物联网感知和网络传输技能实训

物联网感知和网络传输技能实训----RFID卡识别与操作ZhengzhouInstituteofLightIndustry实训目标March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING《物联网感知和网络传输技能实训》是对前期学习的无线传输和程序设计等知识的总结:了解RFID卡的种类掌握Mifareone卡的基本原理及功能学会RF读卡器的原理及基本API函数利用已有设备实现一个餐卡管理系统通过本实训，达到掌握RFID卡、RF读写器的基本原理及功能，并在此基础上可以设计并实现一个餐卡管理系统的目的。能力。内容时间安排March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1M1卡的基本原理与功能（0.5W）2RF读卡器功能与API函数（0.5W）3餐卡系统的设计与实现（3W）1M1卡的原理与功能2RF读卡器原理及API函数物联网感知和网络传输技能实训3餐卡管理系统设计与实现March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.1RFID系统的基本构成以无线通信技术为基础，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。最基本的RFID系统由三部分组成：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，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；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.2RFID卡及其种类RFID卡(射频卡)：RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。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物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。包括几种识别方式,但是最常用的是在微芯片或天线上存储一个识别一个人,物体或其他信息的序列号.1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.2RFID卡及其种类1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.2RFID卡及其种类RFID标签按能量提供方式分类RFID标签分为被动标签(Passivetags)和主动标签(Activetags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。被动标签由阅读器产生的磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.2RFID卡及其种类RFID卡根据其工作频率可分为高频卡和超高频卡。高频卡目前的频率主要是13.56MHz。有几种标准；ISO-14443-A、ISO-14443-B、ISO-15693、ISO-18000-3；超高频的有ISO-18000-6和EPC标准。1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.2RFID卡及其种类UHF和高频卡的不同原理：13.56M的高频卡的原理是电磁感应技术。通过交变的电磁场，给无源的卡提供能量，实现卡与读卡器的通信。而UHF的原理是电磁传播技术，与雷达探测类似，发出一段电磁波，再从反射回来的电磁波中读取信息。UHF和高频卡的不同特征：UHF：天线小、传输距离远、成本高。高频卡：天线大，传输距离近、成本低。1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3MIFAREone卡及其功能又称M1射频卡的核心是Philips公司的Mifare1S50/S70等微模块（微晶片）。它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。卡片的电气部分只由一个天线和ASIC组成。天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。ASIC：卡片的ASIC由一个高速（106KB波特率）的RF接口，一个控制单元和一个若干K位EEPROM组成。1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3.1MIFAREone卡接口特性MIFARERF接口(ISO/IEC14443A)•工作距离：可达100mm（取决于天线尺寸结构）•工作频率：13.56MHz•快速数据传输：106kbit/s•高度数据完整性保护：16BitCRC，奇偶校验，位编码，位计数•真正的防冲突卡片•抗静电保护能力达2KV以上1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3.2MIFAREone卡存储特性EEPROM•1Kbyte，分为16个区，每区4个块，每块16字节。•用户可定义内存块的读写条件•数据耐久性10年•写入耐久性10万次以上1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3.3MIFAREone卡安全特性•三层认证（ISO/IECDIS9798-2）•带射频通道数据加密•每区两个密钥，支持密钥分级的多应用场合•每卡一个全球唯一序列号•在运输过程中以传输密钥保护对EEPROM的访问权1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING卡4匝线圈读卡器嵌入的芯片模块天线能量数据1.3.4MIFAREone信息交互示意图1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3.5MIFAREone内部构成RF接口数字控制单元防冲突认证控制和算逻单元EEPROM接口加密天线1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERINGRF接口：–调制解调器–检波器–时钟发生器–上电复位–稳压器1.3.5MIFAREone内部构成1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING•防冲突：读写范围内的几张卡可以逐一选定和操作。•认证：在所有存储器操作之前进行认证过程，以保证必须通过各块指定的密钥才能访问该块。•控制和算术逻辑单元：数值以特定的冗余格式存储，可以增减。1.3.5MIFAREone内部构成1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING•EEPROM接口•加密单元：域验证的CRYPTO1数据流加密，保证数据交换的安全。•EEPROM:1Kbyte，分16区，每区4块。每一块有16字节。每区的最后一块称作“尾块”，含有两个密钥和本区各块的读写条件。1.3.5MIFAREone内部构成1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3.6MIFAREone通信原理卡呼叫（休眠卡/全部）防冲突循环，取得卡号选卡（激活）三轮认证（对指定扇区）读块切换扇区不切换扇区写块加值减值恢复休眠转存1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING①呼叫（REQUESTSTANDARD/ALL）卡上电复位后，通过发送request应答码（ATQA符合ISO/IEC14443A），能够回应读写器向天线范围内所有卡发出的request命令。②防冲突循环（ANTICOLLISIONLOOP）在防冲突循环中，读回一张卡的序列号。如果在读写器的工作范围内有几张卡，它们可以通过唯一序列号区分开来，并可选定以进行下一步交易。未被选定的卡转入待命状态，等候新的request命令。1.3.6MIFAREone通信原理1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING③选卡（SELECTCARD）读写器通过selectcard命令选定一张卡以进行认证和存储器相关操作。该卡返回选定应答码（ATS=08h），明确所选卡的卡型。④三轮认证（3PASSAUTHENTICATION）选卡后，读写器指定后续读写的存储器位置，并用相应密钥进行三轮认证。认证成功后，所有的存储器操作都是加密的。1.3.6MIFAREone通信原理1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING④三轮认证流程（3PASSAUTHENTICATION）a)读写器指定要访问的区，并选择密钥A或B。b)卡从位块读取密钥和访问条件。然后，卡向读写器发送随机数。（第一轮）c)读写器利用密钥和随机数计算回应值。回应值连同读写器的随机数，发送给卡（第二轮）。d)卡通过与自己的随机数比较，验证读写器的回应值，再读卡器发送的随机数计算回应值并发送（第三轮）。e)读写器通过比较，验证卡的回应值。在第一个随机数传送之后，卡与读写器之间的通讯均加密。1.3.6MIFAREone通信原理1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING⑤存储器操作认证后可执行下列操作：•读数据块•写数据块•减值：减少数据块内的数值，并将结果保存在临时内部数据寄存器中。•加值：增加数据块内的数值，并将结果保存在数据寄存器中。•恢复：将数据块内容移入数据寄存器。•转存：将临时内部数据寄存器的内容写入数值块。1.3.6MIFAREone通信原理1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING1.3.7MIFAREone存储器组织结构1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING①厂商代码块这是第1区的第1块（块0）。它含有集成电路制造商数据。出于安全和系统需求，此块是制造商在生产过程中编程后写保护的。1.3.7MIFAREone存储器组织结构1M1卡原理及功能March20,2020SuRi-jianCOLLEGEOFCOMPUTER&COMMUNCATIONENGINEERING②数据块各区均有3个16字节的块用于存储数据（区0只有两个数据块以及一个