身份证智能采集器设计.docx
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身份证智能采集器设计
摘要
身份证智能采集器是数据采集器的一种。
它能快速鉴别二代身份证真假，并可将二代身份证的信息和相片读取到电脑上，它就像一个特殊的扫描器,把身份证往上一刷,上面的姓名、身份证号码，住址、照片等就全部存储在电脑上。
本文的读卡模块通过RFID（RadioFrequencyIdentification,即射频识别技术）读取第二代身份证信息,并通过智能通信模块与计算机通信将信息上传到本地检测端控制计算机：
之后控制计算机通过检测识别软件处理并显示身份证存储的信息。
本文首先对课题的背景、二代身份证、ISO/IEC14443标准、射频识别技术的发展及应用、射频识别卡的标准及发展做了简介；然后对本文涉及的相关理论与技术进行了简介；在此基础上进行了需求分析；最后进行总体设计以及系统的详细设计。
本文主要进行硬件的设计，软件设计部分只是给出了流程图。
最后，对课题设计的优点和不足进行了归纳和总结，并进行了展望。
关键词：
二代身份证；ISO14443TYPEB；RFID技术；采集器
Abstract
SmartIDcardcollectorisakindofdatacollector.Itcanquicklyidentifiesthe2ndgenerationIDcardtrueandfalse,andcanreadandstorethesecondgenerationIDcard’sinformationandphotosonacomputer,itislikeaspecialscanner,whenputuponit,nameaboveIDcard,IDcardnumber,address,photosandsoonareallstoredinthecomputer.Thistopic’sreadingcardmoduleisresponsibleforreadingthesecondgenerationIDcardinformationthroughtheRFIDradiofrequencyidentificationtechnology.AndthroughtheintelligentportcommunicationmessagestothelocaltestendPC:
throughthetestrecognitionsoftwareprocessingandPCdisplaysIDcardinformationstoredinthedatabase.
Inthispaper,firstly,thebackgroundofthesubject,thesecondgenerationIDcard,ISO/IEC14443standards,radiofrequencyidentificationtechnologydevelopmentandapplicationofradiofrequencyidentificationcardstandardsandhasdoneaprofile;thenthisinvolvesthetheoryandtechnologyfortheIntroduction;inbasedonaneedsanalysis;finally,theoveralldesignanddetaileddesign.Inthispaper,thehardwaredesignsaregivenmoreattention,softwaredesignsareonlygivensomeflowcharts.
Attheend,advantagesanddisadvantagesofthedesignissuesaresummarizedandreviewed,andarediscussed.
KeyWords：
2ndgenerationIDcard;ISO14443TYPEB；RFIDTechnology;Collector
第一章绪论
1．1课题的研究背景
我国从1985年实行居民身份证制度以来，已累计发行居民身份证13亿个。
第一代身份证只具备视读的功能，证件质量和安全防伪性能相对较差，致使利用假证进行违法犯罪的问题较突出，严重危害了社会治安和经济秩序。
同时由于原来的证件只具备视读的功能，很难与计算机管理系统实行信息交换，已不适应国家进行信息化建设的需要，因此我国推出第二代身份证。
第二代身份证的信息通过读取后可以以加密文的形式利用网络实现传输，从而使国家进行信息化建设又向前推进一步。
同时，二代证由过去的塑封卡片变成了IC卡，此举不仅提高了身份证本身的技术含金量，还增加了机读功能，从而使得身份证更难以伪造，间接地为打击伪造居民身份证和利用违法制造的虚假证件违法犯罪活动提供了有力的条件，使得二代证的推出与使用更具有社会意义。
我国的第二代身份证的换发开始于2004年4月份，截止2011年已经基本完成13亿张的换发量。
所有与二代身份证相关的产业链价值达到近200亿元，包括制卡系统、人像采集系统、芯片、第二代身份证阅读器项目。
其中第二代身份证关联产业中利润最大的一块是二代身份证阅读器，据计算有着近百亿元的市场，目前，所有在需要出示身份证的行业和场所都要安装二代证采集器，主要的使用对象是旅馆、公安、银行、民政、教育、网吧等行业。
[14]
1．2第二代居民身份证概述
第二代身份证是一种非接触式的、无源的、低频的智能IC卡，同时具有“新材料、新工艺、新技术”的特征。
它应用IS014443TYPEB标准，工作使用的是13．65MHz的频率。
二代证不仅应用强大的防伪数据，而且使用了目前国内最新的防伪技术，有很高的安全性能。
在二代证芯片里存储了四十多项的居民信息。
内部的信息采用数字加密技术进行加密，每张卡设置一个密码，写入的信息按照安全等级进行分区存储，按管理需要而授权读写。
二代证采用数字防伪措施和印刷防伪措施，所以安全性很高。
在信息采集、信息传输过程中采用了数码照相、网络传输的手段，由计算机对其进行监控，自动化程度高、速度快。
在目前的环境下，不管是高寒地区还是热带地区，使用都不会出现问题，只是要注意防磁。
二代身份证芯片采用的是非接触式的IC芯片，内部包括射频天线、存储芯片、SAM加密模块和控制芯片4部分，存储部分采用的是半导体存储芯片，由国内企业进行生产；加密模块采用的是国家商用密码管理办公室规定的多种加密技术。
在二代证里，有一个我国自主研发的应用硅半导体技术制作的集成电路，里面封装的是存储芯片、加密模块和控制芯片。
[20]
1．3近耦合IC卡国际标准ISO／IEC14443
目前，载波频率为13．56MHz，工作距离2．5～10cm，国际标准为ISO／IEC14443的近耦合IC卡在市场上应用较多。
下面简单介绍国际标准ISO／IEC14443。
近耦合IC卡的ISO／IEC14443标准由四部分组成：
（1）物理特性：
规定了非接触式IC卡的机械性能。
其尺寸满足ISO7810中的规范。
此外，还有对弯曲和扭曲试验的附加说明，以及用紫外线、X射线和电磁射线的辐射试验的附加说明。
（2）射频能量和信号接口：
阅读器产生耦合到应答器的射频电磁场，用以传送能量。
射频频率是13．56MHz±7kHz,阅读器产生的磁场强度在1．5A／m～7．5A／m之间。
若应答器的动作场强为1.5A/m，那么应答器在距离为10cm时能正常不间断的工作。
信号接口也称作空中接口。
协议规定了两种信号接口：
TYPEA和TYPEB,因而应答器仅需采用两者之一的方式。
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（3）初始化和防冲突。
TYPEA采用位检测防碰撞协议，TYPEB通过一组命令来管理防碰撞过程，防碰撞方案以时隙为基础。
（4）传输协议。
ISO/IEC14443的传输协议是用于非接触环境的半双工分组传输协议，定义了PICC的激活过程和解除激活的方法。
[8]
1．4射频识别（RFID）技术的发展及应用
从历史上看，RFID技术的发展基本可按lO年期划分为几个阶段。
在四十年代至五十年代，由于雷达的改进和应用，RFID技术由此诞生，但主要还是在二战时期得到了更好的发展。
RFID于1948年正式宣布问世。
在五十年代到六十年代，这个时期RFID技术还在摸索阶段，处于实验室的试验研究阶段。
在六十年代到七十年代间，RFID的理论研究有了突破，并从此在应用领域进行尝试。
七十年代到八十年代，RFID技术有了更大的发展，RFID试验大大加速，不仅如此，RFID还在此时出现了最早期的应用。
而在八十年代到九十年代，RFID才开始进入商业应用。
至于九十年代到2000年，在这十年间，对于RFID来说，最值得庆祝的莫过于是它的国际标准出现，自此RFID被广泛应用在更多的行业。
进入新世纪，也就是2000年至今，RFID产品种类变得更加丰富，RFID标准更多样。
与传统的识别方式相比，RFID卡有以下优点：
1）更可靠：
由于没有触点，避免了因接触读写而产生的各种问题。
提高了抗静电和抗环境干扰的能力，使用的可靠性、读写设备和卡片的使用寿命。
2）更方便：
操作更方便、快捷，无需插拔卡，一个工作流程只需0．1～O．3秒。
使用时，卡片可以在读写设备表面的任意方向掠过。
3）更安全：
卡片的序列号是全球唯一的，出厂后就不能更改。
卡验证读写器的合法性，同时读写器验证卡的合法性。
整个通讯过程所有的数据都进行加密。
卡片上不同分区的数据可设定不同的密码或者访问权限等进行分离保护。
4）抗干扰性强：
一旦有了防冲突电路，在当多张卡片同时进入读写范围内时，阅读器可自动对卡片进行排队处理，所以其抗干扰性很高。
5）一卡多用：
数据在卡片上进行了分区管理，为达到一卡多用、一卡通提供了条件。
6）工作距离多样性：
工作距离小到几厘米，大到几米，适应于各种不同的应用场合。
[7]
在国内，RFID卡在公共交通、身份识别、门禁控制等需要身份验证的领域有着较多的应用。
RFID卡现在正因其方便交易、速度快、应用领域广而发展迅速，广泛应用于防伪、生产、运输、医疗、跟踪、物流、交通、设备和资产管理等需要收集和处理数据的诸多领域。
[9]
第二章相关理论与技术简介
2.1射频识别技术简介
2.1.1射频识别技术及其特点
射频识别是无线电频率识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）的简称，即通过无线电进行识别。
在RFID系统中，存放识别信息的电子数据载体称为应答器读取存放的识别信息称作阅读器。
在一些特殊应用中，阅读器不仅可以读出存储的信息，而且还可以对应答器写入数据。
而读、写过程则是通过双方之间的无线通信来实现的。
射频识别技术具有以下五个特点：
1、它是一种通过电磁耦合方式实现的非接触式自动识别技术；
2、它可以容易的对多应答器、多阅读器进行组合建网，以完成大范围的系统应用，并构成完善的信息系统；
3、它存放的是数字化的识别信息，而且通过编码技术可以实现很多种应用，像身份的识别验证、商品与货物的识别、动物的识别、工业过程的监控和收费等等诸多方面；
4、它需要利用无线电频率资源，必须遵守无线电频率使用的众多规范；
5、它是一个新兴的而且融合了多种技术的专业，不仅涉及了计算机、无线数字通信，更是集电磁场、集成电路等众多学科于一身。
[1]
2.1.2射频识别的基本原理
射频识别的基本原理框图如图2.1示。
阅读器和应答器之间的信息交互通常是采用询问-应答的方式进行的，它们之间有严格的时序关系，时序由阅读器提供。
应答器内部封存有集成电路芯片（如二代证内部封存的集成电路），它工作时需要的能量由阅读器提供，阅读器发出带有能量的载波为应答器提供能量以为其正常工作。
应答器和阅读器通过天线可实现双向数据的交换，一方面应答器将存储的数据和信息采用对载波的负载调制方式向阅读器传送，另一方面阅读器通常采用载波的间隙、脉冲位置的调制、编码的调制等方法给应答器传送命令和数据。
[1]
图2.1负载调制的原理示意图
2.1.3RFID的耦合方式
根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为电感耦合（磁耦合）和反向散射耦合方式（电磁场耦合）两大类。
2.1.4RFID的工作频率
RFID系统的工作频率划分为下属频段。
（1）低频（LF，频率范围30～300kHz）：
工作频率低于135kHz，最常用的是125kHz。
（2）高频（HF，频率范围为3～30MHz）：
工作频率为13.56MHz±7kHz。
（3）特高频（UHF,频率范围为300MHz～3GHz）：
工作频率为433MHz，866～960MHz和2.45GHz。
（4）超高频（SHF，频率范围为3～30GHz）:
工作频率为5.8GHz和24GHz，但目前24GHz基本没有采用。
[1]
其中，后三个频段为ISM（ISM频段是为工业、科学和医疗应用而保留的频率范围，不同的国家可能会有不同的规定。
UHF和SHF都在微波频率范围内，微波频率范围为300MHz～300GHz。
在RFID技术的术语中，有时称无线电频率的LF和HF为RFID低频段，UHF和SHF为RFID高频段。
RFID技术涉及无线电的低频、高频、特高频和超高频频段。
在无线电技术中，这些频段的技术实现差异很大，因此可以说，RFID技术的空中接口覆盖了无线电技术的全频段。
2.2射频卡标准
与RFID技术和应用相关的国际标准化机构有：
国际标准化组织、国际电工委员会、国际电信联盟、世界邮联。
此外还有区域性标准化机构（如EPCglobal、UIDCenter）国家标准化机构（如BSI、DIN）和产业联盟（如ATA、AIAG、EIA）等机构制定RFID相关标准，并最终变为国际标准。
目前总部设在美国麻省理工学院的Auto-IDCenter（自动识别中心）、日本的UbiquitousIDCenter（泛在ID中心，UIC）和ISO标准体系是RFID三个主要的技术标准体系。
应答器与阅读器之间进行无线通信的频段有多种，常见的工作频率有135kHz以下、13．56MHz、860～928MHz、2.45GHz、5.8GHz及以上等。
低于30MHz工作频率一般称为低频系统，常用的工作频率包括125KHz、225KHz、13．56MHz等。
其特点是应答器的成本较低、应答器内保存的数据较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为lOcm）、应答器外形样式较多（卡片型、环形、钮扣形、笔形等）、阅读天线的方向性不是很强等等。
高于400MHz工作频率一般称为高频系统，实际中比较常用的频段有915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。
它们共有的特点是应答器及阅读器成本均较高，但是也由于此，应答器得以内保存大量的数据，而且阅读距离相对也较远（可达几米至十几米），不仅如此，对于高速运动的物体，它有很好的适应性。
这类的阅读器外形一般为卡状，阅读天线及应答器天线均有较强的方向性。
[10]
RFID卡是一种数据载体，可以是只读，也可以是读写的，它所携带数据内容中最重要的是惟一的标识号。
为加快国内自主知识产权的RFID编码体系的建立，由信息产业部、科委、国标委等十几个部门共同起草的《中国RFID白皮书》已完成了编写工作，并投入使用。
这个惟一标识号广泛的被应用于人们的日常经济活动中，如国内的全国产品与服务统一代码扩展码、电话、公民的身份证号、各种机构代码、机场的身份验证、银行账户等。
由国务院标准化行政主管部门已于2003年2月2日颁布，并于2003年4月16日开始实施的国家标准GB18937《全国产品与服务统一标识代码编制规则》，规则里面详细的设定了全国产品与服务统一代码（NPC）的适用范围、代码结构及其表现形式。
目前，被广泛用于农业、汽车、石油化工、食品、建材、电子设备、专业服务等领域的全国产品与服务统一代码都是按照国家标准要求编制的。
RFID的广泛应用不但蕴藏着巨大的产业利益，同时也涉及国家安全利益。
所以重视知识产权有关的技术和应用、编码体系、频率划分，并推出具有自主知识产权的标准体系，特别是在解决安全、防伪、识别、管理等敏感且重要的应用领域，具有重要的意义。
2.3采集器的技术要求
基本技术要求如下：
1．基本参数
1）天线的谐振频率：
13．56MHz
2）使用环境：
大气压力：
86KPa～110Kpa；
工作温度：
0℃～50℃；
相对湿度：
≤90％。
2．性能指标
1）工作频率：
13．56MHz（fc）；
2）读写机到IC卡的调制输出：
调制波形应符合ISO／IEC14443-2规定；
脉冲上升沿时间<2us；
比特率106kbit／s（fc／128）；
调制方式采用ASK调制：
编码方式：
NRZ—L；
脉冲下降沿时间<2us；
3）天线能量输出：
天线表面法线方向5cm处电磁场强度（Hmin）>11．5A／mrms；
天线表面电磁场强度（Hmax）≤7．5A／mrms；
4）IC卡到读写器采用副载波调制：
副载波调制方式：
BPSK；
副载波频率（fs）847kHz：
5）直流电源适应能力：
4．75V～5．25V
6）终端工作电流：
正常工作电流≤350mA；
7）蜂鸣器响度：
水平距离桌面50cm处蜂鸣器响度≥70dB。
3．可靠性要求：
读写装置的平均无故障工作时间（MTBF）不小于5000h。
4．安全性要求：
1）漏电流：
读写装置的设计和结构应保证漏电流不大于0．25mA。
2）抗电强度：
读写机的交流输入端相对于输出的抗电强度应达到3000v。
3）装置及器件发热程度：
装置及器件的发热程度应符合GB4943—2001标准中1．4．12的规定。
5．功能要求：
1）读取身份证卡内数据功能：
具有读取身份证卡芯片内数据的功能。
2）读写距离：
对IC卡数据传输的距离大于5cm。
3）蜂鸣器报警：
读卡时蜂鸣器应能正确报警
6．电磁兼容要求：
1）静电放电抗扰度：
在GB／T17626．2--1998中表1规定的接触放电l级条件下读写机应可靠工作。
2）辐射抗扰度：
在GB／T17626．3--1998中表1规定的l级条件下读写机应可靠工作。
3）电快速瞬变脉冲群抗扰度：
在GB／T17626．4--1998中表1规定的二级条件下读写机应可靠工作。
4）冲击（浪涌）抗扰度：
在GB／T17626．5—1998中表1规定的二级条件下读写机应可靠工作。
5）射频电磁场感应的传导抗扰度：
在GB／T17626．6—1998中表1规定的二级条件下读写机应可靠工作。
6）工频磁场抗干扰：
在GB／T17626．8—1998中表1规定的二级条件下读写机应可靠工作。
7）电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度：
在GB／T17626．11—1998中表1规定试验等级40％UT电压暂降和短时中断60％UT，持续时间（周期）10的条件下读写机应可靠工作。
8）无线电骚扰限值：
无线电骚扰限值应符合GB9254中相应级别A级的规定。
2.4射频识别系统的组成
一个射频识别系统主要由应答器、天线、阅读器和高层等部分组成。
最简单的系统只有一个阅读器，比如公交车的收费系统。
较复杂的会由一个阅读器同时应答多个应答器，也就是说，这时会要求阅读器具有防碰撞的能力。
更复杂一些的系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多个阅读器的网络连接。
2.4.1应答器
从整体来说，整个系统的核心在应答器。
为什么呢？
虽然应答器在价格上远比阅读器便宜，但一般情况下，由于应答器的基数很大（如二代证），阅读器都是根据应答器的设计而成的。
应答器有时也被称作射频卡、非接触式卡、标签等，但它们都可以称作应答器。
应答器的主要性能参数有：
工作频率、编码调制方式、工作距离、安全性能、数据传输速率、防碰撞等。
应答器根据需要电池供电与否，应答器可以分为无源、半无源和有源三大类。
2.4.2阅读器
阅读器在实际中也有其他的称呼，比如读写器、基站等。
有的阅读器只有读的功能（本文设计的采集器就是此类），有的阅读器还同时具有写的功能。
阅读器在系统中的作用有：
为应答器提供能量，从应答器读取数据或写入数据，完成对读取数据的处理并实现应用操作，而且可以和高层处理交互信息。
阅读器主要有以下几部分组成，如图2.2所示。
图2.2阅读器的组成
2.4.3天线
无论是应答器还是阅读器都需要安装天线，天线的主要作用是实现最大的能量传输效果。
天线主要分为偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等类型。
其中偶极子天线因为其辐射能力较强，而且制作工艺相对简单，成本相对较低，有全方向性，所以在远距离的传输系统中应用较多。
微带图片天线的方向图是固定的，缺点是制作工艺相对复杂，成本相对较高。
而线圈天线则常被用于近距离的传输系统中，通常是1m以下（本文应用的就是线圈天线）。
[1]
在实际的应答器中，天线是和应答器的芯片封装在一起的，但是应答器的尺寸限制了其应用，从而天线的小型化、微型化成为决定系统性能的重要因素。
2.4.4高层
对于多个阅读器构成的网络信息系统，高层对于系统来说是必要的。
高层的作用主要是将各个阅读器获取的数据整合起来，从而为查询、历史档案等相关的服务提供条件。
再进一步，可以将获取的数据进行加工、分析和挖掘，从而为最后的决策提供依据。
这也就是所谓的信息管理系统和决策系统。
在本文中的高层指的是本地PC机或称为上位机、控制计算机均可，而高层信息的验证就是指本地机通过网络与公民身份服务器进行信息校对与验证，以确定身份证的合法性。
第三章总体设计
3.1采集器的工作流程概括
采集器由检测端PC机和传感读卡模块组成（读卡模块以及各个周边模块构成了采集器，见以下板块介绍）。
公民身份信息服务器通过网络Modem和网络电缆与其相连。
读卡模块运用RFID射频识别技术与二代证通信并读取第二代身份证信息，之后通过智能通信端口通信将信息上传到本地检测端的PC机，本地PC机通过检测识别软件处理并显示出身份证信息，当需要联网进行管理和查询时，本地PC机通过网络访问公民身份信息服务器，完成身份信息的验证与校对。
如图4.1所示。
图4.1智能采集器工作原理图
3.2系统工作的流程
具体工作流程：
通过智能通信接口向采集器发送寻卡、选卡、读卡命令，计算机可以命令位于读卡装置内的SAM模块将命令转换成相应的对身份证卡的操作指令并将指令发送给控制单片机，控制单片机接收到指令后控制读卡芯片通过射频的方式与二代证通信并接收身份证卡返回的数据，控制单片机将返回的数据传给SAM模块，SAM模块将接收到的数据进行相应的处理之后再传送给计算机（如果检测到此身份证已在数据库存档，则直接由LCD显示），最后计算机将接收的数据进行处理并显示信息，同时将数据库没有的数据进行存档。
采集器与二代证之间的通信对话是通过射频信号（无线电波）进行传输的，符合IS014443TYPEB标准，采集器不仅可以采用计算机的USB口进行供电，也可以外接电源适配器以提供需要的电能。
采集器可以自主判断读卡出错还是成功，如发现读卡出错它会自动关掉射频模块，从而使二代证断电，然后再打开射
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