一種半有源超高頻RFID電子鉛封設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

目前國內(nèi)眾多電子標(biāo)簽廠家主要是對電子標(biāo)簽的Inlay 進(jìn)行封裝、生產(chǎn)，并不具備標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)能力，同時(shí)設(shè)計(jì)的標(biāo)簽主要是無源標(biāo)簽。因?yàn)闊o源標(biāo)簽尤其是超高頻標(biāo)簽其安全性相對較差，且無法與其他傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直接聯(lián)動，所以在電子鎖（電子簽封）領(lǐng)域應(yīng)用受限。而有源標(biāo)簽因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、對低功耗設(shè)計(jì)要求非常高，且沒電后無法獲取標(biāo)簽信息，因此也不適合應(yīng)用于高安全性電子簽封等領(lǐng)域[1,2]。

為了解決以上問題，拓展電子標(biāo)簽的應(yīng)用場景，重點(diǎn)對基于MonzaX 芯片的特種標(biāo)簽系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要包括天線設(shè)計(jì)、加密算法設(shè)計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)結(jié)合電子簽封行業(yè)應(yīng)用，開發(fā)出相應(yīng)標(biāo)簽、手持機(jī)產(chǎn)品系列，組成完整的解決方案，進(jìn)行系統(tǒng)整體推廣。

MonzaX 標(biāo)簽在有電的情況下可與MCU 進(jìn)行通信，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)或傳感器進(jìn)行聯(lián)動；如果沒電了，作為 UHF 無源標(biāo)簽， 可通過手持機(jī)等閱讀器設(shè)備獲取標(biāo)簽的存儲信息。

電子簽封應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，適用于加油機(jī)石油行業(yè)，可有效避免加油機(jī)克扣油量這種非法獲取利益的手段，完全杜絕了加油站通過在加油機(jī)后端動手腳篡改加油數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。同樣，電子簽封還可用于高檔酒類、服裝、鞋類產(chǎn)品的防偽標(biāo)識，現(xiàn)代物流業(yè)海陸空運(yùn)包裝、箱裝、貨箱、集裝箱的封口或監(jiān)管動物或肉類產(chǎn)品的耳標(biāo)及郵政航空包裹袋的標(biāo)識和封口等[3-5]。

1 總體架構(gòu)

本項(xiàng)目的MonzaX 特種標(biāo)簽由主控部分、標(biāo)簽芯片部分、電機(jī)控制部分和電源部分組成。標(biāo)簽硬件架構(gòu)如圖 1 所示。主控部分與標(biāo)簽芯片之間采用I2C 方式進(jìn)行通信[6]。標(biāo)簽芯片用戶區(qū)存儲空間可達(dá) 2 Kb 或 8 Kb。各部分功能如下所示：

圖1 標(biāo)簽硬件架構(gòu)

(1) 主控部分完成整個(gè)電子簽封的狀態(tài)自檢、日志記錄存儲、命令解析處理、數(shù)據(jù)加解密及其他幾個(gè)功能模塊的控制管理。

(2) 標(biāo)簽芯片部分作為出廠后與外界通信的唯一媒介，通過無線接收手持機(jī)的指令數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示簽封的當(dāng)前狀態(tài)和操作結(jié)果。

(3) 電機(jī)控制部分接收主控部分的命令控制，驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)鎖具的打開與關(guān)閉，并將鎖具的實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋給主控部分。

(4) 電源部分負(fù)責(zé)為整個(gè)簽封供電。

2 硬件設(shè)計(jì)

電子簽封處理器采用STM32 COTEX-M0 系列最新的STM32F030 處理器，該處理器具有功耗低、封裝尺寸小、接口豐富等特點(diǎn)，適用于電子簽封對功耗尺寸等要求苛刻的場合。存儲器采用1 MB 的E2PROM 作為存儲單元，確保電子簽封可存儲 2 000 條以上日志記錄。超高頻標(biāo)簽芯片采用Monzax- 2K，在確保靈敏性的同時(shí)保證高達(dá) 2 K 的數(shù)據(jù)存儲空間。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

電子簽封軟件部分主要由狀態(tài)自檢模塊、簽封固化信息模塊、命令接收及處理模塊、數(shù)據(jù)加解密模塊、電機(jī)控制模塊、日志記錄模塊組成。

3.1 狀態(tài)自檢模塊

該模塊主要分為上電芯片自檢、固化信息檢測和鎖具狀態(tài)檢測。其功能如下所示：

(1) 上電芯片自檢主要為芯片上電硬件自檢，可檢測有無硬件損壞、電池電壓是否小于額定工作范圍等；

(2) 固化信息檢測主要功能是判斷當(dāng)前簽封是否已被初始化，有無固化信息數(shù)據(jù)寫入。

(3) 鎖具狀態(tài)檢測用來檢測當(dāng)前鎖具開關(guān)狀態(tài)與簽封存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)是否一致。各模塊檢測出的狀態(tài)異常均由LED及標(biāo)簽芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.2 簽封固化信息模塊

該模塊的主要功能是通過RS 232 接口與PC 通信獲取標(biāo)簽的初始化數(shù)據(jù)值，例如標(biāo)簽 ID 等，并下載標(biāo)簽秘鑰。

3.3 命令接收及處理模塊

該模塊的主要功能是主芯片通過I2C 接口與Monzax 芯片進(jìn)行通信，獲取 Monzax 中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，解析得到的指令后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.4 數(shù)據(jù)加解密模塊

數(shù)據(jù)加解密模塊采用國密算法，分為兩個(gè)業(yè)務(wù)加解密。

(1) 業(yè)務(wù)處理加解密 ：用于標(biāo)簽操作日志記錄的加解密。

(2) 傳輸保護(hù)加解密 ：用于與外界數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的加解密處理。

3.5 電機(jī)控制模塊

該模塊的主要功能是控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動鎖具開關(guān)，并反饋結(jié)果給控制芯片。

3.6 日志記錄模塊

日志記錄模塊的功能是在主控芯片內(nèi)部保存所有的操作記錄，在接收到追溯指令后將日志記錄上報(bào)。簽封軟件框圖如3 所示。

簽封由電池供電，上電后均處于超低功耗待機(jī)狀態(tài)，內(nèi)置RTC 可周期性喚醒，檢測簽封當(dāng)前狀態(tài)后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4 結(jié) 語

本文提出了一種超高頻 RFID 半有源 RFID 電子鉛封（電子鎖）技術(shù)，重點(diǎn)講解了電子鉛封的系統(tǒng)架構(gòu)以及軟硬件設(shè)計(jì)。以電子簽封為核心，對簽封的出入庫、施封、巡檢/ 操作、作廢等進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對被管對象的全程管控。MonzaX 電子簽封不僅能起到防偽識別作用，還具有物品跟蹤信息存儲采集等功能，可廣泛應(yīng)用于金融、物流、醫(yī)療等貴重物品或藥品的全程管控等領(lǐng)域，具備廣泛的應(yīng)用前景。