基于μ-Chip芯片RFID防伪票证系统的设计

摘  要： 着重分析了基于日立公司μ-Chip芯片的RFID防伪票证系统。介绍了RFID的工作原理及具有防冲撞功能RFID读写机的设计。根据μ-Chip芯片的特点，提出了基于μ-Chip芯片的票证读写器软硬件的设计及其达到的技术指标，并给出了RFID防伪票证系统的设计组成和软件流程。描述了基于μ-Chip芯片的防伪票证系统应用特点和发展前景。
关键词： μ-Chip；RFID；防冲撞；读写器
   　众所周知，奥运会是目前世界上规模最宏大的综合性体育赛事，集体育比赛、休闲、交流、游玩、购物及其他商业活动于一体，因此，承载该赛事的奥运场馆必将接纳庞大的观众、运动员、管理人员和服务人员等，且人群身份极其复杂并处于不停的移动之中。
如何验证人员所持的票卡和证件是否有效？如何及时跟踪和查询人员是否进入到指定区域？当人员误入或非法闯入禁入区域时又如何警示和引导其迅速离开？如何实时查询某区域人员拥挤程度？采用RFID[1]电子门票管理系统将能解决上述问题。
　RFID电子门票是一种将智能芯片嵌入纸质门票等介质中，用于快捷检票/验票并能实现对持票人进行实时、精准的定位跟踪和查询管理的新型门票。2008年北京奥运会使用了基于RFID芯片技术的电子门票，生动体现了“科技奥运”和“人文奥运”的深刻内涵。
1 RFID的工作原理
　电子标签与阅读器之间通过耦合组件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递、资料的交换。RFID系统的基本模型如图1所示。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。(1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。(2)电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。
   
   　电磁反向散射耦合型的RFID读写器和收音机原理一样，射频标签和阅读器也要调制到相同的频率才能工作。LF、HF、UHF就对应着不同频率的射频。LF代表低频射频，在125 kHz左右，HF代表高频射频，在13.56 MHz左右，UHF代表超高频射频，在850 MHz~910 MHz范围之内，还有2.4 GHz的微波读写器。
电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。
　不同国家所使用的RFID频率也不尽相同，各国政府也通过调整阅读器的功率来限制它对其他设备的影响。有些组织(如全球商务促进委员会)正鼓励政府取消限制，标签和阅读器生产厂商也正在开发能使用不同频率的系统以避免这些问题。
2 RFID读写器防冲撞原理
　RFID技术的一个难点是同时读取复数个标签。为了实现这个功能，在通信上所采取的技术是“防冲撞”，同时，读取复数个标签是常被人们谈及的RFID比条形码更为优越的地方，但是如果没有“防冲撞”的功能，RFID系统只能读写一个标签。在这种情况下，如果有两个以上的标签同时处于可读取的范围内，就会导致读取的错误。
　即使是具有“防冲撞”功能的RFID系统，实际上并非同时读取所有标签的内容。在同时查出有复数个标签存在的情况下，检索信号并且防止冲突的功能开始动作。为了进行检索，首先要确定检索条件。例如，13.56 MHz频带的RFID系统中应用ALOHA方式的防碰撞功能的工作步骤如下。
　(1)阅读器指定电子标签内存的特定位数(1~4位左右)为次数批量。
　(2)电子标签根据次数批量将响应的时机离散化。例如，在两位数的次数批量“00、01、10、11”时，读写器将以不同的时机对这四种可能性逐一进行响应。
　(3)若在各个时机里同时响应的电子标签只有一个的场合下才能得到这个电子标签的正常数据，信息读取后，阅读器对于这个电子标签发送睡眠指令，使其在一定的时间内不再响应(Sleep/Mute)。
　(4)若在各个时机内同时有几个电子标签响应，判别为“冲突”。在这种情况下，内存内的另外两位数所记录的次数批量重复从步骤(2)开始的处理。
　(5)所有的电子标签都完成响应之后，阅读器向它们发送唤醒的指令(Wake Up)，从而完成对所有电子标签的信息读取。
　在这种搭载有“防冲撞”功能的RFID系统中，为了只读一个标签，几经调整次数批量反复读取进行检索。因此，在一次性读取具有一定数量的标签的情况下，所有的标签都被读到的速度是不同的，一次性读取的标签数目越多，完成读取所需时间要比单纯计算所需的时间越长。
实现“防冲撞”功能是RFID在物流领域中取代条形码所必不可少的条件。例如，在超市中，商品是装在购物车里面进行计价的。为了实现这种计价方式，“防冲撞”功能必须完备。具有“防冲撞”功能的RFID系统的价格比不具有这种功能的系统的要昂贵。当个人用户在制作RFID系统的时候，如果没有必要进行复数个ID同时识读时就没有必要选择防碰撞功能的读写器。
3 μ-Chip芯片的技术指标及优势[2]
3.1 μ-Chip芯片技术指标
　(1)芯片尺寸：0.4 mm×0.4 mm×0.15 mm，超小超薄可嵌入纸张等较薄介质中，不易损坏；
　(2)频率：2.45 GHz；
　(3)存储容量：128 bit只读容量，出厂后不可复制或改写ID；
　(4)可发行ID数量：2128个(1038)；
　(5)最大读取距离：大约30 cm(使用外附天线)；
　(6)读取速度：20 ms。
3.2 μ-Chip芯片优势
　线柔软可弯曲，可以适应多样化需求；(3)具有高强度，耐用性强的特点；(4)其最初设计就是为了解决日元纸币的防伪问题，使用专有的加密阅读技术，具有极高的安全性能；(5)μ-Chip标签防伪技术与传统印刷防伪技术的结合，使RFID防伪技术有了无法取代的优势。
4 票证阅读器的硬件设计
　为了达到设计功能和环境需求，本读取器主板采用了PCB 6 层设计，机壳加装了电磁屏蔽网，还专门配备了标准接口用来外接计算机，采用的主要元件如下：
　(1)微处理器(MPU)。针对终端对高速运算和数据库操作的需求，并考虑到系统外围设备的需求情况，本读取器系统采用ARM9核的SAMSUNG S3C2410处理器，最高主频可达203 MHz[3]。
　(2)SDRAM存储部分采用Hynix公司的HY57V561620CT内存，存储量为32 MB[4]。
　(3)Flash存储器采用三星公司的K9F1208UOM Nand Flash，存储量为64 MB。
　(4)RFID阅读器模块采用了日立公司的系列产品。
　(5)网络通信模块采用了Realtek 8039芯片，支持10 MHz/100 MHz网络通信[5]。
票证读写器的技术指标如表1所示。