基于RFID防拆迁系统的研究

伍颖+刘林+唐蛟

摘 要：RFID是物联网的重要研究方向，伴随着RFID自身隐藏的安全隐患日渐突出，怎样预防对使用者而言具有重要意义。文中针对RFID自身隐藏的安全隐患，进行防止RFID被拆迁的研究。在硬件方面，可以在RFID上增加一个防拆模块，软件采用相应的响应模块即可。测试结果表明，该方案能够有效提升智能家居物联网系统的安全性，阻止针对物联网的恶意攻击，及时发现入侵并报警。

关键词：RFID；物联网；安全隐患；防拆模块

中图分类号：TP27；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

科技进步推动着物联网的发展，人類享受物联网在生产、服务领域带来的便捷与高效的同时，也憧憬着它能够提供安全环境，为人类提供智能化的安全、高速服务。智能家居由概念走向现实，正在开启智能化家居时代的大门，广受国内外科技工作者高度关注。伴随着RFID自身隐藏的安全隐患日渐突出，怎样预防RFID带给使用者的安全隐患具有重要意义。

1 RFID防拆迁系统和总体设计方案

RFID系统位于系统最底层，通过对被控对象实施短距离无线通信技术来采集并传输分布在某一区域内不同地方的传感信息[1]，并下达对被控对象的操控指令，指导执行机构完成操控任务；利用公众通信网络作为传输平台，根据操作者下达的指令，完成操作指令的远程接收和信息的远程发送。RFID防拆迁流程如图1所示。

1.1 系统的硬件结构

1.1.1 电子标签的设计

RFID系统是传感网的核心，从结构上看，RFID是一种简单的无线系统，只有RFID标签和阅读器两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。由应用程序发出命令对其进行控制。本文所述的RFID系统构成如图2所示。

RFID（Radio Frequency Identification，RFID）[2]是一种无线通讯技术，通过传输的信息识别特定事物并按用户要求读写相关数据，而无需系统与目标事物之间通过数据通信线路或者光学接触来传输数据。RFID是感知层的关键技术之一，也是上世纪末研发的一种自动感应识别技术，它利用射频信号通过电磁耦合的原理实现非接触数据传递，并通过传递的数据来实现事物识别。

电子标签分为有源和无源两类。有源技术电子标签内部有电池，其寿命一般比无源的长。在电池更换前一直通过设定频段向外发送信息。本文所采用的有源技术电子标签具有寿命长等特点。

若想获得RFID被拆的信息，那么就应首先考虑在RFID处怎样获取RFID被拆的数据。因此在RFID标签上增加一个防拆迁模块是首选，并能主动把获取的信息发送出去，而非被动等待阅读器来激发标签的磁场以发送数据，因此采用能主动发送信息的有源电子标签。可分析得出，RFID标签由电源、微处理器、射频模块、天线和防拆模块5部分组成，当电子标签固定于被监测物体时，防拆开关处于闭合状态。此时主控模块发送指令，射频模块向读卡器发送读卡器所需信息。一旦电子标签与物品分离，便改变了电子标签与物品已有的状态，微处理器控制射频模块将防拆信息主动发给阅读器。RFID采用有源设计，微处理器芯片采用SPI串行接口进行数据传输，射频芯片采用内置芯片，电池为整个电子标签供电。RFID标签如图3所示。

硬件采用MSP430F2012精简指令集单片机和IA4420109bBm接收灵敏度的无线数据传输芯片与CR2032电池。通信协议采用ISO/IEC 18000-7规范。应答器的应答格式见表1所列。

防拆迁采用广播式应答可方便多个阅读器及时收到信息，应答器状态域的编码含义见表2所列。

1.1.2 阅读器设计

阅读器对收到的数据所采用的不同处理措施同样会影响系统感知RFID是否被拆迁和灵敏度，因此对不同级别的数据应采用不同的模板。RFID的主控模块应在收到RFID标签后，根据不同的信息来准确定位信息级别。当主控模块收到RDID标签发送的请求后，主控模块会根据应答器状态域编码第2位的字符做出响应，如果是“1”就向服务器发送防拆模块，否则发送正常模块。服务器对防拆模块做出反应，写入数据库，并确定相应的危险级别以便采取相应措施。本系统在开发时就已经设定好了危险级别和处理措施，如果客户在线，将直接发送到客户端，否则便发信息到户主手机上。RFID阅读器算法如下：

（1）防拆开关触发，向主控模块提出发送请求；

（2）阅读器主控模块根据应答器状态域编码第2位的字符做出判断，如果是“1”，则调用防拆模块；如果是“0”，则调用正常模块。

1.2 RFID防拆迁的确定

为了能准确找出RFID被拆迁的位置，系统必须能根据阅读器发送的数据做出精准判断。根据之前得到的RFID位置与数据库的中心位置，可计算两点间的距离：

（x-x1）2+（y-y1）2=d2 （1）

算出d后与RFID的有效范围D作比较，如果d

超高频段系统识别距离相对于其它频段通信质量高，最远达10 m，系统识别距离为4～6 m[3]。本文采用433 MHz带定位计算功能模块的非接触ID读卡器，并在读卡器增加定位模块，以减少服务器的运算压力与网络传输量。同时提高定位的准确性。如果只是RFID被拆迁，其自身就直接把RFID的位置发送给智能家居后台。如果是被拆迁RFID开关失效，那么带定位计算功能的RFID危险源测试系统就可根据场强定位公式计算出被拆电子标签的位置。基于场强定位算法的模型为[4]：

其中，Pri为第i个阅读器的测量功率，Pt为目标电子标签的发射功率，λ为电磁波的波长，Gt为目标标签的天线增益，Gri为第i个阅读器的天线增益，Di为第i个阅读器到目标电子标签的距离，这里Pt、λ、Gt、Gri都是已知参数。

阅读器根据三个不同RFID发来信号的场强来确定危险源到RFID的距离，根据三点定位的算法可知：

（x-x1）2+（y-y1）2=d21 （3）

（x-x2）2+（y-y2）2=d22 （4）

（x-x3）2+（y-y3）2=d23 （5）

由此可以确定危险源的位置（x，y）。多个不同阅读器发给服务器的位置相差很小，说明定位准确，否则就认为RFID标签有拆迁。从比较中找出误差较大的RFID，该RFID标签作被拆迁处理。

1.3 RFID防拆迁智能家居硬件的布局

从需求分析得出，定位可用于得到家庭事故发生地点的准确位置。但是由于阅读器的传输距离限制了其发展，所以只能把无线WiFi技术、带定位模块阅读器、有源RFID结合起来，组成一个能提高定位范围和精度的无线传感网。因此，巧妙、合理、全方位的硬件布局同样也能大大提高系统的安全性和稳定性，即能够保证系统在一个阅读器出现故障，一个阅读器繁忙时不会出现无法正常捕捉和发送的情况，特别是保证RFID已拆迁信息的捕捉以及发送。系统布置如图4所示（一个节点至少能被三个阅读器捕捉到信号，同样一个阅读器能被三个WSN传输）。

2 系统软件的实现

系统软件实现的实质是服务器端对RFID数据做出相应的分析和处理。只有当RFID的位置改变时，RFID系统的防拆开关才会触发，电子标签主动从防拆开关捕捉到信息后，把应答器状态域编码第2位置为高电平。阅读器的主控模块同样也根据应答器状态域编码的第2位来判断，如果是“1”就向服务器发送防拆模块，否则发送正常模块。服务器对防拆模块做出反应，并写入数据库，同时确定相应的危险级别以采取相应措施。

为避免RFID防拆迁信息与RFID正常状态信息传输或客户操作信息竞争端口，以快速处理RFID拆迁信息，服务器为RFID防拆迁信息预留两个到三个数据端口。数据库也同样为RFID设计防拆属性。软件为已被拆的RFID废除指令做准备。其算法如下：

（1）建立SeverSocket对象，初始化服务器，等待阅读器发来的连接请求；

（2）根据发来的数据找到被拆RFID的位置信息；

（3）根据公式（1）～（5）算出RFID标签是否超出控制范围，若超出最大控制范围，应立即修改数据库，阻截继续发往此标签的命令，同时通知客户有关此拆迁信息；

（4）如果是防拆信息就根据拆迁的位置来确定级别，并根据危险级别采取相应措施。

（5）中断连接，结束通信。

3 结 语

本文将RFID防拆模块嵌入电子标签中，详细设计了电子标签的应答信息、阅读器以及服务器的处理过程。该方案在实际运用过程中能很大程度防止防拆人为因素干扰信息的正常发送及系统的正常运行。如与其他智能系统结合，就可实现生产计划的安排和调度，灵活实现企业、居家等物联网方向下的生产要求，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]王运红，何灵娜.基于Android平台智能家居客户端的设计与实现[J].机电工程，2014，31（8）：1086-1089.

[2]射频识别技术[EB/OL].http：//baike.haosou.com/doc/5372984.html

[3] EPCglobal Inc.EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2UHF RFID Protocol for Communications at 860Mhz-960MHz [Z].（Version1.0.9），2004：34-35.

[4]中国一卡通网.基于WiFi和RFID定位技术的电子标签定位算法[EB/OL].http：//tech.rfidworld.com.cn/2013_01/06eebd6d77d955f6.html

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