引 言

目前國內(nèi)眾多電子標簽廠家主要是對電子標簽的Inlay 進行封裝、生產(chǎn)，并不具備標簽的天線設(shè)計、電路設(shè)計能力，同時設(shè)計的標簽主要是無源標簽。因為無源標簽尤其是超高頻標簽其安全性相對較差，且無法與其他傳感器或執(zhí)行機構(gòu)進行直接聯(lián)動，所以在電子鎖（電子簽封）領(lǐng)域應(yīng)用受限。而有源標簽因為標準不統(tǒng)一、對低功耗設(shè)計要求非常高，且沒電后無法獲取標簽信息，因此也不適合應(yīng)用于高安全性電子簽封等領(lǐng)域[1,2]。

為了解決以上問題，拓展電子標簽的應(yīng)用場景，重點對基于MonzaX 芯片的特種標簽系統(tǒng)進行研究，主要包括天線設(shè)計、加密算法設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計，并重點結(jié)合電子簽封行業(yè)應(yīng)用，開發(fā)出相應(yīng)標簽、手持機產(chǎn)品系列，組成完整的解決方案，進行系統(tǒng)整體推廣。

MonzaX 標簽在有電的情況下可與MCU 進行通信，與執(zhí)行機構(gòu)或傳感器進行聯(lián)動；如果沒電了，作為 UHF 無源標簽， 可通過手持機等閱讀器設(shè)備獲取標簽的存儲信息。

電子簽封應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，適用于加油機石油行業(yè)，可有效避免加油機克扣油量這種非法獲取利益的手段，完全杜絕了加油站通過在加油機后端動手腳篡改加油數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。同樣，電子簽封還可用于高檔酒類、服裝、鞋類產(chǎn)品的防偽標識，現(xiàn)代物流業(yè)海陸空運包裝、箱裝、貨箱、集裝箱的封口或監(jiān)管動物或肉類產(chǎn)品的耳標及郵政航空包裹袋的標識和封口等[3-5]。

1 總體架構(gòu)

本項目的MonzaX 特種標簽由主控部分、標簽芯片部分、電機控制部分和電源部分組成。標簽硬件架構(gòu)如圖 1 所示。主控部分與標簽芯片之間采用I2C 方式進行通信[6]。標簽芯片用戶區(qū)存儲空間可達 2 Kb 或 8 Kb。各部分功能如下所示：

圖1 標簽硬件架構(gòu)

(1) 主控部分完成整個電子簽封的狀態(tài)自檢、日志記錄存儲、命令解析處理、數(shù)據(jù)加解密及其他幾個功能模塊的控制管理。

(2) 標簽芯片部分作為出廠后與外界通信的唯一媒介，通過無線接收手持機的指令數(shù)據(jù)，實時顯示簽封的當前狀態(tài)和操作結(jié)果。

(3) 電機控制部分接收主控部分的命令控制，驅(qū)動電機實現(xiàn)鎖具的打開與關(guān)閉，并將鎖具的實時狀態(tài)反饋給主控部分。

(4) 電源部分負責(zé)為整個簽封供電。

2 硬件設(shè)計

電子簽封處理器采用STM32 COTEX-M0 系列最新的STM32F030 處理器，該處理器具有功耗低、封裝尺寸小、接口豐富等特點，適用于電子簽封對功耗尺寸等要求苛刻的場合。存儲器采用1 MB 的E2PROM 作為存儲單元，確保電子簽封可存儲 2 000 條以上日志記錄。超高頻標簽芯片采用Monzax- 2K，在確保靈敏性的同時保證高達 2 K 的數(shù)據(jù)存儲空間。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

3 軟件設(shè)計

電子簽封軟件部分主要由狀態(tài)自檢模塊、簽封固化信息模塊、命令接收及處理模塊、數(shù)據(jù)加解密模塊、電機控制模塊、日志記錄模塊組成。

3.1 狀態(tài)自檢模塊

該模塊主要分為上電芯片自檢、固化信息檢測和鎖具狀態(tài)檢測。其功能如下所示：

(1) 上電芯片自檢主要為芯片上電硬件自檢，可檢測有無硬件損壞、電池電壓是否小于額定工作范圍等；

(2) 固化信息檢測主要功能是判斷當前簽封是否已被初始化，有無固化信息數(shù)據(jù)寫入。

(3) 鎖具狀態(tài)檢測用來檢測當前鎖具開關(guān)狀態(tài)與簽封存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)是否一致。各模塊檢測出的狀態(tài)異常均由LED及標簽芯片數(shù)據(jù)進行顯示。

3.2 簽封固化信息模塊

該模塊的主要功能是通過RS 232 接口與PC 通信獲取標簽的初始化數(shù)據(jù)值，例如標簽 ID 等，并下載標簽秘鑰。

3.3 命令接收及處理模塊

該模塊的主要功能是主芯片通過I2C 接口與Monzax 芯片進行通信，獲取 Monzax 中的標簽數(shù)據(jù)，解析得到的指令后進行相應(yīng)的處理。

3.4 數(shù)據(jù)加解密模塊

數(shù)據(jù)加解密模塊采用國密算法，分為兩個業(yè)務(wù)加解密。

(1) 業(yè)務(wù)處理加解密 ：用于標簽操作日志記錄的加解密。

(2) 傳輸保護加解密 ：用于與外界數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)的加解密處理。

3.5 電機控制模塊

該模塊的主要功能是控制電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動鎖具開關(guān)，并反饋結(jié)果給控制芯片。

3.6 日志記錄模塊

日志記錄模塊的功能是在主控芯片內(nèi)部保存所有的操作記錄，在接收到追溯指令后將日志記錄上報。簽封軟件框圖如3 所示。

簽封由電池供電，上電后均處于超低功耗待機狀態(tài)，內(nèi)置RTC 可周期性喚醒，檢測簽封當前狀態(tài)后進行相應(yīng)的處理。

4 結(jié) 語

本文提出了一種超高頻 RFID 半有源 RFID 電子鉛封（電子鎖）技術(shù)，重點講解了電子鉛封的系統(tǒng)架構(gòu)以及軟硬件設(shè)計。以電子簽封為核心，對簽封的出入庫、施封、巡檢/ 操作、作廢等進行管理，實現(xiàn)對被管對象的全程管控。MonzaX 電子簽封不僅能起到防偽識別作用，還具有物品跟蹤信息存儲采集等功能，可廣泛應(yīng)用于金融、物流、醫(yī)療等貴重物品或藥品的全程管控等領(lǐng)域，具備廣泛的應(yīng)用前景。