RFID與WLAN的無線通信應(yīng)用模式探討

　　RFID(Radio Frequency IdenTIficaTIon)無線射頻識別技術(shù)近幾年受到重視，各種應(yīng)用也相繼出現(xiàn)。許多國際大廠商的推廣及技術(shù)開發(fā)，使得RFID技術(shù)日趨成熟，使用成本也越來越低。RFID技術(shù)主要是由感應(yīng)標(biāo)簽(tag)、讀寫器(reader/writer)以及中間件(middleware)所形成的架構(gòu)。例如日本利用RFID追蹤生鮮蔬果的流通以保證質(zhì)量，全球第五大零售商Metro Group結(jié)合RFID與無線網(wǎng)絡(luò)管理倉庫庫存及出貨信息。國內(nèi)在最近幾年才開始注意到RFID這項科技，相關(guān)的應(yīng)用與研究陸續(xù)出現(xiàn)。本文將以西南石油大學(xué)校史館的應(yīng)用為例，舉出RFID與無線局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的兩種主要應(yīng)用模式，并探討RIFD在系統(tǒng)研發(fā)上的相關(guān)議題。

　　除了RFID識別技術(shù)，還將RFID與WLAN結(jié)合，探討無線及移動計算的新運作模式。將探討兩種可能應(yīng)用架構(gòu)：移動用戶結(jié)合無線RFID標(biāo)簽讀取器，以及移動用戶結(jié)合RFID標(biāo)簽。當(dāng)RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)用來作為身份識別與訪問控制依據(jù)時，需考慮可能的安全問題，以防止RFID標(biāo)簽被惡意使用，達(dá)到身份偽造或越權(quán)使用的目的，因此本文也將設(shè)計一個簡易的RFID數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，以保障RFID標(biāo)簽的驗證與授權(quán)安全。

　　1 相關(guān)文獻(xiàn)探討

　　1.1 無線射頻識別技術(shù)

　　RFID主要由讀取器發(fā)出無線電波，可在特定的感應(yīng)范圍內(nèi)感應(yīng)到RFID標(biāo)簽，不需要實體接觸即可讀取或?qū)懭刖順?biāo)數(shù)據(jù)。RFID標(biāo)簽通常貼附于物品上，讀取器感應(yīng)此標(biāo)簽，快速地獲取物品相關(guān)信息并進(jìn)一步處理，非常適合自動化應(yīng)用。圖1是RFID系統(tǒng)運作示意圖。目前RFID標(biāo)簽因所采用的頻段與感應(yīng)技術(shù)不同，有多個標(biāo)準(zhǔn)。其中頻率13.56 MHz以下的RFID通常采用電磁感應(yīng)方式，標(biāo)簽天線在接收到讀寫器所發(fā)出射頻信號時，將信號轉(zhuǎn)換為啟動IC芯片的電力，同時從信號中讀取指令，標(biāo)簽同樣以無線電波回傳數(shù)據(jù)至讀寫器。

　　RFID標(biāo)準(zhǔn)主要由兩大標(biāo)準(zhǔn)組織EPC與ISO負(fù)責(zé)制訂。依照ISO標(biāo)準(zhǔn)，RFID依所使用的調(diào)頻可分為135kHz以下的低頻、主要為13.56 MHz的高頻、860～930MHz的超高頻，以及2.45 GHz與5.8 GHz的微波。使用的頻段越高，感應(yīng)距離相對增加，發(fā)射半徑較大，具有更快的讀取速度，不過成本也較高。RFID可分為主動式卷標(biāo)與被動式卷標(biāo)兩大類。本文采用符合ISO 14443A標(biāo)準(zhǔn)的RFID設(shè)備，并支持MIFARE免接觸式與雙接口智能卡的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2 無線局域網(wǎng)

　　近年來符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN已逐漸成為校園網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及ISP的基本網(wǎng)絡(luò)存取服務(wù)。目前IEEE 802.11 WLAN以11 Mbps的IEEE 802.11b和54Mbps的IEEE 802.11g兩種WLAN最為常見。另一方面，提供上述WLAN標(biāo)準(zhǔn)的PDA、筆記本電腦也漸趨普遍，基本上WLAN所提供的帶寬已能滿足大部份網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。由于WLAN網(wǎng)絡(luò)布線的方便性，它十分適于在一些特殊公共場合提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，因此以WLAN為基礎(chǔ)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也應(yīng)運而生。

　　IEEE 802.11 WLAN提供兩種運作模式：Ad Hoc模式與Infrastructure模式，二者主要差別在于是否采用了接入點(Access Point，AP)。目前大部分WLAN采用In—frastructure模式，亦即移動設(shè)備藉由AP達(dá)到通信或接入有線網(wǎng)絡(luò)的目的，圖2為Infrastructure模式WLAN運作示意圖。

　　在室外空曠沒有障礙物的環(huán)境，一個標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 AP信號涵蓋范圍大約可達(dá)100 m，室內(nèi)環(huán)境通信的范圍大約為30 m。所有使用存取同一AP的移動設(shè)備，利用AP所提供的相同頻道進(jìn)行通信，并形成一個基本服務(wù)集(Basic Setvice Set，BSS)。AP通常會連至有線網(wǎng)絡(luò)，可與其他連接同一有線網(wǎng)絡(luò)的AP構(gòu)成一個分布式系統(tǒng)(DistrmuTIon Syslcln，DS)，并可以使用此種方式結(jié)合多個BSS與有線網(wǎng)絡(luò)，組成延伸服務(wù)集(Extended Service Set，ESS)。ESS是為了擴(kuò)展無線局域網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)范圍，藉由此種設(shè)置方式，使用者可以在不同無線局域網(wǎng)絡(luò)基站的通信范圍間漫游(roaming)，但網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)不中斷，適合大范圍應(yīng)用。本文以Infrastructure模式的802.11b WLAN、多個AP與有線網(wǎng)絡(luò)形成的ESS為基礎(chǔ)，建立結(jié)合RFID與WLAN的應(yīng)用系統(tǒng)。

　　1.3 數(shù)字導(dǎo)覽系統(tǒng)

　　數(shù)字導(dǎo)覽意指將導(dǎo)覽內(nèi)容通過數(shù)字設(shè)備輸出聲音、文字、圖片、影片等給用戶，讓用戶對導(dǎo)覽內(nèi)容能夠有大概的認(rèn)識，并能夠與系統(tǒng)有良好的互動。透過這些互動，讓使用者在導(dǎo)覽時得到更多的樂趣。目前大多數(shù)的導(dǎo)覽系統(tǒng)為單機(jī)模式，所有的導(dǎo)覽內(nèi)容預(yù)先存于導(dǎo)覽裝置中，由用戶自行選擇導(dǎo)覽內(nèi)容，在使用上并不方便。近年來由于計算機(jī)與移動通信技術(shù)的進(jìn)步，智能型的數(shù)字導(dǎo)覽技術(shù)被提出，本文也是著眼于此，探討如何應(yīng)用RFID與WLAN技術(shù)提供更佳數(shù)字導(dǎo)覽方式。目前新的導(dǎo)覽系統(tǒng)多采用PDA作為用戶的移動導(dǎo)覽設(shè)備，并可配合RFID或WLAN技術(shù)，提供智能型的導(dǎo)覽功能。以下探討兩個導(dǎo)覽系統(tǒng)個案。

　　(1) Tempies of TIbet

　　Temples of Tibet主要設(shè)計供游人參觀西藏廟宇時所使用的單機(jī)導(dǎo)覽系統(tǒng)，導(dǎo)覽設(shè)備使用PDA，所有導(dǎo)覽內(nèi)容預(yù)先儲存于PDA。最大的特色是導(dǎo)覽內(nèi)容完全以Flash方式在移動裝置中呈現(xiàn)，使用接口容易操作，介紹也相當(dāng)完整。不過由于其內(nèi)容的豐富性，檔案大小約有19.4MB，對于只有64MB容量的PDA而言，占了將近三分之一的容量，因此單機(jī)導(dǎo)覽系統(tǒng)畢竟在功能上還是有很大的限制。

　　(2)西南石油大學(xué)校史館數(shù)字導(dǎo)覽系統(tǒng)

　　用戶利用已裝上RFID讀取器與耳機(jī)的PDA，讀取黏貼于展覽品展覽柜上的RFID，PDA會由WLAN從服務(wù)器傳回相對應(yīng)的導(dǎo)覽圖文及語音內(nèi)容，因而可以依據(jù)使用者面前的展覽品進(jìn)行導(dǎo)覽。該系統(tǒng)也將RFID應(yīng)用在導(dǎo)覽設(shè)備的租借管理上，服務(wù)人員在處理租借、歸還時僅需將導(dǎo)覽設(shè)備與管理系統(tǒng)中RFID傳感器互相感應(yīng)即完成作業(yè)。此導(dǎo)覽系統(tǒng)已大致呈現(xiàn)了RFID與WLAN在展覽品解說服務(wù)上的優(yōu)勢。事實上，結(jié)合RFID與WLAN的可能應(yīng)用還有許多，例如票務(wù)、使用者個性化服務(wù)、定位服務(wù)、即時消息通知等。

　　2 研究構(gòu)想

　　RFID可以扮演不同角色，配合使用具有WLAN網(wǎng)卡的PDA所開發(fā)的無線RFID標(biāo)簽讀取器，可依RFID讀取器與RFID標(biāo)簽的使用對象不同，分為兩種應(yīng)用模式。第一種應(yīng)用模式是用戶持有RFID讀取器，而RFID標(biāo)簽則貼附于應(yīng)用對象上;另一種應(yīng)用模式則是用戶持有RFID標(biāo)簽，用戶移動靠近RFID讀取器。在校史館的應(yīng)用上，第一種使用模式便是數(shù)字導(dǎo)覽系統(tǒng)的應(yīng)用。不僅如此，第一種應(yīng)用模式也可應(yīng)用于用戶的定位服務(wù)或其他個性化服務(wù)，而若加上PDA本身的計算與通信能力，各式情境感知以及需要大量運算的應(yīng)用均符合此應(yīng)用模式。導(dǎo)覽系統(tǒng)利用RFID短距離非接觸式感應(yīng)的特性，讓游客使用PDA感應(yīng)展覽品標(biāo)簽，并藉由WLAN至從網(wǎng)絡(luò)取得展覽信息進(jìn)行導(dǎo)覽。除此之外，由于所采用的PDA具有藍(lán)牙(Bluetooth)通信能力，將在導(dǎo)覽系統(tǒng)的語音導(dǎo)覽功能上利用藍(lán)牙耳機(jī)，充分發(fā)揮無線通信技術(shù)給數(shù)字導(dǎo)覽帶來的便利性。RFID結(jié)合WLAN的第二種應(yīng)用模式是用戶持有RFID標(biāo)簽。在校史館票務(wù)系統(tǒng)上，利用RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲能力，記錄不同參觀者的購票內(nèi)容。該票務(wù)系統(tǒng)利用RFID讀取器讀取參觀者的RFID標(biāo)簽內(nèi)容，提供多樣化的票務(wù)應(yīng)用，例如依年齡、身份、參觀內(nèi)容、場次，記錄不同的信息于RFID標(biāo)簽中，達(dá)到利用RFID技術(shù)達(dá)到身分驗證與訪問控制目的。

　　基于以上研究構(gòu)想，首先虛擬一個能展現(xiàn)RFID結(jié)合WLAN特性的小型校史館空間，然后為此虛擬校史館規(guī)劃、開發(fā)導(dǎo)覽及票務(wù)系統(tǒng)。

　　2.1 導(dǎo)覽系統(tǒng)

　　在每個欲提供導(dǎo)覽服務(wù)的展覽對象附近放置RFID標(biāo)簽，并建立WLAN基站，使WLAN基站信號能涵蓋參觀者所有可能的活動范圍。WLAN基站連至有線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)架有一臺Web服務(wù)器作為導(dǎo)覽網(wǎng)站，所有的導(dǎo)覽內(nèi)容將被制成網(wǎng)頁放于此網(wǎng)站，每個導(dǎo)覽項目對應(yīng)一個唯一的網(wǎng)址。另外必須記錄所有RFID標(biāo)簽的標(biāo)識符與展覽對象對應(yīng)，利用此對應(yīng)數(shù)據(jù)，網(wǎng)站中網(wǎng)頁轉(zhuǎn)向(redi—rect)程序可依據(jù)由導(dǎo)覽PDA所傳來的RFID標(biāo)簽標(biāo)識符提供正確的導(dǎo)覽內(nèi)容。圖3顯示所規(guī)劃的導(dǎo)覽系統(tǒng)示意圖，其本過程是：a.RFID讀取器讀取標(biāo)簽ID;b.PDA經(jīng)由WLA至Web服務(wù)器讀取導(dǎo)覽內(nèi)容;c.PDA顯示導(dǎo)覽內(nèi)容;d.利用藍(lán)牙技術(shù)將導(dǎo)覽聲音解說傳輸至藍(lán)牙耳機(jī)。

　　2.2 票務(wù)系統(tǒng)

　　RFID在票務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用，有別于導(dǎo)覽系統(tǒng)。用戶持有RFID標(biāo)簽取代傳統(tǒng)門票，而RFID讀取器則用來驗證門票。因此，票務(wù)系統(tǒng)設(shè)計重點在于如何利用RFID標(biāo)簽作為校史館的門票以及如何有效驗證門票合法性。通常校史館的門票可依據(jù)參觀者身份、年齡或依參觀項目或場次提供不同票價門票，使用RFID標(biāo)簽取代傳統(tǒng)的門票也應(yīng)能夠提供相同的功能。一般RFID標(biāo)簽都有一個獨一無二且不能被拷貝、篡改的ID標(biāo)識符，可以辨別合法的RFID標(biāo)識符以達(dá)到基本的門票驗證功能。有兩種記錄RFID門票方式：記錄于票務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，儲存于RFID卷標(biāo)本身的內(nèi)存。圖4顯示第一種記錄售票內(nèi)容方式的票務(wù)系統(tǒng)示意圖，基本過程是：a.參觀者購票，RFID讀取器讀取RFID標(biāo)簽ID;b.售票系統(tǒng)存儲售票內(nèi)容至票務(wù)管理系統(tǒng);c.參觀者持RFID門票參觀，館務(wù)人員持RFID讀取器讀取RFID標(biāo)簽ID;d.PDA利用WLAN至票務(wù)管理系統(tǒng)讀取門票內(nèi)容。

　　2.3 RFID票務(wù)安全機(jī)制

　　由于RFID與WLAN的無線通信特性，在實際應(yīng)用中必須考慮可能的安全問題，RFID標(biāo)簽標(biāo)識符無法覆蓋的功能至少可保障每個RFID標(biāo)簽的唯一性，防止使用復(fù)制RFID標(biāo)簽方式的安全攻擊，因此基本上不用擔(dān)心RFID門票被違法復(fù)制的問題。然而RFID標(biāo)簽內(nèi)存內(nèi)容允許讀寫，如果RFID門票的內(nèi)容直接以明文方式儲存于內(nèi)存，則惡意攻擊者可以很容易分析所讀取的內(nèi)容，并加以修改，然后重新寫入RFID標(biāo)簽內(nèi)存達(dá)到安全攻擊的目的。因此，使用RFID標(biāo)簽內(nèi)存存儲購票內(nèi)容時，必須有一套票務(wù)安全機(jī)制，避免上述安全威脅。本文提出使用單向哈希(hash)函數(shù)的票務(wù)安全機(jī)制，利用RFID標(biāo)簽唯一性，使存儲于每個RFID的門票內(nèi)容數(shù)據(jù)均不相同，以防止惡意攻擊者猜測門票內(nèi)容。圖5說明此RFID票務(wù)安全機(jī)制運作過程。

　　3 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　基于以上構(gòu)想，搭建系統(tǒng)以驗證架構(gòu)的可行性。系統(tǒng)所需RFID設(shè)備購自Giga—Tms公司。RFID標(biāo)簽內(nèi)含1KB的只讀存儲器(EEPROM)，RFID讀寫器則采用CF適配卡形式的讀寫器插于HP iPAQ 4700 PDA，所采用的RFID設(shè)備符合ISO 14443A及MIFARE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電波頻率13.56 MHz，接口傳輸速率19 200 bps，感應(yīng)距離約2～3 cm。WLAN部分使用符合IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的Cisco Aironet 350 AP連接至有線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)端的導(dǎo)覽系統(tǒng)與票務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器使用PC，內(nèi)建網(wǎng)站伺服程序。在軟件設(shè)計上，使用C#語言在Pocket PC操作系統(tǒng)利用COM接口通信程序與RFID讀寫器通信，并利用Web瀏覽器控件及HTTP通信協(xié)議開發(fā)導(dǎo)覽系統(tǒng)。圖6顯示本系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　本系統(tǒng)包括導(dǎo)覽系統(tǒng)與票務(wù)系統(tǒng)兩大部分。導(dǎo)覽系統(tǒng)執(zhí)行前必須先設(shè)定RFID讀寫器(CF接口)所在PDA串行通信端口位置并設(shè)定該串行通信端口的傳輸速率(baud rate)與讀寫器無線頻率(RF)相同。當(dāng)PDA順利地與RFID讀寫器建立連接后，導(dǎo)覽程序便開始執(zhí)行并持續(xù)監(jiān)控RFID讀寫器傳回來的數(shù)據(jù)。當(dāng)RFID讀寫器感應(yīng)到RFID標(biāo)簽后會自動傳入ID標(biāo)識符，導(dǎo)覽程序?qū)D標(biāo)識符當(dāng)作一個網(wǎng)址參數(shù)，啟動內(nèi)建的瀏覽器，瀏覽器從導(dǎo)覽服務(wù)器加載相關(guān)介紹網(wǎng)頁。內(nèi)嵌Flash動畫、文字及語音的導(dǎo)覽網(wǎng)頁便開始播放，導(dǎo)覽語音經(jīng)由藍(lán)牙傳至藍(lán)牙耳機(jī)。圖7顯示PDA導(dǎo)覽畫面。

　　在票務(wù)系統(tǒng)方面，于PC上開發(fā)售票管理系統(tǒng)，使用連至PC的COM通信端口與RFID讀寫器建立連接。之后售票管理系統(tǒng)會與票務(wù)數(shù)據(jù)庫建立連接，待鎖定一張RFID門票后，便從票務(wù)數(shù)據(jù)庫中取得門票票價、剩余可售門票信息并進(jìn)行售票。此外，售票管理系統(tǒng)也兼負(fù)導(dǎo)覽PDA租用業(yè)務(wù)。在確認(rèn)購票內(nèi)容后，售票管理系統(tǒng)便將售票記錄存至票務(wù)數(shù)據(jù)庫，并將售票內(nèi)容依據(jù)本文RFID票務(wù)安全機(jī)制寫入RFID門票的內(nèi)存。另外在負(fù)責(zé)驗票的PDA上設(shè)計門票驗證程序，該P(yáng)DA經(jīng)由CF接口RFID讀取器讀取RFID門票RFID標(biāo)簽標(biāo)識符以及2個512位數(shù)據(jù)，安全機(jī)制進(jìn)行驗證。圖8顯示售票管理系統(tǒng)實際操作畫面，圖9顯示門票驗證程序驗證RFID門票后在PDA上顯示的畫面。

　　結(jié) 論

　　針對如何發(fā)揮RFID與WLAN的無線通信應(yīng)用，本文提出了兩種可能的應(yīng)用模式，并以校史館導(dǎo)覽系統(tǒng)和票務(wù)系統(tǒng)為例展現(xiàn)其特性。在研究過程，發(fā)現(xiàn)RFID內(nèi)存數(shù)據(jù)保護(hù)的重要性，因此設(shè)計了RFID票務(wù)安全機(jī)制。該安全機(jī)制可以廣泛用于RFID內(nèi)存數(shù)據(jù)的保護(hù)。隨著RFID相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，它也能像WLAN一樣普遍并具有較低的價格，屆時各種結(jié)合RFID與WLAN的應(yīng)用將會更加容易。