RFID卡在學校就餐管理系統中的應用設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：李佳 收編   人氣： 發表時間：2011年11月08日

    1 概述

    現在，在一些就餐比較集中的大、中專及中學里，學生的就餐基本上采用微機管理，學生憑一張非接觸式的RFID卡就可以很方便地在學校食堂消費。有些學校還采用了校園一卡通，只要持有一張合法的RFID卡，就可在全校范圍內的公共消費場所進行消費。

    RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識別卡或是感應式電子芯片。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動的物體，并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。AT88RF020就是Atmel公司生產的非接觸式RFID卡。

    2 RFlD卡AT88RF020的特點

    ◇AT88RF020是13．56 MHz射頻卡，遵循ISO／IEC 14443 Type B協議;
    ◇容量為2048位；
    ◇每張卡有唯一序列號；
    ◇帶有加密和鎖定功能；
    ◇一個一次性計數器；
    ◇所有傳輸信息中包括一個字節的循環校驗碼；
    ◇寫時間為3 ms；
    ◇寫次數為100 000次；
    ◇工作環境是O～70℃。

    3 RFID射頻識別技術的組成及工作原理

    3．1 RFID系統的基本組成

    ①標簽(tag，即射頻卡)。由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線間進行通信，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。圖1是RFID芯片AT88RF020的內部結構原理圖。

    ②閱讀器(reader或叫讀卡器)。讀取(除讀卡外還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。

    ③天線(antenna)。在標簽(射頻卡)和讀卡器之間傳遞射頻信號。

    有些系統還通過讀卡器的RS232或RS485接口與外部計算機(上位機主系統)連接，進行數據交換。

    3．2 RFID系統的基本工作原理

    讀卡器通過發射天線發送一定頻率(如13．56 MHz)的射頻信號，當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻卡獲得能量被激活。射頻卡將自身編碼等信息通過射頻卡的內置發射天線發送出去。系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到讀卡器，讀卡器對接收的信號進行解調和解碼，然后送到后臺主系統進行相關處理。主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

    3．3 RFID系統讀卡器的結構及工作原理

    對讀卡器而言，在耦合方式(如電感-電磁)、通信流程(如FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到讀卡器的數據傳輸方法(如負載調制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區別。但所有的讀卡器在功能原理上，以及由此決定的設計構造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發送器和接收器，其功能包括：產生高頻發射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發射信號進行調制，用于將數據傳送給射頻卡；接收并解調來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統的高頻接口設計具有一些差異，電感耦合系統的高頻接口原理如圖2所示。

    讀卡器控制單元的功能包括：與應用系統軟件進行通信，并執行應用系統軟件發來的命令；控制與射頻卡的通信過程(主-從原則)；信號的編解碼。對一些特殊的系統還有執行反碰撞算法，對射頻卡與閱讀器問要傳送的數據進行加密和解密，以及進行射頻卡和讀卡器間的身份驗證等附加功能。

    4 RFID卡AT88RF020的存儲結構

    Atmel的AT88Rt020射頻卡芯片有2048位的存儲容量，分成32頁，每頁8個字節，存儲組織結構如表1所列。

    表1中標有“—”的字節由用戶定義，出廠時初始值為0。

    ①Pseudo Unique PICC Identifier。卡唯一序列號，卡序列號由卡廠家寫入，不能被修改。
    ②Applicatlon Data。應用數據，這個數據被作為ATQB回復信息的一部分由卡傳輸到讀寫器中。
    ③counter。計數器，每執行一次COUNT指令，計數器的值就加1，初始值由廠家設為0。
    ④Signature。簽名(用于加密)，這個數據位于第2頁的前6個字節，可以通過COUNT指令修改，counter和Signature 可以提供更進一步的安全保護。
    ⑤Password。密碼，密碼放在第3頁中，不能讀出。
    ⑥Lock Bits。鎖定位，位于第0頁，驗證密碼后，能用LocK命令修改。鎖定位中的每一位與內存各頁對應，如果某位被設為“1”，則對應的頁就被鎖死，不能再進行寫操作，也沒有機制解鎖，所以某頁一旦被鎖，其內容再也不能修改，出廠初始值為0。

    AT88RF020通電或重啟的工作流程如圖3所示。

    5 RFlD卡AT88RF020的常用命令與函數

    5.1 AT88RF020的常用命令

    ①REQB／WUPB：用于尋卡或者喚醒處于HALT狀態的卡，這種卡只響應應用代碼(API)為00或01的情況，如果接收到一個帶有無效API代碼的WUPB命令，那么卡仍然處于HALT狀態。
    ②ATTRIB：用于從所有響應REQB／WUPB的卡中選擇一張卡，此后，卡進入AC-TIVE狀態。
    ③Slot MARKER：為讀寫器提供了一種用于查詢隨機數大于1的卡。
    ④HALTB：設置卡處于HALT狀態，此后只能執行WUPB命令。
    ⑤READ：用于讀取卡中的數據，讀取頁0～2可以不必驗證密碼，而第3頁的數據不能讀出，只能通過PASS—WORD命令修改，其他的頁驗證密碼后可以讀出。
    ⑥WRITE：用于對卡寫入數據。
    ⑦LOCK：只有在驗證密碼之后才能執行，用于鎖定某一地址區域，被鎖定的地址區域在驗證密碼之后只可以進行讀操作。
    ⑧CHECK PASSWORD：密碼校驗命令，在設備進入就緒狀態之后執行。
    ⑨DESELECT：如果對處于ACTIVE狀態的卡執行該命令，且通過，則卡發送一個正確的回答信息，并進入HALT狀態。
    ⑩COUNT：用于寫第2頁。COUNT命令中所帶的數據寫入到第2頁的前6個字節中，后2個字節被用做計數器使用，每執行一次COUNT命令，計數器的值就增1，如果計數器的值達到2的15次方，就不能再執行COUNT操作，且第2頁被鎖定，不能再修改。執行該命令之前要驗證密碼。

    5.2 AT88RF020的函數

    下面以rf_attrib()函數為例來說明AT88RF020的函數用法。

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

    ②函數的功能。從已響應REQB／WUPB命令的卡中選取一張卡，同時給每一張卡分配一個ID號。

    ③函數的參數描述。
    icdev：rf_init()返回的設備描述符。pupi：Pseudo—Unique PICC Identifier。param：設為0。cid:卡片ID號(0～15)，這個值存儲在卡片中供后面操作使用。
    brTx：由CD(近耦合設備)到PICC(近耦合集成電路卡)的波特率，對于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。
    brRx：由PICC到PCD的波特率，對于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。

    ④返回值。等于0表示成功；不等于0表示失敗。

    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)；
}

    經過選卡后，如果有多張卡進入激活狀態，則可以根據CID(射頻卡ID號)在同一時間內對多張卡操作。以兩張卡為例：
    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);／／選擇一張卡
    ／／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卡在學校就餐管理中的應用

    6．1系統總體方案

    采用美國Atmel公司生產的AT88RF020射頻識別卡、IDIc(Identification IntegratecI circuit)、讀寫基站集成電路u2270B和Atmel公司的8位單片機研制開發學校食堂就餐管理系統，系統具有預付收費、目標識別、身份驗證、數據采集、數據加密和數據庫管理的功能。系統由AT88RF020卡、就餐管理終端、數據庫管理系統、就餐管理終端與數據庫管理微機的通信系統四部分組成。主機與就餐管理終端之間的通信采用RS一485通信標準，工作方式為半雙工，每次通信都是主機首先呼叫從機。系統結構如圖4所示。

    6．2通信硬件接口設計

    本系統中，就餐管理終端與上位機的通信選用了RS485總線標準，并采用了MAX465芯片來實現，它具有RS485通信接口需要的全部功能。數據通信的方向由RE和DE腳來控制，設計中二者連在一起，由單片機的Pl,5來控制。當它為高電平時，數據由就餐管理終端經MAX485到外部串行總線，即處于發送狀態；為低電平時，數據由外部串行總線到就餐管理終端。一般微機的串行口采用RS232接口，故在上位機一端需要一個RS232／Rs485轉換器。本設計中采用臺灣Aten公司生產的IC-485SN轉換器，它是一種雙向RS232／R$485或RS422轉換器，可提供點對點、點對多點(最多可達254個點)的全雙工和半雙工以及多點的單工串行通信。

    6．3通信軟件接口設計

    上位機數據庫管理系統采用Visual FoxPro(即VF)編寫，這里介紹的串行通信程序主要是在VF中實現與就餐管理終端的通信程序設計。本系統采用標準的通信控
件commLmications進行通信程序的設計，實現掛失數據的發送、用戶卡號的發送、發卡和就餐數據的接收。每次通信時，首先在上位機的lnlt事件中初始化通信控件olecon—troll，初始化設置為：
    thisform,olecontroll,commPort=1 ／／選擇串行口COM1
    thisform,olecontroll,PortOpen=1 ／／打開串行口COM1
    thisform,olecontroll,lnpLltMode=O ／／接收的數據按文本方式
    thisform olecontroll,RTSEnable=1 ／／允許使用RTs線．用于
    ／／RS232／485轉換器的發送控制和供電
    thisform,oleconatroll,InputLen=1 ／／每次讀取接收緩沖
    ／／區的一個字符
    thisform,olecontroll,OutbifferCount=O／／清除發送緩沖區
    thisform,olecontroll,InbufferCotInt=O／／清除接收緩沖區

    結 語
  
    本文介紹了RFID卡ATRF88020的特點、工作原理及在學校就餐管理中的應用。RFID技術的典型應用還有；物流和供應管理、生產制造和裝配、航空行李處理、郵件／快運包裹處理、文檔追蹤／圖書館管理、動物身份標識、運動計時、門禁控制／電子門票、道路自動收費等。