（系统工程专业论文）基于RFID的山东省危化品气瓶管理系统应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 为了提高危化品气瓶管理水平，山东省质量技术监督局委托山东省标准 化研究院研究开发“基于r f i d 的山东省危化品气瓶管理系统”，本人参与了 课题的全程研发工作。 本论文的研究是基于危化品气瓶的管理现状和存在的主要问题以及政府 对r f i d 用于危化品气瓶管理的积极态度而提出的。本论文的研究意义在于将 r f i d 用于危化品气瓶管理，提高危化品气瓶的管理水平。 本文分析研究 r f i d 在危化品气瓶管理中涉及到的一些关键性技术，如 针对r f i d 信号容易受到金属干扰的问题，以及危化品气瓶工作环境十分恶劣 的特点，我们研究了特殊的封装方式一一对标签进行封装，使封装后的r f i d 标签既可以避免金属对r f i d 信号的削弱作用，又可以使其耐酸碱的腐蚀和输 送过程中的碰撞，保证r f i d 在气瓶管理中正常、安全地使用；针对r f i d 标签 的固定方法方面，我们通过多次试验，发现采用直接粘贴方法牢固性不好， 最后研究制作了带有凹槽的不锈钢牌，将标签放在不锈钢牌的凹槽中，然后 采用美国3 m 胶粘贴，并通过多次试验证明该固定方法可靠性比较高；在数据 传输方面，采用了数字签名技术，确保充装记录和检验报告的真实性、完整 性和不可抵赖性，这样一旦出现安全事故问题，可以通过查看充装人员或检 验人员的数字签名方便地追查事故责任人 基于r f i d 的山东省危化品气瓶管理系统通过r f i d 将地市锅炉科的气瓶档 案管理与充装站的气瓶充装、检验站的气瓶检验和质监局的气瓶监管等业务 相结合，系统深入到了危化品气瓶管理的各个环节这与现有的仅仅将r f i d 用于气瓶识别或气瓶个别环节的管理相比，具有更大的应用价值 该系统已经投入使用，使用结果表明系统确实提高了危化品气瓶管理水 平，规范了危化品气瓶市场，带来了可观的经济和社会效益。 关键词r f i d ( 无线射频识别)电子标签读写器气瓶 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h a n d o n gb u r e a uo fq u a l i t ya n dt e c h n i c a ls u p e r v i s i o ne n t r u s t ss h a n d o n g s c i e n c ea c a d e m ei n s t i t u t eo fs t a n d a r d i z a t i o nt oe m p o l d e r s h a n d o n gp r o v i n c e h a z a r d o u sc h e m i c a lg a sc y l i n d e rm a n a g e m e ts y s t e mb a s e do nr f i d t oi m p r o v e h a z a r d o u sc h e m i c a lg a sc y l i n d e rm a u a g e m e t it a k ep a r ti nt h ed e v e l o p m e n tf r o m t h eb e g i n i n gt ot h ee n d t h er e s e a r c hi sb a s e do nt h ea c t u a l i t yo fh a z a r d o u sc h e m i c a lg a sc y l i n d e r m a n a g e m e t ，t h ep r o b l e m s i n g a sc y l i n d e rm a n a g e m e t ，t h es u p p o r t o ft h e g o v e r n m e n t u s i n gr f i dc a ni m p r o v et h em a n a g e m e to fg a sc y l i n d e r i st h e s i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h t h i sp a p e rr e s e a r c h ss o m ek e yt e c h n i q u e sa b o u tg a sc y l i n d e rm a n a g e m e t u s i n gr f i d f o re x a m p l e ，h o wt oe n c a p s u l em ct a gt om a k ei td o n tb ea f f e c t e d b ym e t a lo ro t h e rm a t e r i a la r o u n d t h et a ge n c a p s u l e d n o to n l yd o e s n tb e a f f e c t e db ym a t e r i a lb u ta l s oe n d u r ea c i d ，a l k a l ia n dc o l l i s i o n a f t e rb e i n g e n c a p s u l e dt h et a gc a nw o r kn o r m a l l yw h e nf 奴e do ng a sc y l i n d e r t h i sp a p e r a l s or e s e a r c h sh o wt of i xt a go ng a sc y l i n d e rt oi n s u r ei ti sf a s to ng a s c y l i n d e r u s i n gd i g i t a ls i g n a t u r e t oi n s u r et h ed a t er e c e i v e di sa u t h e n t i c ， i n t e g r a l i t ya n du n d e n i a b l e t h ep e r s o nl i a b l ec a l lb ef o u n de a s i l yw h e ns a f e t y m i s a d v e n t u r et a k e sp l a c e ， s h a n d o n gp r o v i n c eg a sc y l i n d e rm a n a g e m e ts y s t e mb a s e do nr f i dy o k e s t h el o c a lb o i l e rd e v i s i o n ，t h ef i l l i n gs t a t i o no fg a sc y l i n d e r sa n dt h ei n s p e c t i o n s t a t i o no fg a s c y l i n d e r sw i t ht h ew a t c h i n ga n dc o n t r o l i n go fg a sc y l i n d e r s t h e s y s t e mt o u c h se v e r ys e c t o ro fh a z a r d o u sc h e m i c a lg a sc y l i n d e rm a u a g e m e t i ti s m o r eu s e f u lt h e no t h e rs y s t e m t h es y s t e mh a sb e e nn m t h er e s u hs a y st h es y s t e mb r i n g sm u c he c o n o m y a n ds o c i e t yb e n e f i tt op e o p l e k e y w o r d s ：r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) t a g r e a d e r g a sc y l i n d e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 协 日期：脚 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：惨导师签名 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景及研究意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 气瓶【”是用于储存和运输永久气体、液化气体、溶解气体和吸附气体的 可重复充装的移动式压力容器，瓶内充装的气体具有可燃性、氧化性、窒息 性、毒性、腐蚀性、化学不稳定性等特点危化品气瓶就是盛有易燃易爆危 险化学品的气瓶。 为了有效防止危化品气瓶安全事故的发生，及早发现安全隐患，危化品 气瓶在日常使用中必须定期进行保养、维护和安全检测，每次充装气体前都 要认真对其进行检查，以便及时有效地处理各种安全隐患，避免出现有毒有 害气体泄漏现象。有毒有害气体的泄漏轻则会造成环境污染，重则产生爆炸 等重大恶性事故，危及附近群众的生命和财产安全。 目前，国内外的危化品气瓶行业主要是通过人工识别锈蚀不清的钢印标 识和手工纸笔记录的作业管理方式。采用这种管理模式工作效率十分低下， 质量完全受制于人，不相容气体的混装、错装现象，在实际操作中难以完全 杜绝。由于这种管理方式的透明度比较差，致使一些应该报废的危化品气瓶 不能按照有关规定及时进行破坏性报废处理，而是继续使用，许多危化品气 瓶爆炸案件就是这样产生的。在这种管理方式下，危化品气瓶也未能按照有 关规定进行检验，少数危化品气瓶充装站受经济利益驱动，在不做危化品气 瓶的检查、检验的情况下充装气体，造成事故隐患 危化品气瓶的管理工作涉及到千家万户的生命财产安全，为了保障安 全、促进发展，加强危化品气瓶的监察和管理，规范危化品气瓶市场秩序。 提高危化品气瓶管理水平，国内外危化品气瓶相关从业人员一直在努力探索 危化品气瓶的电脑信息化管理方法。 近年来，国家质量监督检验检疫总局将危化品气瓶专项普查整治工作列 山东大学硕士学位论文 为重点工作来做，2 0 0 3 年4 月2 4 日国家质监总局颁布的第4 6 号气瓶安全监 察规定第二十七条明确规定充装单位应当采用计算机系统对充装的自有产 权气瓶进行建档登记。鼓励采用先进信息化技术手段对气瓶进行安全管理， 从法制基础上推动了这项工作的顺利进行。 2 0 0 5 年山东省质量技术监督局把特种设备列为工作重点。副省长王仁元 及省质监局局长从大鸣多次在省、局召开的会议上强调危化品气瓶安全管理 的重要性及紧迫性，并对危化品气瓶安全工作做了重要讲话。 王仁元副省长在传达全国质量监督检验检疫总局局长会议精神时指出： “一定要深刻理解国务院领导和省政府领导对气瓶安全工作的深切期望，增 强责任感，把质监工作与三个代表紧密结合起来”。省质量技术监督局局长 从大鸣在省局会议上也多次做了重要指示：“深刻认识危化品气瓶安全工作 的重要意义，切实增强实施危化品气瓶动态监管的紧迫感和责任感，认真落 实危化品气瓶动态监管的各项工作”。 但是，由于危化品气瓶的使用环境十分恶劣，受到现有技术条件的限 制，多年来，危化品气瓶电脑信息化并没有取得很好的使用效果。制约危化 品气瓶电脑信息化应用的瓶颈是缺乏符合条件的永久性自动识别标识。现 在，r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) “1 即无线射频识别技术的 出现解决了危化品气瓶管理的世界级难题。 为了提高危化品气瓶管理水平。山东省质量技术监督局委托山东省标准 化研究院对“基于r f i d 的山东省危化品气瓶管理系统”进行研究，本人参与 了课题的全程研究工作 1 1 2 研究意义 将r f i d 用于危化品气瓶管理，可以彻底改变过去落后的人眼识别模糊 不清的钢印编号和手工登记操作记录的作业管理方式，提高危化品气瓶管理 水平，具体来说r f i d 可以从以下几个方面提高危化品气瓶管理水平： i 提高危化品气瓶识别的正确率， 采用r f i d 技术，对危化品气瓶流转的每一个环节进行逐瓶逐号的扫描 识别登记，彻底改变过去依靠人眼识别模糊不清的钢印编号、手工登记操作 2 山东大学硕士学位论文 记录的落后的作业管理方式，避免人为因素产生的数据录入错误，提高数据 采集的准确度，甚至可以收到零错误数据录入的效果。 2 确保危化品气瓶按时检验 采用r f i d 技术进行危化品气瓶管理，可以在危化品气瓶充装过程中自 动检验危化品气瓶的预定检验时间，有效地防止过期危化品气瓶的使用，减 少危化品气瓶带来的安全隐患。另外，省局也可以使用危化品气瓶管理系统 方便地监督危化品气瓶的检验情况，有效地促进危化品气瓶的及时检验。危 化品气瓶监察人员也可以方便地手持读写器现场抽检危化品气瓶，提高了抽 检的工作效率，这也为监察人员大幅度扩大危化品气瓶抽检数量提供了可 能。 3 提高工作人员的责任心 由于危化品气瓶在充装、检验等环节中，不但要对危化品气瓶的充装信 息、检验信息及时进行记录，而且还要对具体的操作人员进行记录。一旦出 现安全事故，可以很方便地追查到事故责任人，从而达到提高工作人员责任 心的目的。 4 规范危化品气瓶市场秩序 2 0 0 3 年4 月2 4 日，国家质量监督检验检疫总局颁布的第4 6 号气瓶 安全监察规定第二十九条明确规定气瓶充装单位只能充装自有产权气瓶， 不得充装技术档案不在充装单位的气瓶。 采用r f i d 技术在危化品气瓶充装、检验等环节中进行危化品气瓶计算 机管理可以有效地贯彻实旌这一规定，规范危化品气瓶的安全管理。可以使 整个危化品气瓶市场秩序经营有序，使所有危化品气瓶经营企业在同等环境 条件下进行平等竞争，优胜劣汰，反过来又能促进市场经营秩序的规范 总之，将r f i d 用于危化品气瓶管理，可以起到改善危化品气瓶管理现 状，预防和减少危化品气瓶安全事故，规范危化品气瓶市场秩序的作用，能 够从真正意义上做到对危化晶气瓶的动态监管，提高工作人员的责任心和工 作效率采用r f i d 可以在危化品气瓶的流通、充装及检验环节中记录危化品 气瓶的所有状态，这样不仅可以随时了解每个危化品气瓶的实时信息，比 山东大学硕士学位论文 如：充气次数、充装时间、检验时间等，更对事故发生后的追根溯源具有相 当重要的意义。 1 2 国内外的研究现状 r f i d 技术在国外的研究起步较早，发展较快，在r f i d 标签( 简称标签， 也常称作电子标签、射频标签、应答器等) 芯片设计、天线设计、射频模块 设计、基带系统设计等方面都有较为深入的研究，形成了一套r f i d 系统特有 的理论体系。 从国内来讲无线射频识别技术的应用研究起步较晚但发展较快，在 r f i d 技术研究及产品开发方面，国内已具有自主开发低频、高频与微波 r f i d 电子标签与读写器( 也称阅读器、识读器、解读器等) 的技术能力及 系统集成能力。同时国内也在逐步着手研发具有自主知识产权的r f i d 芯 片，这是r f i d 系统中最核心的技术。不过，对于涉及r f i d 系统数据通信的 一些基本问题研究较少，也较少能够见到通过对整个r f i d 数据通信建立数 学模型并利用计算机仿真来研究r f i d 系统性能的。 r f i d 用于气瓶管理方面的研究也在进行，目前欧洲已经对r f i d 用于气瓶 管理作了一定的研究工作，并取得了一定的研究成果。我国也对r f i d 用于气 瓶管理方面做了相关研究。上海市通过在电子标签内存储气瓶出厂日期、报 废日期与维修记录等信息，研究r f i d 在气瓶防伪方面的应用。此外，洋浦联 合利丰电气有限公司与海南容利科技开发有限公司还联合研究了气瓶射频 电子标签读写及控制的方法，用于实现远距离自动监督控制气瓶充装气体 的全过程，通过远距离自动判断电子标签信息是否符合规定，从而决定是否 予以充气，并记录、存储充装信息。 1 3 研究方法和思路 本课题的研究工作共分三个阶段进行，第一阶段是文献研究，第二阶段 是实地调研，第三阶段是研究与开发。 在第一阶段，通过文献研究了解了国内外的研究现状，为自己的课题研 山东大学硕士学位论文 究寻求理论支撵，以便确保课题研究的正确方向。 在调研阶段，我们调研了山东省内比较大的几个危化品气瓶充装企业和 用户，发现近年来，盛装易燃易爆危化品气瓶的泄漏和爆炸事故频发，造成 了不少人员伤亡事故，这些事故也给社会带来了不良影响。在这些事故中， 充装环节的超装、混装、错装，以及“瓶对瓶”倒气的违规行为是事故发生 的主要因素。充装环节中存在的这些问题一方面是由于危化品气瓶本身的特 殊性造成的，另一方面是由于没有采用先进的技术手段和监管设备的原因造 成的。 在研究与开发阶段，我们首先针对r f i d 在危化品气瓶上使用的特殊 性，研究了电子标签的封装方法和固定方法以满足危化品气瓶这种特殊设备 以及设备工作所处的特殊环境的需要。另外，还研究了确保省局所接收信息 的真实性、完整性和不可抵赖性的具体保障措施，即将数字签名技术应用于 危化品气瓶管理系统中。最后研制了基于r f i d 的山东省危化品气瓶管理系 统，该系统可以对危化品气瓶的充装环节、检验环节进行专业化的数据收 集、整合和处理，实现信息共享，为危化品气瓶的识别提供了有效的数据采 集手段，进一步提高了危化品气瓶的充装、检验、监管等各环节的工作效 率、节约了劳动力，增加了危化品气瓶管理的透明度、规范了危化品气瓶市 场、减少了工作出错率、减少了安全隐患。 1 4 主要研究内容及特点 1 主要研究内容 本文首先介绍了课题的研究背景和研究意义，即危化品气瓶的管理现 状、存在的主要问题、政府对r f i d 用于危化品气瓶管理的积极态度以及 r f i d 的采用将对危化品气瓶管理的积极影响等。然后研究了系统涉及到的 关键性技术，如标签的封装方法、固定方法、数字签名在危化品气瓶管理系 统中的应用等。详细介绍了基于r f i d 的山东省危化品气瓶管理系统的系统 结构、系统功能、系统工作流程、数据库的设计和系统部分功能模块的运行 情况，最后提出了对系统的进一步改进措施。 山东大学硕士学位论文 2 特点 国内外关于r f i d 在危化品气瓶中应用方面的研究主要局限在危化品气 瓶个体的识别，或者是危化品气瓶某个环节的应用管理上，很少有将r f i d 与危化品气瓶充装、检验和监管等环节结合起来进行研究的，如洋浦联合利 丰电气有限公司与海南容利科技联合研发的气瓶射频电子标签读写及控制 的方法主要用于充气管理。 本论文将r f i d 对危化品气瓶信息的自动采集与地市锅炉科的危化品气 瓶档案管理、充装站的充装、检验站的检验和质量技术监督局的具体监管业 务相结合。深入到危化品气瓶管理的各个环节，这一点在世界发达国家也未 曾见到相关报道。 另外，在标签封装方面提出了将标签用在金属及恶劣环境中的标签封装 方案；在标签固定方面突破了现有的将标签直接粘贴在瓶体上的方法，解决 了标签容易脱落的难题。本课题对r f i d 在其他方面的应用也具有一定的借 鉴作用。 6 山东大学硕士学位论文 第2 章几种常见的自动识别技术 自动识别技术啪是通过计算机系统、可编程逻辑控制器或其它微处理设 各进行非键盘输入的一种数据输入技术，是对信息数据进行自动识读、自动 输入计算机的重要方法和手段，它是以计算机技术和通信技术的发展为基础 的综合性科学技术自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛的发 展。初步形成了以r f i d 技术、条码技术、磁卡( 条) 技术、光学字符识别技 术等及集计算机、光、机电、通信技术为一体的高新技术学科。 ：自动识别技术的兴起，使得数据采集变得快捷、准确，解决了计算机数 据输入速度慢和错误率高等造成的“瓶颈”问题。因此，其被誉为一项革命 性的高新技术，迅速为人们所接受 。常见的自动识别技术主要有r f i d 技术，条码技术、磁卡技术、光学字符 识别、i c 卡识别技术等。 2 i 常见自动识别技术及特点 1 r f i d 技术 射频识别技术( r f i d ，即r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 兴起于二 十世纪九十年代，它是一项利用射频方式进行非接触双向通信并交换数据， 达到识别目标对象目的的一项自动识别技术。 典型的r f i d 系统嘲包括射频标签和读写器两部分，r f i d 标签内存有一定 格式的电子数据。应用中将r f i d 标签固定在待识别物品上，如可以固定在商 品外包装、托盘、集装箱等上面。读写器与射频标签可按约定的通信协议进 行数据交换，通常情况下，读写器首先向射频标签发送指令，标签根据收到 的读写器的指令，将内存的标识性数据回传给读写器。这种通信是在无接触 方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现 的。 r f i d 技术的优点；r f i d 与其他自动识别技术相比具有非接触识别、可 识别高速运动的物体、抗恶劣环境( 防磁、防水、耐高温、防油污等) ，穿 7 山东大学硕士学位论文 透性强、保密性强、可同时识别多个目标对象、可擦写等特点，因此可以在 多种场合下使用。 ， r f i d 的缺点是成本问题和隐私问题，成本问题将随着技术的进步而逐 渐得到解决。隐私问题现在已经基本得到解决，最近，i b m 已经研究出通过 缩短标签天线长度，极大地缩短标签读取距离的方法解决隐私问题商品售 出后，消费者为了保护自身隐私可以方便地将产品上所佩电子标签的天线截 去一段，天线长度缩短了从而标签的读取距离也缩短了。天线缩短后的标签 本身还是可以运行的，但是由于其识别距离较短，只能用于货物售后服务或 产品退货时的识别。 2 条码技术 条码技术嘲是目前广泛使用的自动识别技术，它是随着电子技术的进 步，尤其是计算机技术在现代化生产和管理领域中的广泛应用而发展起来的 一门实用的数据输入技术。 条码由一组黑白相间、粗细不同的条状符号组成，这种条纹由若干个黑 色的“条”和白色的“空”的单元所组成，其中，黑色条对光的反射率低， 而白色的空对光的反射率高，再加上条与空的宽度不同，就能使扫描光线产 生不同的反射接收效果，在光电转换设备上转换成不同的电脉冲，形成了可 以传输的电子信息。条码的码制不同，其符号的构成规则也不同。目前较常 用的码制有e h n 条码、u p c 条码、二五条码、交叉二五条码，库德巴条码、三 九条码、1 2 8 条码等。近年来又出现了按矩阵方式和堆叠方式排列信息的二 维条码。 条码技术的优点响：它是迄今为止最经济、最实用的一种自动识别技 术。它具有输入速度快，与键盘输入方式相比，条码输入的速度是键盘输入 的5 倍，并且能实现“即时数据输入”；可靠性高，键盘输入数据出错率为 三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条码技术误 码率低于百万分之一；采集信息量大，利用传统的一维条码一次可采集几十 位的字符信息，二维条码可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错 能力。灵活实用性强，条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以 山东大学硕士学位论文 和有关识别设备组成一个系统实现自动识别，还可以和其他控制设备联接起 来实现自动化管理。另外，条码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要 求，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。 条码技术的缺点m ：一维条码的信息容量很小，如商品上的条码仅能容 纳1 3 位的阿拉伯数字，更多的描述商品的信息只能依赖数据库的支持，离开 了预先建立的数据库，条码就没有使用价值，因而条码的应用范围受到了一 定的限制。不过二维条码克服了一维条码的这一缺点，二维条码存储容量比 较大，如，p d f 4 1 7 条码可以容纳1 8 4 8 个字母字符或2 7 2 9 个数字字符，约5 0 0 个汉字信息) ；抗恶劣环境差，条码被污染或撕裂后很难被正确地识读。另 外，条码还不能被改写，即不能对其存储的数据随时进行增加、修改或删除 操作。 3 磁卡( 条) 技术 磁卡( 条) “3 技术是利用物理学和磁力学的基本原理，制作成的一种磁 记录介质卡片它是将一层很薄的由定向排列的铁性氧化粒子组成的材料用 树脂粘合在一起，然后再将其粘在非磁性基片( 如纸或塑料等材料) 上。磁 卡技术中数据的存储是通过改变磁卡上氧化粒子的磁性来实现的。磁性分为 正、负两种极性，两种极性与机器码的“0 ”和。1 ”相对应。在数据的写入 过程中，需要输入的数据首先通过“编码器”变换成二进制的机器代码，然 后控制器在控制“磁头”与磁卡( 条) 的相对移动过程中改变磁性粒子的极： 性实现数据写入；数据的读出是“磁头”先读出机器代码再通过“译码 器”还原成人们可识读的数据信息 磁卡( 条) 技术的优点：数据可读写，即不但可以读取磁卡( 条) 内存 储的信息，还可以对其信息进行改写；数据存储量可以满足大多数需求，便 于使用，成本低廉，还具有一定的数据安全性；可以粘附在许多不同规格和 形式的基材上这些优点，使其可以在很多领域内得到广泛的应用，如信用 卡，银行a t m 卡、机票、公共汽车票、自动售货卡、会员卡、现金卡( 如电话 磁卡) 等 磁卡技术的缺点：使用寿命短( 一般i 年) ；信息容量小，常常依赖于外 9 山东大学硕士学位论文 界数据库；保密防伪性差；另外，磁卡( 条) 可靠性低，容易受电磁场干扰 而丢失信息，如磁卡( 条) 不小心接触或靠近磁性物质就可能造成数据丢 失。 随着新技术的出现，安全性能较差的磁卡有逐步被取代的趋势，但在现 有条件下，社会上仍然存在大量的磁卡及其设备，另外，由于磁卡( 条) 成 本较低，短期内磁卡( 条) 技术仍然会在很多领域内应用。 4 i c 卡识别技术 i c 卡( i n t e r g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 即集成电路卡，也常被称为智能卡 ( s m a r tc a r d ) 。它是随着半导体技术的发展和社会对信息安全性要求的日 益提高应运而生的，是将一个专用的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装 成外形与磁卡相似的卡片形式制作而成的，它具有暂时或永久性的数据存储 能力。其保存介质是低功耗的c m o s 大规模集成电路，通过读写存储在芯片中 的数据来达到信息交换的目的。其内容可供外部读取，也可供内部处理、判 断用，具有逻辑和数学运算处理能力，用于识别和响应外部提供的信息和芯 片本身的处理需求。i c 卡的性能指标要求符合i s 0 7 8 1 5 和i s 0 7 8 1 6 标准。 根据i c 卡的结构不同，可以将i c 卡分为存储器卡、逻辑加密卡、c p u 卡 或微处理器卡、非接触式i c 卡四种。 由于i c 卡容量大、保密性好( 存储器卡除外) ，因而与磁卡等其它卡片 相比具有较大优势。 i c 卡的优点；可靠性高，具有防磁、防静电、防机械损伤、防化学腐蚀 等能力；安全性好；存储容量大；类型多，从全球来看，现在i c 卡广泛地应 用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休 闲娱乐、学校管理及其他领域 i c 卡的缺点：价格稍高；i c 卡的触点暴露在外，容易因人为原因或其他 原因被损。 5 光学字符识别技术 光学字符识别( o c r ，0 p t i c a lc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ) 技术“1 是通过光符 识读扫描仪对字符、字母、图形等进行水平方向和垂直方向的扫描，然后使 l o 山东大学硕士学位论文 用o c r 软件把扫描到的字符、字母、图形等转变成二进制文件形式，输入到 计算机系统，其已有3 0 多年的发展历史。主要应用于办公室自动化中的文本 输入、邮件自动处理等，具体包括：零售价格识读、订单数据输入，支票和 文件识读、微电路及小件产品上状态特征识读等，它是最早被考虑作为键盘 输入的代替手段。另外，o c r 系统还可以准确地扫描照片、图表或其它图形 文件，并且能以各种格式存储以满足不同的应用要求。 早期的o c r 识读设备是光线平面镜，让反光光线通过裂缝，反射回来的 图像被分解成发散的黑白点，这些点被传送给图像放大管，并被转化成电子 j 数字。o c r 的逻辑处理部分要求黑白数据点按照预定的程序出现或消失这 种方式使得o c r 辨识很有限，特别是那种预设字符的设备，识读更是有限 自9 0 年代以来，光学字符识别技术的发展非常迅速。现在光学字符识别 系统能够可靠识读复印多次已经模糊不清的文件或者质量比较差的文件。近 年来还出现了现金登记、页面浏览等方面的应用，任何带有重复性、变化性 数据的文件都可以应用o c r 。 光学字符识别的优点：具有信息的高密度性和人眼可识读性的特点。人 眼的可识读性满足了在必要的情况下通过人员的介入，进行可视阅读的需 要。 光学字符识别的缺点；成本较高、输入的速度和可靠性不如条码，而且 数据格式有限，采用的读取设备比较复杂。影响光学字符识读技术广泛应用 的真正关键因素是系统能够达到的准确识读率的问题光学字符技术由于存 在着识读率低、误码率高、硬件价格贵等特点，不适合应用于需要大量数据 输入的环境。 2 2r f i d 技术及其应用 2 2 1r f i d 系统的组成 r f i o 系统主要由射频标签、读写器和计算机系统组成嘲，射频标签是信 息数据的载体，r f i d 系统的数据存储在射频标签之中，读写器是用于读取 标签信息的电子装置。标签与读写器之间的数据交换不是通过电流的触电接 山东大学硕士学位论文 通而是通过磁场或电磁场完成的。即利用射频方式进行非接触双向通信并交 换数据，以达到识别目标对象的目的，r f i d 系统的结构如图2 - 1 所示。 网 t ；鸳”弋糯、7 ：。# ”掣”镌 再叩“：= w 心p 尹= 筌? 誓量鸠笋糍 i 接控读 l 控收 霉l k ， ，m 夭 一+ 天存 ：计io h“ 糊发i 算!口 制：写 ：竺 “ 储i 机i ， ，#， 。：；， 模 ，4 模+i 系j _ 横模模 一 ”* h 线线r 器 块块块块 e # 二t 块 鍪。墨 魏。；。：一五。菇矗 ；。；：。= - j ：。= # 读写器 电子标签 图争1r f i d 系统结构示意图 1 电子标签 电子标签嘲通常由标签天线( 或线圈) 及标签芯片组成。标签芯片即相当 于一个具有无线收发功能加存贮功能的片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 棚。标签天线1 一般也集成在芯片上 电子标签一般保存有约定格式的电子数据，用来存储需要识别传输的信 息。电子标签相当于条形码技术中的条码符号，但与条码不同的是。电子标 签具有能够自动或在外力作用下，把存储的信息主动发射出去的能力。电子 标签的结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2r f i d 标签结构图 电子标签可以根据不同的分类方式，分为以下几类： ( 1 ) 根据有无电源分类 依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签 ( a c t i v et a g ) 、半无源电子标签( s e m i p a s s i v et a g ) 和无源电子标签 ( p a s s i v et a g ) 。 山东大学硕士学位论文 有源和半无源电子标签内都装有电池，但是，两者电池的具体作用不 同，无源电子标签内没有电池。 有源电子标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供 应也部分地转换为电子标签与读写器通信所需的射频能量。 半无源电子标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者 标签芯片工作所需电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未进入工 作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签。标签内部的电池能量消耗， 很少，因而电池可维持几年，甚至长达十几年；当标签进入读写器的读出区 域时，受到读写器发出的射频信号激励，进入工作状态，标签与读写器之间 的信息交换能量主要来自读写器供应的射频能量，标签内部电池的作用主要 在于弥补标签所处位置射频场强的不足。标签内部电池的能量并不转化为射 频能量。 无源电子标签内没有安装电池，在读写器的读出范围之外时，电子标签 处于无源状态，在读写器的读出范围之内时，电子标签从读写器发出的射频 能量中提取其工作所需的电能无源电子标签一般采用反射调制方式完成电 子标签信息向读写器的传送。与有源电予标签相比，无源电子标签在阅读距 离及适应物体运动速度的方面差一些。 ( 2 ) 根据工作频率分类； 电子标签一般根据其工作频率的不同分为低频、中频及高频。 低频标签的工作频率为1 0 0 - 5 0 0 k h z ，这一频段的射频识别系统一般都有 相应的国际标准。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量 较少、阅读距离较短( 无源情况，典型阅读距离为l o c m ) 、电子标签可以作 成多种形状( 如，卡状、环状、钮扣状、笔状) 、阅读天线方向性不强。该 频段的电子标签多用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、动物 监管、货物跟踪；中频电子标签的工作频率为l o 到1 5 m h z 左右，其中 1 3 5 6 m l - l z 的频率多用于门禁控制和需要传送大量数据的应用场合；高频电子 标签的工作频率为8 5 0 - 9 5 0 m h z 甚至达2 ，4 - 5 g h z 的微波段，r f i d 系统在这些频 段上也有众多的国际标准予以支持。高频r f i d 的基本特点是电子标签及阅读 山东大学硕士学位论文 器成本较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远( 可达几米至十几 米) ，适应高速运动的物体，性能好、外形一般为卡状、阅读天线及电子标 签天线均有较强的方向性主要应用于需要较长的读写距离和较高的读写速 度的场合，如火车监控，高速公路收费等系统，但此系统的天线波束较窄、 价格较高。 ( 3 ) 根据调制方式分类 根据调制方式的不同电子标签可分为主动式和被动式主动式电子标签 用自身的射频能量主动地发送数据给读写器：被动式电子标签使用调制散射 方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合 应用于门禁或交通管理中，因为读写器可以确保只激活一定范围内的电子标 签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障 碍物两次。而主动方式的电子标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动 方式工作的电子标签主要用于有障碍物的应用中，数据传输距离比较远( 可 达3 0 米) 。 2 读写器 ， 读写器是用来实现对r f i d 标签进行读写的电子装置，具有读写显示， 数据处理等功能，也可与计算机或其他系统联合完成对电子标签的操作。根 据其支持的标签类型不同与完成的功能不同，其复杂程度也不同。一般由编 码器、调制器、发射器、解码器、解调器、接收器和天线组成“”。读写器 的基本结构框图如图2 - 3 所示。 1 , 4 编调发 计 硬银身寸 算 器 斗 天r f d 器器 机 射频 线标签 系 鹪解接 统一一一 硬 诚收 器 器器 图2 - 3r f i d 读写器结构 山东大学硕士学位论文 3 计算机系统 计算机系统主要用于完成数据的存储、读写控制、数据管理、通讯等功 能，根据系统的不同要求，可以采用的计算机系统有p c 机、单片机等。 2 2 2r f l d 系统的工作原理 首先，读写器在一定区域内发射能量形成电磁场。标签进入读写器的射 频场后，接收读写器发出的射频脉冲，经过整流后给电容充电，当电容电压 经过稳压后就可以作为标签的工作电压“” 标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到逻 辑控制部分。逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。如果 需要发送数据，则标签首先将数据调制后再从收发模块发送出去。读写器接 收到返回的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后进行处 理，必要时还可以通过r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 等无线接口将数据传送到计算 机。读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同 步，从而简化了系统的设计。 r f i d 系统的数据读写操作严格按照“主一从原则”“”进行。读写器的所 有动作均由应用软件系统来控制，为了执行应用软件发出的一条指令，读写器 必须与一个标签建立数据通信。r f i d 系统中读写器是主动方，标签只响应读 写器所发出的指令。读写器的基本任务就是启动标签与读写器建立通信，并 在应用软件和标签之间传送数据。r f i d 的工作原理如图2 4 所示。 图2 - 4r f i d 系统工作原理 2 2 3r f i d 系统的数据传输 r f i d 系统的数据传输分为，读写器向电子标签方向的数据传输和电子标 山东大学硕士学位论文 签向读写器方向的数据传输“”订。 i 读写器向电子标签的数据传输 根据电子标签中存贮信息的注入方式不同，可以将读写器向射频标签方 向的数据传输“1 分为有线写入方式和无线写入方式两种。具体采用何种方 式，需要根据应用系统的需求、代价，技术实现的难易程度等因素确定。 在有线写入方式下，读写器的作用是向射频标签中的存贮单元写入数据 信息。根据射频标签存贮单元及编程写入控制电路的设计不同，写入方式可 以是一次性写入，写入后不能修改，也可以是允许有线多次改写的情形。另 外一种常用的写入方法是，i d 号的固化。每个射频标签要求具有唯一的标 识，这种唯一的标识被称为射频标签的i d 号，通常在标签出厂时已被固化 在射频标签内，用户无法修改。i d 号的固化过程可以在射频标签芯片生产 过程中完成，也可以是在指定射频标签应用后的初始化过程中完成。无论在 何时完成，都是以有线( 接触) 方式实现i d 号的写入。 对于声表面波s a w 射频标签以及其它无芯片射频标签来说，一般均在标 签制造过程中将标签i d 号固化到标签记忆体中 无线写入是r f i d 系统中读写器向射频标签进行数据传输的另一方式。 建议一般情况下不要采用无线写入方式，尤其是在r f i d 系统工作过程中， 原因如下： ( 1 ) 具有无线写入功能的r f i d 系统相对比较复杂。 ( 2 ) 采用集成电路芯片的射频标签写入信息要求的能量比读出信息要 求的能量要大得多，可以1 0 倍的量级进行估算。这就造成射频标签以无线 方式写入花费的时间要比从中读取等量数据信息花费的时间要长许多。 ( 3 ) 采用无线方式写入后一般均应对写入结果进行检验，检验的过程 是一个读取过程，因而造成写入过程所需的时间进一步增加。 ( 4 ) 无线写入过程中增加了写入时间，这非常不利于射频识别在鉴别 高速移动物体方面的应用。因为，读写器与射频标签之间经空间传输通道交 换数据的过程中，数据是一位一位排队串行进行的，其排队行进的速度由 r f i d 系统的设计决定。将射频标签看作数据信息的载体，数据信息总是以 1 6 山东大学硕士学位论文 一定长度的数据位组成，因而读取或写入这些数据信息位要花费一定的时 间。移动物体运动的速度越高，通过阅读区域所花费的时间就越少。当以无 线方式写入时，必须限制物体的运动速度以保证有足够的时间用于写入信 息。 ( 5 ) 无线写入方式，在写入过程中面临着射频标签信息的安全隐患 由于写入通道处于空间暴露状态，这给蓄谋攻击者提供了改写标签内容的机 会 根据读写器是否向射频标签发送指令，可以将读写器向射频标签的数据 传输方式分为射频标签只接受能量激励和射频标签既接受能量激励也接受读 写器指令两种方式。 射频标签只接受能量激励的系统属于较简单的r f i d 系统。这种r f i d 系 统一般不具备多标签识别能力。射频标签在其工作频带内被读写器发射的射 频能量激励后苏醒或上电，同时将标签存贮的信息反射出去。目前在用的铁 路车号识别系统就是采用这种方式工作的。 同时接受能量激励和读写器代码命令的系统属于复杂r f i d 系统。射频 标签接受读写器的指令无外乎是为了做两件事，即无线写入和多标签读取a 2 射频标签到读写器的数据传输 根据r f i d 标签向读写器传输数据的方式不同，可以将r f i d 标签到读写 器的数据传输分为两种： ( 1 ) 射频标签收到读写器发射的射频能量被激活后向读写器反射标签 内存贮的数据信息； ( 2 ) 射频标签收到读写器发送的射频能量被激活后，根据接收到的读 写器的指令情况转入发送数据状态或“睡眠休眠”状态。 从工作原理上来说，第一种工作方式属单向通信，第二种工作方式为半 双工双向通信。 2 2 4r f i d 系统数据的完整性与安全性 1 r f i d 系统数据的完整性沁”1 使用非接触技术进行数据传输时，经常会遇到干扰，使传输的数据发生 山东大学硕士学位论文 改变，从而导致传输错误，因而必须采取相应措施确保数据传输的完整性。 数据传输的完整性是用来描述数据传输过程中一组、一帧或包数据内在关 联一致性的概念。 发送教掘 干挽。二 接收信号 区王圈五 l 一团正圈 图2 - 5 数据传输时的干扰造成的数据接收错误 通常采用校验和法识别传输错误并启动校正措施或者舍弃传输的错误数 据，或者重新传输有错误的数据块来确保数据传输的完整性。常用的校验和 法是奇偶校验、纵向冗余校验( l r c ) 和循环冗余( c r c ) 校验” 奇偶校验是一种比较简单的校验方法并得到了广泛的应用这种方法是 把一个奇偶校验位组合到每一数据传输字节中，与数据一并传输( 一个字节 按9 位传) 。在数据传输前必须确定是采用偶校验还是奇校验，以保证发