基于AT88RF020非接触式RFID卡实现学校就餐管理系统的设计

1 概述

现在，在一些就餐比较集中的大、中专及中学里，学生的就餐基本上采用微机管理，学生凭一张非接触式的RFID卡就可以很方便地在学校食堂消费。有些学校还采用了校园一卡通，只要持有一张合法的RFID卡，就可在全校范围内的公共消费场所进行消费。

RFID（Radio Frequency Identification）即射频识别卡或是感应式电子芯片。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。AT88RF020就是Atmel公司生产的非接触式RFID卡。

2 RFlD卡at88rf020的特点

◇AT88RF020是13．56 MHz射频卡，遵循ISO／IEC 14443 Type B协议;

◇容量为2048位；

◇每张卡有唯一序列号；

◇带有加密和锁定功能；

◇一个一次性计数器；

◇所有传输信息中包括一个字节的循环校验码；

◇写时间为3 ms；

◇写次数为100 000次；

◇工作环境是O～70℃。

3 RFID射频识别技术的组成及工作原理

3．1 RFID系统的基本组成

①标签（tag，即射频卡）。由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。图1是RFID芯片AT88RF020的内部结构原理图。

②阅读器（reader或叫读卡器）。读取（除读卡外还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。

③天线（antenna）。在标签（射频卡）和读卡器之间传递射频信号。

有些系统还通过读卡器的RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。

3．2 RFID系统的基本工作原理

读卡器通过发射天线发送一定频率（如13．56 MHz）的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活。射频卡将自身编码等信息通过射频卡的内置发射天线发送出去。系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

3．3 RFID系统读卡器的结构及工作原理

对读卡器而言，在耦合方式（如电感-电磁）、通信流程（如FDX、HDX、SEQ）、从射频卡到读卡器的数据传输方法（如负载调制、反向散射、高次谐波）以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别。但所有的读卡器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理如图2所示。

读卡器控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程（主-从原则）；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器问要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和读卡器间的身份验证等附加功能。

4 RFID卡AT88RF020的存储结构

Atmel的AT88Rt020射频卡芯片有2048位的存储容量，分成32页，每页8个字节，存储组织结构如表1所列。

表1中标有“—”的字节由用户定义，出厂时初始值为0。

①Pseudo Unique PICC Identifier。卡唯一序列号，卡序列号由卡厂家写入，不能被修改。

②Applicatlon Data。应用数据，这个数据被作为ATQB回复信息的一部分由卡传输到读写器中。

③counter。计数器，每执行一次COUNT指令，计数器的值就加1，初始值由厂家设为0。

④Signature。签名（用于加密），这个数据位于第2页的前6个字节，可以通过COUNT指令修改，counter和Signature 可以提供更进一步的安全保护。

⑤Password。密码，密码放在第3页中，不能读出。

⑥Lock Bits。锁定位，位于第0页，验证密码后，能用LocK命令修改。锁定位中的每一位与内存各页对应，如果某位被设为“1”，则对应的页就被锁死，不能再进行写操作，也没有机制解锁，所以某页一旦被锁，其内容再也不能修改，出厂初始值为0。

AT88RF020通电或重启的工作流程如图3所示。

5 RFlD卡AT88RF020的常用命令与函数

5.1 AT88RF020的常用命令

①REQB／WUPB：用于寻卡或者唤醒处于HALT状态的卡，这种卡只响应应用代码（API）为00或01的情况，如果接收到一个带有无效API代码的WUPB命令，那么卡仍然处于HALT状态。

②ATTRIB：用于从所有响应REQB／WUPB的卡中选择一张卡，此后，卡进入AC-TIVE状态。

③Slot MARKER：为读写器提供了一种用于查询随机数大于1的卡。

④HALTB：设置卡处于HALT状态，此后只能执行WUPB命令。

⑤READ：用于读取卡中的数据，读取页0～2可以不必验证密码，而第3页的数据不能读出，只能通过PASS—WORD命令修改，其他的页验证密码后可以读出。

⑥WRITE：用于对卡写入数据。

⑦LOCK：只有在验证密码之后才能执行，用于锁定某一地址区域，被锁定的地址区域在验证密码之后只可以进行读操作。

⑧CHECK PASSWORD：密码校验命令，在设备进入就绪状态之后执行。

⑨DEselect：如果对处于ACTIVE状态的卡执行该命令，且通过，则卡发送一个正确的回答信息，并进入HALT状态。

⑩COUNT：用于写第2页。COUNT命令中所带的数据写入到第2页的前6个字节中，后2个字节被用做计数器使用，每执行一次COUNT命令，计数器的值就增1，如果计数器的值达到2的15次方，就不能再执行COUNT操作，且第2页被锁定，不能再修改。执行该命令之前要验证密码。

5.2 AT88RF020的函数

下面以rf_attrib（）函数为例来说明AT88RF020的函数用法。

①函数rLattrib（）的格式： int rI_attrib（HANDLE icdev，unsigned long pupi，unsigned char param，unsigned char cid，unsigned charbrTx，unsigned char brRx）；

②函数的功能。从已响应REQB／WUPB命令的卡中选取一张卡，同时给每一张卡分配一个ID号。

③函数的参数描述。

icdev：rf_init（）返回的设备描述符。pupi：Pseudo—Unique PICC Identifier。param：设为0。cid：卡片ID号（0～15），这个值存储在卡片中供后面操作使用。

brTx：由CD（近耦合设备）到PICC（近耦合集成电路卡）的波特率，对于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。

brRx：由PICC到PCD的波特率，对于AT88RF020，0x00代表106 kb／s。

④返回值。等于0表示成功；不等于0表示失败。

⑤例程。

int st;

unsigned char Mode=“0”;

unsigned char_Data［15］；

unsigned long pupi=“0”;

st=“rf”_request

b（iedev，Mode，0～0 Data）;

if（st==0）{

memcpy（&pupi，&Data［1］，4）；

st=“rf”_attrih（icdev，pupi，0，0，0．0）；

}

经过选卡后，如果有多张卡进入激活状态，则可以根据CID（射频卡ID号）在同一时间内对多张卡操作。以两张卡为例：

int st；

unsigned long pupi［2］;

unsigned char receive［256］，data［10］;

pupi［o］=0x25510200;／／卡1的pupi

pupill］=Ox344e0200；／／卡2的pupi

unsigned char cid=“0”;

st=“rf”_requestb（icdev，0，0，0，receive）;／／选择一张卡

／／in the case of the response card is card 1

cid一0；／／slot 0

st=“rf”_attrib（icdev，pupiEO］，o，cid，0，O）；

／／select card 2

st=“rf”_request（iedev，0，0，0，receive）；

／／in the case of the response card is card 2

cid=“1”；

st=“rf”_attrib（icdev．pupi［l］．0，cid，0，0）；

／／operate the two cards in the same time

for（int i一0；i-（2；i++）{

st=“rt”_read（icdev，i，0，data）；

／／deseleet card 1

st=“at88rf020” deseleet（iedev，0）；

／／deseleet card 2

st=“at88rf020” deseleet（icdev．1）；

6 RFlD卡在学校就餐管理中的应用

6．1 系统总体方案

采用美国Atmel公司生产的AT88RF020射频识别卡、IDIc（Identification IntegratecI circuit）、读写基站集成电路u2270B和Atmel公司的8位单片机研制开发学校食堂就餐管理系统，系统具有预付收费、目标识别、身份验证、数据采集、数据加密和数据库管理的功能。系统由AT88RF020卡、就餐管理终端、数据库管理系统、就餐管理终端与数据库管理微机的通信系统四部分组成。主机与就餐管理终端之间的通信采用RS一485通信标准，工作方式为半双工，每次通信都是主机首先呼叫从机。系统结构如图4所示。

6．2 通信硬件接口设计

本系统中，就餐管理终端与上位机的通信选用了Rs485总线标准，并采用了MAX465芯片来实现，它具有RS485通信接口需要的全部功能。数据通信的方向由RE和DE脚来控制，设计中二者连在一起，由单片机的Pl，5来控制。当它为高电平时，数据由就餐管理终端经MAX485到外部串行总线，即处于发送状态；为低电平时，数据由外部串行总线到就餐管理终端。一般微机的串行口采用RS232接口，故在上位机一端需要一个RS232／Rs485转换器。本设计中采用台湾Aten公司生产的IC-485SN转换器，它是一种双向RS232／R$485或RS422转换器，可提供点对点、点对多点（最多可达254个点）的全双工和半双工以及多点的单工串行通信。

6．3 通信软件接口设计

位机数据库管理系统采用Visual FoxPro（即VF）编写，这里介绍的串行通信程序主要是在VF中实现与就餐管理终端的通信程序设计。本系统采用标准的通信控件commLmications进行通信程序的设计，实现挂失数据的发送、用户卡号的发送、发卡和就餐数据的接收。每次通信时，首先在上位机的lnlt事件中初始化通信控件olecon—troll，初始化设置为：

thisform，olecontroll，commPort=1 ／／选择串行口COM1

thisform，olecontroll，PortOpen=1 ／／打开串行口COM1

thisform，olecontroll，lnpLltMode=O ／／接收的数据按文本方式

thisform olecontroll，RTSEnable=1 ／／允许使用RTs线．用于

／／RS232／485转换器的发送控制和供电

thisform，oleconatroll，InputLen=1 ／／每次读取接收缓冲

／／区的一个字符

thisform，olecontroll，OutbifferCount=O／／清除发送缓冲区

thisform，olecontroll，InbufferCotInt=O／／清除接收缓冲区

结语

本文介绍了RFID卡ATRF88020的特点、工作原理及在学校就餐管理中的应用。RFID技术的典型应用还有；物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件／快运包裹处理、文档追踪／图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制／电子门票、道路自动收费等。

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