基于RFID的防偽讀寫器是如何設(shè)計實現(xiàn)的

長期以來，防偽技術(shù)一直是人們關(guān)注的問題。我國的防偽技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)達到了百億元的市場規(guī)模。目前，防偽領(lǐng)域逐漸興起電子防偽的潮流，其中，RFID作為新興的防偽技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸無線識別技術(shù)。目前，RFID防偽應(yīng)用基本上是基于唯一的ID號來完成。RFID標簽芯片內(nèi)有用于產(chǎn)品標識的全球唯一編碼以及產(chǎn)品驗證信息，該信息被專用讀寫器所讀取，讀取到的信息被發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫，后臺數(shù)據(jù)庫通過查詢驗證將結(jié)果返回到顯示設(shè)備，標簽采用可損壞式標簽，一旦損壞，信息就無法被讀取，這樣能夠保證數(shù)據(jù)內(nèi)容不被竊取，通過以上措施達到防偽目的［1-2］。

1 系統(tǒng)特點和功能

傳統(tǒng)的RFID防偽應(yīng)用模式只考慮利用標簽的唯一編碼來實現(xiàn)防偽驗證，由于無線信道的開放性，系統(tǒng)難以防止來自非法讀寫器的標簽數(shù)據(jù)惡意讀取和假數(shù)據(jù)欺騙。針對以上缺點，本文設(shè)計一種基于RFID和GSM短消息通信的防偽系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由手持式讀寫器前端系統(tǒng)和后臺防偽數(shù)據(jù)庫兩部分組成。手持式讀寫器系統(tǒng)位于零售商處，后臺防偽數(shù)據(jù)庫由生產(chǎn)企業(yè)管理，前后端系統(tǒng)之間利用GSM短消息實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。防偽讀寫器以SIM（Subscriber Identity Model）卡號作為本身的ID號，SIM卡是一塊大規(guī)模集成電路，上面存儲了客戶的信息、加密的密鑰等內(nèi)容，完全防止了被復(fù)制和盜用的可能，能夠有效防止非法讀寫器的標簽惡意讀取和信息欺騙。

本文重點介紹手持式RFID防偽專用讀寫器的設(shè)計和實現(xiàn)。該讀寫器工作頻段為13.56 MHz，符合ISO/IEC 15693協(xié)議，能夠通過GSM通信收發(fā)短消息與企業(yè)防偽服務(wù)器交互，對產(chǎn)品進行驗證。下面詳細介紹RFID防偽讀寫器的硬件設(shè)計和軟件流程以及防偽讀寫器的防偽機制。

2 硬件設(shè)計

RFID防偽采用專用防偽讀寫器對標簽內(nèi)數(shù)據(jù)進行讀取，現(xiàn)場驗證設(shè)備包括標簽和防偽讀寫器兩部分。本文只介紹防偽讀寫器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)，對標簽部分不作介紹，只要符合ISO/IEC 15693協(xié)議的標簽均可讀取。

系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C51RD2作為主控芯片，采用專用讀寫器芯片對標簽進行讀寫，標簽中的數(shù)據(jù)驗證通過后由液晶屏顯示，同時標簽中的防偽數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS模塊發(fā)送到后臺防偽服務(wù)器，防偽服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，并對防偽讀寫器（SIM卡號）和商品信息進行雙重驗證，并將結(jié)果返回防偽讀寫器，完成驗證。硬件框圖如圖1所示。

2.1射頻電路設(shè)計

讀寫模塊選用韓國3Logic公司的TRH031M芯片。該芯片具有高達64 B的內(nèi)部數(shù)據(jù)FIFO，通過內(nèi)部硬件電路完成CRC校驗。系統(tǒng)與主控制器采用3.3 V CMOS接口，采用數(shù)據(jù)總線為8位的Intel讀寫模式，并選用地址數(shù)據(jù)總線共享模式。同時有中斷請求線（IRQ）與主控制器相連。

ISO/IEC 15693協(xié)議規(guī)定，識別卡到讀寫器的通信使用副載波進行振幅鍵控或者頻移鍵控。當使用振幅鍵控時，副載波的頻率fs為424 kHz（fc/32）;當使用頻移鍵控時，2個副載波頻率fs分別為424 kHz（fc/32）、484 kHz（fc/28）。調(diào)制后的信號頻譜將在載波頻率兩邊產(chǎn)生2條邊帶譜線，其頻率分別為fH=fc+fs、fL=fc-fs，因此必須保證天線能良好接收此邊帶信號。天線帶寬應(yīng)大于fH-fL=2fs=848 kHz或968 kHz。以了保證天線能良好接收信號，天線帶寬應(yīng)大于968 kHz。以此綜合考慮能量供應(yīng)和通信距離，建立所需要磁場。采用的天線大小約為8 cm×10 cm，并按照要求，采用LC低通濾波器，將天線阻抗匹配為500 Ω［3］。

2.2 GSM/GPRS通信

GSM通信選用Wavecom公司的Q2403A模塊，Q2403A為雙頻E-GSM/GPRS 900/1800模塊，在3.6 V工作電壓下EGSM通信功耗為2 W，具有2個對外接口：天線接口和通用接口，用于數(shù)字通信、鍵盤和音頻等。

2.2.1 SIM卡電路

SIM卡符合GB/T 16649標準和ISO/IEC 7816協(xié)議所規(guī)定的SIM卡的物理特性、觸點規(guī)范、傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)編碼規(guī)則等。

為了實現(xiàn)對SIM卡的靜電保護，需要在除SIM卡電源腳外的管腳加入保護二極管，并且要求保護二極管的寄生電容不超過10 pF。在此選用集成保護二極管芯片DALC208作為保護芯片。DALC208片內(nèi)集成8只兩兩串聯(lián)的二極管，寄生電容小于5 pF，可實現(xiàn)對4個管腳的保護［4］。

2.2.2 LED指示電路

Q2403A模塊提供LED指示功能。LED狀態(tài)與模塊的工作狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。通過LED指示燈，用戶可以直觀了解Q2403A的工作狀態(tài)。

2.3主控模塊

系統(tǒng)選用單片機AT89C51RD2作為主控制器，具有4個8位數(shù)據(jù)輸入輸出端口，時鐘頻率最高可達60 MHz，1 792 B的片內(nèi)XRAM，雙數(shù)據(jù)指針，具有電源管理功能，另外還有UART接口、鍵盤接口、看門狗電路;內(nèi)部程序存儲器達64 KB，可在線編程; 工作電壓為2.7 V～5.5 V。

主控芯片可與TRH031接口、Q2403A接口、鍵盤接口、液晶接口、鍵盤接口、蜂鳴器接口。

2.3.1電源管理

本系統(tǒng)選用鋰電池作為主要供電電源，也可以通過外部開關(guān)電源輸入供電。選用TI公司的BQ24032來管理電池的充放電。電池充電期間，系統(tǒng)仍能正常工作。

主控制器電源電壓可以在2.7 V～5.5 V之間選擇，LED與蜂鳴器可以工作在3.0 V～5.0 V之間。為保證在GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳送期間，主控制器、LED和蜂鳴器能得到穩(wěn)定的電源電壓，選用MAXIM的MAX1595（3.3 V）作為主控制器電壓調(diào)節(jié)器。

讀寫器TRH031M模塊工作電壓在2.6 V～3.5 V之間選擇。但是讀寫器模塊內(nèi)部有模擬電路，對電源的噪聲要求較高，因此選用低噪聲的低壓差穩(wěn)壓器MAX1818（3.3 V）作為讀寫器模塊的電壓調(diào)節(jié)器。THR031M的數(shù)字電源（DVDD）、模擬電源（AVDD）和射頻發(fā)送電源（TVDD）輸入端應(yīng)分別加入濾波網(wǎng)絡(luò)。濾波電路采用L型網(wǎng)絡(luò)，濾波電感為高頻繞線電感。

液晶工作電壓為5 V，選用電荷泵MAX1595（5.0V）為LCD提供5 V電源。

2.3.2 鍵盤和顯示設(shè)計

AT89C51RD2提供方便的鍵盤管理功能。單片機內(nèi)部有專門的寄存器進行鍵盤管理。設(shè)計中選用低電平為敏感信號，采用5個I/O口管理鍵盤，最多可以管理32個按鍵。選用圖形點陣液晶12864作為顯示設(shè)備。

3 軟件設(shè)計

3.1軟件總體流程

防偽讀寫器工作上電復(fù)位后首先進行系統(tǒng)初始化：對液晶模塊和TRH031M的初始配置，檢測SIM卡是否已插入，GSM網(wǎng)絡(luò)是否可用，電池電量檢測，防死機工作等。

初始化結(jié)束后進入等待防偽標簽檢測界面，用戶輸入確定后進行標簽檢測，TRH031模塊中斷告知主控制器檢測結(jié)果，主控制器進行防碰撞處理并選定標簽。讀取到商品ID號后，消費者可以選擇輸入自己的手機號或者不輸入，當輸入手機號后，防偽讀寫器將消費者手機號和讀取到的商品ID同時發(fā)送到后臺服務(wù)器進行防偽驗證，后臺服務(wù)器會將驗證結(jié)果同時發(fā)送到消費者手機和防偽讀寫器中。如果消費者沒有輸入手機號，則防偽讀寫器將只發(fā)送商品ID給后臺服務(wù)器，后臺服務(wù)器也只將結(jié)果發(fā)送給防偽讀寫器顯示。其總體流程如圖2所示。

3.2 讀寫程序設(shè)計

讀寫器（VCD）與識別卡（VICC）之間指令和數(shù)據(jù)的通信，是一種基于“VCD先說”的機制。即除非接收到并正確地解碼一個VCD發(fā)送過來的指令，否則VICC將不會有動作。VCD發(fā)送請求格式及VICC響應(yīng)格式分別如表2、表3所示。

TRH031M封裝了符合ISO/IEC 15693協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，只需在傳輸層以上編寫程序。在發(fā)送指令時，只需將指令代碼寫入FIFO寄存器，然后啟動發(fā)送命令即可。

ISO/IEC 15693協(xié)議中描述的防沖突在VCD端采用輪詢的機制，在VICC端采用比較應(yīng)答的機制。讀寫器（VCD）采用請求目錄指令（Inventory Command）查詢當前磁場范圍內(nèi)VICC的唯一標識符（UID）來解決沖突問題，其參數(shù)包括：標志、命令、可選的應(yīng)用標識符、掩碼長度（MASK LENGTH）、掩碼值（MASK VALUE）。

識別卡的UID低4位沖突的概率為1/16=62‰，低8位沖突的概率為1/256=3.9‰。

實際ISO/IEC 15693協(xié)議中提供的防沖突算法具有更先進的機制。命令序列中的標志字節(jié)（Flags）中的第5位為應(yīng)用標識符標志（AFI_flag），當此標志置1時，命令序列中要包含AFI域，識別卡比較收到的AFI域與自己的應(yīng)用標識符AFI是否匹配，如果不匹配，則識別卡不響應(yīng)。

命令序列中的標志字節(jié)（Flags）中第6位為時隙數(shù)目標志位（Nb_slots_flag），當Nb_slots_flag=0時，請求目錄指令采用16時隙的方式，這就是在輪詢機制的基礎(chǔ)上加入了時隙ALOHL防沖突算法。時隙數(shù)附加在MASK VALUE前同時進行比較，將使沖突發(fā)生的概率更小，讀寫時間更短［5］。

3.3 GSM/GPRS通信程序設(shè)計

防偽讀寫器中用到的GSM通信主要為短消息的發(fā)送和接收。防偽讀寫器將用戶手機號（可選）和商品ID號利用短消息的方式發(fā)送到后臺驗證服務(wù)器，后臺驗證后將驗證結(jié)果以短消息的方式發(fā)送到用戶手機和防偽讀寫器。

短消息收發(fā)有關(guān)的規(guī)范主要包括GSM 03.38、GSM 03.40和GSM 07.05。前二者著重描述SMS的技術(shù)實現(xiàn)（含編碼方式），后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標準（AT命令集）。一共有3種方式來發(fā)送和接收SMS信息：Block Mode、Text Mode和PDU Mode。Block Mode目前已很少使用。Text Mode是純文本方式，可使用不同的字符集，從技術(shù)上說也可用于發(fā)送中文短消息，但國內(nèi)手機基本上不支持，主要用于歐美地區(qū)。PDU Mode被所有手機支持，可以使用任何字符集，這也是手機默認的編碼方式。因為需要發(fā)送和接收中文，因此本設(shè)計采用PDU模式收發(fā)短信。

主控制器與Q2403A采用串行異步通信接口，可以設(shè)置波特率，本設(shè)計采用9 600 b/s的波特率。主控制器采用AT指令對Q2403A進行控制。

PDU相當于一個數(shù)據(jù)包，它由構(gòu)成短消息（SMS）的信息組成。包含有源/目的地址、有效時間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和正文，正文的長度可達140 B，它們都以十六進制表示，即只包含由0～9、A～F這些數(shù)字和字母。PDU格式分別如表4、表5所示。

消費者選擇輸入手機號時，防偽讀寫器在用戶信息（UD）中將同時發(fā)送商品ID號和消費者手機號，如果沒有輸入，則只發(fā)送商品ID號。

本文給出了基于RFID和GSM通信的防偽讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)，以酒類防偽和家電類防偽為模型，對系統(tǒng)進行了實際測試，運行良好，能夠?qū)崟r準確地反饋驗證結(jié)果給消費者，操作簡單，顯示直觀。該系統(tǒng)能夠滿足大部分貴重商品的防偽需求，特別是通過后臺服務(wù)器驗證的防偽機制，具有技術(shù)難度高難以仿造的特點。該防偽機制為電子防偽提供了新的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯：ct