孫天澤，袁天菊.嵌入式設(shè)計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]KROWCZYK A，KUMAR V.NET網(wǎng)絡(luò)高級編程[M].吳旭超，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.