以太網(wǎng)的二代身份證RFID系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要 實現(xiàn)一種基于嵌入式以太網(wǎng)的二代身份證RFID系統(tǒng)，給出以二代身份證為載體的局域網(wǎng)內(nèi)射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)用模型；著重介紹硬件和軟件部分的設(shè)計思想及實現(xiàn)方法，分析系統(tǒng)軟件部分的測試結(jié)果，并指出系統(tǒng)的應(yīng)用場合。

關(guān)鍵詞  射頻識別  嵌入式以太網(wǎng)  二代身份證  硬件中間件

引言

　　射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè)[1]；而嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化也已成為當今后PC時代的重要特征。因此，RFID技術(shù)與嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究的熱點之一[2]。

　　根據(jù)國內(nèi)RFID應(yīng)用現(xiàn)狀和市場需求，本設(shè)計通過讀取二代身份證中射頻芯片的全球唯一序列號UID，使用二代身份證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀電子標簽，節(jié)省了制卡費用。

1  系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思

　　具有以太網(wǎng)通信功能的讀寫器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1  具有以太網(wǎng)通信功能的讀寫器結(jié)構(gòu)

　　RFID系統(tǒng)由讀寫器和計算機管理系統(tǒng)組成。其中，讀寫器具有核心作用，也是本課題研究的重點，它通過射頻方式獲得二代身份證的UID信息， 并經(jīng)以太網(wǎng)傳送給計算機管理系統(tǒng)，對整個RFID系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性起決定作用；計算機管理系統(tǒng)接收讀寫器傳送的UID信息，針對不同應(yīng)用做出相應(yīng)的處理和控制。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將讀寫器硬件系統(tǒng)分為兩部分：讀寫模塊硬件中間件和具有以太網(wǎng)通信功能的主控系統(tǒng)。這樣設(shè)計不僅可以方便地將兩部分獨立制板調(diào)試，還可以減少這兩部分之間的信號干擾，并提高硬件模塊的復(fù)用性。

2.1  讀寫模塊硬件中間件

　　參考中間件的通用定義，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)特點，設(shè)計了本讀寫模塊硬件中間件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。向下屏蔽了電子標簽、射頻基站芯片等硬件環(huán)境的差異，向上為RFID應(yīng)用層提供標準的軟、硬件接口。應(yīng)用層的開發(fā)基于該接口進行，無需考慮RFID的實現(xiàn)細節(jié)，且不管底層的硬件怎樣更新?lián)Q代，只需將中間件升級更新，并保持該中間件的對外接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不需做任何修改，從而提供了一個相對穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。

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圖2  讀寫模塊硬件中間件結(jié)構(gòu)

（1） 微控制器與射頻基站芯片的連接

　　系統(tǒng)選用MF RC531作為射頻基站芯片。該芯片是NXP公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信的高集成IC讀寫芯片系列中的一員[3]。選用Freescale公司低價位、高性能的MC68HC908JB8（簡稱JB8）作為模塊微控制器，它通過SPI通信方式與射頻基站芯片MF RC531連接，控制其完成讀取電子標簽UID信息的工作。MF RC531支持SPI通信方式，在通信期間作為從機?？刂菩酒琂B8內(nèi)部并沒有集成SPI模塊，其通信功能由I/O口軟件模擬完成。

（2） 天線設(shè)計

　　RFID系統(tǒng)中，射頻基站芯片（如MF RC531）通過天線發(fā)射能量，并與電子標簽進行數(shù)據(jù)通信。天線的設(shè)計對通信的穩(wěn)定性非常重要[4]，本設(shè)計采用直接匹配天線法，電路設(shè)計如圖3所示。

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圖3  射頻天線電路原理

2.2  主控系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　主控系統(tǒng)與讀寫模塊通過SPI接口連接，獲取該模塊控制芯片內(nèi)存中存儲的電子標簽信息，然后通過以太網(wǎng)通信接口將信息傳送給計算機管理系統(tǒng)處理。系統(tǒng)采用Freescale公司16位MCU MC9S12NE64為主控芯片，其內(nèi)部集成EMAC(Ethernet Media Access Controller，以太網(wǎng)媒體訪問控制器)和EPHY(Ethernet Physical Transceiver，以太網(wǎng)物理層收發(fā)器)，可配合第三方TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)以太網(wǎng)的通信功能，從而實現(xiàn)單芯片的以太網(wǎng)連接方案。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括讀寫模塊的軟件設(shè)計及嵌入式以太網(wǎng)的軟件設(shè)計兩部分。讀寫模塊主要實現(xiàn)對TYPE A & B電子標簽的UID識別；嵌入式以太網(wǎng)部分實現(xiàn)以太網(wǎng)的通信。

3.1  讀寫模塊軟件設(shè)計

　　讀寫模塊被設(shè)計成硬件中間件，為應(yīng)用系統(tǒng)和電子標簽提供數(shù)據(jù)交互的接口。模塊微控制器MC68HC908JB8的主函數(shù)流程如圖4所示。

　　系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行MCU以及相關(guān)模塊的初始化操作，然后進入主循環(huán)。如圖4所示，主循環(huán)中不斷地切換讀卡模式，以滿足讀取TYPE A & B兩種電子標簽UID的需求。一旦讀取成功，將UID賦給全局字節(jié)型數(shù)組變量Card_inform[ ]。Card_inform[0]存放電子標簽的類型，即“A”或“B”的ASCII碼，其后依次存放該類型的UID。主控系統(tǒng)可以通過讀寫模塊硬件中間件的SPI通信接口獲取Card_inform[ ]中的內(nèi)容，獲取完畢后JB8將Card_inform[ ]數(shù)組清零。對RC531的復(fù)位和寄存器初始化操作原本放置在主循環(huán)之前，即每次JB8復(fù)位后只執(zhí)行一次。但是在實際測試過程中，當RC531長時間運行后會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此將這兩步操作放在主循環(huán)中，以提高系統(tǒng)的魯棒性。

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圖4  讀寫模塊主函數(shù)流程

3.2  嵌入式以太網(wǎng)模塊軟件設(shè)計

　　MC9S12NE64內(nèi)部集成的EMAC和EPHY模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的功能[5]。為實現(xiàn)以太網(wǎng)的通信，設(shè)計了一個無需操作系統(tǒng)的精簡嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)了MC9S12NE64的以太網(wǎng)接入功能。移植協(xié)議棧時，只要對驅(qū)動實現(xiàn)部分進行修改，保持調(diào)用接口不變，上層協(xié)議就可以不作改動。整個協(xié)議棧以循環(huán)方式運行，MC9S12NE64以中斷方式接收以太幀，協(xié)議棧對接收到的以太幀自底向上進行過濾，并作相應(yīng)處理。各層設(shè)計如下：

① 鏈路層——MC9S12NE64以太網(wǎng)驅(qū)動，ARP協(xié)議；
② 網(wǎng)絡(luò)層——IP協(xié)議，ICMP回顯應(yīng)答服務(wù)；
③ 傳輸層——UDP協(xié)議。

3.3  TYPE A & B電子標簽的UID識別測試

　　圖5給出了識別TYPE A & B兩種電子標簽UID的測試結(jié)果。

圖5  TYPE A&B電子標簽的UID識別測試結(jié)果

　　PC機主動發(fā)送包含通信命令的UDP數(shù)據(jù)報給讀寫器。讀寫器接收到該數(shù)據(jù)報后，將獲取的最新UID信息通過UDP協(xié)議返回給PC主機。測試的各項具體參數(shù)如表1所列。

表1  UID識別測試參數(shù)
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4  結(jié)論

　　在沃爾瑪?shù)却笮蜕痰甑拇罅ν苿酉?，RFID技術(shù)在很多行業(yè)開始得到應(yīng)用，并且這個趨勢愈演愈烈。然而在我國這樣一個人口眾多、 擁有大量廉價勞動力的國家，電子標簽的成本成為RFID普及的一個制約因素。本文介紹的RFID系統(tǒng)以第二代身份證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀電子標簽，為解決這一問題提供了參考。通過與嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，研究以二代身份證為載體的局域網(wǎng)內(nèi)RFID系統(tǒng)的應(yīng)用方法，不僅為現(xiàn)有只讀電子標簽管理系統(tǒng)的升級提供了一種參考模型，而且擴展了二代身份證的使用范圍，實現(xiàn)了一卡多用。