智能供应链物联网电子标签通信系统

2022-08-17漆璇谢伟吴建成孙俊

自动化技术与应用 2022年7期

漆璇,谢伟,吴建成,孙俊

（国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799）

1 引言

智能供应链物联网以互联网为依托，延伸到产业链各环节中，实现物品实体和管理信息通信系统有效连接。智能供应链物联网与互联网、无线传感器，以及移动通信网络等实现对接，形成以客户体验为核心的智能供应链物联网时代。依托物联网智能供应链，实现商品从原材料采购、生产流通、分发销售，以及到消费者手中各业务及环节有效连接。当前，大力发展供应链中的智能化信息技术，不仅能够有机结合各环节之间的数据资源，可快速完成整个供应链的流程。在智能供应链物联网中，引入电子标签，极大地提高供应链条件下各环节业务数据管理效率。智能供应链物联网的电子标签，通过RFID系统，以无线射频信号的快速读取，识别电子标签中信息非接触方式，记录商品各项商业信息[1]。与以往人工记录、普通二维码扫描技术相比，基于物联网的电子标签，具有读取范围广、传输速度快，以及数据精准等特性，成为智能供应链中的关键组成部分[2]。为此，相关研究人员对此进行了很多研究。

文献[3]提出设计一种基于物理不可克隆函数的加密通信系统。该系统借助物理不可克隆函数生成加密密钥，然后通过对称算法对物联网中数据进行加密，实现物联网设备中数据的加密研究。该系统可提升物联网通信数据安全性，但并未过多考虑网络中电子标签问题，存在运营效率较低的问题。文献[4]提出设计了一种基于Netty 和Kafka 的物联网数据接入系统，完成物联网电子标签通信。该系统通过Netty网络通信设计一种收集端以及通信协议端，将物联网电子标签通信网络中能耗进行降低，由Kafka消费者负责后续数据持久化，保证系统通信的响应速度。该系统可提升通信效率，但通信质量无法得到有效保证。基于上述系统中存在的不足，本文提出一种智能供应链物联网电子标签通信系统。通过RFID系统感知和接收目标商品的信息数据，形成电子标签并存储。RFID系统作为感知层数据传输接口，通过与通信系统交互作用，发射无线信号，并在智能信号半径范围内查找、读取RFID 信息数据，实现对供应链商品有效识别。智能供应链物联网中电子标签，一般是由视频发射器、模拟端口、EEPROM存储单元，以及微控制器等组成，并利用电感耦合原理，在智能供应链物联网中电子标签进入阅读器的阅读范围内，在天线两端形成电势差。当通信系统内电流达到既定参数值时，可进行读、写操作。

2 系统硬件

智能供应链物联网电子标签通信系统以硬件为基础，将Linux系统转移到物联网网关中，实现物联网电子标签通信系统开发。整个电子标签通信系统被划分为多个小模块[5-6]。在智能供应链物联网电子标签通信系统中，终端设备常用于较为偏僻位置，或放置后不经常查看。因此，智能供应链物联网电子标签通信系统具有工作时间久、效率高，以及低功耗等特性；进而选择具有专用超低漏电流工艺技术的STM8L_151G芯片[7-8]。与此同时，STM8L_151G芯片在停机状态下，电流仅为400nA，其最低功耗为0．35uA，在动态运行模式下为180uA/MHz。

智能供应链物联网电子标签通信系统中包括ZigBee模块、Modbus 模块、串口模块、TCP/IP 模块，以及MATT 模块这五部分内容[9]。因此，在智能供应链物联网电子标签通信系统中，ZigBee 终端主要将电子标签数据信息传递到ZigBee 协调器；当Modbus 接收到通信系统主机命令时，会将电子标签的数据传输到主机。其中，ZigBee 终端协调器与Modbus主机通过串口与网关进行连接。使用TCP/IP技术不仅需要接收本地PC的命令，还要将电子标签的商品数据传输到本地PC。在智能供应链物联网电子标签通信系统中，通过MATT技术发布sensor主题，并将物联网电子标签数据通信到远程服务器。

3 系统软件

3.1 SPI数据通信接口

在智能供应链物联网电子标签通信系统内，通信控制接口主要是包括：通信接口、电子标签数据处理模块、测试模块，以及外部信号触发模块[10]。智能供应链物联网电子标签通信系统选择SPI总线协议；电子标签数据处理模块主要用于数据帧格式；测试模块用来检测物联网电子标签通信接口各项功能，并预留电子标签商品信息数据实现接口直通；外部信号触发模块用于唤醒外部信号，以及MCU发送测试信号。

智能供应链物联网电子标签通信系统采用SPI 总线协议的通信接口，MCU通过通信接口对物联网电子标签进行读写、接收，以及发送。一般情况下，智能供应链物联网电子标签通信接口使用6 个内部信号，以及6 个外部管脚。与此同时，智能供应链物联网电子标签通信系统接口，一般预留62个寄存器、1个接收FIFO，以及1个发送FIFO。

寄存器不仅可以用于芯片功能配置，还能够成为MCU控制芯片主要手段，从而设计寄存器地址从0x00 递增至0x3D。为满足智能供应链物联网电子标签通信系统对电子标签数据的接收与发送需求，设计预留128 位的接收FIFO和发送FIFO。

表1 通信系统接口定义

图1 电子标签通信接口架构

智能供应链物联网电子标签通信接口SPI总线协议，需要区分物联网电子标签主机与从机。物联网电子标签通信时序为MCU，在时钟上升沿读取数据，在下降沿写入电子标签的数据。基于物联网电子标签通信中，传输方式定位低位在前、高位在后，其电子标签的数据长度为8位，设计使用最高速率为8Mbps。

物联网电子标签的通信过程中，每次读写操作可以传输N(N-1)个字节内容，而且第一个读写字节为命令字节，其他均为数据字节。根据不同电子标签通信指令，允许MCU通过SPI接口有读写寄存器，以及收发FIFO等操作。

3.2 数据加密算法的智能传输

AES算法解密速度快，而RSA算法安全性更高。因此，采用AES 算法对物联网电子标签数据进行实时加密，并使用RSA公钥对AES密钥进行加密。

AES为对称加密算法，通过对智能供应链物联网电子标签通信系统实际情况考虑，选择密钥长度为128 位的AES-128，加密轮数为10 轮，前9 轮加密为：字节代换、行位移、列混合，以及轮密钥加，而第10 轮加密为：字节代换、行位移，以及轮密钥加。

选择两个不相同的质数p 和q，而且n可以分解为p 和q的乘积，得到欧拉函数φ(n)。将(n，e)作为公钥，而(n，d)作为私钥，RSA公钥加密公式：

其中，m为明文数据；c为密文数据；(n，e)为RSA公钥。此外，RSA私钥加密公式：

其中，c为密文数据；m为明文数据；(n，d)为RSA私钥。

发送方和接收方协商确定物联网电子标签通信的AES密钥，自动生成RSA公私密钥，双方互相公开公钥。将AES和RSA 混合算法作为电子标签通信加密的方式，实现智能供应链物联网电子标签通信系统的快速传输。

3.3 物联网电子标签通信实现

在智能供应链物联网电子标签通信系统中，软件设计包括通信接口、数据处理模块，以及辅助功能模块设计，如表2所示。

表2 电子标签通信系统软件设计

智能供应链物联网电子标签前向隐私性，电子标签后所有者无法获取、推导与智能供应链下物联网电子标签之前所有者的私密数据。电子标签通过通信系统完成电子标签的流通，一般由后一个所有者充当攻击者，不仅无法获得串空间，还无法通过已有知识推理之前的私密信息，表示为：

其中，∑为串空间；P为后一个所有者攻击的串空间；L为物联网电子标签的转让协议；A为任意攻击者；U为攻击者掌握的电子标签通信系统知识；kf为共享密钥；Kp为攻击者密钥集合。

智能供应链物联网电子标签的后向隐私性，电子标签一旦流通到后一个环节，之前电子标签所有者无法继续跟进，只有后一个所有者能够完全控制电子标签的信息数据，并进行身份识别、信息交互。表示为：

其中，kb表示共享密钥，以及智能供应链物联网电子标签的交易信息。

根据物联网电子标签无线通信前端的数据传输模式，通过使用嵌入式通信系统，实现通信系统接口数据传输与直通模式下特殊信号的读写。

4 实验及结果分析

4.1 实验准备

为验证智能供应链物联网电子标签通信系统的性能，实验中准备一台PC、SPI 总协议接口、导线若干、串口透传接口、网口、ZigBee模块终端、ZigBee模块协调器，以及温湿度传感器。智能供应链物联网电子标签通信接口，需要串口接收ZigBee 协调器，以及Modbus 主机电子标签数据，并将电子标签数据传输给PC端，判断物联网电子标签数据是否传输成功。所进行实验的原始数据如表3所示。

表3 实验原始数据

基于表3所示的原始数据，进行数据处理，以验证智能供应链物联网电子标签通信系统的应用性能。

4.2 实验过程

在智能供应链物联网电子标签通信系统中，数据处理模块主要是对电子标签商品数据进行封装、解帧，以及模拟通信系统控制接口中外部输入的数据信号。将FPGA 芯片作为电子标签数据发送端，通过控制接口的实验模块输入信号，并且使用MCU 实现FIFO 内的电子标签数据比对。通过FPGA发送1万个不同的数据帧，方便62个寄存器的算法读写，同时逐层增加写入数据的数量。图2显示了机器识别电子标签的界面，图3显示了出现错误的实验界面。