RFID在測量船裝備管理中的應(yīng)用研究

邱冬冬，金華松，于建成

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識別的一項(xiàng)技術(shù)。RFID的基本原理是利用電磁場的空間傳播理論，在讀寫器和電子標(biāo)簽之間通過射頻通訊的方式實(shí)現(xiàn)無接觸的數(shù)據(jù)收發(fā)通信，從而能對物體進(jìn)行唯一性標(biāo)識。該技術(shù)以其高保密性和便攜易用性，已經(jīng)大量應(yīng)用于物流和交通管理等領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)或靜態(tài)目標(biāo)的識別和采集數(shù)據(jù)以及物品的跟蹤定位等功能[1-6]。

測量船的試驗(yàn)裝備種類和數(shù)量繁多，管理起來比較復(fù)雜。雖然現(xiàn)在引入了質(zhì)量管理體系，但現(xiàn)在的裝備管理仍舊依靠老式的人工管理方法，信息化程度不高，裝備的申請、審批、借調(diào)、保養(yǎng)和維修等環(huán)節(jié)都是借助于人工處理的方式，這種方式的效率不高，在當(dāng)前測量船測控任務(wù)密度大的情況下，裝備的管理容易出現(xiàn)差錯(cuò)。

RFID技術(shù)可以自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)、建立電子標(biāo)簽，安全性能好，能克服傳統(tǒng)裝備管理中的不足，有效地控制和降低管理成本，簡化業(yè)務(wù)工作流程，提高裝備管理的效率。測量船在出海執(zhí)行任務(wù)期間，裝備調(diào)用、維護(hù)頻繁，在試驗(yàn)裝備的管理上存在一定的難度，RFID系統(tǒng)可以有效地提高測量船裝備管理的效率，具有很大的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 RFID技術(shù)基本原理

雖然已經(jīng)產(chǎn)生了半個(gè)多世紀(jì)，但是受限于技術(shù)和成本，RFID技術(shù)直至上世紀(jì)90年代才迅速發(fā)展起來。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)將多種學(xué)科技術(shù)進(jìn)行融合，逐漸發(fā)展成一個(gè)跨學(xué)科的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外對RFID技術(shù)的研究主要集中在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定、電子標(biāo)簽成本的控制、技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用等方面。

RFID系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure schematic of RFID system

其中，讀寫器是用來實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽的讀寫功能，是RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。按照頻率、使用場合和天線數(shù)量等分類標(biāo)準(zhǔn)，可對讀寫器進(jìn)行不同的分類；射頻天線是發(fā)射和接受射頻信號的設(shè)備。發(fā)射時(shí)，將高頻電流信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號，接收與發(fā)射過程正好相反。射頻天線負(fù)責(zé)將整個(gè)系統(tǒng)連接起來。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率不同，射頻天線分為近場感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場輻射天線；電子標(biāo)簽一般由耦合元件和芯片組成，作用是接受讀寫器的激活操作，正確的發(fā)射和接收射頻載波信號，與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸交換功能。電子標(biāo)簽在使用時(shí)一般需要附著在物體上。電子標(biāo)簽存在有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽之分。

讀寫器的天線發(fā)射出與標(biāo)簽相應(yīng)的工作頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入信號范圍時(shí)，標(biāo)簽天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，標(biāo)簽獲得能量后被激活，并向讀寫器發(fā)送出自身的標(biāo)簽信息。讀寫器接到信號后對解調(diào)出標(biāo)簽信息并送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)按需求對標(biāo)簽發(fā)出相應(yīng)的處理和控制指令，標(biāo)簽的解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯，控制邏輯完成數(shù)據(jù)存儲、發(fā)送或其它相關(guān)操作。

1.2 系統(tǒng)組成和功能

本文將RFID技術(shù)應(yīng)用于裝備管理中，設(shè)計(jì)了一個(gè)RFID系統(tǒng)，該系統(tǒng)由讀寫器、裝備的倉儲門禁管理終端、報(bào)警裝置、服務(wù)器、裝備管理終端、RFID管理終端、用戶終端和便攜式RFID終端等部分組成。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 應(yīng)用RFID技術(shù)的裝備管理系統(tǒng)組成圖Fig. 2 Composition of an equipments management system applied RFID technology

當(dāng)有裝備進(jìn)入或調(diào)出倉儲室時(shí)，RFID管理終端通過讀寫器讀出標(biāo)簽上記錄的裝備綜合信息，并將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器；裝備管理終端里面有裝備實(shí)力數(shù)據(jù)庫，并建立起了裝備與標(biāo)簽的對應(yīng)關(guān)系，還可通過服務(wù)器，經(jīng)RFID管理終端對設(shè)備的標(biāo)簽進(jìn)行編輯和更新等操作；便攜式RFID終端可隨時(shí)對裝備上的RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行現(xiàn)場采集，并查看裝備信息；若有人員或裝備違規(guī)進(jìn)出倉儲室時(shí)，聲光報(bào)警裝置將啟動(dòng)，同時(shí)，倉儲入口處的讀寫器也會(huì)對裝備信息進(jìn)行讀取，并在門禁管理終端上留下相應(yīng)的記錄。

該RFID系統(tǒng)與現(xiàn)有的試驗(yàn)裝備實(shí)力管理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，即被管裝備上的電子標(biāo)簽內(nèi)被設(shè)定了獨(dú)有的設(shè)備編碼，該編碼與裝備實(shí)力數(shù)據(jù)庫中的裝備一一對應(yīng)。通過RFID讀寫器或便攜式RFID終端可讀取裝備上的編碼信息，并通過編碼顯示該裝備在裝備實(shí)力數(shù)據(jù)庫中的其他信息，比如裝備編號、名稱、型號、裝備負(fù)責(zé)人等信息，或是裝備維護(hù)維修記錄、借調(diào)記錄、參試記錄和準(zhǔn)用狀態(tài)等信息。同時(shí)，當(dāng)裝備有了狀態(tài)改變，也可以通過RFID讀寫器，在裝備實(shí)力數(shù)據(jù)庫中對其進(jìn)行狀態(tài)更新。

當(dāng)進(jìn)行裝備檢查時(shí)，裝備管理機(jī)關(guān)到裝備使用單位，利用手持RFID終端檢查裝備的在位、配套以及使用情況和登記情況是否一致。在試驗(yàn)前進(jìn)行裝備狀態(tài)確認(rèn)時(shí)，利用手持RFID終端檢查裝備準(zhǔn)用證狀態(tài)和裝備測試的詳細(xì)記錄，檢查裝備能不能滿足試驗(yàn)任務(wù)的要求。

當(dāng)攜帶涉密裝備或其他重要裝備外出時(shí)，需經(jīng)過申請和審批，通過之后才可以順利通過門禁，不然便發(fā)出告警，并留下記錄。

1.3 安全機(jī)制研究

RFID系統(tǒng)工作的關(guān)鍵就是標(biāo)簽與讀寫器之間的射頻通道，由于射頻的發(fā)射和接收的隱蔽性差，RFID系統(tǒng)容易遭受各種形式的攻擊和威脅。RFID系統(tǒng)的安全問題可以歸結(jié)為一點(diǎn)，就是非法的讀寫器對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，從而獲取到裝備的敏感信息，造成失泄密的發(fā)生，甚至是篡改裝備實(shí)力信息，或是通過竊取的標(biāo)簽信息對標(biāo)簽進(jìn)行偽造，并利用偽造的標(biāo)簽代替原有標(biāo)簽，造成不可估量的損失。因而，加強(qiáng)對RFID安全機(jī)制的研究就顯得十分重要。

當(dāng)前，保障RFID系統(tǒng)本身安全的方法主要有兩大類：物理安全機(jī)制（“Kill Tag”銷毀標(biāo)簽，法拉第網(wǎng)罩和主動(dòng)干擾），安全協(xié)議法等。

“Kill Tag”銷毀標(biāo)簽法指的是從物理上銷毀RFID標(biāo)簽的一種方法，一旦使用，標(biāo)簽將永久作廢[7]。法拉第網(wǎng)罩法是在RFID標(biāo)簽周圍加一個(gè)屏蔽罩，這樣以來，外部電磁信號不能進(jìn)入屏蔽罩，里面的電磁波信號也無法穿透出去。此方法可以阻止外部設(shè)備掃描標(biāo)簽，但是要增加一個(gè)物理設(shè)備，帶來不便的同時(shí)也大大增加了成本。主動(dòng)干擾法是指的是用設(shè)備主動(dòng)發(fā)射無線電信號以阻止或破壞附近設(shè)備的讀寫操作。該方法可能導(dǎo)致非法干擾，甚至可能阻斷附近其它無線通信系統(tǒng)。

安全協(xié)議法是在RFID得到廣泛應(yīng)用之后提出來的一種解決信道數(shù)據(jù)的安全傳輸?shù)姆椒?，這種方法不需要使用額外的物理設(shè)備，操作使用方便高效，并且安全性高，是提高RFID系統(tǒng)安全性的一種較好的解決方案。其典型代表是Hash-Lock協(xié)議法。Hash-Lock協(xié)議的工作機(jī)制如下[8]：

鎖定標(biāo)簽：對于唯一標(biāo)志號為ID的標(biāo)簽，首先讀寫器隨機(jī)產(chǎn)生該標(biāo)簽的Key，計(jì)算metaID=Hash(Key)，將metaID發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽將metaID存儲下來，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。讀寫器將(metaID,Key,ID)存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，并以metaID為索引。

解鎖標(biāo)簽：讀寫器詢問標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽回答metaID；讀寫器查詢后臺數(shù)據(jù)庫，找到對應(yīng)的(metaID,Key,ID)記錄，然后將該Key值發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽收到Key值后，計(jì)算Hash(Key)值，并與自身存儲的metaID 值比較，若Hash(Key)=metaID，標(biāo)簽將其ID發(fā)送給讀寫器，這時(shí)標(biāo)簽進(jìn)入已解鎖狀態(tài)，并為附近的讀寫器開放所有的功能，否則，返回給讀寫器認(rèn)證失敗信息。安全協(xié)議流程如圖3 所示。

1.4 應(yīng)用領(lǐng)域

圖3 Hash-Lock安全協(xié)議工作流程Fig. 3 Workflow of Hash-Lock security protocol

RFID系統(tǒng)可以應(yīng)用在裝備的倉儲管理中，這樣可以高效地管理倉儲裝備的流動(dòng)信息，還可以監(jiān)視裝備的一切信息。當(dāng)需要調(diào)用裝備時(shí)，裝備在某個(gè)時(shí)間段的位置、狀態(tài)和調(diào)用情況經(jīng)過裝備流經(jīng)地的讀寫器的操作，都可以在裝備實(shí)力數(shù)據(jù)庫中得到體現(xiàn)。這樣監(jiān)控中心可以了解到裝備的各種實(shí)時(shí)信息。

當(dāng)需要維護(hù)或者進(jìn)廠維修時(shí)，可以通過便攜式RFID終端對裝備進(jìn)行更新標(biāo)簽的操作，之后將裝備實(shí)力數(shù)據(jù)庫中的裝備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，并可以生成報(bào)告，方便查閱裝備的維護(hù)、維修情況。

此外，在裝備的運(yùn)輸過程中、追蹤監(jiān)控過程中，都可以引入RFID技術(shù)。通過在裝備管理中引入RFID技術(shù)，可以簡化業(yè)務(wù)工作流程、改善清查裝備的質(zhì)量、降低運(yùn)作成本。

2 結(jié)束語

本文介紹了RFID技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于裝備管理的RFID系統(tǒng)，并闡述了其運(yùn)行機(jī)制。最后介紹了RFID技術(shù)的安全機(jī)制和應(yīng)用領(lǐng)域。RFID技術(shù)為裝備管理和保障模式帶來變革，與任何一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用一樣，這需要我們擴(kuò)寬思路、開拓視野，時(shí)刻關(guān)注應(yīng)用發(fā)展的進(jìn)展及研究方向，將RFID的推廣應(yīng)用真正落到實(shí)處，提高裝備管理水平和效率、降低保障成本，不斷增強(qiáng)測量船執(zhí)行海上測控任務(wù)的能力。

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