基于AT88RF020非接觸式RFID卡實(shí)現(xiàn)學(xué)校就餐管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 概述

現(xiàn)在，在一些就餐比較集中的大、中專(zhuān)及中學(xué)里，學(xué)生的就餐基本上采用微機(jī)管理，學(xué)生憑一張非接觸式的RFID卡就可以很方便地在學(xué)校食堂消費(fèi)。有些學(xué)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(nèi)的公共消費(fèi)場(chǎng)所進(jìn)行消費(fèi)。

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識(shí)別卡或是感應(yīng)式電子芯片。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。AT88RF020就是Atmel公司生產(chǎn)的非接觸式RFID卡。

2 RFlD卡at88rf020的特點(diǎn)

◇AT88RF020是13．56 MHz射頻卡，遵循ISO／IEC 14443 Type B協(xié)議;

◇容量為2048位；

◇每張卡有唯一序列號(hào)；

◇帶有加密和鎖定功能；

◇一個(gè)一次性計(jì)數(shù)器；

◇所有傳輸信息中包括一個(gè)字節(jié)的循環(huán)校驗(yàn)碼；

◇寫(xiě)時(shí)間為3 ms；

◇寫(xiě)次數(shù)為100 000次；

◇工作環(huán)境是O～70℃。

3 RFID射頻識(shí)別技術(shù)的組成及工作原理

3．1 RFID系統(tǒng)的基本組成

①標(biāo)簽（tag，即射頻卡）。由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。圖1是RFID芯片AT88RF020的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。

②閱讀器（reader或叫讀卡器）。讀?。ǔx卡外還可以寫(xiě)入）標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。

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

有些系統(tǒng)還通過(guò)讀卡器的RS232或RS485接口與外部計(jì)算機(jī)（上位機(jī)主系統(tǒng)）連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3．2 RFID系統(tǒng)的基本工作原理

讀卡器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率（如13．56 MHz）的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)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(guò)射頻卡的內(nèi)置發(fā)射天線發(fā)送出去。系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

3．3 RFID系統(tǒng)讀卡器的結(jié)構(gòu)及工作原理

對(duì)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(shù)據(jù)傳輸方法（如負(fù)載調(diào)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(qū)別。但所有的讀卡器在功能原理上，以及由此決定的設(shè)計(jì)構(gòu)造上都很相似，所有閱讀器均可簡(jiǎn)化為高頻接口和控制單元兩個(gè)基本模塊。高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動(dòng)射頻卡并提供能量；對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調(diào)來(lái)自射頻卡的高頻信號(hào)。不同射頻識(shí)別系統(tǒng)的高頻接口設(shè)計(jì)具有一些差異，電感耦合系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的命令；控制與射頻卡的通信過(guò)程（主-從原則）；信號(hào)的編解碼。對(duì)一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法，對(duì)射頻卡與閱讀器問(wèn)要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，以及進(jìn)行射頻卡和讀卡器間的身份驗(yàn)證等附加功能。

4 RFID卡AT88RF020的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

Atmel的AT88Rt020射頻卡芯片有2048位的存儲(chǔ)容量，分成32頁(yè)，每頁(yè)8個(gè)字節(jié)，存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)如表1所列。

表1中標(biāo)有“—”的字節(jié)由用戶定義，出廠時(shí)初始值為0。

①Pseudo Unique PICC Identifier?？ㄎㄒ恍蛄刑?hào)，卡序列號(hào)由卡廠家寫(xiě)入，不能被修改。

②Applicatlon Data。應(yīng)用數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)被作為ATQB回復(fù)信息的一部分由卡傳輸?shù)阶x寫(xiě)器中。

③counter。計(jì)數(shù)器，每執(zhí)行一次COUNT指令，計(jì)數(shù)器的值就加1，初始值由廠家設(shè)為0。

④Signature。簽名（用于加密），這個(gè)數(shù)據(jù)位于第2頁(yè)的前6個(gè)字節(jié)，可以通過(guò)COUNT指令修改，counter和Signature 可以提供更進(jìn)一步的安全保護(hù)。

⑤Password。密碼，密碼放在第3頁(yè)中，不能讀出。

⑥Lock Bits。鎖定位，位于第0頁(yè)，驗(yàn)證密碼后，能用LocK命令修改。鎖定位中的每一位與內(nèi)存各頁(yè)對(duì)應(yīng)，如果某位被設(shè)為“1”，則對(duì)應(yīng)的頁(yè)就被鎖死，不能再進(jìn)行寫(xiě)操作，也沒(méi)有機(jī)制解鎖，所以某頁(yè)一旦被鎖，其內(nèi)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(shù)

5.1 AT88RF020的常用命令

①REQB／WUPB：用于尋卡或者喚醒處于HALT狀態(tài)的卡，這種卡只響應(yīng)應(yīng)用代碼（API）為00或01的情況，如果接收到一個(gè)帶有無(wú)效API代碼的WUPB命令，那么卡仍然處于HALT狀態(tài)。

②ATTRIB：用于從所有響應(yīng)REQB／WUPB的卡中選擇一張卡，此后，卡進(jìn)入AC-TIVE狀態(tài)。

③Slot MARKER：為讀寫(xiě)器提供了一種用于查詢隨機(jī)數(shù)大于1的卡。

④HALTB：設(shè)置卡處于HALT狀態(tài)，此后只能執(zhí)行WUPB命令。

⑤READ：用于讀取卡中的數(shù)據(jù)，讀取頁(yè)0～2可以不必驗(yàn)證密碼，而第3頁(yè)的數(shù)據(jù)不能讀出，只能通過(guò)PASS—WORD命令修改，其他的頁(yè)驗(yàn)證密碼后可以讀出。

⑥WRITE：用于對(duì)卡寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

⑦LOCK：只有在驗(yàn)證密碼之后才能執(zhí)行，用于鎖定某一地址區(qū)域，被鎖定的地址區(qū)域在驗(yàn)證密碼之后只可以進(jìn)行讀操作。

⑧CHECK PASSWORD：密碼校驗(yàn)命令，在設(shè)備進(jìn)入就緒狀態(tài)之后執(zhí)行。

⑨DEselect：如果對(duì)處于ACTIVE狀態(tài)的卡執(zhí)行該命令，且通過(guò)，則卡發(fā)送一個(gè)正確的回答信息，并進(jìn)入HALT狀態(tài)。

⑩COUNT：用于寫(xiě)第2頁(yè)。COUNT命令中所帶的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到第2頁(yè)的前6個(gè)字節(jié)中，后2個(gè)字節(jié)被用做計(jì)數(shù)器使用，每執(zhí)行一次COUNT命令，計(jì)數(shù)器的值就增1，如果計(jì)數(shù)器的值達(dá)到2的15次方，就不能再執(zhí)行COUNT操作，且第2頁(yè)被鎖定，不能再修改。執(zhí)行該命令之前要驗(yàn)證密碼。

5.2 AT88RF020的函數(shù)

下面以rf_attrib（）函數(shù)為例來(lái)說(shuō)明AT88RF020的函數(shù)用法。

①函數(shù)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(shù)的功能。從已響應(yīng)REQB／WUPB命令的卡中選取一張卡，同時(shí)給每一張卡分配一個(gè)ID號(hào)。

③函數(shù)的參數(shù)描述。

icdev：rf_init（）返回的設(shè)備描述符。pupi：Pseudo—Unique PICC Identifier。param：設(shè)為0。cid：卡片ID號(hào)（0～15），這個(gè)值存儲(chǔ)在卡片中供后面操作使用。

brTx：由CD（近耦合設(shè)備）到PICC（近耦合集成電路卡）的波特率，對(duì)于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。

brRx：由PICC到PCD的波特率，對(duì)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”_request

b（iedev，Mode，0～0 Data）;

if（st==0）{

memcpy（&pupi，&Data［1］，4）；

st=“rf”_attrih（icdev，pupi，0，0，0．0）；

}

經(jīng)過(guò)選卡后，如果有多張卡進(jìn)入激活狀態(tài)，則可以根據(jù)CID（射頻卡ID號(hào)）在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)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(xué)校就餐管理中的應(yīng)用

6．1 系統(tǒng)總體方案

采用美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT88RF020射頻識(shí)別卡、IDIc（Identification IntegratecI circuit）、讀寫(xiě)基站集成電路u2270B和Atmel公司的8位單片機(jī)研制開(kāi)發(fā)學(xué)校食堂就餐管理系統(tǒng)，系統(tǒng)具有預(yù)付收費(fèi)、目標(biāo)識(shí)別、身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)庫(kù)管理的功能。系統(tǒng)由AT88RF020卡、就餐管理終端、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、就餐管理終端與數(shù)據(jù)庫(kù)管理微機(jī)的通信系統(tǒng)四部分組成。主機(jī)與就餐管理終端之間的通信采用RS一485通信標(biāo)準(zhǔn)，工作方式為半雙工，每次通信都是主機(jī)首先呼叫從機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

6．2 通信硬件接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，就餐管理終端與上位機(jī)的通信選用了Rs485總線標(biāo)準(zhǔn)，并采用了MAX465芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有RS485通信接口需要的全部功能。數(shù)據(jù)通信的方向由RE和DE腳來(lái)控制，設(shè)計(jì)中二者連在一起，由單片機(jī)的Pl，5來(lái)控制。當(dāng)它為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)由就餐管理終端經(jīng)MAX485到外部串行總線，即處于發(fā)送狀態(tài)；為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)由外部串行總線到就餐管理終端。一般微機(jī)的串行口采用RS232接口，故在上位機(jī)一端需要一個(gè)RS232／Rs485轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)中采用臺(tái)灣Aten公司生產(chǎn)的IC-485SN轉(zhuǎn)換器，它是一種雙向RS232／R$485或RS422轉(zhuǎn)換器，可提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（最多可達(dá)254個(gè)點(diǎn)）的全雙工和半雙工以及多點(diǎn)的單工串行通信。

6．3 通信軟件接口設(shè)計(jì)

位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro（即VF）編寫(xiě)，這里介紹的串行通信程序主要是在VF中實(shí)現(xiàn)與就餐管理終端的通信程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信控件commLmications進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)掛失數(shù)據(jù)的發(fā)送、用戶卡號(hào)的發(fā)送、發(fā)卡和就餐數(shù)據(jù)的接收。每次通信時(shí)，首先在上位機(jī)的lnlt事件中初始化通信控件olecon—troll，初始化設(shè)置為：

thisform，olecontroll，commPort=1 ／／選擇串行口COM1

thisform，olecontroll，PortOpen=1 ／／打開(kāi)串行口COM1

thisform，olecontroll，lnpLltMode=O ／／接收的數(shù)據(jù)按文本方式

thisform olecontroll，RTSEnable=1 ／／允許使用RTs線．用于

／／RS232／485轉(zhuǎn)換器的發(fā)送控制和供電

thisform，oleconatroll，InputLen=1 ／／每次讀取接收緩沖

／／區(qū)的一個(gè)字符

thisform，olecontroll，OutbifferCount=O／／清除發(fā)送緩沖區(qū)

thisform，olecontroll，InbufferCotInt=O／／清除接收緩沖區(qū)

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了RFID卡ATRF88020的特點(diǎn)、工作原理及在學(xué)校就餐管理中的應(yīng)用。RFID技術(shù)的典型應(yīng)用還有；物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件／快運(yùn)包裹處理、文檔追蹤／圖書(shū)館管理、動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、門(mén)禁控制／電子門(mén)票、道路自動(dòng)收費(fèi)等。

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