北京大学生对基于物联网的一卡通系统试验研究

　　国内关于RFID的实验比较少，也算给大家一个参考。大一下半学期学习了c语言程序设计，可以简单运用ARDUINO语言来编写程序。我们之前没有硬件基础，所以最好的方式就是利用已经现成的设备来扩展我们的项目。
　　2008年IBM 公司在全球提出“智慧地球”概念后，美国、欧盟、日本和韩国等相继推出本国的物联 、云计算相关发展战略。2009年，温家宝总理在中科院无锡传感网工程技术研发中心，指示建设“感知中国”中心，拉开了中国智慧城市建设的序幕。2010年，上海世博会成功地融入了智慧城市的理念。 “智慧校园”作为“智慧城市”的重要组成部分，是继数字校园后关于院校信息化建设的又一全新概念，是由浙江大学于 年在信息化“十二五”规划中首次提出的，并由此引发了“智慧校园”的建设潮。近年来，国内不少高校对智慧校园进入了探索或建设阶段。
　　在高校信息化建设中，仍然存在着一些共性的不足，如网络基础设施的接入手段单一，安全保障体系尚不完善；数字资源建设的投入较少，整体应用水平还有待提高；特别是不同部门之间的信息共享与交流自动化程度低，缺乏统一的信息编码标准；信息化保障机制还不够健全。
　　依据市教委《关于印发北京市民办教育发展促进项目管理办法的通知》（京教财〔2010〕46号），市教委决定开展2015年度民办教育发展促进项目申报工作。
　　我们学校申报项目为：智慧校园。即把感应器嵌入和装备到教室、图书馆、餐厅、停车场、校门、实验室、会议室、校车、宿舍楼等物体并连接它们，形成所谓“物联网”。并通过超级计算机和云计算服务中心将“物联网”和“软件应用系统平台”整合起来，实现通信服务、教学工作、学习活动、管理工作和学校设施的整体结合。
　　本项目结合本研究团队近年在教育信息化方面的研究成果，提出智慧校园的特征和定义，认为智慧校园是数字校园的高端形态，是数字校园发展的理想追求。智慧校园系统依托互联网及现有数字化校园网环境，利用物联网技术优化基础资源设施，转变传统的人与人以及人与机器的交互方式，能为广大师生提供便捷的信息化服务以改变师生的工作、学习和生活环境，从而实现校园智慧化管理和服务模式。通过此项目可以培养学生的参与意识，动手能力，以及合作精神，同时也可以促进学校的智能化进度。符合国家打造智慧城市的要求。
　　

一、项目组成员及分工

二、 项目成果简介

　　物联网是在因特网的基础上，利用射频识别技术、全球定位系统等技术构造的一个覆盖全球万事万物的实物互联网。在RFID和因特网的基础上，物联网可以将数量庞大的物品建立起信息连接，实现对物品的管理。总结物联网技术在一卡通系统中体现出来的优势。运用该系统，可以实现在全校范围内的内部消费、门禁点开门、刷考勤、身份认证等功能，代替校内的所有证件，给校园管理带来便利，大幅提升校园管理的效率。RFID 技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。最基本的 RFID 系统由三部分组成：
1. 标签(Tag，即射频卡)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。
2. 阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。
3. 天线：在标签和读取器间传递射频信号。
Arduino RFID的模块的射频读写芯片是飞利浦的 MF RC522。通过设计可以保存和写入十张学生的一卡通卡号，对已经保存起来的卡号运行通过，对不记录在案的卡号运行失败，蜂鸣器报警。

三、项目立项与研究的目的、意义

基于物联网的校园手机一卡通是以学校校园网,为传输以手机为信息载体,利用RFID、标签传感器、无线通信网络等实时采集物品的各种信息并将这些采集到的信息通过高速互联网或无线网络传输到数据处理中心，这些信息在数据处理中心经过计算技术提供的海量信息处理功能对其进行智能化处理之后就可以实现人与人物与物人与物之间的有效沟通在学校范围内将用手机代替传统的校园卡,凡有现金票证或需要识别身份的场合均采用手机来完成学生证、工作证、身份证、借书证、医疗证、会员证、餐卡、钱包、电话卡、存折等基于手机卡，实现“一卡在手，走遍校园”。它将为广大师生的的工作、学习、生活带来方便，实现学校高效管理。它既实现了对师生日常生活的管理，又为教学、科研和后勤服务提供重要信息。大一下半学期学习了c语言程序设计，可以简单运用ARDUINO语言来编写程序。我们之前没有硬件基础，所以最好的方式就是利用已经现成的设备来扩展我们的项目。扩展后把感应器嵌入和装备到教室、图书馆、餐厅、停车场、校门、实验室、会议室、校车、宿舍楼等物体并连接它们，形成所谓“物联网”。并通过超级计算机和云计算服务中心将“物联网”和“软件应用系统平台”整合起来，实现通信服务、教学工作、学习活动、管理工作和学校设施的整体结合。

四、项目研究的主要内容

1、从串口打印IC卡的类型和序列号。
2、实现显示IC卡的类型，并记录。
3、实现以十六进制显示IC卡的序列号，并记录。
4、测试最大的识别距离。
实验材料
1．计算机一台；
2．Arduino UNO R3开发板一块；
3．USB-串口线一根；
4．RFID-RC522 模块一个；
5．标准S50空白卡一张；
6．S50异形卡一个（钥匙扣形状）；
7．直排、弯排插针各一条；
8．杜邦线一排。
Miafre 1 s50 感应式IC卡
◇ 芯 片:　 Philips Mifare 1 S50
◇ 存储容量:　 8Kbit ,16个分区,每分区两组密码
◇ 工作频率:　 13.56MHZ
◇ 通讯速度:　 106Kboud
◇ 读写距离:　 2.5—10CM
◇ 读写时间:　 1-2MS
◇ 工作温度:　 -20℃-85℃
◇ 擦写次数:　 ＞100000次
◇ 数据保存:　 ＞10年
◇ 规　　格:　 0.87×85.5×54/ 非标卡
◇ 封装材料:　 PVC、PET、0.13铜钱
◇ 封装工艺:　 超声波自动植线/自动碰焊
◇ 制作标准:　 ISO 14443, ISO 10536
◇ 应用范围:　 企业/校园一卡通、公交储值卡、高速公路收费、停车场、小区管理等

RC522模块各引脚功能
SDA – 串行数据线（IIC接口时的I/O线）；在SPI接口中为NSS（从机标志管脚）；
SCK – 连接MCU的SCK信号；
MOSI – MCU输出，RC522接收（即主设备输出，从设备输入）；
MISO – RC522输出，MCU接收（即从设备输出，主设备输入）；
IRQ – 中断请求输出；
GND – 接地；
RST – 复位；
3.3V – VSS，工作电压，若使用的事5V的MCU，注意分压。
管脚对应关系：
RFID模块 Arduino UNO
VCC 3.3V
RST 5V
GND GND
MISO 12
MOSI 11
SCK 13
NSS 10
IRQ (不接)
电路图

开始实验
把MFRC522.h和MFRC522.cpp两个文件拷贝library文件夹下，这样程序在运行时才可以引用库文件。基于Dr.Leong、Miguel Balboa和Siren Thing Andersen的读写教程改编而成。
ZZC负责电路的搭建，LL负责对RFID的针脚进行焊接
ZZC、LL同学负责寻卡过程

#include <SPI.h>#include <MFRC522.h>#define SS_PIN 10#define RST_PIN 9MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);        // 新建MFRC522端口void setup() {        Serial.begin(9600);        // 初始化和计算机的连续交流        SPI.begin();                // Init SPI bus        mfrc522.PCD_Init();        // Init MFRC522 card        //Serial.println("Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate Value Blocks.");}

LY、FXY同学负责防冲突过程

void loop() {//读卡                // Prepare key - all keys are set to FFFFFFFFFFFFh at chip delivery from the factory.        MFRC522::MIFARE_Key key;        for (byte i = 0; i < 6; i++) {                key.keyByte[i] = 0xFF;        }        // Look for new cards        if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {                return;        }        // Select one of the cards        if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {                return;        }        // Now a card is selected. The UID and SAK is in mfrc522.uid.        // Dump UID 打印卡号        Serial.print("Card UID:");        Serial.print("card id size:" );        Serial.println(mfrc522.uid.size);        for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.size; i++) {                Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " ");                Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i], HEX);                Serial.print("(");                Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i]);                Serial.print(")");        }         Serial.println();//        // Dump PICC type 打印近场应答设备的类型//        byte piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak);//        Serial.print("PICC type: ");//        Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType));//        if (        piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI //                &&        piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K//                &&        piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) {//                //Serial.println("This sample only works with MIFARE Classic cards.");//                return;//        }        // In this sample we use the second sector (ie block 4-7). the first sector is = 0        // choose to read the sector from 0 = first sector 段（sector）的编号是从0开始的        // 本程序准备用2号分区（段，2号段的序号为1）        byte sector         = 1;        // block sector 0-3(sector0) 4-7(sector1) 8-11(sector2)        // blocchi di scrittura da 0-3(sector0) 4-7(sector1) 8-11(sector2)        // 2号段（分区）中包含数据快4-7（在本程序中分别叫block A、B、C和trailerblock），其中的尾块        // trailerBolck可能是用于记录验证分区密码的结果        byte valueBlockA    = 4;        byte valueBlockB    = 5;        byte valueBlockC    = 6;        byte trailerBlock   = 7;        byte status;        // Authenticate using key A.        // A boot authentication A        //Serial.println("Authenticating using key A...");//防冲突        // 先验证Key A（密码组1）        status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid));        if (status != MFRC522::STATUS_OK) {                Serial.print("PCD_Authenticate() failed: ");                Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));                return;        }        // Authenticate using key B.        // avvio l'autentificazione B        //Serial.println("Authenticating again using key B...");        // 先验证Key B（密码组2）        status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_B, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid));        if (status != MFRC522::STATUS_OK) {                Serial.print("PCD_Authenticate() failed: ");                Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));                return;        }        // Writing new value block A        Serial.println("Writing new value block A(4) : the first block of the sector TWO ");                byte value1Block[] = { 1,2,3,4,  5,6,7,8, 9,10,255,12,  13,14,15,16,   valueBlockA,~valueBlockA,valueBlockA,~valueBlockA };                status = mfrc522.MIFARE_Write(valueBlockA, value1Block, 16);                if (status != MFRC522::STATUS_OK) {                        Serial.print("MIFARE_Write() failed: ");                        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));                }        /*        // Writing new value block B        // Scrivo i valori per il Sector B        Serial.println("Writing new value block B");                byte value2Block[] = { 255,255,255,255,  0,0,0,0, 0,0,0,0,  255,255,255,255,   valueBlockB,~valueBlockB,valueBlockB,~valueBlockB };                status = mfrc522.MIFARE_Write(valueBlockB, value2Block, 16);                if (status != MFRC522::STATUS_OK) {                        Serial.print("MIFARE_Write() failed: ");                        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));                }        // Writing new value block D        // Scrivo i valori per il Sector C        Serial.println("Writing new value block C");                byte value3Block[] = { 255,255,255,255,  0,0,0,0, 0,0,0,0,  255,255,255,255,   valueBlockC,~valueBlockC,valueBlockC,~valueBlockC };                status = mfrc522.MIFARE_Write(valueBlockC, value3Block, 16);                if (status != MFRC522::STATUS_OK) {                        Serial.print("MIFARE_Write() failed: ");                        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));                }        */

ZZH、WJL同学负责读/写卡过程

 Serial.println("Read block A(4) : the first of the sector TWO");                byte buffer[18];        byte size = sizeof(buffer);        // change this: valueBlockA , for read anather block        status = mfrc522.MIFARE_Read(valueBlockA, buffer, &size);        Serial.print("Sector : 0 Value :");        Serial.println(buffer[0]);        Serial.print("Sector : 1 Value :");        Serial.println(buffer[1]);        Serial.print("Sector : 2 Value :");        Serial.println(buffer[2]);        Serial.print("Sector : 3 Value :");        Serial.println(buffer[3]);        Serial.print("Sector : 4 Value :");        Serial.println(buffer[4]);        Serial.print("Sector : 5 Value :");        Serial.println(buffer[5]);        Serial.print("Sector : 6 Value :");        Serial.println(buffer[6]);        Serial.print("Sector : 7 Value :");        Serial.println(buffer[7]);        Serial.print("Sector : 8 Value :");        Serial.println(buffer[8]);        Serial.print("Sector : 9 Value :");        Serial.println(buffer[9]);        Serial.print("Sector :10 Value :");        Serial.println(buffer[10]);        Serial.print("Sector :11 Value :");        Serial.println(buffer[11]);        Serial.print("Sector :12 Value :");        Serial.println(buffer[12]);        Serial.print("Sector :13 Value :");        Serial.println(buffer[13]);        Serial.print("Sector :14 Value :");        Serial.println(buffer[14]);        Serial.print("Sector :15 Value :");        Serial.println(buffer[15]);               //byte value1Block[] = { 1,2,3,4,  5,6,7,8, 9,10,255,12,  13,14,15,16,   valueBlockA,~valueBlockA,valueBlockA,~valueBlockA };        if (         buffer[0]  == 1   &&        buffer[1]  == 2   &&         buffer[2]  == 3   &&         buffer[3]  == 4   &&        buffer[4]  == 5   &&        buffer[5]  == 6   &&        buffer[6]  == 7   &&        buffer[7]  == 8   &&        buffer[8]  == 9   &&        buffer[9]  == 10  &&        buffer[10] == 255 &&        buffer[11] == 12  &&        buffer[12] == 13  &&        buffer[13] == 14  &&        buffer[14] == 15  &&        buffer[15] == 16         ){        // sel a scrittura è uguale alla lettura allora e stato un successo !!           Serial.println("Read block A(4) : the first of the sector TWO : success");          Serial.println(":-)");          }else{         //  scrittura Fallita        Serial.println("Read block A(4) : the first of the sector TWO : no match - write don't work fine ");        Serial.println(":-( ");          }        // risponde successo        //Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));        // Dump the result        //mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector);        // Halt PICC        mfrc522.PICC_HaltA();        // Stop encryption on PCD        mfrc522.PCD_StopCrypto1();} 

 近耦合IC卡——Mifare 1
 ______________________________
 目前市场上应用较多的是载波频率为 13.56MHz，工作距离在 2.5～10cm 的近耦合IC卡，其国际标准为ISO/IEC 14443。
 Philips 是世界上最早研制 RFID 卡的公司，其 Mifare 技术已经被制定为 IS0/IEC 14443 TYPE A 国际标准。
 Mifare 1 卡的特性
 pass
 Mifare 1 芯片逻辑结构
 Mifare 1芯片内部结构较为复杂，可分为射频接口、数字处理单元、EEPROM三部分：

 射频接口：在 RF 射频接口电路中，包括有波形转换模块。它可接收读写器上的 13.56MHZ 的无线电调制频率，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，然后对其整流滤波，接着对电压进行稳压等进一步的处理，最终输出供给卡片上的电路工作。 防冲突模块：如果有多张Mifare 1卡片处在读写器的天线的工作范围之内时，防冲突模块的防冲突功能将被启动工作：根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，准备与读写器进行通信。 认证模块：在选中一张卡片后，任何对卡片上存储区的操作都必须要经过认证过程，只有经过密码校验才可对数据块进行访问。Mifare 1 卡片上有 16 个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。 控制和算术运算单元：这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“大脑”。它主要对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时还对各种收／发的数据进行算术运算处理、CRC 运算处理等等。 EEPROM 接口：连接到 EEPROM。 加密单元：Mifare 的 CRYPTO1 数据流加密算法将保证卡片与读写器通信时的数据安全。 EEPROM：1K 字节，分 16 个扇区。每扇区 4个块，每块 16 字节。

缓冲区的第一个扇区的第二块地址有误，导致无法识别存在的卡号，所以产生问题。目前已解决。

五、项目研究过程与方法（包含研究方法、研究过程、资料与数据来源等）

基于Dr.Leong、Miguel Balboa和Siren Thing Andersen的读写教程改编而成。
参考深圳职业技术学院电子与信息工程学院《IC卡公交收费机设计（三）——MIFARE 1卡读写软件设计》和腾博科技有限公司《第二十四章RFID读卡器实验》，参考唐海琳《基于MF RC500的RFID读写器的天线及匹配电路设计》。谢振华, 赖声礼, 陈鹏的《RFID 技术和防冲撞算法》、《智能卡技术(第四版)——IC卡、RFID标签与物联网(清华大学计算机系列教材)》（王爱英 主编），清华大学出版社

六、项目创新点（或特色）

扩展实验

在已有的实验基础上，对已经读写出来的复旦卡的卡号进行反馈，于是继续扩充电路，在D2端口和D3端口分别连接发光二极管，防止电压会烧毁LED灯，在每个LED灯串联一个220Ω的电阻，D4端口上连接开源蜂鸣器。
电路图

实验内容：
定义一个二维数组，可以保存十张学生的一卡通卡号，对已经保存起来的卡号运行通过，对不记录在案的卡号运行失败，蜂鸣器报警。

#include <SPI.h>#include <MFRC522.h>#define SS_PIN 10#define RST_PIN 9MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);        // Create MFRC522 instance.int ledpins[2] = {3,2};byte ValidCardID[10][4];int flag = 1; //1-on, 0-offint pinSpeaker = 0;void setup() {        Serial.begin(9600);        // Initialize serial communications with the PC        SPI.begin();                // Init SPI bus        mfrc522.PCD_Init();        // Init MFRC522 card        //Serial.println("Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate Value Blocks.");        ValidCardID[0][0] = 197;        ValidCardID[0][1] = 119;        ValidCardID[0][2] = 93;        ValidCardID[0][3] = 45;        for(int i=0; i<2; i++){          pinMode(ledpins[i], OUTPUT);        }        clear();        digitalWrite(1, LOW);}void loop() {        // Prepare key - all keys are set to FFFFFFFFFFFFh at chip delivery from the factory.        MFRC522::MIFARE_Key key;        for (byte i = 0; i < 6; i++) {                key.keyByte[i] = 0xFF;        }        // Look for new cards        if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {                return;        }        // Select one of the cards        if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {                return;        }        // Now a card is selected. The UID and SAK is in mfrc522.uid.        // Dump UID 打印卡号        //Serial.print("Card UID:");        //Serial.print("card id size:" );        //Serial.println(mfrc522.uid.size);        for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.size; i++) {                //Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " ");                //Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i], HEX);                //Serial.print("(");                Serial.println(i);                byte num1 = mfrc522.uid.uidByte[i];                byte num2 = ValidCardID[i];                Serial.print(num1);                Serial.print(":");                Serial.println(num2);                if(num1 !=  num2){                  warning();                  flag = 0;                  return;                }                //Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i]);                //Serial.print(")");        }         if(flag==1){          pass();        }        Serial.println();        // Dump PICC type 打印近场应答设备的类型        byte piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak);       // Serial.print("PICC type: ");       // Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType));        if (        piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI                 &&        piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K                &&        piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) {                //Serial.println("This sample only works with MIFARE Classic cards.");                return;        }        // 每次循环结束前恢复初始值        flag = 1;}void warning(){  digitalWrite(ledpins[1], HIGH);  digitalWrite(pinSpeaker, HIGH);  delay(1000);  digitalWrite(ledpins[1], LOW);  digitalWrite(pinSpeaker, LOW);}void pass(){  digitalWrite(ledpins[0],HIGH);  delay(1000);  digitalWrite(ledpins[0], LOW);}void clear(){  for(int i=0; i<2; i++){    digitalWrite(ledpins[i], LOW);  }}

实验结果：

登记过的卡片，成功识别，绿色LED等闪烁一秒后熄灭

未登记的卡片，认定为非法，红色LED灯闪烁一秒后熄灭，同时，蜂鸣器产生频率一定的声响。

七、项目研究存在的问题、建议

目前我们分析问题可能和以下1个方面有关:
实验中途执行至防冲突模块发生异常，返回卡号不正确
我们建议以后对复旦卡写入的研究时，使用出厂时识别线圈不存在质量问题的卡，在进行实验的时候，尽可能选择更为先进可靠的实验仪器及测量器具，缓冲区的第一个扇区的第二块地址有误，导致无法识别存在的卡号，所以产生问题。目前已解决。

八、项目完成预期目标情况

预期完成目标：

根据材料和Arduino RFID套件了解 RFID 的基本概念和射频卡的工作原理；熟悉 Arduino 和 RC522RFID 模块的使用；测试 RC522 模块对卡的识别。
结题时已完成目标：
RC522 模块对卡的写入数据，成功返回卡号。登记过的卡片，成功识别，绿色LED等闪烁一秒后熄灭。未登记的卡片，认定为非法，红色LED灯闪烁一秒后熄灭，同时，蜂鸣器产生频率一定的声响。

九、项目研究工作的自我评价分析与总结

通过此次科研项目研究工作，我们体会了科研项目研究的真是过程，我们小组成员认真构思项目，将大量时间用于实验过程，包括射频模块的焊接全过程，以及材料分析数据等，养成认真思考，分析实验数据，计划下一步的良好习惯。当然研究工作中我们也有许多不足的地方，比如知识面不够广，软件处理数据技术不成熟等，但是在老师和学长的带领下都一一解决了。
通过此次科研项目总结出项目研究工作过程中，在实践研究工作前应当寻找，思考有研究价值的方向，然后对相关文献进行大量的阅读，才能有一个良好的项目研究计划，在计划的过程中还应当考虑实验条件的影响，例如我们实验过程中很多地方就受到读卡距离的阻碍，从而使得实际结果与计划不能协调一致的情况。进行科研项目研究还应当学会多种数据收集，数据处理，以及对数据的分析，从而指导下一步实验。