基于非空气环境下RFID系统的设计与实现

论文摘要

射频识别（RFID）技术应用越来越广,它可以用于生产销售管理场合以简化供应链并实现对存货成本的有效控制,可以代替传统的二维条形码用于数字图书管理,甚至可用于构建智能自组网络环境,等等。本文设计一款将电子标签应用于路面下的RFID系统,该系统基于非定点数据采集和非完全空中通信,为RFID系统应用在非空气环境下提供了参考。为支持移动的便利性,系统采用手持式读写器,对于读写器硬件,需要精简电路结构,设计适合电池供电的电源电路。将电子标签置于路面下的这种特殊的应用环境,需要设计不同于空气环境下标签天线的结构形式,从而达到性能无差别。传统的微带天线在一定程度上能解决标签对环境的依赖性,但存在着各种缺点。在本方案中,将传统的单馈点非平衡结构改进成双馈点平衡的天线。并利用金属在与天线一定间隔时能加强天线性能,设计开发出3维结构的RFID标签。RFID技术给人们带来快捷便利的同时安全和隐私问题也相随而生。基于读写器和RFID标签的无线传输方式使得信息与数据暴露于公众,对RFID系统的信息安全构成威胁,如何提高RFID系统的安全防范能力已成为该领域的重点研究方向。许多研究者提出了基于RFID空中通信接口的认证协议来排除伪造,使用加密技术来解决可追踪性问题。迄今为止,已经有很多RFID安全协议被提出,如Hash链协议、随机化Hash-Lock协议、分布式RFID询问-响应认证协议等等。本文分析RFID ISO18000-6C标准中对于安全特性在软、硬件方面的支持,在文中指出标准中支持的kill命令和PIN码,对RFID应用也有很大的缺陷;该标准还支持循环冗余验证（CRC, cyclic redundancy check）和伪随机码产生（PRNG, pseudo random number generation）。在移动无线通信系统安全机制中,身份认证和数据加密是保证信道安全的两匹金钥匙,借鉴这些成熟、优良的安全技术并运用到RFID技术中为RFID安全提供了一种参考。对已有的一些RFID认证协议存在的安全漏洞给出了分析对比,把常见的安全隐患与攻击模式化,最后提出了一种简单、安全、符合ISO18000-6C标准的认证协议,解决了RFID系统中存在的基于空中通信的安全隐患,并能预防无线通信系统中一些常见的攻击,提高了RFID系统的安全级别。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 射频识别系统
• 1.2 选题背景和课题意义
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 RFID 系统应用技术基础
• 2.1 RFID 识别工作的物理学原理
• 2.1.1 与无线射频相关的电磁场基本理论
• 2.1.2 能量耦合和数据传输
• 2.2 天线理论
• 2.2.1 波瓣宽度
• 2.2.2 方向性系数与天线增益
• 2.2.3 极化方向
• 2.2.4 阻抗匹配
• 2.2.5 其他
• 2.3 普通RFID 标签中的安全隐患
• 2.3.1 无线信道中的攻击
• 2.3.2 中间件（Middleware）攻击
• 2.3.3 后台数据库（Backend Database）攻击
• 2.3.4 综合攻击方式
• 2.4 防冲突机制中的安全漏洞
• 2.4.1 非对称信道中的安全隐患
• 2.4.2 二进制树防冲突机制的安全隐患
• 第3章 手持式RFID 读写器硬件电路实现
• 3.1 读写器硬件电路模块
• 3.1.1 模块介绍
• 3.1.2 前端射频收发机
• 3.2 手持式读写器电路设计
• 3.2.1 电路组成及功能
• 3.2.2 本振放大器
• 3.2.3 驱动放大器
• 3.2.4 控制部分
• 3.2.5 电源部分
• 3.3 读写器性能指标
• 第4章 非空气环境下RFID 标签天线设计
• 4.1 环境介质对RFID 无源标签的影响
• 4.2 微带天线设计新实现
• 4.2.1 传统微带天线的缺点
• 4.2.2 对传统微带天线的改进
• 4.3 实例设计
• 4.4 应用测试
• 4.5 电子标签封装
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 主控程序软件设计
• 5.1.1 发送程序
• 5.1.2 接收程序
• 5.2 软件系统中的安全机制
• 5.2.1 无线通信安全机制的发展方向
• 5.2.2 ISO18000-6C 标准中的安全弱点
• 5.2.3 已有的一些RFID 安全体制的弊端
• 5.2.4 基于RFID 认证协议的发展
• 5.2.5 Duc 等的认证协议
• 5.2.6 Karthikeyan-Nesterenko’s 的认证协议
• 5.3 改进型RFID 认证算法
• 5.3.1 认证协议
• 5.3.2 安全分析
• 结论
• 1.本文的研究成果
• 2.研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读硕士学位期间发表的论文）
• 附录B（攻读学位期间所参与的科研项目）
• 附录C（部分源代码）
• 附录D （产品实物图）
• 附录E（电子地标使用方法）