基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)研究*

曾志輝，郅富標(biāo)

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454003;2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院電氣工程系，河南焦作454003)

基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)研究*

曾志輝1*，郅富標(biāo)2

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454003;2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院電氣工程系，河南焦作454003)

根據(jù)目前各種計(jì)量儀表傳統(tǒng)的鉛封現(xiàn)狀及存在的主要問題，提出了一個(gè)科學(xué)、簡便、有效的智能電子防偽表封解決方案。該系統(tǒng)采用RFID技術(shù)對計(jì)量儀表進(jìn)行電子表封，然后通過RFID閱讀器完成對儀表數(shù)據(jù)的管理。從而在根本上解決對表封的私拆、故意損壞、偽造及被施封物品的非正常開啟的識(shí)別和驗(yàn)證。

無線射頻技術(shù);電子表封;射頻識(shí)別;防偽

表封又稱之為封印，通常用塑料、金屬等材料制作，用于計(jì)量設(shè)備的防止開啟、破壞等防偽、防竊電和防止作弊的作用。表封是電能計(jì)量人員實(shí)施計(jì)量法的具體執(zhí)行手段。它具有一定的法律效力，同時(shí)對計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性、可靠性、連續(xù)性起著重要的作用。表封的歷史悠久、應(yīng)用廣泛，使用簡便，傳統(tǒng)的表封因其結(jié)構(gòu)及施封標(biāo)識(shí)簡單，容易復(fù)制，所以防偽性能較差，無法從根本上解決被仿冒或被同樣品種表封替換的問題。同樣品種的表封易從內(nèi)部管理人員、生產(chǎn)廠家或市場上獲得，也比較容易采用一般工藝手段仿制達(dá)到以假亂真且不易判斷。目前，隨著射頻技術(shù)的快速發(fā)展，RFID射頻技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣，電子射頻表封的應(yīng)用也越來越受到關(guān)注。射頻識(shí)別(RFID)是利用無線方式對電子數(shù)據(jù)載體(電子標(biāo)簽)進(jìn)行識(shí)別的一種新興技術(shù)。與接觸式和條形碼識(shí)別等系統(tǒng)比較，它有著巨大的優(yōu)勢。利用射頻識(shí)別技術(shù)，能有效實(shí)現(xiàn)對數(shù)量大、分布區(qū)域廣的信息進(jìn)行智能化管理，達(dá)到高效快捷運(yùn)作的目的，特別是在物流、交通航運(yùn)、自動(dòng)收費(fèi)、服務(wù)，電力領(lǐng)域等方面有著廣泛的應(yīng)用前景［1-2］。

本系統(tǒng)將從電力公司信息化建設(shè)的實(shí)際情況出發(fā)，針對現(xiàn)有表封技術(shù)所存在的不足提出一個(gè)科學(xué)、簡便、有效的智能電子防偽表封解決方案。利用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行電子射頻表封，從根本上解決對表封的私拆、故意損壞、偽造及被施封物品的非正常開啟的識(shí)別和驗(yàn)證。并且應(yīng)用起來很方便和快捷，大大節(jié)省了人力、物力，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，更重要的是滿足了通過電子手段解決各種器具、物品的安全識(shí)別、防拆防盜的安全需求，讓反竊電工作的防、查措施更科學(xué)有效，真正起到防止破壞/偽造計(jì)量表封而造成的竊電現(xiàn)象的發(fā)生而造成的竊電損失，達(dá)到反竊電的目標(biāo)，從而維護(hù)電力公司的利益，保護(hù)國家財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分:無源RFID電子表封、RFID閱讀器。當(dāng)無源RFID表封的計(jì)量儀表被RFID閱讀器掃描的時(shí)候能夠感應(yīng)出電壓，從而使自己開始工作，并把自身的ID號(hào)回傳到閱讀器，閱讀器通過ID號(hào)檢索本表封的相關(guān)的信息，并通過LCD液晶顯示屏顯示出來［3-4］。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 RFID電子表封

電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，由線圈(天線)和用于存儲(chǔ)有關(guān)應(yīng)用標(biāo)識(shí)信息的存儲(chǔ)器及微電子芯片組成。RFID表封分為兩種一種是可擦寫的，一種是只讀的。只讀的電子表封本體內(nèi)部封裝瑞典原廠制造的ID數(shù)碼芯片(芯片字符長度64 bit)，內(nèi)核為64 bit激光可編程ROM，調(diào)制方式為曼徹斯特碼(Manchester)調(diào)制，位數(shù)據(jù)傳送周期為512μs，ID號(hào)全球唯一?？勺x寫的電子表封內(nèi)核Mifare1是一種智能卡(Smart Card)，內(nèi)建有中央微處理機(jī)(MCU)和ASIC等，使卡在安全保密性、認(rèn)證邏輯、算術(shù)運(yùn)算等微操作控制有序進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用PHILPS公司生產(chǎn)的Ml芯片進(jìn)行電子表封，它內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可分為射頻接口、數(shù)字處理單元、E2PROM(1k byte)3部分，邏輯框圖見圖2所示。

圖2 電子表封標(biāo)簽系統(tǒng)圖

采用M1智能卡可讀寫的電子表封本體內(nèi)部的防盜結(jié)構(gòu)及嵌入式注塑工藝使得該電子表封具有極為可靠的防偽性和防盜性。任何對于表封本體的拆卸、盜取和仿制均會(huì)造成非常明顯的損壞，同時(shí)內(nèi)部封裝的ID芯片因外力作用而損毀不可重復(fù)使用，因此，該表封具有極高的安全性和可靠性。

1.2 RFID閱讀器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的讀寫器是手持式的RFID閱讀器，該裝置是一種手持電腦讀碼設(shè)備，能夠在任何場合下通過射頻方式讀取電子表封上的ID碼數(shù)值，并根據(jù)ID號(hào)檢索該表封對應(yīng)的信息(所屬省份、城市、分局、班組，安裝地點(diǎn)、時(shí)間、識(shí)別碼等信息)?？勺x寫的RFID表封可以從表封內(nèi)部直接讀取相關(guān)信息。另外還可以通過手動(dòng)輸入ID號(hào)，查詢相關(guān)信息，RFID閱讀器可存儲(chǔ)1萬余條用戶資料，并通過RS232接口和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和下載、上傳數(shù)據(jù)。也可以通過人工記錄方式登記管理表封。該讀寫裝置的電路邏輯框圖如圖3所示［5］。

圖3 RFID閱讀器電路邏輯圖

本系統(tǒng)采用的是STC系列低功耗STC89LE516單片機(jī)作為控制核心，通過專用讀卡IC系列中的RC500作為與標(biāo)簽通信的通道，對電子標(biāo)簽中的內(nèi)容進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)讀寫器的數(shù)據(jù)管理。其主控電路如圖4所示，STC89LE516單片機(jī)在正常狀態(tài)下工作電流為4 mA～7 mA，掉電模式下為0.5μA，可以由中斷喚醒位數(shù)正常工作狀態(tài)，這樣可以講讀寫器的功耗將為最低，利于環(huán)保和使用。并且IO口和電源都經(jīng)過了特殊的抗干擾處理，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，使用方法和普通的51單片機(jī)基本相同，便于進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

圖4 基于STC89LE516的主控電路

系統(tǒng)開始工作后，電子標(biāo)簽處于被動(dòng)狀態(tài)，讀寫器處于主動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)有卡處于讀寫器的接收范圍(最大100 mm)時(shí)，讀寫器向卡發(fā)出一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)串聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，此電容的另一端，接有一個(gè)單相導(dǎo)通的電子泵，將電容內(nèi)的電荷送到旁置電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V的時(shí)候，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或者接受讀寫器的數(shù)據(jù)。而在讀寫器的這一端，通過天線接收的電子標(biāo)簽的天線發(fā)送的電磁波之后，通過簡單的接口電路，將信號(hào)送給RC500芯片，通過RC500內(nèi)部自帶的調(diào)制和解碼電路，將信號(hào)處理成為與之相匹配邏輯信號(hào)，經(jīng)過RC500的寄存器處理后，經(jīng)過并行接與8 bit單片機(jī)的數(shù)據(jù)口相連接，將信息傳送給單片機(jī)。再由單片機(jī)處理信息之后，在LCD顯示屏上顯示，并存儲(chǔ)在EEPROM中。MCU通過USB轉(zhuǎn)RS232專用芯片PL_2303HX轉(zhuǎn)換邏輯電平之后，是硬件上用USB即可實(shí)現(xiàn)讀寫器與電腦之間的通信，收集到的信息被傳送到電腦后，可實(shí)現(xiàn)用戶的信息管理。圖5是RC500與13.56MHz天線的接口電路圖，電路時(shí)鐘采用13.56 MHz的晶振，采用總線接口，便于和單片機(jī)相連接，讀卡芯片專門為MCU51提供了ALE地址鎖存引腳，在本系統(tǒng)中芯片是和MCU51連接的，并且采用地址數(shù)據(jù)服用口P0口，芯片的ALE引腳與單片機(jī)的ALE引腳相連接。供電電壓，DVDD最低電壓不能低于3.1 V，TVDD與AVDD電壓可以與DVDD電壓分開接，TVDD和AVDD的電壓要高于4.0 V。

圖5 RC500與13.56 MHz天線的接口電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中需建立系統(tǒng)的指令流程，以確保在數(shù)據(jù)交換過程中卡和讀卡器之間數(shù)據(jù)的同步及數(shù)據(jù)能被正確接收、識(shí)別，圖6為系統(tǒng)指令流程圖［6］。

圖6 系統(tǒng)指令流程圖

系統(tǒng)中讀卡器在工作時(shí)必須按固定的順序進(jìn)行詢卡，防沖突，選卡，驗(yàn)證密碼，讀寫卡，?？ǖ认盗胁僮?。當(dāng)沒有射頻卡進(jìn)入射頻天線有效范圍時(shí)，讀卡器顯示當(dāng)前時(shí)鐘，當(dāng)有射頻卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗(yàn)證卡及密碼成功后，將卡號(hào)和讀卡時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入EEPROM存儲(chǔ)器中，并在LED顯示器上顯示卡號(hào)，具體步驟如圖7所示［7］。

圖7 讀卡器流程圖

3 系統(tǒng)讀寫實(shí)驗(yàn)

本文根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了整個(gè)電子表封的讀寫實(shí)驗(yàn)。圖8為電表鉛封信息讀寫實(shí)驗(yàn)界面，系統(tǒng)通過串口對表封進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)，其中包括每個(gè)數(shù)據(jù)塊中的內(nèi)容和密碼的驗(yàn)證，以及區(qū)別每塊卡的卡號(hào)，在各塊的內(nèi)容中可以存儲(chǔ)電表安裝的時(shí)間，正常打開的次數(shù)以及維修的時(shí)間和次數(shù)等內(nèi)容。系統(tǒng)通過單片機(jī)控制可將卡中的內(nèi)容讀出，并進(jìn)行密碼和內(nèi)容的修改并讀出。

圖8 電表信息讀寫界面

將表1中鉛封電表基本信息，通過圖8界面寫入到電表內(nèi)，完成電表信息的輸入。之后將表1中電表信息下載到手持電子表封讀寫器，即電子表封管理器里。

表1 實(shí)驗(yàn)測試的鉛封電表基本信息

圖9為電子表封讀寫器界面，通過這個(gè)界面可以對手持管理器進(jìn)行時(shí)間和機(jī)器編號(hào)進(jìn)行設(shè)置。電表信息下載完成后，手持電子表封管理器就可以對鉛封電表進(jìn)行相應(yīng)的檢測了。圖10為手持機(jī)程序調(diào)試界面，圖11為電子表封管理系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖9 電子表封管理器讀寫界面

圖10 電子表封程序調(diào)試界面

圖11 電子表封管理系統(tǒng)實(shí)物圖

通過對鉛封電表的信息寫入和手持電子表封管理器的讀寫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了代表電表信息ID號(hào)的唯一識(shí)別性以及整個(gè)基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)運(yùn)行的正確性。

4 結(jié)束語

本文選用AT89S52作為MCU，采用SPI接口的串行AT45DB041B作為存儲(chǔ)模塊，MF RC500作為讀卡器射頻模塊芯片進(jìn)行了基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用RFID技術(shù)對電能表進(jìn)行電子表封，然后通過RFID閱讀器完成對儀表數(shù)據(jù)的管理，從根本上解決對表封的私拆、故意損壞、偽造及電能表的非正常開啟的識(shí)別和驗(yàn)證，有效達(dá)到防止竊電的目標(biāo)，維護(hù)電力公司的利益，保護(hù)國家財(cái)產(chǎn)安全［8］。

［1］郭俐虹.基于RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(4):596-599.

［2］邢成崗，匡榮.智能防偽電子鉛封管理系統(tǒng)的研制［J］.供用電，2010，27(3):66-67.

［3］劉洋.基于RFID電子封條系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.安徽大學(xué)，2012.

［4］孔令仲，唐鼎甲R(shí)FID在電子標(biāo)簽中的應(yīng)用［J］.信息化研究，2011，37(4):60-65.

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［6］Chen Sunglin，Lin Kenhuang，Mittra R.A Measurement Technique for Verifying the Match Condition of Assembled RFID Tags［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59 (8):2123-2133.

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［8］謝晶.射頻技術(shù)在電力抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2003(6):115-117.

曾志輝(1978-)，男，江西臨川人，副教授，博士，主要從事信號(hào)處理、大功率開關(guān)電源技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)等方面研究，zzhh@hpu.edu.cn。

Electronic Seal Management System Research Based on RFID Technology*

ZENG Zhihui1*，ZHIFubiao2

(1.Henan Polytechnic University School of Electrical Engineering and Automation，Jiaozuo He’nan 454003，China; 2.Electrical Engineering Institute，Henan College of Industry Information Technology，Jiaozuo He’nan 454003，China)

Based on the research status and main problems of traditional lead sealing，we designed a scientific，simple and effective intelligent electronic anti-counterfeiting gauge seal.This system adopts RFID technology to seal measuring instruments，and then manage the data of instruments through RFID reader.This solution solves the identification and verification problems of privately demolish seal，malicious damage seal，forge seal and abnormally open the items in the storage fundamentally.

radio frequency technology;Electronic seal;Radio Frequency identification;anti-counterfeiting

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.035

TN98

:A

:1005－9490(2017)01－0183－05

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61403127);河南理工大學(xué)青年基金項(xiàng)目(Q2009-38)

2016-01-24修改日期:2016-03-09