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基于ZigBee技术的二代身份证读卡器设计

来源:单片机与嵌入式系统      作者:曹健,于晶晶,李存福      2010-11-20 11:21:38

    提要:针对通用RFID读卡器携带不便、布线困难、防伪性能差的问题,结合第二代居民身份证具有全球唯一序列号的特点,利用太阳能供电,提出了一种基于ZigBee技术的新型二代身份证阅读器设计方案,从硬件和软件两方面阐述了其设计过程。新型二代证阅读器无需外供电源且采用无线通信,特别适用于环境复杂、读卡点多的系统中。

    网络化RFID读卡系统在机关、宾馆、学校等企事业单位得到越来越广泛的应用,但传统读卡器提供RS232/485、USB、以太网等通信接口,存在携带不便、布线因难、功耗大、成本高等缺点,无法应对无法布线、供电不便、距离远等复杂的现场环境。同时,随着身份证换发工作的开展,我国绝大部分地区居民已全面使用第二代居民身份证(以下简称为二代证),这种新型身份证采用符合ISO14443 TypeB国际标准的非接触式IC卡技术,存入了公民身份证号码、照片等个人信息,并具有全球唯一的序列号。读取二代证序列号,无需专用的身份证安全控制模块。因此,一方面,利用二代身份证代替只读卡可降低成本,防止伪造,提高了只读卡系统的安全性能;另一方面,利用无线网络实现读卡信息的传递,可避免繁重的布线工作,适应复杂的应用环境。设计具有以上功能的新型二代证读卡器具有广阔的应用前景。

    1 系统硬件设计

    ZigBee网络中的节点大致分为2类:

    ①传感器节点,作用是采集周边环境数据,进行相应的存储及处理,并通过短距离无线通信将数据发送到网关节点,同时每个节点都是一个路由器,具有自组网的能力。
    ②汇聚节点,作用是充当网关,连接传感器网络和其他外部网络。

    本设计属于第二种传感器节点。如图1所示,硬件系统由二代证读卡模块、无线通信模块、数据存储模块、电源模块及主控MCU(ATmega12 8L)等部分构成。人机界面模块包括LCD、蜂鸣器与按键等,向用户提供参数设置、读卡信息反馈、声音提示等交互功能。二代证读卡模块接收MCU指令,阅读身份证ID并返回。ZigBee通信模块实现读卡信息的发送、控制指令接收、数据更新等功能。数据存储模块保存最近一段时间内的所有读卡信息,以保证读信息的完整性与可靠性。电源模块具有自发电功能,无需外部供电,可向系统提供持久工作电压。

 

    1.1 二代证读卡电路

    读卡电路选用MF RC531作为射频基站芯片,它是NXP公司生产的应用于13.56 MHz非接触式通信的高集成IC读写芯片系列中的一员。MF RC531射频芯片提供了两种通信方式:并行模式与SPI模式。为节省主控MCU引脚数量,设计中选用SPI方式。如图2所示,主控MCU ATmegal28L与射频芯片MF RC531通过SPI接口连接,在SP|通信中,ATmegal28L为SPI主机,控制SPI从机MF RC531完成数据传输过程。数据通信由SPI主机发起,它首先使NSS引脚输出低电平以选中SPI从机,然后通过SCLK引脚向从机A2端口发送8个时钟信号。在时钟信号的控制下,SPI主机中8位移位寄存器的数据依次串行从MOSI引脚送出,经过SPI从机A0引脚进入其移位寄存器,同时从机寄存器数据也通过DO引脚送入主机的移位寄存器中。由于通信双方SPI模块中移位寄存器均为8位,所以每次通信只能相互传送8位数据。在不传输数据时,SPI主机NSS引脚输出高电平,使双方的SPI模块处于空闲状态。此外,选用SPI通信方式,还须将MF RC531芯片A1引脚接低电平,NRD和NWR引脚接高电平,D7~D1引脚悬空。

 

    1.2 无线通信电路

    无线通信电路是读卡器中重要的组成部分,承担了无线网络各节点之间、节点与网关之间的数据交换任务,本设计无线射频芯片选用Chipcon公司生产的CC2420。CC2420是一款符合IEEE 802.15.4规范的2.4 GHz射频收发器,它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以O.18 μm CMOS工艺制成,数据传输速率达250 kbps,外围元件极少,性能稳定且功耗极低,其供电压可低至2.1 V,适合于电池供电。

 

    如图3所示,它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容。电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数,当采用16 MHz晶振时其电容值约为22 pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗,使其输入/输出阻抗为50 Ω,同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。MCU通过4线SPI总线(SI、SO、CSn、SCLK)设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。CC2420使用SFD、FIFI、FIFOP和CCA等4个引脚向MCU反映收发数据的状态。

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