基于μ-Chip芯片RFID防偽票證系統的設計

劉敏

(天津環球磁卡股份有限公司，天津 300202)

眾所周知，奧運會是目前世界上規模最宏大的綜合性體育賽事，集體育比賽、休閑、交流、游玩、購物及其他商業活動于一體，因此，承載該賽事的奧運場館必將接納龐大的觀眾、運動員、管理人員和服務人員等，且人群身份極其復雜并處于不停的移動之中。

如何驗證人員所持的票卡和證件是否有效？如何及時跟蹤和查詢人員是否進入到指定區域？當人員誤入或非法闖入禁入區域時又如何警示和引導其迅速離開？如何實時查詢某區域人員擁擠程度？采用RFID[1]電子門票管理系統將能解決上述問題。

RFID電子門票是一種將智能芯片嵌入紙質門票等介質中，用于快捷檢票/驗票并能實現對持票人進行實時、精準的定位跟蹤和查詢管理的新型門票。2008年北京奧運會使用了基于RFID芯片技術的電子門票，生動體現了“科技奧運”和“人文奧運”的深刻內涵。

1 RFID的工作原理

電子標簽與閱讀器之間通過耦合組件實現射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內根據時序關系實現能量的傳遞、資料的交換。RFID系統的基本模型如圖1所示。發生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種。(1)電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據的是電磁感應定律。(2)電磁反向散射耦合。雷達原理模型，發射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律。

電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器和收音機原理一樣，射頻標簽和閱讀器也要調制到相同的頻率才能工作。LF、HF、UHF就對應著不同頻率的射頻。LF代表低頻射頻，在125 kHz左右，HF代表高頻射頻，在13.56 MHz左右，UHF代表超高頻射頻，在850 MHz~910 MHz范圍之內，還有2.4 GHz的微波讀寫器。

電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統。

不同國家所使用的RFID頻率也不盡相同，各國政府也通過調整閱讀器的功率來限制它對其他設備的影響。有些組織(如全球商務促進委員會)正鼓勵政府取消限制，標簽和閱讀器生產廠商也正在開發能使用不同頻率的系統以避免這些問題。

2 RFID讀寫器防沖撞原理

RFID技術的一個難點是同時讀取復數個標簽。為了實現這個功能，在通信上所采取的技術是“防沖撞”，同時，讀取復數個標簽是常被人們談及的RFID比條形碼更為優越的地方，但是如果沒有 “防沖撞”的功能，RFID系統只能讀寫一個標簽。在這種情況下，如果有兩個以上的標簽同時處于可讀取的范圍內，就會導致讀取的錯誤。

即使是具有“防沖撞”功能的RFID系統，實際上并非同時讀取所有標簽的內容。在同時查出有復數個標簽存在的情況下，檢索信號并且防止沖突的功能開始動作。為了進行檢索，首先要確定檢索條件。例如，13.56 MHz頻帶的RFID系統中應用ALOHA方式的防碰撞功能的工作步驟如下。

(1)閱讀器指定電子標簽內存的特定位數(1~4位左右)為次數批量。

(2)電子標簽根據次數批量將響應的時機離散化。例如，在兩位數的次數批量“00、01、10、11”時，讀寫器將以不同的時機對這四種可能性逐一進行響應。

(3)若在各個時機里同時響應的電子標簽只有一個的場合下才能得到這個電子標簽的正常數據，信息讀取后，閱讀器對于這個電子標簽發送睡眠指令，使其在一定的時間內不再響應(Sleep/Mute)。

(4)若在各個時機內同時有幾個電子標簽響應，判別為“沖突”。在這種情況下，內存內的另外兩位數所記錄的次數批量重復從步驟(2)開始的處理。

(5)所有的電子標簽都完成響應之后，閱讀器向它們發送喚醒的指令(Wake Up)，從而完成對所有電子標簽的信息讀取。

在這種搭載有“防沖撞”功能的RFID系統中，為了只讀一個標簽，幾經調整次數批量反復讀取進行檢索。因此，在一次性讀取具有一定數量的標簽的情況下，所有的標簽都被讀到的速度是不同的，一次性讀取的標簽數目越多，完成讀取所需時間要比單純計算所需的時間越長。

實現“防沖撞”功能是RFID在物流領域中取代條形碼所必不可少的條件。例如，在超市中，商品是裝在購物車里面進行計價的。為了實現這種計價方式，“防沖撞”功能必須完備。具有“防沖撞”功能的RFID系統的價格比不具有這種功能的系統的要昂貴。當個人用戶在制作RFID系統的時候，如果沒有必要進行復數個ID同時識讀時就沒有必要選擇防碰撞功能的讀寫器。

3 μ-Chip芯片的技術指標及優勢[2]

3.1 μ-Chip 芯 片 技 術 指 標

(1)芯片尺寸：0.4 mm×0.4 mm×0.15 mm，超小超薄可嵌入紙張等較薄介質中，不易損壞；

(2)頻率：2.45 GHz；

(3)存儲容量：128 bit只讀容量，出廠后不可復制或改寫 ID；

(4)可發行 ID 數量：2128個(1038)；

(5)最大讀取距離：大約 30 cm(使用外附天線)；

(6)讀取速度：20 ms。

3.2 μ-Chip 芯 片 優 勢

μ-Chip芯片優勢主要有以下幾點：(1)尺寸微小，適合于在各種票證，特別是在紙質印刷品中進行封裝；(2)天線柔軟可彎曲，可以適應多樣化需求；(3)具有高強度，耐用性強的特點；(4)其最初設計就是為了解決日元紙幣的防偽問題，使用專有的加密閱讀技術，具有極高的安全性能；(5)μ-Chip標簽防偽技術與傳統印刷防偽技術的結合，使RFID防偽技術有了無法取代的優勢。

4 票證閱讀器的硬件設計

為了達到設計功能和環境需求，本讀取器主板采用了PCB 6層設計，機殼加裝了電磁屏蔽網，還專門配備了標準接口用來外接計算機，采用的主要元件如下：

(1)微處理器(MPU)。針對終端對高速運算和數據庫操作的需求，并考慮到系統外圍設備的需求情況，本讀取器系統采用ARM9核的SAMSUNG S3C2410處理器，最高主頻可達 203 MHz[3]。

同時，我們也應當看到培訓并不是萬能的。真正有效的方式還要在實戰中培養，必須依靠長期的業務實踐。而我國企業領導層個人成長經歷較為單一，多以豆芽型個體出現，不能批量涌現中堅力量，難以形成卓越的公司領導層。

(2)SDRAM存儲部分采用Hynix公司的HY57V561620CT內存，存儲量為 32 MB[4]。

(3)Flash存儲器采用三星公司的K9F1208UOM Nand Flash，存儲量為 64 MB。

(4)RFID閱讀器模塊采用了日立公司的系列產品。

(5)網絡通信模塊采用了Realtek 8039芯片，支持10 MHz/100 MHz網絡通信[5]。

票證讀寫器的技術指標如表1所示。

閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發送自身編碼和相關信息以被讀取器讀取并解碼，然后送回計算機中進行相關處理。識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。高性能的RFID讀寫器可以同時識別多個物體。

表1 票證讀寫器的技術指標

在實際應用中，各類電磁干擾源和采集點非常多，而通常的RFID讀寫器由于采用單片機為主控制器，運算能力弱，本地不具備數據分析和存儲能力，不具備較強的抗干擾能力，對后臺系統數據處理能力要求較高。而如果直接將所有采集點 (通常多達數百點)所讀取的信息直接傳回服務器，由于要在服務器上進行繁重的數據分析和干擾排除，過大的數據量和計算量很容易造成服務器端的信息堵塞，進而影響系統的穩定性。現有的解決方案往往直接使用價格昂貴的工業PC機完成前端工作，但這樣無疑大大增加了總體的部署成本。本系統通過功能強大的RFID嵌入式終端，直接在本地完成復雜的標簽讀取、數據糾錯、干擾排除、信息提取和數據保存等工作，僅將有效信息通過網絡傳輸給后臺服務器，這樣就大大降低了網絡通信的開銷和服務器的資源占用，從而提高了系統整體的運行效率和穩定性，增加了業務的靈活性。

5 系統總體軟件設計

5.1 票務系統概述

票務系統工作流程圖如圖3所示。

門票流通圖如圖4所示。

5.2 票務管理系統整體架構

票務防偽管理系統由中央數據庫管理子系統、售票子系統、驗票子系統等模塊組成，除需配備常規的計算機網絡系統設備外，還需配備門票發行設備、門票檢票設備和RFID電子門票。

票務防偽管理系統軟件部分由發行端軟件和數據監控分析軟件兩部分構成。按照功能可劃分為票務登記、發行、檢票、數據監控、系統管理五大功能模塊。票務防偽演示系統整體架構見圖5。

售票工作流程圖判斷如圖6所示。檢票流程判斷如圖7所示。

圖5 票務防偽演示系統整體架構圖

圖6 售票工作流程圖

圖7 檢票流程圖

將μ-Chip嵌入入場券中，由于其只讀的特性，可避免信息被復制到同樣的μ-Chip芯片上，真正實現了每張入場券被賦予一個唯一的識別碼，起到有效的防偽作用。而可讀可寫的芯片理論上是可復制的，而且為了防止非法讀寫，可讀可寫的芯片需要不斷提高保密等級從而不斷增加芯片的單價成本，但事實上，又并不能從根本上解決隨時被解密的煩惱。

將μ-Chip芯片嵌入到門票中，除了門票的防偽，μ-Chip還有在非接觸情況下高速進行通信的特點，保證了大型賽事大量人流情況下的檢票速度。同時，后臺的集中管理可以即時監控各個入場口的人流，甚至監控到個人。此外，通過ID管理可為持券者提供預約及其他更為豐富、體貼的服務，滿足每位持券者的不同需求；更可依據后臺記錄的大量信息，給運營商在會員管理上增加高附加值服務項目，設計個性化和人性化的服務。

[1]Klaus Finkenzeller.射頻識別(RFID)技術-無線電感應的應答器和非接觸IC卡的原理與應用[M].陳大才，譯.北京：電子工業出版社，2001.

[2]日立公司.RFM EV-Kit v10 User Guide_V1_ENG[Z].2007.

[3]孫天澤，袁天菊.嵌入式設計及Linux驅動開發指南[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5]KROWCZYK A，KUMAR V.NET網絡高級編程[M].吳旭超，譯.北京：清華大學出版社，2003.