基于 RFID 和 GPRS 的特种设备维护保养电子监管系

摘要
特种设备是指受设备本身和外在因素影响容易发生安全事故并严重危及人民群众生命和财产安全的危险性设备，具有数量大、危险性强、使用环境恶劣和流动性强等特点。在长期的日常维护保养过程中，普遍存在维保单位工作不到位、维护保养内容不全面、数据作假甚至敷衍了事、监管技术手段落后等诸多问题。而 RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)和 GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)应用于特种设备维护保养监管领域可以完美地解决上述问题。本文在对特种设备维护保养 RFID 关键技术深入研究的基础上，组建了一个以河南省内电梯为实验对象的维护保养监管系统，具有功能丰富、部署简单、易维护和易扩展等特点，主要工作及创新总结如下：
（1）由于 RFID 标签存储结构采用无结构线性方式，结合系统需求对 RFID标签数据进行了规范化。通过 Reader API 实现读写器和 RFID 标签之间的读写控制，考虑到载荷冲击、信号干扰等特殊情况，不能保证 100%正确读取 RFID 标签信息，因此在其通信过程中加入了数据平滑过滤的数据处理方式，从而保证信息交换的完整性和准确性。
（2）依据 RFID 数据通信要求，提出了基于 GPRS 的 RFID 数据通信方式，实现了性能好、低成本的实时交互。通过分析 Web 服务对 RFID 的支撑，构建了基于 Web 服务的 RFID 数据集成模型，采用这一分布式数据集成模型，可实现不同站点的数据集成和资源共享。为了确保身份的有效性和可追溯性，便于界定事故责任，构建了基于 XML 签名的细粒度签名应用模型。
（3）设计了基于 RFID 和 GPRS 的特种设备维护保养监管系统方案，构建了系统功能模型和信息流模型，以电梯设备作为实验和设计对象，利用 Visual Studio 2008.NET 平台和 SQL Server 2000 对上述模型和方案进行了验证。该系统在河南省特检院的试运行结果表明，能够对维护保养工作进行规范化、制度化管理，实现真正意义上的动态监管。
关键词：射频识别；无线通信网络；维护保养；特种设备
目录
摘要  ................................ ................................ ................................ .....  I
Abstract   ................................ ................................ ............................... II
图的目录  ................................ ................................ .........................   VII
表的目录  ................................ ................................ ........................VIII
1  绪论  ................................ ................................ ..............................   1
1.1  研究背景  ......................................................................................................1
1.2  研究意义  ......................................................................................................2
1.3  RFID 国内外发展现状................................................................................2
1.4  本文研究内容及组织结构  ..........................................................................4
2  RFID 技术基础  ................................ ................................ .............  5
2.1  RFID 概念  ....................................................................................................5
2.2  RFID 工作原理............................................................................................5
2.3  RFID 系统组成............................................................................................6
2.3.1   读写器  ................................ ................................ ................................ .   6
2.3.2   Reader API  ................................ ................................ ...........................   7
2.3.3   RFID 标签................................ ................................ ............................   7
2.4  RFID 技术参数............................................................................................8
2.5  RFID 分类  ..................................................................................................  11
2.6  RFID 应用领域..........................................................................................12
2.7  本章小结  ....................................................................................................13
3  特种设备维护保养 RFID 关键技术研究  ................................ .....  15
3.1  RFID 数据管理..........................................................................................15
3.1.1   RFID 标签存储结构................................ ................................ ............   15
3.1.2   RFID 标签性能指标................................ ................................ ............   16
3.1.3   RFID 标签数据规范................................ ................................ ............   16
3.1.4   RFID 标签数据处理................................ ................................ ............   17
3.2  基于 GPRS 的 RFID 数据通信.................................................................18
3.2.1   RFID 数据通信要求................................ ................................ ............   18
3.2.2   GPRS 的概念和特点................................ ................................ ...........   19
3.2.3   基于 GPRS 的 RFID 数据通信实现................................ ......................   20
3.3  基于 Web 服务的 RFID 数据集成模型  ...................................................20
3.3.1   Web 服务特点及体系结构................................ ................................ ...   20
3.3.2   Web 服务协议栈................................ ................................ .................   22
3.3.3   Web 服务对 RFID 的支撑  ................................ ................................ ...   23
3.3.4   RFID 数据集成模型构建................................ ................................ .....   23
3.4  基于 XML 签名的数字签名应用模型  .....................................................24
3.4.1   数字签名概述  ................................ ................................ ....................   24
3.4.2   XML 签名................................ ................................ ..........................   25
3.4.3   XML 数字签名应用模型构建................................ ..............................   26
3.5  本章小结  ....................................................................................................27
4  系统需求分析与总体方案设计  ................................ ...................  28
4.1  特种设备维护保养的现状及存在问题  ....................................................28
4.2  特种设备维护保养流程及监管过程分析  ................................................29
4.3  应用 RFID 的可行性分析.........................................................................30
4.4  基于 RFID 和 GPRS 的设备维保监管系统方案.....................................30
4.4.1   设备维护保养监管系统架构  ................................ ...............................   30
4.4.2   设备维护保养监管系统功能模型  ................................ ........................   33
4.4.3   设备维护保养监管系统信息流模型  ................................ .....................   35
4.5  本章小结  ....................................................................................................36
5  系统开发与项目实例  ................................ ................................ ..  37
5.1  项目概述  ....................................................................................................37
5.2  数据库设计  ................................................................................................38
5.2.1   数据库概念设计  ................................ ................................ .................   38
5.2.2   数据库表设计  ................................ ................................ ....................   39
5.3  系统运行软硬件环境  ................................................................................40
5.4  系统主要模块实现  ....................................................................................41
5.4.1   RFID 通信模块................................ ................................ ...................   41
5.4.2   数据交换模块  ................................ ................................ ....................   41
5.4.3   数据上传下载模块  ................................ ................................ .............   42
5.4.4   数字签名模块  ................................ ................................ ....................   43
5.5  运行实例  ....................................................................................................44
5.6  本章小结  ....................................................................................................45
6  总结与展望  ................................ ................................ .................  47
6.1  全文总结  ....................................................................................................47
6.2  研究展望  ....................................................................................................47
参考文献  ................................ ................................ ..........................   49
致谢  ................................ ................................ ................................ ..  52