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以太網(wǎng)的二代身份證RFID系統(tǒng)應(yīng)用研究
作者：史斌斌 王宜
來(lái)源：RFID世界網(wǎng)
日期：2009-04-23 10:03:23
摘要：實(shí)現(xiàn)一種嵌入式以太網(wǎng)的二代身份證RFID系統(tǒng)，給出以二代身份證為載體的局域網(wǎng)內(nèi)射頻識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用模型；著重介紹硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法，分析系統(tǒng)軟件部分的測(cè)試結(jié)果，并指出系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合。
引 言
射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè) ；而嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化也已成為當(dāng)今后PC時(shí)代的重要特征。因此，RFID技術(shù)與嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一 。
根據(jù)國(guó)內(nèi)RFID應(yīng)用現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求，本設(shè)計(jì)通過(guò)讀取二代身份證中射頻芯片的全球唯一序列號(hào)UID，使用二代身份證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀電子標(biāo)簽，節(jié)省了制卡費(fèi)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思
具有以太網(wǎng)通信功能的讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將讀寫(xiě)器硬件系統(tǒng)分為兩部分：讀寫(xiě)模塊硬件中間件和具有以太網(wǎng)通信功能的主控系統(tǒng)。這樣設(shè)計(jì)不僅可以方便地將兩部分獨(dú)立制板調(diào)試，還可以減少這兩部分之間的信號(hào)干擾，并提高硬件模塊的復(fù)用性。
2．1 讀寫(xiě)模塊硬件中間件
參考中間件的通用定義，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了本讀寫(xiě)模塊硬件中間件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。向下屏蔽了電子標(biāo)簽、射頻基站芯片等硬件環(huán)境的差異，向上為RFID應(yīng)用層提供標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件接口應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)基于該接口進(jìn)行，無(wú)需考慮RFID 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，且不管底層的硬件怎樣更新?lián)Q代，只需將中間件升級(jí)更新，并保持該中間件的對(duì)外接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不需做任何修改，從而提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。
系統(tǒng)選用MF RC531作為射頻基站芯片。該芯片是NXP公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信的高集成IC讀寫(xiě)芯片系列中的一員。選用Freescale公司低價(jià)位、高性能的MC68HC908JB8(簡(jiǎn)稱JB8)作為模塊微控制器，它通過(guò)SPI通信方式與射頻基站芯片MF RC531連接，控制其完成讀取電子標(biāo)簽UID信息的工作。MFRC531支持SPI通信方式，在通信期間作為從機(jī)。控制芯片JB8內(nèi)部并沒(méi)有集成SPI模塊，其通信功能由x／o 口軟件模擬完成。
(2)天線設(shè)計(jì)
RFID系統(tǒng)中，射頻基站芯片(如MF RC531)通過(guò)天線發(fā)射能量，并與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。天線的設(shè)計(jì)對(duì)通信的穩(wěn)定性非常重要，本設(shè)計(jì)采用直接匹配天線法，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
主控系統(tǒng)與讀寫(xiě)模塊通過(guò)SPI接口連接，獲取該模塊控制芯片內(nèi)存中存儲(chǔ)的電子標(biāo)簽信息，然后通過(guò)以太網(wǎng)通信接口將信息傳送給計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)處理。系統(tǒng)采用Freescale公司l6位MCU MC9S12NE64為主控芯片，其內(nèi)部集成EMAC(Ethemet Media Access Controller，以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器)和EPHY(Ethemet Phyrsical Transceiver，以太網(wǎng)物理層收發(fā)器)，可配合第三方TCWIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信功能，從而實(shí)現(xiàn)單芯片的以太網(wǎng)連接方案。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括讀寫(xiě)模塊的軟件設(shè)計(jì)及嵌入式以太網(wǎng)的軟件設(shè)計(jì)兩部分。讀寫(xiě)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)TYPE A & B電子標(biāo)簽的UID識(shí)別；嵌入式以太網(wǎng)部分實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信。
3．1 讀寫(xiě)模塊軟件設(shè)計(jì)
讀寫(xiě)模塊被設(shè)計(jì)成硬件中間件，為應(yīng)用系統(tǒng)和電子標(biāo)簽提供數(shù)據(jù)交互的接El。模塊微控制器MC68HC908JB8的主函數(shù)流程如圖4所示。
系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行MCU 以及相關(guān)模塊的初始化操作，然后進(jìn)入主循環(huán)。如圖4所示，主循環(huán)中不斷地切換讀卡模式，以滿足讀取TYPE A & B兩種電子標(biāo)簽UID的需求。一旦讀取成功，將UID賦給全局字節(jié)型數(shù)組變量Card_inform[]。Card_inform[0]存放電子標(biāo)簽的類(lèi)型，即“A”或“B”的ASCII碼，其后依次存放該類(lèi)型的UID。主控系統(tǒng)可以通過(guò)讀寫(xiě)模塊硬件中間件的SPI通信接口獲取Card inform[]中的內(nèi)容，獲取完畢后JB8將Card_inform[]數(shù)組清零。對(duì)RC531的復(fù)位和寄存器初始化操作原本放置在主循環(huán)之前，即每次JB8復(fù)位后只執(zhí)行一次。但是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)RC53l長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此將這兩步操作放在主循環(huán)中，以提高系統(tǒng)的魯棒性。
3．2 嵌入式以太網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì)
MC9S12NE64內(nèi)部集成的EMAC和EPHY模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的功能[5]。為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)需操作系統(tǒng)的精簡(jiǎn)嵌入式TCP／IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了MC9S12NE64的以太網(wǎng)接入功能。移植協(xié)議棧時(shí)，只要對(duì)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行修改，保持調(diào)用接口不變，上層協(xié)議就可以不作改動(dòng)。整個(gè)協(xié)議棧以循環(huán)方式運(yùn)行，MC9S12NE64以中斷方式接收以太幀，協(xié)議棧對(duì)接收到的以太幀自底向上進(jìn)行過(guò)濾，并作相應(yīng)處理。各層設(shè)計(jì)如下：
① 鏈路層— —MC9S12NE64 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，ARP協(xié)議；
② 網(wǎng)絡(luò)層—— IP協(xié)議，ICMP回顯應(yīng)答服務(wù)；
?、?nbsp;傳輸層——UDP協(xié)議。
3．3 TYPE A&B電子標(biāo)簽的UID識(shí)別測(cè)試
圖5給出了識(shí)別TYPE A & B兩種電子標(biāo)簽UID的測(cè)試結(jié)果。
PC機(jī)主動(dòng)發(fā)送包含通信命令的UDP數(shù)據(jù)報(bào)給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器接收到該數(shù)據(jù)報(bào)后，將獲取的最新UID信息通過(guò)UDP協(xié)議返回給PC主機(jī)。測(cè)試的各項(xiàng)具體參數(shù)如表l所列。
在沃爾瑪?shù)却笮蜕痰甑拇罅ν苿?dòng)下，RFID技術(shù)在很多行業(yè)開(kāi)始得到應(yīng)用，并且這個(gè)趨勢(shì)愈演愈烈。然而在我國(guó)這樣一個(gè)人口眾多、擁有大量廉價(jià)勞動(dòng)力的國(guó)家，電子標(biāo)簽的成本成為RFID普及的一個(gè)制約因素。本文介紹的RFID系統(tǒng)以第二代身份證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀電子標(biāo)簽，為解決這一問(wèn)題提供了參考。通過(guò)與嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，研究以二代身份證為載體的局域網(wǎng)內(nèi)RFID系統(tǒng)的應(yīng)用方法，不僅為現(xiàn)有只讀電子標(biāo)簽管理系統(tǒng)的升級(jí)提供了一種參考模型，而且擴(kuò)展了二代身份證的使用范圍，實(shí)現(xiàn)了一卡多用。
射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè) ；而嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化也已成為當(dāng)今后PC時(shí)代的重要特征。因此，RFID技術(shù)與嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一 。
根據(jù)國(guó)內(nèi)RFID應(yīng)用現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求，本設(shè)計(jì)通過(guò)讀取二代身份證中射頻芯片的全球唯一序列號(hào)UID，使用二代身份證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀電子標(biāo)簽，節(jié)省了制卡費(fèi)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思
具有以太網(wǎng)通信功能的讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 具有以太網(wǎng)通信功能的讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將讀寫(xiě)器硬件系統(tǒng)分為兩部分：讀寫(xiě)模塊硬件中間件和具有以太網(wǎng)通信功能的主控系統(tǒng)。這樣設(shè)計(jì)不僅可以方便地將兩部分獨(dú)立制板調(diào)試，還可以減少這兩部分之間的信號(hào)干擾，并提高硬件模塊的復(fù)用性。
2．1 讀寫(xiě)模塊硬件中間件
參考中間件的通用定義，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了本讀寫(xiě)模塊硬件中間件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。向下屏蔽了電子標(biāo)簽、射頻基站芯片等硬件環(huán)境的差異，向上為RFID應(yīng)用層提供標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件接口應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)基于該接口進(jìn)行，無(wú)需考慮RFID 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，且不管底層的硬件怎樣更新?lián)Q代，只需將中間件升級(jí)更新，并保持該中間件的對(duì)外接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不需做任何修改，從而提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。
圖2 讀寫(xiě)模塊硬件中間件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)選用MF RC531作為射頻基站芯片。該芯片是NXP公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信的高集成IC讀寫(xiě)芯片系列中的一員。選用Freescale公司低價(jià)位、高性能的MC68HC908JB8(簡(jiǎn)稱JB8)作為模塊微控制器，它通過(guò)SPI通信方式與射頻基站芯片MF RC531連接，控制其完成讀取電子標(biāo)簽UID信息的工作。MFRC531支持SPI通信方式，在通信期間作為從機(jī)。控制芯片JB8內(nèi)部并沒(méi)有集成SPI模塊，其通信功能由x／o 口軟件模擬完成。
(2)天線設(shè)計(jì)
RFID系統(tǒng)中，射頻基站芯片(如MF RC531)通過(guò)天線發(fā)射能量，并與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。天線的設(shè)計(jì)對(duì)通信的穩(wěn)定性非常重要，本設(shè)計(jì)采用直接匹配天線法，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 射頻天線電路原理
主控系統(tǒng)與讀寫(xiě)模塊通過(guò)SPI接口連接，獲取該模塊控制芯片內(nèi)存中存儲(chǔ)的電子標(biāo)簽信息，然后通過(guò)以太網(wǎng)通信接口將信息傳送給計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)處理。系統(tǒng)采用Freescale公司l6位MCU MC9S12NE64為主控芯片，其內(nèi)部集成EMAC(Ethemet Media Access Controller，以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器)和EPHY(Ethemet Phyrsical Transceiver，以太網(wǎng)物理層收發(fā)器)，可配合第三方TCWIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信功能，從而實(shí)現(xiàn)單芯片的以太網(wǎng)連接方案。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括讀寫(xiě)模塊的軟件設(shè)計(jì)及嵌入式以太網(wǎng)的軟件設(shè)計(jì)兩部分。讀寫(xiě)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)TYPE A & B電子標(biāo)簽的UID識(shí)別；嵌入式以太網(wǎng)部分實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信。
3．1 讀寫(xiě)模塊軟件設(shè)計(jì)
讀寫(xiě)模塊被設(shè)計(jì)成硬件中間件，為應(yīng)用系統(tǒng)和電子標(biāo)簽提供數(shù)據(jù)交互的接El。模塊微控制器MC68HC908JB8的主函數(shù)流程如圖4所示。
系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行MCU 以及相關(guān)模塊的初始化操作，然后進(jìn)入主循環(huán)。如圖4所示，主循環(huán)中不斷地切換讀卡模式，以滿足讀取TYPE A & B兩種電子標(biāo)簽UID的需求。一旦讀取成功，將UID賦給全局字節(jié)型數(shù)組變量Card_inform[]。Card_inform[0]存放電子標(biāo)簽的類(lèi)型，即“A”或“B”的ASCII碼，其后依次存放該類(lèi)型的UID。主控系統(tǒng)可以通過(guò)讀寫(xiě)模塊硬件中間件的SPI通信接口獲取Card inform[]中的內(nèi)容，獲取完畢后JB8將Card_inform[]數(shù)組清零。對(duì)RC531的復(fù)位和寄存器初始化操作原本放置在主循環(huán)之前，即每次JB8復(fù)位后只執(zhí)行一次。但是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)RC53l長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此將這兩步操作放在主循環(huán)中，以提高系統(tǒng)的魯棒性。
3．2 嵌入式以太網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì)
MC9S12NE64內(nèi)部集成的EMAC和EPHY模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的功能[5]。為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)需操作系統(tǒng)的精簡(jiǎn)嵌入式TCP／IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了MC9S12NE64的以太網(wǎng)接入功能。移植協(xié)議棧時(shí)，只要對(duì)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行修改，保持調(diào)用接口不變，上層協(xié)議就可以不作改動(dòng)。整個(gè)協(xié)議棧以循環(huán)方式運(yùn)行，MC9S12NE64以中斷方式接收以太幀，協(xié)議棧對(duì)接收到的以太幀自底向上進(jìn)行過(guò)濾，并作相應(yīng)處理。各層設(shè)計(jì)如下：
① 鏈路層— —MC9S12NE64 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，ARP協(xié)議；
② 網(wǎng)絡(luò)層—— IP協(xié)議，ICMP回顯應(yīng)答服務(wù)；
?、?nbsp;傳輸層——UDP協(xié)議。
3．3 TYPE A&B電子標(biāo)簽的UID識(shí)別測(cè)試
圖5給出了識(shí)別TYPE A & B兩種電子標(biāo)簽UID的測(cè)試結(jié)果。
PC機(jī)主動(dòng)發(fā)送包含通信命令的UDP數(shù)據(jù)報(bào)給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器接收到該數(shù)據(jù)報(bào)后，將獲取的最新UID信息通過(guò)UDP協(xié)議返回給PC主機(jī)。測(cè)試的各項(xiàng)具體參數(shù)如表l所列。
圖4 讀寫(xiě)模塊主函數(shù)流程
圖5 TYPE A&B電子標(biāo)簽的UID識(shí)別測(cè)試結(jié)果
在沃爾瑪?shù)却笮蜕痰甑拇罅ν苿?dòng)下，RFID技術(shù)在很多行業(yè)開(kāi)始得到應(yīng)用，并且這個(gè)趨勢(shì)愈演愈烈。然而在我國(guó)這樣一個(gè)人口眾多、擁有大量廉價(jià)勞動(dòng)力的國(guó)家，電子標(biāo)簽的成本成為RFID普及的一個(gè)制約因素。本文介紹的RFID系統(tǒng)以第二代身份證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀電子標(biāo)簽，為解決這一問(wèn)題提供了參考。通過(guò)與嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，研究以二代身份證為載體的局域網(wǎng)內(nèi)RFID系統(tǒng)的應(yīng)用方法，不僅為現(xiàn)有只讀電子標(biāo)簽管理系統(tǒng)的升級(jí)提供了一種參考模型，而且擴(kuò)展了二代身份證的使用范圍，實(shí)現(xiàn)了一卡多用。
