基于國(guó)密算法電子標(biāo)簽的氣瓶快速識(shí)別處理裝置開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

， ， ， ，

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院， 上海 200062；2.上海華申智能卡應(yīng)用系統(tǒng)有限公司， 上海 200031； 3.上海華虹集成電路有限責(zé)任公司， 上海 201203)

氣瓶是用于充裝易燃、易爆、有毒、有害介質(zhì)的流動(dòng)式壓力容器，屬于國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管的特種設(shè)備。我國(guó)氣瓶數(shù)量龐大，截至2016年底，全國(guó)共有氣瓶1.42億只，流轉(zhuǎn)于工礦企業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、民宅及社會(huì)公共場(chǎng)所，頻現(xiàn)串瓶、介質(zhì)混充、過(guò)量充裝及不合格瓶使用等行為，一旦發(fā)生事故，極易造成重大損害，社會(huì)影響惡劣[1-7]。

為解決上述問(wèn)題，有關(guān)科研院所、生產(chǎn)企業(yè)、監(jiān)管部門(mén)及使用單位在相關(guān)系列課題的支持下，針對(duì)氣瓶量大面廣、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，首先開(kāi)發(fā)了基于國(guó)家自主密碼算法(簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)密算法)的電子標(biāo)簽及其讀寫(xiě)裝置，保障數(shù)據(jù)安全，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。繼而將電子標(biāo)簽應(yīng)用于氣瓶上，通過(guò)監(jiān)管模式創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)全覆蓋，針對(duì)氣瓶充裝流水線實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)快速讀寫(xiě)和處理，并建立了相應(yīng)的管理系統(tǒng)，從而提升了氣瓶管理水平。

1 基于國(guó)密算法的讀寫(xiě)器研發(fā)

1.1 研發(fā)背景

國(guó)內(nèi)外射頻識(shí)別(RFID)應(yīng)用中通常采用的密碼算法主要是菲利浦半導(dǎo)體公司的MIFARE算法，采用該算法的芯片在安全應(yīng)用領(lǐng)域占有主要市場(chǎng)份額。但該算法于2008-04被破解[8]，攻擊人員利用復(fù)制的票證進(jìn)入倫敦地鐵，某些安全專(zhuān)家也破解了利用RFID存儲(chǔ)個(gè)人信息的新型生物科技護(hù)照。因此，急需開(kāi)發(fā)并采用基于國(guó)密算法的電子標(biāo)簽及相關(guān)產(chǎn)品，以替代目前國(guó)內(nèi)已大量應(yīng)用的MIFARE算法產(chǎn)品。

為了對(duì)氣瓶信息進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)、實(shí)現(xiàn)氣瓶全生命周期的信息跟蹤，項(xiàng)目組首先開(kāi)發(fā)了基于國(guó)密算法的氣瓶電子標(biāo)簽。為了使電子標(biāo)簽信息有效、快速讀寫(xiě)，同時(shí)研發(fā)了相應(yīng)的用于氣瓶充裝流水線上的電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器。該讀寫(xiě)器可支持多種電子標(biāo)簽通信協(xié)議，并采用國(guó)密算法對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行安全認(rèn)證，內(nèi)部除安裝有SM7、SM1和SM2算法外，還自帶一些常用的算法和指令。

1.2 安全性要求

對(duì)于讀寫(xiě)器與國(guó)密防偽電子標(biāo)簽之間認(rèn)證、相互通訊和數(shù)據(jù)傳輸安全問(wèn)題，文中采用了非接觸式對(duì)稱(chēng)國(guó)密算法SM7[9]，且符合采用SM7密碼算法的電子標(biāo)簽芯片規(guī)范要求。對(duì)于聯(lián)機(jī)讀寫(xiě)器與信息控制器之間的身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)傳輸安全，采用了PKI和主密鑰認(rèn)證體系相結(jié)合的方法，解決了終端與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。其中傳輸?nèi)容加密采用主密鑰認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)加密，采用的算法包括對(duì)稱(chēng)算法SM1、非對(duì)稱(chēng)算法SM2。

1.3 射頻模塊

射頻模塊包括專(zhuān)用集成電路(ASIC)典型應(yīng)用電路、與MCU接口電路和天線電路。讀寫(xiě)器發(fā)往電子標(biāo)簽的命令調(diào)制到射頻信號(hào)上，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送出去，同時(shí)將電子標(biāo)簽返回到讀寫(xiě)器的信號(hào)進(jìn)行加工處理，并從中解調(diào)提取標(biāo)簽回送的數(shù)據(jù)。

1.4 通信協(xié)議

通信方式符合ISO/IEC 15693—2009《Information technology-Radio frequency identification for item management-Unique identification for RF tags》[10]、ISO/IEC 18000.6—2013《Information technology-Radio frequency identification for item management-Part 6：Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz General》[11]規(guī)定，分為長(zhǎng)距離模式和快速模式[12-13]。兩種模式的編碼方式為脈沖位置調(diào)制，通過(guò)調(diào)制時(shí)間位置決定它代表的數(shù)值。文中采用的通信方式為長(zhǎng)距離模式。

2 氣瓶快速識(shí)別處理裝置

2.1 氣瓶在線定位技術(shù)

2.1.1天線設(shè)置

首先考慮采用由多個(gè)天線組成的圓形環(huán)閉天線組，直徑比氣瓶瓶口略大。當(dāng)氣瓶進(jìn)入定位裝置時(shí)，提升臺(tái)將氣瓶抬起，由成組的弧形天線讀取電子標(biāo)簽信息[14]。但該方案存在以下問(wèn)題：①多個(gè)天線組成的圓形環(huán)閉天線組圓弧內(nèi)部每個(gè)天線的輻射可能相互干擾，天線的防干擾設(shè)計(jì)計(jì)算極為復(fù)雜。②成組天線設(shè)計(jì)對(duì)工控機(jī)的配置要求很高，天線的成本較高，相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)影響讀寫(xiě)效率。③圓形環(huán)閉天線組的使用對(duì)氣瓶瓶口外形尺寸有較高的要求。氣瓶經(jīng)過(guò)多次流轉(zhuǎn)使用，其瓶口可能會(huì)由于敲擊、碰撞而發(fā)生變形，無(wú)法進(jìn)入環(huán)形天線，導(dǎo)致氣瓶電子標(biāo)簽讀寫(xiě)失敗。

為解決上述問(wèn)題，通過(guò)大量試驗(yàn)，最終確定采用固定在定位裝置兩側(cè)、面對(duì)面構(gòu)成的雙天線組。

2.1.2傳動(dòng)裝置

為彌補(bǔ)雙天線組識(shí)讀范圍不足的缺陷，設(shè)計(jì)了傳動(dòng)裝置，使氣瓶能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。氣瓶進(jìn)入定位裝置時(shí)，夾瓶器抱瓶，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)氣瓶旋轉(zhuǎn)。裝置內(nèi)的天線組分別搜索氣瓶上的電子標(biāo)簽。一旦氣瓶進(jìn)入其中一組天線的輻射區(qū)域，工控機(jī)即控制電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，由該組天線對(duì)氣瓶電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

采用上述氣瓶在線定位技術(shù)，不僅完全解決了氣瓶在線定位、標(biāo)簽識(shí)讀的難題，而且將上述定位和標(biāo)簽讀寫(xiě)的全過(guò)程控制在3 s內(nèi)，滿足在流水線上每小時(shí)充裝900只氣瓶的運(yùn)行要求。

2.2 氣瓶快速識(shí)別處理裝置[15]

2.2.1主控設(shè)備

主控設(shè)備主要由工控機(jī)、防爆正壓配電柜和輸入輸出卡組成，負(fù)責(zé)控制標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備、氣動(dòng)控制設(shè)備和電機(jī)控制設(shè)備。工控機(jī)是氣瓶電子標(biāo)簽信息自動(dòng)采集以及數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的系統(tǒng)平臺(tái)。防爆正壓配電柜包括正壓腔(主腔)及自控系統(tǒng)(副腔)兩部分。輸入輸出卡可將工控機(jī)發(fā)出的電信號(hào)輸出指令轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)控制信號(hào)，也可將氣動(dòng)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為工控機(jī)可識(shí)別的電子輸入信號(hào)。

2.2.2標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備

標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備由防爆天線和讀寫(xiě)器組成。防爆天線是讀寫(xiě)氣瓶電子標(biāo)簽的重要組件，位于定位器兩側(cè)，氣瓶進(jìn)入定位器后，氣缸將固定氣瓶位置，由天線自動(dòng)讀取標(biāo)簽的信息。讀寫(xiě)器通過(guò)無(wú)線射頻與氣瓶電子標(biāo)簽進(jìn)行信息交換，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3氣動(dòng)控制設(shè)備

氣動(dòng)控制設(shè)備由防爆電磁閥、電容式接近開(kāi)關(guān)和觸發(fā)器等組成，主要用于控制機(jī)械設(shè)備。氣動(dòng)控制設(shè)備的氣路信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化后反饋給主控設(shè)備。防爆電磁閥的作用是將電子脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)脈沖信號(hào)。電容式接近開(kāi)關(guān)將氣動(dòng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號(hào)。觸發(fā)器用于控制氣動(dòng)元件，觸發(fā)各機(jī)械設(shè)備的運(yùn)作。

2.2.4電機(jī)控制設(shè)備

電機(jī)控制設(shè)備主要由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、減速器和可編程邏輯控制器等組成。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)氣瓶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將氣瓶電子標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)至天線的有效輻射范圍內(nèi)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，減速器在步進(jìn)電機(jī)和工作傳動(dòng)輪之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩作用，可編程邏輯控制器用來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字運(yùn)算操作。

2.2.5機(jī)械設(shè)備

機(jī)械設(shè)備由定位器、擋瓶器、推瓶器和防爆電子秤等組成。定位器由互鎖觸發(fā)器、步進(jìn)電機(jī)、底部氣缸、抱瓶臂組成，擋瓶器由觸發(fā)器、滑動(dòng)氣缸、定位閥組成，推瓶器由觸發(fā)器、滑動(dòng)氣缸、定位閥組成。防爆電子秤安裝在定位裝置底部，在對(duì)氣瓶進(jìn)行定位和讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重。

3 氣瓶快速識(shí)別處理應(yīng)用系統(tǒng)

基于電子標(biāo)簽的氣瓶快速識(shí)別處理應(yīng)用系統(tǒng)，滿足氣瓶定位、氣瓶電子標(biāo)簽信息采集的準(zhǔn)確、高效等要求，按不同功能可分為電機(jī)控制、充前檢查管理、氣瓶充裝統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)交互4個(gè)子系統(tǒng)，其功能構(gòu)架見(jiàn)圖1。

電機(jī)控制子系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停等控制，并調(diào)整電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。在讀寫(xiě)器對(duì)氣瓶電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別并判定氣瓶合格與否后，由該系統(tǒng)對(duì)流水線上的氣瓶作出放行進(jìn)入充裝作業(yè)區(qū)(合格氣瓶)或從流水線上推出(不合格氣瓶)的處理。

圖1 氣瓶快速識(shí)別處理應(yīng)用系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

充前檢查管理子系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)讀取的氣瓶產(chǎn)權(quán)單位代碼、制造日期、檢驗(yàn)有效期等信息，判斷氣瓶是否合格。對(duì)于準(zhǔn)許進(jìn)入充裝作業(yè)區(qū)的氣瓶，在電子標(biāo)簽中寫(xiě)入氣瓶充裝信息，連同電子標(biāo)簽內(nèi)記錄的基本信息一并上傳到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于非本充裝企業(yè)自有、應(yīng)當(dāng)報(bào)廢、超過(guò)檢驗(yàn)有效期的不合格氣瓶，由推瓶器將其推出流水線。

氣瓶充裝統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)用于對(duì)充裝前氣瓶的基本情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括氣瓶上線數(shù)量、混入本企業(yè)的非自有氣瓶數(shù)量、超過(guò)使用壽命需要作報(bào)廢處理的氣瓶數(shù)量、超過(guò)檢驗(yàn)有效期需要送檢的氣瓶數(shù)量，以及合格氣瓶數(shù)量等的統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)交互子系統(tǒng)用于定時(shí)、自動(dòng)將氣瓶合法性、使用登記代碼、充裝時(shí)間、充裝班次和操作人員代碼等上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 結(jié)語(yǔ)

研發(fā)的基于國(guó)密算法的氣瓶電子標(biāo)簽及其讀寫(xiě)器快速識(shí)別處理裝置及其應(yīng)用系統(tǒng)已在多條液化石油氣充裝流水線上成功應(yīng)用，單條流水線作業(yè)人員減少了2/3，徹底改變了傳統(tǒng)依靠人眼識(shí)別、手工記錄的落后管理方式，極大提升了氣瓶管理自動(dòng)化水平，有效降低了氣瓶事故率，對(duì)保障我國(guó)城市公共安全和企業(yè)生產(chǎn)安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

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