智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)

漆璇,謝偉,吳建成,孫俊

（國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799）

1 引言

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)為依托，延伸到產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)物品實體和管理信息通信系統(tǒng)有效連接。智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器，以及移動通信網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)對接，形成以客戶體驗為核心的智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)時代。依托物聯(lián)網(wǎng)智能供應(yīng)鏈，實現(xiàn)商品從原材料采購、生產(chǎn)流通、分發(fā)銷售，以及到消費者手中各業(yè)務(wù)及環(huán)節(jié)有效連接。當(dāng)前，大力發(fā)展供應(yīng)鏈中的智能化信息技術(shù)，不僅能夠有機(jī)結(jié)合各環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)資源，可快速完成整個供應(yīng)鏈的流程。在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)中，引入電子標(biāo)簽，極大地提高供應(yīng)鏈條件下各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理效率。智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)的電子標(biāo)簽，通過RFID系統(tǒng)，以無線射頻信號的快速讀取，識別電子標(biāo)簽中信息非接觸方式，記錄商品各項商業(yè)信息[1]。與以往人工記錄、普通二維碼掃描技術(shù)相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的電子標(biāo)簽，具有讀取范圍廣、傳輸速度快，以及數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等特性，成為智能供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵組成部分[2]。為此，相關(guān)研究人員對此進(jìn)行了很多研究。

文獻(xiàn)[3]提出設(shè)計一種基于物理不可克隆函數(shù)的加密通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助物理不可克隆函數(shù)生成加密密鑰，然后通過對稱算法對物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中數(shù)據(jù)的加密研究。該系統(tǒng)可提升物聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)安全性，但并未過多考慮網(wǎng)絡(luò)中電子標(biāo)簽問題，存在運營效率較低的問題。文獻(xiàn)[4]提出設(shè)計了一種基于Netty 和Kafka 的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，完成物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信。該系統(tǒng)通過Netty網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計一種收集端以及通信協(xié)議端，將物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信網(wǎng)絡(luò)中能耗進(jìn)行降低，由Kafka消費者負(fù)責(zé)后續(xù)數(shù)據(jù)持久化，保證系統(tǒng)通信的響應(yīng)速度。該系統(tǒng)可提升通信效率，但通信質(zhì)量無法得到有效保證?；谏鲜鱿到y(tǒng)中存在的不足，本文提出一種智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)。通過RFID系統(tǒng)感知和接收目標(biāo)商品的信息數(shù)據(jù)，形成電子標(biāo)簽并存儲。RFID系統(tǒng)作為感知層數(shù)據(jù)傳輸接口，通過與通信系統(tǒng)交互作用，發(fā)射無線信號，并在智能信號半徑范圍內(nèi)查找、讀取RFID 信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對供應(yīng)鏈商品有效識別。智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)中電子標(biāo)簽，一般是由視頻發(fā)射器、模擬端口、EEPROM存儲單元，以及微控制器等組成，并利用電感耦合原理，在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)中電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的閱讀范圍內(nèi)，在天線兩端形成電勢差。當(dāng)通信系統(tǒng)內(nèi)電流達(dá)到既定參數(shù)值時，可進(jìn)行讀、寫操作。

2 系統(tǒng)硬件

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，將Linux系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)開發(fā)。整個電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)被劃分為多個小模塊[5-6]。在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)中，終端設(shè)備常用于較為偏僻位置，或放置后不經(jīng)常查看。因此，智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)具有工作時間久、效率高，以及低功耗等特性；進(jìn)而選擇具有專用超低漏電流工藝技術(shù)的STM8L_151G芯片[7-8]。與此同時，STM8L_151G芯片在停機(jī)狀態(tài)下，電流僅為400nA，其最低功耗為0．35uA，在動態(tài)運行模式下為180uA/MHz。

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)中包括ZigBee模塊、Modbus 模塊、串口模塊、TCP/IP 模塊，以及MATT 模塊這五部分內(nèi)容[9]。因此，在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)中，ZigBee 終端主要將電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息傳遞到ZigBee 協(xié)調(diào)器；當(dāng)Modbus 接收到通信系統(tǒng)主機(jī)命令時，會將電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)。其中，ZigBee 終端協(xié)調(diào)器與Modbus主機(jī)通過串口與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。使用TCP/IP技術(shù)不僅需要接收本地PC的命令，還要將電子標(biāo)簽的商品數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜豍C。在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)中，通過MATT技術(shù)發(fā)布sensor主題，并將物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)通信到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 SPI數(shù)據(jù)通信接口

在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)內(nèi)，通信控制接口主要是包括：通信接口、電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊、測試模塊，以及外部信號觸發(fā)模塊[10]。智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)選擇SPI總線協(xié)議；電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊主要用于數(shù)據(jù)幀格式；測試模塊用來檢測物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信接口各項功能，并預(yù)留電子標(biāo)簽商品信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)接口直通；外部信號觸發(fā)模塊用于喚醒外部信號，以及MCU發(fā)送測試信號。

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)采用SPI 總線協(xié)議的通信接口，MCU通過通信接口對物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫、接收，以及發(fā)送。一般情況下，智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信接口使用6 個內(nèi)部信號，以及6 個外部管腳。與此同時，智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)接口，一般預(yù)留62個寄存器、1個接收FIFO，以及1個發(fā)送FIFO。

寄存器不僅可以用于芯片功能配置，還能夠成為MCU控制芯片主要手段，從而設(shè)計寄存器地址從0x00 遞增至0x3D。為滿足智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)對電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送需求，設(shè)計預(yù)留128 位的接收FIFO和發(fā)送FIFO。

表1 通信系統(tǒng)接口定義

圖1 電子標(biāo)簽通信接口架構(gòu)

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信接口SPI總線協(xié)議，需要區(qū)分物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽主機(jī)與從機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信時序為MCU，在時鐘上升沿讀取數(shù)據(jù)，在下降沿寫入電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。基于物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信中，傳輸方式定位低位在前、高位在后，其電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)長度為8位，設(shè)計使用最高速率為8Mbps。

物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽的通信過程中，每次讀寫操作可以傳輸N(N-1)個字節(jié)內(nèi)容，而且第一個讀寫字節(jié)為命令字節(jié)，其他均為數(shù)據(jù)字節(jié)。根據(jù)不同電子標(biāo)簽通信指令，允許MCU通過SPI接口有讀寫寄存器，以及收發(fā)FIFO等操作。

3.2 數(shù)據(jù)加密算法的智能傳輸

AES算法解密速度快，而RSA算法安全性更高。因此，采用AES 算法對物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行實時加密，并使用RSA公鑰對AES密鑰進(jìn)行加密。

AES為對稱加密算法，通過對智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)實際情況考慮，選擇密鑰長度為128 位的AES-128，加密輪數(shù)為10 輪，前9 輪加密為：字節(jié)代換、行位移、列混合，以及輪密鑰加，而第10 輪加密為：字節(jié)代換、行位移，以及輪密鑰加。

選擇兩個不相同的質(zhì)數(shù)p 和q，而且n可以分解為p 和q的乘積，得到歐拉函數(shù)φ(n)。將(n，e)作為公鑰，而(n，d)作為私鑰，RSA公鑰加密公式：

其中，m為明文數(shù)據(jù)；c為密文數(shù)據(jù)；(n，e)為RSA公鑰。此外，RSA私鑰加密公式：

其中，c為密文數(shù)據(jù)；m為明文數(shù)據(jù)；(n，d)為RSA私鑰。

發(fā)送方和接收方協(xié)商確定物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信的AES密鑰，自動生成RSA公私密鑰，雙方互相公開公鑰。將AES和RSA 混合算法作為電子標(biāo)簽通信加密的方式，實現(xiàn)智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)的快速傳輸。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信實現(xiàn)

在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)中，軟件設(shè)計包括通信接口、數(shù)據(jù)處理模塊，以及輔助功能模塊設(shè)計，如表2所示。

表2 電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽前向隱私性，電子標(biāo)簽后所有者無法獲取、推導(dǎo)與智能供應(yīng)鏈下物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽之前所有者的私密數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽通過通信系統(tǒng)完成電子標(biāo)簽的流通，一般由后一個所有者充當(dāng)攻擊者，不僅無法獲得串空間，還無法通過已有知識推理之前的私密信息，表示為：

其中，∑為串空間；P為后一個所有者攻擊的串空間；L為物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽的轉(zhuǎn)讓協(xié)議；A為任意攻擊者；U為攻擊者掌握的電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)知識；kf為共享密鑰；Kp為攻擊者密鑰集合。

智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽的后向隱私性，電子標(biāo)簽一旦流通到后一個環(huán)節(jié)，之前電子標(biāo)簽所有者無法繼續(xù)跟進(jìn)，只有后一個所有者能夠完全控制電子標(biāo)簽的信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行身份識別、信息交互。表示為：

其中，kb表示共享密鑰，以及智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽的交易信息。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽無線通信前端的數(shù)據(jù)傳輸模式，通過使用嵌入式通信系統(tǒng)，實現(xiàn)通信系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)傳輸與直通模式下特殊信號的讀寫。

4 實驗及結(jié)果分析

4.1 實驗準(zhǔn)備

為驗證智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)的性能，實驗中準(zhǔn)備一臺PC、SPI 總協(xié)議接口、導(dǎo)線若干、串口透傳接口、網(wǎng)口、ZigBee模塊終端、ZigBee模塊協(xié)調(diào)器，以及溫濕度傳感器。智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信接口，需要串口接收ZigBee 協(xié)調(diào)器，以及Modbus 主機(jī)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并將電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸給PC端，判斷物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)是否傳輸成功。所進(jìn)行實驗的原始數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實驗原始數(shù)據(jù)

基于表3所示的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以驗證智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

4.2 實驗過程

在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊主要是對電子標(biāo)簽商品數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、解幀，以及模擬通信系統(tǒng)控制接口中外部輸入的數(shù)據(jù)信號。將FPGA 芯片作為電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)發(fā)送端，通過控制接口的實驗?zāi)K輸入信號，并且使用MCU 實現(xiàn)FIFO 內(nèi)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)比對。通過FPGA發(fā)送1萬個不同的數(shù)據(jù)幀，方便62個寄存器的算法讀寫，同時逐層增加寫入數(shù)據(jù)的數(shù)量。圖2顯示了機(jī)器識別電子標(biāo)簽的界面，圖3顯示了出現(xiàn)錯誤的實驗界面。

圖2 機(jī)器正在識別電子標(biāo)簽

圖3 數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤

表4為數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。

表4 數(shù)據(jù)處理模塊試驗結(jié)果

通過MCU配置寄存器，將管腳配置為電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)控制接口的輸入與輸出數(shù)據(jù)信號。此外，使用上位機(jī)軟件初始化通信系統(tǒng)前端，配置實驗?zāi)K寄存器；通過示波器觀察物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)變化，發(fā)送數(shù)據(jù)并讀取、接收FIFO內(nèi)容。

在智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)模擬中，取兩組通信系統(tǒng)，一方作為接收方，另一方作為發(fā)送方，通信系統(tǒng)模擬如圖4所示。

圖4 通信系統(tǒng)模擬設(shè)計

4.3 實驗結(jié)果

嵌入式通信系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽的處理與通信系統(tǒng)控制接口測試模塊可以形成電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)直通模式。MCU使用電子標(biāo)簽通信接口進(jìn)行寄存器配置，并對智能供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)、操作，本次模擬測試，在數(shù)據(jù)長度為128Byte的實驗條件下，MCU分別選取3種收發(fā)方式，并進(jìn)行同種速率下收發(fā)測試。

表5 實驗測試結(jié)果

根據(jù)實驗結(jié)果可知，I/O 模擬方式受到MCU 主頻的影響，不管在哪種速率下，收到數(shù)據(jù)會出現(xiàn)錯誤。通過使用通信接口為SPI或UART的通信系統(tǒng)，其物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)都能夠正常收發(fā)。但SPI接口傳輸速率最高達(dá)8Mbps，而且具有時鐘信號穩(wěn)定性，提高了物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)收發(fā)的效率。

5 結(jié)束語

智能供應(yīng)鏈各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的集成，以及物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)的搭建，為企業(yè)智能供應(yīng)鏈的發(fā)展提供了有力支撐。物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽通信系統(tǒng)便顯得尤為重要。因此，本系統(tǒng)根據(jù)供應(yīng)鏈電子標(biāo)簽協(xié)議的更新，對TCP/IP協(xié)議下的通信接口數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，增加更多供應(yīng)鏈物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽可選數(shù)據(jù)幀格式。