（计算机应用技术专业论文）基于legic技术的门禁系统设计.pdf

摘要 非接触式i c 卡是i c 卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和i c 卡技术相 结合的产物。射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，简称r f i d ) 技术是最近几 年发展起来的一门新的自动识别技术。它利用射频方式在非接触式i c 卡和读卡器 之间进行无线双向通信，完成目标识别和数据交换。随着智能卡技术的发展，对 卡的安全性和灵活性提出了更高的要求，与同类产品相比，l e g i c 为用户提供整 个通讯过程的数据安全。 门禁系统作为种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和计算机控制 信息符理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通讯技术、生物技 术等诸多新技术。基于无线射频识别技术的门禁系统的设计和开发是今后门禁系 统建设的发展方向。 文章从门禁技术的发展出发，首先对射频识别技术进行了概述，介绍了其特 点、国际标准、关键技术、典型应用和发展趋势。论文分析了l e g i c 卡的特点、 工作原理、内部结构等。本设计的读卡器采用a t 8 9 c 5 2 单片机作控制器，扩展 有带备用锂电池的实时时钟、数据存储器等。读写芯片则采用了l e g i c 公司的 保密模块s m 2 5 7 0 。论文着重研究了读写芯片与单片机之间的硬件接口，读写器 与上位机之间用于通信的r s - 4 8 5 串行通信电路的设计，分析了硬件干扰的来源并 提出抗干扰措施。系统全部采用串行接口芯片，其接口管脚少、连线简单，有利 于缩小读卡器的体积，降低功耗。论文在分析了卡与读写器之问的通信协议以及 卡的指令流程，给出了单片机的主程序设计。此外，由于硬件电路都采用串行通 信，论文还介绍了单片机i o 口模拟串行通信的程序设计。最后论文介绍了上位 机的程序设计。 关键词：l e g i c ，非接触式i c 卡，门禁系统，s m 一2 5 7 0 ，读写器 a b s tr a c t n o n - c o n t a c ti cc a r di so n ek i n do fn e w t e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f l cc a r d ，w h i c h i st h ec o m b i n a t i o no fr a d i of r e q u e n c i e si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d1 2c a r d t e c h n o l o g y r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yo fa u t o i d e n t i f i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs m a r tc a r dt e c h n i q u e , t h en e e d f o rf l e x i b l ea n ds e c u r i t yo ft h ec a r di s g r o w i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rp r o d u c t s ， l e g i cp r o v i d e su s e r st h e a b i l i t yt of u l l yp r o t e c to fd a t ad u r i n gt h ee n t i r e c o m m u n i c a t i o np a t h e n t r a n c eg u a r ds y s t e mi san e wm o d e r n i z e ds e c u r i t ym a n a g e m e n ts y s t e m i t u n i f yt h ef u n c t i o no fa u t o m a t i ci d e n t i f yt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o li n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts o l u t i o n i ti n v o l v e sm a n yn e wt e c h n o l o g i e s t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d e e l e c t r o n i c ，o p t i c s ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o l o g yt e c h n o l o g y t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n tb a s e d o nr e i de n t r a n c eg u a r ds y s t e mi st h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no fe n t r a n c eg u a r ds y s t e mc o n s t r u c t i o ni nt h ef u t u r e o nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n to fe n t r a n c eg u a r ds y s t e m ，a tf i r s tt h i sp a p e r g e n e r a l l yi n t r o d u c e st h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , i t si n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s ，k e yt e c h n o l o g i e s ，t y p i c a la p p l i c a t i o na n df u t u r e t h el e g i ct e c h n o l o g y d e v e l o p e db yl e g i cs e m i c o n d u c t o r s i si n t r o d u c e di n d e t a i l ，i n c l u d i n g i t s c h a r a c t e r i s t i c s ，w o r kp r i n c i p l e ，i n t e r n a ls t r u c t u r ea n ds oo n t h ec o n t r o l l e ro fr e a d e r u s e sa t 8 9 c 5 2m c u ，w h i c hh a st h er e a lt i m ec l o c k 、) l ，i ml i t h i u mb a t t e r y , d a t a m e m o r ya n ds oo n 。t h er e a d e ru s es m - 2 5 7 0s e c u r i t ym o d u l ew h i c hi sp r o d u c e db y l e g i cc o m p a n y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h er e a d e ra n dt h e m c u ，a n dr s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o nw h i c hi su s e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nr e a d e ra n d c o m p u t e r t h e nt h et h e s i sd i s c u s s e st h es o u r c e so fi n t e r f e r e n c ea n dt h em e t h o d so f h o wt od e c r e a s et h ei n t e r f e r e n c e t h es y s t e mu s e ss e r i a li n t e r f a c ec h i p ，p i ni sl e s sa n d c o n n e c t i n gl i n ei ss i m p l e ，w h i c hb e n e f i t st on a l t o wt h es i z eo fr e a d e r , a n dc u td o w n c o n s u m p t i o no fp o w e r t h et h e s i sd i s c u s s e st h es o f t w a r ep r o g r a mo ft h er e a d e r , i n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc a r da n dr e a d e r , t h eo r d e rf l o wo ft h e c a r d ，t h em a i np r o g r a mo fm c u a sh a r d w a r ec i r c u i tu s i n gs e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h e p a p e ra l s oi n t r o d u c e st h em c u i op o r ts e r i a lc o m m u n i c a t i o na n a l o gp r o g r a m m i n g a tl a s tt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o g r a m m i n gf o r t h eh o s tc o m p u t e r k e yw o r d s ：l e g i c ，n o n - c o n t a c ti cc a r d , e n t r a n c eg u a r ds y s t e m ，s m - 2 5 7 0 ，r e a d e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。易矽 签字日期：吖年z ，月妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权的说明) 学位论文作者签名：彳易为 签字日期呵年工月妇 导师签名： 乃绣它 签字眺中扩月钿 学位论文的主要创新点 1 使用在国内尚处于起步阶段的l e g i c 技术设计非接触i c 卡系统。本设计采 用的保密模块s m - 2 5 7 0 技术完全不公开，读卡性能高，用于门禁系统的开发， 保证了系统的可靠性与安全性。 2 保密模块s m - 2 5 7 0 与单片机之间采用异步串行的方式进行数据传输，保证 了数据的可靠性；系统外接时钟芯片及存储芯片，从而保证刷卡时间的准确 记录。系统全部采用串行接口芯片有利于缩小读卡器的体积，降低功耗。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 自动识别与r f i d 技术 自动识别技术是应用一定的识别装置，通过被识别物体和识别装置之间的 接近活动，自动获取被识别物体的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统 来完成相关后续处理的一种技术【l 】。自动识别技术在计算机技术和通讯技术的 基础之上形成的综合科学技术，它是信息数据自动读取、自动输入计算机的重 要的方法和手段，它是一种高度自动化的信息以及数据采集的技术。 自动识别技术自2 0 世纪4 0 年代以来经历了将近7 0 多年的发展，形成了一 门包括条形码技术、射频识别技术、生物识别技术、语音识别技术、视觉识别 技术等以计算机、光、电、通信技术为一体的高科技科学技术。 按照国际自动识别技术的标准，自动识别技术可以分为两种方法：数据采 集技术，特征提取技术。 1 数据采集技术：光存储器：条码，矩阵码，光标阅读器，光学符识别 磁存储器：磁条，非接触卡，磁光存储，微波 电存储器：接触式存储，r f i d 射频识别，存储卡 2 特征提取技术：静态特征：视觉识别，能量扰动识别 动态特征：声音，键盘敲击，其他感应系统 属性特征：化学感应特征，物理感应特征，生物抗体病 毒特征，联合感觉系统 条形码识别技术的出现引起了识别技术领域的一场革命。但是当今条形码因 为其存储能力小和不能改写的原因已经越来越不能满足人们的要求，因此一种将 数据存储在硅芯片上的技术成为最佳的解决方案。最普遍的电子数据载体机构是 有触点排的应答器( 电话应答器、银行卡等) 。然而对应答器来说，在许多情况下， 机械触点的接通是不可靠的，况且无数次的将卡在所属阅读器的缝隙里来回插拔 很容易因卡接触点的磨损从而导致阅读器之间的接触不良，所以电子载体与所属 的阅读器之间实现非接触传输变得越来越必要。这种需要阅读器通过非接触地传 输来获得电子数据载体工作时所需的能量的数据传输方法就是非接触识别，其所 构成的系统被称作射频识别系统。 无线射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是一种非接触的自 识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电磁耦合或电磁传播) 传输 天津工业大学硕士论文 特性，实现对被识别物体的自动识别【2 1 。其识别工作无须人工干预可以工作在 各种恶劣的环境。r f i d 技术可以识别高速运动物体，并可以同时识别多个标签， 操作快捷方便。 与其它自动识别技术相比，射频识别技术有着突出的特点。表1 1 是几种 常见的自动识别技术的比较。 表1 - 1 常见自动识别技术的比较 系统参数条码光学字符生物识别语音识别图像识别 磁卡智能卡射频识别 信息载体纸或物物质表面磁条 e e p r o me e p r o m 质表面 信息量小小大大大较小大 大 数据密度小小高高商很高很高很高 读写性能r r r rr咖洲洲 读取方式激光束光电转换机器识读机器识读机器识读电磁转换电擦写无线通信 扫描 读取距离近很近直接接触很近很近接触接触 远 识别速度低低很低很低很低低低很快 通信速度低低较低低低快快很快 方向位置很小很小单向单向没有影响 影响 使用寿命一次性较短 短长很长 人工识别受约束简单不可不可不可不可不可不可 性 保密性无无无好好一般好 好 智能化无无 无 有 有 环境适应不好不好不好一般一般很好 性 光遮盖全部失全部失效可能全部失效 没有影响 效 国际标准有无无无无有有 有 成本最低一般较高较高较高低较高较高 多标签同不能不能不能不能不能不能不能能 时识别 2 r f i d 技术己经发展成为一门学科纵横的崭新的专业技术，它不仅涵盖电磁场 第一章绪论 理论和微波技术，还综合了半导体集成技术、通信技术、e m c ( 电磁兼容) 技术、 数据保护以及密码学、制造工艺等学科，其本身所具有的各种突出特点，使得研 究和发展r f i d 技术具有理论和现实的双重意义。 产品的数字化、智能化是信息时代的主旋律，为了满足目前智能化的管理技 术，以及消费者挑剔的眼光，工程师们将r f i d 技术的潜力延伸到了社会发展的 各个领域，如交通运输、物流管理、防盗追踪、医疗系统和动物监控等等。 1 1 2 门禁管理系统 出入口门禁管理系统是安全技术防范领域的重要组成部分，是现代信息科技 发展的产物，是数字化社会的必然需要，是人们对社会公共安全与日常管理的双 重需要，是发展最快的新科技应用之一。而基于射频识别的门禁系统针对集成应 用给出了可行方案，具有重要的意义f 3 】。作为新型现代化安全管理系统，它集微 机自动识别技术和现代安全管理措施于一体，涉及电子、机械、光学、计算机技 术、通讯技术、生物技术等诸多新技术，是解决重要部门出入口安全防范管理的 有效措施，适用各种部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间、智 能化小区、工厂等。 在数字技术、网络技术飞速发展的今天，门禁技术得到了迅猛的发展，门禁 系统早已超越了单纯的门道、钥匙管理，已经逐渐发展成为一套完整的出入管理 系统，在工作环境安全管理、人事考勤管理等工作中发挥着巨大的作用【4 】。 如果在门禁系统的基础上增加相应的辅助设备就可以进行电梯控制、车辆进 出控制、物业消防监控、保安巡检管理、餐饮收费管理等，从而真正实现区域内 一卡智能管理。 出入口门禁系统由控制器、读卡器、电控锁、门磁、开门开关、识别卡和通 信管理器、管理主机、管理软件等组成。其中控制器、读卡器、电控锁、门磁、 开门开关、识别卡构成基本的门禁控制单元设备。作为门禁系统核心的控制器是 由一台微处理机已经相应的外围电路组成，由它来决定某一张是否为己注册的有 效卡，该卡是否符合所限定的时问段和开门权限，从而控制电控锁的打开。系统 的控制主机可以是工控机也可以是p c 机。门控器的设计则决定了门禁系统的智 能化程度。门磁传感器则反映了门的实时状态，通过对门磁信号的检测，门控器 可以判断是否是合法开门，若是非法开门，则给出相应的报警信号。电子锁是门 禁系统的执行机构，有阴锁、阳锁之分【5 1 。 出入口门禁系统主要包括如下几种功能： 1 时刻自动记录人员的进出情况，限制内部人员的进出区域和进出时问，礼 貌地拒绝不速之客，同时也将有效保护公共财产不受非法侵犯： 3 天津工业大学硕士论文 2 系统的每个远端控制器通过总线方式与控制中心实时联系，记录所有进出 人员的信息，包括人员姓名、进入时间和进入的门等，如果请求进入的人员身份 合法( 即经过控制中心授权) ，电锁将被打开，否则电锁不会开启： 3 发生火灾时，各远端智能控制器可以同时全局联动，打开所有的门以紧急 疏散人群并发出报警信号，控制器对于非法闯入事件也采取实时报告并处理； 4 人员可以向控制中心申请权限，中心批准后可以使用该卡开指定的f - j ； 5 控制中心通过管理软件对所有远端控制器进行实时监控，随时汇整数据， 并根据需要将记录打印出来【6 j 。 1 2 主要研究内容 随着r f i d 技术的发展，智能卡技术不仅在商业中广泛应用，同时渗透到日常 生活的各个方面。基于射频识别技术的门禁系统的设计和开发是今后门禁系统建 设的发展方向。 与其他读写芯片相比，l e g i c 的保密性和安全性更好，但由于其技术并不 公开，目前对它的研究很少，本文应用高安全性的l e g i c 读写芯片，开发出符 合i s o i e c1 4 4 4 3 标准的门禁系统。 1 3 论文结构 本文共分八章： 第一章介绍r f i d 技术的发展现状及应用领域，简要介绍了门禁系统，并简 要说明本课题的主要研究内容； 第二章介绍与课题相关的理论基础，r f i d 技术的发展史以及其基本模型， 及其发展现状； 第三章介绍l e g i c 非接触式i c 卡技术，l e g i c 卡片的结构，l e g i c 数据 传输，以及如何通过授权机制来保证数据安全； 第四章介绍了系统设计的整体思路； 第五章介绍门禁系统的硬件设计，包括l e g i c 读写芯片与微处理器的接口， 扩展存储器，精确计时，复位和看门狗以及r s 4 8 5 通信等电路的设计； 第六章介绍非接触式i c 卡读卡器的程序设计，其中包括了单片机的模拟串 口通信，卡与读写器的通信协议等； 第七章介绍了上位机的编程； 第八章对本设计进行总结并做出了展望。 4 第二章r f i d 系统及其基本理论 第二章r f i d 系统及其基本理论 2 1r f i d 技术的发展史 r f i d 技术最早应用始于第二次世界大战期间，是一门直接继承雷达的概念， 并由此发展起来的技术。1 9 4 8 年，哈里斯托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 发表的“利用反 射功率的通信”奠定了f r i d 的理论基础，成为r f i d 理论领域的不朽之作1 7 。 在过去的半个多世纪里，r f i d 的发展经过了以下几个阶段，如果按照l o 年为 一时期，可以划分如下： 1 9 4 l 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的理论基础； 1 9 5 1 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的摸索阶段，主要处于实验室实验研究； 1 9 6 l 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到发展，开始一些应用尝试； 1 9 7 l 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术测试得到加速，并出现了一些最早的r f i d 应用； 1 9 8 1 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出 现； 1 9 9 1 一0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛的应用，r f i d 产品逐渐成为人们生 活中的一部分。 从2 0 0 1 年至今，r f i d 标准化问题日趋为人们所重视。r f i d 产品种类更加丰 富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到了广泛的发展，随着 电子标签成本不断降低，规模应用行业不断扩大，r f i d 技术的理论也得到了丰 富和完善。 2 2r f i d 系统的分类【8 】 r f i d 系统的分类方法主要有以下几种： 按工作方式分类可分为主动式系统和被动式系统。主动式系统中射频卡利用 自身的能量主动地发送数据给读写器；被动式系统中射频卡是在收到读写器发出 的射频信号后才被唤醒，这样可以避免互相之间的干扰。 按射频卡有无电池可分为无源系统和有源系统。无源系统一般识别距离短， 使用寿命较长。有源系统一般识别距离长，使用寿命取决于电池的容量。 按读写方式将射频卡分为三种，可读写( 则妁、一次写入多次读出( w o r m ) 和只读( r o ) 。r w 卡成本比w o r m 卡和r o 卡高，w o r m 卡是用户可以一次写入 的卡，写入后数据不能改变。r o 卡存有唯一的号码，不能更改。 天津工业大学硕士论文 按工作距离分为远程、近程和超近程系统。识别距离在1 0 0 e m 以上的系统称 为远程系统；识别距离1 0 c m 至1 0 0 e m 的系统称为近程系统；识别距离在0 2 c m 至 l o o m 的系统统称为超近程系统。 2 3r f i d 系统基本模型 r f i d 系统作为典型的跨学科的专业领域，融合了多项技术1 9 】。一般来说，r f i d 系统包含电子标签、读写器和计算机通信网络三部分【1 0 1 。其结构框图如图2 - l 所 示。 电子标签用于存储需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物 体上，它所存储的信息通常可以被射频读写器通过非接触的方式读、写获取。 读写器是可以利用射频识别技术读、写电子标签信息的设备。读写器读出的 标签信息可以通过计算机和网络系统进行管理和信息传输。 计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能，读写器可以 通过标准接口与计算机通信网络连接，可以方便的实现通信和数据传输功能。 错镪饿霹器 能覆射磁漩掰标繁 孵绅 数猫输入 黢磺 l 赶源i _ _ 效猫输 i 射钟l h 射 必 天 射 时钟 挎 疆 德 期 霸 缓 樱 数懿樽 辘 数搬 姨 缝 线块 输a 块 嚣 痿葛 鎏气 一- o 菠辘 一 一 数嘏 i b - 一 - l 数撼 ；啊h ! ；赣m !三 i 诗黼遴饶孵络 l 图2 1 射频识别系统的结构框图 在射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事 件：数据交换是目的，时序是数据交换的实现方式，能量是时序得以实现的基础。 1 能量 读写器向射频标签供给射频能量。对于无源射频标签来说，工作所需的能量 从射频能量中取得，一般通过整流方法将射频能量转化为直流电源存储在标签的 电容器中；对于半无源射频标签来说，射频能量在标签进入工作状态时被唤醒； 有源射频标签一般不利用读写器发出的射频能量，因此读写器能够以较小的发射 6 第二章r f i d 系统及其基本理论 能量取得较远的通信距离。 2 时序 对于双向系统( 读写器向射频标签发送命令和数据，射频标签向读写器返回所 存储的数据) 来说，读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，射频标签 给以应答，称这种方式为读写器先讲方式；另一种情况是射频标签先讲方式，即 射频标签满足工作条件后首先发送信息，读写器根据射频标签发送的信息，进行 记录或进一步发出询问信息，与射频标签构成一次完整对话，来达到读写器对射 频标签进行识别的目的。 3 数据传输【l l j 射频识别系统所完成的功能可归结为数据获取的一种实现手段，因而也可将 其归为自动数据获取( a u t o m a t i cd a t ac a p t u r e ，a d c ) 技术范畴。射频识别系统中 的数据交换包含两个方面的含义：从读写器向射频标签方向的数据交换，从射频 标签到读写器方向的数据交换。 从读写器向射频标签方向的数据交换： 一方面，从射频识别系统实现中的技术层面上说，如果将注意力放在射频标 签中存储信息的写入方式上，读写器向射频标签方向的数据交换分为两种情况， 即有线写入方式和无线写入方式。在有线写入方式下，读写器的作用是向射频标 。签中的存储单元写入数据信息，读写器此时又称编程器。根据射频标签存储单元 及编程写入控制电路的设计情况，写入可以是一次写入不能修改，也可以是允许 接触式多次改写的情形。另外一种写入情形是，在绝大多数通用射频识别系统应 用中，每个射频标签要求具有唯一的标识。这种唯一的标识被称为射频标签的 i d ( i d e n t i f i e r ，标识) ，通常是在射频标签出厂时已经被固化在射频标签内，用户 无法修改。无线写入方式是射频识别系统中读写器向射频标签方向进行数据交换 的另一种情况，系统相对复杂，采用集成电路芯片的射频标签写入信息时要求的 能量比读出信息时要求的能量大的多，造成射频标签无线写入过程花费的时间比 从中读取信息花费的时间长很多，写入后要对写入结果进行检验，造成写入过程 所需时间进一步加长，较长的时间花费不利于射频识别在认证高速移动的物体方 面的应用，这样就使得无线写入过程面临射频标签的安全隐患的问题。 另一方面，如果将注意力放在读写器向射频标签是否发送命令方面，也可以 分为两种情况：即射频标签只接收能量激励和既接收能量激励也能接收读写器代 码。射频标签只接收能量激励的系统属于较简单的射频识别系统，这种射频识别 系统一般不具备多标签识别的能力。射频标签在其工作频带内的射频能量激励 下，被上电唤醒，同时将标签存储的信息发射出来。目前我国在铁路车号识别系 统采用这种工作方式。接收能量激励和读写器代码的系统属于复杂射频识别系 7 天津工业大学硕士论文 统。射频标签接收读写器的指令出于两个目的，即无线写入和多标签读取。 从射频标签向读写器方向的数据交换： 射频标签的工作使命是实现由标签到读写器的数据交换。其工作方式包括： 射频标签收到读写器发送的射频能量，即被唤醒并向读写器发送射频标签存储的 数据信息；射频标签收到读写器发送的射频能量被激励后，根据接收到的读写器 的指令情况转入发送数据状态或休眠状态。从工作原理上来说，第一种工作方式 属于单向通信，第二种方式属于半双工双向通信。 2 4r f i d 的技术优势 r f i d 技术具有很多突出的优点：实现了无源和免接触操作，应用便利，无机 械磨损，寿命长，读写器无直接对最终用户开放的物理接口，能很好地保证读写 器的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安 全管理，如d e s ，r s a ，d s a ，m d 5 等，读写器与卡之间也可相互认证，实现安全 通信和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式i c 卡的成本，甚至 更低，为其大量应用奠定了基础；应用领域非常宽，r f i d 技术己经在物流管理、 生产线工位识别、绿色畜牧业养殖个体记录跟踪、汽车安全控制、身份证、公交 等领域大量成功应用【l 引。 2 5 研究现状和发展动态 由于r f i d 产品的优点，无线射频识别技术在国外发展得很快，它已被广泛应 用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如汽车或火车 等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自化、门禁 系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。在澳大利亚，r f i d 技术 被用于机场旅客行李管理，提高了机场的工作效率，达到了理想的效益；欧共体 宣布1 9 9 7 年开始生产的新型汽车必须具有基于r f i d 技术的防盗系统；瑞士国家 铁路局也将在瑞士的全部旅客列车上安装r f i d 自动识别系统，调度员可以实时 掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故的可能性；德国汉莎航 空公司正在尝试用r f i d 电子标签来代替飞机票，从而改变传统的机票购销方式。 时至今日，射频识别技术的新应用仍然层出不穷。 目前，在我国的一些地区也已经开始广泛应用r f i d 技术。比如，在全国铁路 调度和统计系统中，己有5 万辆车厢、机车安装了无源r f i d 标签；东北几省的高 速公司已经开始尝试使用r f i d 进行联网收费；上海市质量技术监督局也已应用 r f i d 对全市1 6 万只液化石油气瓶、l 万只剧毒化学品容器、1 0 万箱烟花爆竹和4 万辆出租车车载计价器进行电子跟踪：上海至深圳的内贸集装箱已使用r f i d 实 现货物跟踪；刚刚结束的北京奥运会在食品安全保障体系、奥运宾馆、比赛场地、 8 第二章r f i d 系统及其基本理论 制造商、物流中心和医院的个人安全监控中，广泛采用了l 讧d 技术f 1 3 】。 2 6r f i d 的相关标准 1 e p c 和u i d 在r f i d 标准上，全球目前存在两大技术标准阵营，一是总部设在美国麻省理 工学院的a u t o i d c e n t e r ，另一个是日本的u b i q u i t o u si d c e n t e r ( u i d ) 。前者的领 导组织是美国的e p c 环球协会，旗下有沃尔玛集团、英国t e s c o 等企业，同时有 i b m 、微软、飞利浦、a u t o i dl a b 等公司为其提供技术支持。后者主要由日本厂 商组成0 4 。欧美的e p c 标准采用u h f 频段，为8 6 0 m h z - 9 3 0 m h z ，日本r f i d 标准 采用的频段为2 4 5g h z 和1 3 5 6 m h z ；日本标准电子标签的信息位数为1 2 8 位，e p c 标准的位数则为9 6 位。 由e a ni n t e r n a t i o n a l 和u n i f o r mc o d ec o u n c i li n c 联合建立的e p c g l o b a li n c 正 致力于建立全新的用于r f i d 的e p c 物品编码标准。w a l m a r t 已于2 0 0 6 年要求所有 的供应商必须为所有为之提供的商品包装箱上贴有符合e p c g l o b a li n c 标准的 r f i d 标签，可以预见该标准正在逐步成为应用于美国和欧洲地区的国际标准。 2 i s o1 4 4 4 3 和i s o15 6 9 3 i s o1 4 4 4 3 和i s o1 5 6 9 3 标准在1 9 9 5 年开始操作，单个系统于1 9 9 9 年进入市场， 两项标准的完成则是在2 0 0 0 年之后。二者皆以1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率： i s o1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用较广泛，目前的第二代电子身份证采用的标准 是i s o1 4 4 4 3t y p eb 协议。i s 01 5 6 9 3 读写距离较远，应用更加灵活，操作距离 又远，更重要的是它与i s o1 8 0 0 0 3 兼容。 3 i s o1 0 3 7 4 i s o1 0 3 7 4 标准说明了基于微波应答器的集装箱自动识别系统。应答器为有源 设备，工作频率为8 5 0 m h z 9 5 0 m h z 及2 4 g h z 2 5 g h z 。此标准和i s o6 3 4 6 共同应 用于集装箱的识别，i s o6 3 4 6 规定了光学识别，i s o1 0 3 7 4 n 用微波的方式来表 征光学识别的信息。 4 i s o1 8 0 0 0 i s o1 8 0 0 0 是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准，原因是它 可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。表2 1 是i s o1 8 0 0 0 标准 的内容【1 5 】。 9 天津工业大学硕士论文 表2 1i s o18 0 0 0 标准组成 标准号内容 应用范围 1 8 0 0 0 - i 一般参数定义 1 8 0 0 0 2 1 3 5 k h z 以下空气接口参数适用短距离纸类标签，如门禁卡 1 8 0 0 0 3 13 5 6 m h z 空气接口参数 适合中距离使用，如货架 1 8 0 0 0 - 4 2 4 5 g h z 空气接口参数适合较长距离使用 1 8 0 0 0 68 6 0 m h z - 9 3 0 m h z 空气接口参数适合较长距离使用 1 8 0 0 0 74 3 3 9 2 m h z 空气接口参数 只是作为一种选择，易被其他材料干扰 注：1 8 0 0 0 5 规定了5 8 gh z 参数，但已被否决，不会成为国际标准 其中i s o1 8 0 0 0 6 基本上是整合了一些现有r f i d 厂商的产品规格和 e a n u c c 所提出的标签架构要求而订出的规范。它只规定了空气接口协议，对 数据内容和数据结构无限制，因此可用于e p c 。 l o 第三章l e g i c 非接触式i c 卡技术 第三章l e g i c 非接触式l c 卡技术 3 1 非接触式i c 卡概述 非接触i c 卡，又名感应卡，诞生于9 0 年代初，非接触式i c 卡是i c 卡领域的一 项新兴技术，它是射频识别技术和i c 卡技术相结合的产物，由于非接触i c 卡具有 操作快捷、抗干扰性强、工作距离远、安全性高、便于“一卡多用”的特点，在自 动收费、身份识别和电子钱包等领域具有非接触式i c 卡无所比拟的优越性，具有 广泛的市场前景【1 6 】。 非接触式i c 卡由i c 芯片，感应天线组成，并完全密封在一个标准p v c 卡片中， 无外露部分。如图3 1 所示。 芯片 天线 卡基 图3 1 非接触式i c 卡结构图 非接触式i c 卡的读写过程通常由非接触型i c 卡与读写器之间通过无线电波 来完成读写操作。非接触型i c 卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时， 读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后， 与其本身的l c 产生谐振，产生一个瞬时能量来供给芯片工作；另一部分则是结 合数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、存储等，并返回给读写器。由非 接触式i c 卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的 简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为 简单。 3 1 1 非接触式i c 卡的特点 非接触式i c 卡无机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式i c 卡相比具有以下特点【1 刀： 1 操作快捷 卡与读卡器之间为无线通讯，使用时无需插拔卡及固定方向。操作时，卡可 以放在钱包、衣服口袋或公文包中无需拿出，提高了使用速度。同时，由于卡与 天津工业大学硕士论文 读卡器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使 二者的通信速率很高。 2 高抗干扰性 非接触式i c 卡具有防冲突机制，在多张卡片同时进入读卡器工作范围时能够 防止卡片之间出现数据干扰，允许对多张卡片同时进行操作，相对接触式i c 卡增 加了“并行”处理能力。 3 配合具体应用具有多种工作距离 非接触式i c 卡中既有作用距离为几米、可用于高速公路收费系统中的远距离 卡，又有作用距离为几厘米、可用于电子钱包的近距离卡，使得系统配置灵活多 样。 4 。高可靠性 非接触式i c 卡与读卡器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种 故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，提高了应用的可靠性 及设备和卡的寿命。而且由于无线电波不会受尘土、潮气和震动的干扰，使得非 接触式i c 卡可以应用在恶劣的环境。同时，由于读卡器可以置于障碍物的后面而 不影响它与卡的通讯，可以防止在非接触式i c 卡的使用中对读卡器进行恶意破坏 现象的出现【1 8 】。 5 可适合于多种应用 非接触式i c 卡的存储结构的特点使其可以一卡多用，能用于不同的系统，用 户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。 6 高安全性 非接触式i c 卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡 内芯片中，不可再更改，使用时非接触式i c 卡于读卡器要进行三次相互认证，而 且通讯过程中所有的数据都加密，卡内每个扇区都有自己的操作密码和访问条 件。 3 1 2 非接触式i c 卡的国际标准 非接触式i c 卡表面无触点，因此接口设备与非接触式卡的通信方式与接触式 卡不同，提供电源的方式也不同，为此i s o i e c 根据接口设备与i c 卡作用距离的 不同而定义了三个国际标准( 远耦合卡暂未出统一标准) 【1 9 1 ，如表3 1 所示。 1 2 第三章l e g i c 非接触式l c 卡技术 表3 1 非接触式i c 卡国际标准 标准 卡类型 作用距离( 约) i s o i e c10 5 3 6 密耦合 o 1 0 m m i s o i e c14 4 4 3 近耦合 0 1 0 0 m m i s o i e c15 6 9 3疏耦合o 1 0 0 0 m m 其q b i s o i e c1 4 4 4 3 又分为1 ea 茅f l t y p eb 两个标准2 0 1 。本课题开发的非接触式 i c 卡读卡器即是基于这两种标准而设计的。在下文中如未特别说明，非接触式i c 卡都是指近耦合类型的卡。 3 2 非接触式i c 卡分类 目前国际上具有代表性的两大非接触式i c 卡技术是l e g i c 技术和m i f a r e 技术【2 。l e g i c 技术是由瑞士l e o i c 公司提供的非接触式i c 卡读写技术， m i f a r e 技术是由p h i l i p s 公司提供的非接触式i c 卡读写技术。这两种技术有很多 不同点： 1 m i f a r e 采用密码读写控制方式，即读写设备的监控程序要掌握相应的系 统密码才能对i c 卡内的数据进行不同操作( 如读、写、增值、减值等) 。l e g i c 采 用授权读写控制方式，即读写设备必须先获得“设备授权卡”的授权后才能读写本 系统的i c 卡，而卡的初始化又必须经过上级授权卡的授权，并且只可以在专用的 授权设备上进行。 2 m i f a r e 读写模块与监控计算机之间采用符合单片机外部总线标准的并 行标准，读写过程可由监控程序逐步控制。l e g i c 模块与监控计算机之间采用串 行通讯方式，读写过程由模块自动完成。 3 在防冲突功能上，m i f a r e 允许多卡同时进入读写范围，再由读写设备逐 一处理。l e g i c 采用同一时间内只能读写一张卡的防冲突模式 2 2 1 。 通过比较不难看出，l e g i c 技术要优于m a i f a r e 等技术。除了拥有一般高 频技术的全部优点，l e g i c 技术还拥有其他技术无可比拟的优点： 1 主令牌系统所独有的控制、高安全性：l e g i c 的安全性非常高，到目前为 止在市场上还没有被破解，也没有兼容l e g i c 的芯片出现。将“密码”物理化为“密 匙”，不再依靠密码，而只需要一张令牌卡，可以事务的给与和拿回授权，即便 令牌卡丢失也能立刻知道，做出适当的安排。l e g i c 发出的每一个主令牌都是全 世界唯一的，即使是l e g i c 的用户之间知道对方的“密匙”也没有可能复制从每一 个主令牌所产生的所有子令牌也是全世界唯一的。 2 兼容性：l e g i c a d v a n t 系列产品兼容之前所有发出去的卡片。这样就可以 天津工业大学硕士论文 保障客户的投资和利益，不需要为了适应最新型的产品而再花费时间精力去进行 产品升级。 3 内置功能：自带电子钱包功能，l e g i c 的产品都己自带电子付费功能，省 去了在开发中可能产生的错误，节省开发成本；省电功能，l e g i c 的产品可以配 置h f 电源，采用低能耗模式【2 3 1 。 3 3l e g i c 非接触式i c 卡 l e g i c 公司成立于1 9