基于RFID防拆遷系統(tǒng)的研究

伍穎+劉林+唐蛟

摘 要：RFID是物聯(lián)網(wǎng)的重要研究方向，伴隨著RFID自身隱藏的安全隱患日漸突出，怎樣預防對使用者而言具有重要意義。文中針對RFID自身隱藏的安全隱患，進行防止RFID被拆遷的研究。在硬件方面，可以在RFID上增加一個防拆模塊，軟件采用相應的響應模塊即可。測試結(jié)果表明，該方案能夠有效提升智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，阻止針對物聯(lián)網(wǎng)的惡意攻擊，及時發(fā)現(xiàn)入侵并報警。

關鍵詞：RFID；物聯(lián)網(wǎng)；安全隱患；防拆模塊

中圖分類號：TP27；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

科技進步推動著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人類享受物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)、服務領域帶來的便捷與高效的同時，也憧憬著它能夠提供安全環(huán)境，為人類提供智能化的安全、高速服務。智能家居由概念走向現(xiàn)實，正在開啟智能化家居時代的大門，廣受國內(nèi)外科技工作者高度關注。伴隨著RFID自身隱藏的安全隱患日漸突出，怎樣預防RFID帶給使用者的安全隱患具有重要意義。

1 RFID防拆遷系統(tǒng)和總體設計方案

RFID系統(tǒng)位于系統(tǒng)最底層，通過對被控對象實施短距離無線通信技術來采集并傳輸分布在某一區(qū)域內(nèi)不同地方的傳感信息[1]，并下達對被控對象的操控指令，指導執(zhí)行機構(gòu)完成操控任務；利用公眾通信網(wǎng)絡作為傳輸平臺，根據(jù)操作者下達的指令，完成操作指令的遠程接收和信息的遠程發(fā)送。RFID防拆遷流程如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 電子標簽的設計

RFID系統(tǒng)是傳感網(wǎng)的核心，從結(jié)構(gòu)上看，RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有RFID標簽和閱讀器兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。由應用程序發(fā)出命令對其進行控制。本文所述的RFID系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

RFID（Radio Frequency Identification，RFID）[2]是一種無線通訊技術，通過傳輸?shù)男畔⒆R別特定事物并按用戶要求讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需系統(tǒng)與目標事物之間通過數(shù)據(jù)通信線路或者光學接觸來傳輸數(shù)據(jù)。RFID是感知層的關鍵技術之一，也是上世紀末研發(fā)的一種自動感應識別技術，它利用射頻信號通過電磁耦合的原理實現(xiàn)非接觸數(shù)據(jù)傳遞，并通過傳遞的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)事物識別。

電子標簽分為有源和無源兩類。有源技術電子標簽內(nèi)部有電池，其壽命一般比無源的長。在電池更換前一直通過設定頻段向外發(fā)送信息。本文所采用的有源技術電子標簽具有壽命長等特點。

若想獲得RFID被拆的信息，那么就應首先考慮在RFID處怎樣獲取RFID被拆的數(shù)據(jù)。因此在RFID標簽上增加一個防拆遷模塊是首選，并能主動把獲取的信息發(fā)送出去，而非被動等待閱讀器來激發(fā)標簽的磁場以發(fā)送數(shù)據(jù)，因此采用能主動發(fā)送信息的有源電子標簽。可分析得出，RFID標簽由電源、微處理器、射頻模塊、天線和防拆模塊5部分組成，當電子標簽固定于被監(jiān)測物體時，防拆開關處于閉合狀態(tài)。此時主控模塊發(fā)送指令，射頻模塊向讀卡器發(fā)送讀卡器所需信息。一旦電子標簽與物品分離，便改變了電子標簽與物品已有的狀態(tài)，微處理器控制射頻模塊將防拆信息主動發(fā)給閱讀器。RFID采用有源設計，微處理器芯片采用SPI串行接口進行數(shù)據(jù)傳輸，射頻芯片采用內(nèi)置芯片，電池為整個電子標簽供電。RFID標簽如圖3所示。

硬件采用MSP430F2012精簡指令集單片機和IA4420109bBm接收靈敏度的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片與CR2032電池。通信協(xié)議采用ISO/IEC 18000-7規(guī)范。應答器的應答格式見表1所列。

防拆遷采用廣播式應答可方便多個閱讀器及時收到信息，應答器狀態(tài)域的編碼含義見表2所列。

1.1.2 閱讀器設計

閱讀器對收到的數(shù)據(jù)所采用的不同處理措施同樣會影響系統(tǒng)感知RFID是否被拆遷和靈敏度，因此對不同級別的數(shù)據(jù)應采用不同的模板。RFID的主控模塊應在收到RFID標簽后，根據(jù)不同的信息來準確定位信息級別。當主控模塊收到RDID標簽發(fā)送的請求后，主控模塊會根據(jù)應答器狀態(tài)域編碼第2位的字符做出響應，如果是“1”就向服務器發(fā)送防拆模塊，否則發(fā)送正常模塊。服務器對防拆模塊做出反應，寫入數(shù)據(jù)庫，并確定相應的危險級別以便采取相應措施。本系統(tǒng)在開發(fā)時就已經(jīng)設定好了危險級別和處理措施，如果客戶在線，將直接發(fā)送到客戶端，否則便發(fā)信息到戶主手機上。RFID閱讀器算法如下：

（1）防拆開關觸發(fā)，向主控模塊提出發(fā)送請求；

（2）閱讀器主控模塊根據(jù)應答器狀態(tài)域編碼第2位的字符做出判斷，如果是“1”，則調(diào)用防拆模塊；如果是“0”，則調(diào)用正常模塊。

1.2 RFID防拆遷的確定

為了能準確找出RFID被拆遷的位置，系統(tǒng)必須能根據(jù)閱讀器發(fā)送的數(shù)據(jù)做出精準判斷。根據(jù)之前得到的RFID位置與數(shù)據(jù)庫的中心位置，可計算兩點間的距離：

（x-x1）2+（y-y1）2=d2 （1）

算出d后與RFID的有效范圍D作比較，如果d

超高頻段系統(tǒng)識別距離相對于其它頻段通信質(zhì)量高，最遠達10 m，系統(tǒng)識別距離為4～6 m[3]。本文采用433 MHz帶定位計算功能模塊的非接觸ID讀卡器，并在讀卡器增加定位模塊，以減少服務器的運算壓力與網(wǎng)絡傳輸量。同時提高定位的準確性。如果只是RFID被拆遷，其自身就直接把RFID的位置發(fā)送給智能家居后臺。如果是被拆遷RFID開關失效，那么帶定位計算功能的RFID危險源測試系統(tǒng)就可根據(jù)場強定位公式計算出被拆電子標簽的位置。基于場強定位算法的模型為[4]：

其中，Pri為第i個閱讀器的測量功率，Pt為目標電子標簽的發(fā)射功率，λ為電磁波的波長，Gt為目標標簽的天線增益，Gri為第i個閱讀器的天線增益，Di為第i個閱讀器到目標電子標簽的距離，這里Pt、λ、Gt、Gri都是已知參數(shù)。

閱讀器根據(jù)三個不同RFID發(fā)來信號的場強來確定危險源到RFID的距離，根據(jù)三點定位的算法可知：

（x-x1）2+（y-y1）2=d21 （3）

（x-x2）2+（y-y2）2=d22 （4）

（x-x3）2+（y-y3）2=d23 （5）

由此可以確定危險源的位置（x，y）。多個不同閱讀器發(fā)給服務器的位置相差很小，說明定位準確，否則就認為RFID標簽有拆遷。從比較中找出誤差較大的RFID，該RFID標簽作被拆遷處理。

1.3 RFID防拆遷智能家居硬件的布局

從需求分析得出，定位可用于得到家庭事故發(fā)生地點的準確位置。但是由于閱讀器的傳輸距離限制了其發(fā)展，所以只能把無線WiFi技術、帶定位模塊閱讀器、有源RFID結(jié)合起來，組成一個能提高定位范圍和精度的無線傳感網(wǎng)。因此，巧妙、合理、全方位的硬件布局同樣也能大大提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，即能夠保證系統(tǒng)在一個閱讀器出現(xiàn)故障，一個閱讀器繁忙時不會出現(xiàn)無法正常捕捉和發(fā)送的情況，特別是保證RFID已拆遷信息的捕捉以及發(fā)送。系統(tǒng)布置如圖4所示（一個節(jié)點至少能被三個閱讀器捕捉到信號，同樣一個閱讀器能被三個WSN傳輸）。

2 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的實質(zhì)是服務器端對RFID數(shù)據(jù)做出相應的分析和處理。只有當RFID的位置改變時，RFID系統(tǒng)的防拆開關才會觸發(fā)，電子標簽主動從防拆開關捕捉到信息后，把應答器狀態(tài)域編碼第2位置為高電平。閱讀器的主控模塊同樣也根據(jù)應答器狀態(tài)域編碼的第2位來判斷，如果是“1”就向服務器發(fā)送防拆模塊，否則發(fā)送正常模塊。服務器對防拆模塊做出反應，并寫入數(shù)據(jù)庫，同時確定相應的危險級別以采取相應措施。

為避免RFID防拆遷信息與RFID正常狀態(tài)信息傳輸或客戶操作信息競爭端口，以快速處理RFID拆遷信息，服務器為RFID防拆遷信息預留兩個到三個數(shù)據(jù)端口。數(shù)據(jù)庫也同樣為RFID設計防拆屬性。軟件為已被拆的RFID廢除指令做準備。其算法如下：

（1）建立SeverSocket對象，初始化服務器，等待閱讀器發(fā)來的連接請求；

（2）根據(jù)發(fā)來的數(shù)據(jù)找到被拆RFID的位置信息；

（3）根據(jù)公式（1）～（5）算出RFID標簽是否超出控制范圍，若超出最大控制范圍，應立即修改數(shù)據(jù)庫，阻截繼續(xù)發(fā)往此標簽的命令，同時通知客戶有關此拆遷信息；

（4）如果是防拆信息就根據(jù)拆遷的位置來確定級別，并根據(jù)危險級別采取相應措施。

（5）中斷連接，結(jié)束通信。

3 結(jié) 語

本文將RFID防拆模塊嵌入電子標簽中，詳細設計了電子標簽的應答信息、閱讀器以及服務器的處理過程。該方案在實際運用過程中能很大程度防止防拆人為因素干擾信息的正常發(fā)送及系統(tǒng)的正常運行。如與其他智能系統(tǒng)結(jié)合，就可實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的安排和調(diào)度，靈活實現(xiàn)企業(yè)、居家等物聯(lián)網(wǎng)方向下的生產(chǎn)要求，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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