基于μ-Chip芯片RFID防偽票是如何實(shí)現(xiàn)的

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。

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