基于国密算法电子标签的气瓶快速识别处理装置开发与应用

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(1.上海市特种设备监督检验技术研究院， 上海 200062；2.上海华申智能卡应用系统有限公司， 上海 200031； 3.上海华虹集成电路有限责任公司， 上海 201203)

气瓶是用于充装易燃、易爆、有毒、有害介质的流动式压力容器，属于国家重点监管的特种设备。我国气瓶数量庞大，截至2016年底，全国共有气瓶1.42亿只，流转于工矿企业、实验室、民宅及社会公共场所，频现串瓶、介质混充、过量充装及不合格瓶使用等行为，一旦发生事故，极易造成重大损害，社会影响恶劣[1-7]。

为解决上述问题，有关科研院所、生产企业、监管部门及使用单位在相关系列课题的支持下，针对气瓶量大面广、数据量大的特点，首先开发了基于国家自主密码算法(简称国密算法)的电子标签及其读写装置，保障数据安全，打破国外技术垄断。继而将电子标签应用于气瓶上，通过监管模式创新实现全覆盖，针对气瓶充装流水线实现了自动快速读写和处理，并建立了相应的管理系统，从而提升了气瓶管理水平。

1 基于国密算法的读写器研发

1.1 研发背景

国内外射频识别(RFID)应用中通常采用的密码算法主要是菲利浦半导体公司的MIFARE算法，采用该算法的芯片在安全应用领域占有主要市场份额。但该算法于2008-04被破解[8]，攻击人员利用复制的票证进入伦敦地铁，某些安全专家也破解了利用RFID存储个人信息的新型生物科技护照。因此，急需开发并采用基于国密算法的电子标签及相关产品，以替代目前国内已大量应用的MIFARE算法产品。

为了对气瓶信息进行唯一标识、实现气瓶全生命周期的信息跟踪，项目组首先开发了基于国密算法的气瓶电子标签。为了使电子标签信息有效、快速读写，同时研发了相应的用于气瓶充装流水线上的电子标签读写器。该读写器可支持多种电子标签通信协议，并采用国密算法对电子标签进行安全认证，内部除安装有SM7、SM1和SM2算法外，还自带一些常用的算法和指令。

1.2 安全性要求

对于读写器与国密防伪电子标签之间认证、相互通讯和数据传输安全问题，文中采用了非接触式对称国密算法SM7[9]，且符合采用SM7密码算法的电子标签芯片规范要求。对于联机读写器与信息控制器之间的身份验证和数据传输安全，采用了PKI和主密钥认证体系相结合的方法，解决了终端与系统间数据传输的安全性。其中传输内容加密采用主密钥认证体系实现对称加密，采用的算法包括对称算法SM1、非对称算法SM2。

1.3 射频模块

射频模块包括专用集成电路(ASIC)典型应用电路、与MCU接口电路和天线电路。读写器发往电子标签的命令调制到射频信号上，经由发射天线发送出去，同时将电子标签返回到读写器的信号进行加工处理，并从中解调提取标签回送的数据。

1.4 通信协议

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]规定，分为长距离模式和快速模式[12-13]。两种模式的编码方式为脉冲位置调制，通过调制时间位置决定它代表的数值。文中采用的通信方式为长距离模式。

2 气瓶快速识别处理装置

2.1 气瓶在线定位技术

2.1.1天线设置

首先考虑采用由多个天线组成的圆形环闭天线组，直径比气瓶瓶口略大。当气瓶进入定位装置时，提升台将气瓶抬起，由成组的弧形天线读取电子标签信息[14]。但该方案存在以下问题：①多个天线组成的圆形环闭天线组圆弧内部每个天线的辐射可能相互干扰，天线的防干扰设计计算极为复杂。②成组天线设计对工控机的配置要求很高，天线的成本较高，相应的软件设计复杂，实际应用中会影响读写效率。③圆形环闭天线组的使用对气瓶瓶口外形尺寸有较高的要求。气瓶经过多次流转使用，其瓶口可能会由于敲击、碰撞而发生变形，无法进入环形天线，导致气瓶电子标签读写失败。

为解决上述问题，通过大量试验，最终确定采用固定在定位装置两侧、面对面构成的双天线组。

2.1.2传动装置

为弥补双天线组识读范围不足的缺陷，设计了传动装置，使气瓶能够转动。气瓶进入定位装置时，夹瓶器抱瓶，由步进电机带动气瓶旋转。装置内的天线组分别搜索气瓶上的电子标签。一旦气瓶进入其中一组天线的辐射区域，工控机即控制电机停止旋转，由该组天线对气瓶电子标签进行读写操作。

采用上述气瓶在线定位技术，不仅完全解决了气瓶在线定位、标签识读的难题，而且将上述定位和标签读写的全过程控制在3 s内，满足在流水线上每小时充装900只气瓶的运行要求。

2.2 气瓶快速识别处理装置[15]

2.2.1主控设备

主控设备主要由工控机、防爆正压配电柜和输入输出卡组成，负责控制标签读写设备、气动控制设备和电机控制设备。工控机是气瓶电子标签信息自动采集以及数据自动上传的系统平台。防爆正压配电柜包括正压腔(主腔)及自控系统(副腔)两部分。输入输出卡可将工控机发出的电信号输出指令转换为气动控制信号，也可将气动控制信号转换为工控机可识别的电子输入信号。

2.2.2标签读写设备

标签读写设备由防爆天线和读写器组成。防爆天线是读写气瓶电子标签的重要组件，位于定位器两侧，气瓶进入定位器后，气缸将固定气瓶位置，由天线自动读取标签的信息。读写器通过无线射频与气瓶电子标签进行信息交换，并进行数据传输。

2.2.3气动控制设备

气动控制设备由防爆电磁阀、电容式接近开关和触发器等组成，主要用于控制机械设备。气动控制设备的气路信号经转化后反馈给主控设备。防爆电磁阀的作用是将电子脉冲信号转换为气动脉冲信号。电容式接近开关将气动脉冲信号转换为电子脉冲信号。触发器用于控制气动元件，触发各机械设备的运作。

2.2.4电机控制设备

电机控制设备主要由步进电机、步进电机驱动器、减速器和可编程逻辑控制器等组成。步进电机带动气瓶进行旋转，将气瓶电子标签旋转至天线的有效辐射范围内。步进电机驱动器将电脉冲转化为角位移，减速器在步进电机和工作传动轮之间起匹配转速和传递转矩作用，可编程逻辑控制器用来设计数字运算操作。

2.2.5机械设备

机械设备由定位器、挡瓶器、推瓶器和防爆电子秤等组成。定位器由互锁触发器、步进电机、底部气缸、抱瓶臂组成，挡瓶器由触发器、滑动气缸、定位阀组成，推瓶器由触发器、滑动气缸、定位阀组成。防爆电子秤安装在定位装置底部，在对气瓶进行定位和读取标签数据的同时进行自动称重。

3 气瓶快速识别处理应用系统

基于电子标签的气瓶快速识别处理应用系统，满足气瓶定位、气瓶电子标签信息采集的准确、高效等要求，按不同功能可分为电机控制、充前检查管理、气瓶充装统计和数据交互4个子系统，其功能构架见图1。

电机控制子系统对电机进行启停等控制，并调整电机自动旋转状态。在读写器对气瓶电子标签进行识别并判定气瓶合格与否后，由该系统对流水线上的气瓶作出放行进入充装作业区(合格气瓶)或从流水线上推出(不合格气瓶)的处理。

图1 气瓶快速识别处理应用系统功能构架图

充前检查管理子系统自动根据读取的气瓶产权单位代码、制造日期、检验有效期等信息，判断气瓶是否合格。对于准许进入充装作业区的气瓶，在电子标签中写入气瓶充装信息，连同电子标签内记录的基本信息一并上传到本地数据库。对于非本充装企业自有、应当报废、超过检验有效期的不合格气瓶，由推瓶器将其推出流水线。

气瓶充装统计子系统用于对充装前气瓶的基本情况进行统计，包括气瓶上线数量、混入本企业的非自有气瓶数量、超过使用寿命需要作报废处理的气瓶数量、超过检验有效期需要送检的气瓶数量，以及合格气瓶数量等的统计。

数据交互子系统用于定时、自动将气瓶合法性、使用登记代码、充装时间、充装班次和操作人员代码等上传至数据库。

4 结语

研发的基于国密算法的气瓶电子标签及其读写器快速识别处理装置及其应用系统已在多条液化石油气充装流水线上成功应用，单条流水线作业人员减少了2/3，彻底改变了传统依靠人眼识别、手工记录的落后管理方式，极大提升了气瓶管理自动化水平，有效降低了气瓶事故率，对保障我国城市公共安全和企业生产安全具有重要的战略意义。

[1] 吴旭正.特种设备典型事故案例集[M].北京：化学工业出版社，2015.

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

[2] 鲁红亮，薛小龙，汤晓英，等.气瓶安全监管技术的研究进展[J].中国特种设备安全，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] 徐莹.就几起事故谈加强气瓶管理[J].低温与特气，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] 李文炜，狄刚，王瑞欣，等.“8·29”充装台充装现场氧气瓶爆炸事故原因分析[J].中国安全生产科学技术，2012，8(6)：120-124.

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

[5] 毛天林，许林滔.一起钢质无缝气瓶爆炸事故技术分析[J].中国特种设备安全，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] 李文炜，杜清，何承代，等.一起液氧焊接绝热气瓶爆炸事故的深度分析及反思[J].中国特种设备安全，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.一起气瓶违规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] 张少华.我们该如何看待MIFARE I卡的安全性问题[J].中国安防，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] 田涛，苏董杰，赫松龄，等.基于国密SM7算法的电子标签在防伪中的应用[J].中国集成电路，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空中接口标准比较分析[J].信息技术与标准化，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] 张有光，杜万，张秀春，等. 全球三大RFID标准体系比较分析[J].中国标准化，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] 徐鹤森，陈坚，李骏，等.全方位高频标签读写器：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] 陈坚，徐鹤森，杨佳毅.应用于钢瓶上的电子标签读写系统：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.)