以太网的二代身份证RFID系统应用研究

摘要 实现一种基于嵌入式以太网的二代身份证RFID系统，给出以二代身份证为载体的局域网内射频识别系统的应用模型；着重介绍硬件和软件部分的设计思想及实现方法，分析系统软件部分的测试结果，并指出系统的应用场合。

关键词  射频识别  嵌入式以太网  二代身份证  硬件中间件

引言

　　射频识别是一种非接触式的自动识别技术，目前已广泛应用于物流、制造、公共信息服务等行业[1]；而嵌入式系统的网络化也已成为当今后PC时代的重要特征。因此，RFID技术与嵌入式以太网技术的结合已经成为学术研究的热点之一[2]。

　　根据国内RFID应用现状和市场需求，本设计通过读取二代身份证中射频芯片的全球唯一序列号UID，使用二代身份证代替传统只读电子标签，节省了制卡费用。

1  系统设计构思

　　具有以太网通信功能的读写器结构如图1所示。

500)this.width=500" border="0" />
图1  具有以太网通信功能的读写器结构

　　RFID系统由读写器和计算机管理系统组成。其中，读写器具有核心作用，也是本课题研究的重点，它通过射频方式获得二代身份证的UID信息， 并经以太网传送给计算机管理系统，对整个RFID系统的稳定性和安全性起决定作用；计算机管理系统接收读写器传送的UID信息，针对不同应用做出相应的处理和控制。

2  系统硬件设计

　　根据系统功能需求，将读写器硬件系统分为两部分：读写模块硬件中间件和具有以太网通信功能的主控系统。这样设计不仅可以方便地将两部分独立制板调试，还可以减少这两部分之间的信号干扰，并提高硬件模块的复用性。

2.1  读写模块硬件中间件

　　参考中间件的通用定义，结合嵌入式系统特点，设计了本读写模块硬件中间件结构，如图2所示。向下屏蔽了电子标签、射频基站芯片等硬件环境的差异，向上为RFID应用层提供标准的软、硬件接口。应用层的开发基于该接口进行，无需考虑RFID的实现细节，且不管底层的硬件怎样更新换代，只需将中间件升级更新，并保持该中间件的对外接口定义不变，应用软件几乎不需做任何修改，从而提供了一个相对稳定的高层应用环境。

500)this.width=500" border="0" />
图2  读写模块硬件中间件结构

（1） 微控制器与射频基站芯片的连接

　　系统选用MF RC531作为射频基站芯片。该芯片是NXP公司生产的应用于13.56 MHz非接触式通信的高集成IC读写芯片系列中的一员[3]。选用Freescale公司低价位、高性能的MC68HC908JB8（简称JB8）作为模块微控制器，它通过SPI通信方式与射频基站芯片MF RC531连接，控制其完成读取电子标签UID信息的工作。MF RC531支持SPI通信方式，在通信期间作为从机。控制芯片JB8内部并没有集成SPI模块，其通信功能由I/O口软件模拟完成。

（2） 天线设计

　　RFID系统中，射频基站芯片（如MF RC531）通过天线发射能量，并与电子标签进行数据通信。天线的设计对通信的稳定性非常重要[4]，本设计采用直接匹配天线法，电路设计如图3所示。

500)this.width=500" border="0" />
图3  射频天线电路原理

2.2  主控系统硬件设计

　　主控系统与读写模块通过SPI接口连接，获取该模块控制芯片内存中存储的电子标签信息，然后通过以太网通信接口将信息传送给计算机管理系统处理。系统采用Freescale公司16位MCU MC9S12NE64为主控芯片，其内部集成EMAC(Ethernet Media Access Controller，以太网媒体访问控制器)和EPHY(Ethernet Physical Transceiver，以太网物理层收发器)，可配合第三方TCP/IP协议栈实现以太网的通信功能，从而实现单芯片的以太网连接方案。

3  系统软件设计

　　系统的软件设计主要包括读写模块的软件设计及嵌入式以太网的软件设计两部分。读写模块主要实现对TYPE A & B电子标签的UID识别；嵌入式以太网部分实现以太网的通信。

3.1  读写模块软件设计

　　读写模块被设计成硬件中间件，为应用系统和电子标签提供数据交互的接口。模块微控制器MC68HC908JB8的主函数流程如图4所示。

　　系统上电后首先执行MCU以及相关模块的初始化操作，然后进入主循环。如图4所示，主循环中不断地切换读卡模式，以满足读取TYPE A & B两种电子标签UID的需求。一旦读取成功，将UID赋给全局字节型数组变量Card_inform[ ]。Card_inform[0]存放电子标签的类型，即“A”或“B”的ASCII码，其后依次存放该类型的UID。主控系统可以通过读写模块硬件中间件的SPI通信接口获取Card_inform[ ]中的内容，获取完毕后JB8将Card_inform[ ]数组清零。对RC531的复位和寄存器初始化操作原本放置在主循环之前，即每次JB8复位后只执行一次。但是在实际测试过程中，当RC531长时间运行后会出现不稳定的情况，因此将这两步操作放在主循环中，以提高系统的鲁棒性。

500)this.width=500" border="0" />
图4  读写模块主函数流程

3.2  嵌入式以太网模块软件设计

　　MC9S12NE64内部集成的EMAC和EPHY模块可以实现数据链路层的功能[5]。为实现以太网的通信，设计了一个无需操作系统的精简嵌入式TCP/IP协议栈，实现了MC9S12NE64的以太网接入功能。移植协议栈时，只要对驱动实现部分进行修改，保持调用接口不变，上层协议就可以不作改动。整个协议栈以循环方式运行，MC9S12NE64以中断方式接收以太帧，协议栈对接收到的以太帧自底向上进行过滤，并作相应处理。各层设计如下：

① 链路层——MC9S12NE64以太网驱动，ARP协议；
② 网络层——IP协议，ICMP回显应答服务；
③ 传输层——UDP协议。

3.3  TYPE A & B电子标签的UID识别测试

　　图5给出了识别TYPE A & B两种电子标签UID的测试结果。

图5  TYPE A&B电子标签的UID识别测试结果

　　PC机主动发送包含通信命令的UDP数据报给读写器。读写器接收到该数据报后，将获取的最新UID信息通过UDP协议返回给PC主机。测试的各项具体参数如表1所列。

表1  UID识别测试参数
500)this.width=500" border="0" />

500)this.width=500" border="0" />

4  结论

　　在沃尔玛等大型商店的大力推动下，RFID技术在很多行业开始得到应用，并且这个趋势愈演愈烈。然而在我国这样一个人口众多、 拥有大量廉价劳动力的国家，电子标签的成本成为RFID普及的一个制约因素。本文介绍的RFID系统以第二代身份证代替传统只读电子标签，为解决这一问题提供了参考。通过与嵌入式以太网技术的结合，研究以二代身份证为载体的局域网内RFID系统的应用方法，不仅为现有只读电子标签管理系统的升级提供了一种参考模型，而且扩展了二代身份证的使用范围，实现了一卡多用。