【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 r 是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離θ為振子軸到 r 的夾角為單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度 同樣也可以得到天線(xiàn)的輸入 圖 偶極子天線(xiàn) a 偶極子天線(xiàn)； b 折合振子天線(xiàn)； c 變形偶極子天線(xiàn) 阻抗、輸入回波損耗 S11 、阻抗帶寬和天線(xiàn)增益等等特性參數(shù)當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度 λ / 4 時(shí) 半波振子 輸入阻抗的電抗分量為零天線(xiàn)輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻在忽略天線(xiàn)粗細(xì)的橫向影響下簡(jiǎn)單的偶極子天線(xiàn)設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度 l 為λ / 4 的整數(shù)倍如工作頻率為 2. 45 GHz 的半波偶極子天線(xiàn) ,其長(zhǎng)度約為 6 cm 當(dāng)要求偶極子天線(xiàn)有較大的輸入阻抗時(shí)可采用圖 4 b 的折合振子 射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2.，主要是由兩部份組成：讀寫(xiě)器和射頻卡。讀寫(xiě)器同射頻卡之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式通訊，因此它們都有無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊及天線(xiàn)（或感應(yīng)線(xiàn)圈）。射頻卡中有存儲(chǔ)器，內(nèi)存容量為幾個(gè)比特到幾十千比特。 可以存儲(chǔ)永久性數(shù)據(jù)和非永久性數(shù)據(jù)。永久性數(shù)據(jù)可以是射頻卡序列號(hào)，它是用來(lái)作為射頻卡的唯一身份標(biāo)識(shí)，不能更改；非永久性數(shù)據(jù)寫(xiě)在 E2PROM 等可重寫(xiě)的存儲(chǔ)器內(nèi)，用以存儲(chǔ)用戶(hù)數(shù)據(jù)。射頻卡可以根據(jù)讀寫(xiě)器發(fā)出的指令對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)操作?？刂颇K完成接收、譯碼及執(zhí)行讀寫(xiě)器的命令，控制讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全等功能。射頻卡無(wú)源卡有源卡兩種，有源卡內(nèi)置天線(xiàn)和電池，而無(wú)源卡只有內(nèi)置天線(xiàn)沒(méi)有電池，其能量由讀寫(xiě)器提供，由于無(wú)源卡無(wú)需電池因此其尺寸較小且使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。讀寫(xiě)器內(nèi)的控制模塊往往具有很強(qiáng)的處理功能 ，除了完成控制射頻卡工作的任務(wù)，還要實(shí)現(xiàn)相互認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、出錯(cuò)報(bào)警及與計(jì)算機(jī)通信等功能。計(jì)算機(jī)的功能是向讀寫(xiě)器發(fā)送指令，并與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 圖 2. RFID 系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖 2. 為 RFID 系統(tǒng)的工作過(guò)程，這是個(gè)無(wú)源系統(tǒng)，即射頻卡內(nèi)不含電池，射頻卡工作的能量是由射頻讀寫(xiě)模塊發(fā)出的射頻脈沖提供[1113]。 射頻讀寫(xiě)模塊在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射能量形成電磁場(chǎng)，區(qū)域大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線(xiàn)尺寸。 射頻卡進(jìn)入這個(gè)區(qū)域時(shí)，接收到射頻讀寫(xiě)模塊的射頻脈沖，經(jīng)過(guò)橋式整流后給電容充電。電容電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn) 壓后作為工作電壓。 數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出命令和數(shù)據(jù)并送到邏輯控制部分。邏輯控制部分接收指令完成存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作。 如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)調(diào)制然后從收發(fā)模塊發(fā)送出去。 讀寫(xiě)模塊接收到返回的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來(lái)決定數(shù)據(jù)的有效性，然后進(jìn)行處理，必要時(shí)可以通過(guò) RS232RS422 或 RS485 或 RJ45 或無(wú)線(xiàn)接口將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。讀寫(xiě)器發(fā)送的射頻信號(hào)除提供能量外，通常還提供時(shí)鐘信號(hào)，使數(shù)據(jù)同步，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有源系統(tǒng)的工作原理與此大致相同，不同處只是卡的工作電源由 電池提供的 [1418]。 圖 2. 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理圖 同其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的比較 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相繼涌現(xiàn)出多種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，目前主要有：光符識(shí)別技術(shù)（ OCR）、磁字符識(shí)別技術(shù)（ MICR）、磁性條識(shí)別技術(shù)（ MBR）、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（ NIVS）、條碼識(shí)別技術(shù)、 IC 卡識(shí)別技術(shù)及射頻識(shí)別技術(shù)等。評(píng)價(jià)一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通常有兩個(gè)重要指標(biāo)，即首讀率和誤碼率。首讀率是指當(dāng)對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行一次性識(shí)別時(shí)，其中一次性識(shí)別成功的概率，常用 FRR 表示。誤碼率是指對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，其中可能出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤字符的統(tǒng)計(jì)概率，常用 SER表示。 OCR 技術(shù)由于 FRR 不高，逐步被條碼技術(shù)取代； 磁字符識(shí)別技術(shù)專(zhuān)用于銀行業(yè)務(wù)中，閱讀設(shè)備復(fù)雜； 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常被用于自動(dòng)分類(lèi)和檢查產(chǎn)品的制造業(yè)中。這些技術(shù)或正被淘汰，或只用于專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)，所以這里不再討論。而條碼、磁性條識(shí)別技術(shù)， IC 卡識(shí)別技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等識(shí)別技術(shù)現(xiàn)在使用的較為廣泛，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適于應(yīng)用的場(chǎng)合 [5][7][9] 。 表 21 列舉了幾種識(shí)別技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。條碼成本最低，適于大量需求且數(shù)據(jù)不必更改的場(chǎng)合，例如用在商品包裝上。一般的條碼是紙質(zhì)的，較易磨損，且數(shù)據(jù)量很小。 磁性條的成本也很低，但是容易被偽造，數(shù)據(jù)量小。 IC 卡的價(jià)格稍高些，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量很大，數(shù)據(jù)可以加密，安全性好，但是由于它的接觸點(diǎn)在外面，有可能被損壞。而射頻識(shí)別技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸，因此完成識(shí)別工作時(shí)無(wú)須人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于射頻卡是完全封裝的，不易損壞，適于在惡劣環(huán)境中使用，還可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并且同時(shí)可以識(shí)別多個(gè)卡，因此操作快捷、方便 [14]。 表 幾種識(shí)別技術(shù)的區(qū)別 信息載體 信息量 讀 /寫(xiě)性 讀取方式 保密性 智能化 環(huán)境適應(yīng)能力 壽命 ISO 標(biāo)準(zhǔn) 成本 條碼 紙、塑料薄膜、金 屬表面 小 只讀 CCD 或激光束掃描 差 無(wú) 差 較短 有 最低 磁性條 磁性物質(zhì) 一般 讀 /寫(xiě) 電磁轉(zhuǎn)換 一般 無(wú) 較差 短 有 低 IC 卡 E2PROM 大 讀 /寫(xiě) 電擦除 好 有 好 長(zhǎng) 有，不全 較高 RFID 卡 E2PROM 大 讀 /寫(xiě) 無(wú)線(xiàn)通訊 最好 有 很好 最長(zhǎng) 有 較高 門(mén)禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在工廠、學(xué)校、辦公室、商店、金融系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、住宅、賓館等多種場(chǎng)合，為了學(xué)習(xí)、工作、生活的安全和有效，需要進(jìn)行封閉式管理。傳統(tǒng)的方法是工作人員對(duì)出入人員進(jìn)行登記放行。這種方法費(fèi)力又容易出錯(cuò) ，而且管理不嚴(yán)格。隨著技術(shù)的進(jìn)步，門(mén)禁系統(tǒng)逐漸由原來(lái)的鑰匙開(kāi)門(mén)，到 IC 卡的門(mén)禁管理，最后到現(xiàn)在的非接觸式 IC 卡門(mén)禁系統(tǒng)。非接觸式門(mén)禁系統(tǒng)采用個(gè)人識(shí)別卡方式工作。給每個(gè)有權(quán)進(jìn)入的人發(fā)一張個(gè)人識(shí)別卡，相當(dāng)于一把鑰匙。系統(tǒng)根據(jù)該卡的卡號(hào)和當(dāng)前時(shí)間等信息，判斷該卡持有人是否可以進(jìn)出，如果可以，則系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)門(mén)，否則，不開(kāi)門(mén)。對(duì)于工廠、機(jī)關(guān)等需要考勤的場(chǎng)所，門(mén)禁系統(tǒng)還可以記錄每個(gè)職工是否按時(shí)上下班。門(mén)禁系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)增加和刪除某一卡，而不必?fù)?dān)心某一卡丟失后造成什么損失 [8]。門(mén)禁系統(tǒng)的功能 （ 1） 時(shí)刻自動(dòng)記 錄人員的進(jìn)出情況，限制內(nèi)部人員的進(jìn)出區(qū)域和進(jìn)出時(shí)間，禮貌地拒絕不速之客，同時(shí)也將有效地保護(hù)公共財(cái)產(chǎn)不受非法侵犯 。 （ 2） 系統(tǒng)的每個(gè)遠(yuǎn)端控制器通過(guò)總線(xiàn)方式與控制中心實(shí)時(shí)聯(lián)系，記錄所有進(jìn)出入人員的信息，包括人員姓名、進(jìn)入時(shí)間和進(jìn)入的門(mén)等，如請(qǐng)求進(jìn)入的人員身份合法（即經(jīng)過(guò)控制中心授權(quán)），電鎖將打開(kāi)；否則電鎖不會(huì)開(kāi)啟 。 （ 3） 發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各遠(yuǎn)端智能控制器能同時(shí)全局聯(lián)動(dòng)，打開(kāi)所有的門(mén)以緊急疏散 人群并發(fā)出報(bào)警信號(hào) ，控制器對(duì)于非法闖入事件也能實(shí)時(shí)報(bào)警并處理 。 （ 4） 人員可以向控制中心申請(qǐng)權(quán)限，中心批準(zhǔn)后可 以使用該卡開(kāi)指定的門(mén)。 （ 5） 控制中心通過(guò)管理軟件對(duì)所有遠(yuǎn)端控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)匯整數(shù)據(jù) ， 并根據(jù)需要將資料打印出來(lái)。 門(mén)禁系統(tǒng)由門(mén)禁控制單元、通信管理器、管理主機(jī)、管理軟件等組成。其中門(mén)禁控制單元是由門(mén)禁控制器、讀卡器、電控鎖、門(mén)磁傳感器、開(kāi)門(mén)、識(shí)別卡等構(gòu)成，典型門(mén)禁系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖 2。門(mén)禁控制器是門(mén)禁系統(tǒng)的核心。如果將讀卡器比做系統(tǒng)的眼睛，將電控鎖比作系統(tǒng)的手，那么門(mén)禁控制器就是系統(tǒng)的大腦，由它來(lái)決定某一張是否為本系統(tǒng)已注冊(cè)的有效卡，該卡是否符合所限定的時(shí)間段和開(kāi)門(mén)權(quán)限，從而控制電控鎖是否打開(kāi)。系統(tǒng) 的控制主機(jī)可以是單片機(jī)也可以是PC 機(jī)，系統(tǒng)組網(wǎng)情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)接入方便、成本低、輕載時(shí)延時(shí)小、可靠性高等 [11][12]。 圖 2. 典型門(mén)禁系統(tǒng)的構(gòu)成門(mén)禁控制器是是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，對(duì)門(mén)鎖的一切操作均由它來(lái)控制完成，主機(jī)發(fā)下的控制命令、門(mén)鎖的狀態(tài)和記錄信息都經(jīng)由門(mén)控器來(lái)傳送，并且控制讀寫(xiě)器、接收讀寫(xiě)器的資料等。 讀寫(xiě)器是使用者與系統(tǒng)的一個(gè)接口，它必須具有如下的基本功能。 （ 1） 非接觸式 IC 卡進(jìn)入 /退出射頻區(qū)的識(shí)別與控制； （ 2） 通過(guò)射頻方式向非接觸式 IC 卡提供穩(wěn)定的電 源和時(shí)鐘信號(hào)； （ 3） 實(shí)現(xiàn)與 IC 卡的數(shù)據(jù)交換，并提供相應(yīng)控制信號(hào)； （ 4） 對(duì)應(yīng)加密數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應(yīng)提供相應(yīng)加密 /解密處理及密鑰管理機(jī)制； （ 5） 提供相應(yīng)外部控制信息及與其他設(shè)備的信息交換； 因此，本部分的性能非常重要。在本系統(tǒng)中的射頻讀寫(xiě)芯片采用 Philips公司的 MF RC500，該芯片是 Philips 公司的最新產(chǎn)品，比以往的射頻識(shí)別芯片具有更好的性能 [6]。 門(mén)磁傳感器則可以反門(mén)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)門(mén)磁信號(hào)微處理器可以判斷是否是合法開(kāi)門(mén)，若是非法開(kāi)門(mén)，則給出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。電鎖是門(mén)禁系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有陽(yáng)鎖、 陰鎖之分。按照識(shí)別身份技術(shù)的不同，可以把門(mén)禁系統(tǒng)劃為磁卡門(mén)禁、非接觸式 IC 卡門(mén)禁系統(tǒng)、指紋門(mén)禁系統(tǒng)等。在以卡識(shí)別技術(shù)為主的系統(tǒng)中，用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇各種類(lèi)型的讀卡器，也可以選用數(shù)字密碼鍵盤(pán)開(kāi)鎖，常用于酒店、商場(chǎng)、公司、機(jī)關(guān)等公共場(chǎng)合。對(duì)于通過(guò)指紋鑒別身份的門(mén)禁系統(tǒng)，通常用于保密性很強(qiáng)的出入控制場(chǎng)所 [11]。 1 通訊安全和保密 通信安全與保密是為了達(dá)到 IC 卡與讀寫(xiě)設(shè)備進(jìn)行信息交換過(guò)程中的有效與合法。具體而言，也就是要求相互傳送的信息具有完整性、真實(shí)性、有效性、保密性和不可否認(rèn)性。完整性是指 IC 卡與讀寫(xiě) 設(shè)備必須能檢測(cè)出在它們之間交換的信息是否己經(jīng)被修改，判斷出相互交換的信息是否合法，對(duì)于完整性的保證，一般是在所交換的信息內(nèi)添加一段報(bào)文鑒別碼 MAC 。真實(shí)性是指 IC 卡和讀寫(xiě)設(shè)備都必須有一種確證能力，能夠確證它們各自所收到的信息都由真實(shí)對(duì)方發(fā)出，自己發(fā)出的信息也確實(shí)被真實(shí)對(duì)方接收。有效性是指 IC 卡和讀寫(xiě)設(shè)備能區(qū)別當(dāng)前有效合法的信息與前次有效的信息對(duì)于有效性的保證一般是在通信信息內(nèi)添加加密后的時(shí)間段信息。保密性是指通過(guò)對(duì)要交換的信息進(jìn)行加密處理來(lái)防止非授權(quán)者讀到真實(shí)的明文內(nèi)容。不可否認(rèn)性是指發(fā)方和收方不可否認(rèn) 信息的發(fā)出和收到。 從上面談到的 IC 卡邏輯安全中，我們可以清楚地看到密碼學(xué)在 IC 卡安全性中的重要地位。在決定 1C 卡安全性的問(wèn)題上，采用什么樣的加解密方法，什么樣的認(rèn)證方法及它們的安全強(qiáng)度如何等等，對(duì)于 IC 卡的安全性有著至關(guān)重要的影響。 使用密碼進(jìn)行通信的一般模型圖 ，加密過(guò)程的輸出稱(chēng)為密文，密文通過(guò)傳輸信道傳輸?shù)浇邮斩耍缓笸ㄟ^(guò)解密過(guò)程將明文還原。可見(jiàn)，數(shù)據(jù)的加密和解密的過(guò)程實(shí)際上就是通過(guò)一定的算法將信息加以偽裝和解除偽裝的過(guò)程。 完成加密和解密的算法稱(chēng)為密碼體制。密碼體制的分類(lèi) 有很多種。按照加密密鑰和解密密鑰是否相同，分為對(duì)稱(chēng)密鑰密碼體制 秘密密鑰體制 和非對(duì)稱(chēng)密鑰密碼體制 公開(kāi)密鑰體制 。在本設(shè)計(jì)中主要采用了非對(duì)稱(chēng)密鑰密碼體制。 2 對(duì)稱(chēng)密鑰密碼體制 對(duì)稱(chēng)密鑰密碼體制中加密密鑰和解密密鑰相同。這一體制是密碼學(xué)的基本方法。通信雙方享用一個(gè)共同密鑰 k，一方用密鑰 k 加密明文，產(chǎn)生密文；另一方用密鑰 k 解密密文，恢復(fù)出明文。 可以把加密與解密過(guò)程表示為 : Ek 表示加密算法， Dk 表示解密算法， m∈ M明文空間 C Ek m m Dk C m Dk Ek m 對(duì)稱(chēng)密鑰密碼算法中，最 著名的就是 DES Data Encryption Standard 算法，它是由 IBM 公司在 1975 年研究成功并公開(kāi)發(fā)表的，它是一種分組加密算法，明文按比特分組加密，密鑰是 56 位密鑰加 8 位奇偶校驗(yàn)位。加密算法與解密算法相同，分組的明文信息根據(jù)密鑰執(zhí)行一系列可逆的混亂與擴(kuò)散算法。 3 非對(duì)稱(chēng)密鑰密碼 人們?cè)谑褂脤?duì)稱(chēng)密鑰密碼系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)它有兩個(gè)主要缺陷 : 密鑰管理既復(fù)雜又困難，例如，在一個(gè)具有 n 個(gè)用戶(hù)的相互通訊系統(tǒng)中，就需要有 Cn2 個(gè)密鑰，當(dāng) n 很大時(shí)，就使得維護(hù)密鑰的安全變得十分困難。 對(duì)稱(chēng)密鑰系統(tǒng)不能確證 信息來(lái)源的真實(shí)性和用戶(hù)的身份。 于是在 1976 年， Diffie 和 Hellman 在其“密碼學(xué)新方向”，一文中提出了公開(kāi)密鑰系統(tǒng)，即密碼系統(tǒng)中的加密密鑰、解密密鑰可以不同。加密密鑰公開(kāi)，由加密密鑰和密文不能容易地求得解密密鑰和明文。另外，加密變換和解密變換可以交換，即滿(mǎn)足 Ek*Dk＝ Dk*Ek。這樣，公開(kāi)密鑰體系可以方便地解決上述兩個(gè)問(wèn)題。 在公開(kāi)密鑰密碼體制中，最有名的一種是 RSA 體制。它己被 ISO/TC97 的數(shù)據(jù)加密技術(shù)分委員會(huì) SC20 推薦為公開(kāi)密鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。 RSA 算法是由 Ronald LRIVest 博士、 AdiSh amir 博士、 LeonardA dleman 博士創(chuàng)立，并以他們的名字命名的公開(kāi)密鑰的算法。 RSA 算法是一種分組密碼算法，它以數(shù)論中的歐拉定理為理論基礎(chǔ)。 RSA 密碼系統(tǒng)為每個(gè)用戶(hù)分配兩對(duì)密鑰，即 e,n 和 d,n ，其中 e,n 用于加密報(bào)文， d,n 用于與解密報(bào)文。 實(shí)現(xiàn) RSA 算法需要解決兩個(gè)問(wèn)題如何確定 n,e ,d 三個(gè)密鑰。如何實(shí)現(xiàn)加密算法和解密算法。由于其中涉及大數(shù)的指數(shù)運(yùn)算及模運(yùn)算，計(jì)算量很大，因此這是實(shí)現(xiàn) RSA 算法的關(guān)鍵。 生素?cái)?shù)的方法 根據(jù)修改的歐拉定理，如 p 為素 數(shù)，則對(duì)于 X 的所有整數(shù)值，應(yīng)滿(mǎn)足 : XP1 1 mod p 這是一個(gè)必要條件而非充分條件，不過(guò)，如果有 5 個(gè)以上的 X 值能滿(mǎn)足上述條件，則 p 可基本斷定為素?cái)?shù)。 ②產(chǎn)生加密密鑰 e