基于國密算法電子標簽的氣瓶快速識別處理裝置開發(fā)與應(yīng)用

， ， ， ，

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院， 上海 200062；2.上海華申智能卡應(yīng)用系統(tǒng)有限公司， 上海 200031； 3.上海華虹集成電路有限責(zé)任公司， 上海 201203)

氣瓶是用于充裝易燃、易爆、有毒、有害介質(zhì)的流動式壓力容器，屬于國家重點監(jiān)管的特種設(shè)備。我國氣瓶數(shù)量龐大，截至2016年底，全國共有氣瓶1.42億只，流轉(zhuǎn)于工礦企業(yè)、實驗室、民宅及社會公共場所，頻現(xiàn)串瓶、介質(zhì)混充、過量充裝及不合格瓶使用等行為，一旦發(fā)生事故，極易造成重大損害，社會影響惡劣[1-7]。

為解決上述問題，有關(guān)科研院所、生產(chǎn)企業(yè)、監(jiān)管部門及使用單位在相關(guān)系列課題的支持下，針對氣瓶量大面廣、數(shù)據(jù)量大的特點，首先開發(fā)了基于國家自主密碼算法(簡稱國密算法)的電子標簽及其讀寫裝置，保障數(shù)據(jù)安全，打破國外技術(shù)壟斷。繼而將電子標簽應(yīng)用于氣瓶上，通過監(jiān)管模式創(chuàng)新實現(xiàn)全覆蓋，針對氣瓶充裝流水線實現(xiàn)了自動快速讀寫和處理，并建立了相應(yīng)的管理系統(tǒng)，從而提升了氣瓶管理水平。

1 基于國密算法的讀寫器研發(fā)

1.1 研發(fā)背景

國內(nèi)外射頻識別(RFID)應(yīng)用中通常采用的密碼算法主要是菲利浦半導(dǎo)體公司的MIFARE算法，采用該算法的芯片在安全應(yīng)用領(lǐng)域占有主要市場份額。但該算法于2008-04被破解[8]，攻擊人員利用復(fù)制的票證進入倫敦地鐵，某些安全專家也破解了利用RFID存儲個人信息的新型生物科技護照。因此，急需開發(fā)并采用基于國密算法的電子標簽及相關(guān)產(chǎn)品，以替代目前國內(nèi)已大量應(yīng)用的MIFARE算法產(chǎn)品。

為了對氣瓶信息進行唯一標識、實現(xiàn)氣瓶全生命周期的信息跟蹤，項目組首先開發(fā)了基于國密算法的氣瓶電子標簽。為了使電子標簽信息有效、快速讀寫，同時研發(fā)了相應(yīng)的用于氣瓶充裝流水線上的電子標簽讀寫器。該讀寫器可支持多種電子標簽通信協(xié)議，并采用國密算法對電子標簽進行安全認證，內(nèi)部除安裝有SM7、SM1和SM2算法外，還自帶一些常用的算法和指令。

1.2 安全性要求

對于讀寫器與國密防偽電子標簽之間認證、相互通訊和數(shù)據(jù)傳輸安全問題，文中采用了非接觸式對稱國密算法SM7[9]，且符合采用SM7密碼算法的電子標簽芯片規(guī)范要求。對于聯(lián)機讀寫器與信息控制器之間的身份驗證和數(shù)據(jù)傳輸安全，采用了PKI和主密鑰認證體系相結(jié)合的方法，解決了終端與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｆ渲袀鬏攦?nèi)容加密采用主密鑰認證體系實現(xiàn)對稱加密，采用的算法包括對稱算法SM1、非對稱算法SM2。

1.3 射頻模塊

射頻模塊包括專用集成電路(ASIC)典型應(yīng)用電路、與MCU接口電路和天線電路。讀寫器發(fā)往電子標簽的命令調(diào)制到射頻信號上，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送出去，同時將電子標簽返回到讀寫器的信號進行加工處理，并從中解調(diào)提取標簽回送的數(shù)據(jù)。

1.4 通信協(xié)議

通信方式符合ISO/IEC 15693—2009《Information technology-Radio frequency identification for item management-Unique identification for RF tags》[10]、ISO/IEC 18000.6—2013《Information technology-Radio frequency identification for item management-Part 6：Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz General》[11]規(guī)定，分為長距離模式和快速模式[12-13]。兩種模式的編碼方式為脈沖位置調(diào)制，通過調(diào)制時間位置決定它代表的數(shù)值。文中采用的通信方式為長距離模式。

2 氣瓶快速識別處理裝置

2.1 氣瓶在線定位技術(shù)

2.1.1天線設(shè)置

首先考慮采用由多個天線組成的圓形環(huán)閉天線組，直徑比氣瓶瓶口略大。當氣瓶進入定位裝置時，提升臺將氣瓶抬起，由成組的弧形天線讀取電子標簽信息[14]。但該方案存在以下問題：①多個天線組成的圓形環(huán)閉天線組圓弧內(nèi)部每個天線的輻射可能相互干擾，天線的防干擾設(shè)計計算極為復(fù)雜。②成組天線設(shè)計對工控機的配置要求很高，天線的成本較高，相應(yīng)的軟件設(shè)計復(fù)雜，實際應(yīng)用中會影響讀寫效率。③圓形環(huán)閉天線組的使用對氣瓶瓶口外形尺寸有較高的要求。氣瓶經(jīng)過多次流轉(zhuǎn)使用，其瓶口可能會由于敲擊、碰撞而發(fā)生變形，無法進入環(huán)形天線，導(dǎo)致氣瓶電子標簽讀寫失敗。

為解決上述問題，通過大量試驗，最終確定采用固定在定位裝置兩側(cè)、面對面構(gòu)成的雙天線組。

2.1.2傳動裝置

為彌補雙天線組識讀范圍不足的缺陷，設(shè)計了傳動裝置，使氣瓶能夠轉(zhuǎn)動。氣瓶進入定位裝置時，夾瓶器抱瓶，由步進電機帶動氣瓶旋轉(zhuǎn)。裝置內(nèi)的天線組分別搜索氣瓶上的電子標簽。一旦氣瓶進入其中一組天線的輻射區(qū)域，工控機即控制電機停止旋轉(zhuǎn)，由該組天線對氣瓶電子標簽進行讀寫操作。

采用上述氣瓶在線定位技術(shù)，不僅完全解決了氣瓶在線定位、標簽識讀的難題，而且將上述定位和標簽讀寫的全過程控制在3 s內(nèi)，滿足在流水線上每小時充裝900只氣瓶的運行要求。

2.2 氣瓶快速識別處理裝置[15]

2.2.1主控設(shè)備

主控設(shè)備主要由工控機、防爆正壓配電柜和輸入輸出卡組成，負責(zé)控制標簽讀寫設(shè)備、氣動控制設(shè)備和電機控制設(shè)備。工控機是氣瓶電子標簽信息自動采集以及數(shù)據(jù)自動上傳的系統(tǒng)平臺。防爆正壓配電柜包括正壓腔(主腔)及自控系統(tǒng)(副腔)兩部分。輸入輸出卡可將工控機發(fā)出的電信號輸出指令轉(zhuǎn)換為氣動控制信號，也可將氣動控制信號轉(zhuǎn)換為工控機可識別的電子輸入信號。

2.2.2標簽讀寫設(shè)備

標簽讀寫設(shè)備由防爆天線和讀寫器組成。防爆天線是讀寫氣瓶電子標簽的重要組件，位于定位器兩側(cè)，氣瓶進入定位器后，氣缸將固定氣瓶位置，由天線自動讀取標簽的信息。讀寫器通過無線射頻與氣瓶電子標簽進行信息交換，并進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3氣動控制設(shè)備

氣動控制設(shè)備由防爆電磁閥、電容式接近開關(guān)和觸發(fā)器等組成，主要用于控制機械設(shè)備。氣動控制設(shè)備的氣路信號經(jīng)轉(zhuǎn)化后反饋給主控設(shè)備。防爆電磁閥的作用是將電子脈沖信號轉(zhuǎn)換為氣動脈沖信號。電容式接近開關(guān)將氣動脈沖信號轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號。觸發(fā)器用于控制氣動元件，觸發(fā)各機械設(shè)備的運作。

2.2.4電機控制設(shè)備

電機控制設(shè)備主要由步進電機、步進電機驅(qū)動器、減速器和可編程邏輯控制器等組成。步進電機帶動氣瓶進行旋轉(zhuǎn)，將氣瓶電子標簽旋轉(zhuǎn)至天線的有效輻射范圍內(nèi)。步進電機驅(qū)動器將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，減速器在步進電機和工作傳動輪之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩作用，可編程邏輯控制器用來設(shè)計數(shù)字運算操作。

2.2.5機械設(shè)備

機械設(shè)備由定位器、擋瓶器、推瓶器和防爆電子秤等組成。定位器由互鎖觸發(fā)器、步進電機、底部氣缸、抱瓶臂組成，擋瓶器由觸發(fā)器、滑動氣缸、定位閥組成，推瓶器由觸發(fā)器、滑動氣缸、定位閥組成。防爆電子秤安裝在定位裝置底部，在對氣瓶進行定位和讀取標簽數(shù)據(jù)的同時進行自動稱重。

3 氣瓶快速識別處理應(yīng)用系統(tǒng)

基于電子標簽的氣瓶快速識別處理應(yīng)用系統(tǒng)，滿足氣瓶定位、氣瓶電子標簽信息采集的準確、高效等要求，按不同功能可分為電機控制、充前檢查管理、氣瓶充裝統(tǒng)計和數(shù)據(jù)交互4個子系統(tǒng)，其功能構(gòu)架見圖1。

電機控制子系統(tǒng)對電機進行啟停等控制，并調(diào)整電機自動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。在讀寫器對氣瓶電子標簽進行識別并判定氣瓶合格與否后，由該系統(tǒng)對流水線上的氣瓶作出放行進入充裝作業(yè)區(qū)(合格氣瓶)或從流水線上推出(不合格氣瓶)的處理。

圖1 氣瓶快速識別處理應(yīng)用系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

充前檢查管理子系統(tǒng)自動根據(jù)讀取的氣瓶產(chǎn)權(quán)單位代碼、制造日期、檢驗有效期等信息，判斷氣瓶是否合格。對于準許進入充裝作業(yè)區(qū)的氣瓶，在電子標簽中寫入氣瓶充裝信息，連同電子標簽內(nèi)記錄的基本信息一并上傳到本地數(shù)據(jù)庫。對于非本充裝企業(yè)自有、應(yīng)當報廢、超過檢驗有效期的不合格氣瓶，由推瓶器將其推出流水線。

氣瓶充裝統(tǒng)計子系統(tǒng)用于對充裝前氣瓶的基本情況進行統(tǒng)計，包括氣瓶上線數(shù)量、混入本企業(yè)的非自有氣瓶數(shù)量、超過使用壽命需要作報廢處理的氣瓶數(shù)量、超過檢驗有效期需要送檢的氣瓶數(shù)量，以及合格氣瓶數(shù)量等的統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)交互子系統(tǒng)用于定時、自動將氣瓶合法性、使用登記代碼、充裝時間、充裝班次和操作人員代碼等上傳至數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)語

研發(fā)的基于國密算法的氣瓶電子標簽及其讀寫器快速識別處理裝置及其應(yīng)用系統(tǒng)已在多條液化石油氣充裝流水線上成功應(yīng)用，單條流水線作業(yè)人員減少了2/3，徹底改變了傳統(tǒng)依靠人眼識別、手工記錄的落后管理方式，極大提升了氣瓶管理自動化水平，有效降低了氣瓶事故率，對保障我國城市公共安全和企業(yè)生產(chǎn)安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

[1] 吳旭正.特種設(shè)備典型事故案例集[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

(WU X Z. Typical Accident Case Set of Special Equipment[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2015.)

[2] 魯紅亮，薛小龍，湯曉英，等.氣瓶安全監(jiān)管技術(shù)的研究進展[J].中國特種設(shè)備安全，2015，31(Z1)：26-30，34.

(LU H L，XUE X L，TANG X Y，et al. Progress in Gas Cylinder Safety Technology[J].China Special Equipment Safety，2015，31(Z1)：26-30，34.)

[3] 徐瑩.就幾起事故談加強氣瓶管理[J].低溫與特氣，2000，14(4)：35-36.

(XU Y. Discussion on Strengthening Gas Cylinder Management in Several Accidents[J]. Low Temperature and Specialty Gases，2000，14(4)：35-36.)

[4] 李文煒，狄剛，王瑞欣，等.“8·29”充裝臺充裝現(xiàn)場氧氣瓶爆炸事故原因分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8(6)：120-124.

(LI W W，DI G，WANG R X，et al. Cause Analysis of the“8·29”O(jiān)xygen Cylinder Explosion Accident on the Filling Station[J]. Journal of Safety Science and Technology，2012，8(6)：120-124.)

[5] 毛天林，許林滔.一起鋼質(zhì)無縫氣瓶爆炸事故技術(shù)分析[J].中國特種設(shè)備安全，2014，30(7)：53-55.

(MAO T L，XU L T. Failure Analysis on the Explosion Accident of Steel Seamless Gas Cylinder [J]. China Special Equipment Safety，2014，30(7)：53-55.)

[6] 李文煒，杜清，何承代，等.一起液氧焊接絕熱氣瓶爆炸事故的深度分析及反思[J].中國特種設(shè)備安全，2015，31(12)：73-76.

(LI W W，DU Q，HE C D，et al. In-depth Analysis and Reflection on an Explosion Accident of Liquid Oxygen Insulated Cylinder for Welding[J]. China Special Equipment Safety，2015，31(12)：73-76.)

[7] 姜火泉.一起氣瓶違規(guī)操作事故的原因分析[J].安全，2012(3)：33-35.

(JIANG H Q. Cause Analysis of an Illegal Operation Accident of Gas Cylinder[J].Safety，2012(3)：33-35.)

[8] 張少華.我們該如何看待MIFARE I卡的安全性問題[J].中國安防，2009(8)：97-100.

(ZHANG S H. How do We Look at Security Issues MIFARE I Card[J].China Security & Protection，2009(8)：97-100.)

[9] 田濤，蘇董杰，赫松齡，等.基于國密SM7算法的電子標簽在防偽中的應(yīng)用[J].中國集成電路，2011，20(11)： 70-72.

(TIAN T，SU D J，HE S L，et al. Application of Electronic Label Based on National Security SM7 Algorithm in Security Prevention [J]. China Integrated Circuit，2011，20(11)：70-72.)

[10] ISO/IEC 15693—2009，Information Technology-Radio Frequency Identification for Item Management-Unique Identification for RF Tags[S].

[11] ISO/IEC 18000.6—2013，Information Technology-Radio Frequency Identification for Item Management-Part 6：Parameters for Air Interface Communications at 860 MHz to 960 MHz General[S].

[12] 耿力.ISO/IEC的RFID空中接口標準比較分析[J].信息技術(shù)與標準化，2006(7)：25-29.

(GENG L.Compare and Analysis of RFID Air Interface Standards of ISO/IEC[J].Information Technology & Standardization，2006(7)：25-29.)

[13] 張有光，杜萬，張秀春，等. 全球三大RFID標準體系比較分析[J].中國標準化，2006(3)：61-63.

(ZHANG Y G，DU W，ZHANG X C，et al. Comparative Analysis of Three Global RFID Standard Systems [J]. China Standardization，2006(3)：61-63.)

[14] 徐鶴森，陳堅，李駿，等.全方位高頻標簽讀寫器：200810038706.1[P].2008-10-22.

(XU H S，CHEN J，LI J，et al. Full Range of High-frequency Tag Reader：200810038706.1[P]. 2008-10-22.)

[15] 陳堅，徐鶴森，楊佳毅.應(yīng)用于鋼瓶上的電子標簽讀寫系統(tǒng)：201110041117.0[P].2012-09-26.

(CHEN J，XU H S，YANG J Y. Application of Electronic Tags on the Cylinder Read and Write System： 201110041117.0[P].2012-09-26.)