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射频技术论文
RFID危险品管理中的应用技术解决方案
——宏远公司
项目背景
本技术方案适用于所有的气瓶、钢瓶以及包装的实时、动态和全过程自动化管理，尤其对监控工业用瓶以及其他重要物资的流通状态，是一个非常有效的技术方案。
本方案是以危险品的管理及运输监控为例来说明，适合相关单位或企业的技术或工程人员阅读。
1.危险品管理现状
本方案中的危险品是指具有燃烧、爆炸、毒害、感染、腐蚀、放射性等危险性的物品和物质，这类物品在运输、生产、经营、使用和处理中容易造成人身伤亡、财产损坏或环境污染，因此需要特别防护和管理。
我国是仅次于美国的世界危险化学品生产大国。
近几年来，危险化学品的泄露、爆炸等事故时有发生，给人民生命财产带来严重威胁，对于危险品的管理问题，一直困扰着政府部门和很多企业。
近几年政府出台了一系列行政措施，不但要求对危险化学品的生产、运输、保管和使用进行严格管理，而且要求对盛装的容器进行严密监管。
但是，这种管理大部分是人工管理，缺乏可靠的技术手段，有以下几点不便：
1.对于流通容器的制造、检验、使用等存在的安全隐患问题，无法及时加以判断和追溯；
2.容器的使用极为分散，没有一种便利和快捷的检查方法，政府的许多行政监督工作都难以有效地实施；
3.不便于对危险品容器状态监控，如易燃、易爆的危险品要实时监控容器的温度；
4.不便于对危险品容器动态跟踪，以及动态的数据分析和信息掌控；
5.不便于容器的回收管理；
6.对危险性极高、辐射强的危险品，不能远距离管理；
7.人工管理存在人员交接班的问题，容易发生漏检、错检现象；
早在2002年国家质检总局就组织在上海进行了电子标签在气瓶安全监管应用中的研究，去年，国家质检总局、国家安检总局、国家环保总局在加强我国危险品气瓶监管的联合发文中、提倡采用电子标签等新技术，今年上海市政府要求在100万个气瓶上使用这种技术，在今后2至3年中，上海全市400万个气瓶都将安装电子标签。
2.危险品管理系统概述
这个危险品钢瓶管理系统采用先进的RFID识别技术，通常我们称为的电子标签，可以解决对危险化学品容器，即气瓶的动态跟踪。
首先我们在每个气瓶上安装一个电子标签，以此作为气瓶的唯一标识，就像每个人有一个身份证号码一样，通过电子标签可对这个气瓶“身份”作出准确确认。
此外，气瓶的检验、冲气、配送等动态信息，可在电子标签内进行记录和更新，同时保存在数据中心的计算机内，随时提供给企业和政府监管部门查询。
对于高危险性化学品容器的运输，则通过电子标签与车载读卡器或车载GPS终端的数据通讯，对这辆车装载的危险化学品气瓶、车辆所处位置与状态进行监控。
监管人员通过气瓶上电子标签及其建立起的计算机安全监督平台，对不符合安全规定的气瓶、运输过程中温度报警的气瓶和违章运输行为，可进行及时干预和纠正。
对于企业来说，电子标签里面存储气瓶的标识号、出厂日期、报废日期与维修记录等信息。
每当这个气瓶生产或检测完成开始出库时，库存记录中可以显示卷标数据（例如，标识号、重量、测试日期及其它前笔使用状况数据），然后读写通过并合格后该瓶可以出库使用。
而后，每次使用以及维修都可以进行相应的标注。
这样，煤气罐的安全与否、使用寿命是否到期等问题就可以一目了然。
利用手持式读写器和电子标签具有的数据自动采集功能，然后再通过传输到计算机数据管理中心，可以简化气瓶检验、充装、配送等环节的操作，提高企业的工作效率。
技术方案
我们结合自身的技术特点，充分发挥RFID的技术优势，形成RFID在危险品管理中的应用技术方案，
系统是通过远距离、非接触采集射频卡的信息，实现对气瓶在静止或移动状态下的自动识别，从而实现对气瓶的自动化管理，也就等同于对危险化学物质的监控和管理。
该系统产品集计算机软硬件、无线通讯、信息采集处理、数据传输、网络通讯、传感器等技术综合应用为一体，属于先进的危险品信息采集和安全性管理的智能识别系统，是对危险品有效监管的重要技术手段。
.1.技术原理
系统产品中的识读器Reader将载波信号和指令信号经发射天线向外发送，标签Tag进入发射天线的工作区域内，Reader天线接收到带有目标识别码的高频加密载波信号，经Reader接收处理后，提取出目标信息和目标识别码送到监察主机，主机对信息处理、分析、存储，然后可对Reader发射指令信号，完成预设的系统管理功能，从而实现目标的自动化管理。
系统技术方案综合原理图如下：
方案图补充说明：
●系统中的气瓶是统称，也包括盛装危险液体化学品的钢瓶及其他危险品的包装；
●系统也适合单独对车装载的危险化学品钢瓶或其他危险品包装进行监控和管理，系统根据实际业务需求可重组，具有很强的灵活性；
●标签上可接温湿度传感器，实现对危险液体或气体温度、重要包装温湿度的监察；
●标签上可接LED灯和超声波发生器，实现对气瓶或包装的“精确实时定位”，定位精度可达空间三维5厘米内。
系统工作流程描述：
每个气瓶拥有唯一识别号，由气瓶收发部门把外部送来的钢瓶送到检验部门进行检验，合格后把电子标签不可逆性粘贴在气瓶上，并通过移动终端对气瓶标签信息进行识别和数据写入，然后通过计算机USB口把数据上传到数据库管理中心；对于新采购的钢瓶，则由检验部门直接粘贴电子标签，从而通过手持式阅读器上传数据；即接收和检验气瓶环节。
政府或企业为了能清晰的了解每个钢瓶的情况，便于有效的管理，在气瓶充装前进行再次检验→扫描阅读→输入数据库→核查，既管理气瓶环节。
当气瓶进行充装气体（液体）后，将充装信息包括充装介质、重量、有效期等通过Reader上传到中央数据库进行管理，既充气（液）环节。
在充装结束后由入库，发货时由物流人员扫描标签并写入此气瓶要送达的客户、目的地以及发货时间等信息，上传至数据库中心，即入库和出库环节。
在配送的过程中，随车人员通过移动终端可了解气瓶的状态参数，返回后可把移动终端存储的数据上传中央数据库，另外，监控中心通过GPRS也可实时了解气瓶的所在位置、状态等情况，即物流运输环节。
2.技术系统组成
2.1硬件组成
硬件系统包括数据采集部分、数据传输部分、监控管理部分三部分。
系统包括以下设备：
●RFID硬件系统（包括固定式读写器Reader、移动式Reader、标签Tag、天线、支架）；
●温度或湿度传感器；
●车载GPRS终端；
●报警器；
●不间断电源；
2.2软件组成
危险品管理系统是由数据服务器、管理计算机、移动计算机组成的具备数据检测及采集、温度检查与采集、数据统计、信息检索等多功能的综合计算机管理系统。
系统主要由数据监察，数据统计、存储，标签Tag管理，数据查询，系统维护，系统退出等模块组成。
数据监察模块主要是对采集上来的的数据与合法数据进行对比，如气瓶到报废日期，气瓶到检测周期，容器里物品错装，危险品的温度超标，运输路线错误等，以便对不合法的数据予以及时记录和控制。
数据统计、存储模块主要是对气瓶标识号、出厂日期、报废日期、维修记录、内装物品属性、客户信息、物流信息等数据进行统计汇总和存储，并按照指定格式报表。
标签Tag管理模块是管理整个系统中的各个Tag的发行、回收和维护工作。
管理项目包括：
Tag的信息浏览；Tag的定位管理；Tag发行管理；Tag回收管理；Tag黑名单管理；
数据查询模块主要是完成通过各种条件对原始数据进行检索和汇总的功能。
如检索指定标签识别码所对应的各种信息。
系统退出模块是完成退出后再次对人员的身份校验以及准备退出前各种数据库的关闭及未保存数据的保存工作。
2.3系统安装及使用
1.把标签粘贴在检验后的气瓶或包装上；
2.将带有温度传感器的电缆与电子标签进行连接，构成一个整体（简称“温度无线传感标签”），并粘贴在需要检测温度的气瓶上；
3.主机上安装管理信息系统；
4.在需要的业务过程通道口布置固定式识别器（Reader），并与主机通过RS232串口联机。
操作人员手持移动式识别器；
5.将移动式识别器（Reader）与车载GPRS建立数据通讯；
6.当监测人员接近标签点（3-10米范围内）时，手持终端接收到电子标签发出的信号，自动记录下电子标签的ID、当前时间、温度数据。
手持终端内总共可以保存3000条数据记录，数据记录可以保存10年以上不丢失。
监测人员也可查询指定标签的信息。
7.在上位计算机系统中安装并运行巡更管理软件，手持终端中的标签ID、数据采集地点，采集时间，温度数据等信息。
可通过无线数据接收机或USB接口直接写到主机数据库中。
8.监测人员可根据采集到的标签ID在数据库管理系统中查询到对应气瓶的一切信息和状态。
3.技术方案特点及比较
表4-4技术方案能力比较表
序号
项目
人工检测与管理
RFID自动检测
备注
1.
设备初期投入
低
高
2.
检测管理工作
复杂
简单
3.
循检一遍花费时间
极长
短
4.
检测操作成本
极高
低
5.
操作稳定性
极不稳定
稳定
6.
实时温度等参数检测
很难实现
非常方便
特别是紧急状态
7.
检测数据准确性
较低
高
8.
扩展性
无
非常高
系统规模变化
9.
数据保密性
低
极高
10.
气瓶检测数量限制
有
无
11.
故障自检能力
无
有
技术方案显著特点：
无线传输，解决了极为分散使用的气瓶不便于检测的问题，特别适应组网需求；
在气瓶在流通过程中的安全隐患问题，可及时加以判断和追溯；
使用计算机进行自动化管理，检测历史数据安全存储，便于后期管理；
解决了由于人工检测存在的漏检和错检的现象；
维护成本低，不易损坏，为企业节约开支；
维修简单，可以在系统运行条件下更换部分配件，不受环境限制。
应用难点及解决
本方案中所涉及的安装电子标签的对象物品，气瓶、化学物品运输罐都是金属材料，一般来说，金属类材料上很难使用电子标签，由于阅读器与应答器（电子标签）间产生的磁通量会在金属表面感应涡流，而涡流对阅读器的磁场起反作用（楞次定律），致使金属表面上的磁场进行强烈的衰减，所以金属材料对电波具有屏蔽作用，贴在金属品上的电子标签很难接受读写器发来的电波，影响RFID的正常工作。
针对这种情况一般采用下面几点解决：
8.采用有源主动高频电子标签，能够主动全向发射电波，与被贴材料性质无关，且发射功率较大。
9.普通电子标签与金属表面间插入一种高磁导率的磁性材料，通常的做法是把磁性材料与电子标签做成一体，从而形成防金属电子标签。
防金属电子标签的应用系统一般采用被动式RFID射频识别技术（即防金属电子标签是无源的），当阅读器遇见RFID电子标签时、发出电磁波、周围形成电磁场，RFID标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路、芯片转换电磁波、然后发送给阅读器，阅读器把它转换成相关数据，上位机采集到这些数据就可以处理这些数据从而进行管理控制。
如图：
防金属电子标签
10.改变电子标签的天线设计技术。
一般的电子标签放在金属表面上时，穿过标签上的天线的磁力线是与金属表面垂直的，穿过金属的磁力线在金属上产生涡流，因此损耗了大量能量，导致金属对电波产生了屏蔽作用。
我们把改变金属上使用的电子标签上天线，设置方向使得磁力线的方向平行于金属表面。
如图：
技术特点及比较
我们的RFID和短程无线通讯设备就选择了2.4GHz波段，采用2.4～2.4835GHz的ISM频段具有充分法律保证，而在我国没有制定短程无线通讯的相关频段规范的现实情况下，采用2.4Ghz频段没有政策风险。
表5.1技术参数表
序号
特性名称
特性说明
备注
1.
识别距离
远距离（2～80米）可调
2.
识别能力
同时识别200个目标
3.
识别速度
200公里/小时以内
4.
识别方式
为全向识别方式，无方向性要求
5.
微功耗
独特的微功耗设计
6.
通信机制
基于HDLC的时分多址和同步通信机制
7.
使用寿命
6～8年使用寿命
8.
抗干扰
使用频道隔离技术，多个设备互不干扰
9.
工作频率
全球开放的2.4GHz～2.5GHzISM微波段，无需申请和付费
10.
封装
固态封装、放水
11.
防雷
防雷设计，满足工业环境要求
12.
可靠性
防水、防冲击
13.
安全性
加密计算与认证，确保数据安全，防止链路窃听与数据破解
14.
接口
支持RS232/485/威根26与上位机通讯、提供各种开发用接口函数
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