摘  要： 著重分析了基于日立公司μ-Chip芯片的RFID防偽票證系統(tǒng)。介紹了RFID的工作原理及具有防沖撞功能RFID讀寫機(jī)的設(shè)計(jì)。根據(jù)μ-Chip芯片的特點(diǎn)，提出了基于μ-Chip芯片的票證讀寫器軟硬件的設(shè)計(jì)及其達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并給出了RFID防偽票證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成和軟件流程。描述了基于μ-Chip芯片的防偽票證系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞： μ-Chip；RFID；防沖撞；讀寫器

　眾所周知，奧運(yùn)會(huì)是目前世界上規(guī)模最宏大的綜合性體育賽事，集體育比賽、休閑、交流、游玩、購物及其他商業(yè)活動(dòng)于一體，因此，承載該賽事的奧運(yùn)場(chǎng)館必將接納龐大的觀眾、運(yùn)動(dòng)員、管理人員和服務(wù)人員等，且人群身份極其復(fù)雜并處于不停的移動(dòng)之中。
如何驗(yàn)證人員所持的票卡和證件是否有效？如何及時(shí)跟蹤和查詢?nèi)藛T是否進(jìn)入到指定區(qū)域？當(dāng)人員誤入或非法闖入禁入?yún)^(qū)域時(shí)又如何警示和引導(dǎo)其迅速離開？如何實(shí)時(shí)查詢某區(qū)域人員擁擠程度？采用RFID[1]電子門票管理系統(tǒng)將能解決上述問題。
　RFID電子門票是一種將智能芯片嵌入紙質(zhì)門票等介質(zhì)中，用于快捷檢票/驗(yàn)票并能實(shí)現(xiàn)對(duì)持票人進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的定位跟蹤和查詢管理的新型門票。2008年北京奧運(yùn)會(huì)使用了基于RFID芯片技術(shù)的電子門票，生動(dòng)體現(xiàn)了“科技奧運(yùn)”和“人文奧運(yùn)”的深刻內(nèi)涵。
1 RFID的工作原理
　電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合組件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)根據(jù)時(shí)序關(guān)系實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、資料的交換。RFID系統(tǒng)的基本模型如圖1所示。發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合類型有兩種。(1)電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。(2)電磁反向散射耦合。雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

　電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器和收音機(jī)原理一樣，射頻標(biāo)簽和閱讀器也要調(diào)制到相同的頻率才能工作。LF、HF、UHF就對(duì)應(yīng)著不同頻率的射頻。LF代表低頻射頻，在125 kHz左右，HF代表高頻射頻，在13.56 MHz左右，UHF代表超高頻射頻，在850 MHz~910 MHz范圍之內(nèi)，還有2.4 GHz的微波讀寫器。
電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。
　不同國家所使用的RFID頻率也不盡相同，各國政府也通過調(diào)整閱讀器的功率來限制它對(duì)其他設(shè)備的影響。有些組織(如全球商務(wù)促進(jìn)委員會(huì))正鼓勵(lì)政府取消限制，標(biāo)簽和閱讀器生產(chǎn)廠商也正在開發(fā)能使用不同頻率的系統(tǒng)以避免這些問題。
2 RFID讀寫器防沖撞原理
　RFID技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)是同時(shí)讀取復(fù)數(shù)個(gè)標(biāo)簽。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在通信上所采取的技術(shù)是“防沖撞”，同時(shí)，讀取復(fù)數(shù)個(gè)標(biāo)簽是常被人們談及的RFID比條形碼更為優(yōu)越的地方，但是如果沒有“防沖撞”的功能，RFID系統(tǒng)只能讀寫一個(gè)標(biāo)簽。在這種情況下，如果有兩個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)處于可讀取的范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致讀取的錯(cuò)誤。
　即使是具有“防沖撞”功能的RFID系統(tǒng)，實(shí)際上并非同時(shí)讀取所有標(biāo)簽的內(nèi)容。在同時(shí)查出有復(fù)數(shù)個(gè)標(biāo)簽存在的情況下，檢索信號(hào)并且防止沖突的功能開始動(dòng)作。為了進(jìn)行檢索，首先要確定檢索條件。例如，13.56 MHz頻帶的RFID系統(tǒng)中應(yīng)用ALOHA方式的防碰撞功能的工作步驟如下。
　(1)閱讀器指定電子標(biāo)簽內(nèi)存的特定位數(shù)(1~4位左右)為次數(shù)批量。
　(2)電子標(biāo)簽根據(jù)次數(shù)批量將響應(yīng)的時(shí)機(jī)離散化。例如，在兩位數(shù)的次數(shù)批量“00、01、10、11”時(shí)，讀寫器將以不同的時(shí)機(jī)對(duì)這四種可能性逐一進(jìn)行響應(yīng)。
　(3)若在各個(gè)時(shí)機(jī)里同時(shí)響應(yīng)的電子標(biāo)簽只有一個(gè)的場(chǎng)合下才能得到這個(gè)電子標(biāo)簽的正常數(shù)據(jù)，信息讀取后，閱讀器對(duì)于這個(gè)電子標(biāo)簽發(fā)送睡眠指令，使其在一定的時(shí)間內(nèi)不再響應(yīng)(Sleep/Mute)。
　(4)若在各個(gè)時(shí)機(jī)內(nèi)同時(shí)有幾個(gè)電子標(biāo)簽響應(yīng)，判別為“沖突”。在這種情況下，內(nèi)存內(nèi)的另外兩位數(shù)所記錄的次數(shù)批量重復(fù)從步驟(2)開始的處理。
　(5)所有的電子標(biāo)簽都完成響應(yīng)之后，閱讀器向它們發(fā)送喚醒的指令(Wake Up)，從而完成對(duì)所有電子標(biāo)簽的信息讀取。
　在這種搭載有“防沖撞”功能的RFID系統(tǒng)中，為了只讀一個(gè)標(biāo)簽，幾經(jīng)調(diào)整次數(shù)批量反復(fù)讀取進(jìn)行檢索。因此，在一次性讀取具有一定數(shù)量的標(biāo)簽的情況下，所有的標(biāo)簽都被讀到的速度是不同的，一次性讀取的標(biāo)簽數(shù)目越多，完成讀取所需時(shí)間要比單純計(jì)算所需的時(shí)間越長。
實(shí)現(xiàn)“防沖撞”功能是RFID在物流領(lǐng)域中取代條形碼所必不可少的條件。例如，在超市中，商品是裝在購物車?yán)锩孢M(jìn)行計(jì)價(jià)的。為了實(shí)現(xiàn)這種計(jì)價(jià)方式，“防沖撞”功能必須完備。具有“防沖撞”功能的RFID系統(tǒng)的價(jià)格比不具有這種功能的系統(tǒng)的要昂貴。當(dāng)個(gè)人用戶在制作RFID系統(tǒng)的時(shí)候，如果沒有必要進(jìn)行復(fù)數(shù)個(gè)ID同時(shí)識(shí)讀時(shí)就沒有必要選擇防碰撞功能的讀寫器。
3 μ-Chip芯片的技術(shù)指標(biāo)及優(yōu)勢(shì)[2]
3.1 μ-Chip芯片技術(shù)指標(biāo)
　(1)芯片尺寸：0.4 mm×0.4 mm×0.15 mm，超小超薄可嵌入紙張等較薄介質(zhì)中，不易損壞；
　(2)頻率：2.45 GHz；
　(3)存儲(chǔ)容量：128 bit只讀容量，出廠后不可復(fù)制或改寫ID；
　(4)可發(fā)行ID數(shù)量：2128個(gè)(1038)；
　(5)最大讀取距離：大約30 cm(使用外附天線)；
　(6)讀取速度：20 ms。
3.2 μ-Chip芯片優(yōu)勢(shì)
　線柔軟可彎曲，可以適應(yīng)多樣化需求；(3)具有高強(qiáng)度，耐用性強(qiáng)的特點(diǎn)；(4)其最初設(shè)計(jì)就是為了解決日元紙幣的防偽問題，使用專有的加密閱讀技術(shù)，具有極高的安全性能；(5)μ-Chip標(biāo)簽防偽技術(shù)與傳統(tǒng)印刷防偽技術(shù)的結(jié)合，使RFID防偽技術(shù)有了無法取代的優(yōu)勢(shì)。
4 票證閱讀器的硬件設(shè)計(jì)
　為了達(dá)到設(shè)計(jì)功能和環(huán)境需求，本讀取器主板采用了PCB 6 層設(shè)計(jì)，機(jī)殼加裝了電磁屏蔽網(wǎng)，還專門配備了標(biāo)準(zhǔn)接口用來外接計(jì)算機(jī)，采用的主要元件如下：
　(1)微處理器(MPU)。針對(duì)終端對(duì)高速運(yùn)算和數(shù)據(jù)庫操作的需求，并考慮到系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況，本讀取器系統(tǒng)采用ARM9核的SAMSUNG S3C2410處理器，最高主頻可達(dá)203 MHz[3]。
　(2)SDRAM存儲(chǔ)部分采用Hynix公司的HY57V561620CT內(nèi)存，存儲(chǔ)量為32 MB[4]。
　(3)Flash存儲(chǔ)器采用三星公司的K9F1208UOM Nand Flash，存儲(chǔ)量為64 MB。
　(4)RFID閱讀器模塊采用了日立公司的系列產(chǎn)品。
　(5)網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用了Realtek 8039芯片，支持10 MHz/100 MHz網(wǎng)絡(luò)通信[5]。
票證讀寫器的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

　閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送自身編碼和相關(guān)信息以被讀取器讀取并解碼，然后送回計(jì)算機(jī)中進(jìn)行相關(guān)處理。識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。高性能的RFID讀寫器可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體。
在實(shí)際應(yīng)用中，各類電磁干擾源和采集點(diǎn)非常多，而通常的RFID讀寫器由于采用單片機(jī)為主控制器，運(yùn)算能力弱，本地不具備數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)能力，不具備較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力要求較高。而如果直接將所有采集點(diǎn)(通常多達(dá)數(shù)百點(diǎn))所讀取的信息直接傳回服務(wù)器，由于要在服務(wù)器上進(jìn)行繁重的數(shù)據(jù)分析和干擾排除，過大的數(shù)據(jù)量和計(jì)算量很容易造成服務(wù)器端的信息堵塞，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的解決方案往往直接使用價(jià)格昂貴的工業(yè)PC機(jī)完成前端工作，但這樣無疑大大增加了總體的部署成本。本系統(tǒng)通過功能強(qiáng)大的RFID嵌入式終端，直接在本地完成復(fù)雜的標(biāo)簽讀取、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、干擾排除、信息提取和數(shù)據(jù)保存等工作，僅將有效信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺(tái)服務(wù)器，這樣就大大降低了網(wǎng)絡(luò)通信的開銷和服務(wù)器的資源占用，從而提高了系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，增加了業(yè)務(wù)的靈活性。
5 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)
5.1 票務(wù)系統(tǒng)概述
　RFID票務(wù)防偽系統(tǒng)是一套將RFID技術(shù)應(yīng)用于票務(wù)防偽的解決方案，如圖2所示。本方案基于日立μ-Chip芯片RFID標(biāo)簽，由系統(tǒng)硬件及應(yīng)用軟件構(gòu)成。本系統(tǒng)能夠通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口與用戶現(xiàn)有票務(wù)發(fā)行軟件有機(jī)結(jié)合，能讓用戶以最小的成本將現(xiàn)有票務(wù)系統(tǒng)升級(jí)到RFID票務(wù)防偽系統(tǒng)。
票務(wù)系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

門票流通圖如圖4所示。
5.2 票務(wù)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)
　票務(wù)防偽管理系統(tǒng)由中央數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、售票子系統(tǒng)、驗(yàn)票子系統(tǒng)等模塊組成，除需配備常規(guī)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備外，還需配備門票發(fā)行設(shè)備、門票檢票設(shè)備和RFID電子門票。
　票務(wù)防偽管理系統(tǒng)軟件部分由發(fā)行端軟件和數(shù)據(jù)

　將μ-Chip嵌入入場(chǎng)券中，由于其只讀的特性，可避免信息被復(fù)制到同樣的μ-Chip芯片上，真正實(shí)現(xiàn)了每張入場(chǎng)券被賦予一個(gè)唯一的識(shí)別碼，起到有效的防偽作用。而可讀可寫的芯片理論上是可復(fù)制的，而且為了防止非法讀寫，可讀可寫的芯片需要不斷提高保密等級(jí)從而不斷增加芯片的單價(jià)成本，但事實(shí)上，又并不能從根本上解決隨時(shí)被解密的煩惱。
　將μ-Chip芯片嵌入到門票中，除了門票的防偽，μ-Chip還有在非接觸情況下高速進(jìn)行通信的特點(diǎn)，保證了大型賽事大量人流情況下的檢票速度。同時(shí)，后臺(tái)的集中管理可以即時(shí)監(jiān)控各個(gè)入場(chǎng)口的人流，甚至監(jiān)控到個(gè)人。此外，通過ID管理可為持券者提供預(yù)約及其他更為豐富、體貼的服務(wù)，滿足每位持券者的不同需求；更可依據(jù)后臺(tái)記錄的大量信息，給運(yùn)營商在會(huì)員管理上增加高附加值服務(wù)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)個(gè)性化和人性化的服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
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