（通信与信息系统专业论文）基于以太网传输射频识别应用系统的研究与设计.pdf

i l f f 筑1 照入学蛾1 学能沦空 y 5 8 7 5 0 1 基于以太网传输射频识别应用系统的研究与设计 摘要 本擎登设计主要是对萋予浚太阏耱输的射频淡潮( r f i d ) , r e 羯系 统进行 i 】f 究羽1 砹i = 卜，井对射频通信信号，t c p i pi 别络，信息安企， 嫒事| ：开发，软箨王程，数据霹应耀等送行分褥襄设计并挺出一鍪结合 实际戚用的新思路。 谍题留 究的主要肉容如下：r f i d 应瘸磷究现状，射频识别碰耀系 统的信号处理及编码技术，射频识别应州系统的安全原理及设计，射 频识别应用系统的读写设备设计原理及绒用开发，嵌入式以太测通信 模块的设计及关键技术，食潋射频信息管理系统应用设计，食擞射频 识别成用系统的总体设计与课题总结与展望。 谦题通过对熬予戬太网传输的射频谈别应用系统的研究，可把它 作为一利新的射频识别应用方案，其可靠性，方便性，安全性都有一 定程度豹提高，铁雨筒纯管灌，提高效率，降低成本，有劲予缝迸各 类射频泌别一一i - 通信息系统，可以作为一利t 射频识别一一f - 通系统的实 爰方案褥实现。 关键词：射频i , , r j , 另1 ( r f i d ) ，t c p i p 协议，u d p 协议，嵌入式以太网 通信模块，管理信怠系统，信息安全 禾绽律髯、等! i i l i 隅慧 匀全文公布 浙江1 一业人学坝l 。学位| 宅史 t h ei 之e s e a r c ha n dd e s i g n0 ft h e e t h e r n e t - b a s e dt r a ns i s s l 0 n l ( f i da p p l i c a t l 0 ns y s t e m a b s i r 人c t t h i sp r o j e c tm a i n l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g no ft h e e t h e r n e t b a s e dc o m m u n i c a t i o n r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f id ) a p p l i c a t i o ns y s t e m a n di ta l s oa n a l y z e sa n dd e s i g n st h er a d i of r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o ns i g n a l ，t h et c p i pp r i n c i p l e s ，t h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t n t h ep r a c t i c a lw a yt od e s i g nt h ec i r c u i th a r d w a r e ，t h ep r a c t i c eo fs o f t w a r e e n g i n e e r i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no fd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m s ，i n w h i c hi ta l s os u g g e s t ss o m en e wt h o u g h tf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h ep r o j e c tc o n t a i n st h es t a t u so ft h er f l d a p p l i c a t i o nr e s e a r c h ，t h ep r i n c i p l eo ft h es i g n a lp r o c e s sa n dc o d i n go ft h e r f i da p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no ft h er f i ds e c u r i t y s y s t e m ，t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no ft h er f i dc a r dr e a d e rd e v i c e ，t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee m b e d d e de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n di t sk e yt e c h n o l o g y , t h ea n a l y s i sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ee a t e r yr f i da p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h eg e n e r a ls c h e m eo ft h ep r o j e c ta n d t h es y n t h e s i sa n dt h ep l o s p e c to f t h er e s e a l l c h t h ep r o j e c ti ss u g g e s t i n gan e wp r a c t i c a ls o l u t i o nt ot h ea r c h i t e c t u r e 溃程王监大学颈士学位论文 o ft h ea p p l i c a t i o no ft h er f i dw h i c hw i l lb em o r er e l i a b l e ，c o n v e n i e n c e a n ds e c u r e 氇a l lt h eo l ds o l u t i o nv i at h er e s e a r c ho ft h ee 凌e r n e t b a s e d c o m m u n i c a t i o nr f i da p p l i c a t i o ns y s t e m a tt h es a m et i m ei tw i l lh e l pt o d e a lw i t ha l lk i n d so ft h ea p p l i e dr f i ds y s t e m se a s i l yt h a th a v et h e a d v a n t a g eo fs i m p l i f y i n gt h em a n a g e m e n t ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n d r e d u c i n gt h e c o s t t h e r e f o r ei tc a nb ea p r a c t i c a l s c h e m ef o r t h e o n e c a r d - f o r - a l ls y s t e m k e yw o r d s ：r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n r f d ) ，t c p i pp r o t o c o l ， u d pp r o t o c o l ，e m b e d d e de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t y i i i 浙江t 业人学l i i ：f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 当今信息技术又到了一个关键州刻，集成i i l 路( ) 智能。r 已融入信息技术的 主流，它以商信息集成、商安全性特，_ ，i l ：ii i & 和人们| | i 常生话、l 发挥巨火作川。 随糟= ；= 融行业怕不断发腱，祉会经济f i ，jl f 新j j 井，特唰址公供交通。无线通信， 卫生保健，封闭式场所管理! ，身份谚 别，i i ：l i 舌通信，大楼保安等行业领域，人们 愈米愈多地丌始使用i c 卡。o 州“同时，一卡通系统，即一卡多用系统。给我们 的生活质最带来了很大的提高：i c 卡自动电表抄表系统，煤气自来水抄表系统， 公交地铁自动售票检票系统，移动通信手机i c 智能s i m 卡等i c 智能卡已越 束越贴近我们的生活，成为我们f 1 常生活中不可分割的一部分。 在i c 卡广泛应用前，光电卡、磁卡等标识卡在我国已有一定范围的应用， 而1 c 卡自推广之日起就大有取而代之之势，这是因为i g 卡与其他标识卡相比的 确具有很大的优点。其优点主要有以一f j l 点：”3 l 、帑固耐用。i c 卡山硅片来储存信息，其制作工艺可究全保证硅片抗磁、 静电及各剃- 射线的能夕j 。硅h 内钉氧化层保护加之体积很小，外又有基片的保 护，因此i c 卡抗机械、化学破坏能力很强。一般的i c 卡，信息保存期都在1 0 年以上，读写次数达一万次以上。这些都是磁卡等其他传统标识卡无法比拟的。 2 、存储量大。传统的标识卡中存储量最大的磁卡，其容量最大只有几百字 ：亿而i c 卡容量可以做到儿千字节。随着电子工艺的不断提高，更大容量的i c 卡出完全可能实现。 ：j 、安全性高。1 c 卡读敬莉i 写入区可任意选择，灵活性大，对于加密卡存储 区访问受逻辑电路控制，只有各类密码核列正确后才能进行读写操作，c p u 卡的 安全性更高，它的信息处理性能进一步提高了i c 卡的安全性，另外硬件加密手 段及软件加密算法使i c 卡的安全性也得到提高。 4 、相关设备性价比商。i c 卡成本低，但i c 卡系统设备可靠性高、寿命长、 维护：量小，且i c 卡本身是一数字电路，加之容量大，信息大部分可在i c 卡上存 储所以对软件、系统网络及配套设备要求不高。 近儿年来，随着i c 智能卡中的接触式及非接触式i c 智能射频卡的高安全 保密性，使之在智能卡领域中异军突起，应用i j 景十分广阔。 国外对i c 卡的研究和i 应用较早，特别在荧国，欧洲等国家i c 卡遍砷j 社会 各个方面。如在美国，国民消费总额的2 0 3 0 i 洲l j s 消费完成，山此可见i c 智能卡流行和使川的程度。尽管闭外对】c 卡已有多年的i i j f 究，但真证在l c 智能 。k 特别足：州蜜触式i c 纠能州频i 力j i j 翁的圳究山仪订j j ：l 短几年的成熟j 9 j 。当今 世界非接触式j c 智能射频p m q 主流主要为p i 1 1 1 s 公司的m i f a r e 技术，已经 被制定为幽际标准：l s 0 t e c1 4 4 4 3 l y p ea 标准。欧洲一些较大的1 c 卡片制 造商以及i c 卡片阅读器制造商以及i c 卡软件i 殳汁公司等火都以m i f a r e 技术为 标准，发展和推进i c 卡行业。 我国自1 9 9 4 年实施“金卡”工程以来，推动了金融、商业和流通领域电子 化的步伐。使我国银行业务得到迅速发展，并逐渐在医疗、交通、社会保险、税 务等领域得到广泛应用。虽然至今也只有短短的1 0 卸：- l 右的时问，但已取得了 潮z 1 业人学坝l ：学位沦义 不小成就：已研制成功我国自主版权的较大容量的存储f ，逻辑加密卡等，但对 于尖端的c p u 卡及非接触式i c 智能射频卡的制卡技术及其相应的读写卡设备技 术，仍处于落后状态。这极大制约了我囤金卡 ：程的实施羽i 发展。8 。”o 为了加 怏i ci 行业发展，特别足尖端c p u 降及1 1 ；接触= i = l = i c 智能射频i - v , j t i ! s “应j i j ，l i ： i c 卡行业及其他行业尽快掌握c l ，u _ 忙及非接触式l c 智能射频卡的核心技术及读 写设锯的软硬件技术，跟一l 网外f c 卡研究和成，订少伐，必须余丽掌掘p i i l l 峪 公刊1 1 勺m i f a r e 系列披术l l g j l l q 。；| 舢b l c 纠能刖捌i 川f a r el _ 卜及j ci 碘1 j 改箭 核心儆块f 1 0 软倒1 i ，i ：设计技术。 叶接触j c 射频卜成川钡域1 泛，常见的应川系统订：门禁控制系统，商 速公路不停车收费系统，停车场收费管蔓b 系统，地铁非接触式j c 铆能身j 频卡的 刷卡阅读器，机关企业内部考勤管理系统，单位食堂消赞管理系统、医疗1 _ i 险 管耻系统，公共交通收费管理系统，山租年收j 5 1 管理系统， j 6 l 行j 】l ；l 务一持通等等。 嵌入式系统最初指用柬控制设备的计算机，通常是放置在设备内部并控制设 备或嵌入在其它系统中的一种专用软硬件总和。它一旦启动就执行某一特定的程 序，中间无需人工干预，直到终止。但通常要求其具有实时响应能力，一般不要 求复杂的用户界面，如键盘、显示器、串行口、硬盘等外设接口，也不需二次丌 发。所以它被广泛地用于仪器仪表、工业控制设备、程控交换机、微波设备、家 用r 乜器等设备中。呷 随着i n t e r n e t 的普及，我们已经进入了网络时代，即后p c 时代。不仅用 i ) c 机能上网，用各种各样的嵌入式设备都可以通过网络互连。后p c 时代出现了 信息电器，如掌上电脑、个人数字助理、移动电话、1 1 v 机顶盒和数码相机等嵌 入式设备。这些能联网的嵌入式设备需要加上t c p i i ，网络协议，但由于。8 1 6 位单片机的速度不够快及内存不够大，较难满足嵌入式设备的联网要求。随着集 成f 乜蹄的发展，3 2 位处理器的价格不断下降，用户已可以大量使用。3 2 位r i s c 处理器更是受到青睐，领先的是a r m 嵌入式微处理器系列。“ 在a r m 处四! 器系列小，a r m 7 处理器系列应用最广，“”采刚a r m 7 处理器 作为内核生产芯片的公司最多。目前，已迸入国内市场的儿种带a r m 核的：芯片， 其多数嵌入的是a r m 7 处理器系列( a r m t t d m i ，a r m 7 t d m i s ，a r m 7 e j s 和a r m 7 2 0 t ) 。 其中作为整型核的a r m 7 d m i - s 广泛应用于嵌入式低端产品中，如网络通信模块， 信息家电控制等。 1 2 射频识别系统原理简介 】射频识别技术原理叭n 2 1 射频识别技术( r f i d ) 是八十年代开始成熟的自动识别技术。随着超大规模集 成f 乜路技术的发展，射频珏 别系统的体积大大缩小，进入丁实用化的阶段，它足 # i j l lj i u 磁感应、九线i 【l 波进行；州蛊触政向通信，以达到谚 别h 标，f ：交换数掘。成 注意肼有很多上作频段，上作原理也_ i 爆相州，有的j 二作一j 二近场，可川电磁感 应描述，有的必须用电磁波发射来解释远场状态。国际上最流行的i e c i s 0 1 4 4 4 3 a 标准的射频卡与阅读器之m 通过电感耦合方式来完成读写通信。浚i 办议规定的 射频卡为无源卡，当恻读器剥。降进行读写操作时，阅读器发出的信号山两部分叠 加组成：一部分足电源信号，该信号由p 接收后，山卡的u c 回路产生一个瞬时 能量来供给：枣片工作。另一部分是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、 濒涎照太孝嫒l ：学位论文 修改、存 i f 等，j ：遐吲信弓给恻碘 。阅跌器般竹”机、专1 爷l i 仃模炔期l 成 ，l ：隧韵1 p c 的避俄搂等，以成j 1 j ”l ：l i 列的锁域。 瓣频一章蹩w 凌写救”臣誉舔袈j 蓼瓣蛰l 驴待奠麓避慕囊份豁l 囊，蠢l ；其：蠡存 储信息的特点，其成”】更为广泛。它以即投术为纂础，绵台传统韵智能卡技术， 解决了觅澌晡圳q 蜜触这螳难题，使铆能卡麻川变f l j ：附污方便。和同j 9 j 或昂= i i i j 的接 触式淤剐技术h ；同，m i i ) 系统i ! l j 射频k 求l 蝴绩： 之 u 4 i 川接触就可充成珏 别， 囡戴，幽- l 实瑷多瓣瓤、运动秘瓤毅； 爨。l i 象竣皴式i c 瓣翳蠢l 疆触点暴嚣 在井，瓣频k 将：凑片究金封装在卡内瀚，因诧河以在比较怒劣的瑚：境卜_ 役弼。总 之，射频非接触卡系统可以在兜j “泛的场合中获得应用。 2 。r f i d 系统的典型结构“” 骛砉频系统稳典溪续擒整图1 - i ，主要由嚣灏分组藏：阕读器( r f i di n t e r f a c e d e v i c e ) 和射频卡( 应答器r f i dt a g k r f i di ； j 壤器射频卡 测读器和射频一垮之翊通过笼线方式通信，因此它们都肖无线收发模块及天线 ( 载溱瘦线餮) 。瓣獗卡中骞存赣器，内存窖黧必足卡字繁潮建k 字节，霹竣臻 来存储用户数据和系统数据等。射频卡可根獭润读器发出的指令对这些数据进行 相应的黛时读写操作。控制模块完成接受、译码及执行阅读器命令，控制读写数 据，负资数据安全等功能。射频卡的几个模块集成倒一块芯片中，芯片外围只需 连接天线，对套滚“骜还必羲有魄源。滔读嚣t 攘涮摸块往缝窍缀强懿处獯秘戆， 除了完成控裁射颓卡工作静任务矫，1 还需要实现相互谈话、数据加密解密、数据 校验、出错报警及与计算机的通信等功能。 3 r f i d 系统的= _ 作原理 可殴瘸图1 - 2 - 2 _ 柬滋明i i f d 系统靛工佟避程： r f i d 潮读鞲瓣簇幸 浙江t 业人学倒l 学位论文 图1 2 2 射频系统的一作原理幽 ( 1 ) 阅读器在一个区域内发射电磁波形成感应电磁场，该区域的大小取决于 发剁功率、工作频率和天线尺寸等参数。 ( 2 ) 别频卡进入这个区域时，接收到阅读器的射频脉冲，经过整流后给电容 允i u ，l u 衽i u 瓜经稳儿；肝f 1 ：为：l ：作i u 压。 ( 3 ) 数据斛调 _ i | i 分从接收到的射频脉冲- i i 解酬j l ；命令和数据并发送到控制逻 辑。控制逻辑接受指令完成存储、发送数捌或其它数据处理操作。 ( 4 ) 蜘i 需发送数撕，则将数扪调f | j | j 再从收发模块发送去。 ( 5 ) 阅读器接收到返心数据后，斛码j f ：校验水确1 _ 5 l 数搬的f u 靠性，然后进行 处列! ，必要h , j - i i j 以通过k s 2 3 2 等接口将数据传送到计算机处理。阅读器发送的信 号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同步简化了系统的设计。 1 3 射频识别的分类 射频识别技术根据采用频率的不同可分为低频系统和高频系统两大类；根据 电予标签内是否装有r b 池为其供电，又可分为有源系统和无源系统两大类：从电 二f 标签内保存的信息注入的方式可将其为分集成电路固化式、现场有线改写式和 现场无线改写式三火类：根据读墩电予标签数据的技术实现手段，可分为广播发 射式、倍频式和反射调制式三大类。 1 低频系统一般工作频率小于3 0 m t t z ，典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k i i z 、 1 3 5 6 m 等，这些频点应用的射频识别系统一般都有4 , f l j 照n 9 国际标准予以支持。 具l 占小特j 7 c 足i uj 二标签的成小较低、标签l 勺保存的数捌量少、阅读距离短( 典型 i o c m ) 、电子标签外形多样( 卡状、环状、笔状) 、天线方向性不强等。 2 高频系统一般指其工作频率大于4 0 0 m t t z ，典型的工作频有：9 1 5 m i t z 、 2 4 5 0 m l l z 、5 8 0 0 m i l z 等。高频系统也有众多国际标准予以支持。高频系统的基本 特点是电子标签及阅读器成本高、标签内保存的数据量大、阅读距离远( 可达 几米至十几米) ，适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天线及电子 标签天线均有较强的方向性。 3 有源电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足的是电池寿 命有限( 3 1 0 年) ；无源电子标签内无电池，它接收到阅读器发出的微波信号后， 将部分电磁波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护。相比有源系统。 无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。 4 集成固化式电子标签内的信息般在集成电路生产时即将信息以r o m 工 艺模式注入，其保存的信息一成不变；现场有线改写式l b 子标签一般将r b 予标 签保存的信息写入其内部的e e p r o m 存贮区中，改写时需要专用的编程器，改写 过程i ，必须为其供i | ：l ：现场无线改写式l 【l 了标签一般适j j 于有源类咆予标签，具 有特定的改写指令， u 予标签内1 1 5 | 存的信息也位于其i j 的e e p i i o m 存贮区。一般 改写i u ：r 标签数掘所花赞的时叫远大于读墩i 乜予标签所花费的时问。常舰为改写 所忧赞n 钏q 叫为秒级，阅读化费的州n u 为堪秒级。 5 广播发射式射频汉别系统实现最简单。电子标签用有源方式工作，并实时 将其贮存的标泌信息向外广播，阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种系统 的缺点是i ： 王子标签因须才i 停地向外发射信息，对其自身而言。费电，对环境而言造 成电磁污染，同时系统不具备安全保密性。 6 倍频式射频泌别系统实现起来有一定难度。一般情况下，阅读器发出射频 渐f 业人学顺i ：学能流史 查询馈哆，l | _ l 予标签返州的信号缄频为阅读器发，i l i ，鲥频储频。这+ i c i ：+ i ：模式划 麓凌然拔羧链翌壁鼙| 波甾譬挺圣| 了缓秘，髓跫，对戈荔垂毽f - l + , j ；签寒淀，l 昏振签将 收到昀阅读； ： 发束的身| 频隧最转换为倍频叫波绒频时，l e 能齄转换皴牢较低，键 岛转换效率需要较国的微波技巧，这就意i 球着姒商的i u 予标链成本。吲时这利系 统二r 你缬lo 讷】两个：j ：作频点一般较滩获得无线i 乜频率管理豢员会的产l 讯成用许 可。 7 。爱瓣涮潮式瓣频洪翻系统实现超来要解决同频收浚阏麓。系统_ = 佟瞎， 阅读器发出电磁波裔诒j 信号，无源f 乜子标签收到r l ：l 磁波查询信号后将一部分能量 整流为唐流电供电予标签内的电路工作，另一部分微波能爨信号被电予标签内 保存的数据信息调制簸反射回阅读器。阅读器接收反射回的幅度调制信号，从 ；- | 撵取魄予标签中绦存豹耘谈整数爨信患。系绞工孬遂程中，藏读器发滋奄磁 波俯蛩j 接收反甜刚的幅度凋制俯号足同时进行的。反射删的信号强度较发射信 号要弱，因此实现上采用下行副裁波调制的方试用于同频接收。 4 射频识剐应溺系统的数据采集方案 目前主要有3 种常见的射频识别应用系统的数据采集的方案：脱机处理、串 i j 传输莉i 以太网传输的剩频以别系统的数据采集方案。 l 。j 鏊接脱机处溅( 采集卡采煞数据) ：麓攀，癍翅广，缎不方埂，数援采集 荔壅镑，实对往不强，霹爨瘸骰羹镌死弹方法鹃备用方法，戳绦证数据豹霹靠毪。 2 崽接用计算机的c o m 串口与射频卡阅读器连接通信熊瑷：但是如采射频卡 阅读器数量多，所用的计算机数i 乜要求多，经济上不可行，丽用串口扩展卡实现 多串口数据采集容易搜数据采集不可靠，且串网通信r s 一2 3 2 4 8 5 总线传输距离 蠢羧，凳法终羹菜蛰难褰大麴系统缓臻，距离秽大还容易搜数滋传赣镶，繇强 浚方案威翊的环境为：射频卡阅读器比较少，系统设备之间距离较近的塌台。 3 以太网数据采集方案采用以太网直接造接网线到射频卡阅读器。为阅读 器设 卜t c p i p 嵌入式以太剐网络通信模块实现计算机与射频卡阅读器的数据通 荣。毽魏 c 眵i p 携议竞善的蹬镶憝理等可靠捉剿纂】高实列瞧，可实现建w 靠、 赢实时的应丽系统的数据采集方案，但需密礴爨法来保诬网络透信安全。 始t 1 1 采用a r m 芯片为核心的以太网网络通信模块将射频读写设备和按入以 太网的f c 机进行连接通信，完成数掘交换的任务，只有较大的可靠性和安仝性。 翻l - 4 1 绘出了网络通信模块的工作器理图： r f l l ) 潮壤嚣 自十颇i c 卡掭纷及业 拈搿m 以 ，t _ j 太i ，c 机 4 “ 势羟涮搂疆r r 捆、叫 l i 潮卜4 一l以太弼逆信模块羽一律原理捌 在该溺络逶僖模块豹设诗c 争，嚣要实褒与瓣菝卡读霉谈备楚建器豹u a i t 率 口通信和1 ) c 机t c p i p 协议的实时通信，并实现柱以太网t | i 传输的安全和w 靠性。 其一1i j 5 模块可通过效牢高的u d i ，卧议实现与l c 机以太网通信，但其r n j 菲性h i 高， 浙江 j 业人学硕i ：学位论文 侄u d p 上层再附加u d i ： 包出错或丢失重发机制米确保其可靠性。而为了实现u d p 数捌包在以太网中的安全，采用高速实时序列加密算法及安全接入合法性签证等 方法来保n e 。 1 5 射频识别应用系统的安全分析 ( j ) 剁频l i 信息系统的安仝性分析“”“” 射频p 信息系统i j 能受剑的j 戒胁柑两类：类魁物理纠：境如i u 磁二i 二扰、断l u 、 没矫敞障等威胁；另一类是人员威胁，主要有以下儿种：管理者攻击；用户攻击： 前管耻者的攻击；l i i j j i j 户攻击：外部人员攻击。 对于物理系统的威胁，则通过系统远离电磁干扰源，加不间断电源u p s ，及 时维修故障设备来解决。 而人员对系统的攻击主要有伪造攻击，假冒攻击，复制攻击和重放攻击。 伪造攻击是指伪造射频卡以产生系统认可的“合法用户卡”，采用该手段实 现攻击的代价高，周期长，但系统管理员会年i j i t i 职务之便，轻松实现伪造攻击。 要通过加强系统管理员的瓶督等避免发生。 假冒攻击是n , q 9 合法用户的丢失卡假冒合法j j 户使用米攻击，但是具有随机 性和时f , j 性。该攻击要通过及1 1 寸注销或挂失合法用j - 的丢失卡来防止攻击。 复制攻击足通过复制他人射频卡信息多次顶替别人消费。其实现的代价刁； t 舒，且卅；需要其他条件，所以成为最常川的攻出手段。防止攻击的关键是将射频 卡的数据加密完善，防止用户卡被复制。 重放攻击是指攻击者通过某种方法将用户的某次消费过程或身份验证记录 并重放，骗】= 1 ) ( 系统的信任，达到其攻击的目的。此类手段对本课题研究的基于局 域网的射频卡信息系统的威胁比较大，需要加强对访问安全接入及传输数据加 密等方式防止系统被攻击。 ( 2 ) 以太网传输时的安全性分析“” 在小型封闭式以太网中进行数据通信，安全问题不犬，主要是数据传输的可 靠性问题。但是在小型，l ：放型的咀太网l 1 1 进行测控数据通信时，整个网络通信模 块应用系统存在：操作系统的安全性、内部网用户的安全威胁和病毒入侵等各种 安全性问题，为确保系统安全，必须进行安全控制。在网络通信模块的安全设计 中，主要采用数据加密与用户授权访问控制技术。 而且，除了在以太网中实现安全鉴定接入和密码控制、数据加密外，还需要 用划分删段、以太网交换、数字签名和认证、防火墙和入侵检测技术等方法来进 行安令设罱，防i i ：用j o 进行有意无意的破坏。 总之刘j ：以太i 圳叫绵j 越信模块的贺个l 叫络通价，衙做好安全评仆办案，综 合利川安全描技术、l 坊火墙、安全i i ，i n 系统、_ ! i i l 晰技术、防病毒软件等水互川 配台，加强箭理，综合捉商网络通信模块系统的安全性。同时，最好将i 发系统应 j i i j 二j 二小型封闭式以太网系统i 卜，以保证安全，简化系统的实现。 1 6 射频识别技术的应用 刺频泌别技术的应用正在逐渐改善着我们生活的各个方面，占刁i 仅大大方便 用户消费便利的电子付款等，还可完成各种资料的查询、统计、报表和打印功能。 浙江v j l k 人学删i 学位论文 极大提高了管理水平和工作效率，为科学管理提供了有力的客观依据：“嘲“”“” 1 在超级市场中，射频识别技术的运用使得数以万计的商品种类、价格、 产地、批次、货架、库存、销售等各环节被管理得外然有序； 2 ，采用车辆射频识别技术，使得路桥、停车场等收费场所避免了车辆排队 通关现象，减少了1 1 , j m 浪赞。从而极火地提高了交通运输效率及交通运输设施的 通行能力： 3 在铁路运营。i j ，采用自动设备t 别技术可将飞驰的列车机车、车辆的标 信息在查渤点上自动采集下来送入铁路运输信息管理系统( 1 m i s ) q 1 ，为铁路 运营捉供及时的j i 辆追踪管耻所需的丛l i j f ；信息： 4 采川射频 ： 别技术的防伪车牌系统，将使被盗车辆火白于本地监视系统 之下，从而有效地防范车辆被盗案件的发生； 5 在自动化的生产流水线上，整个产铺生广：流程的各个环节均被置于严密 的监控和管理之下； 6 在粉尘、污染、寒冷、炎热等恶劣环境中，远距离射频以别技术的运用 改善了卡车司机必须下车办理手续的不便： 7 在公交车的运行管理中，射频识别系统准确地记录着车辆在沿线各站点 的到发站时刻为车辆调度及全程运行管理提供实时可靠的信息。 还有，射频卡门禁、食堂消费管理等其他常见的劓频t p , n 应用系统等，都大 大方便了我们的r i 常生活，提高社会现代化的水平。 1 7 本章小结 射频识别技术作为从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术在消费、运 输、防伪等科学自动化管理方l “i e , j 应川。丽j r 魁山刁二火规模集成电路技术的成熟， 才使射频识别系统的体积大大缩小，并进入实用化的阶段。它利用射频方式进行 非接触双向通信，以达到识别目标并交换数据。它与同期或早期的接触式识别技 术不同r f i d 系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，具有耐用， 容量大，安全性高乖i 使用方便等优点，因此可在更广泛的场合中应用。 i 司时，也要看到射频淤别技术在中国还处于一个刚刚起步的阶段，但是它的 发展潜力巨大，前景诱人。在信息社会，对于各种信息的获驭及处理要求快速、 准确、在不久的将来r f i d 技术就将同其它信息技术一样深入并改善我们的生活。 鬻疆- ：鼗太学矮l 学挝论文 第2 章射频识别应用系统的信号处理及编码技术 射频识别读写傲箭羽l 射频“降之问足j m 过i | - l 感耥合的力式实现通信的系统读 写效裂，如距离、 l _ j 错率、稳定性等都和这一光线信道的特征密切相关，因而需 要对藏瓣进行研究。 2 1射频识别的理论基础 1 有扰离散倍道及其编码原理”“” 实际的通信傣邀都是有扰僚遵，在研究干扰对信道传输消息的影响孵，需要 臻究浚感在售遂上受翻蘧壤予臻臻翅嚣鬟产黛戆羧发港惑不一致瓣瑗象。 设离散信源发出的消息集含为x = x 。，x 。，x 。，x 矗，信宿接收到的消 息集合为y = ( y ，y 。，y 。，y 扎这里x 和y 的集合又分别称为有扰离散信道 的输入有限概率空刚和输出有限概率空问。出于信道干扰，所以不一定l 等于m 。 p ( y ， x 。) 是信瀛发爨淡患x ；瓣镶臻收到漕塞y 。懿条譬 概率，又称为羡遥传孽鑫壤搴。 由二j 二y 楚完备集，在信源发出个消怠x ；的条件下，接媛消息集合y 中备个接 收消息y 。( j = l ，2 ，l ) 的信道传输概率之和镣于1 。即有 ， p ( y j l 信道传输概率的集合 p ( yx ) 能够反映离散信道上的干扰特征，对壬无扰 离散储邋，第j 个接收消息y 。与第i 个发送淌息x 。一一对应，相应的依道传输 概率p ( y 。 x i ) = l ，谢对其它接收消息y ；( j i ) 而言，信道传输概率p ( y j l x ) = = o 。 怼予弱二 撬售遭，鸯p ( y 。b ) l ，茭宅豹p ( y ，lx ；) l ，( j 1 ) 。对予强手撬痿道， 有p ( y ， x ) 1 ，褫箕他的p ( y ，| x ，) 也相当大，朗对j i 构p ( y ，| x ；) ，也有 p ( y j lx 。) l 。 有扰离散信道的统计特征可以用x 、y 和 p ( y ，旧) ) 来描述，也可以用信道 矩阵疆采描述。信邋矩阵蛉构成方法为：信遴矩阵的第i 移元素对应予铸源发出 一个游惠x ；蹲，l 个不同豹接竣溥感y ；( j = l ，2 ，d 豹馕j 筵传输穰率p ( y ，| x ；) ； 信道觚阼的第j 列元索对应于嗣一个接收消息y ，而信源发出的消息为m 个不同 的消息x ，( i = 1 ，2 。，m ) 的信道传输概率p ( y “x i ) ，所以信邀矩阵h 为： n = p ( y l lx 1 ) p ( y 2 l x l ) p c v j lx 1 ) p ( y l l x l ) p ( y i | x ：) p ( y 2 | x2 ) p ( y j | x 2 ) p ( y l | x 2 ) y ix 。) p ( y 2l “ ) p ( y jx ) p ( y lfx 。) ： p ( y 1x m ) p ( y2x m ) p ( y jx m ) p ( y lx m ) 2 - i - 2 俯道矩阵中每行元素之和为1 ，每列元素则不一定为1 。 信息在有扰离数信道的传输速率也秘信遒干扰再l ：l 噪声裙关。假设信源发出的 是单耱弩蘸浸悫，在一令餐号熬瓣润疼，售源x 菱篷熬平均绩惠量燕l | ( x ) ，蘧遂 上由予存在干扰和螓声，损失的平均信息量为i i ( x i y ) ，所以在一个符号时间内 鞭 1 1 l 照夫学颟l 学张渣文 信道上传输的信息爨为平均信息照l ( x ；y ) ，即i ( x ：y ) = h ( x ) 一i i ( x i y ) 。同时 还有1 ( x ；y ) = t t ( y ) 一l l ( y x ) 的关系式。式中i l ( y ) 为信宿的熵h ( y i x ) 为噪声熵 这翳藏砸娃餐到淤惑在鸯貔寓教蘩遂上均售惑倭竣速率r 在数篷上等予乎稳互 信怠豢：邸r = l ( x y ) = l ( x ) 一| | ( x | y ) = h ( y ) 一1 t ( y x ) b i t s 。 山以上分析研得有扰离散信道信道容量即为消息在倍道上的传输中不失真 条件卜。信道所允矾：的最火传输迷率。对于有执离散信道，信息传输迎帮在数值 上等一o 均互信息爨。 弼+ 予信遴特禚为x 、￥霸 p ( y ，| x ，) 鹣鸯莸离教蓿遥。信道输入清患集会x i j j 。以确各种不同概牢分稚衙一利概率分稚对应一种倍泺模型。这样，每一一刺 信源和给定的有扰离散信道干h 结合，就有一个栩应的信息忙输速率，其中最大的 信息传输速率就是浚有扰离散信道的信道容掇。因此，计算信道容量e 就是选择 逶当懿蕊道霉鑫入瀵惫嶷舍懿壤窭分京 p ( x ) ，捷其这至壤大僮翡过程，予莛骞： c = m a x ，( x ；y ) = m a x h ( y ) 一4 ( r i x ) ) b i t s 2 - 1 3 i ，【) ，i _ 1 1 【i l 于信道和噪声，必使传输码元在通过有扰信道传输时产生一定的误码率， 其r p 诶鹚搴是玛元传输魏出错零，它仅取决l 二蕊道毂于挠稷度，露与淡怒本鑫概 率毒f l 译褥无关。香农第二定理攒穗了毒撬离散信道误褥率瀚决定困索，也称为有 扰离散信道的信道编码定理，它是发展信道编码( 即纠错编码) 技术的理论基础： 檄信息传输速率小于信道容缀的条件下，可通过增加代码组长度r f l 的方法， 使接收端恢复消息的瀑码率小于任意给定的小数e 。：反之，若信息传输速率丈 专二售遥容量瓣，弱镤妈率为一爨定经，郅捷臻翩袋鹈缀长痰m ，毽不涎饺误弱率 任意小。用数学公j i = l = 表示，当l 3 3 m ，视在路径差为3 m ，则时延差约为1 0 n s ， 在某些读写点上会山现严重的衰落。根据式2 - i 1 5 ，在衰落晟火的位置电磁场 的强度仪为直接传播的场强的1 2 。 射频系统使用高频段载波时，必须考虑信道无线传输的多径，针对具体的应 用场合，选择合适的工作频率，以减少多径的干扰。 2 2 射频识别的工作原理”副 射频以别的工作原理可以分为电感耦合、电磁反向散射耦合和密耦合三种。 1 电感耦合 r f i d 的电感耦合工作方式对应了i s 0 i e c l 4 4 4 3 协议。电感耦合应答器是山 一个电子数据作载体，通常是由单个微芯片以及用作天线用的大面积的线圈等组 成。电感耦合应答器几乎无源工作，在应答器中的微芯片工作的全部能量必须由 阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿 越线圈横截面和线圈的周围空问以使附近的应答器产生电磁感应。因为使用的频 率范围( f 4 0 0 mf ：1 3 5 6 m t t z ，入= 2 2 1 m ) 内的波长比阅读器天线和应 答器天线之刚的距离大好j l 倍( 剥于电感耦合工作方式的r f i d 系统的阅读器天 线和应答器天线之间的距离不超过l o c m ) ，可以把应答器到天线问的电磁场当 作简单的交变磁场考虑。 发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天 线线圈。通过感应在应答器的天线线圈上产生一个电压。将其整流后作为微芯 片的工作电源。将一个电容器与阅读器的天线线圈并联，其中电容器与天线线圈 的电感一起，形成谐振频率与f ；l l 读器发射频率相符的并联振荡回路，使该回路的 谐振让阅读器的线圈产生较大的电流足够供应给微芯片的难常工作。 射频识别电感耦合方式的工作原理图见图2 - 2 - t 所示： 浙江i ：业人学倾i j 学位论史 书 佶 鳊巨心 幽2 2 1 射频识别电感耦台方式的卜作蹶理豳 应答器与阅读器的数据传输采用负载调制。电感耦合是一种变压器耦合，即 作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。只要线圈之间的距 离不超过0 1 6 ，并且应答器处于发送天线的近场范围内，变压器耦合就有效。 如果把谐振的应答器放入阅读天线的交变磁场中，那么应答器就可以从磁场获得 能量。从供应测读器天线的l 乜演在测读器内1 5 上的难降可以测得此附m “功耗。应 答器天线上的负载电阻的接通和断丌促使阅读器天线上的电压发生变化，实现用 远距离应答器对天线电压进行振i 畸调制。而通过数据控制负载的接通和断丌，这 些数据就可以从应答器传输到阅读器。同时，为了7 i ! 阅读器中回收数据，需要对 在阅读器天线上测得的电压进行整流，即对经过振幅涧制的信号进行解凋。 同时。山于阅读天线和应答天线之问的耦合很弱，阅读器天线上表示有用信 号的电压波动比阅读器的输出电压小。在实践中，对1 3 5 6 m h z 的系统，天线电 压( 谐振时电压) ，只能得到大约l o m v 的有用信号。因检测这些小电压变化不方 便。所以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果应答器的附加负载电 阻以很高的时钟频率f 。接通或断丌，那么在阅读器发送频率f ，f 。的距离上产生 两条谱线，如图2 - 2 - 2 所示，那该信号就容易检测了，这种调制方式也称为副载 波调制。而数掘传输是在数掘流中通过振幅键控a s k 、频移键控f s k 或相移键控 p s k 调制来完成。 图2 - 2 2 副载波调制的频谱幽 一个采用电感耦合应答器r f l 产生副载波调制的典型1 1 1 路如图2 2 3 所示： 越蓐托一潼太学碳l ：学轻涂文 l 上鲁 a 7 m h t 鹫2 - 2 - 3l 毽惑韬仑产生戮载浚瓣受载涮剿缒粪爨瞧漆 通过使用副载波负载调耐，在阕读器天线上和在工作频率两侧副载波频率 b 的距离上，产生两条调制波边带。通过在两个频率范围中的带通滤波器，这两 条调制波边带可以与阅读器的较强的信号分歼，最后再放火解调副载波惯母。 2 + 魄磁反离散瓣糕会 r f i d 静电磁蔽i 氲敖射藕合工俸方式薅应了 s o i e c l 5 6 9 3 协议。瘴豁器与阕 读器之间的作用建藏在1 m 以上的射频识别系统称为远距离系统，一般频率范围 在欧洲为4 3 3 m i i z 5 6 g l t z 。因为鼹离比较长，电磁能传输损耗大，射频系统的应 答器不黥采用无源方式工作了，髓爨电池为成铸嚣提供能黧。从阅读器_ ，乏线发 射爨泉鹃凌辜经过鑫赉空阙豹衰减磊葵中瓣一小部努赘这黩答器熬天线。爨这痤 答器的功率作为h f 电压在天线接口处供使用，经二极管整流后，可作为攥作电 压去激活应答器省电的“低功耗”工作方式。另外到达应替器的功率的部分 被天线反射。为了从应答器到阅i 卖器传输数据，与天线，# 联的附加负载电阻姻接 通帮凝嚣要魏健输熬数攫滚一致，获嚣完成辩囊痤答器反鬓重缤号麴叛幅戆诞潮。 其工佟电路原理圈如圈2 2 4 所示： i 笙l2 - 2 4i u 撇厦向敞射_ 柠1 5 台1 ：们f u 路蟓埋幽 山j j 5 ：f 答器反射的= | ；! j 率在自由空间自山辐射。其中的一部分( 自由空间的衰减) 被瓣读天线接投。爱甜傧号以“蝴反的方向“送入阅读器躯天线连接蹬，被定自 藕合器解耩后，送