基于RFID 的礦用產(chǎn)品安標(biāo)信息智能管控裝備和方法研究＊

孟慶勇

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

1 現(xiàn)行安標(biāo)管理手段面臨的問題

我國對礦用產(chǎn)品的安全管理主要手段為：由礦用產(chǎn)品安標(biāo)信息申請單位 （以下簡稱申請人）向安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安標(biāo)信息中心 （以下簡稱安標(biāo)國家中心）提出產(chǎn)品申辦安全標(biāo)志申請，安標(biāo)國家中心對申請產(chǎn)品組織實(shí)施技術(shù)審查，并委托國家安全監(jiān)管總局授權(quán)的檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，檢測合格后為產(chǎn)品配發(fā)安全標(biāo)志，申請人在產(chǎn)品外殼安裝安全標(biāo)簽。監(jiān)督管理主要采取年審、定期和不定期監(jiān)督檢查方式進(jìn)行，監(jiān)督手段主要是人為檢測。這種管控機(jī)制面臨沒有實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理、無法實(shí)時(shí)了解在用設(shè)備的本安參數(shù)等有關(guān)信息、無法控制用戶按規(guī)定配接設(shè)備、無法判斷在用產(chǎn)品是否嚴(yán)格按照安標(biāo)管理程序進(jìn)行生產(chǎn)，以及是否為安標(biāo)授權(quán)企業(yè)的產(chǎn)品、是否為假冒偽劣產(chǎn)品等問題。

為了解決上述問題，結(jié)合無線射頻識別技術(shù)（RFID），設(shè)計(jì)了新型安標(biāo)信息管控裝備，包括電子標(biāo)簽和安標(biāo)信息檢查儀 （對應(yīng)RFID 讀寫器），并以該設(shè)備為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了新型的安標(biāo)信息智能管控方法。

2 電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽分為主動式和被動式兩種，主動式標(biāo)簽主動向讀寫器發(fā)送射頻信號，通常由內(nèi)置電池供電，又稱為有源標(biāo)簽；被動式標(biāo)簽不帶電池，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。安標(biāo)信息檢查不是長時(shí)間持續(xù)性行為，且電子標(biāo)簽需要發(fā)送的信息量很小，所以使用被動式標(biāo)簽原理設(shè)計(jì)新型電子標(biāo)簽在技術(shù)和成本上更有優(yōu)勢。

基于RFID 技術(shù)設(shè)計(jì)的新型電子標(biāo)簽主要由天線、模擬前端、數(shù)字電路和存儲器組成。為了加強(qiáng)對礦用設(shè)備的管理，避免假冒或未授權(quán)產(chǎn)品的使用，設(shè)計(jì)了電子標(biāo)簽的外部接口，通過該接口與礦用設(shè)備的功能輸出端連接。新型電子標(biāo)簽電路框圖如圖1所示。

圖1 新型電子標(biāo)簽電路框圖

由圖1可以看出，新型電子標(biāo)簽包括天線、電源產(chǎn)生電路、穩(wěn)壓電路、控制單元、調(diào)制電路、解調(diào)電路、時(shí)鐘提取／產(chǎn)生電路、存儲器和外部接口，其中電源產(chǎn)生電路、穩(wěn)壓電路和調(diào)至解調(diào)電路屬于模擬前端，控制單元和時(shí)鐘提取產(chǎn)生電路屬于數(shù)字電路。

電源產(chǎn)生電路將天線接收到的射頻信號經(jīng)過射頻-直流轉(zhuǎn)換，與穩(wěn)壓電路一起為電子標(biāo)簽中的其它電路提供穩(wěn)定充足的電能；調(diào)制電路對基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制；解調(diào)電路對檢查儀發(fā)射來的命令信息進(jìn)行解調(diào)；存儲器存儲設(shè)備的安標(biāo)編號等信息；控制單元處理數(shù)字指令。

在使用安標(biāo)信息檢查儀檢查電子標(biāo)簽信息時(shí)，同一時(shí)間地點(diǎn)一臺檢查儀就可以滿足工作需求，所以可以不考慮多主收發(fā)帶來的復(fù)雜通信協(xié)議設(shè)計(jì)問題。使用UHF 超高頻段 （860～960 MHz）以增加無線傳輸距離 （3～6m）。

數(shù)字電路根據(jù)ISO18000-6 標(biāo)準(zhǔn)中的TypeC規(guī)定設(shè)計(jì)，數(shù)字電路部分電路結(jié)構(gòu)圖 （省略時(shí)鐘和復(fù)位電路部分）如圖2所示。

由圖2可知，外部接口實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換功能，將功能輸出端的模擬信號轉(zhuǎn)換為一組數(shù)字命令，該數(shù)字命令經(jīng)過解碼與控制單元解碼器輸出的數(shù)據(jù)一起送到命令比較器，只有兩組命令數(shù)據(jù)正確，命令比較器才會輸出正確的命令給狀態(tài)機(jī)和命令處理器，電子標(biāo)簽發(fā)給檢查儀的信息才是正確的，否則發(fā)送報(bào)錯信息。

圖2 電子標(biāo)簽數(shù)字電路結(jié)構(gòu)圖

3 安標(biāo)信息檢查儀設(shè)計(jì)

安標(biāo)信息檢查儀檢查投入使用的礦用產(chǎn)品安標(biāo)信息，設(shè)計(jì)的安標(biāo)信息檢查儀電路框圖如圖3所示。

圖3 安標(biāo)信息檢查儀電路框圖

由圖3可以看出，安標(biāo)信息檢查儀包括微控制器、射頻信號處理模塊、存儲器、顯示器、指示燈、發(fā)射按鈕、USB 接口、電源模塊和天線。射頻信號處理模塊處理天線收發(fā)射頻信號；存儲器存儲被檢礦用產(chǎn)品的安標(biāo)編號及對應(yīng)的外觀圖片和檢測到礦用產(chǎn)品的安標(biāo)編號等；顯示器顯示接收到安標(biāo)編號對應(yīng)產(chǎn)品的外觀圖片；指示燈指示檢查儀運(yùn)行狀態(tài)；USB接口用于與電腦連接。

4 安標(biāo)檢查儀硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 微控制器設(shè)計(jì)

微控制器采用ST 公司的STM32F107VCT6，它是一款高性能的基于Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)用于滿足集高性能、低功耗以及具有競爭價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。工作電壓可以很低，最高為3.6 V，擁有64 K 的RAM 和高達(dá)72 MHz的時(shí)鐘頻率，可以保證檢查儀的處理速度。ST 公司提供了免費(fèi)的固件庫，通過使用固件庫，無需深入掌握細(xì)節(jié)就可以輕松應(yīng)用每個外設(shè)，這樣可以大大減少程序編寫的時(shí)間，降低開發(fā)成本。以STM32F107VCT6 為控制芯片的控制原理圖如圖4所示。

圖4 STM32F107VCT6控制原理圖

圖4中，Y1是內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘的外接晶振，Y2是微控制器的外接晶振，CSn 等網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號對應(yīng)CC1101 連 接，TXD 對 應(yīng)STM32F107VCT6 的USART1，RXD 連接232轉(zhuǎn)USB電路，其余引腳網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接顯示屏和按鍵等。CC1101芯片通過SPI實(shí)現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)通信。其中，SCLK 是時(shí)鐘輸入；CSn為芯片選擇引腳；SO （GDO1）是數(shù)字輸出引腳，用于數(shù)據(jù)輸出，對接口進(jìn)行連續(xù)配置，當(dāng)CSn是高電平時(shí)作為一般輸出腳；SI為數(shù)字輸入引腳，用于對接口進(jìn)行連續(xù)配置；GDO2 是數(shù)字輸出引腳，用于信號測試、時(shí)鐘輸出和連續(xù)輸入發(fā)送數(shù)據(jù)等；GDO0 是數(shù)字I／O 引腳，用于信號測試、時(shí)鐘輸出、連續(xù)輸入發(fā)送數(shù)據(jù)，是進(jìn)行測試時(shí)模擬測試的I／O 口；AVDD 是功率 （模擬）引腳，提供1.8～3.6V功率供給連接；GND（數(shù)字）引腳是隔離數(shù)字噪聲的接地。CC1101內(nèi)部集成了一個功率放大器，但其放大信號僅為10dBm，不一定能滿足檢查儀的要求，原理圖中RF＿in和RF＿out為天線接口，可以直接天線，也可以增加功率發(fā)大器，可以按具體需要靈活選擇。

4.2 射頻收發(fā)電路設(shè)計(jì)

綜合考慮性能和成本，采用CC1101設(shè)計(jì)射頻收發(fā)電路。CC1101是一款低成本的超高頻收發(fā)芯片，內(nèi)部集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，能夠支持不同的調(diào)制格式。CC1101 芯片為數(shù)據(jù)處理、緩沖、傳輸以及射頻激發(fā)提供硬件支持，支持的頻段包括300～348 MHz、400～464 MHz以及800～928 MHz，靈敏度高，并可以實(shí)現(xiàn)傳輸功率、輸出功率以及基帶調(diào)制解調(diào)器等的編程控制。CC1101芯片射頻收發(fā)電路圖如圖5所示。

5 安標(biāo)信息智能管控方法設(shè)計(jì)

結(jié)合新的安標(biāo)信息管控裝備，設(shè)計(jì)了新的安標(biāo)信息智能管控方法，安標(biāo)信息智能管控方法示意圖如圖6所示。

5.1 設(shè)置安標(biāo)信息中心

在安標(biāo)國家中心設(shè)置一個安標(biāo)信息中心，由大型主機(jī)充當(dāng)，存儲授權(quán)礦用產(chǎn)品的安標(biāo)信息，安標(biāo)信息的內(nèi)容主要包括授權(quán)礦用產(chǎn)品名稱、安標(biāo)編號、生產(chǎn)廠家、安標(biāo)到期時(shí)間、生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、安標(biāo)狀態(tài)以及關(guān)聯(lián)設(shè)備，其中安標(biāo)狀態(tài)包括正常、暫停和撤銷。

圖5 CC1101芯片射頻收發(fā)電路

圖6 安標(biāo)信息智能管控方法示意圖

5.2 安標(biāo)認(rèn)證方法

為了適應(yīng)所提出的安標(biāo)信息管控裝備和方法，對安標(biāo)認(rèn)證方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后安標(biāo)認(rèn)證方法主要包括以下4個步驟：

（1）礦用產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)向國家安標(biāo)中心申請礦用產(chǎn)品安標(biāo)信息；

（2）安標(biāo)國家中心對申請產(chǎn)品組織實(shí)施技術(shù)審查，委托國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局授權(quán)的檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對產(chǎn)品進(jìn)行檢測，檢測合格后為產(chǎn)品配發(fā)安標(biāo)信息并發(fā)放安標(biāo)證書，同時(shí)進(jìn)行電子標(biāo)簽授權(quán)；

（3）礦用產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)獲得電子標(biāo)簽授權(quán)后，根據(jù)規(guī)范制作電子標(biāo)簽安裝到產(chǎn)品上；

（4）礦用產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)將授權(quán)的礦用產(chǎn)品名稱、安標(biāo)編號、生產(chǎn)廠家、安標(biāo)到期時(shí)間、生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)聯(lián)設(shè)備信息發(fā)送到安標(biāo)國家中心的安標(biāo)信息中心，安標(biāo)國家中心對所發(fā)送的信息進(jìn)行審核，審核通過后存儲至安標(biāo)信息中心。

5.3 安標(biāo)信息檢測方法

5.3.1 檢測方法

（1）從安標(biāo)信息中心下載被檢礦產(chǎn)企業(yè)所使用的全部礦用產(chǎn)品的安標(biāo)編號及每種編號對應(yīng)礦用產(chǎn)品的外觀圖片到安標(biāo)信息檢查儀。

（2）檢測人員使用安標(biāo)信息檢查儀到礦產(chǎn)企業(yè)檢測設(shè)備的安標(biāo)信息，要求被檢測礦用產(chǎn)品必須正常運(yùn)行，檢測人員按照礦用產(chǎn)品的連接順序檢測設(shè)備。

5.3.2 檢測過程

（1）檢察人員控制安標(biāo)信息檢查儀向電子標(biāo)簽發(fā)射射頻激活信號。

（2）收到射頻激活信號的電子標(biāo)簽在外部接口有正確特征信號輸入的情況下發(fā)射正確響應(yīng)信號，在外部接口沒有正確特征信號輸入的情況下發(fā)射報(bào)錯響應(yīng)信號。

（3）檢查儀接收電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號，微控制器內(nèi)部計(jì)數(shù)器加1，將計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)字作為檢測序號，并添加到接收到的安標(biāo)編號的首位前，刪除與上一次接收到的重復(fù)的安標(biāo)編號，存儲沒有重復(fù)并添加了檢測序號的安標(biāo)編號，將安標(biāo)編號對應(yīng)產(chǎn)品的外觀圖片顯示在屏幕上，顯示正確響應(yīng)信號對應(yīng)的礦用產(chǎn)品同時(shí)顯示設(shè)備開啟提示信息，顯示報(bào)錯響應(yīng)信號對應(yīng)的礦用產(chǎn)品同時(shí)顯示設(shè)備未正常開啟提示信息，檢察人員核對產(chǎn)品是否與屏幕顯示的外觀圖片一致，并檢查產(chǎn)品是否正常開啟。

（4）完成全礦礦用產(chǎn)品的檢測后，通過USB接口連接電腦，并通過Internet將安標(biāo)信息檢查儀的檢測數(shù)據(jù)傳送至安標(biāo)國家中心的安標(biāo)信息中心，安標(biāo)信息中心對檢查儀傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一是檢測礦用產(chǎn)品安標(biāo)是否到期、暫停或撤銷。將檢查儀傳送的所有安標(biāo)編號逐一掃描，有到期的、暫停或撤銷的予以指出；二是檢測礦用產(chǎn)品是否按規(guī)定配接。具有相同檢測序號的安標(biāo)編號為一組，逐個檢索每個設(shè)備安標(biāo)編號在同組中和前后相鄰組中是否能找到兩個與其關(guān)聯(lián)的配接設(shè)備，如果能，則判斷該設(shè)備是按規(guī)定配接的；如果不能，則判定沒有按規(guī)定配接其關(guān)聯(lián)設(shè)備，并予以指出。

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