一種半有源超高頻RFID電子鉛封設計與實現

杜紅偉+來佳立+齊國強

摘 要：目前無源標簽尤其是超高頻標簽的安全性相對較差，且無法與其他傳感器或執行機構直接聯動，因此，在電子鎖（電子簽封）領域應用受限。為解決這一問題，文中提出了一種基于半有源超高頻RFID技術的電子鉛封，該鉛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。

關鍵詞：半有源RFID；電子鉛封；MonzaX；防偽追溯

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-02

0 引 言

目前國內眾多電子標簽廠家主要是對電子標簽的Inlay進行封裝、生產，并不具備標簽的天線設計、電路設計能力，同時設計的標簽主要是無源標簽。因為無源標簽尤其是超高頻標簽其安全性相對較差，且無法與其他傳感器或執行機構進行直接聯動，所以在電子鎖（電子簽封）領域應用受限。而有源標簽因為標準不統一、對低功耗設計要求非常高，且沒電后無法獲取標簽信息，因此也不適合應用于高安全性電子簽封等領域[1，2]。

為了解決以上問題，拓展電子標簽的應用場景，重點對基于MonzaX芯片的特種標簽系統進行研究，主要包括天線設計、加密算法設計、執行機構設計，并重點結合電子簽封行業應用，開發出相應標簽、手持機產品系列，組成完整的解決方案，進行系統整體推廣。

MonzaX標簽在有電的情況下可與MCU進行通信，與執行機構或傳感器進行聯動；如果沒電了，作為UHF無源標簽，可通過手持機等閱讀器設備獲取標簽的存儲信息。

電子簽封應用領域廣泛，適用于加油機石油行業，可有效避免加油機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后端動手腳篡改加油數據的現象。同樣，電子簽封還可用于高檔酒類、服裝、鞋類產品的防偽標識，現代物流業海陸空運包裝、箱裝、貨箱、集裝箱的封口或監管動物或肉類產品的耳標及郵政航空包裹袋的標識和封口等[3-5]。

1 總體架構

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

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

（2）標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的指令數據，實時顯示簽封的當前狀態和操作結果。

（3）電機控制部分接收主控部分的命令控制，驅動電機實現鎖具的打開與關閉，并將鎖具的實時狀態反饋給主控部分。

（4）電源部分負責為整個簽封供電。

2 硬件設計

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，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。超高頻標簽芯片采用Monzax-2K，在確保靈敏性的同時保證高達2 K的數據存儲空間。其硬件結構圖如圖2所示。

3 軟件設計

電子簽封軟件部分主要由狀態自檢模塊、簽封固化信息模塊、命令接收及處理模塊、數據加解密模塊、電機控制模塊、日志記錄模塊組成。

3.1 狀態自檢模塊

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前簽封是否已被初始化，有無固化信息數據寫入。

（3）鎖具狀態檢測用來檢測當前鎖具開關狀態與簽封存儲狀態數據是否一致。各模塊檢測出的狀態異常均由LED及標簽芯片數據進行顯示。

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通信獲取標簽的初始化數據值，例如標簽ID等，并下載標簽秘鑰。

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芯片進行通信，獲取Monzax中的標簽數據，解析得到的指令后進行相應的處理。

3.4 數據加解密模塊

數據加解密模塊采用國密算法，分為兩個業務加解密。

（1）業務處理加解密：用于標簽操作日志記錄的加解密。

（2）傳輸保護加解密：用于與外界數據傳輸時數據的加解密處理。

3.5 電機控制模塊

該模塊的主要功能是控制電機運轉，驅動鎖具開關，并反饋結果給控制芯片。

3.6 日志記錄模塊

簽封由電池供電，上電后均處于超低功耗待機狀態，內置RTC可周期性喚醒，檢測簽封當前狀態后進行相應的處理。

4 結 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，重點講解了電子鉛封的系統架構以及軟硬件設計。以電子簽封為核心，對簽封的出入庫、施封、巡檢/操作、作廢等進行管理，實現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，可廣泛應用于金融、物流、醫療等貴重物品或藥品的全程管控等領域，具備廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] Klaus Finkenzeller.射頻識別技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]王文峰，耿力.基于射頻識別的實時定位系統技術研究[J].信息技術與標準化，2007（7）：21-24.

[3]劉洋.基于RFID電子封條系統設計與實現[D].合肥：安徽大學，2012.

[4] CHOI J，LEE W.Comparative evaluation of probabilistic and deterministic tag anti-collision protocols for RFID networks[A]. 2007.38-49.

[5] HIMMESLSTOSS F A，EDELMOSER K H.High dynamic class-D power amplifier[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，1998，44（4）：1329-1333.

[6] Jochen Essel，Daniel Brenk，Juergen Heidrich.A highly efficient UHF RFID frontend approach[A].2009.1-4.