RFID卡在学校就餐管理系统中的应用设计

文章出处：http://www.singbon.com 作者：李佳 收编   人气： 发表时间：2011年11月08日

    1 概述

    现在，在一些就餐比较集中的大、中专及中学里，学生的就餐基本上采用微机管理，学生凭一张非接触式的RFID卡就可以很方便地在学校食堂消费。有些学校还采用了校园一卡通，只要持有一张合法的RFID卡，就可在全校范围内的公共消费场所进行消费。

    RFID(Radio Frequency Identification)即射频识别卡或是感应式电子芯片。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。AT88RF020就是Atmel公司生产的非接触式RFID卡。

    2 RFlD卡AT88RF020的特点

    ◇AT88RF020是13．56 MHz射频卡，遵循ISO／IEC 14443 Type B协议;
    ◇容量为2048位；
    ◇每张卡有唯一序列号；
    ◇带有加密和锁定功能；
    ◇一个一次性计数器；
    ◇所有传输信息中包括一个字节的循环校验码；
    ◇写时间为3 ms；
    ◇写次数为100 000次；
    ◇工作环境是O～70℃。

    3 RFID射频识别技术的组成及工作原理

    3．1 RFID系统的基本组成

    ①标签(tag，即射频卡)。由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。图1是RFID芯片AT88RF020的内部结构原理图。

    ②阅读器(reader或叫读卡器)。读取(除读卡外还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。

    ③天线(antenna)。在标签(射频卡)和读卡器之间传递射频信号。

    有些系统还通过读卡器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。

    3．2 RFID系统的基本工作原理

    读卡器通过发射天线发送一定频率(如13．56 MHz)的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活。射频卡将自身编码等信息通过射频卡的内置发射天线发送出去。系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

    3．3 RFID系统读卡器的结构及工作原理

    对读卡器而言，在耦合方式(如电感-电磁)、通信流程(如FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到读卡器的数据传输方法(如负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别。但所有的读卡器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理如图2所示。

    读卡器控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器问要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和读卡器间的身份验证等附加功能。

    4 RFID卡AT88RF020的存储结构

    Atmel的AT88Rt020射频卡芯片有2048位的存储容量，分成32页，每页8个字节，存储组织结构如表1所列。

    表1中标有“—”的字节由用户定义，出厂时初始值为0。

    ①Pseudo Unique PICC Identifier。卡唯一序列号，卡序列号由卡厂家写入，不能被修改。
    ②Applicatlon Data。应用数据，这个数据被作为ATQB回复信息的一部分由卡传输到读写器中。
    ③counter。计数器，每执行一次COUNT指令，计数器的值就加1，初始值由厂家设为0。
    ④Signature。签名(用于加密)，这个数据位于第2页的前6个字节，可以通过COUNT指令修改，counter和Signature 可以提供更进一步的安全保护。
    ⑤Password。密码，密码放在第3页中，不能读出。
    ⑥Lock Bits。锁定位，位于第0页，验证密码后，能用LocK命令修改。锁定位中的每一位与内存各页对应，如果某位被设为“1”，则对应的页就被锁死，不能再进行写操作，也没有机制解锁，所以某页一旦被锁，其内容再也不能修改，出厂初始值为0。

    AT88RF020通电或重启的工作流程如图3所示。

    5 RFlD卡AT88RF020的常用命令与函数

    5.1 AT88RF020的常用命令

    ①REQB／WUPB：用于寻卡或者唤醒处于HALT状态的卡，这种卡只响应应用代码(API)为00或01的情况，如果接收到一个带有无效API代码的WUPB命令，那么卡仍然处于HALT状态。
    ②ATTRIB：用于从所有响应REQB／WUPB的卡中选择一张卡，此后，卡进入AC-TIVE状态。
    ③Slot MARKER：为读写器提供了一种用于查询随机数大于1的卡。
    ④HALTB：设置卡处于HALT状态，此后只能执行WUPB命令。
    ⑤READ：用于读取卡中的数据，读取页0～2可以不必验证密码，而第3页的数据不能读出，只能通过PASS—WORD命令修改，其他的页验证密码后可以读出。
    ⑥WRITE：用于对卡写入数据。
    ⑦LOCK：只有在验证密码之后才能执行，用于锁定某一地址区域，被锁定的地址区域在验证密码之后只可以进行读操作。
    ⑧CHECK PASSWORD：密码校验命令，在设备进入就绪状态之后执行。
    ⑨DESELECT：如果对处于ACTIVE状态的卡执行该命令，且通过，则卡发送一个正确的回答信息，并进入HALT状态。
    ⑩COUNT：用于写第2页。COUNT命令中所带的数据写入到第2页的前6个字节中，后2个字节被用做计数器使用，每执行一次COUNT命令，计数器的值就增1，如果计数器的值达到2的15次方，就不能再执行COUNT操作，且第2页被锁定，不能再修改。执行该命令之前要验证密码。

    5.2 AT88RF020的函数

    下面以rf_attrib()函数为例来说明AT88RF020的函数用法。

    ①函数rLattrib()的格式：
    int rI_attrib(HANDLE icdev，unsigned long pupi，unsigned char param，unsigned char cid，unsigned charbrTx，unsigned char brRx)；

    ②函数的功能。从已响应REQB／WUPB命令的卡中选取一张卡，同时给每一张卡分配一个ID号。

    ③函数的参数描述。
    icdev：rf_init()返回的设备描述符。pupi：Pseudo—Unique PICC Identifier。param：设为0。cid:卡片ID号(0～15)，这个值存储在卡片中供后面操作使用。
    brTx：由CD(近耦合设备)到PICC(近耦合集成电路卡)的波特率，对于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。
    brRx：由PICC到PCD的波特率，对于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。

    ④返回值。等于0表示成功；不等于0表示失败。

    ⑤例程。
    int st;
    unsigned char Mode=0;
    unsigned char_Data[15]；
    unsigned long pupi=0;
    st=rf_requestb(iedev，Mode，0～0 Data);
    if(st==0){
    memcpy(&pupi，&Data[1],4)；
    st=rf_attrih(icdev，pupi，0，0，0．0)；
}

    经过选卡后，如果有多张卡进入激活状态，则可以根据CID(射频卡ID号)在同一时间内对多张卡操作。以两张卡为例：
    int st；
    unsigned long pupi[2];
    unsigned char receive[256]，data[10];
    pupi[o]=0x25510200;／／卡1的pupi
    pupill]=Ox344e0200；／／卡2的pupi
    unsigned char cid=0;
    st=rf_requestb(icdev，0,0,0，receive);／／选择一张卡
    ／／in the case of the response card is card 1
    cid一0；／／slot 0
    st=rf_attrib(icdev，pupiEO]，o，cid，0，O)；
    ／／select card 2
    st=rf_request(iedev，0，0，0，receive)；
    ／／in the case of the response card is card 2
    cid=1；
    st=rf_attrib(icdev．pupi[l]．0，cid，0，0)；
    ／／operate the two cards in the same time
    for(int i一0；i-(2；i++){
    st=rt_read(icdev，i，0，data)；
    ／／deseleet card 1
    st=at88rf020 deseleet(iedev，0)；
    ／／deseleet card 2
    st=at88rf020 deseleet(icdev．1)；

    6 RFlD卡在学校就餐管理中的应用

    6．1系统总体方案

    采用美国Atmel公司生产的AT88RF020射频识别卡、IDIc(Identification IntegratecI circuit)、读写基站集成电路u2270B和Atmel公司的8位单片机研制开发学校食堂就餐管理系统，系统具有预付收费、目标识别、身份验证、数据采集、数据加密和数据库管理的功能。系统由AT88RF020卡、就餐管理终端、数据库管理系统、就餐管理终端与数据库管理微机的通信系统四部分组成。主机与就餐管理终端之间的通信采用RS一485通信标准，工作方式为半双工，每次通信都是主机首先呼叫从机。系统结构如图4所示。

    6．2通信硬件接口设计

    本系统中，就餐管理终端与上位机的通信选用了RS485总线标准，并采用了MAX465芯片来实现，它具有RS485通信接口需要的全部功能。数据通信的方向由RE和DE脚来控制，设计中二者连在一起，由单片机的Pl,5来控制。当它为高电平时，数据由就餐管理终端经MAX485到外部串行总线，即处于发送状态；为低电平时，数据由外部串行总线到就餐管理终端。一般微机的串行口采用RS232接口，故在上位机一端需要一个RS232／Rs485转换器。本设计中采用台湾Aten公司生产的IC-485SN转换器，它是一种双向RS232／R$485或RS422转换器，可提供点对点、点对多点(最多可达254个点)的全双工和半双工以及多点的单工串行通信。

    6．3通信软件接口设计

    上位机数据库管理系统采用Visual FoxPro(即VF)编写，这里介绍的串行通信程序主要是在VF中实现与就餐管理终端的通信程序设计。本系统采用标准的通信控
件commLmications进行通信程序的设计，实现挂失数据的发送、用户卡号的发送、发卡和就餐数据的接收。每次通信时，首先在上位机的lnlt事件中初始化通信控件olecon—troll，初始化设置为：
    thisform,olecontroll,commPort=1 ／／选择串行口COM1
    thisform,olecontroll,PortOpen=1 ／／打开串行口COM1
    thisform,olecontroll,lnpLltMode=O ／／接收的数据按文本方式
    thisform olecontroll,RTSEnable=1 ／／允许使用RTs线．用于
    ／／RS232／485转换器的发送控制和供电
    thisform,oleconatroll,InputLen=1 ／／每次读取接收缓冲
    ／／区的一个字符
    thisform,olecontroll,OutbifferCount=O／／清除发送缓冲区
    thisform,olecontroll,InbufferCotInt=O／／清除接收缓冲区

    结 语
  
    本文介绍了RFID卡ATRF88020的特点、工作原理及在学校就餐管理中的应用。RFID技术的典型应用还有；物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件／快运包裹处理、文档追踪／图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制／电子门票、道路自动收费等。