基于RFID技術(shù)的防破解水卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳晶晶，唐彥沖，曾俊瑩，路韻逸

（安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引 言

在21世紀(jì)初我國開始出現(xiàn)以Mifare1 卡（NXP Mifare1系列，以下簡稱M1 卡）為載體的自動收費(fèi)系統(tǒng)，例如食堂飯卡系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、洗浴室使用的水卡系統(tǒng)等。它的出現(xiàn)解決了卡中無電源和不需要接觸使用的難題，在電子器件領(lǐng)域內(nèi)是一個重大突破。但近年來不斷有各種新聞報(bào)道稱各高校的水卡系統(tǒng)被破解，這反映出了過去普遍使用的舊的水卡系統(tǒng)相對而言更容易被破解。

對于M1 卡的防破解有很多種方法都可以實(shí)現(xiàn)，通過比較和結(jié)合實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)使用加密且不易破解的國產(chǎn)CPU卡來代M1 卡作為水卡系統(tǒng)的載體。國產(chǎn)CPU 卡也叫作智能卡，卡內(nèi)集成了微處理器CPU、存儲單元、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPROM，以及芯片操作系統(tǒng)COS。CPU 卡內(nèi)置的COS 系統(tǒng)具有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)保護(hù)和卡片鎖死功能，從根本上杜絕了被破解的弊端。另外在價格方面目前的CPU 卡已經(jīng)和M1 卡相差無幾，并且CPU 卡的讀寫設(shè)備和M1 卡的讀寫設(shè)備是互相兼容的，所以使用CPU 卡代替M1 防止水卡系統(tǒng)被破解是一個非常適合的選擇。

另一方面，舊的水卡系統(tǒng)的注冊和充值功能都需要專人在特定的地點(diǎn)使用特定的機(jī)器來完成，浪費(fèi)人力、物力和時間，而本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的自主充值功能使用戶能在線上進(jìn)行充值。只需要使用手機(jī)APP 上掃描充值設(shè)備上的二維碼，就可以完成充值，這樣不僅方便了用戶，還節(jié)省了人力物力成本。

1 設(shè)計(jì)原理及方案

1.1 設(shè)計(jì)原理

舊的水卡系統(tǒng)一般是使用的普通M1 卡作為信息的載體，由于自身存儲設(shè)計(jì)的缺陷，使得M1 卡可以通過多種方式被破解，例如暴力破解法、克隆卡片法、密鑰流竊聽等等。

結(jié)合本校洗浴室的實(shí)際情況本設(shè)計(jì)決定采用CPU 卡方式完成水卡系統(tǒng)的防破解。使用CPU 卡代替M1 卡有很大的優(yōu)勢，其一是CPU 卡的讀寫設(shè)備和M1 卡的讀寫設(shè)備是兼容的，非接觸的CPU 卡和M1 卡都符合ISO 14443 TypeA標(biāo)準(zhǔn)，兩者的工作頻率是一樣的，使用CPU 卡只需要修改設(shè)備讀寫部分的軟件代碼就可以實(shí)現(xiàn)防破解的功能。其二是CPU 卡安全性高，具有超過最大錯誤次數(shù)鎖死功能，并且用戶卡和讀卡系統(tǒng)之間需要多次的互相密碼認(rèn)證，提高了系統(tǒng)的安全性能，對于防止破解有很好的效果。

使用CPU 卡替代的方式可以在不改變洗浴室的硬件，只改變設(shè)備的軟件代碼完成設(shè)備的升級，這種方式是最方便和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的，所以最終本設(shè)計(jì)決定采用CPU 卡替代的方式實(shí)現(xiàn)水卡系統(tǒng)的防破解。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)首先要由系統(tǒng)管理員通過C#上位機(jī)對CPU 卡進(jìn)行注冊，軟件將用戶信息寫入SQL Server 數(shù)據(jù)庫中，并通過發(fā)卡設(shè)備完成CPU 卡的初始化，只有初始化過的CPU卡才可以在整個系統(tǒng)中使用，其他沒有初始化過的CPU 卡內(nèi)部沒有對應(yīng)的存儲文件是無法使用的。在管理員那里完成注冊后，用戶可以通過手機(jī)號和初始密碼6 個0 登錄手機(jī)APP，登錄手機(jī)APP 后顯示當(dāng)前卡片的余額和個人的信息，用戶想要充值的時候只需要掃描充值設(shè)備上顯示的二維碼就可以完成充值。手機(jī)APP 和自助充值設(shè)備之間的通信，本系統(tǒng)是借助OneNET 云平臺實(shí)現(xiàn)的。手機(jī)APP 和充值設(shè)備之間通過MQTT 協(xié)議連接到云平臺，云平臺將對應(yīng)的信息轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)備上完成整個充值設(shè)備之間的通信。

消費(fèi)設(shè)備因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境的影響將其脫機(jī)處理，只有卡片和設(shè)備進(jìn)行通信。當(dāng)用戶想要洗浴時只需要將CPU 卡放到讀卡區(qū)域，然后點(diǎn)擊按鈕繼電器就控制水流的電磁閥工作流出熱水。水卡系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)卡設(shè)備的設(shè)計(jì)

發(fā)卡設(shè)備硬件并不復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)的主要功能就是完成CPU 卡的讀寫，因此只需要一個單片機(jī)主控MCU 和RFID讀寫外設(shè)。根據(jù)設(shè)備的需求，主控這里選擇STC8A8K，CPU 卡的讀寫芯片選擇常見的MFRC522。發(fā)卡設(shè)備通過串口接收到C#上位機(jī)發(fā)來的命令后，根據(jù)這些命令，MFRC522 發(fā)送相應(yīng)的初始化CPU 卡文件系統(tǒng)的詳細(xì)命令，從而完成對CPU 卡的初始化。

2.2 自助充值設(shè)備的設(shè)計(jì)

自助充值設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的基本功能是和手機(jī)APP通信，并將充值的金額寫入到CPU 卡中。這里需要用到LCD 顯示屏、MFRC522 芯片以及無線通信的模組SIM800C。由于自助充值功能是需要二維碼的，因此主控芯片的選擇需要選擇容量大一點(diǎn)的芯片，所以這里本設(shè)計(jì)選擇了頻率為72 MHz、512KFlash 的大容量芯片STM32F103ZET6。

整體設(shè)計(jì)是單片機(jī)利用SIM800C 通信模組完成和OneNET 云服務(wù)器的通信，再利用云服務(wù)器間接的完成和手機(jī)APP 之間的通信。完成通信后再利用射頻模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)讀寫CPU 卡中的信息，完成水卡的充值。由于充值設(shè)備不一定是唯一的，這時候本設(shè)計(jì)要利用二維碼確定具體是的那一臺充值設(shè)備和手機(jī)之間建立了通信。為了更好顯示二維碼和交互信息，本系統(tǒng)采用2.8 寸彩色液晶屏顯示信息。液晶屏的使用能夠更加顯示更加豐富的信息，而且還能給用戶更好的體驗(yàn)。

2.3 消費(fèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)

自助充值設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的基本功能是用戶插入卡片能夠使用水流進(jìn)行洗浴，這個功能的實(shí)現(xiàn)也不復(fù)雜，這里選擇和發(fā)卡設(shè)備一樣的主控MCU(STC8A8K)，顯示部分使用0.96寸的小彩屏顯示CPU 卡信息和當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用戶插入卡片后，射頻讀寫模塊讀取卡片的信息，屏幕自動亮起顯示當(dāng)前水卡的卡號、剩余金額等信息。想要用水時，需要按下取水按鍵，然后電磁閥會開啟用戶就能使用。系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)為了方便采用的是計(jì)時的方式，取水后每秒鐘扣費(fèi)0.01元?？ㄆx開或者卡內(nèi)余額使用完，設(shè)備會自動關(guān)閉電磁閥。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 CPU 卡讀寫功能的設(shè)計(jì)

CPU 卡是非接觸智能卡，它符合ISO 14443 TypeA 標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)使用的MFRC522 射頻讀寫芯片是也符合CPU 卡的讀寫標(biāo)準(zhǔn)，是可以完成和CPU 卡的通信。MFRC522 芯片和單片機(jī)芯片之間的通信是使用是4 線SPI 的方式，在SPI的基本通信完成后本設(shè)計(jì)通過MCU 發(fā)命令給MFRC522 完成初始化和復(fù)位后就進(jìn)行CPU 卡和RC522 的通信。RC522和CPU 卡通信的時候需要先進(jìn)行尋卡操作，只有在尋找到CPU 卡后，在通過外部認(rèn)證、建立文件、寫入信息等操作完成CPU 卡的初始化，只有經(jīng)過初始化的CPU 卡才能在系統(tǒng)中使用。

MFRC522 與CPU 卡通信的流程圖如圖2所示。

圖2 MFRC522 與CPU 卡通信的流程圖

3.2 發(fā)卡設(shè)備和C#上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)

C#上位機(jī)和發(fā)卡設(shè)備之間這里使用串口（UART）完成它們之間的通信。UART 是一種串行數(shù)據(jù)總線接口，它能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信，通常會在嵌入式設(shè)備中使用。本系統(tǒng)使用的UART 數(shù)據(jù)格式是1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位、0 個校驗(yàn)位、1 個停止位。通過UART 可以完成C#上位機(jī)和發(fā)卡設(shè)備之間的通信，在此基礎(chǔ)上需要規(guī)定具體的通信協(xié)議命令，本設(shè)計(jì)使用兩個數(shù)字加特殊字符的方式規(guī)定發(fā)卡命令。C#上位機(jī)根據(jù)用戶的操作通過串口下發(fā)規(guī)定好的命令，發(fā)卡設(shè)備接收到命令就會執(zhí)行相對應(yīng)的命令，從而完成用戶CPU 卡的注冊。

3.3 自助充值功能的設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)自助充值功能，就需要讓手機(jī)APP 和單片機(jī)之間完成通信。經(jīng)過多方的比較，本設(shè)計(jì)最終決定選擇中國移動的OneNET 云平臺。手機(jī)自帶數(shù)據(jù)流量是可以直接和OneNET 云平臺完成通信的，但是單片機(jī)本身是不可以接入互聯(lián)網(wǎng)的，因此需要利用通信模組實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，因?yàn)橄到y(tǒng)本身的數(shù)據(jù)量并不大，所以本設(shè)計(jì)選擇2G 信號的SIM800C通信模組完成和OneNET 的通信。

SIM800C 模組和MCU 之間是通過UART 完成通信的，其UART 的配置方式和上文的相同，不同的是SIM800C 的聯(lián)網(wǎng)功能是通過AT 命令實(shí)現(xiàn)的。SIM800C 的使用是通過AT 進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的步驟是SIM 卡先注冊上網(wǎng)絡(luò)，然后設(shè)置成透傳模式，最后通過MQTT協(xié)議連接到OneNET云平臺。

SIM800C 連接OneNET 云平臺的流程圖如圖3所示。

圖3 SIM800C 連接OneNET 云平臺的流程圖

3.4 二維碼生成設(shè)計(jì)

二維碼又稱QR Code 一種是很流行的編碼方式，它用黑白塊的排列存儲的信息，比普通的條形碼能夠存儲更多的信息，同時也具有更好的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)用二維碼存儲充值設(shè)備的信息和當(dāng)前卡片的ID 號，然后手機(jī)APP 掃描獲取到后，發(fā)送充值命令完成自助充值的功能。

系統(tǒng)生成二維碼功能是移植了官方提供的C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫實(shí)現(xiàn)的，由于生成二維碼的算法太過復(fù)雜這里不展開做詳細(xì)的解釋，只說明移植的步驟。單片機(jī)移植生成二維碼的庫并不復(fù)雜，只需要將庫函數(shù)的.C 和.H 文件添加到工程中去，然后找到源碼文件，并找到在文件中找到bool EncodeData()函數(shù)，這個函數(shù)就是生成二維碼的核心函數(shù)，用法也很簡單，只需把需要轉(zhuǎn)換的字符作為參數(shù)傳入即可得到生成的二維碼數(shù)組，然后再根據(jù)數(shù)組的中的0 和1 顯示對應(yīng)的黑白方塊就能實(shí)現(xiàn)顯示二維碼了。

生成充值二維碼的流程圖如圖4所示。

圖4 生成充值二維碼的流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 水卡注冊模塊測試

水卡注冊需要C#上位機(jī)和發(fā)卡設(shè)備一起測試，在打開上位機(jī)軟件后，上位機(jī)軟件需要先和發(fā)卡設(shè)備建立好串口連接，然后將CPU 卡放到讀卡器的位置，點(diǎn)擊尋卡按鈕成功尋到卡后，會在軟件上顯示當(dāng)前的卡號，錄入個人信息后點(diǎn)擊注冊就可以完成CPU 的初始化了。尋卡成功后的界面如圖5所示。

圖5 尋找到的CPU 卡

4.2 自助充值模塊測試

水卡注冊需要手機(jī)APP 和自助充值設(shè)備一起測試。首先自助充值設(shè)備需要和OneNET 云平臺建立連接，然后用戶利用手機(jī)號和密碼登錄手機(jī)APP。用戶使用CPU 靠近讀卡區(qū)域，然后設(shè)備會自動尋找CPU卡，尋找到CPU卡后會顯示，顯示當(dāng)前的卡片余額和卡號等重要信息。如果用戶想要向水卡卡里充值，需要點(diǎn)擊充值按鈕，液晶屏幕上會自動顯示充值二維碼。這個時候我只要使用手機(jī)APP 掃描這個充值二維碼，就能識別到要充值的CPU 卡，然后再點(diǎn)擊充值，選擇想要充值的金額，完成充值。當(dāng)充值完成后，充值設(shè)備自動返回到顯示信息界面。當(dāng)充值設(shè)備沒有CPU 卡時，手機(jī)APP 上的充值功能是不可以使用的。經(jīng)過測試，自助充值各個步驟都可以實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)行穩(wěn)定，說明自助充值功能能夠?qū)崿F(xiàn)。

顯示充值二維碼的界面如圖6所示。

圖6 顯示的充值二維碼的界面

4.3 消費(fèi)模塊測試

水卡消費(fèi)設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行不需要聯(lián)網(wǎng)，測試方式非常簡單，卡片放到讀卡區(qū)域，0.96 寸的液晶彩屏?xí)詣语@示當(dāng)前卡片的余額、卡號等信息。當(dāng)用戶想要使用時，只需要按下取水按鈕，控制水流的電磁閥就會開啟，系統(tǒng)就會開始扣費(fèi)。當(dāng)CPU 卡離開時，電磁閥自動關(guān)閉，屏幕自動進(jìn)入息屏狀態(tài)。經(jīng)過測試，消費(fèi)模塊的各個功能良好，能夠完成正常的出水和扣費(fèi)以及CPU 卡信息的顯示。當(dāng)用戶將水卡放到消費(fèi)模塊上，液晶屏?xí)詣恿疗鸩@示當(dāng)前卡片上的余額，按下按鍵1 電磁閥打開有水流水，同時開始每秒鐘扣除0.01 元，當(dāng)卡片移走時屏幕自動熄滅，電磁閥關(guān)閉。消費(fèi)設(shè)備有水卡正在消費(fèi)的界面如圖7所示。

圖7 水卡正在使用的界面

5 結(jié) 論

本文主要描述了基于RFID 的防破解水卡系統(tǒng)的研究意義、實(shí)現(xiàn)過程以及設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)通過RFID 技術(shù)完成了水卡系統(tǒng)的升級，并通過使用CPU 替換M1 卡的方式確保了系統(tǒng)的安全，并在原來的基礎(chǔ)上增加了自助充值功能，方便了用戶和商家的使用。在未來發(fā)展前景中，計(jì)劃將本文所研究的防破解水卡應(yīng)用到各大高校中，并對其進(jìn)行進(jìn)一步的延伸，例如防破解門禁卡、防破解校園卡、購物卡等等。