基于RFID与GSM技术的烟酒防伪装置设计

肖春华，张泽奎，徐 柱

（1.武汉软件工程职业学院 电子工程学院，湖北 武汉 430205；2.武汉市特瑞科技有限公司 湖北 武汉 430000）

在市场经济飞速发展的今天，为了满足消费者的不同需求，产品种类越来越多[1]，但假冒伪劣产品不断出现，严重损害了正当市场竞争以及消费者利益，尤其是高端烟酒行业，大量的假冒伪劣产品一直充斥着市场[2]。

传统的防伪技术主要有包装防伪和电子防伪[3]。目前，烟酒类市场因为技术的非独占性，导致消费者识别困难而不能很好的发挥作用[1-3]，给假冒伪劣产品创造了很大的生存空间。

本文将当前迅速发展并应用越来越成熟的射频识别技术（RFID，俗称电子标签）与GSM技术，成功的应用到烟酒业的防伪，设计了相应的防伪装置，实现了对产品的真正防伪的目的。

1 系统设计

电子标签中存放了商品ID、生产厂家、生产地、生产日期、产品批号、产品价格、打折情况等信息，通过研制的防伪装置读取内置在烟酒中的电子标签信息，如果能够成功读取，则说明该产品不是假冒产品，并将电子标签中的有效烟酒信息清0，防止被二次非法使用。为了做到真正防伪，利用GSM将读取到的该商品信息发送给厂家，厂家收到信息经确认后回复产品是否伪劣。系统模型如图1所示。

图1 系统模型图Fig.1 Schematic diagram of the syatem

2 系统设计关键技术

以经济够用为原则，采用C8051F340作为主控制器，该芯片功耗低、性能强，完全满足设计需求。RFID读写器模块选用国民技术公司开发的NZRM710模块，其工作电压为3.3～5 V，有效读取标签距离可以达到6 m。GSM模块选用SIM300[4]，利用ZIF连接器外接SIM卡，CPU通过发送AT指令与SIM300进行通信，利用串口进行调试。

本系统设计关键技术有4个方面，分别是电子标签设计、电源设计、显示器模块设计及GSM通信技术的实现。

2.1 电子标签设计

电子标签采用国民技术公司的通用电子标签，标签的尺寸、天线的材质和标签印刷的LOGO均可按用户的要求定制[5]，完全满足标签内置产品包装的设计需求。标签芯片采用Nz2201，工作频率为 840～960 MHz，存储容量为 192bit/512bit，最大读取距离可达8米，可在-25～85℃范围内稳定工作，存储器擦写次数高达10万次，支持EPC C1G2/ISO 1800-6C协议[6]。在项目设计时，课题组给每个标签设置唯一的ID号，即产品的身份识别号。电子标签在接收到有效的读取命令后会利用RFID技术自动给防伪装置发送存储器内部存储的产品信息，安全可靠。

根据NZRM710通信协议，结合本项目设计实际需求，设计向电子标签写数据通信协议如表1所示，读电子标签通信协议如表2所示。

表1 向标签写数据通信协议Tab.1 The communication protocol of write data

表2 读标签数据通信协议Tab.2 The communication protocol of read data

表1中，帧头为0x7E 0x81，帧长度为此命令帧的实际长度，帧类型为0x86，访问密码为4个字节长度，MB为信息存放的Bank区，SA为信息存放的起始地址，DL为写入的商品信息的长度，商品信息包含了商品ID号、生产厂家、生产地、生产日期、产品批号、产品价格、打折情况，校验码为1个字节长度，帧尾为0x0D 0x0A。

表2中，帧头为0x7E 0x81，帧长度为此命令帧的实际长度，帧类型为0x84，访问密码、MB、SA、DL以及校验码与表1与表1中设置一致，帧尾为0x0D 0x0A。

当防伪装置发送的读数据帧命令中的访问密码及校验码与表1设置的不一致时，读取标签信息会失败，以此充分保证了系统使用的安全性。

2.2 电源设计

电源的合理设计十分关键，在对功耗控制有很高要求的手持设备中显得尤为重要。本系统电源设计分为2部分，分别是电池充电电路设计与系统工作电源设计。

采用3.7 V锂电池作为系统储能部件，锂电池通过USB充电。选用TLC4065作为锂电池充电控制器。TLC4065是一款专门为在USB电源规范内工作而设计的，用于单节锂离子电池的完整恒定电流/恒定电压线性充电器，尤其适合便携式应用。当充电电流降至其设定值的10%时，引脚将发出指示信号，内部定时器根据电池商提供的产品规格来终止充电操作。PROG引脚为充电电流设置与监视引脚。设计时，将单片机P1.1引脚设置为AD采样电池电量的输入通道，可以将电池的储电情况实时在显示器上显示，以便用户及时充电。P2.3引脚设置为AD采样充电电流的输入通道，可以实时获取电池充电情况，并在显示器上显示，方便用户对电池充电。硬件设计如图2所示。其中VCC5V是USB电压，VCC3.7V是锂电池输出电压。

图2 电池充电原理图Fig.2 Circuit of battery charging

在锂电池输出的3.7 V电压的基础上，用两片TPS7A7001分别产生3.3 V与5 V的两路电压，3.3 V作为单片机系统工作电源，5 V作为NZRM710工作电源。电路原理图如图3所示。TPS7A7001是一款高性能的LDO稳压器，设计有使能引脚，方便的关断模式下进一步减少功率耗散。单片机的P0.6与该引脚相连，在系统开启之后，如果连续3次都没有检测到有效的标签信息，则通过程序控制P0.6自动关闭系统，实现充分节能目的。

2.3 显示器模块设计

显示器是专门定制的， 需要显示 “测试”、“成功”、“失败”、“打折”以及电池图形等信息。

由于单片机I/O口无法直接驱动显示器，需要设计驱动电路。本系统采用段式LCD驱动器CP2400作为驱动芯片，该芯片可以支持多达128段的LCD，支持低功耗闪烁功能，可在1.8～3.3 V低电压下稳定工作。CP2400与单片机通过SPI总线通信。CP2400与单片机及显示器的接口电路设计如图4所示。

2.4 SMS通信技术的实现

本项目中，GSM技术实现需要设计3个程序，分别是GSM网络注册程序设计、单片机识别并处理GSM模块接收来自厂商短信的程序设计、GSM模块向厂商发送信息程序设计。限于篇幅，笔者主要讨论利用GSM模块接收和发送信息。

2.4.1 GSM发送信息

首先需要将预接收短信的号码进行16进制编码。编码的方法是在号码后面加F，然后将相邻奇偶位换位即可。

图3 系统工作电源设计原理图Fig.3 Circuit of the system power supply

图4 CP2400通信接口电路Fig.4 Circuit of CP2400 communication interface

其次是对欲发送的信息内容进行编码。采用 “汉字/Unicode互换工具”进行编码，操作方便，只需要在该软件“双字节汉字”栏中填入如要编码的汉字，然后点击 “汉字转Unicode”，在“Unicode码”这一栏中会自动显示转化后的16进制Unicode码。

再次是进行PDU格式编码。PDU编码格式为001100（前序）+0D（目的号码长度）+91（中国地区接入码）+86（国际接入码）+目的手机号码+0008（发送方式为8bit）+A7（信息保存时间）+信息长度+短信内容 （Unicode）。

GSM发送信息软件设计流程图如图5所示。

2.4.2 GSM接收信息

GSM模块在接收到AT指令及厂商发来的确认短信时均会通过串口向单片机发送反馈信息，在程序设计时定义数组gsm_data[]来接收来自GSM的反馈信息。其中，在收到短信的反馈信息中会包含"+CMGS"字符，通过调用strstr（gsm_data，"+CMTI:"）函数即可识别GSM是否接收到短信。然后向GSM发送读取短信的AT指令AT+CMGR=1，gsm_data[]即可接收短信内容。

3 系统整体软件设计

当按下防伪装置的电源按键后，单片机首先检测当前电池电量，并在显示器上显示，如果电亮不足，会自动关机，然后开始利用串口向NZRM710模块发送读标签命令，NZRM710会利用RFID技术将命令传送给电子标签，电子标签校对命令数据帧中的访问密码、校验码来确定读标签命令是否合法，如合法，则自动将标签内部存储的商品信息发送给NZRM710，NZRM710再通过串口将采集到的数据交给单片机处理，在单片机的控制下，将商品信息在显示器上予以显示，利用GSM模块向厂商发送商品信息，收到商家的反馈信息后在显示器上显示，同时通过NZRM710将电子标签信息清0。为了节能，在连续3次检测标签失败后，系统会自动关机。软件实现流程图如图6所示。

图6 系统整体软件设计流程图Fig.6 Flow chart of the system software design

4 实验结果

根据反复的实验，该系统运行稳定，功耗较低，完全满足手持设备的功耗要求。表3列出了系统待机测试的电流值以及笔者在每间隔1分钟情况下连续测得的系统工作电流值，电流单位为mA。

表3 防伪装置电流测试表Tab.3 Current test result of the device

图5 GSM发送信息软件设计流程图Fig.5 Flow chart of GSM send message

5 结束语

针对假冒伪劣烟酒扰乱市场，给厂家和消费者带来巨大经济损失，设计了一款基于GPRS与GSM技术的防伪装置，电子标签可回收使用，设计成本低，实验证明该方案可行性高，运营成本低具有很好的应用前景。

[1]于欢，孔庆忠，邓海龙.RFID在白酒防伪中的应用研究[J].内蒙古工业大学学报：自然科学版，2013（2）:116-119.YU Huan，KONG Qing-zhong，DENG Hai-long.Application research of RFID technology in liquor anti-counterfeting[J].Journal of Inner Monggolia University of Technology：Natural Science Edition，2013（2）:116-119.

[2]曾文飞，伍雁鹏，张英杰.一种改进的基于射频识别技术的电子商务防伪技术[J].中南大学学报：自然科学版，2010，41（6）:2264-2268.ZENG Wen-fei，WU Yan-peng，ZHANG Ying-jie.An improved e-commerce anti-counterfeiting technique based on RFID[J].Journal of Central South University，2010，41（6）:2264-2268.

[3]Wong K，Hui P，Chan A.Cryptography and authentication on RFID passive tags for apparel products[J].Journal Computers in Industry，2006，57（4）:342-349.

[4]ZOU Hui，WANG Jian-dong.Multi-level threshold multisecret sharing scheme with proactive security[J].Journal of Computer Applications，2009，32（8）:136-141.

[5]Ahsan K，Shan H，Kingston P.RFID applications:an introductory and exploratory study[J].IJCSI International Journal of Computer Science Issues，2010，7（1）:1-7.

[6]Parhi K K.VLSI Digital Signal Processing Systems Design and Implementation[M].北京：机械工业出版社，2004.