1、基于 RFID 技术的电子钱包的设计与实现的方案 摘要 随着社会与经济的发展需要， RFID 技术在各行各业 的认可， 得到了广泛的应用与发展，尤其是在安全系数较高的行业，为人们日常生活提供了诸多便利 ， 保障了人们的生活安全。 RFID 技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据 ，是一种通信技术 。 本文剖析 了 RFID 技术 的国内外 现状、未来发展趋势等问题，提出了基于 RFID技术的电子钱包的设计与实现 的 方案。对从系统的可行性研究分析及需求分析过渡到系统的硬件电路设计、软件设计等 做出 了详细介绍。 基于 RFID 技术的电子钱包采用了基于 MF RC522 的 FS_R
2、FID 开发套件进行研究，能读写 Mifare 非接触式射频卡，当有卡片进入读写器的操作范围时，自动识别是否为 M1 射频卡，随之对卡内数据块进行读写操作，并将卡的序列号及相关数据通过串口读写程序存放在数据库中，同时将最新数据实时刷新显示在网页上，以便用户获取 所需要的 信息。 关键词 ： RFID 技术；电子钱包； MF RC522； M1 射频卡 Abstract With the needs of the development of society and economy, the RFID technology in all walks of life has been a wide
3、 range of applications and development, especially the industry safety coefficient is higher, to the peoples daily life provides many convenience and guarantee the safety of peoples life. RFID technology, also known as radio frequency identification, is a kind of communication technology, which can
4、identify the specific target and read and write data through the radio. This paper analyzes the research status of RFID technology at home and abroad, the future development trends and other issues, and puts forward the design and implementation of electronic wallet based on RFID technology. From th
5、e system feasibility study analysis and the demand analysis transition to the system hardware circuit design, software design and so on has made the detailed introduction. Electronic purse based on RFID technology uses based on MF rc522 FS RFID development kit, be able to read and write Mifare conta
6、ctless RF card, when the card into the operating range of the device to read and write, automatically identify whether the M1 RF card, along with the card data block read and write operation, and the card serial number and related data through the serial port to read write programs are stored in the
7、 database. At the same time, the latest data real-time refresh the display on the page, so that users can obtain needed information. Key words： the RFID technology; Electronic purse; MF rc522; the M1 RF card 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 RFID 技术发展迅速， 作为 20 世纪的十大技术之一，已经在工业、交通、物流等多个领域得到了越来越广泛的应用，并且日益显示出它的巨大潜力。
8、随着 RFID 技术的不断发展和标准的不断完善， RFID 产业链从硬件制造技术、中间件到系统集成应用等各环节都得到提升和发展。 RFID 技术的产品实现了多样化，由单一识别向多功能识别发展。 RFID 产业与其他 IT产业一样，当标准和关键技术解决和突破之后，与其他产业融合将形成更大的产业集群，并得到更加广泛的应用，实现跨地区、跨行业应用。 当 RFID 系统应用普及到一定程度时，每件产品都能通过 RFID 技术赋予身份标识。 RFID 技术与互联网、电子商务结合将是一种必然趋势，它将极大地改变传统的生活、工作和学习方式。 RFID 技术已经涉及人们日常生活的各个方面，并被广泛应用于工业自动
9、化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如火车的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管 理、畜牧管理、车辆防盗等， RFID 技术已经成为未来信息社会建设的一项基础技术。 1.2 课题研究现状 1.2.1 国外研究现状 从全球的范围来看，美国政府是 RFID 应用的积极推动者，在其推动下美国在 RFID 标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。欧洲RFID 标准追随美国主导的 EPCglobal 标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出 UID 标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国
10、际标准还有很长的路要走。 RFID 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视，但 至今韩国在 RFID 的标准上仍模糊不清。目前，美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的 RFID 产品。 从全球产业格局来看，目前 RFID 产业主要集中在 RFID 技术应用比较成熟的欧美市场。飞利浦、西门子、 ST、 TI 等半导体厂商基本垄断了 RFID 芯片市场； IBM、 HP、微软、 SAP、 Sybase、 Sun 等国际巨头抢占了 RFID 中间件、系统集成研究的有利位置； Alien、 Intermec、 Symbol、 Transcore、 Matrics、 I
11、mpinj等公司则提供 RFID 标签、天线、读写器等产 品及设备。 1.2.2 国内研究现状 相较于欧美等发达国家或地区，我国在 RFID 产业上的发展还较为落后。目前，我国 RFID 企业总数虽然超过 100 家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频 RFID 方面。从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频RFID 技术门槛较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况；超高频 RFID 技术门槛较高，国内发展较晚，技术相对欠缺，从事超高频 RFID 产品生产的企业很少，更缺少具有自主知识产权的创新型企业。 从产业链上看， RFID 的产业链主要由芯片设计
12、、 标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。目前我国还未形成成熟的RFID 产业链，产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里，尤其是芯片、中间件等方面。中低、高频标签封装技术在国内已经基本成熟，但是只有极少数企业已经具备了超高频读写器设计制造能力。国内企业基本具有 RFID 天线的设计和研发能力，但还不具备应用于金属材料、液体环境上的可靠性 RFID 标签天线设计能力。系统集成是发展相对较快的环节，而中间件及后台软件部分还比较弱。 1.3 课题设计任务 基于 RFID 技术的电子钱包的设计主要 由两大部分：硬件系统和软件系统。硬件系统包括 射频系统电路的设计；软件
13、系统包括射频卡的读写程序、串口读写程序、数据库、 Web 程序等的设计编写。 电子钱包基于 RFID 技术，可通过 FS_RC522 RFID 模块实现卡的识别并进行数据读写，完成 读取卡的序列号及卡内金额 增、减值 操作的功能，并可完成将相关数据实时刷新显示在 HTML 网页上的功能。 1.4 论文结构 1 绪论 2 RFID 技术概述 3 系统 的可行性研究与需求分析 4 系统 总体 设计 5 系统 详细 设计 6 系统 测试 7 系统 使用手册 2 RFID 技术概述 RFID 系统是一种非接触式的自动识别系统，通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。 RFID 系统以电子标签
14、来 标识某个对象，电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，读写器可将主机命令传达到电子标签，再把电子标签返回的数据传达到主机，主机的数据交换与管理系统负责完成电子标签数据的存储、管理和控制。 2.1 RFID 系统的构成 RFID 系统一般由电子标签、读写器及外部主机（ PC 机） 组成。 图 2.1RFID 系统的构成 电子标签是指由 IC 芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和读写器 进行通信。电子标签附着在 物体上标识目标对象，具有唯一的 编码，存储被识别对象的相关信息。根据应用场合不同表现为不同的应用形态，如电子狗牌、门禁卡、交通卡等。 图 2.2 电子标签的
15、内部结构 读写器是利用射频技术读写电子标签信息的设备，一般由天线、射频接口和逻辑控制单元三部分组成。工作时，读写器发射一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号后，就会给出应答信号，应答信号中含有电子标签携带 携带的数据信息。读写器读取到数据后，对其进行处理，最后将数据返回给外部主机系统，进行相应操作处理。 图 2.3 读写器组成 2.2 RFID 系统的工作流程 RFID 利用无线射频方式，在读写器和电子标签之间进行非接触式双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。 RFID 工作流程如下： 2.3 Mifare 非接触式射频卡 Mifare 非接触式射频卡是菲利普下属子公司恩智浦生产
16、的芯片卡，广泛使用的有 S50 和 S70 型号，简称 M1 卡。属于非接触式卡片，避免了读写器与卡之间的物理接触，避免了卡的磨损，可在无须人工干涉的情况下进行识别工作。 2.3.1 M1 卡主要指标 2.3.2 M1 卡的存储结构 1. M1 卡分为 16 个扇区，每个扇区由 4 块（块 0、块 1、块 2、块 3）组成，如下图所示： 扇区 0 块 0 数据块 0 块 1 数据块 1 块 2 数据块 2 块 3 密码 A 存取控制 密码 B 控制块 3 扇区 1 块 0 数据块 4 块 1 数据块 5 块 2 数据块 6 块 3 密码 A 存取控制 密码 B 控制块 7 扇区 15 块 0
17、数据块 60 块 1 数据块 61 块 2 数据块 62 块 3 密码 A 存取控制 密码 B 控制块 63 图 2.4 M1 卡的存储结构 2. 第 0 扇区的块 0（即绝对地址 0 块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。 3. 每个扇区的块 0、块 1、块 2为数据块，可用于存贮数据。 数据块可作两种应用： A. 用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。 B. 用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。 4. 每个扇区的块 3为控制块， 包括了密码 A、存取控制、密码 B。具体结构如下图所示： 图 2.5 控制块 3 结构 5. 每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根
18、据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为 4个字节，共 32 位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位 ,定义如下 表所示 ： 块 0 C10 C20 C30 块 1 C11 C21 C31 块 2 C12 C2 C32 块 3 C13 C23 C33 表 2.1 存取控制 -控制位 三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码 A（ 6 字节） 存取控制（ 4 字节） 密码 B（ 6 字节） 的访
19、问权限（如进行减值操作必须验证 KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。存取控制（ 4 字节，其中字节 9 为备用字节）结构如下表 所示： bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 字节 6 C23_b C22_b C21_b C20_b C13_b C12_b C11_b C10_b 字节 7 C13 C12 C11 C10 C33_b C32_b C31_b C30_b 字节 8 C33 C32 C31 C30 C23 C22 C21 C20 字节 9 表 2.2 存取控制 （ 4 字节 ） 结构 6. 数据块（块 0、块
20、1、块 2）的存取控制， 如下表 所示： 控制位（ X=0.2） 访问条件（对数据块 0、 1、 2） C1X C2X C3X Read Write Increment Decrement, transfer, Restore 0 0 0 KeyA|B KeyA|B KeyA|B KeyA|B 0 1 0 KeyA|B Never Never Never 1 0 0 KeyA|B KeyB Never Never 1 1 0 KeyA|B KeyB KeyB KeyA|B 0 0 1 KeyA|B Never Never KeyA|B 0 1 1 KeyB KeyB Never Never 1
21、 0 1 KeyB Never Never Never 1 1 1 Never Never Never Never 表 2.3 数据块的存取控制 7. 控制块 3的存取控制与数据块不同，如下表所示： 控制位 密码 A 存取控制 密码 B C13 C23 C33 Read Write Read Write Read Write 0 0 0 Never KeyA|B KeyA|B Never KeyA|B KeyA|B 0 1 0 Never Never KeyA|B Never KeyA|B Never 1 0 0 Never KeyB KeyA|B Never Never KeyB 1 1 0
22、 Never Never KeyA|B Never Never Never 0 0 1 Never KeyA|B KeyA|B KeyA|B KeyA|B KeyA|B 0 1 1 Never KeyB KeyA|B KeyB Never KeyB 1 0 1 Never Never KeyA|B KeyB Never Never 1 1 1 Never Never KeyA|B Never Never Never 表 2.4 控制块的存取控制 2.4.3 M1 卡与读写器的通讯 3 系统的可行性研究与需求分析 3.1 所建议技术的可行性分析 3.1.1 对系统的简要概述 电子钱包基于 RFI
23、D 技术，可通过 FS_RC522 RFID 模块实现卡的识别并进行数据读写，完成读取卡的序列号及卡内金额增、减值操作的功能，并可完成将相关数据实时刷新显示在 HTML 网页上的功能。 3.1.2 处理流程和数据流程 图 3.1 系统流程图 3.1.3 系统技术分析 A. 对硬件电路的可行性分析 在硬件方面我们采用的 samsung 公司的 S5PV210 处理器，该处理器采用了ARM 公司的 ARM Cortex-A8 的内核。 Cortex-A8 基于 ARMv7 体系结构，能够将速度从 600MHz提高到 1GHz 以上， 64/32 位内部总线结构， 32/32KB 的数据 /指令一级
24、缓存， 512KB 的二级缓存，可以实现 2000DMIPS（每秒运算 20 亿条指令集）的高性能运算能力。 相关数据如下表所示： 集成了手持设备和通用嵌入式系统的解决方案 32/32KB 的数据 /指令 存储控制器支持 LPDDR1， LPDDR2 和 DDR2 类型的 RAM 提供了丰富的外围接口 增强的 ARM MMU 体系结构支持 WinCE, EPOC 32 和 Linux 操作系统 指令缓存、数据缓存、写缓冲器和 RAM 物理地址标签减少了主存储器带宽和潜在性能的影响 支持 ARM 调试体系结构 支持小 /大端模式 寻址空间： 共 4G 字节 支持 1 个 USB HOST2.0，
25、 1 个 USB OTG2.0 接口 支持 1 路 RS232 串口接口（调试串口） 支持 100M 以太网卡 支持 LED 灯显示 （ 1 个电源显示， 2 个用户 LED 灯） 支持标准 JTAG 接口 调试接口： 20-pin， 2.54mm 标准 JTAG 接口 工作温度： -20+70（电气指标：符合 CE， FCC， CCC 规范要求） 表 3.1 S5PV210 处理器相关数据 从可行性的角度来讲，这款芯片完全可以满足我们系统应用的要求。 B. 对网络的可行性分析 系统可以通过网络来支持用户远程登陆和监控，在网络方面，采用 ADSL+路由的方式上网，在有线网络方面，我们正是利用了
26、这种网络结构。首先 ADSL拨号上网能够提供给用户一个公网 IP，这是整个系统实现的关键，因为我们的设备要作为一个网络上的服务器端，必定要有一个公网 IP 来提供访问，当然这需要其他技术的支持。有了公网 IP，我们可以利用动态域名解析技术来将我们每次登录后的动态 IP 地址映射成一个固定的网络域名，这样我们在就可以使用域名随意访问系统。在研发阶段我们可以使用解析内网 IP 的方式，利用现有团队的网络资源，进行研发 。相应的技术都是已经成熟的，只是需要进行相应的移植工作。在用户设备端，可以和用户家中的电脑同时接入路由，同时需要设置路由，将路由的 80 端口映射到设备端的内网 IP，这样就可以结合
27、动态域名解析和路由的映射功能在网上提供 web 服务。 C. 对核心技术的可行性分析 1. RFID 技术的可行性分析 M1 卡片的电气部分只由一个天线和 ASIC 组成，每一张卡都有自己唯一的序列号。读写器分上下两层，上层包括天线板， RC522（读写卡芯片），下层包括 LPC1111， M0 单片机。 M1 卡通过无线与读写器进行数据交换，读写器可将主机命令传达到 M1 卡，再把 M1 卡返回的数据传达到主机，主机的数据交换与管理系统负责完成 M1 卡数据的存储、管理和控制。 2. 外部 CGI 和 BOA 服务器 外部 CGI 程序与 WWW 服务器进行通信、传递有关参数和处理结果是通过
28、环境变量、命令行参数和标准输入来进行的。服务器提供了客户端（浏览器）与 CGI 扩展程序之间的信息交换的通道。 CGI 的标准输入是服务器的标准输出，而 CGI 的标准输出是服务器的标准输入。客户的请求通过服务器的标准输出传送给 CGI 的标准输入， CGI 对信息进行处理后，将结果发送到它的标准输入，然后由服务器将处理结果发送给客户端 。 系统可以采用 BOA+CGI 的程序设计方式进行编程， WWW 和 CGI的工作原 HTTP 协议是 WWW 的基础，它基于客户 /服务器模型，一个服务器可以为分布在网络中处的客户提供服务；它是建立在 TCP/IP 协议之上的 “无连接 ”协议，每次连接只处理一个请求。在服务器上，运行产着一个守护进程对端口进行监听，等待来自客户的请求。当一个请求到来时，将创建一个子进程为用户的连接服务。根据请求的不同，服务器返回 HTML 文件或者通过 CGI 调用外部应用程序，返回处理结果。服务器通过 CGI 与外部程序和脚本之间进行交互，根据客户端在进行 请求时所采取的方法，服务器会收集客户所提供的信息，并将该部分信息发送给指定的 CGI 扩展程序。 CGI 扩展程序进行信息处理并将结果返回服务
