基于RFID技术的电子钱包的设计与实现的方案---毕业论文.docx
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基于RFID技术的电子钱包的设计与实现的方案
摘要
随着社会与经济的发展需要，RFID技术在各行各业的认可，得到了广泛的应用与发展，尤其是在安全系数较高的行业，为人们日常生活提供了诸多便利，保障了人们的生活安全。
RFID技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，是一种通信技术。
本文剖析了RFID技术的国内外现状、未来发展趋势等问题，提出了基于RFID技术的电子钱包的设计与实现的方案。
对从系统的可行性研究分析及需求分析过渡到系统的硬件电路设计、软件设计等做出了详细介绍。
基于RFID技术的电子钱包采用了基于MFRC522的FS_RFID开发套件进行研究，能读写Mifare非接触式射频卡，当有卡片进入读写器的操作范围时，自动识别是否为M1射频卡，随之对卡内数据块进行读写操作，并将卡的序列号及相关数据通过串口读写程序存放在数据库中，同时将最新数据实时刷新显示在网页上，以便用户获取所需要的信息。
关键词：
RFID技术；电子钱包；MFRC522；M1射频卡
Abstract
Withtheneedsofthedevelopmentofsocietyandeconomy,theRFIDtechnologyinallwalksoflifehasbeenawiderangeofapplicationsanddevelopment,especiallytheindustrysafetycoefficientishigher,tothepeople'sdailylifeprovidesmanyconvenienceandguaranteethesafetyofpeople'slife.RFIDtechnology,alsoknownasradiofrequencyidentification,isakindofcommunicationtechnology,whichcanidentifythespecifictargetandreadandwritedatathroughtheradio.
ThispaperanalyzestheresearchstatusofRFIDtechnologyathomeandabroad,thefuturedevelopmenttrendsandotherissues,andputsforwardthedesignandimplementationofelectronicwalletbasedonRFIDtechnology.Fromthesystemfeasibilitystudyanalysisandthedemandanalysistransitiontothesystemhardwarecircuitdesign,softwaredesignandsoonhasmadethedetailedintroduction.
ElectronicpursebasedonRFIDtechnologyusesbasedonMFrc522FSRFIDdevelopmentkit,beabletoreadandwriteMifarecontactlessRFcard,whenthecardintotheoperatingrangeofthedevicetoreadandwrite,automaticallyidentifywhethertheM1RFcard,alongwiththecarddatablockreadandwriteoperation,andthecardserialnumberandrelateddatathroughtheserialporttoreadwriteprogramsarestoredinthedatabase.Atthesametime,thelatestdatareal-timerefreshthedisplayonthepage,sothatuserscanobtainneededinformation.
Keywords：
theRFIDtechnology;Electronicpurse;MFrc522;theM1RFcard
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
RFID技术发展迅速，作为20世纪的十大技术之一，已经在工业、交通、物流等多个领域得到了越来越广泛的应用，并且日益显示出它的巨大潜力。
随着RFID技术的不断发展和标准的不断完善，RFID产业链从硬件制造技术、中间件到系统集成应用等各环节都得到提升和发展。
RFID技术的产品实现了多样化，由单一识别向多功能识别发展。
RFID产业与其他IT产业一样，当标准和关键技术解决和突破之后，与其他产业融合将形成更大的产业集群，并得到更加广泛的应用，实现跨地区、跨行业应用。
当RFID系统应用普及到一定程度时，每件产品都能通过RFID技术赋予身份标识。
RFID技术与互联网、电子商务结合将是一种必然趋势，它将极大地改变传统的生活、工作和学习方式。
RFID技术已经涉及人们日常生活的各个方面，并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，如火车的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等，RFID技术已经成为未来信息社会建设的一项基础技术。
1.2课题研究现状
1.2.1国外研究现状
从全球的范围来看，美国政府是RFID应用的积极推动者，在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。
欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。
在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。
日本虽然已经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。
RFID在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视，但至今韩国在RFID的标准上仍模糊不清。
目前，美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的RFID产品。
从全球产业格局来看，目前RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市场。
飞利浦、西门子、ST、TI等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场；IBM、HP、微软、SAP、Sybase、Sun等国际巨头抢占了RFID中间件、系统集成研究的有利位置；Alien、Intermec、Symbol、Transcore、Matrics、Impinj等公司则提供RFID标签、天线、读写器等产品及设备。
1.2.2国内研究现状
相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后。
目前，我国RFID企业总数虽然超过100家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频RFID方面。
从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频RFID技术门槛较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况；超高频RFID技术门槛较高，国内发展较晚，技术相对欠缺，从事超高频RFID产品生产的企业很少，更缺少具有自主知识产权的创新型企业。
从产业链上看，RFID的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。
目前我国还未形成成熟的RFID产业链，产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里，尤其是芯片、中间件等方面。
中低、高频标签封装技术在国内已经基本成熟，但是只有极少数企业已经具备了超高频读写器设计制造能力。
国内企业基本具有RFID天线的设计和研发能力，但还不具备应用于金属材料、液体环境上的可靠性RFID标签天线设计能力。
系统集成是发展相对较快的环节，而中间件及后台软件部分还比较弱。
1.3课题设计任务
基于RFID技术的电子钱包的设计主要由两大部分：
硬件系统和软件系统。
硬件系统包括射频系统电路的设计；软件系统包括射频卡的读写程序、串口读写程序、数据库、Web程序等的设计编写。
电子钱包基于RFID技术，可通过FS_RC522RFID模块实现卡的识别并进行数据读写，完成读取卡的序列号及卡内金额增、减值操作的功能，并可完成将相关数据实时刷新显示在HTML网页上的功能。
1.4论文结构
1绪论
2RFID技术概述
3系统的可行性研究与需求分析
4系统总体设计
5系统详细设计
6系统测试
7系统使用手册
2RFID技术概述
RFID系统是一种非接触式的自动识别系统，通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。
RFID系统以电子标签来标识某个对象，电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，读写器可将主机命令传达到电子标签，再把电子标签返回的数据传达到主机，主机的数据交换与管理系统负责完成电子标签数据的存储、管理和控制。
2.1RFID系统的构成
RFID系统一般由电子标签、读写器及外部主机（PC机）组成。
图2.1RFID系统的构成
电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和读写器进行通信。
电子标签附着在物体上标识目标对象，具有唯一的编码，存储被识别对象的相关信息。
根据应用场合不同表现为不同的应用形态，如电子狗牌、门禁卡、交通卡等。
图2.2电子标签的内部结构
读写器是利用射频技术读写电子标签信息的设备，一般由天线、射频接口和逻辑控制单元三部分组成。
工作时，读写器发射一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号后，就会给出应答信号，应答信号中含有电子标签携带携带的数据信息。
读写器读取到数据后，对其进行处理，最后将数据返回给外部主机系统，进行相应操作处理。
图2.3读写器组成
2.2RFID系统的工作流程
RFID利用无线射频方式，在读写器和电子标签之间进行非接触式双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。
RFID工作流程如下：
2.3Mifare非接触式射频卡
Mifare非接触式射频卡是菲利普下属子公司恩智浦生产的芯片卡，广泛使用的有S50和S70型号，简称M1卡。
属于非接触式卡片，避免了读写器与卡之间的物理接触，避免了卡的磨损，可在无须人工干涉的情况下进行识别工作。
2.3.1M1卡主要指标
2.3.2M1卡的存储结构
1.M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，如下图所示：
扇区0
块0
数据块
0
块1
数据块
1
块2
数据块
2
块3
密码A存取控制密码B
控制块
3
扇区1
块0
数据块
4
块1
数据块
5
块2
数据块
6
块3
密码A存取控制密码B
控制块
7
∶
∶
∶
扇区15
块0
数据块
60
块1
数据块
61
块2
数据块
62
块3
密码A存取控制密码B
控制块
63
图2.4M1卡的存储结构
2.第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。
3.每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。
数据块可作两种应用：
A.用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。
B.用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。
4.每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。
具体结构如下图所示：
A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5
密码A（6字节）存取控制（4字节）密码B（6字节）
图2.5控制块3结构
5.每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。
存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下表所示：
块0
C10
C20
C30
块1
C11
C21
C31
块2
C12
C2
C32
块3
C13
C23
C33
表2.1存取控制-控制位
三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB，等等）。
存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下表所示：
bit7
bit6
bit5
bit4
bit3
bit2
bit1
bit0
字节6
C23_b
C22_b
C21_b
C20_b
C13_b
C12_b
C11_b
C10_b
字节7
C13
C12
C11
C10
C33_b
C32_b
C31_b
C30_b
字节8
C33
C32
C31
C30
C23
C22
C21
C20
字节9
表2.2存取控制（4字节）结构
6.数据块（块0、块1、块2）的存取控制，如下表所示：
控制位（X=0..2）
访问条件（对数据块0、1、2）
C1X
C2X
C3X
Read
Write
Increment
Decrement,transfer,
Restore
0
0
0
KeyA|B
KeyA|B
KeyA|B
KeyA|B
0
1
0
KeyA|B
Never
Never
Never
1
0
0
KeyA|B
KeyB
Never
Never
1
1
0
KeyA|B
KeyB
KeyB
KeyA|B
0
0
1
KeyA|B
Never
Never
KeyA|B
0
1
1
KeyB
KeyB
Never
Never
1
0
1
KeyB
Never
Never
Never
1
1
1
Never
Never
Never
Never
表2.3数据块的存取控制
7.控制块3的存取控制与数据块不同，如下表所示：
控制位
密码A
存取控制
密码B
C13
C23
C33
Read
Write
Read
Write
Read
Write
0
0
0
Never
KeyA|B
KeyA|B
Never
KeyA|B
KeyA|B
0
1
0
Never
Never
KeyA|B
Never
KeyA|B
Never
1
0
0
Never
KeyB
KeyA|B
Never
Never
KeyB
1
1
0
Never
Never
KeyA|B
Never
Never
Never
0
0
1
Never
KeyA|B
KeyA|B
KeyA|B
KeyA|B
KeyA|B
0
1
1
Never
KeyB
KeyA|B
KeyB
Never
KeyB
1
0
1
Never
Never
KeyA|B
KeyB
Never
Never
1
1
1
Never
Never
KeyA|B
Never
Never
Never
表2.4控制块的存取控制
2.4.3M1卡与读写器的通讯
3系统的可行性研究与需求分析
3.1所建议技术的可行性分析
3.1.1对系统的简要概述
电子钱包基于RFID技术，可通过FS_RC522RFID模块实现卡的识别并进行数据读写，完成读取卡的序列号及卡内金额增、减值操作的功能，并可完成将相关数据实时刷新显示在HTML网页上的功能。
3.1.2处理流程和数据流程
图3.1系统流程图
3.1.3系统技术分析
A.对硬件电路的可行性分析
在硬件方面我们采用的samsung公司的S5PV210处理器，该处理器采用了ARM公司的ARMCortex-A8的内核。
Cortex-A8基于ARMv7体系结构，能够将速度从600MHz提高到1GHz以上，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可以实现2000DMIPS（每秒运算20亿条指令集）的高性能运算能力。
相关数据如下表所示：
集成了手持设备和通用嵌入式系统的解决方案
32/32KB的数据/指令
存储控制器支持LPDDR1，LPDDR2和DDR2类型的RAM
提供了丰富的外围接口
增强的ARMMMU体系结构支持WinCE,EPOC32和Linux操作系统
指令缓存、数据缓存、写缓冲器和RAM物理地址标签减少了主存储器带宽和潜在性能的影响
支持ARM调试体系结构
支持小/大端模式
寻址空间：
共4G字节
支持1个USBHOST2.0，1个USBOTG2.0接口
支持1路RS232串口接口（调试串口）
支持100M以太网卡
支持LED灯显示（1个电源显示，2个用户LED灯）
支持标准JTAG接口
调试接口：
20-pin，2.54mm标准JTAG接口
工作温度：
-20~+70℃（电气指标：
符合CE，FCC，CCC规范要求）
表3.1S5PV210处理器相关数据
从可行性的角度来讲，这款芯片完全可以满足我们系统应用的要求。
B.对网络的可行性分析
系统可以通过网络来支持用户远程登陆和监控，在网络方面，采用ADSL+路由的方式上网，在有线网络方面，我们正是利用了这种网络结构。
首先ADSL拨号上网能够提供给用户一个公网IP，这是整个系统实现的关键，因为我们的设备要作为一个网络上的服务器端，必定要有一个公网IP来提供访问，当然这需要其他技术的支持。
有了公网IP，我们可以利用动态域名解析技术来将我们每次登录后的动态IP地址映射成一个固定的网络域名，这样我们在就可以使用域名随意访问系统。
在研发阶段我们可以使用解析内网IP的方式，利用现有团队的网络资源，进行研发。
相应的技术都是已经成熟的，只是需要进行相应的移植工作。
在用户设备端，可以和用户家中的电脑同时接入路由，同时需要设置路由，将路由的80端口映射到设备端的内网IP，这样就可以结合动态域名解析和路由的映射功能在网上提供web服务。
C.对核心技术的可行性分析
1.RFID技术的可行性分析
M1卡片的电气部分只由一个天线和ASIC组成，每一张卡都有自己唯一的序列号。
读写器分上下两层，上层包括天线板，RC522（读写卡芯片），下层包括LPC1111，M0单片机。
M1卡通过无线与读写器进行数据交换，读写器可将主机命令传达到M1卡，再把M1卡返回的数据传达到主机，主机的数据交换与管理系统负责完成M1卡数据的存储、管理和控制。
2.外部CGI和BOA服务器
外部CGI程序与WWW服务器进行通信、传递有关参数和处理结果是通过环境变量、命令行参数和标准输入来进行的。
服务器提供了客户端（浏览器）与CGI扩展程序之间的信息交换的通道。
CGI的标准输入是服务器的标准输出，而CGI的标准输出是服务器的标准输入。
客户的请求通过服务器的标准输出传送给CGI的标准输入，CGI对信息进行处理后，将结果发送到它的标准输入，然后由服务器将处理结果发送给客户端。
系统可以采用BOA+CGI的程序设计方式进行编程，WWW和CGI的工作原HTTP协议是WWW的基础，它基于客户/服务器模型，一个服务器可以为分布在网络中处的客户提供服务；它是建立在TCP/IP协议之上的“无连接”协议，每次连接只处理一个请求。
在服务器上，运行产着一个守护进程对端口进行监听，等待来自客户的请求。
当一个请求到来时，将创建一个子进程为用户的连接服务。
根据请求的不同，服务器返回HTML文件或者通过CGI调用外部应用程序，返回处理结果。
服务器通过CGI与外部程序和脚本之间进行交互，根据客户端在进行请求时所采取的方法，服务器会收集客户所提供的信息，并将该部分信息发送给指定的CGI扩展程序。
CGI扩展程序进行信息处理并将结果返回服务器，然后服务器对信息进行分析，并将结果发送回客户端。
3.2所建议系统经济可行性分析
所建议系统开发所需经济预算，如下表所示：
序号
物品
数量
单价
系统开发端
1
开发板
1个
800
2
RFID模块
2个
200
小计
1200
用户系统
1
手机/pc机
1个
1000
小计
1000
合计
2200
表3.2经济预算
上表所示，经济预算在合理可承受范围。
3.3系统需求分析
3.3.1功能需求
根据电子钱包的具体需求，本系统应具备一下几个方面的功能要求：
1.电子钱包要实现的基本功能是通过刷卡进行加钱或减钱操作，通过刷卡实现卡内余额的变化。
2.确保两个读写器，并分别烧写加钱程序和减钱程序。
卡片刷加钱读写器时卡内金额会相应增加，刷减钱读写器时卡内金额会相应减少。
3.读写器通过UARTSend发送相关数据，开发板执行主程序接收数据，并将其存放数据库中。
4.相应.cgi程序并行执行，读取数据库中的数据，将数据传给AJAX，实现网页上数据的实时刷新。
3.3.2用例及用例描述
电子钱包的用例图如下图所示：
图3.1用例图
电子钱包的用例包括信息查看（见表3.3）、刷卡减钱（见表3.4）、刷卡加钱（见表3.5）3个部分，它们的主要参与者是用户。
用例名：
信息查看
主要参与者：
用户
简短描述：
这个用例描述的是用户对卡内信息的查看
触发事件：
用户想查看信息时
主要输入：
描述来源
用户查询卡的信息用户
主要输出：
描述来源
卡的信息详细信息显示
主要执行步骤：
用户打开页面
表3.3信息查看
用例名：
刷卡减钱
主要参与者：
用户
简短描述：
这个用例描述的是用户刷卡减钱
触发事件：
用户刷卡
主要输入：
描述来源
用户刷卡用户
主要输出：
描述来源
卡内金额减少网页显示
主要执行步骤：
1、用户将卡放在减钱读写器区
2、读写器进行操作
3、网页上查看金额变化
表3.4刷卡减钱
用例名：
刷卡加钱
主要参与者：
用户
简短描述：
这个用例描述的是用户刷卡加钱
触发事件：
用户刷卡
主要输入：
描述来源
用户刷卡用户
主要输出：
描述来源
卡内金额增加网页显示
主要执行步骤：
1、用户将卡放在加钱读写器区
2、读写器进行操作
3、网页上查看金额变化
表3.5刷卡加钱
升级会员 