基于ZigBee技術(shù)的二代身份證讀卡器設(shè)計

摘要：針對通用RFID讀卡器攜帶不便、布線困難、防偽性能差的問題，結(jié)合第二代居民身份證具有全球唯一序列號的特點(diǎn)，利用太陽能供電，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的新型二代身份證閱讀器設(shè)計方案，從硬件和軟件兩方面闡述了其設(shè)計過程。新型二代證閱讀器無需外供電源且采用無線通信，特別適用于環(huán)境復(fù)雜、讀卡點(diǎn)多的系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：ZigBee；二代身份證；讀卡器；自供電；CC2420

    網(wǎng)絡(luò)化RFID讀卡系統(tǒng)在機(jī)關(guān)、賓館、學(xué)校等企事業(yè)單位得到越來越廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)讀卡器提供RS232／485、USB、以太網(wǎng)等通信接口，存在攜帶不便、布線因難、功耗大、成本高等缺點(diǎn)，無法應(yīng)對無法布線、供電不便、距離遠(yuǎn)等復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境。同時，隨著身份證換發(fā)工作的開展，我國絕大部分地區(qū)居民已全面使用第二代居民身份證(以下簡稱為二代證)，這種新型身份證采用符合ISO14443 TypeB國際標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式IC卡技術(shù)，存入了公民身份證號碼、照片等個人信息，并具有全球唯一的序列號。讀取二代證序列號，無需專用的身份證安全控制模塊。因此，一方面，利用二代身份證代替只讀卡可降低成本，防止偽造，提高了只讀卡系統(tǒng)的安全性能；另一方面，利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)讀卡信息的傳遞，可避免繁重的布線工作，適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。設(shè)計具有以上功能的新型二代證讀卡器具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大致分為2類：
    ①傳感器節(jié)點(diǎn)，作用是采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的存儲及處理，并通過短距離無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時每個節(jié)點(diǎn)都是一個路由器，具有自組網(wǎng)的能力。
    ②匯聚節(jié)點(diǎn)，作用是充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他外部網(wǎng)絡(luò)。
    本設(shè)計屬于第二種傳感器節(jié)點(diǎn)。如圖1所示，硬件系統(tǒng)由二代證讀卡模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊及主控MCU(ATmega12 8L)等部分構(gòu)成。人機(jī)界面模塊包括LCD、蜂鳴器與按鍵等，向用戶提供參數(shù)設(shè)置、讀卡信息反饋、聲音提示等交互功能。二代證讀卡模塊接收MCU指令，閱讀身份證ID并返回。ZigBee通信模塊實(shí)現(xiàn)讀卡信息的發(fā)送、控制指令接收、數(shù)據(jù)更新等功能。數(shù)據(jù)存儲模塊保存最近一段時間內(nèi)的所有讀卡信息，以保證讀信息的完整性與可靠性。電源模塊具有自發(fā)電功能，無需外部供電，可向系統(tǒng)提供持久工作電壓。

1．1 二代證讀卡電路
    讀卡電路選用MF RC531作為射頻基站芯片，它是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。MF RC531射頻芯片提供了兩種通信方式：并行模式與SPI模式。為節(jié)省主控MCU引腳數(shù)量，設(shè)計中選用SPI方式。如圖2所示，主控MCU ATmegal28L與射頻芯片MF RC531通過SPI接口連接，在SP|通信中，ATmegal28L為SPI主機(jī)，控制SPI從機(jī)MF RC531完成數(shù)據(jù)傳輸過程。數(shù)據(jù)通信由SPI主機(jī)發(fā)起，它首先使NSS引腳輸出低電平以選中SPI從機(jī)，然后通過SCLK引腳向從機(jī)A2端口發(fā)送8個時鐘信號。在時鐘信號的控制下，SPI主機(jī)中8位移位寄存器的數(shù)據(jù)依次串行從MOSI引腳送出，經(jīng)過SPI從機(jī)A0引腳進(jìn)入其移位寄存器，同時從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)也通過DO引腳送入主機(jī)的移位寄存器中。由于通信雙方SPI模塊中移位寄存器均為8位，所以每次通信只能相互傳送8位數(shù)據(jù)。在不傳輸數(shù)據(jù)時，SPI主機(jī)NSS引腳輸出高電平，使雙方的SPI模塊處于空閑狀態(tài)。此外，選用SPI通信方式，還須將MF RC531芯片A1引腳接低電平，NRD和NWR引腳接高電平，D7～D1引腳懸空。

1．2 無線通信電路
    無線通信電路是讀卡器中重要的組成部分，承擔(dān)了無線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，本設(shè)計無線射頻芯片選用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420。CC2420是一款符合IEEE 802．15．4規(guī)范的2．4 GHz射頻收發(fā)器，它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以O(shè)．18 μm CMOS工藝制成，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)250 kbps，外圍元件極少，性能穩(wěn)定且功耗極低，其供電壓可低至2．1 V，適合于電池供電。

    如圖3所示，它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負(fù)載電容。電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)，當(dāng)采用16 MHz晶振時其電容值約為22 pF。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 Ω，同時為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。MCU通過4線SPI總線(SI、SO、CSn、SCLK)設(shè)置芯片的工作模式并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)、讀／寫狀態(tài)寄存器等。CC2420使用SFD、FIFI、FIFOP和CCA等4個引腳向MCU反映收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
1．3 電源電路
    設(shè)計中考慮到應(yīng)對各種復(fù)雜的應(yīng)用場合，采用以太陽能為能源，以雙電層超級電容器與鋰電池為儲能設(shè)備構(gòu)成自供電裝置，提供讀卡器工作電壓。如圖4所示，圖中主要電源器件型號與參數(shù)分別為：太陽能電池6 V／350 mA；超級電容180 F／2．7V，2只串聯(lián)雙電層電容器；鋰電池3．7 V／3300 mA；穩(wěn)壓電路寬電壓升降壓DC／DC OUT 3．3V／200 mA。太陽能電池在光照作用下，產(chǎn)生約6 V的開路電壓和350 mA的短路電流，對鋰電池、超級電容充電，并向讀卡器工作提供能量。上述器件的選取基于以下原因：
    ①讀卡器設(shè)計工作電壓為3．3 V，讀卡時瞬間工作電流約100 mA，持續(xù)時間<1 s。突發(fā)連續(xù)讀卡次數(shù)<800次。
    ②太陽能電池具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，它將光能轉(zhuǎn)化電能儲存在超級電容與鋰電池中，同時向讀卡器提供工作電壓，是主供電設(shè)備。
    ③超級電容具有充放電次數(shù)多(>50 000次)、瞬間放電電流大(>1 A)、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，與讀卡動作發(fā)生情況極為相似，是次供電設(shè)備。
    ④鋰電池具有持續(xù)供電時間長、充電時間長、充電次數(shù)較少(<1000次)等特點(diǎn)，用以應(yīng)對太陽光線不足、持續(xù)讀卡次數(shù)多的特殊情況，是后備供電設(shè)備。

    無太陽電池供電儲能設(shè)備初始滿電荷時，檢測其讀卡情況如圖5所示。

    讀卡測試結(jié)果表明，在持續(xù)陰雨或太陽能電池?fù)p壞的極端情況下，依靠超級電容和鋰電池可穩(wěn)定支持突發(fā)式連續(xù)讀卡達(dá)1000次以上，超出設(shè)計目標(biāo)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件系統(tǒng)在WinAVR、AVR Studio 4開發(fā)平臺下，基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，采用C語言編制而成，主要包括二代證閱讀電路的驅(qū)動程序與無線通信程序兩部分。

    如圖6所示，讀卡器在上電復(fù)位后，首先完成ATmegal28L及其外圍功能模塊的初始化，其任務(wù)主要是：設(shè)置TIMER0定時模塊用于周期性檢測卡是否存在；設(shè)置TMERl定時模塊用于紅外測卡的回波計時；配置MF RC531讀卡模塊，配置CC2420無線通信模塊及看門狗等。初始化完成后主程序接著調(diào)用無線網(wǎng)絡(luò)掃描子程序嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，若加入成功，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的網(wǎng)絡(luò)號，發(fā)送結(jié)束后啟動TIMER0定時并進(jìn)入低功耗模式。
    當(dāng)TIMER0定時器時間到，主程序則啟動TIMERl進(jìn)行卡探測，若卡存在，則調(diào)用讀卡子程序讀出二代證ID發(fā)送到協(xié)調(diào)器。最后，主程序重新啟動TIMER0定時器并進(jìn)入低功耗模式。
    二代證中的非接觸式IC卡遵循IS014443 B規(guī)范，因此初始化過程中要嚴(yán)格按照其流程對MF RC531的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。讀卡時，MFRC5 31驅(qū)動天線產(chǎn)生13．56 MHz高頻磁場，循環(huán)發(fā)送REQB命令“0x05 0x000x00”，對二代證進(jìn)行詢卡操作。當(dāng)二代證距離天線小于10 cm時，二代證內(nèi)部的線圈接收到讀卡模塊天線發(fā)出的磁場信號，轉(zhuǎn)換成電能對二代證內(nèi)部IC進(jìn)行供電。當(dāng)二代證內(nèi)部IC接收到讀卡模塊發(fā)送的REQB命令后，向讀卡模塊返回12個字節(jié)的卡類型代碼。詢卡成功后，讀卡模塊發(fā)送SELECT命令“0xld 0x00 0x00 Ox00 0x00 0x000x08 0x01 0x08”，對二代證進(jìn)行選卡操作，此時二代證會返回狀態(tài)碼。最后讀卡模塊發(fā)送GUID命令“0x00 Ox360x00 0x00 0x08”，讀取二代證的8字節(jié)的全球唯一ID。
    無線通信程序基于ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)安全。其中，網(wǎng)絡(luò)配置與調(diào)試采用Chipcon公司提供的開發(fā)套件，該套件包括各種高性能的ZigBee軟件工具，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等，極大提高了開發(fā)效率。

結(jié)語
    本設(shè)計基于ZigBee技術(shù)，選用ATmegal28L、MFRC531及CC2420等低功耗器件開發(fā)了一種只讀卡終端設(shè)備。設(shè)計中利用我國第二代居民身份證內(nèi)嵌RFID的特點(diǎn)，明顯改善了只讀卡系統(tǒng)的防偽性能；利用太陽能電池、超級電容及鋰電池優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)了讀卡設(shè)備的自供電，節(jié)能環(huán)保；利用新型無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)讀卡數(shù)據(jù)的傳輸，無需布線，成本低，安裝方便。相對目前市場銷售的只讀卡系統(tǒng)存在的供電與數(shù)據(jù)通信需雙布線、成本高、防偽性能差的情況，具有明顯的替代優(yōu)勢。本設(shè)計已成功應(yīng)用于某多廠區(qū)企業(yè)員工考勤系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠，在賓館、機(jī)關(guān)、學(xué)校等企事業(yè)單位，具有良好的應(yīng)用前景。