李凱漫，牛宏俠，侯濤

(1.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院)

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多卡信息融合的二代身份證一卡通系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李凱漫1，牛宏俠1，侯濤2

(1.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院)

摘要:開(kāi)發(fā)了基于RFID技術(shù)的二代身份證“一卡通”系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過(guò)讀取綁定了各類(lèi)只讀卡信息的二代身份證序列號(hào)，結(jié)合上位機(jī)中數(shù)據(jù)庫(kù)和“一卡通”軟件的控制管理，實(shí)現(xiàn)“一卡通”功能。此系統(tǒng)不僅降低了設(shè)備成本，而且方便了人們的生活，可廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域中。

關(guān)鍵詞:RFID；串口異步通信；防沖撞

引言

目前我國(guó)二代身份證(以下簡(jiǎn)稱(chēng)二代證)的換發(fā)工作已完成，這種新型身份證采用符合ISO14443 TYPEB國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式IC卡技術(shù)，存入了公民身份證號(hào)碼、照片等個(gè)人信息，并具有全球唯一的序列號(hào)。閱讀器讀取身份證內(nèi)部信息時(shí)，需要安裝公安部授權(quán)的安全模塊，而讀取二代證序列號(hào)，無(wú)需專(zhuān)用的安全模塊[1-2]。

基于上述情況，提出賦予二代證更多的附加功能，即將各類(lèi)只讀卡信息融入到二代證中使其變?yōu)椤耙豢ㄍā?，這不僅可以減少成本，并且方便用戶(hù)攜帶。為此本文開(kāi)發(fā)了基于RFID技術(shù)的二代證“一卡通”系統(tǒng)。二代證閱讀器是“一卡通”系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，目前市場(chǎng)上已存在對(duì)于二代證內(nèi)部信息進(jìn)行讀取的閱讀器，但由于此類(lèi)閱讀器必須嵌入公安部授權(quán)的安全模塊，存在成本過(guò)高、監(jiān)管過(guò)嚴(yán)等問(wèn)題，導(dǎo)致其無(wú)法廣泛地使用。而本文主要研究在不涉及二代證“保密性”的前提下，只對(duì)二代證序列號(hào)進(jìn)行讀取，并且通過(guò)對(duì)“一卡通”系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用軟件的控制管理，使得在簡(jiǎn)化設(shè)備的同時(shí)擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。除此之外，該系統(tǒng)還具有高安全性、高防偽性、低成本、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可以代替原有只讀卡系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1RFID技術(shù)

射頻識(shí)別(以下簡(jiǎn)稱(chēng)RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式識(shí)別特定目標(biāo)，通信雙方無(wú)需建立接觸。電子標(biāo)簽和閱讀器是實(shí)現(xiàn)RFID不可缺少的兩部分，電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)識(shí)別卡號(hào)和用戶(hù)信息，當(dāng)其進(jìn)入閱讀器天線(xiàn)所產(chǎn)生的射頻場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器獲取標(biāo)簽內(nèi)的信息并傳遞到后臺(tái)計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。

二代證“一卡通”系統(tǒng)中的閱讀器利用RFID技術(shù)讀取二代證序列號(hào)，在讀取過(guò)程中二代證無(wú)需接觸閱讀器，讀取速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下讀取，并且利用防沖撞機(jī)制可讀取多個(gè)二代證序列號(hào)。使用RFID技術(shù)，可以有效減少二代證與閱讀器進(jìn)行機(jī)械接觸而導(dǎo)致的損壞，同時(shí)極大地提高了工作效率。

1.2二代證內(nèi)部數(shù)據(jù)解析

第二代身份證是非接觸式智能IC卡，符合ISO14443 TYPEB標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，使用頻率為13.56 MHz，二代證不僅具有便捷的防偽數(shù)據(jù)，而且還有較高的安全功能。其內(nèi)部存儲(chǔ)了多達(dá)46項(xiàng)居民信息，采用數(shù)字加密技術(shù)，且具有未進(jìn)行加密處理的全球唯一序列號(hào)。二代證加密信息存儲(chǔ)格式如表1所列[5]。

表1　二代證加密信息存儲(chǔ)格式

二代證內(nèi)信息的讀寫(xiě)必須通過(guò)專(zhuān)用閱讀器，而對(duì)二代證進(jìn)行讀寫(xiě)控制的芯片則是閱讀器的核心，目前可以對(duì)二代證進(jìn)行讀寫(xiě)控制的芯片有NXP的MFRC531、復(fù)旦微電子的FM1722、華虹公司的SHC1507等。

加密信息的讀取需要在閱讀器內(nèi)加裝公安部授權(quán)的安全模塊，這增加了閱讀器的成本及復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)中閱讀器只對(duì)二代證序列號(hào)進(jìn)行讀取，其他用戶(hù)信息手動(dòng)錄入，與序列號(hào)進(jìn)行綁定后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，這極大地簡(jiǎn)化了閱讀器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低了設(shè)備成本。MFRC531芯片具有高度集成的調(diào)制解調(diào)電路、多種傳輸接口等特點(diǎn)，因此選用MFRC531作為閱讀器的讀寫(xiě)控制芯片。

1.3PC與閱讀器串口通信原理

串口通信程序的編寫(xiě)有以下三種實(shí)現(xiàn)方法：第一種是調(diào)用Win32 API通信函數(shù)，通過(guò)對(duì)串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)開(kāi)啟串口監(jiān)測(cè)工作線(xiàn)程等，完成對(duì)于串口的通信與使用。第二種是利用Windows的串行通信編程Active控件MSComm，該控件使用簡(jiǎn)單，但需要注冊(cè)；第三種是應(yīng)用.NET平臺(tái)下的SerialPort控件，此控件可以方便地實(shí)現(xiàn)所需串口通信的多種功能，被廣泛應(yīng)用于串口通信程序的設(shè)計(jì)中[3]。

本系統(tǒng)采用C#.NET作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，故通信方式采用微軟.NET的SerialPort控件完成PC與二代證閱讀器的串口異步通信操作。

1.4二代證冒用與偽造問(wèn)題

二代證使用范圍擴(kuò)大的同時(shí)，其安全性也應(yīng)受到重視，除了便捷地從二代證中獲取信息外，還應(yīng)確保人證合一，防范他人冒用以及偽造[6]。利用指紋識(shí)別技術(shù)可以有效解決此類(lèi)問(wèn)題，當(dāng)用戶(hù)注冊(cè)時(shí)采集用戶(hù)指紋信息，連同其他用戶(hù)相關(guān)信息一并存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)二代證被使用時(shí)，采集當(dāng)前用戶(hù)指紋信息并與預(yù)先存入數(shù)據(jù)庫(kù)的指紋信息進(jìn)行對(duì)比，從而可以有效識(shí)別用戶(hù)的身份。只有通過(guò)指紋認(rèn)證后，用戶(hù)才可完成其所需操作。此類(lèi)安全驗(yàn)證在保障用戶(hù)安全性的同時(shí)也增大了用戶(hù)操作及設(shè)備的復(fù)雜性，從現(xiàn)實(shí)方面考慮，此類(lèi)安全驗(yàn)證只需針對(duì)涉及用戶(hù)隱私或嚴(yán)重危害用戶(hù)安全的系統(tǒng)，一般系統(tǒng)無(wú)需此類(lèi)驗(yàn)證。

2系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)只讀卡內(nèi)只存儲(chǔ)了一個(gè)卡號(hào)，利用卡號(hào)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證后，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。本文開(kāi)發(fā)的一卡通系統(tǒng)采取與傳統(tǒng)只讀卡系統(tǒng)相似的工作原理，將各類(lèi)只讀卡卡號(hào)與二代證序列號(hào)進(jìn)行綁定，用戶(hù)信息則存放于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用序列號(hào)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證后，所有用戶(hù)操作均在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成，這有效解決了二代證沒(méi)有開(kāi)放寫(xiě)入接口、只能進(jìn)行信息讀取的問(wèn)題，擴(kuò)大了一卡通系統(tǒng)的使用范圍。為了使二代證代替?zhèn)鹘y(tǒng)只讀卡實(shí)現(xiàn)一卡多用，需要對(duì)原有的只讀卡閱讀器進(jìn)行相應(yīng)改造，并修改上位機(jī)軟件，使其增加與二代證相關(guān)的處理功能。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出用于讀取二代證序列號(hào)的閱讀器。此閱讀器能快速準(zhǔn)確地讀取二代證中的序列號(hào)，并通過(guò)RS232將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)人機(jī)界面軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)完成信息的存儲(chǔ)、分析及處理。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

二代證閱讀器包括主控MCU模塊、射頻讀卡模塊、模塊間SPI通信，以及主控與上位機(jī)RS232通信。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3.1主控模塊設(shè)計(jì)

采用ATmega16作為主控芯片，其具有先進(jìn)的指令集，工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，同時(shí)其具有兩個(gè)可編程的串行USART以及可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口。主控芯片通過(guò)引腳PD0(RXT)和PD1(TXD)與PC相連接，基于RS232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行串口通信；引腳PB4(SS)、PB5(MOSI)、PB6(MISO)和PB7(SCK)與射頻模塊相連，進(jìn)行SPI通信[7]，在SPI通信過(guò)程中，主控模塊作為SPI主機(jī)，控制傳輸?shù)耐瓿伞?/p>

3.2射頻模塊設(shè)計(jì)

MFRC531是NXP公司生產(chǎn)的一款高集成、高性能的讀寫(xiě)芯片，工作頻率為13.56 MHz，可以對(duì)符合ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)的高集成智能IC卡進(jìn)行讀取,有效識(shí)別距離為100 mm。為了有效減少引腳的占用情況，MFRC531與主控模塊之間采用SPI模式進(jìn)行通信，MFRC531作為通信的從機(jī)，配合主機(jī)(主控模塊)完成序列號(hào)的傳輸。MFRC531功能框圖如圖2所示。

圖2　MFRC531功能框圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括閱讀器軟件設(shè)計(jì)、串口通信、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和PC人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)4部分。閱讀器軟件主要用于實(shí)現(xiàn)二代證序列號(hào)的讀取，通過(guò)串口傳遞給后臺(tái)計(jì)算機(jī)，后臺(tái)計(jì)算機(jī)將讀取到的序列號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，通過(guò)人機(jī)界面軟件完成數(shù)據(jù)分析、管理、存儲(chǔ)等功能。

4.1閱讀器軟件設(shè)計(jì)

二代證是非接觸式智能IC卡，符合ISO14443 TYPEB 標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)于MFRC531芯片的初始化及序列號(hào)的讀取、防沖突過(guò)程應(yīng)遵循ISO14443 TYPEB協(xié)議。

4.1.1二代證序列號(hào)的讀取過(guò)程

射頻模塊在完成復(fù)位和初始化操作后，首先對(duì)二代證進(jìn)行查詢(xún)卡操作，射頻模塊驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)產(chǎn)生13.56 MHz高頻磁場(chǎng)，并循環(huán)發(fā)送REQB命令。當(dāng)二代證與射頻模塊天線(xiàn)的距離小于100 mm時(shí)，二代證接收到磁場(chǎng)能量并產(chǎn)生感應(yīng)電壓激活內(nèi)部芯片，內(nèi)部芯片憑借感應(yīng)電壓產(chǎn)生的能量返回卡應(yīng)答給射頻模塊。射頻模塊接收到應(yīng)答信號(hào)后表明查詢(xún)卡成功，射頻模塊通過(guò)發(fā)送SELECT命令進(jìn)行選卡，二代證若返回狀態(tài)碼，則表明選卡成功。讀卡操作時(shí)射頻模塊發(fā)送GUID命令[1,5]來(lái)讀取8字節(jié)的二代證序列號(hào)，并將此序列號(hào)傳送回PC。整個(gè)系統(tǒng)讀取命令序列如圖3所示。

圖3　讀取命令序列圖

4.1.2多張二代證讀取時(shí)防沖突的實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)有多張二代證進(jìn)入閱讀器可識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器開(kāi)啟防沖突機(jī)制,按照一定的順序?qū)ΧC排序后逐個(gè)進(jìn)行操作。在這個(gè)過(guò)程中，閱讀器通過(guò)指令集來(lái)管理與多張卡片的通信，二代證對(duì)閱讀器發(fā)出的指令集進(jìn)行處理。防沖突指令集包括： ATQB，對(duì)請(qǐng)求命令的應(yīng)答；PCD，接近耦合設(shè)備(讀/寫(xiě)卡器)；PICC，接近式集成電路卡(非接觸式智能卡)；REQB，請(qǐng)求命令；WUPB，喚醒命令。

PCD為查詢(xún)PICC將發(fā)出包含一個(gè)整數(shù)N的REQB或WUPB命令，當(dāng)N=1時(shí)，位于閱讀器有效距離內(nèi)的PICC都回答ATQB命令，PCD檢測(cè)到接收的數(shù)據(jù)有CRC錯(cuò)誤，這時(shí)確認(rèn)發(fā)生了沖突。當(dāng)N>1時(shí)，PICC選擇隨機(jī)數(shù)R(11，PCD發(fā)出SLOT MARKER命令，該命令含有時(shí)槽數(shù)S，當(dāng)S=R時(shí)，PICC回答ATQB命令。PCD查詢(xún)N個(gè)時(shí)槽，只有當(dāng)PICC選擇的隨機(jī)數(shù)R與SLOT MARKER命令中的S相等時(shí)，PICC才回答ATQB命令，表明此PICC被閱讀器選中[8]。通過(guò)時(shí)槽型防沖突方法閱讀器可識(shí)別出多張二代證。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，同一時(shí)間內(nèi)，在閱讀器的有效識(shí)別范圍內(nèi)一般只有一張二代證，所以射頻模塊默認(rèn)發(fā)送單時(shí)隙(N=1)的讀卡命令。當(dāng)檢測(cè)到有沖突發(fā)生時(shí)，改發(fā)N>1時(shí)隙的讀卡命令，考慮到閱讀器有效范圍為100 mm，選取N=3即可滿(mǎn)足實(shí)際需要，而后執(zhí)行防沖突循環(huán)，完成選卡任務(wù)。

4.2串口通信程序設(shè)計(jì)

圖4　串口通信程序流程圖

基于C#.NET平臺(tái)，采用SerialPort控件實(shí)現(xiàn)閱讀器與后臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的串口通信。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在“一卡通”系統(tǒng)界面中加入SerialPort控件，首先通過(guò)Open()函數(shù)開(kāi)啟串口通信，設(shè)置串口屬性(如發(fā)送接收串口、波特率、字節(jié)長(zhǎng)度、校驗(yàn)位、停止位等)，然后設(shè)置DataReceived事件。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)時(shí)觸發(fā)該事件，將接收到的序列號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)[9]。串口通信程序流程圖如圖4所示。

4.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

雖然二代證“一卡通”系統(tǒng)只能讀取二代證序列號(hào)，但利用上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)和“一卡通”軟件的控制管理，可以極大提高系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。本系統(tǒng)以C#.NET為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，再結(jié)合SQL Server 2008建立數(shù)據(jù)連接關(guān)系,實(shí)現(xiàn)“一卡通”系統(tǒng)上位機(jī)軟件功能。

4.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

此“一卡通”系統(tǒng)在使用之前，需將二代證序列號(hào)與用戶(hù)的相關(guān)信息進(jìn)行綁定,傳入后臺(tái)計(jì)算機(jī)中，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。在使用過(guò)程中,閱讀器將讀取到的二代證序列號(hào)通過(guò)串口送至后臺(tái)，后臺(tái)計(jì)算機(jī)利用二代證序列號(hào)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)并調(diào)出用戶(hù)的相關(guān)信息，之后依據(jù)具體應(yīng)用對(duì)用戶(hù)信息進(jìn)行操作。對(duì)于不同系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表的建立也會(huì)有所不同，以下針對(duì)部分系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

對(duì)于公交、超市等需要支付功能的系統(tǒng)，應(yīng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加消費(fèi)信息表用于存儲(chǔ)用戶(hù)消費(fèi)、充值信息。但由于此類(lèi)支付無(wú)需密碼和簽名，因此二代證的支付功能必須設(shè)定金額上限(如1000元)，只能用于小額支付。

醫(yī)院系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)當(dāng)添加病歷表，為患者建立電子檔案，方便患者就診，并對(duì)此表設(shè)置權(quán)限，使得只有醫(yī)生才可對(duì)此表進(jìn)行讀寫(xiě)操作，保障患者隱私與安全。

小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)應(yīng)添加用戶(hù)具體住址信息表，詳細(xì)記錄下住戶(hù)的單元號(hào)門(mén)牌號(hào)。當(dāng)住戶(hù)進(jìn)入單元門(mén)和使用電梯時(shí)，再次驗(yàn)證信息表中的住戶(hù)信息與單元樓號(hào)及電梯號(hào)是否一致，提高小區(qū)的安全性。

4.3.2人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

圖5　軟件操作框圖

此軟件包括用戶(hù)界面和數(shù)據(jù)處理兩部分，用戶(hù)界面模塊主要負(fù)責(zé)界面的管理以及用戶(hù)操作，而數(shù)據(jù)處理模塊主要完成獲取序列號(hào)、查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)等操作[3]。此軟件只能完成系統(tǒng)基本應(yīng)用功能，可針對(duì)不同應(yīng)用需求對(duì)此軟件進(jìn)行修改和完善。軟件操作框圖如圖5所示。

用戶(hù)界面采用C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行編寫(xiě)，簡(jiǎn)單易操作，同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)所需基本功能。界面如圖6與圖7所示。

圖6　主界面

圖7　用戶(hù)信息錄入界面

結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)采用二代身份證作為一卡通的介質(zhì),有效節(jié)約了制卡成本，方便用戶(hù)攜帶，同時(shí)真正做到了利用二代證實(shí)現(xiàn)多種不同功能的智能管理，可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

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李凱漫(碩士研究生)、牛宏俠(副教授)，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?；侯?副教授),主要從事智能控制與智能信息處理研究。

Second Generation ID Card System of Multi-information Fusion

Li Kaiman1,Niu Hongxia1,Hou Tao2

(1.Key Laboratory Opto-electronic Technology and Intelligent Control Ministry of Education,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University)

Abstract：In the paper,the second generation ID card system based on RFID technology is proposed.It reads the sequence number of the second generation ID card containing information of read-only card,combines with the control management of the software and database on the upper machine to achieve one-card function.The one-card system reduces the cost of equipment and facilitates the people's lives,it can be widely applied in many fields.

Key words:RFID;asynchronous serial communication;anticollision

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-12-17)

中圖分類(lèi)號(hào):TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

* 基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308RJZA116))；甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目(2013A-051)；蘭州交通大學(xué)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(ZC2013004)。