基于RFID技术的危化品气瓶管理系统方案设计

1 我国危化品气瓶管理存在的主要问题 
近年来，盛装易燃易爆有毒化学危险品气瓶（以下简称“危化品气瓶”）泄漏和爆炸事故频发。2004年,河北省保定市发生“7.17”氧气瓶连环爆炸事故，2005年,云南省曲靖市发生“4.26”液氯气瓶泄漏事故，2006年,河南省项城市发生煤气罐爆炸事故……，这些事故均造成较多人员伤亡和较大社会影响。为切实加强危化品气瓶的安全管理，国家质量技术监督检验检疫总局鼓励各省市、自治区采用先进的自动识别技术对危化品气瓶进行安全管理，实施动态监控。 
目前我国危化品气瓶管理主要存在以下问题： 
（1）各充气站串瓶充气现象严重，一旦发生事故，难以排查安全责任。 
在气瓶充装环节，一些气瓶充装单位擅自充装非本单位产权气瓶，而且时有违章操作，造成气瓶过量充装或错装，导致气瓶事故大量发生。由于气瓶充装不当造成的事故已经占气瓶事故总数的60％以上。 
（2）报废气瓶超期使用。 
因为气瓶有一定的使用年限，所以过了使用年限后，国家会将其回收处理。但是，现在许多不法销售商为了牟取私利而将过期的气瓶重新油漆并喷上号码后继续使用，消费者买了这种气瓶后,就像在家里装了个不定时炸弹，许多气瓶爆炸事故就是由此引发的。 
（3）政府监管部门对气瓶充装、流通等各环节缺少现代化的实时监控手段。 
相关部门对危化品气瓶的管理主要靠抽查和企业自查，通常行政手段较硬，但技术手段却比较软。表现在一方面对危化品气瓶的生产、销售、使用有一套严格的国家标准，政府每年都要出台相关的安全管理法规和规范；另一方面，由于缺少可靠的技术手段，许多危化品气瓶仍停留在原始、静态的管理上，安全隐患难以消除，许多行政管理措施因此无法真正得到落实。 
因此迫切需要采用一种切实可行的先进技术，以加强危化品气瓶的政府安全监察，落实气瓶建档、定点充装、定期检验等政策，建立一个可视化的动态气瓶安全管理系统。传统的打钢印、条码等技术手段都有一定的局限性，在气瓶使用环境比较恶劣的情 

况下，难以满足安全管理的要求。通过研制“基于RFID技术的危化品气瓶管理系统”，可以有效解决上述问题，不仅能够对危化品气瓶的“二手贩子”带来毁灭性打击，而且还可有效避免过期气瓶潜在的危险。 

2 RFID系统设计 
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是自动识别技术的一种高级形式。2004年初，美国有线新闻网公布了对人类生活产生巨大影响的10项技术，其中，RFID名列第三。 
2.1射频识别技术的工作原理 
所谓RFID技术，就是利用无线电波来进行通信的一种自动识别技术。其基本原理是通过阅读器和黏附在被识别物体上的电子标签之间的电磁耦合或电感耦合来进行数据通信，以达到对标签物品的自动识别。有资料[1]认为，如果说条码识别是自动识别技术的始祖，RFID则是自动识别技术的终极。 
射频识别系统的基本模型如图1所示，系统一般由两个部分组成，即电子标签（Tag）和阅读器（Reader）。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： 
（1）电感耦合 变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。 
（2）电磁反向散射耦合 雷达原理模型，发射出去的电磁 

波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播定律。 
2.2 反向散射调制的能量传递 
由图1可以看出，在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。基于传输距离及防碰撞算法的考虑，本系统采用反向散射调制，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，频率采用915MHz。下面讨论阅读器到电子标签的能量传输： 
在距离阅读器为R的电子标签处的功率密度为： 

(1)式中：S为为距阅读器R处的电子标签处的功率密度， 
kW/m2;PTX为读写器的发射功率，kW;GTX为发射天线的增益，dbd;R是标签与读写器之间的距离，m;EIRP为天线有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积，KW. 
在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度S成正比可表示为： 

无源射频识别系统的电子标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写距离越短，性能越差。通过分析式（4），可以看出无源射频识别系统的识别距离R主要决定于射频工作波长、天线增益及发射功率等因素。本系统采用低功耗IC设计技术使电子标签本身的功耗降低。通过设计改进，本系统所采用的低功耗电子标签工作电压在1.2V左右，标签本身的功耗可以降至50甚至5.这样，本系统采用的UHF无源电子标签的识别距离在无线电发射功率限制下，可以达到10m以上的识别距离。 

3 危化品气瓶可视化管理系统软件设计 
本文通过对每个危化品气瓶安装射频识别电子标签，并对其进行编号和注册登记，赋予每个危化品气瓶唯一的身份识别码，充装单位对本单位所有气瓶建立电脑履历档案，气瓶监察部门建立辖区范围内所有气体经营单位和气瓶信息的数据库，充装单位将气瓶履历档案信息和充装记录信息，检验单位将气瓶定期检验信息通过网络上传到安全监察部门的气瓶信息综合数据库，实现了气瓶充装单位、气瓶检验单位和气瓶安全监察部门之间的气瓶管理信息资源的共享，实现了气瓶充装使用、定期检验和安全监察管理的全程信息化控制与管理。 
本软件系统由以下三个子系统组成： 
3.1 气瓶监察信息子系统 
气瓶监察信息子系统是整个系统的核心部分，其主要功能包括： 
（1）在相关的质量技术监督部门建立包括所有气瓶履历档案、气瓶充装记录和定期检验数据信息的气瓶综合信息数据库。 
（2）接收气瓶充装单位的气瓶履历档案、新增气瓶、充装记录、送检气瓶、报废气瓶、托管气瓶数据信息。 


（3）接收气瓶检验单位的检验、接收、检返、在检、报废气瓶数据信息。 
（4）普通用户可以通过上网查询，了解自己所用的每个具体气瓶的充装单位、检验单位等相关信息，还可进一步掌握自己所用气瓶的安全状态信息。这样就使得气瓶用户具有了气瓶安全信息的知情权。 
（5）安全监察部门可以掌握充装单位、检验单位的实时动态数据信息，可以分析判断所辖区域及所管辖单位的气瓶安全工作的实际情况，对充装单位的安全状况、对检验单位的检验质量作出评估，发现安全隐患可以及时制止。 
3.2气瓶充装信息子系统 
该系统建立了充装单位内部的气瓶档案履历信息数据库，由于采用了电子标签为每个气瓶进行注册登记编号，在现场操作时只要使用手持式阅读器就可以非常方便地对气瓶进行自动识别和登记。由于手持式阅读器内部已经预置有各个气瓶的相关特征信息，在现场操作的各相关环节，手持式阅读器均会自动对相关信息进行处理、分析和判断，对操作人员进行异常信息的提示或报警，防止了人工操作判断和记录极易发生的差错，减轻了操作人员的工作难度和工作量，实现了气瓶安全管理的自动化和信息化。 
该系统建立后，可以实现的主要功能有： 
（1）实现了气瓶履历档案的电脑化，档案信息的录入界面友好，档案录入方便、快捷、准确。大大减轻了档案录入工作的难度和工作量，提高了工作效率和质量。 
（2）用户可以依据需要，随时对气瓶履历档案信息进行查询、汇总和分析判断。使得气瓶档案信息在安全管理和生产实践中真正发挥应有的作用。 
（3）能有效地进行气瓶充装作业的过程控制，对异常情况由操作人员使用的手持式阅读器自动给予提示和报警，可以及时、有效地发现过期报废瓶和检验超期瓶，避免了人工操作极易发生的判断失误，可以有效地减少或避免事故的发生。 
（4）无需人工进行操作登记，由手持式阅读器和电脑程序自动完成所有的操作记录，可以事后追溯并查询到任何一个气瓶的流转历史，以及当前状态下任何一个操作人员的操作情况，便于操作质量的分析与控制，事故原因及事故责任的分析与认定。 
（5）可以及时将相关信息准确上报给气瓶监察信息子系统，为安全监察部门的安全监察工作提供了可靠的技术支撑手段。 
3.3气瓶检验信息子系统 
将气瓶检验的相关信息采用计算机辅助技术进行录入、计算和管理，包括如下内容： 
（1）检验记录录入。将现场的检验数据信息录入计算机，录入界面友好，录入方便、快捷、准确。大大减轻了录入工作的难度和工作量，提高了工作效率和质量。 
（2）检验数据的自动计算。现场的检验数据可以由电脑程序进行自动计算，并自动得出气瓶的检验结论，自动生成气瓶的检验报告，减少了人工计算极易发生的差错，提高了气瓶的检验工作效率和质量。 
（3）检验信息上报。气瓶检验信息全部可以上报给气瓶安全监察部门的气瓶信息数据库。 
由以上分析可知，本系统模型如图2所示： 

4 结 语 
本文设计的基于RFID技术的危化品气瓶可视化管理系统可极大改善目前我国危化品气瓶管理的现状，在当前安全生产形势严峻的情况下，可有效增强政府相关职能部门的监察能力。而且，只需对电子标签的数据结构和管理软件的相关部分稍作修改，本系统就可以应用于其它可视化管理系统。