一種半有源超高頻RFID電子鉛封設(shè)計與實現(xiàn)

杜紅偉+來佳立+齊國強(qiáng)

摘 要：目前無源標(biāo)簽尤其是超高頻標(biāo)簽的安全性相對較差，且無法與其他傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接聯(lián)動，因此，在電子鎖（電子簽封）領(lǐng)域應(yīng)用受限。為解決這一問題，文中提出了一種基于半有源超高頻RFID技術(shù)的電子鉛封，該鉛封不僅能起到防偽識別作用，還具有物品跟蹤信息存儲采集等功能。

關(guān)鍵詞：半有源RFID；電子鉛封；MonzaX；防偽追溯

中圖分類號：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-02

0 引 言

目前國內(nèi)眾多電子標(biāo)簽廠家主要是對電子標(biāo)簽的Inlay進(jìn)行封裝、生產(chǎn)，并不具備標(biāo)簽的天線設(shè)計、電路設(shè)計能力，同時設(shè)計的標(biāo)簽主要是無源標(biāo)簽。因為無源標(biāo)簽尤其是超高頻標(biāo)簽其安全性相對較差，且無法與其他傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直接聯(lián)動，所以在電子鎖（電子簽封）領(lǐng)域應(yīng)用受限。而有源標(biāo)簽因為標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、對低功耗設(shè)計要求非常高，且沒電后無法獲取標(biāo)簽信息，因此也不適合應(yīng)用于高安全性電子簽封等領(lǐng)域[1，2]。

為了解決以上問題，拓展電子標(biāo)簽的應(yīng)用場景，重點對基于MonzaX芯片的特種標(biāo)簽系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要包括天線設(shè)計、加密算法設(shè)計、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，并重點結(jié)合電子簽封行業(yè)應(yīng)用，開發(fā)出相應(yīng)標(biāo)簽、手持機(jī)產(chǎn)品系列，組成完整的解決方案，進(jìn)行系統(tǒng)整體推廣。

MonzaX標(biāo)簽在有電的情況下可與MCU進(jìn)行通信，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)或傳感器進(jìn)行聯(lián)動；如果沒電了，作為UHF無源標(biāo)簽，可通過手持機(jī)等閱讀器設(shè)備獲取標(biāo)簽的存儲信息。

電子簽封應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，適用于加油機(jī)石油行業(yè)，可有效避免加油機(jī)克扣油量這種非法獲取利益的手段，完全杜絕了加油站通過在加油機(jī)后端動手腳篡改加油數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。同樣，電子簽封還可用于高檔酒類、服裝、鞋類產(chǎn)品的防偽標(biāo)識，現(xiàn)代物流業(yè)海陸空運包裝、箱裝、貨箱、集裝箱的封口或監(jiān)管動物或肉類產(chǎn)品的耳標(biāo)及郵政航空包裹袋的標(biāo)識和封口等[3-5]。

1 總體架構(gòu)

本項目的MonzaX特種標(biāo)簽由主控部分、標(biāo)簽芯片部分、電機(jī)控制部分和電源部分組成。標(biāo)簽硬件架構(gòu)如圖1所示。主控部分與標(biāo)簽芯片之間采用I2C方式進(jìn)行通信[6]。標(biāo)簽芯片用戶區(qū)存儲空間可達(dá)2 Kb或8 Kb。各部分功能如下所示：

（1）主控部分完成整個電子簽封的狀態(tài)自檢、日志記錄存儲、命令解析處理、數(shù)據(jù)加解密及其他幾個功能模塊的控制管理。

（2）標(biāo)簽芯片部分作為出廠后與外界通信的唯一媒介，通過無線接收手持機(jī)的指令數(shù)據(jù)，實時顯示簽封的當(dāng)前狀態(tài)和操作結(jié)果。

（3）電機(jī)控制部分接收主控部分的命令控制，驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)鎖具的打開與關(guān)閉，并將鎖具的實時狀態(tài)反饋給主控部分。

（4）電源部分負(fù)責(zé)為整個簽封供電。

2 硬件設(shè)計

電子簽封處理器采用STM32 COTEX-M0系列最新的STM32F030處理器，該處理器具有功耗低、封裝尺寸小、接口豐富等特點，適用于電子簽封對功耗尺寸等要求苛刻的場合。存儲器采用1 MB的E2PROM作為存儲單元，確保電子簽封可存儲2 000條以上日志記錄。超高頻標(biāo)簽芯片采用Monzax-2K，在確保靈敏性的同時保證高達(dá)2 K的數(shù)據(jù)存儲空間。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計

電子簽封軟件部分主要由狀態(tài)自檢模塊、簽封固化信息模塊、命令接收及處理模塊、數(shù)據(jù)加解密模塊、電機(jī)控制模塊、日志記錄模塊組成。

3.1 狀態(tài)自檢模塊

該模塊主要分為上電芯片自檢、固化信息檢測和鎖具狀態(tài)檢測。其功能如下所示：

（1）上電芯片自檢主要為芯片上電硬件自檢，可檢測有無硬件損壞、電池電壓是否小于額定工作范圍等；

（2）固化信息檢測主要功能是判斷當(dāng)前簽封是否已被初始化，有無固化信息數(shù)據(jù)寫入。

（3）鎖具狀態(tài)檢測用來檢測當(dāng)前鎖具開關(guān)狀態(tài)與簽封存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)是否一致。各模塊檢測出的狀態(tài)異常均由LED及標(biāo)簽芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.2 簽封固化信息模塊

該模塊的主要功能是通過RS 232接口與PC通信獲取標(biāo)簽的初始化數(shù)據(jù)值，例如標(biāo)簽ID等，并下載標(biāo)簽秘鑰。

3.3 命令接收及處理模塊

該模塊的主要功能是主芯片通過I2C接口與Monzax芯片進(jìn)行通信，獲取Monzax中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，解析得到的指令后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.4 數(shù)據(jù)加解密模塊

數(shù)據(jù)加解密模塊采用國密算法，分為兩個業(yè)務(wù)加解密。

（1）業(yè)務(wù)處理加解密：用于標(biāo)簽操作日志記錄的加解密。

（2）傳輸保護(hù)加解密：用于與外界數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)的加解密處理。

3.5 電機(jī)控制模塊

該模塊的主要功能是控制電機(jī)運轉(zhuǎn)，驅(qū)動鎖具開關(guān)，并反饋結(jié)果給控制芯片。

3.6 日志記錄模塊

簽封由電池供電，上電后均處于超低功耗待機(jī)狀態(tài)，內(nèi)置RTC可周期性喚醒，檢測簽封當(dāng)前狀態(tài)后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4 結(jié) 語

本文提出了一種超高頻RFID半有源RFID電子鉛封（電子鎖）技術(shù)，重點講解了電子鉛封的系統(tǒng)架構(gòu)以及軟硬件設(shè)計。以電子簽封為核心，對簽封的出入庫、施封、巡檢/操作、作廢等進(jìn)行管理，實現(xiàn)對被管對象的全程管控。MonzaX電子簽封不僅能起到防偽識別作用，還具有物品跟蹤信息存儲采集等功能，可廣泛應(yīng)用于金融、物流、醫(yī)療等貴重物品或藥品的全程管控等領(lǐng)域，具備廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Klaus Finkenzeller.射頻識別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]王文峰，耿力.基于射頻識別的實時定位系統(tǒng)技術(shù)研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2007（7）：21-24.

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[6] Jochen Essel，Daniel Brenk，Juergen Heidrich.A highly efficient UHF RFID frontend approach[A].2009.1-4.