一种半有源超高频RFID电子铅封设计与实现

引 言

目前国内众多电子标签厂家主要是对电子标签的Inlay 进行封装、生产，并不具备标签的天线设计、电路设计能力，同时设计的标签主要是无源标签。因为无源标签尤其是超高频标签其安全性相对较差，且无法与其他传感器或执行机构进行直接联动，所以在电子锁（电子签封）领域应用受限。而有源标签因为标准不统一、对低功耗设计要求非常高，且没电后无法获取标签信息，因此也不适合应用于高安全性电子签封等领域[1,2]。

为了解决以上问题，拓展电子标签的应用场景，重点对基于MonzaX 芯片的特种标签系统进行研究，主要包括天线设计、加密算法设计、执行机构设计，并重点结合电子签封行业应用，开发出相应标签、手持机产品系列，组成完整的解决方案，进行系统整体推广。

MonzaX 标签在有电的情况下可与MCU 进行通信，与执行机构或传感器进行联动；如果没电了，作为 UHF 无源标签， 可通过手持机等阅读器设备获取标签的存储信息。

电子签封应用领域广泛，适用于加油机石油行业，可有效避免加油机克扣油量这种非法获取利益的手段，完全杜绝了加油站通过在加油机后端动手脚篡改加油数据的现象。同样，电子签封还可用于高档酒类、服装、鞋类产品的防伪标识，现代物流业海陆空运包装、箱装、货箱、集装箱的封口或监管动物或肉类产品的耳标及邮政航空包裹袋的标识和封口等[3-5]。

1 总体架构

本项目的MonzaX 特种标签由主控部分、标签芯片部分、电机控制部分和电源部分组成。标签硬件架构如图 1 所示。主控部分与标签芯片之间采用I2C 方式进行通信[6]。标签芯片用户区存储空间可达 2 Kb 或 8 Kb。各部分功能如下所示：

图1 标签硬件架构

(1) 主控部分完成整个电子签封的状态自检、日志记录存储、命令解析处理、数据加解密及其他几个功能模块的控制管理。

(2) 标签芯片部分作为出厂后与外界通信的唯一媒介，通过无线接收手持机的指令数据，实时显示签封的当前状态和操作结果。

(3) 电机控制部分接收主控部分的命令控制，驱动电机实现锁具的打开与关闭，并将锁具的实时状态反馈给主控部分。

(4) 电源部分负责为整个签封供电。

2 硬件设计

电子签封处理器采用STM32 COTEX-M0 系列最新的STM32F030 处理器，该处理器具有功耗低、封装尺寸小、接口丰富等特点，适用于电子签封对功耗尺寸等要求苛刻的场合。存储器采用1 MB 的E2PROM 作为存储单元，确保电子签封可存储 2 000 条以上日志记录。超高频标签芯片采用Monzax- 2K，在确保灵敏性的同时保证高达 2 K 的数据存储空间。其硬件结构图如图 2 所示。

3 软件设计

电子签封软件部分主要由状态自检模块、签封固化信息模块、命令接收及处理模块、数据加解密模块、电机控制模块、日志记录模块组成。

3.1 状态自检模块

该模块主要分为上电芯片自检、固化信息检测和锁具状态检测。其功能如下所示：

(1) 上电芯片自检主要为芯片上电硬件自检，可检测有无硬件损坏、电池电压是否小于额定工作范围等；

(2) 固化信息检测主要功能是判断当前签封是否已被初始化，有无固化信息数据写入。

(3) 锁具状态检测用来检测当前锁具开关状态与签封存储状态数据是否一致。各模块检测出的状态异常均由LED及标签芯片数据进行显示。

3.2 签封固化信息模块

该模块的主要功能是通过RS 232 接口与PC 通信获取标签的初始化数据值，例如标签 ID 等，并下载标签秘钥。

3.3 命令接收及处理模块

该模块的主要功能是主芯片通过I2C 接口与Monzax 芯片进行通信，获取 Monzax 中的标签数据，解析得到的指令后进行相应的处理。

3.4 数据加解密模块

数据加解密模块采用国密算法，分为两个业务加解密。

(1) 业务处理加解密 ：用于标签操作日志记录的加解密。

(2) 传输保护加解密 ：用于与外界数据传输时数据的加解密处理。

3.5 电机控制模块

该模块的主要功能是控制电机运转，驱动锁具开关，并反馈结果给控制芯片。

3.6 日志记录模块

日志记录模块的功能是在主控芯片内部保存所有的操作记录，在接收到追溯指令后将日志记录上报。签封软件框图如3 所示。

签封由电池供电，上电后均处于超低功耗待机状态，内置RTC 可周期性唤醒，检测签封当前状态后进行相应的处理。

4 结 语

本文提出了一种超高频 RFID 半有源 RFID 电子铅封（电子锁）技术，重点讲解了电子铅封的系统架构以及软硬件设计。以电子签封为核心，对签封的出入库、施封、巡检/ 操作、作废等进行管理，实现对被管对象的全程管控。MonzaX 电子签封不仅能起到防伪识别作用，还具有物品跟踪信息存储采集等功能，可广泛应用于金融、物流、医疗等贵重物品或药品的全程管控等领域，具备广泛的应用前景。