基于RFID 技術(shù)的市民卡是一張集身份證、社?？?、醫(yī)療卡、公交卡、銀行卡等于一身的綜合卡. 小到坐公交、交水電費(fèi)，大到辦理社會保險(xiǎn)、衛(wèi)生醫(yī)療、公積金等，市民帶上一張卡就都可以刷卡辦理日常事務(wù). 自2001 年北京市率先提出“市民卡”概念后，這種“一卡多用”的城市IC 卡帶來的方便快捷立刻得到了全國多個(gè)城市的響應(yīng)和關(guān)注. 2008 年6 月起，煙臺、寧波和揚(yáng)州三城市市民卡正式發(fā)行. 此外，上海、無錫、哈爾濱、福州、武漢等各城市也紛紛開始嘗試. 對市民而言，市民卡能夠方便快捷地辦理個(gè)人相關(guān)事務(wù)，享受各類公共服務(wù)和便民服務(wù);對政府而言，通過市民卡項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)政府部門信息資源共享和協(xié)同服務(wù)，能為政府制定公共政策提供數(shù)字依據(jù)，為執(zhí)行政府公共政策提供業(yè)務(wù)、技術(shù)支持，并推動電子政務(wù)建設(shè)，以提高政府效能;對社會而言，市民卡作為數(shù)字城市的基礎(chǔ)，可以為社會各機(jī)構(gòu)提供支付清算、客戶關(guān)系管理以及信用評價(jià)等服務(wù)，推動電子商務(wù)建設(shè)，提高了社會的整體效率. 隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起將加速城市數(shù)字化的進(jìn)程，基于RFID 的電子市民卡就是城市數(shù)字化的重要組成部分.

　　1 RFID 電子市民卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

　　RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID 卡2 部分組成，如圖1 所示.

　　讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來實(shí)對RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成;而RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路芯片及其外接天線組成.RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢測，獲得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器.

　　2 電子市民卡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 電子市民卡系統(tǒng)總體方案

　　本系統(tǒng)組成包括總控PC 上位機(jī)、RS232 通信傳輸、身份識別終端、模擬公交收費(fèi)終端、模擬電子病歷終端、模擬物業(yè)終端等. 整個(gè)系統(tǒng)由PC 上位機(jī)通過RS232 串行通信與各終端模塊控制器完成監(jiān)控、數(shù)據(jù)的設(shè)置和處理等操作. 其中身份識別終端包括控制器、打卡器、射頻卡、電源、顯示五部分，控制器控制打卡器對射頻卡進(jìn)行讀寫，然后與PC 串行通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，完成讀寫卡的操作，并實(shí)時(shí)顯示讀寫卡的相關(guān)信息. 電子市民卡總體方案如圖2 所示.

圖2 電子市民卡總體方案

　　2.2 電子市民卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.2.1 RFID 單元電路

　　射頻單元由調(diào)制解調(diào)電路、EMC 低通濾波電路、發(fā)射接收電路以及天線4 部分組成. 其中調(diào)制解調(diào)電路以MFRC500 為核心，根據(jù)MFRC500 管腳功能，結(jié)合時(shí)鐘的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)正確操作的重要因素.要獲得最佳的性能，時(shí)鐘的抖動盡可能小. 因此，使用13.56 MHz 的晶振，其電路連接如圖3 所示.系統(tǒng)在13.56 MHz 頻率下操作，不僅會產(chǎn)生13.56 MHz的發(fā)射功率而且會發(fā)射更高的諧波. 為了克服這個(gè)問題，在MFRC500 使用內(nèi)部產(chǎn)生的VMID 電勢作為RX腳的輸入電勢. 為了提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓，必須在VMID腳接一個(gè)對地的電容C9. 讀卡器的接收部分需要在RX 和VMID 腳之間連接一個(gè)分壓器. 此外，在天線線圈和分壓器之間使用一個(gè)串接的電容.

　　2.2.2 射頻發(fā)射天線

　　系統(tǒng)采用直接匹配的PCB環(huán)形天線，如圖4所示，最大工作距離可到100 mm. 根據(jù)磁場強(qiáng)度有“(1)式”中：μ0為磁場常數(shù)，即真空的磁導(dǎo)率;N 為天線線圈匝數(shù)，I 為線圈中的電流強(qiáng)度;磁通量密度與X3 成反比，當(dāng)X 增大時(shí)迅速減小. 為了獲得最大功率傳輸，天線后的芯片輸入阻抗必須與天線輸出阻抗匹配，其天線電感量為“(2)式”中：L 為一圈導(dǎo)線的長度，cm;D1 導(dǎo)線的直徑，cm;K 為天線的形狀系數(shù)(圓環(huán)狀時(shí)，K =1.07 ，矩形時(shí)，K =1.47 ); ln 為自然對數(shù).線線圈匝數(shù)。

　　(1)式 (2)式

　　2.2.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路

　　本系統(tǒng)采用STC89C 系列的STC89C52 作為主控芯片. STC 單片機(jī)完全兼容傳統(tǒng)51 內(nèi)核，因此使用的編譯器和指令代碼都和傳統(tǒng)51單片機(jī)相同. 根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用要求，參考STC 單片機(jī)官方數(shù)據(jù)手冊上的應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)電路如圖5 所示.

　　在圖5 中，有源晶振為單片機(jī)提供22.118 4 MHz，0~5 V 幅度的高精度時(shí)鐘，時(shí)鐘的頻率精度可以到達(dá)10-7 級別，頻率的穩(wěn)定性可以到達(dá)10×10-6/℃. 根據(jù)STC 單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊約定，外部有源時(shí)鐘應(yīng)從XTAL1腳輸入，XTAL2 必須保持浮空. 10 μF 的電解電容和10 kΩ 的電阻構(gòu)成微分電路，在系統(tǒng)上電的瞬間，為單片機(jī)RESET 腳提供約2 ms 的高電平脈沖，使單片機(jī)上電后立即可靠復(fù)位.

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 下位機(jī)系統(tǒng)軟件

　　根據(jù)市民卡的應(yīng)用要求，當(dāng)有射頻卡進(jìn)入距離射頻天線100 mm 內(nèi)時(shí)，讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù).讀卡器讀到射頻卡中的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)單片機(jī)要將所讀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果符合條件，則讀卡成功指示燈閃一下，蜂鳴器鳴叫一聲. 并將卡片數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間一起存入單片機(jī)內(nèi)的EEPROM，并顯示卡數(shù)據(jù). 沒有卡進(jìn)入讀卡器工作范圍時(shí)，顯示當(dāng)前時(shí)間. 若讀卡出錯(cuò)，顯示出錯(cuò)標(biāo)志. 在與上位機(jī)通訊時(shí)，將單片機(jī)內(nèi)部EE2PROM 存入的信息發(fā)往上位機(jī)，軟件流程如圖6 所示. 除了復(fù)位以外，對MFRC500 的絕大多數(shù)控制是通過讀MFRC500 的寄存器來實(shí)現(xiàn)的.MFRC500 共有64 個(gè)寄存器，分為8 個(gè)寄存器頁，每頁8 個(gè)，每個(gè)寄存器都是8 位.

　　單片機(jī)將這些寄存器通過總線的方式進(jìn)行操作，要實(shí)現(xiàn)某個(gè)操作，只需將該操作對應(yīng)的代碼寫入對應(yīng)的地址位即可. MFRC500 對卡的操作主要是通過寫通訊命令、參數(shù)和數(shù)據(jù)到FIFODATA，在通過寫命令到COMMAND，實(shí)現(xiàn)與RFID 卡的通訊.

　　3.2 上位機(jī)主程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腄elphi 軟件進(jìn)行開發(fā). Delphi 軟件是一個(gè)以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)為中心的應(yīng)用程序開發(fā)工具[9]. 本軟件可對PC機(jī)串行口進(jìn)行方便、靈活的操作，實(shí)現(xiàn)射頻卡信息的讀取、寫入、加密、控制等操作. 本系統(tǒng)在上位機(jī)與終端控制器之間、讀卡器與射頻卡之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用AES 加密算法，從而保障了持卡人個(gè)人信息數(shù)據(jù)的安全. 整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)界面包括參數(shù)設(shè)置界面、身份識別界面、電子支付管理界面、電子病歷界面、密碼管理界面，其中部分界面如圖7、8 所示.

　　4 結(jié)束語

　　在簡介非接觸IC 卡(RFID)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，應(yīng)用RS232串口通信原理，提出了采用MFRC500 為調(diào)制解調(diào)核心的電子市民卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 對身份識別終端，對公交支付終端、電子病歷終端、物業(yè)支付終端進(jìn)行了終端模擬實(shí)現(xiàn). 由于設(shè)計(jì)研制了上位機(jī)控制系統(tǒng)，從而使本系統(tǒng)操作更簡便\直觀，更具有實(shí)用性。