基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)研究*

曾志輝，郅富標

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

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

根據(jù)目前各種計量儀表傳統(tǒng)的鉛封現(xiàn)狀及存在的主要問題，提出了一個科學、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)對計量儀表進行電子表封，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別和驗證。

無線射頻技術(shù);電子表封;射頻識別;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。表封是電能計量人員實施計量法的具體執(zhí)行手段。它具有一定的法律效力，同時對計量設(shè)備的準確性、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)及施封標識簡單，容易復制，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。射頻識別(RFID)是利用無線方式對電子數(shù)據(jù)載體(電子標簽)進行識別的一種新興技術(shù)。與接觸式和條形碼識別等系統(tǒng)比較，它有著巨大的優(yōu)勢。利用射頻識別技術(shù)，能有效實現(xiàn)對數(shù)量大、分布區(qū)域廣的信息進行智能化管理，達到高效快捷運作的目的，特別是在物流、交通航運、自動收費、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科學、簡便、有效的智能電子防偽表封解決方案。利用射頻識別技術(shù)進行電子射頻表封，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別和驗證。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、物品的安全識別、防拆防盜的安全需求，讓反竊電工作的防、查措施更科學有效，真正起到防止破壞/偽造計量表封而造成的竊電現(xiàn)象的發(fā)生而造成的竊電損失，達到反竊電的目標，從而維護電力公司的利益，保護國家財產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)主要包括兩個部分:無源RFID電子表封、RFID閱讀器。當無源RFID表封的計量儀表被RFID閱讀器掃描的時候能夠感應(yīng)出電壓，從而使自己開始工作，并把自身的ID號回傳到閱讀器，閱讀器通過ID號檢索本表封的相關(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

電子標簽是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，由線圈(天線)和用于存儲有關(guān)應(yīng)用標識信息的存儲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號全球唯一。可讀寫的電子表封內(nèi)核Mifare1是一種智能卡(Smart Card)，內(nèi)建有中央微處理機(MCU)和ASIC等，使卡在安全保密性、認證邏輯、算術(shù)運算等微操作控制有序進行。本設(shè)計采用PHILPS公司生產(chǎn)的Ml芯片進行電子表封，它內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，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、盜取和仿制均會造成非常明顯的損壞，同時內(nèi)部封裝的ID芯片因外力作用而損毀不可重復使用，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

本系統(tǒng)設(shè)計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、時間、識別碼等信息)。可讀寫的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輸入ID號，查詢相關(guān)信息，RFID閱讀器可存儲1萬余條用戶資料，并通過RS232接口和電腦進行數(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單片機作為控制核心，通過專用讀卡IC系列中的RC500作為與標簽通信的通道，對電子標簽中的內(nèi)容進行讀寫，實現(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單片機基本相同，便于進行系統(tǒng)開發(fā)。

圖4 基于STC89LE516的主控電路

系統(tǒng)開始工作后，電子標簽處于被動狀態(tài)，讀寫器處于主動狀態(tài)，當有卡處于讀寫器的接收范圍(最大100 mm)時，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，接有一個單相導通的電子泵，將電容內(nèi)的電荷送到旁置電容內(nèi)存儲，當所積累的電荷達到2 V的時候，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，將信號處理成為與之相匹配邏輯信號，經(jīng)過RC500的寄存器處理后，經(jīng)過并行接與8 bit單片機的數(shù)據(jù)口相連接，將信息傳送給單片機。再由單片機處理信息之后，在LCD顯示屏上顯示，并存儲在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，電路時鐘采用13.56 MHz的晶振，采用總線接口，便于和單片機相連接，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

在系統(tǒng)實現(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)中讀卡器在工作時必須按固定的順序進行詢卡，防沖突，選卡，驗證密碼，讀寫卡，停卡等系列操作。當沒有射頻卡進入射頻天線有效范圍時，讀卡器顯示當前時鐘，當有射頻卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗證卡及密碼成功后，將卡號和讀卡時間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入EEPROM存儲器中，并在LED顯示器上顯示卡號，具體步驟如圖7所示［7］。

圖7 讀卡器流程圖

3 系統(tǒng)讀寫實驗

本文根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計進行了整個電子表封的讀寫實驗。圖8為電表鉛封信息讀寫實驗界面，系統(tǒng)通過串口對表封進行讀寫數(shù)據(jù)，其中包括每個數(shù)據(jù)塊中的內(nèi)容和密碼的驗證，以及區(qū)別每塊卡的卡號，在各塊的內(nèi)容中可以存儲電表安裝的時間，正常打開的次數(shù)以及維修的時間和次數(shù)等內(nèi)容。系統(tǒng)通過單片機控制可將卡中的內(nèi)容讀出，并進行密碼和內(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 實驗測試的鉛封電表基本信息

圖9為電子表封讀寫器界面，通過這個界面可以對手持管理器進行時間和機器編號進行設(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行相應(yīng)的檢測了。圖10為手持機程序調(diào)試界面，圖11為電子表封管理系統(tǒng)實物圖。

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驗，驗證了代表電表信息ID號的唯一識別性以及整個基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)運行的正確性。

4 結(jié)束語

本文選用AT89S52作為MCU，采用SPI接口的串行AT45DB041B作為存儲模塊，MF RC500作為讀卡器射頻模塊芯片進行了基于RFID技術(shù)的電子鉛封管理系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)采用RFID技術(shù)對電能表進行電子表封，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別和驗證，有效達到防止竊電的目標，維護電力公司的利益，保護國家財產(chǎn)安全［8］。

［1］郭俐虹.基于RFID技術(shù)的電子標簽讀寫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.武漢理工大學學報，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)計與實現(xiàn)［D］.安徽大學，2012.

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

［5］Aluf O.Active RFID TAGs System Analysis of Energy Consumption as Excitable Linear Bifurcation System［C］//Microwaves，Communications，Antennas and Electronics Systems，2009(COMCAS2009)，Tel Aviv，2009:1-9.

［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.

［7］張婷.射頻技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(6):56-60.

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

曾志輝(1978-)，男，江西臨川人，副教授，博士，主要從事信號處理、大功率開關(guān)電源技術(shù)、儲能技術(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

項目來源:國家自然科學基金項目(61403127);河南理工大學青年基金項目(Q2009-38)

2016-01-24修改日期:2016-03-09