??? 摘? 要： 傳統(tǒng)射頻識別(RFID）防偽系統(tǒng)僅利用標(biāo)簽編碼的唯一性完成,，存在著非法讀寫器惡意讀取和假數(shù)據(jù)欺騙的安全隱患,。針對上述缺點,，介紹了一種新的基于RFID技術(shù)的防偽讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn),，探討了利用RFID和GSM通信,，對讀寫器和商品編碼進(jìn)行雙重認(rèn)證的防偽驗證機(jī)制,。建立了商品防偽模型，并進(jìn)行了實際測試,。結(jié)果表明,，系統(tǒng)能夠安全、高效地運(yùn)行,。?

??? 關(guān)鍵詞： 防偽; RFID讀寫器; GSM; ISO/IEC 15693

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??? 長期以來,，防偽技術(shù)一直是人們關(guān)注的問題。我國的防偽技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展,，已經(jīng)達(dá)到了百億元的市場規(guī)模,。目前，防偽領(lǐng)域逐漸興起電子防偽的潮流,，其中,RFID作為新興的防偽技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注,。?

??? 射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸無線識別技術(shù),。目前,RFID防偽應(yīng)用基本上是基于唯一的ID號來完成,。RFID標(biāo)簽芯片內(nèi)有用于產(chǎn)品標(biāo)識的全球唯一編碼以及產(chǎn)品驗證信息，該信息被專用讀寫器所讀取,，讀取到的信息被發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫,，后臺數(shù)據(jù)庫通過查詢驗證將結(jié)果返回到顯示設(shè)備，標(biāo)簽采用可損壞式標(biāo)簽,，一旦損壞,，信息就無法被讀取，這樣能夠保證數(shù)據(jù)內(nèi)容不被竊取,，通過以上措施達(dá)到防偽目的^[1-2],。?

1 系統(tǒng)特點和功能?

??? 傳統(tǒng)的RFID防偽應(yīng)用模式只考慮利用標(biāo)簽的唯一編碼來實現(xiàn)防偽驗證，由于無線信道的開放性,，系統(tǒng)難以防止來自非法讀寫器的標(biāo)簽數(shù)據(jù)惡意讀取和假數(shù)據(jù)欺騙,。針對以上缺點，本文設(shè)計一種基于RFID和GSM短消息通信的防偽系統(tǒng),。?

??? 該系統(tǒng)由手持式讀寫器前端系統(tǒng)和后臺防偽數(shù)據(jù)庫兩部分組成,。手持式讀寫器系統(tǒng)位于零售商處,，后臺防偽數(shù)據(jù)庫由生產(chǎn)企業(yè)管理，前后端系統(tǒng)之間利用GSM短消息實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,。防偽讀寫器以SIM(Subscriber Identity Model)卡號作為本身的ID號,，SIM卡是一塊大規(guī)模集成電路，上面存儲了客戶的信息,、加密的密鑰等內(nèi)容,，完全防止了被復(fù)制和盜用的可能，能夠有效防止非法讀寫器的標(biāo)簽惡意讀取和信息欺騙,。?

??? 本文重點介紹手持式RFID防偽專用讀寫器的設(shè)計和實現(xiàn),。該讀寫器工作頻段為13.56 MHz，符合ISO/IEC 15693協(xié)議,，能夠通過GSM通信收發(fā)短消息與企業(yè)防偽服務(wù)器交互,，對產(chǎn)品進(jìn)行驗證。下面詳細(xì)介紹RFID防偽讀寫器的硬件設(shè)計和軟件流程以及防偽讀寫器的防偽機(jī)制,。?

2 硬件設(shè)計?

??? RFID防偽采用專用防偽讀寫器對標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,，現(xiàn)場驗證設(shè)備包括標(biāo)簽和防偽讀寫器兩部分。本文只介紹防偽讀寫器的硬件設(shè)計與實現(xiàn),，對標(biāo)簽部分不作介紹,，只要符合ISO/IEC 15693協(xié)議的標(biāo)簽均可讀取。?

??? 系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C51RD2作為主控芯片,，采用專用讀寫器芯片對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫,，標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)驗證通過后由液晶屏顯示，同時標(biāo)簽中的防偽數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS模塊發(fā)送到后臺防偽服務(wù)器,，防偽服務(wù)器接收數(shù)據(jù),，并對防偽讀寫器(SIM卡號)和商品信息進(jìn)行雙重驗證，并將結(jié)果返回防偽讀寫器,，完成驗證,。硬件框圖如圖1所示。?

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2.1射頻電路設(shè)計?

??? 讀寫模塊選用韓國3Logic公司的TRH031M芯片,。該芯片具有高達(dá)64 B的內(nèi)部數(shù)據(jù)FIFO,，通過內(nèi)部硬件電路完成CRC校驗。系統(tǒng)與主控制器采用3.3 V CMOS接口,，采用數(shù)據(jù)總線為8位的Intel讀寫模式,，并選用地址數(shù)據(jù)總線共享模式。同時有中斷請求線(IRQ)與主控制器相連,。?

??? ISO/IEC 15693協(xié)議規(guī)定,，識別卡到讀寫器的通信使用副載波進(jìn)行振幅鍵控或者頻移鍵控。當(dāng)使用振幅鍵控時，副載波的頻率f_s為424 kHz(f_c/32),；當(dāng)使用頻移鍵控時,，2個副載波頻率f_s分別為424 kHz（f_c/32）、484 kHz(f_c/28),。調(diào)制后的信號頻譜將在載波頻率兩邊產(chǎn)生2條邊帶譜線,，其頻率分別為f_H=f_c+f_s、f_L=f_c-f_s,，因此必須保證天線能良好接收此邊帶信號,。天線帶寬應(yīng)大于f_H-f_L=2f_s=848 kHz或968 kHz。以了保證天線能良好接收信號,，天線帶寬應(yīng)大于968 kHz,。以此綜合考慮能量供應(yīng)和通信距離，建立所需要磁場,。采用的天線大小約為8 cm×10 cm,，并按照要求，采用LC低通濾波器,將天線阻抗匹配為500 Ω^[3],。?

2.2 GSM/GPRS通信?

??? GSM通信選用Wavecom公司的Q2403A模塊,，Q2403A為雙頻E-GSM/GPRS 900/1800模塊,在3.6 V工作電壓下EGSM通信功耗為2 W，具有2個對外接口：天線接口和通用接口,，用于數(shù)字通信,、鍵盤和音頻等。?

2.2.1 SIM卡電路?

??? SIM卡符合GB/T 16649標(biāo)準(zhǔn)和ISO/IEC 7816協(xié)議所規(guī)定的SIM卡的物理特性,、觸點規(guī)范,、傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)編碼規(guī)則等。?

??? 為了實現(xiàn)對SIM卡的靜電保護(hù),，需要在除SIM卡電源腳外的管腳加入保護(hù)二極管,，并且要求保護(hù)二極管的寄生電容不超過10 pF。在此選用集成保護(hù)二極管芯片DALC208作為保護(hù)芯片,。DALC208片內(nèi)集成8只兩兩串聯(lián)的二極管,，寄生電容小于5 pF,，可實現(xiàn)對4個管腳的保護(hù)^[4],。?

2.2.2 LED指示電路?

??? Q2403A模塊提供LED指示功能。LED狀態(tài)與模塊的工作狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如表1所示,。通過LED指示燈,，用戶可以直觀了解Q2403A的工作狀態(tài)。?

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2.3主控模塊?

??? 系統(tǒng)選用單片機(jī)AT89C51RD2作為主控制器,，具有4個8位數(shù)據(jù)輸入輸出端口,時鐘頻率最高可達(dá)60 MHz,，1 792 B的片內(nèi)XRAM，雙數(shù)據(jù)指針，具有電源管理功能,，另外還有UART接口,、鍵盤接口、看門狗電路;內(nèi)部程序存儲器達(dá)64 KB,，可在線編程; 工作電壓為2.7 V～5.5 V,。?

??? 主控芯片可與TRH031接口、Q2403A接口,、鍵盤接口,、液晶接口、鍵盤接口,、蜂鳴器接口,。?

2.3.1電源管理?

??? 本系統(tǒng)選用鋰電池作為主要供電電源，也可以通過外部開關(guān)電源輸入供電,。選用TI公司的BQ24032來管理電池的充放電,。電池充電期間，系統(tǒng)仍能正常工作,。?

??? 主控制器電源電壓可以在2.7 V～5.5 V之間選擇,，LED與蜂鳴器可以工作在3.0 V～5.0 V之間。為保證在GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳送期間,，主控制器,、LED和蜂鳴器能得到穩(wěn)定的電源電壓，選用MAXIM的MAX1595(3.3 V)作為主控制器電壓調(diào)節(jié)器,。?

??? 讀寫器TRH031M模塊工作電壓在2.6 V～3.5 V之間選擇,。但是讀寫器模塊內(nèi)部有模擬電路，對電源的噪聲要求較高,，因此選用低噪聲的低壓差穩(wěn)壓器MAX1818(3.3 V)作為讀寫器模塊的電壓調(diào)節(jié)器,。THR031M的數(shù)字電源(DVDD)、模擬電源(AVDD)和射頻發(fā)送電源（TVDD）輸入端應(yīng)分別加入濾波網(wǎng)絡(luò),。濾波電路采用L型網(wǎng)絡(luò),，濾波電感為高頻繞線電感。?

??? 液晶工作電壓為5 V,，選用電荷泵MAX1595(5.0V)為LCD提供5 V電源,。?

2.3.2 鍵盤和顯示設(shè)計?

??? AT89C51RD2提供方便的鍵盤管理功能。單片機(jī)內(nèi)部有專門的寄存器進(jìn)行鍵盤管理,。設(shè)計中選用低電平為敏感信號,，采用5個I/O口管理鍵盤，最多可以管理32個按鍵,。選用圖形點陣液晶12864作為顯示設(shè)備,。?

3 軟件設(shè)計?

3.1軟件總體流程?

??? 防偽讀寫器工作上電復(fù)位后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化：對液晶模塊和TRH031M的初始配置,，檢測SIM卡是否已插入，GSM網(wǎng)絡(luò)是否可用,，電池電量檢測,，防死機(jī)工作等。?

??? 初始化結(jié)束后進(jìn)入等待防偽標(biāo)簽檢測界面,，用戶輸入確定后進(jìn)行標(biāo)簽檢測,，TRH031模塊中斷告知主控制器檢測結(jié)果，主控制器進(jìn)行防碰撞處理并選定標(biāo)簽,。讀取到商品ID號后,，消費(fèi)者可以選擇輸入自己的手機(jī)號或者不輸入，當(dāng)輸入手機(jī)號后,，防偽讀寫器將消費(fèi)者手機(jī)號和讀取到的商品ID同時發(fā)送到后臺服務(wù)器進(jìn)行防偽驗證,，后臺服務(wù)器會將驗證結(jié)果同時發(fā)送到消費(fèi)者手機(jī)和防偽讀寫器中。如果消費(fèi)者沒有輸入手機(jī)號,，則防偽讀寫器將只發(fā)送商品ID給后臺服務(wù)器,，后臺服務(wù)器也只將結(jié)果發(fā)送給防偽讀寫器顯示。其總體流程如圖2所示,。

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3.2 讀寫程序設(shè)計?

??? 讀寫器（VCD）與識別卡（VICC）之間指令和數(shù)據(jù)的通信,，是一種基于“VCD先說”的機(jī)制。即除非接收到并正確地解碼一個VCD發(fā)送過來的指令,，否則VICC將不會有動作,。VCD發(fā)送請求格式及VICC響應(yīng)格式分別如表2、表3所示,。?

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?? TRH031M封裝了符合ISO/IEC 15693協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,，只需在傳輸層以上編寫程序。在發(fā)送指令時,，只需將指令代碼寫入FIFO寄存器,，然后啟動發(fā)送命令即可。?

??? ISO/IEC 15693協(xié)議中描述的防沖突在VCD端采用輪詢的機(jī)制,，在VICC端采用比較應(yīng)答的機(jī)制,。讀寫器(VCD)采用請求目錄指令(Inventory Command)查詢當(dāng)前磁場范圍內(nèi)VICC的唯一標(biāo)識符(UID)來解決沖突問題，其參數(shù)包括：標(biāo)志,、命令,、可選的應(yīng)用標(biāo)識符、掩碼長度(MASK LENGTH),、掩碼值(MASK VALUE),。?

??? 識別卡的UID低4位沖突的概率為1/16=62‰，低8位沖突的概率為1/256=3.9‰,。?

??? 實際ISO/IEC 15693協(xié)議中提供的防沖突算法具有更先進(jìn)的機(jī)制。命令序列中的標(biāo)志字節(jié)(Flags)中的第5位為應(yīng)用標(biāo)識符標(biāo)志(AFI_flag)，當(dāng)此標(biāo)志置1時,，命令序列中要包含AFI域,，識別卡比較收到的AFI域與自己的應(yīng)用標(biāo)識符AFI是否匹配，如果不匹配,，則識別卡不響應(yīng),。?

??? 命令序列中的標(biāo)志字節(jié)(Flags)中第6位為時隙數(shù)目標(biāo)志位(Nb_slots_flag)，當(dāng)Nb_slots_flag=0時,，請求目錄指令采用16時隙的方式,，這就是在輪詢機(jī)制的基礎(chǔ)上加入了時隙ALOHL防沖突算法。時隙數(shù)附加在MASK VALUE前同時進(jìn)行比較,，將使沖突發(fā)生的概率更小,，讀寫時間更短^[5]。?

3.3 GSM/GPRS通信程序設(shè)計?

??? 防偽讀寫器中用到的GSM通信主要為短消息的發(fā)送和接收,。防偽讀寫器將用戶手機(jī)號(可選)和商品ID號利用短消息的方式發(fā)送到后臺驗證服務(wù)器,，后臺驗證后將驗證結(jié)果以短消息的方式發(fā)送到用戶手機(jī)和防偽讀寫器。?

??? 短消息收發(fā)有關(guān)的規(guī)范主要包括GSM 03.38,、GSM 03.40和GSM 07.05,。前二者著重描述SMS的技術(shù)實現(xiàn)(含編碼方式)，后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標(biāo)準(zhǔn)(AT命令集),。一共有3種方式來發(fā)送和接收SMS信息：Block Mode,、Text Mode和PDU Mode。Block Mode目前已很少使用,。Text Mode是純文本方式,，可使用不同的字符集，從技術(shù)上說也可用于發(fā)送中文短消息,，但國內(nèi)手機(jī)基本上不支持,，主要用于歐美地區(qū)。PDU Mode被所有手機(jī)支持,，可以使用任何字符集,，這也是手機(jī)默認(rèn)的編碼方式。因為需要發(fā)送和接收中文,，因此本設(shè)計采用PDU模式收發(fā)短信,。?

??? 主控制器與Q2403A采用串行異步通信接口，可以設(shè)置波特率,，本設(shè)計采用9 600 b/s的波特率,。主控制器采用AT指令對Q2403A進(jìn)行控制。?

??? PDU相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)包,，它由構(gòu)成短消息(SMS)的信息組成,。包含有源/目的地址,、有效時間、數(shù)據(jù)格式,、協(xié)議類型和正文,，正文的長度可達(dá)140 B，它們都以十六進(jìn)制表示,，即只包含由0～9,、A～F這些數(shù)字和字母。PDU格式分別如表4,、表5所示,。?

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??? 消費(fèi)者選擇輸入手機(jī)號時，防偽讀寫器在用戶信息（UD）中將同時發(fā)送商品ID號和消費(fèi)者手機(jī)號,，如果沒有輸入,，則只發(fā)送商品ID號。?

??? 本文給出了基于RFID和GSM通信的防偽讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn),，以酒類防偽和家電類防偽為模型,，對系統(tǒng)進(jìn)行了實際測試，運(yùn)行良好,，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地反饋驗證結(jié)果給消費(fèi)者,，操作簡單，顯示直觀,。該系統(tǒng)能夠滿足大部分貴重商品的防偽需求,，特別是通過后臺服務(wù)器驗證的防偽機(jī)制，具有技術(shù)難度高難以仿造的特點,。該防偽機(jī)制為電子防偽提供了新的途徑,，具有廣闊的應(yīng)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

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[4] Wavecom. WISMO quik Q2400 series Q2403A product?specification[G]. 2002.?

[5] ISO/IEC 15693[S]. Identification cards-contactless integrated circuit(s) cards-vicinity cards. ISO/IEC, 2000.