基于RFID技术的电子铅封管理系统研究*

曾志辉，郅富标

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;2.河南工业和信息化职业学院电气工程系，河南焦作454003)

基于RFID技术的电子铅封管理系统研究*

曾志辉1*，郅富标2

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;2.河南工业和信息化职业学院电气工程系，河南焦作454003)

根据目前各种计量仪表传统的铅封现状及存在的主要问题，提出了一个科学、简便、有效的智能电子防伪表封解决方案。该系统采用RFID技术对计量仪表进行电子表封，然后通过RFID阅读器完成对仪表数据的管理。从而在根本上解决对表封的私拆、故意损坏、伪造及被施封物品的非正常开启的识别和验证。

无线射频技术;电子表封;射频识别;防伪

表封又称之为封印，通常用塑料、金属等材料制作，用于计量设备的防止开启、破坏等防伪、防窃电和防止作弊的作用。表封是电能计量人员实施计量法的具体执行手段。它具有一定的法律效力，同时对计量设备的准确性、可靠性、连续性起着重要的作用。表封的历史悠久、应用广泛，使用简便，传统的表封因其结构及施封标识简单，容易复制，所以防伪性能较差，无法从根本上解决被仿冒或被同样品种表封替换的问题。同样品种的表封易从内部管理人员、生产厂家或市场上获得，也比较容易采用一般工艺手段仿制达到以假乱真且不易判断。目前，随着射频技术的快速发展，RFID射频技术在各领域应用的越来越广，电子射频表封的应用也越来越受到关注。射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在物流、交通航运、自动收费、服务，电力领域等方面有着广泛的应用前景［1-2］。

本系统将从电力公司信息化建设的实际情况出发，针对现有表封技术所存在的不足提出一个科学、简便、有效的智能电子防伪表封解决方案。利用射频识别技术进行电子射频表封，从根本上解决对表封的私拆、故意损坏、伪造及被施封物品的非正常开启的识别和验证。并且应用起来很方便和快捷，大大节省了人力、物力，提高了系统的自动化水平，更重要的是满足了通过电子手段解决各种器具、物品的安全识别、防拆防盗的安全需求，让反窃电工作的防、查措施更科学有效，真正起到防止破坏/伪造计量表封而造成的窃电现象的发生而造成的窃电损失，达到反窃电的目标，从而维护电力公司的利益，保护国家财产安全。

1 系统硬件组成

系统主要包括两个部分:无源RFID电子表封、RFID阅读器。当无源RFID表封的计量仪表被RFID阅读器扫描的时候能够感应出电压，从而使自己开始工作，并把自身的ID号回传到阅读器，阅读器通过ID号检索本表封的相关的信息，并通过LCD液晶显示屏显示出来［3-4］。系统的硬件框图如图1所示。

图1 系统框图

1.1 RFID电子表封

电子标签是射频识别系统真正的数据载体，由线圈(天线)和用于存储有关应用标识信息的存储器及微电子芯片组成。RFID表封分为两种一种是可擦写的，一种是只读的。只读的电子表封本体内部封装瑞典原厂制造的ID数码芯片(芯片字符长度64 bit)，内核为64 bit激光可编程ROM，调制方式为曼彻斯特码(Manchester)调制，位数据传送周期为512μs，ID号全球唯一。可读写的电子表封内核Mifare1是一种智能卡(Smart Card)，内建有中央微处理机(MCU)和ASIC等，使卡在安全保密性、认证逻辑、算术运算等微操作控制有序进行。本设计采用PHILPS公司生产的Ml芯片进行电子表封，它内部结构较为复杂，可分为射频接口、数字处理单元、E2PROM(1k byte)3部分，逻辑框图见图2所示。

图2 电子表封标签系统图

采用M1智能卡可读写的电子表封本体内部的防盗结构及嵌入式注塑工艺使得该电子表封具有极为可靠的防伪性和防盗性。任何对于表封本体的拆卸、盗取和仿制均会造成非常明显的损坏，同时内部封装的ID芯片因外力作用而损毁不可重复使用，因此，该表封具有极高的安全性和可靠性。

1.2 RFID阅读器设计

本系统设计的读写器是手持式的RFID阅读器，该装置是一种手持电脑读码设备，能够在任何场合下通过射频方式读取电子表封上的ID码数值，并根据ID号检索该表封对应的信息(所属省份、城市、分局、班组，安装地点、时间、识别码等信息)。可读写的RFID表封可以从表封内部直接读取相关信息。另外还可以通过手动输入ID号，查询相关信息，RFID阅读器可存储1万余条用户资料，并通过RS232接口和电脑进行数据通讯和下载、上传数据。也可以通过人工记录方式登记管理表封。该读写装置的电路逻辑框图如图3所示［5］。

图3 RFID阅读器电路逻辑图

本系统采用的是STC系列低功耗STC89LE516单片机作为控制核心，通过专用读卡IC系列中的RC500作为与标签通信的通道，对电子标签中的内容进行读写，实现读写器的数据管理。其主控电路如图4所示，STC89LE516单片机在正常状态下工作电流为4 mA～7 mA，掉电模式下为0.5μA，可以由中断唤醒位数正常工作状态，这样可以讲读写器的功耗将为最低，利于环保和使用。并且IO口和电源都经过了特殊的抗干扰处理，提高了系统的抗干扰能力，使用方法和普通的51单片机基本相同，便于进行系统开发。

图4 基于STC89LE516的主控电路

系统开始工作后，电子标签处于被动状态，读写器处于主动状态，当有卡处于读写器的接收范围(最大100 mm)时，读写器向卡发出一组固定频率的电磁波，卡片内有一个串联的LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，此电容的另一端，接有一个单相导通的电子泵，将电容内的电荷送到旁置电容内存储，当所积累的电荷达到2 V的时候，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内的数据发射出去或者接受读写器的数据。而在读写器的这一端，通过天线接收的电子标签的天线发送的电磁波之后，通过简单的接口电路，将信号送给RC500芯片，通过RC500内部自带的调制和解码电路，将信号处理成为与之相匹配逻辑信号，经过RC500的寄存器处理后，经过并行接与8 bit单片机的数据口相连接，将信息传送给单片机。再由单片机处理信息之后，在LCD显示屏上显示，并存储在EEPROM中。MCU通过USB转RS232专用芯片PL_2303HX转换逻辑电平之后，是硬件上用USB即可实现读写器与电脑之间的通信，收集到的信息被传送到电脑后，可实现用户的信息管理。图5是RC500与13.56MHz天线的接口电路图，电路时钟采用13.56 MHz的晶振，采用总线接口，便于和单片机相连接，读卡芯片专门为MCU51提供了ALE地址锁存引脚，在本系统中芯片是和MCU51连接的，并且采用地址数据服用口P0口，芯片的ALE引脚与单片机的ALE引脚相连接。供电电压，DVDD最低电压不能低于3.1 V，TVDD与AVDD电压可以与DVDD电压分开接，TVDD和AVDD的电压要高于4.0 V。

图5 RC500与13.56 MHz天线的接口电路

2 系统软件设计

在系统实现过程中需建立系统的指令流程，以确保在数据交换过程中卡和读卡器之间数据的同步及数据能被正确接收、识别，图6为系统指令流程图［6］。

图6 系统指令流程图

系统中读卡器在工作时必须按固定的顺序进行询卡，防冲突，选卡，验证密码，读写卡，停卡等系列操作。当没有射频卡进入射频天线有效范围时，读卡器显示当前时钟，当有射频卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序验证卡及密码成功后，将卡号和读卡时间及相关数据作为一条记录存入EEPROM存储器中，并在LED显示器上显示卡号，具体步骤如图7所示［7］。

图7 读卡器流程图

3 系统读写实验

本文根据上述系统设计进行了整个电子表封的读写实验。图8为电表铅封信息读写实验界面，系统通过串口对表封进行读写数据，其中包括每个数据块中的内容和密码的验证，以及区别每块卡的卡号，在各块的内容中可以存储电表安装的时间，正常打开的次数以及维修的时间和次数等内容。系统通过单片机控制可将卡中的内容读出，并进行密码和内容的修改并读出。

图8 电表信息读写界面

将表1中铅封电表基本信息，通过图8界面写入到电表内，完成电表信息的输入。之后将表1中电表信息下载到手持电子表封读写器，即电子表封管理器里。

表1 实验测试的铅封电表基本信息

图9为电子表封读写器界面，通过这个界面可以对手持管理器进行时间和机器编号进行设置。电表信息下载完成后，手持电子表封管理器就可以对铅封电表进行相应的检测了。图10为手持机程序调试界面，图11为电子表封管理系统实物图。

图9 电子表封管理器读写界面

图10 电子表封程序调试界面

图11 电子表封管理系统实物图

通过对铅封电表的信息写入和手持电子表封管理器的读写实验，验证了代表电表信息ID号的唯一识别性以及整个基于RFID技术的电子铅封管理系统运行的正确性。

4 结束语

本文选用AT89S52作为MCU，采用SPI接口的串行AT45DB041B作为存储模块，MF RC500作为读卡器射频模块芯片进行了基于RFID技术的电子铅封管理系统设计。该系统采用RFID技术对电能表进行电子表封，然后通过RFID阅读器完成对仪表数据的管理，从根本上解决对表封的私拆、故意损坏、伪造及电能表的非正常开启的识别和验证，有效达到防止窃电的目标，维护电力公司的利益，保护国家财产安全［8］。

［1］郭俐虹.基于RFID技术的电子标签读写系统的设计与实现［J］.武汉理工大学学报，2008，30(4):596-599.

［2］邢成岗，匡荣.智能防伪电子铅封管理系统的研制［J］.供用电，2010，27(3):66-67.

［3］刘洋.基于RFID电子封条系统设计与实现［D］.安徽大学，2012.

［4］孔令仲，唐鼎甲RFID在电子标签中的应用［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］张婷.射频技术在物联网中的应用［J］.现代电子技术，2014，37(6):56-60.

［8］谢晶.射频技术在电力抄表系统中的应用［J］.机械制造与自动化，2003(6):115-117.

曾志辉(1978-)，男，江西临川人，副教授，博士，主要从事信号处理、大功率开关电源技术、储能技术等方面研究，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

项目来源:国家自然科学基金项目(61403127);河南理工大学青年基金项目(Q2009-38)

2016-01-24修改日期:2016-03-09