基于RFID的防偽讀寫器設計

楊正海，王 沖

（1.中國人民解放軍95848部隊71分隊 湖北 孝感 432019；2.武漢大學 衛星定位技術研究中心，湖北 武漢 430079）

隨著假冒偽劣商品的日益猖獗，使用安全可靠的防偽技術手段來進行商品防偽顯得極為重要。筆者設計了一款基于RFID的防偽讀寫器，能夠實時識別各種RFID防偽標簽信息[1]。

此外，為了便于用戶操作讀寫器設計了人機交互部件，并將讀寫設備設計成一個HID設備，避免了安裝驅動帶來的麻煩。能夠通過在線USB方式以及無線WIFI方式對商品真偽進行判斷，是連接防偽商品與服務器的橋梁。產品在防偽驗證時結合了讀寫器、RFID電子標簽、客戶端以及服務器等多方面的共同作用進行實時防偽識別，保證了防偽系統的安全可靠性。基于在防偽系統中的特殊應用，讀寫器的設計也十分小巧靈活，安全性高，在進行商品防偽鑒定時操作簡單，使用方便。

1 系統總體概述

本系統設計的是一款基于RFID的防偽系統[2－3]讀寫器，主要用于商品真假的鑒定，從而較好的保護知識產權和消費者的合法權益。此系統主要包括：MCU核心控制組成模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、13.56 MHz標準電子標簽模塊、無線傳輸Wifi模塊、有線傳輸USB模塊等，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of system

2 各模塊的介紹

2.1 MCU控制部分

MCU芯片選用的是ZTEIC國民技術公司生產的芯片Z8D168。它采用了ZTEIC自行開發的Zi8051－SC8位安全MCU核，與工業標準8051指令集完全兼容的單周期高性能8位安全微控制器，內部集成了各種公鑰算法引擎，可以支持大數模乘、模冪等運算處理，可支持幾種加解密算法。對AES算法的運算速度可以到2.4 Mbps，且提供有專用的存儲空間用于存儲運算的中間數據及最后結果，因此本系統采用AES解密的方式對標簽中的數據進行解密能極大減少運算量，且保證解密數據的準確性。此外還包含有一些安全特性如防止DPA/SPA攻擊、存儲區域加密、總線加擾、安全優化布線、每一顆芯片具有唯一序列號。芯片的供電電壓為2.7～5.5 V，一般選擇較常用的供電電壓3.3 V和5 V。因此選用此款MCU芯片能增加系統的防偽力度。整個電路的設計圍繞Z8D168展開，以此MCU為核心通過增加外圍電路實現對防偽電子標簽的訪問等。

2.2 人機交互部分

讀寫器設置有鍵盤控制和液晶顯示部分方便用戶操作，均采用串行的方式以節約引腳。液晶控制部分采用HT1621LCD驅動芯片控制段式液晶顯示6位密碼數字，鍵盤控制部分采用HD7279A芯片連接16鍵的鍵盤矩陣。其中HT1621是128點內存映象和多功能的LCD驅動器，通過軟件配置特性使它適用于多種LCD應用場合，包括LCD模塊和顯示子系統。用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條可以減少MCU引腳占用率，此外HT1621還有一個節電命令用于降低系統功耗。HD7279A是一片具有串行接口可同時驅動8位共陰極數碼管的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可以連接多達64鍵的矩陣鍵盤，其芯片內部含有譯碼器，可以直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，64鍵鍵盤控制器內含抖動電路能精確讀取鍵值。

2.3 13.56 MHz電子標簽

此系統采用13.56 MHz的RFID電子標簽卡[4]來完成操作。讀寫芯片FM1702選用的是復旦微電子股份有限公司設計的基于ISO14443標準的非接觸式專用讀卡機芯片。FM1702SL使用的認證算法為三重認證，是基于密鑰長度為48比特的私有加密數據流。當一張電子標簽卡按照ISO14443A協議被選中后，用戶可以按照標準協議繼續操作。在卡認證過程中，加密算法被初始化，在成功認證之后與卡的通訊處于加密狀態。FM1702支持13.56 MHz頻率下的typeA非接觸通信協議和多種加密算法，芯片內部有高集成度的模擬電路，只需少量的外圍電路連接即可以使用，操作距離可以達到10 cm。支持SPI接口模式，內部包含512byte的EEPROM和64byteFIFO，具有TTL和CMOS 2種電壓工作模式。

2.4 無線發送部分

無線數據收發部分采用的是海凌科有限公司推出的全新的第三代嵌入式 Uart－Wifi模塊產品 HLK－WIFI－M03，內置IEEE802.11無線網絡協議棧以及TCP/IP協議棧，可以實現串口數據到無線網絡之間的傳輸，能將MCU串口中的數據以Wifi無線網絡形式發送出去。全面支持串口透明數據傳輸、DHCP協議動態IP地址分配和DNS域名解析功能，最高可達11 kB/s的發送速率。支持串口的波特率范圍1 200～115 200 bps，可使用的頻率范圍為 2.412～2.484 GHz，通過連接符合IEEE802.11g/802.11b標準的2.4 G天線可以滿足頻率要求。

2.5 數據通信部分USB實現

此系統采用的是USB通信連接，芯片自帶有USB通信接口，但設備作為HID（Human Interface Device）設備來與主機通信[5]。HID設備的一個好處是操作系統自帶了HID類的驅動[6]，編寫程序時只需通過函數調用即可完成通信。可以大大減少初次使用讀寫器時安裝設備驅動帶來的不便。

3 各模塊功能的實現方法

此讀寫器在使用時有兩方面的功能，可以通過USB方式以及無線wifi方式傳輸數據。讀寫器與PC機通過在線判斷時采用的是USB的連接形式，此時的讀寫器作為一個HID設備。將讀寫器與主機通過USB口直接相連，讀寫器將解密后的數據通過USB傳給主機判斷，主機將收到的數據與數據庫中存儲的數據比對，即可核實產品的真偽信息。在PC機出現故障的情況下或是數據庫沒有更新時，可能會識別成判斷有誤，此種情況下可以通過無線方式將數據信息通過Wifi以無線形式傳輸給服務器由服務器判斷并返回判斷結果給讀寫器。利用讀寫器的這些功能可以保證及時對每個商品進行正常的真偽檢驗，可以時刻保護消費者的合法權益。

4 軟件實現方法

目前使用的防偽系統設計主要是先讀取RFID電子標簽中的數據并傳輸給讀寫器，讀寫器對讀取的數據進行解密處理，將解密數據與服務器端數據庫中的信息比對，判斷商品的真偽。具體設計流程如圖2所示。其中讀寫器設計部分包括電子標簽的讀取、USB及wifi通信部分、數據解密處理部分和讀寫器與PC機相互通信部分的設計。

圖2 軟件設計流程Fig.2 Process of software design

4.1 電子標簽的控制

MCU對13.56 MHz RFID標簽的操作需要多條指令的聯合操作完成，其中必須對FMl702SL的內部寄存器進行設置。主要包括復位初始化FM1702SL、讀寫器向標簽發出請求、選擇標簽、三次相互驗證、讀寫操作6個操作步驟。如圖3所示。

圖3 電子標簽操作流程Fig.3 Operating processes of RFID tags

4.2 USB HID通信的設計

USB HID的實現需要靠硬件與PC機端的軟件共同作用。HID設備只通過控制和中斷管道與主機通信，控制管道主要完成接收與響應USB主機的控制請求；中斷管道主要用于主機接收USB設備的異步傳輸數據和主機將實時性的數據發送給USB HID設備。HID設備的描述符除了與USB標準描述符相同的5個描述符：設備描述符、配置描述符、端點描述符、字符串描述符、接口描述符外，還有3個HID設備類特定描述符：HID描述符、報告描述符、實體描述符，如圖4所示。其中HID描述符主要描述HID規范的版本號、通信所使用的額外描述符、報表描述符的長度等；在定義接口描述符時，要將HID類別設為0x03，主機就會請求繼續得到HID描述符以及報告描述符信息。主機首先發送SETUP封包給設備以讀取默認地址0的設備描述符，讀寫器接收到SETUP中斷后判斷數據信息并將相應的描述符信息發送給主機，主機再根據HID描述符的信息請求其相關的描述符[7]。

圖4 HID各種描述符之間的關系Fig.4 Relationship between the HID descriptors

4.3 加解密算法的設計

讀寫器利用安全加解密MCU芯片通過編程設計高級對稱加密算法AES來實現對讀取到的數據加密或解密[8]。AES算法標準已經嵌入在MCU中，在利用AES算法時通過函數接口實現對算法的訪問。在解密運算時，讀寫器生產商首先通過數字簽名從CA認證中心獲取解密密鑰，當讀寫器讀到RFID標簽數據后開啟AES數據解密功能進行解密運算[9]。將解密運算結果從內存中取出通過USB傳輸給PC機供后續防偽判斷處理。

4.4 讀寫器與PC機的通信

讀寫器通過接收PC機的指令識別出指令是否有效并執行相應操作，在USB模式下如果識別為傳送標簽信息指令，則將解密好的數據信息通過USB傳遞給PC機接收，PC機將數據保存，并提取出電子標簽中所包含的標簽UID信息和商品的ID信息，與服務器中的數據庫進行比對，經查找后能在數據庫中找到相同的信息則視該商品為正品，否則為偽造商品。在無線傳輸模式下，讀寫器采用的是串口形式將處理的數據傳遞給無線收發模塊，由此模塊將數據信息以無線Wifi形式傳遞給服務器接收，只要將服務器端正確的地址、用戶信息等寫入Wifi模塊，就可以建立客戶端與服務器之間的無線通信。

5 結束語

文中介紹了基于RFID的防偽系統讀寫器的設計，包括硬件電路的設計與軟件的實現。該讀寫器可以有效防止防偽標記的二次利用和復制，能實時檢測商品的屬性判斷商品是否為偽劣品，可以達到真正的防偽效果，為消費者和商品零售商防偽識別帶來了便利。

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