防止数字指示秤技术作弊方法的分析和研究*

孙业梅 成建生 刘家骏

(1.淮安市计量测试所，淮安 223001；2.淮安信息职业技术学院，淮安 223001)

0 引言

用于贸易结算的数字指示秤是强制检定计量器具。它的准确与否关系到经营者和消费者的合法权益。然而，在数字指示秤广泛应用的今天，相当数量的数字指示秤被改造，具有了作弊功能[1]，尤其是通过修改软件而实现的作弊功能[2]，更不容易被广大消费者所识破。利用科技手段对电子衡器等计量器具进行作弊并不是中国的特有现象，世界各国无论先进与落后，或多或少都有作弊现象发生。为了遏制作弊现象，在防止数字指示秤作弊的技术方面，常用的方法有：软件加密、防止修改程序；采用物联网技术，实现一机一号；采用防无线摇控电路(实用专利，专利号 ZL 200920126051.3)；实施“四统一”(统一配置、统一管理、统一检定、统一轮换)方法，提高管理水平。以上方法只能解决部分作弊问题。有没有一个环节简单、操作方便、推广容易，并且能从各个环节入手对可能造成作弊的各种行为进行监控和预防，是我们一直思考的问题。为此本文研究了一套集软硬件为一体的方案，尝试着对这一问题进行较好的解决。

本文首次提出采用双核技术实现对每次称重计价信号(输入/输出)的采集，并与标准值进行比对，若判断有作弊计价行为，则记录作弊计价信息(时间、实际重量、显示重量)，并通过无线通讯方式将作弊计价信息传输到管理平台，有效地防止了数字指示秤的各种技术作弊，同时还可以实现对零散分布的数字指示秤实现集中数字化管理。

1 原理分析

1.1 数字指示秤工作原理

数字指示秤主要功能就是精确地把物体重量信号经传感器转换成电压模拟信号进行放大，A/D转换成稳定高效的数字信号，传送到中央微处理器(CPU或者单片机)处理，并经显示器件显示重量和金额[3]，工作原理如图1所示。

图1 数字指示秤电路工作原理框图

称重传感器是根据力-电转换原理，把非电量转换为电量，数字指示秤常用的是电阻应变式称重传感器，四个电阻应变片构成如图2的电桥。图2中:U为电桥外加电源电压；U0为电桥输出电压；R1，R2，R3，R4为四个电阻应变片。

图2 桥式称重传感器原理图

无物体时，电桥平衡：

R1/R3=R2/R4

(1)

U0=0

(2)

当放上物体时，对应部位的电阻应变片发生弹性变化，引起阻值改变，破坏电桥平衡，从而输出与所载物体的重量成正比的电压信号，即电阻应变片在弹性范围内的相对变化与引起变形的物体质量成正比:

ε=m/ES

(3)

式中：ε为电阻应变片的相对变形系数；m为物体的质量，kg；E为电阻应变片的弹性模量，kg/mm2；S为电阻应变片的横截面积mm2。

根据称重传感器的工作原理，R1和R4的相对变化及R2和R3的相对变化为

ΔR1/R1=ΔR4/R4=μKε

(4)

ΔR2/R2=ΔR3/R3=μKε

(5)

式中：μ为电阻应变片材料的泊松比；Kε为电阻应变片的应变灵敏系数。

当电桥供电电源为U时，称重传感器的电桥输出电压为：

U0=(1+μ)KεU/[2+(1-μ)Kε]

(6)

由于Kε值太小，分母中含Kε项忽略，式(6)整理可写成：

U0/U=(1+μ)Kε/2

(7)

式中：U0/U为称重传感器的灵敏度。

从式(7)可看出，输出电压U0的大小不仅与应变电阻片材料、物体的重量有关，而且与电桥的外加电压有关。

1.2 数字指示秤称重技术作弊手段

所谓称重技术作弊就是利用技术手段，使数字指示秤显示的重量与实际不符，从而实现多收钱或少付款的目的。

从图1数字指示秤电路工作原理框图可看出从称重到显示，要经过多个环节，任一环节的改变，都可改变显示结果。常见的方法有:

2.4 不同检测方法ROC曲线对比 AFP、CA125、TK1、联合检测的AUC值分别为0.722、0.804、0.812、0.906，联合检测AUC高于单项检测，见图1。

1)加装机械开关[4]：改变称重传感器的外接电源电压U和放大电路的放大倍数；

2)加装遥控器[4]：通过无线遥控，使称量虚增或虚减；

3)设置密码：利用称重指示秤上键盘，按几个事先设定的数字(密码)输入，从而调用作弊程序；

4)更改芯片：输入有作弊的程序，通过事先设定的密码或遥控器来实现作弊。

2 防止称重技术作弊的方案设计

从1.1、1.2分析可知，不管采用什么作弊原理和方法，都只有一个结果，即显示重量与实际重量不符。当数字指示秤经质监部门检定进入市场后，传感器输出的信号(传感器不能更换)应与显示值成一一对应关系，只要对应关系不成立，就可判断为作弊。根据这一原理，设计了可有效防止数字指示秤称重技术作弊的方案。

本设计方案由两部分构成：第一部分是数字指示秤管理系统设计；第二部分是数字指示秤作弊检测系统设计。

数字指示秤管理系统就是将数字指示秤作弊的信息发回管理中心和将管理中心的管理指令传送给数字指示秤。数据采用二级传输：第一级采用RF技术，实现低成本的短距离通讯，利于项目的推广；第二级采用GPRS网络通讯技术，实现数据的远程传输。

数字指示秤作弊检测系统就是在传统的系统上增加一个MCU，与传统的数字指示秤系统中的MCU构成双核系统，其中一核实现称重计价，另一核负责对称重计价信号的检查，经与标准值进行比较，若判断有作弊计价行为，则记录作弊计价信息(时间、实际重量、显示重量)，并通过无线方式将作弊计价信息传输到管理平台。本文重点研究数字指示秤作弊检测系统。具有防作弊功能的数字指示秤结构框图如图3所示。

图3 具有防作弊功能的数字指示秤结构框图

图5 具有防作弊功能的数字指示秤电路原理图

该系统具有以下功能：

1)具有传统的称重计价数字指示；

2)通过产品使用前的检定，可记录并保存称重传感器产生的标准输入信号和标准称重显示信号；

3)使用过程中，能检测称重传感器产生的输入信号和称重显示信号；

4)可进行信号比对，判断是否有称重计价作弊行为，对计价作弊行为进行记录，存贮其称重计价作弊信息；

5)无线传送称重计价作弊信息，且每台数字指示秤具有唯一的ID号。

该系统主要研究的内容是在原有数字指示秤的基础上重点对作弊检测系统进行开发，电路原理图如图5所示。PIC16LF873是8位CMOS闪存单片机，主要功能为：1)接收HX711称重数字信号，同时产生语音提示；2)记录作弊信息(实际重量、显示重量、金额、时间)；3)自校准功能。EM78P153是低耗高速8位单片机，主要功能为：1)接收称重输入和输出信号，分析判断是否具有作弊行为；2)监测电池电压变化；3)无线数据收、发管理。

3 试验与结果讨论

对5台检验合格的数字指示秤进行编号，分别为1#、2#、3#、4#、5#，将其内部CPU更换为PIC16LF873、EM78P153，构成具有防作弊功能的数字指示秤。在1#、2#、3#秤上分别安装不同的作弊装置：1#秤安装按键，改变传感器电压；2#秤设置键盘密码，调用作弊程序；3#秤加装遥控器，通过无线遥控，使称重虚增或虚减；4#、5#秤用于基准比对。分别开启1#、2#、3#秤作弊功能，观察管理平台上记录的数据。数字指示秤试验结果如表1所示,管理平台试验显示结果如表2所示。

表1数字指示秤试验结果

表2数字指示秤管理平台试验结果显示

注：误差=100%×(称重显示-砝码重)/砝码重

从表1可知，利用技术手段可使数字指示秤按设置的比例进行称重作弊。从表2可知，当有作弊行为时，在数字指示秤管理平台上可实时发现作弊现象，掌握作弊相关信息(ID号、作弊时间、称重显示、误差)，根据ID号在管理平台上可立即查出经营地点，经营者姓名等相关信息，为执法处理提供了准确、可靠的证据，实现了对数字指示秤使用的实时监控，从源头开始，从各个环节入手对可能造成作弊的各种行为进行监控，进而达到预防目的。

4 结束语

通过对数字指示秤称重技术作弊行为的分析，进行了防止数字指示秤称重技术作弊方法的研究，给出了一套集软硬件为一体的防止数字指示秤技术作弊的方案。该方案采用双核技术可对数字指示秤使用实行实时监控，能实现对零散分布的数字指示秤实现集中数字化管理，并通过实验验证了方案的可行性，从源头解决了数字指示秤称重技术作弊行为。防止数字指示秤作弊是一种社会责任，杜绝作弊，需要全社会的共同努力。

[1] 许涛， 李明.汽车衡稳重数据作弊鉴定案例分析[J].计量技术，2011(6)

[2] 赵武玉，马欣，邵鹏飞.电子汽车衡作弊装置原理分析[J].计量技术，2011(8 )

[3] 王梅.数字指示秤传感器的工作原理和失准校正[J].中国计量，2003(12)

[4] 马丙辉.数字指示秤标定功能分析及其监管的研究[J].中国计量，2012(2)

[5] 黄松涛.数字指示秤软件作弊功能分析及对策[J].上海计量测试，2009(6)

[6] 唐荻表.数字指示秤的防作弊[J].衡器，2011(4)