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基于RFID技术的涉密物品管控技术初探

来源:一卡通世界      作者:王思叶 苗春卫 祁峰      2012-4-24 14:29:54

    1 引言

    近些年来,我国党政机关大力推进信息化建设,积极发展电子政务,工作效率不断提高。但涉密物品管理因涉及到党和国家秘密的安全,长期以来一直依赖于人工,成为党政机关提高工作效率的瓶颈之一。

    人工管理方式给工作带来了种种不便。首先,人工管理方式效率较低,在管理人员缺乏的情况下无法做到24小时全天候监控管理。例如,涉密物品的登记、存储、借出、归还、维修、报废等环节都需要人工参与,过程繁琐,涉及人员众多,降低了工作效率。而且,人工管理的方式不能提供24小时全天候的监控与管理,在管理人员下班或休息的时间段内,存在部分涉密工作人员忽视涉密物品管理规定将涉密物品直接带出的可能。

    其次,人工管理方式较为单一,不能适应当前管理方式的多样性要求。人工管理模式中大多采用登记造册的方式,记录物品和人员的各种属性及日志,但这种记录只能依据一种排序方式,无法多角度地对某个、某类涉密物品或人员的记录进行查阅、管理,缺乏多层次的管理手段。再次,人工管理方式在实时监控方面效率不高。对于个别非授权携带涉密物品外出的情况,仅靠人工检查,无法实时有效地发现诸如涉密移动硬盘、涉密笔记本电脑等体积小、便于携带的涉密物品,存在漏报的可能。

    最后,人工管理的方式无法做到涉密物品的及时清点,一旦存在漏报,人工管理的方式也无法及时地做到事后发现。

    因此,通过技术支持现有涉密单位物品的管理模式,减轻或解决人工管理模式存在的不足,是当前保密技术研究的重要方面。

    2 RFID技术原理

    RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。

    2.1 系统构成

    如图1所示,RFID系统通常由标签、读写器和数据采集系统组成。标签一般包含天线、调制器、编码器以及储存器等单元,读写器由天线、射频收发模块和控制单元组成,其中控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源电路等。

RFID系统构成 

图1 RFID系统构成

    2.2 设备分类

    按照不同的分类标准,RFID设备大致分为如下几类:

    (1)根据标签是否含有电源,分为无源和有源标签。
    (2)根据标签存储器的可读写性,分为只读式和读写式两种类型。
    ( 3)根据标签发送射频信号的调制方式不同,分为主动式、被动式和半主动式三类。主动式标签由电池供电,它利用自身射频能量主动向读写器发送数据, 读写距离较远, 但工作时间短。被动式标签不带电池,又称为无源标签,它依靠外界的电磁感应提供能量才能工作,通常读写距离较近,但使用时间长、成本低。半主动式标签自身带有电池,但只对标签内部数字电路供电,标签并不通过自身能量主动发送数据,只有被读写器激活时,才通过反向散射调制方式传送数据。
    (4)根据标签与读写器谁先发言,分为RTF(Reader Talk First)和TTF(Tag Talk First)两种类型。如果是读写器先发言, 则为R T F 类型, 这是目前大多数R F I D 标签的工作类型。反之,如果标签主动询问,则为TTF类型,TTF通信协议简单,防冲突能力强,适用于高速移动和工业环境下的应用场合。
    ( 5 ) 根据读写器的工作频率, 分为低频(135 kHz 以下)、高频(13.56 MHz)、超高频(860MHz~960 MHz)和微波(2.45 GHz 或5.8GHz)频段。不同频率标签的特性比较如图2、表1 所示。

 

图2 射频工作频段

    2.3 应用情况

    RFID被广泛应用于加工与制造业的生产自动化、安全认证、商品防伪、图书档案管理、医疗卫生、商业自动化和交通运输控制管理、物品管理、仓储管理和动物识别管理等。RFID的另一个特殊应用是军事物流管理。

    3 RFID 技术在涉密单位内的应用模式

    3.1 涉密物品管理的特点

    涉密单位内的物品管理具有如下特点:

    3.1.1 物品属性繁多,分类要求高除常用的物品名称、编号、类别等属性外,物品还应标注物品密级、物品使用责任人、物品存放区域、物品是否允许授权携带出管理区域等与安全保密管理相关的属性。系统为这些新增属性提供查询、查看功能,便于管理者按照安全保密管理要求进行管理。
    3.1.2 实时门禁监控要求高通过门禁处的涉密物品都应留有记录。对于不允许、不应该离开涉密单位的物品,应该及时报警,便于门禁处的安防人员进行拦截和处理。
    3.1.3 清点频繁:涉密物品的借出、使用和归还必须详细记录,并及时清点,避免因管理的疏漏导致国家秘密信息的泄露。涉密物品种类繁多, 存放地点不同, 隶属部门不同, 不易统一清点。因此,系统需要提供较为简便、快捷的清点方法,能够按照管理者的需要,根据不同的属性分类进行快速清点。
    3.1.4 物品可追溯性强:系统需要记录每一个涉密物品的日志。出现问题时,管理者可以通过多条件的复杂查询功能对该物品进行追溯。

    因此, 基于RFID技术的涉密单位的物品管理系统应包含监控和日志两个主要方面。监控分为门禁监控和定位监控两个方面。门禁监控能够保证涉密物品在通过门禁时,由系统自动识别出来并记录,对于非授权携带的物品,系统应能及时报警。定位监控能够了解存在于管理区域内的涉密物品位置,便于管理员及时清点涉密物品数量、状态,弥补因门禁漏报或其他原因造成的涉密物品丢失的问题。

    日志包括报警日志和管理人员操作日志两种。报警日志记录在监控过程中产生,操作日志记录管理人员对系统设置和监控日志的更改或操作。日志可以实时查看、依据查询条件搜索,帮助管理人员在第一时间了解涉密物品的情况。同时,系统还应支持涉密物品的基本管理功能,如物品分类、物品使用人的部门分类等,如图3所示。

 

图3 系统功能设置

    3.2 系统模型

    根据以上分析, 我们提出一个适用于涉密单位的物品管理系统模型。系统由硬件、软件组成。

    3.2.1 硬件

    如图4所示,RFID读写器一部分部署在门禁处,一部分部署在存储涉密物品的房间内。RFID标签附着在涉密物品上,不可轻易拆分,实现标签和物品的绑定。

涉密物品人员管理系统示意图

图4 涉密物品人员管理系统示意图

    3.2.2 软件

    软件分为三个相对独立的部分,分别为监控程序、管理程序、服务程序。三个程序之间使用网络通信。
    第一部分为监控程序,用于监控门禁处接收处理数据,向门禁处安防人员显示报警信息。
    第二部分为管理程序,用于管理员登记、修改物品和人员信息、查看日志信息、设定监控参数等。
    第三部分为服务程序,提供24小时不间断服务,处理来自读写器的数据,并按照管理者的设置执行指令。

    4 应用模式实现的重点、难点

    RFID系统模型设计开发过程中,还存在着一些重点和难点问题。

    4.1 工作频段的选择

    涉密单位外门较宽,内门较窄,RFID设备工作频段的选择应当根据涉密单位要求最宽的门禁进行。一般而言,设备工作频段的作用距离应大于3m,即UHF频段或微波频段。经过测试,这两个频段的RFID设备能够较好地实现上述要求。但受物理性质的限制,这两个频段受金属和人体遮挡影响较大。物品管理的工作频段应能够抵抗物品的金属表面、敷铜电路板、电子类物品工作信号以及携带物品的人体对RFID电磁信号的干扰。以UHF频段设备为例,RFID标签被遮挡后,作用距离从原来的7m下降到3m以内,个别性能较差的标签甚至无法读出。

    目前解决抗干扰问题的办法主要有两种,但都存在一定问题。一种是使用无源RFID设备,但对RFID标签进行特殊封装。增加标签上天线的表面积,让人体(如手、胳膊)无法全部遮挡标签;或者将标签封装为抗金属标签。经过特殊封装的标签外形都要比同类型的标签大、厚,在某些应用场合可能不适用。另一种是使用有源RFID设备。工作在这两个频段的RFID设备中,有源RFID设备抗干扰的能力要比无源RFID设备好。有源R F I D 标签的供电由标签内嵌的电池实现,而无源RFID标签的供电由RFID天线形成的电磁场实现。我们从现有RFID设备中选择了一套无源UHF设备和一套有源微波设备进行对比。在没有遮挡的情况下,无源UHF设备的作用距离大约是7m,有源RFID设备的作用距离大约是18m;将标签放入手中紧握,有源RFID设备读写状态稳定,作用距离大约4m,无源RFID标签读出状态不稳定。但有源设备与无源设备的工作原理不尽相同,不能混用。有源设备的标签沉、大、厚,在某些场合不适用。而且,有源设备的标签需要定期更换电池。

    将低频段和高频段设备结合在一起的双频工作模式可以较好地解决这一问题。在双频工作模式下,读写器和标签内置两个工作频段的天线。一个是无源低频的, 对金属和人体的穿透能力强,另一个是有源微波频段,作用距离大。使用时,标签中的有源微波频段沉睡。当标签进入低频天线作用范围时,读写器的低频天线读出附近有标签并且与标签的低频部分进行通信,标签的微波频段由低频频段唤醒,主动与附近的读写器的微波频段进行通信。

    无源低频信号对金属和人体遮挡的抵抗性较好,能够及时唤醒有源微波信号,有源信号强、作用距离大,漏报率大大降低。

    4.2 系统的测试和部署

    射频信号是一种电磁信号,受物理环境的影响较大。实验室环境的测试结果好未必能够保证在实际环境部署效果好。特别是实际环境中可能摆放了多种物品,改变射频信号的传播路径,造成误报或漏报。

    根据对市场上现有成熟RFID设备的调研,目前RFID设备提供的演示软件对RFID设备的信号强度的测量尚不具备统一标准,仅靠设备说明书和演示软件不足以说明设备的实际工作性能。针对这个问题,我们认为,应该在系统设计过程中加强测试,根据项目的实际需要自行设定测试方法和步骤,最好能够在实际使用环境中进行测试。

    4.3 系统软件对硬件的依赖性

    如前文所述,同一单位内部可能需要使用多种类型的标签以满足不同物品管理的需要。但目前RFID系统软件对RFID设备依赖性过大。RFID设备是整个系统中的重要硬件组成。驱动RFID设备需要使用该款RFID设备的专用驱动。不同厂家、频段的RFID设备使用不同的驱动,调用接口不尽相同。更有可能在研发和使用过程中增加、更换RFID设备, 则会严重影响系统软件的开发和使用,甚至导致软件的重新开发。针对这一问题,我们认为应该在软件层面提高软件的结构性设计。RFID设备是涉密物品监控管理系统的数据采集部件,可以通过合理的软件结构设计将RFID设备驱动独立出来并模块化,如果需要在系统中增加、更换RFID设备,则仅需要增加、更换相应的数据采集模块即可。

    5 发展前景展望

    2009年,温家宝总理提出了“感知中国”的概念,以RFID为首的物联网技术在国内得到了高度重视,可以想见,在不远的将来RFID技术将会蓬勃发展,在智能交通、环境保护、工业检测、个人健康等领域广泛应用。我们认为,涉密物品管理也应该抓住这次难得的机遇,提高管理的自动化程度,减少人工负担。

    但是,同样需要强调的是,RFID系统不能完全顶替人工,制定合理的涉密物品、人员管理办法并严格执行,提高管理人员的责任心和政治敏感性,同样是十分必要和重要的。《保密科学技术》(文/国家保密科学技术研究所  北京交通大学)

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