??? 摘? 要： 傳統射頻識別(RFID）防偽系統僅利用標簽編碼的唯一性完成，存在著非法讀寫器惡意讀取和假數據欺騙的安全隱患。針對上述缺點，介紹了一種新的基于RFID技術的防偽讀寫器的設計與實現，探討了利用RFID和GSM通信，對讀寫器和商品編碼進行雙重認證的防偽驗證機制。建立了商品防偽模型，并進行了實際測試。結果表明，系統能夠安全、高效地運行。?
??? 關鍵詞： 防偽; RFID讀寫器; GSM; ISO/IEC 15693
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??? 長期以來，防偽技術一直是人們關注的問題。我國的防偽技術經過十幾年的發展，已經達到了百億元的市場規模。目前，防偽領域逐漸興起電子防偽的潮流，其中,RFID作為新興的防偽技術已經引起了廣泛關注。?
??? 射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸無線識別技術。目前,RFID防偽應用基本上是基于唯一的ID號來完成。RFID標簽芯片內有用于產品標識的全球唯一編碼以及產品驗證信息，該信息被專用讀寫器所讀取，讀取到的信息被發送到后臺數據庫，后臺數據庫通過查詢驗證將結果返回到顯示設備，標簽采用可損壞式標簽，一旦損壞，信息就無法被讀取，這樣能夠保證數據內容不被竊取，通過以上措施達到防偽目的[1-2]。?
1 系統特點和功能?
??? 傳統的RFID防偽應用模式只考慮利用標簽的唯一編碼來實現防偽驗證，由于無線信道的開放性，系統難以防止來自非法讀寫器的標簽數據惡意讀取和假數據欺騙。針對以上缺點，本文設計一種基于RFID和GSM短消息通信的防偽系統。?
??? 該系統由手持式讀寫器前端系統和后臺防偽數據庫兩部分組成。手持式讀寫器系統位于零售商處，后臺防偽數據庫由生產企業管理，前后端系統之間利用GSM短消息實現數據交互。防偽讀寫器以SIM(Subscriber Identity Model)卡號作為本身的ID號，SIM卡是一塊大規模集成電路，上面存儲了客戶的信息、加密的密鑰等內容，完全防止了被復制和盜用的可能，能夠有效防止非法讀寫器的標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計和實現。該讀寫器工作頻段為13.56 MHz，符合ISO/IEC 15693協議，能夠通過GSM通信收發短消息與企業防偽服務器交互，對產品進行驗證。下面詳細介紹RFID防偽讀寫器的硬件設計和軟件流程以及防偽讀寫器的防偽機制。?
2 硬件設計?
??? RFID防偽采用專用防偽讀寫器對標簽內數據進行讀取，現場驗證設備包括標簽和防偽讀寫器兩部分。本文只介紹防偽讀寫器的硬件設計與實現，對標簽部分不作介紹，只要符合ISO/IEC 15693協議的標簽均可讀取。?
??? 系統采用ATMEL公司的AT89C51RD2作為主控芯片，采用專用讀寫器芯片對標簽進行讀寫，標簽中的數據驗證通過后由液晶屏顯示，同時標簽中的防偽數據通過GSM/GPRS模塊發送到后臺防偽服務器，防偽服務器接收數據，并對防偽讀寫器(SIM卡號)和商品信息進行雙重驗證，并將結果返回防偽讀寫器，完成驗證。硬件框圖如圖1所示。?
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2.1射頻電路設計?
??? 讀寫模塊選用韓國3Logic公司的TRH031M芯片。該芯片具有高達64 B的內部數據FIFO，通過內部硬件電路完成CRC校驗。系統與主控制器采用3.3 V CMOS接口，采用數據總線為8位的Intel讀寫模式，并選用地址數據總線共享模式。同時有中斷請求線(IRQ)與主控制器相連。?
??? ISO/IEC 15693協議規定，識別卡到讀寫器的通信使用副載波進行振幅鍵控或者頻移鍵控。當使用振幅鍵控時，副載波的頻率fs為424 kHz(fc/32)；當使用頻移鍵控時，2個副載波頻率fs分別為424 kHz（fc/32）、484 kHz(fc/28)。調制后的信號頻譜將在載波頻率兩邊產生2條邊帶譜線，其頻率分別為fH=fc+fs、fL=fc-fs，因此必須保證天線能良好接收此邊帶信號。天線帶寬應大于fH-fL=2fs=848 kHz或968 kHz。以了保證天線能良好接收信號，天線帶寬應大于968 kHz。以此綜合考慮能量供應和通信距離，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，用于數字通信、鍵盤和音頻等。?
2.2.1 SIM卡電路?
??? SIM卡符合GB/T 16649標準和ISO/IEC 7816協議所規定的SIM卡的物理特性、觸點規范、傳輸協議和數據編碼規則等。?
??? 為了實現對SIM卡的靜電保護，需要在除SIM卡電源腳外的管腳加入保護二極管，并且要求保護二極管的寄生電容不超過10 pF。在此選用集成保護二極管芯片DALC208作為保護芯片。DALC208片內集成8只兩兩串聯的二極管，寄生電容小于5 pF，可實現對4個管腳的保護[4]。?
2.2.2 LED指示電路?
??? Q2403A模塊提供LED指示功能。LED狀態與模塊的工作狀態對應關系如表1所示。通過LED指示燈，用戶可以直觀了解Q2403A的工作狀態。?
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2.3主控模塊?
??? 系統選用單片機AT89C51RD2作為主控制器，具有4個8位數據輸入輸出端口,時鐘頻率最高可達60 MHz，1 792 B的片內XRAM，雙數據指針，具有電源管理功能，另外還有UART接口、鍵盤接口、看門狗電路;內部程序存儲器達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?
??? 本系統選用鋰電池作為主要供電電源，也可以通過外部開關電源輸入供電。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數據傳送期間，主控制器、LED和蜂鳴器能得到穩定的電源電壓，選用MAXIM的MAX1595(3.3 V)作為主控制器電壓調節器。?
??? 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壓器MAX1818(3.3 V)作為讀寫器模塊的電壓調節器。THR031M的數字電源(DVDD)、模擬電源(AVDD)和射頻發送電源（TVDD）輸入端應分別加入濾波網絡。濾波電路采用L型網絡，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 鍵盤和顯示設計?
??? AT89C51RD2提供方便的鍵盤管理功能。單片機內部有專門的寄存器進行鍵盤管理。設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作為顯示設備。?
3 軟件設計?
3.1軟件總體流程?
??? 防偽讀寫器工作上電復位后首先進行系統初始化：對液晶模塊和TRH031M的初始配置，檢測SIM卡是否已插入，GSM網絡是否可用，電池電量檢測，防死機工作等。?
??? 初始化結束后進入等待防偽標簽檢測界面，用戶輸入確定后進行標簽檢測，TRH031模塊中斷告知主控制器檢測結果，主控制器進行防碰撞處理并選定標簽。讀取到商品ID號后，消費者可以選擇輸入自己的手機號或者不輸入，當輸入手機號后，防偽讀寫器將消費者手機號和讀取到的商品ID同時發送到后臺服務器進行防偽驗證，后臺服務器會將驗證結果同時發送到消費者手機和防偽讀寫器中。如果消費者沒有輸入手機號，則防偽讀寫器將只發送商品ID給后臺服務器，后臺服務器也只將結果發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 讀寫程序設計?
??? 讀寫器（VCD）與識別卡（VICC）之間指令和數據的通信，是一種基于“VCD先說”的機制。即除非接收到并正確地解碼一個VCD發送過來的指令，否則VICC將不會有動作。VCD發送請求格式及VICC響應格式分別如表2、表3所示。?
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?? TRH031M封裝了符合ISO/IEC 15693協議的物理層和數據鏈路層，只需在傳輸層以上編寫程序。在發送指令時，只需將指令代碼寫入FIFO寄存器，然后啟動發送命令即可。?
??? ISO/IEC 15693協議中描述的防沖突在VCD端采用輪詢的機制，在VICC端采用比較應答的機制。讀寫器(VCD)采用請求目錄指令(Inventory Command)查詢當前磁場范圍內VICC的唯一標識符(UID)來解決沖突問題，其參數包括：標志、命令、可選的應用標識符、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協議中提供的防沖突算法具有更先進的機制。命令序列中的標志字節(Flags)中的第5位為應用標識符標志(AFI_flag)，當此標志置1時，命令序列中要包含AFI域，識別卡比較收到的AFI域與自己的應用標識符AFI是否匹配，如果不匹配，則識別卡不響應。?
??? 命令序列中的標志字節(Flags)中第6位為時隙數目標志位(Nb_slots_flag)，當Nb_slots_flag=0時，請求目錄指令采用16時隙的方式，這就是在輪詢機制的基礎上加入了時隙ALOHL防沖突算法。時隙數附加在MASK VALUE前同時進行比較，將使沖突發生的概率更小，讀寫時間更短[5]。?
3.3 GSM/GPRS通信程序設計?
??? 防偽讀寫器中用到的GSM通信主要為短消息的發送和接收。防偽讀寫器將用戶手機號(可選)和商品ID號利用短消息的方式發送到后臺驗證服務器，后臺驗證后將驗證結果以短消息的方式發送到用戶手機和防偽讀寫器。?
??? 短消息收發有關的規范主要包括GSM 03.38、GSM 03.40和GSM 07.05。前二者著重描述SMS的技術實現(含編碼方式)，后者則規定了SMS的DTE-DCE接口標準(AT命令集)。一共有3種方式來發送和接收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，從技術上說也可用于發送中文短消息，但國內手機基本上不支持，主要用于歐美地區。PDU Mode被所有手機支持，可以使用任何字符集，這也是手機默認的編碼方式。因為需要發送和接收中文，因此本設計采用PDU模式收發短信。?
??? 主控制器與Q2403A采用串行異步通信接口，可以設置波特率，本設計采用9 600 b/s的波特率。主控制器采用AT指令對Q2403A進行控制。?
??? PDU相當于一個數據包，它由構成短消息(SMS)的信息組成。包含有源/目的地址、有效時間、數據格式、協議類型和正文，正文的長度可達140 B，它們都以十六進制表示，即只包含由0～9、A～F這些數字和字母。PDU格式分別如表4、表5所示。?
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??? 消費者選擇輸入手機號時，防偽讀寫器在用戶信息（UD）中將同時發送商品ID號和消費者手機號，如果沒有輸入，則只發送商品ID號。?
??? 本文給出了基于RFID和GSM通信的防偽讀寫器的設計與實現，以酒類防偽和家電類防偽為模型，對系統進行了實際測試，運行良好，能夠實時準確地反饋驗證結果給消費者，操作簡單，顯示直觀。該系統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器驗證的防偽機制，具有技術難度高難以仿造的特點。該防偽機制為電子防偽提供了新的途徑，具有廣闊的應用前景。?
參考文獻?
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[2] 李龍, 楊莉.射頻IC卡在酒瓶防偽裝置中的應用[J]. 自動化技術與應用，2007,26(8):113-114.?
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[5] ISO/IEC 15693[S]. Identification cards-contactless integrated circuit(s) cards-vicinity cards. ISO/IEC, 2000.