（系统分析与集成专业论文）基于rfid技术的门控管理系统设计与实现.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名：卫( 至此 日期 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：量兰圭拄二7 一 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：l 一盘扛二 日期： 导师签名： 日期： 基于r f 工d 技术的门控管理系统设计与实现 中文摘要 本文详细介绍了基于r f i d 技术的门控管理信息系统的设计、实现过程。非 接触式i c 射频卡中的主流为p h i l i p s 公司的m i f a r e 技术，已经被制定为国际 标准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 标准。射频卡上具有先进的数据通信加密并双向 验证密码系统；且具有防重叠功能。 系统采用c s 结构进行实施，由两部分组成：管理模块和刷卡显示模块， 其中每个刷卡模块包括一台微机( 上位机) 和一台读卡器( 下位机) ，上位机利 用m s c o 删控件和下位机进行串行通信。下位机读卡芯片选用p h i l i p s 公司的 汀r c 5 0 0 芯片，微处理器选用a t m e l8 9 s 5 2 ，设有e e p r o m 读写电路、键盘电路、 数码管显示电路、串行口电平转换电路、复位电路以及看门狗电路等。卡片初 始化由发卡机完成，主要包括设置射频卡密码、控制字及初始化卡号等。刷卡 模块根据管理模块的参数设置进行运行，可以设置的参数包括：进门刷卡标志、 出门刷卡标志、记录进出门时间等。系统运行时刷卡模块根据射频卡状态给出 各种提示语音，并将持卡人的信息及时显示出来。系统运行过程中会产生进出 门刷卡流水记录和工作人员开关机记录，记录随即被存入后台数据库中。管理端 还可以管理工作人员、批量解除射频卡锁定、打印刷卡流水记录和工作人员操 作日志。系统的安全性主要由四个层次组成，分别是为局域网硬件防火墙、操 作系统、数据库管理系统、数据库对象。后台数据库采用m i c r o s o f ts q l s e r v e r 2 0 0 0 ，支 寺t c p i p 目 议。 在系统实际运行的过程中我们发现：该系统运行稳定、读卡迅速可靠、统 计分析功能强大，基本达到了预期的目标。 关键字：r f i d 、m f r c 5 0 0 、门控、c s 、r s 2 3 2 第3 页 t h er e a l i z a t l 0 n0 fd 0 0 ra c c e s ss y s t e mb a s e d0 nr f i d a b s t r a c t t h i sp a p e ri n 仃o d u c e s 也ed e s i g na n dm er e a l i z a t i o no fm ed o o ra c c e s s s y s t e mt h em f r c 5 0 0 i san e wf m i l yo fh i g h l yi n t e g r a t e dr e a d e ri c sf 研c o m a c t i e s s c o m m u n i c a t i o no n1 3 5 6 m 王z 1 1 1 i sn e wr e a d e ri cf 细i l yu t i l i z e sa no u t s t a n d i n g m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc o n c e p tc o m p l e t e l yi n t e g r a t e df o ra 1 1m a j o rk i n d so f p a s s i v ec o n t a c t l e s sc o m m 嘶c 撕o nm e 也o d sa n dp r o 幻c o l so nl3 ，5 6 m 亿t h em f r c 5 0 0 s u p p o r t sa l ll a y e r so f i s o1 4 4 4 3 a t h j ss y s t e mc o n t a i n sc l i e n ta n ds e r v e r o n ec l i e mi sm a d eu po fac a r dr e a d e r a n dap c ，w 1 1 i c hc o m m u n i c a t e st h r o u 曲r s 2 3 2p o n m i c r o s 矾s q ls e r v 既也o o oi s u s e da sm eb a c k 掣o u n dd a t a b a s es e r v e r ， 0 n ec a r dr e a d e ri sm a i n l yc o m p r i s e do fm fr c 5 0 0a 1 1 dm i c r o p r o c e s s o l na l s o c o n t a i n s4 x 4k e y b o r d s ，n 谢ei i g h t ，e e p r o m ，c h a i l g e rmv o l t a g eo fs e r i a lp o r t ，r e s e t c i r c u i t ，叽dw a t c h d o g t 、，伍c a r dm u s tb ei n i t i a l i z e db e f - o r eb eu s e d t h ei n “i a l i z a t i o n c o n s i s t so fk e ya ，k e yb ，c o n t r o ib y t ea n dc a r dn o t h es e r v e rc o 越g st h ec l i e n t p 甜锄e t e rd e t e r m i n i n g 也en m n m g 唧l e o fm ec l i e n t _ i ta l s oc a nm a n a g et h e m i s s i o n a 阱t h ew o r k i n gp e 叩l ei s d i v i d e di n t ot t l r e e g r a d e si n c l u d i n gn o 姗a l 叩e r a t o r s u b s y s t e ma d m i n i s t m t o r 趾ds y s t e m 幽i n i s 廿a t o l d u r i n gt h en m n m g t i m e o ft 1 1 i ss y s t e m ，p a s si na i l do u tg l i d er e c o r dc a nb eg e n e r a t e d t h es e r v e rc a ng t a t i s t i c s ， a n a i y s i st h ep a s si na i l do u tr e c o r d t h er e p o r ta l s oc a n b eg i v e n t h i ss y s t e mi sn o wu s i n gmo n eu n i v e r s 时d u r i n gt h em l m i n gt i m e ，w ef l n d t h a tt l l i ss y s t e mi ss t a b i l i t ya sw e l la si t sh i 曲w o r k i l l ge 衢c i e n c y k e yw o r d s ：r f i d 、m fr c 5 0 0 、g a t i n g 、c ss t m c t u r e 第4 页 第一章绪论 1 1 自动识别技术简介 自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动 自动地获取被识别物品的相关信息并提供给斤台的计算机处理来完成相关后续处理的一种 技术。自动识别技术足以计算帆技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术，它是信 息数据自动识读、自动输 计算机的重要方法和手段。 自动识别技术近几十焦来在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技 术、磁条磁卡技术、i c 卡技术、光学字符识别技术、射频技术、声音识别及视觉识别等集 计算机、光、磁：物理、机电、通信技术为体的高赫技术学科。完整的自动识别计算机 管理系统包括自动识别系统( a i d s ) 、应用程序接口( a p i ) 、中间件、应用系统软件。 自动识别技术根据识别对象的特征可以分为两大类，分别是数据采集技术和特征提取 技术。数据采集技术的基础特征需要被识别物体具肯特定的识别特征载体；而特征提取技 术则根据被识别物体本身的行为特征来完成数据的自动采集。自动识别技术包括： ( 1 ) 条码技术 ( 2 ) 光学字符识别 ( 3 ) 磁条( 卡) 技术 “) i c 卡识别技术 ( 5 ) 声音识别技术 ( 6 ) 视觉识别 ( 7 ) 射频识别技术( r f i d ) 自动识别技术从条码开始，以无线射频结束。也就是说，条科技术是自动识别技术的 始祖，而无线射频技术则是自动识别技术的未来终极。 1 2 无线射频识别的基本概念及应用领域 无线射频识别技术( r a d of r e q u e n c yi d e n i f i c a t l 。n ，r f i d ) 足一一种非接触的自动 识别技术，其基础原来是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对 被识别物体的自动识别。射频识别系统般由两个部分组成，即电予标签( 应答器，t a g ) 被识别物体的自动识别。射频识别系统般由两个部分组成，即电予标签( 应答器，t a g ) 第5 珂 和阅读器( 读头，r e a d e r ) 。在r f i d 的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上，当 带有电子标签的被识别物品通过其可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签 中的约定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或自动识别物品标志信息的功能。 r f i d 技术是直接继承了雷达的概念，并由此发展起来的一种全新的自动识别技术。1 9 4 6 年，h a r r ys t o c k m a n 发表的“利用反射功率的通信”奠定了r f i d 的理论基础，成为r f i d 理论领域的不朽之作。现在，r f i d 标准化问题日趋为人们所重视。r f i d 产品种类更加丰富， r f i d 技术的理论得到了丰富和完善。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大范围使用r f i d 和美国军方宣布军需物品均需使用r f 工d 技术进行识别与跟踪，极大地摊动了r f i d 的研究 与应用。射频识别技术在国外发展得很快，r f i d 产品种类也较多。如德国仪器公司( t i ) 、 m o t o r o l a 、p h 订i p s 等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且它们的产品各有特点，自成系 列。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域： 汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生 产自动化，安全出入检查，仓储管理，动物管理和车辆防盗等等。 1 3 本文的研究意义 我国对i c 卡行业的发展始于1 9 9 3 年左右，当时的中央领导高度重视i c 卡行业，高瞻 远瞩，指示要发展我国自己的i c 卡事业，建立“金卡工程”。虽然至今也只有短短的1 3 年 左右时间，但己取得了不小的成就。己研制成功我国自主版权的较大容量的存储卡，逻辑 加密卡等，但是对于尖端的c p u 卡及非接触式i c 智能射频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的制卡 技术及其相应的读写卡设备技术，仍处于落后状态。这极大地制约了i c 卡行业的发展， 特别是在要求有极高安全性和保密性的金融行业中，制约了我国金卡工程的实施和发展。 为了加快i c 卡行业的发展，特别是尖端的c p u 卡及非接触式i c 智能射频卡( 内建m c u ， a s i c 等) 的推广应用，让i c 卡行业及其他行业的同行尽快掌握c p u 卡及非接触式i c 智能 射频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的核心技术及其读写设备的软硬件技术及应用设计，跟上国 外的i c 卡研究和应用步伐，甚至走在其前面，我国不少科研院所参与到射频读写卡设备研 制的工作中来。本人在利用非接触式射频卡进行系统集成的工作上作了一点有意义的探索， 成功实现对射频卡的读、写等操作，完成了系统分析、设计、调试和运行的各阶段的工作。 第6 页 第二章射频识别系统的组成及工作原理 2 1r f i d 系统的组成 射频识别系统的基本模型如图2 1 所示。主要由以下两部分组成： ( 1 ) 应答器：又称为射频标签、电子标签、数据载体。 ( 2 ) 阅读器：又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器。 其中，应答器与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合；在耦 合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。通常情况下，一台阅读器包括 射频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及与应答器连接的耦台器件。此外，许多阅读器 还附有标准的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 、网口) ，以便将所获得的数据传输给另外的系统 ( mc u 或pc 机等) 。 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，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 通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线 调节器传送到阅读器，阅读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。 阅读器的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( 主一从原则) ：信号的编解码。对些特殊的系统还有执 行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅 读器间的身份验证等附加功能。 第7 页 2 2 射频卡的标准及分类 目前生产r f i d 产品的很多公司都采用自己的标准，国际上还没有统一的标准。目前， 可供射频卡使用的几种标准有i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 1 4 4 4 3 、i s o l 5 6 9 3 和i s o l 8 0 0 0 。应用最多的 是i s 叫4 4 4 3 和i s 0 1 5 6 9 3 ，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反 碰撞以及传输协议四部分组成。射频卡有咀下几种分类： ( 1 ) 按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较 远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它 利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对 有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。 ( 2 )按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有 1 2 5 k h z 和1 3 4 2 l 【 z 两种，中频射频卡频率主要为1 3 5 6 删z ，高频射频卡主要为4 3 3 m h z 、 9 1 5 佃z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门 禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应 用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄 且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。 ( 3 )按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频能量主动 地发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载 波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活 一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来去 穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作 的射频卡主要用于有障碍物的应用中，距离更远( 可达3 0 米) 。 ( 4 )按作用距离可分为密耦合卡( 作用距离小于l 厘米) 、近耦合卡( 作用距离小于1 5 厘米) 、疏耦合卡( 作用距离约1 米) 和远距离卡( 作用距离从l 米到1 0 米，甚至更远) 。 2 3m i f a r e0 n e 非接触式i c 智能射频卡特点 m i f a r e0 n ei c 智能( 射频) 卡的核心是p h i l i p s 公司的m i f a r eo n ei cs 5 0 ( 一0 l ，一0 2 ， 一0 3 ，一0 4 ) 系列微模块( 微晶片) 。它确定了卡片的特性咀及卡片读写器的诸多性能。该卡 第8 页 采用先进的芯片制造工艺制作。内建有高速的c m 0 se e p r o m ，m c u 等。卡片上除了i c 微晶 片及一一副高效率天线外，无任何其他元件。卡片上无源( 无任何电池) ，工作时的电源能量 由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦台到卡片上天线而产生电能，一般可达2 v 以上， 供卡片上i c 工作。工作频率1 3 5 6 m h z 。m i f a r e0 n e 射频卡所具有的独特的m i f a r er f ( 射 频) 非接触式接口标准已被制定为国际标准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 标准。射频卡标准操 作距离为1 0 0 ( 由m c m 5 0 0 作为读写器核心模块) 和2 5m m ( 由m c m 2 0 0 作为读写器核心 模块) 。与卡片读写器的通信速率高达1 0 6 k b i t s 。m i f a r e0 n ei c 智能( 射频) 卡上具有先 进的数据通信加密并双向验证密码系统；且具有防重叠功能：能在同一时间处理重叠在卡 片读写器天线的有效工作距离内的多张重叠的卡片。m i f a r eo n ei c 智能( 射频) 卡与读写 器通信使用握手式半双工通信协议；卡片上有高速的c r c 防处理器，符合c c i t t 标准。卡 片制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张m i f a r e 卡片。 卡片上内建8 k ( b i t ) e e p r o m 存储容量并划分为1 6 个扇区，每个扇区划分为4 个数 据存储块，每个扇区可由多种方式的密码管理。 卡片上还内建有增值减值的专项的数学运算电路，非常适合公交地铁等行业的检票 收费系统。典型的检票交易时间最长不超过1 0 0 m s ( o 1 秒) ( 包括卡片的认证，6 个扇区的 读( 7 6 8 b i t ，2 个扇区的认证) ，2 个扇区的写操作( 2 5 6 b i t ) ) 。卡片上的数据读写可超过 1 0 万次以上：数据保存期可达l o 年以上，且卡片抗静电保护能力达2 k v 以上。 第9 页 2 4m i f a r e0 n e 非接触式i c 智能射频卡功能组成 图2 2m i f a r eo n es 5 0 非接触式i c 智能射频卡的功能组成图5 2 4 1 i 射频接口电路 在r f 射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。它可将卡片读写器上的1 3 ，5 6 埘z 的无线电调制频率接收，一方面送调制解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换 为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进步的处理，包括稳压等，最 终输出供给卡片上的各电路。p o r 模块主要是对卡片上的各个电路进行p o w e r o n r e s e t ( 上 电复位) ，使各电路同步启动工作。 2 4 2 数字电路模块 ( 1 ) a t r 模块：a n s w e rt or e q u e s t ( “请求之应答“) 当一张m i f a r e0 n e 卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器 向卡片发出r e q u e s ta l l ( 或r 鼬u e s ts t d ) 命令后，卡片的a t r 将启动，将卡片b l o c k0 中 的卡片类型( t a g t y p e ) 号共2 个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。 如果不进行第一步的a t r 工作，读写器对卡片的其他操作( r e a d w r i t e 等) 将不会进行。 卡片的类型( t a g t y p e ) 号共2 个字节，可能为：0 0 0 4 h 。 第1 0 页 ( 2 ) a n t i c 0 1 l is i o n 模块：防止( 卡片) 重叠功能 如果有多张m l f a r eo n e 卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，a n t i c 0 1 l is i o n 模块的防重叠功能将被启动工作，在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进 行通信，取得每张卡片的系列号。由于m i f a r e0 n e 卡片每张都具有其唯一的系列号， 决不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别，区分已选的卡片，卡片读写器中 的m c l l 中的a n t i c o l l i s i o n 防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读 写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换， 耒被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。 a n t i c o l l i s l o n 模块( 防重叠功能) 启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号 s e r i a ln u m b e r 。序列号s e r i a ln u m b e r 存储在卡片的b 1 0 c k0 中，共有5 个字节，实际有 用的为4 个字节，另一个字节为序列号s e r ja 1n u m b e r 的校验字节，这在以后章节中详细 论述，包括对序列号s e r i a ln u m b e r 的校验方法等。序列号s e r i a ln u i i | b e r 中实际有用的 4 个字节，可能为：0 0 7 e o a 4 2 h 。 ( 3 ) s e l e c ta p p l l c a t i o n 模块：主要用于卡片的选择。 当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操 作，必须对卡片进行“s e l e c t ”操作。以使卡片真正地被选中。 被选中的卡片将卡片上存储在b 1 0 c k0 中的卡片的容量“s i z e ”字节传送给读写器。 当读写器收到这一字节后，将明确可以对卡片进行深一步的操作了。例如，可以进行密码 验证等等。 读写器收到的“s i z e ”字节可能为：8 8 h 。 ( 4 ) a u t h e n t i c a t i o n a c c e s sc o n t r o l 模块：认证及存取控制模块 m f r c 5 0 0 使用的谁算法称为三重认证。它基于密钥长度为4 8 比特的么有加密数据流。 如欲获取标准卡片的数据，有关密钥的知识是必需的。为了能够成功进行卡的认证以及后 续对储存于卡e e p r o m 中的数据进行操作，m f r c 5 0 0 必须能够获得正确的密钥。当一张卡按 照i s 0 1 4 4 4 3 a 协议被选中后，用户可以按照标准协议继续操作。在这种情况下，必须执行 卡片认证。在认证指令执行过程中，m f r c 5 0 0 从内部密钥缓冲器中读取密钥。密钥总是从 第1 l 页 密钥缓冲器中获取。因此认证指令无需指明密钥存储地址。当然，在认证指令开始之前， 用户必须保证在密钥缓冲器中已经准备好了密钥。密钥缓冲区器可以通过以下两种方式加 载：用l o a d k e y e 2 指令从e 2 p r 叫加载：直接由外部处理器通过l o a d k e y 指令从f i f 0 中加 载。 三遍认证过程如图2 3 所示，认证过程如下： f e ) 一 ( a ) r b 非接触式卡 m i f h r e l 片读写器 ( b ) t o n a b r 卡片 ( d ) t o k e n a b 一 ( c ) 图2 3 三遍认证的令牌原理框图 ( a ) 环：由m i f a r eo n e 卡片向读写器发送一个随机数据船； ( b ) 环：由读写器收到船后向m i f a r eo n e 卡片发送一个令牌数据t o k e na b ，其中包 含了读写器发出的一个随机数据r a ： ( c ) 环：m i f a r e0 n e 卡片收到t o k e na b 后，对t o k e na b 的加密的部分进行解密， 并校验第一次由( a ) 环中m i f a r e0 n e 卡片发出去的随机数r b 是否与r b ) 环中接收到的 t o k e na b 中的r b 相致： ( d ) 环： 如果( c ) 环校验是正确的，则m i f a r eo n e 卡片向读写器发送令牌t o k e n b a 给读写器； ( e ) 环：读写器收到令牌t o k e nb a 后，读写器将对令牌t o k e nb a 中的r b ( 随机数) 进行解密；并校验第一次由( b ) 环中读写器发出去的随机数r a 是否与( d ) 环中接收到的 t o k e nb a 中的r a 相。致： 如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读写 器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作( r 卧d w r i t e 等操作) 。 卡片中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作。如想对其 他扇区进行操作，必须完成上述的认证过程。 认证过程中的任何一环出现差错，整个认证将告失败。必须从新开始。 第1 2 页 如果事先不知卡片上的密码，则由于密码的变化可以极其复杂，因此靠猜测密码而想 打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。 ( 5 ) c o n t r o l a r i t h m e t i cu n i t 控制及算术运算单元： 这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单 位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收发的数据进行算术运算处理， 递增递减处理，c r c 运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机( m c u ) 单元。 ( 6 ) r a m r o m 单元： r a m 主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储，如果某些数据需要 存储到e e p r 州，则由控制及算术运算单元取出送到e e p r o m 存储器中；如果某些数据需要 传送给读写器，则由控制及算术运算单元取出，经过r f 射频接口电路的处理，通过卡片上 的天线传送给卡片读写器。r a m 中的数据在卡片失掉电源后( 卡片离开读写器天线的有效 工作范围内) 将被清除。 同时，r o m 中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取 出去对每个单元进行微指令控制。使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信。 ( 7 ) c r y p t ou n i t 数据加密单元： 该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为d e s 标准算法或其他。 2 。5 射频卡读写操作关键技术及概念 2 5 1 f a r eo n e 卡片的存储结构 m i f a r eo n e 卡片的存储容量为8 1 9 2b f tx1 位字长( 即l kx8 位字长) ，采用髓p r o m 作为存储介质，整个结构划分为1 6 个扇区，编为扇区o 1 5 。每个扇区有4 个块( b l o c k ) ， 分别为块0 ，块l ，块2 和块3 。每个块有1 6 个字节。一个扇区共有1 6b y t ex4 = 6 4b y t e 。 每个扇区的块3 ( 即第四块) 包含了该扇区的密码a ( 6 个字节) 、存取控制( 4 个字节) 、 密码b ( 6 个字节) ，是一个特殊的块。其余三个块是一般的数据块。 但扇区0 的块0 是特殊的，是厂商代码，已固化，不可改写。其中：第l 4 个字节为 卡片的序列号，第5 个字节为序列号的校验码；第6 个字节为卡片的容量“s i z r 字节； 第1 3 页 第7 ，8 个字节为卡片的类型号字节，即t a g t y p e 字节；其他字节由厂商另加定义。如图 2 4 所示。 扇区o 扇区】 块0 块l 块2 块3 块0 块1 块2 块3 密码a 存取控制密码b 密码a 存取控制密码b 密码a 存取控制密码b 图2 4m i f a r eo n e 卡内部结构 2 5 2m j f a ”o n e 卡片的读写控制 6 0 6 1 6 2 6 3 每个扇区的块3 ( 即第四块) 包含了该扇区的密码a ( 6 个字节) 、存取控制( 4 个字节) 、 密码b ( 6 个字节) ，是一个特殊的块。其余三个块是一般的数据块。存取控制的结构及其控 制方式如表2 1 至表2 4 所示。 麟麟i l 黼gi 囊嚣；麟鬟糕l 潍瓣鬻麟i 鬟鬻缫麟蘩翮鬻黼 c 2 x 3bc 2 x 2b c 2 x lbc 2 x obc 1 x 3bc 1 x 2bc 】x 1b c 1 x ob c l x 3c 1 x 2 c l x ic 1 x 0c 3 x 3bc 3 x 2bc 3 x 1b c 3 x ob c 3 x 3c 3 x 2c 3 x 1 c 3 x oc 2 x 3 r ? y c 2 x lc 2 x 0 b x 7 b x 6b x 5b x 4b x 3b x 2 b x lb x o 表2 一l 存取控制四字节的位结构 ( 注：- b 表示取反，如c 2 x 3 一b 即c 2 x 3 取反；x 表示扇区号iy 表示第几块；c 表示控 制位；b 表示备用位) 第1 4 页 o l 2 3 块块块块 5区扇 o00n e v c rk e 、n 旧k e y aj bn c v c rk e y a 旧k f y a f b 010n e v e rn e v e rk f y a 旧n e v e rk e 、h 僻n e v e r 】o( )n e v e rk f y hk e y a l bn e v c rn e v e rk 】j y b 11on e v c rn e v e rk e y a 旧n e v e rn e v e rn e v e r 隰黼黼糕糕戮徽鬻麟黧黼鬻黼戮粼 ( 】1n e v e rk e y bk f y a l bk e y bn e v e rk r ? y r 01n e v e rk c v e rk e y a l bk e y bn e v e f - n e v e i 】l 1 n e v e rn e v e rk e y a bn e v c rn e v e i -n “7 e r 表2 2 存取控制对块3 的控制 ( 注：k e y a 旧表示密码a 或密码b ：n e v e r 表示没有条件实现：x = 0 一1 5 ) e l 溪聱， c 2 麓鹫c 3 麟、 r e 绷。强弱惦m 鲋e m 醐弘=i ：黼i 穗m 酾蕊翳柏s 蠢“蒙南鑫。 耀粼缫燃戮震戮粼濑鬻麟黼鬻麟鬻粼戮黼溅燃 o1ok e y a | b n e v e rn e v e rn e v e r 1 0ok f y a 旧k e y bn e v e l n c v e r 1 i o k e y a 旧n e v c rk e y bk e y a i b 0 01k f y a 旧k e y abn e v e r k e y a 旧 o1k e y bk e y bn c v e r n e v c r 1o1k e y bn e v e rn e v e r n e v e r 11ln e v e j fn e v c r n e v e in e v e r 表2 ，3 控制位对数据块的控制( x = o 一15 扇区，y = 每个扇区的o 2 块) 块3 的初始化值为：皿筑或丘或e 置0 7 ，8 0 ，6 9 ，f c 或正正最f r 共1 6 个字节，其中k e y a 是 f 噩噩正噩堰毋，k e y b 是 瓯丘堰噩噩f f ，控制存取的四个字节为 0 x 正0 x 0 7 ，o x 8 0 ，o x 6 9 。 llll l 1l 1o x f r o0ooo111 0 x 0 7 1 0 00o00oo x 8 0 oilo1o 01o x 6 9 表2 4 卡片初始各存取控制位 从给定的卡片初始控制字，通过表2 1 可得各控制位的值： c 1 x 0 ，c 2 x 0 ，c 3 x o = 0 0 0 ；c 1 x 1 ，c 2 x 1 ，c 3 x 1 _ 0 0 0 ；c 1 x 2 ，c 2 x 2 ，c 3 x 2 = 0 0 0 ；c 1 x 3 ，c 2 x 3 ，c 3 x 3 = 0 0 1 ，而 i ( e y a 和k e y b 相等为f o x 危0 x 最o x 噩o x 正0 x e o x 毋。c l x oc 2 x 0c 3 x o = 0 0 0c l x lc 2 x 1 c 3 x 1 = 0 0 0 c l x 2 c 2 x 2 c 3 x 2 = 0 0 0 查表2 3 可知：每个扇区0 2 块的数据读、写、增1 、减1 、 第15 页 传送、保存均需进行密码a 或密码b 验证：c l x 3 ，c 2 x 3 ，c 3 x 3 = 0 0 1 查表2 - 2 可知：密码a 永远不能读取i 通过k e y a 或k e y b 验证可以写密码a ；通过k e y a 或k e y b 验证可以 读存取控制；通过k e y b 验证可以写存取控制；通过k e y a 或k e y b 验证可以读写密码b 。 2 5 3m f r c 5 0 0 寄存器组 微处理器是通过对m f r c 5 0 0 内核特殊的内存寄存器的读写来控制m f r c 5 0 0 的。这些 寄存器位于m f r c 5 0 0 中的a s i c ( 特殊应用i c ) 的内部。寄存器按功能不同分成8 组，每 组为一页，包含8 个寄存器。在对m f r c 5 0 0 进行读写操作时，各寄存器担负着不同的功 能和作用，并且不是所有的寄存器都是可写或可读的，即有些寄存器只能读而不能写，有些则 反之。每页的功能如表2 5 所示。 辫i i| j 逝鞋冀 l _ 】壤瓣誊i i i 囊i i 蠹量_ 曼一童毒i 目鞘黪一： 薯誊誊! ”i 董 ；：| 0o 7指令和状态寄存器组 18 f 控制和状态寄存器纠 1 l o 】7 发射及编码控制寄存器绸 l 31 8 l f 接收及解弼控制寄存播组 42 ( ) 、2 7 时问及校聆控制寄存器纠 、 2 8 一2 f f i f o 、t i m e r 及i r o 控制寄存器组 63 0 3 7 预留寄存器组 7 3 8 3 f 预留寄存器组 表2 5m f r c 5 0 0 控制寄存器组 每一个寄存器里的每一位按其功能都有不同的读写权限，共有四种权限，如表2 6 所示 缩写板限描述 ； i v 读和写这些位n j 以被微处理器读出和写入，他们只是用作控制，所以f i = 会被 内部状态机改写 ( 1 y动态这止匕位叫以被微处珲器读m 和写入，并日他们可以被内部状态机闩动 第1 6 页 改写 只读这些位由内部状态机控制，只能被微处理器读出 口目 这些位用作控制，只能被微处理器写入。读取这些位得到的是没有意 w 义的值。 2 5 4e e p r o m 结构 表2 6 寄存器位权限表 m f r c 5 0 0 读卡芯片内部具有5 1 2 b y t e 的e e p r o m ，按其存放的内容可以分成三大块， 分别为产品信息区( 0 0 7 f ) 、寄存器复位初始值存放区( 1 0 2 f ) 、寄存器初始值存放区 ( 3 0 7 f ) 、密钥存放区( 8 0 1 f f ) 。密钥必须以规定的格式存放在e e p r o m 内。每一b y t e 的密钥分为低四位( k 0 到k 3 ) 和高四位( k 4 到k 7 ) ，每四位按位及位反存放在一个b y t e 内。l o a d k e y e 2 和l o a d k e y 指令会按此来检查密钥是否满足这种格式化。使用这种格式， 6 b y t e 的k e y 需存放在1 2 b y t e e e p r o m 内，如表2 7 所示。 k e y = 一一善薯、? 。善| 1巨i j 嚣；：豢一 b y t e 。i ；黪煳| 。纛鍪 鬟j | 一： 、 k e 、 l e h “) m n 】n + 2 n v t o “ 例r5 a f o5 a 表2 7 k e y 存放格式 m f r c 5 0 0 保留了3 8 4 b y t e e e 砌r o m 空间用于保存密钥。密钥可以在这些b y t e 中任意 位置开始存放。 第三章系统总体设计 门控管理系统是通过计算机、门禁控制器、电子锁、i c 卡等设备及相关软件的控制，实 现对阅览室出入口人员进出统。管理的系统。当读者将校园卡( 非接触式射频i c 卡) 置 于读卡器上时，读卡器中的读卡芯片m f r c 5 0 0 立即读取该卡的卡号并选通读卡器控制器 第l7 页 a t m e l8 9 s 5 2 ，通过三层身份验证，读取卡内数据形成用户号，并将该用户号传给p c 机客 户端程序，应用程序连接后台数据库用户信息表获取与该卡号对应的读者信息。如果身份 合法，则通道打开并提示欢迎信息，应用程序产生进门刷卡记录存储于数据库中，否则提 示出错、拒绝读者进入。管理模块可对各阅览窒的运行方式进行设置，如出门刷卡、登记 进出时间、登记阅读册数等，还可查询、统计每个阅览室的读者进出情况。 3 1 门控系统的必要性 由于以往的用钥匙管理出入门禁保安，常会带来很多不方便的烦恼。门控管理系统采 用计算机化的感应卡识别，能够提供高保安、有效率和容易的的专业管理，若遇到遗失卡 或者是实时发卡的情况，系统可随时增删感应卡。并且可根据需求监控使用者在哪里出入 及出入的时间和方式等。连接计算机后可将所有记录数据传到计算机，在资料分析后可打 印出门控管理报告和考勤管理报告等，还可以加入应用软件作到工资结算等等一系列功能1 3 2 系统的体系结构 读卡器1 读卡器2 0 艘s zn 艘s z p c 机1p c 机2 阅览室“ 翌翌 臣堕雪 至 本系统由服务端、若干客户端和后台鬟塘矗目荔；i ； 鞣寒服务器和客户端之间采用c s 结构，每个客户端由一台p c 机和一卜读卡器组成：应用软件与数据库s q ls e r v e r 2 0 0 0 连 接通过a d o 对象实现。三者通过局域网实现互联。整个系统的结构如图3 一l 所示。 第1 8 页 3 3 背景知识 3 - 3 1c ，s 结构简介 c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构，即客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过 它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到c e n t 端和s e r v e r 端来实现， 降低了系统的通讯开销。目前大多数应用软件系统都是c 1 i e n t s e r v e r 形式的两层结构， 应用不同的模块共享逻辑组件：因此，内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用 系统，通过现有应用系统中的逻辑可咀扩展出新的应用系统。 c s 架构软件的优势： ( 1 ) 应用服务器运行数据负荷较轻。晟简单的c s 体系结构的数据库应用由两部分组 成，即客户应用程序和数据库服务器程序。运行数据库服务器程序的机器。也称为应用服 务器。一旦服务器程序被启动，就随时等待响应客户程序发来的请求；客户应用程序运行 在用户自己的电脑上，当需要对数据库中的数据进行任何操作时，客户程序就自动地寻找 服务器程序，并向其发出请求服务器程序根据预定的规则作出应謦，送回结果，应用服 务器运行数据负荷较轻。 ( 2 ) 数据的储存管理功能较为透明。在数据库应用中，数据的储存管理功能，是由服 务器程序和客户应用程序分别独立进行的，前台应用可以违反的规则，并且通常把那些不 同的( 不管是己知还是未知的) 运行数据，在服务器程序中不集中实现，例如访问者的权 限，编号可以重复、必须有客户才能建立定单这样的规则。所有这些，对于工作在前台程 序上的最终用户，是“透明”的，他们无须过问( 通常出无法干涉) 背后的过程，就可以 完成自己的一切工作。 3 3 _ 2a d o 对象 a