伍穎+劉林+唐蛟

摘 要：RFID是物聯(lián)網(wǎng)的重要研究方向，伴隨著RFID自身隱藏的安全隱患日漸突出，怎樣預(yù)防對(duì)使用者而言具有重要意義。文中針對(duì)RFID自身隱藏的安全隱患，進(jìn)行防止RFID被拆遷的研究。在硬件方面，可以在RFID上增加一個(gè)防拆模塊，軟件采用相應(yīng)的響應(yīng)模塊即可。測(cè)試結(jié)果表明，該方案能夠有效提升智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，阻止針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的惡意攻擊，及時(shí)發(fā)現(xiàn)入侵并報(bào)警。

關(guān)鍵詞：RFID；物聯(lián)網(wǎng)；安全隱患；防拆模塊

中圖分類號(hào)：TP27；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

科技進(jìn)步推動(dòng)著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人類享受物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)、服務(wù)領(lǐng)域帶來的便捷與高效的同時(shí)，也憧憬著它能夠提供安全環(huán)境，為人類提供智能化的安全、高速服務(wù)。智能家居由概念走向現(xiàn)實(shí)，正在開啟智能化家居時(shí)代的大門，廣受國(guó)內(nèi)外科技工作者高度關(guān)注。伴隨著RFID自身隱藏的安全隱患日漸突出，怎樣預(yù)防RFID帶給使用者的安全隱患具有重要意義。

1 RFID防拆遷系統(tǒng)和總體設(shè)計(jì)方案

RFID系統(tǒng)位于系統(tǒng)最底層，通過對(duì)被控對(duì)象實(shí)施短距離無線通信技術(shù)來采集并傳輸分布在某一區(qū)域內(nèi)不同地方的傳感信息[1]，并下達(dá)對(duì)被控對(duì)象的操控指令，指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成操控任務(wù)；利用公眾通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺(tái)，根據(jù)操作者下達(dá)的指令，完成操作指令的遠(yuǎn)程接收和信息的遠(yuǎn)程發(fā)送。RFID防拆遷流程如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)是傳感網(wǎng)的核心，從結(jié)構(gòu)上看，RFID是一種簡(jiǎn)單的無線系統(tǒng)，只有RFID標(biāo)簽和閱讀器兩個(gè)基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。由應(yīng)用程序發(fā)出命令對(duì)其進(jìn)行控制。本文所述的RFID系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

RFID（Radio Frequency Identification，RFID）[2]是一種無線通訊技術(shù)，通過傳輸?shù)男畔⒆R(shí)別特定事物并按用戶要求讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需系統(tǒng)與目標(biāo)事物之間通過數(shù)據(jù)通信線路或者光學(xué)接觸來傳輸數(shù)據(jù)。RFID是感知層的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是上世紀(jì)末研發(fā)的一種自動(dòng)感應(yīng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過電磁耦合的原理實(shí)現(xiàn)非接觸數(shù)據(jù)傳遞，并通過傳遞的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)事物識(shí)別。

電子標(biāo)簽分為有源和無源兩類。有源技術(shù)電子標(biāo)簽內(nèi)部有電池，其壽命一般比無源的長(zhǎng)。在電池更換前一直通過設(shè)定頻段向外發(fā)送信息。本文所采用的有源技術(shù)電子標(biāo)簽具有壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

若想獲得RFID被拆的信息，那么就應(yīng)首先考慮在RFID處怎樣獲取RFID被拆的數(shù)據(jù)。因此在RFID標(biāo)簽上增加一個(gè)防拆遷模塊是首選，并能主動(dòng)把獲取的信息發(fā)送出去，而非被動(dòng)等待閱讀器來激發(fā)標(biāo)簽的磁場(chǎng)以發(fā)送數(shù)據(jù)，因此采用能主動(dòng)發(fā)送信息的有源電子標(biāo)簽?？煞治龅贸?，RFID標(biāo)簽由電源、微處理器、射頻模塊、天線和防拆模塊5部分組成，當(dāng)電子標(biāo)簽固定于被監(jiān)測(cè)物體時(shí)，防拆開關(guān)處于閉合狀態(tài)。此時(shí)主控模塊發(fā)送指令，射頻模塊向讀卡器發(fā)送讀卡器所需信息。一旦電子標(biāo)簽與物品分離，便改變了電子標(biāo)簽與物品已有的狀態(tài)，微處理器控制射頻模塊將防拆信息主動(dòng)發(fā)給閱讀器。RFID采用有源設(shè)計(jì)，微處理器芯片采用SPI串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，射頻芯片采用內(nèi)置芯片，電池為整個(gè)電子標(biāo)簽供電。RFID標(biāo)簽如圖3所示。

硬件采用MSP430F2012精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)和IA4420109bBm接收靈敏度的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片與CR2032電池。通信協(xié)議采用ISO/IEC 18000-7規(guī)范。應(yīng)答器的應(yīng)答格式見表1所列。

防拆遷采用廣播式應(yīng)答可方便多個(gè)閱讀器及時(shí)收到信息，應(yīng)答器狀態(tài)域的編碼含義見表2所列。

1.1.2 閱讀器設(shè)計(jì)

閱讀器對(duì)收到的數(shù)據(jù)所采用的不同處理措施同樣會(huì)影響系統(tǒng)感知RFID是否被拆遷和靈敏度，因此對(duì)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)應(yīng)采用不同的模板。RFID的主控模塊應(yīng)在收到RFID標(biāo)簽后，根據(jù)不同的信息來準(zhǔn)確定位信息級(jí)別。當(dāng)主控模塊收到RDID標(biāo)簽發(fā)送的請(qǐng)求后，主控模塊會(huì)根據(jù)應(yīng)答器狀態(tài)域編碼第2位的字符做出響應(yīng)，如果是“1”就向服務(wù)器發(fā)送防拆模塊，否則發(fā)送正常模塊。服務(wù)器對(duì)防拆模塊做出反應(yīng)，寫入數(shù)據(jù)庫，并確定相應(yīng)的危險(xiǎn)級(jí)別以便采取相應(yīng)措施。本系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)就已經(jīng)設(shè)定好了危險(xiǎn)級(jí)別和處理措施，如果客戶在線，將直接發(fā)送到客戶端，否則便發(fā)信息到戶主手機(jī)上。RFID閱讀器算法如下：

（1）防拆開關(guān)觸發(fā)，向主控模塊提出發(fā)送請(qǐng)求；

（2）閱讀器主控模塊根據(jù)應(yīng)答器狀態(tài)域編碼第2位的字符做出判斷，如果是“1”，則調(diào)用防拆模塊；如果是“0”，則調(diào)用正常模塊。

1.2 RFID防拆遷的確定

為了能準(zhǔn)確找出RFID被拆遷的位置，系統(tǒng)必須能根據(jù)閱讀器發(fā)送的數(shù)據(jù)做出精準(zhǔn)判斷。根據(jù)之前得到的RFID位置與數(shù)據(jù)庫的中心位置，可計(jì)算兩點(diǎn)間的距離：

（x-x1）2+（y-y1）2=d2 （1）

算出d后與RFID的有效范圍D作比較，如果d

超高頻段系統(tǒng)識(shí)別距離相對(duì)于其它頻段通信質(zhì)量高，最遠(yuǎn)達(dá)10 m，系統(tǒng)識(shí)別距離為4～6 m[3]。本文采用433 MHz帶定位計(jì)算功能模塊的非接觸ID讀卡器，并在讀卡器增加定位模塊，以減少服務(wù)器的運(yùn)算壓力與網(wǎng)絡(luò)傳輸量。同時(shí)提高定位的準(zhǔn)確性。如果只是RFID被拆遷，其自身就直接把RFID的位置發(fā)送給智能家居后臺(tái)。如果是被拆遷RFID開關(guān)失效，那么帶定位計(jì)算功能的RFID危險(xiǎn)源測(cè)試系統(tǒng)就可根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)定位公式計(jì)算出被拆電子標(biāo)簽的位置。基于場(chǎng)強(qiáng)定位算法的模型為[4]：

其中，Pri為第i個(gè)閱讀器的測(cè)量功率，Pt為目標(biāo)電子標(biāo)簽的發(fā)射功率，λ為電磁波的波長(zhǎng)，Gt為目標(biāo)標(biāo)簽的天線增益，Gri為第i個(gè)閱讀器的天線增益，Di為第i個(gè)閱讀器到目標(biāo)電子標(biāo)簽的距離，這里Pt、λ、Gt、Gri都是已知參數(shù)。

閱讀器根據(jù)三個(gè)不同RFID發(fā)來信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)來確定危險(xiǎn)源到RFID的距離，根據(jù)三點(diǎn)定位的算法可知：

（x-x1）2+（y-y1）2=d21 （3）

（x-x2）2+（y-y2）2=d22 （4）

（x-x3）2+（y-y3）2=d23 （5）

由此可以確定危險(xiǎn)源的位置（x，y）。多個(gè)不同閱讀器發(fā)給服務(wù)器的位置相差很小，說明定位準(zhǔn)確，否則就認(rèn)為RFID標(biāo)簽有拆遷。從比較中找出誤差較大的RFID，該RFID標(biāo)簽作被拆遷處理。

1.3 RFID防拆遷智能家居硬件的布局

從需求分析得出，定位可用于得到家庭事故發(fā)生地點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。但是由于閱讀器的傳輸距離限制了其發(fā)展，所以只能把無線WiFi技術(shù)、帶定位模塊閱讀器、有源RFID結(jié)合起來，組成一個(gè)能提高定位范圍和精度的無線傳感網(wǎng)。因此，巧妙、合理、全方位的硬件布局同樣也能大大提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，即能夠保證系統(tǒng)在一個(gè)閱讀器出現(xiàn)故障，一個(gè)閱讀器繁忙時(shí)不會(huì)出現(xiàn)無法正常捕捉和發(fā)送的情況，特別是保證RFID已拆遷信息的捕捉以及發(fā)送。系統(tǒng)布置如圖4所示（一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少能被三個(gè)閱讀器捕捉到信號(hào)，同樣一個(gè)閱讀器能被三個(gè)WSN傳輸）。

2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)是服務(wù)器端對(duì)RFID數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的分析和處理。只有當(dāng)RFID的位置改變時(shí)，RFID系統(tǒng)的防拆開關(guān)才會(huì)觸發(fā)，電子標(biāo)簽主動(dòng)從防拆開關(guān)捕捉到信息后，把應(yīng)答器狀態(tài)域編碼第2位置為高電平。閱讀器的主控模塊同樣也根據(jù)應(yīng)答器狀態(tài)域編碼的第2位來判斷，如果是“1”就向服務(wù)器發(fā)送防拆模塊，否則發(fā)送正常模塊。服務(wù)器對(duì)防拆模塊做出反應(yīng)，并寫入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)確定相應(yīng)的危險(xiǎn)級(jí)別以采取相應(yīng)措施。

為避免RFID防拆遷信息與RFID正常狀態(tài)信息傳輸或客戶操作信息競(jìng)爭(zhēng)端口，以快速處理RFID拆遷信息，服務(wù)器為RFID防拆遷信息預(yù)留兩個(gè)到三個(gè)數(shù)據(jù)端口。數(shù)據(jù)庫也同樣為RFID設(shè)計(jì)防拆屬性。軟件為已被拆的RFID廢除指令做準(zhǔn)備。其算法如下：

（1）建立SeverSocket對(duì)象，初始化服務(wù)器，等待閱讀器發(fā)來的連接請(qǐng)求；

（2）根據(jù)發(fā)來的數(shù)據(jù)找到被拆RFID的位置信息；

（3）根據(jù)公式（1）～（5）算出RFID標(biāo)簽是否超出控制范圍，若超出最大控制范圍，應(yīng)立即修改數(shù)據(jù)庫，阻截繼續(xù)發(fā)往此標(biāo)簽的命令，同時(shí)通知客戶有關(guān)此拆遷信息；

（4）如果是防拆信息就根據(jù)拆遷的位置來確定級(jí)別，并根據(jù)危險(xiǎn)級(jí)別采取相應(yīng)措施。

（5）中斷連接，結(jié)束通信。

3 結(jié) 語

本文將RFID防拆模塊嵌入電子標(biāo)簽中，詳細(xì)設(shè)計(jì)了電子標(biāo)簽的應(yīng)答信息、閱讀器以及服務(wù)器的處理過程。該方案在實(shí)際運(yùn)用過程中能很大程度防止防拆人為因素干擾信息的正常發(fā)送及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如與其他智能系統(tǒng)結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的安排和調(diào)度，靈活實(shí)現(xiàn)企業(yè)、居家等物聯(lián)網(wǎng)方向下的生產(chǎn)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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