孫業(yè)梅 成建生 劉家駿

(1.淮安市計(jì)量測試所，淮安 223001；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223001)

0 引言

用于貿(mào)易結(jié)算的數(shù)字指示秤是強(qiáng)制檢定計(jì)量器具。它的準(zhǔn)確與否關(guān)系到經(jīng)營者和消費(fèi)者的合法權(quán)益。然而，在數(shù)字指示秤廣泛應(yīng)用的今天，相當(dāng)數(shù)量的數(shù)字指示秤被改造，具有了作弊功能[1]，尤其是通過修改軟件而實(shí)現(xiàn)的作弊功能[2]，更不容易被廣大消費(fèi)者所識破。利用科技手段對電子衡器等計(jì)量器具進(jìn)行作弊并不是中國的特有現(xiàn)象，世界各國無論先進(jìn)與落后，或多或少都有作弊現(xiàn)象發(fā)生。為了遏制作弊現(xiàn)象，在防止數(shù)字指示秤作弊的技術(shù)方面，常用的方法有：軟件加密、防止修改程序；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)一號；采用防無線搖控電路(實(shí)用專利，專利號 ZL 200920126051.3)；實(shí)施“四統(tǒng)一”(統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一檢定、統(tǒng)一輪換)方法，提高管理水平。以上方法只能解決部分作弊問題。有沒有一個(gè)環(huán)節(jié)簡單、操作方便、推廣容易，并且能從各個(gè)環(huán)節(jié)入手對可能造成作弊的各種行為進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)防，是我們一直思考的問題。為此本文研究了一套集軟硬件為一體的方案，嘗試著對這一問題進(jìn)行較好的解決。

本文首次提出采用雙核技術(shù)實(shí)現(xiàn)對每次稱重計(jì)價(jià)信號(輸入/輸出)的采集，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對，若判斷有作弊計(jì)價(jià)行為，則記錄作弊計(jì)價(jià)信息(時(shí)間、實(shí)際重量、顯示重量)，并通過無線通訊方式將作弊計(jì)價(jià)信息傳輸?shù)焦芾砥脚_，有效地防止了數(shù)字指示秤的各種技術(shù)作弊，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對零散分布的數(shù)字指示秤實(shí)現(xiàn)集中數(shù)字化管理。

1 原理分析

1.1 數(shù)字指示秤工作原理

數(shù)字指示秤主要功能就是精確地把物體重量信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號進(jìn)行放大，A/D轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定高效的數(shù)字信號，傳送到中央微處理器(CPU或者單片機(jī))處理，并經(jīng)顯示器件顯示重量和金額[3]，工作原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字指示秤電路工作原理框圖

稱重傳感器是根據(jù)力-電轉(zhuǎn)換原理，把非電量轉(zhuǎn)換為電量，數(shù)字指示秤常用的是電阻應(yīng)變式稱重傳感器，四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成如圖2的電橋。圖2中:U為電橋外加電源電壓；U0為電橋輸出電壓；R1，R2，R3，R4為四個(gè)電阻應(yīng)變片。

圖2 橋式稱重傳感器原理圖

無物體時(shí)，電橋平衡：

R1/R3=R2/R4

(1)

U0=0

(2)

當(dāng)放上物體時(shí)，對應(yīng)部位的電阻應(yīng)變片發(fā)生彈性變化，引起阻值改變，破壞電橋平衡，從而輸出與所載物體的重量成正比的電壓信號，即電阻應(yīng)變片在彈性范圍內(nèi)的相對變化與引起變形的物體質(zhì)量成正比:

ε=m/ES

(3)

式中：ε為電阻應(yīng)變片的相對變形系數(shù)；m為物體的質(zhì)量，kg；E為電阻應(yīng)變片的彈性模量，kg/mm2；S為電阻應(yīng)變片的橫截面積mm2。

根據(jù)稱重傳感器的工作原理，R1和R4的相對變化及R2和R3的相對變化為

ΔR1/R1=ΔR4/R4=μKε

(4)

ΔR2/R2=ΔR3/R3=μKε

(5)

式中：μ為電阻應(yīng)變片材料的泊松比；Kε為電阻應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)。

當(dāng)電橋供電電源為U時(shí)，稱重傳感器的電橋輸出電壓為：

U0=(1+μ)KεU/[2+(1-μ)Kε]

(6)

由于Kε值太小，分母中含Kε項(xiàng)忽略，式(6)整理可寫成：

U0/U=(1+μ)Kε/2

(7)

式中：U0/U為稱重傳感器的靈敏度。

從式(7)可看出，輸出電壓U0的大小不僅與應(yīng)變電阻片材料、物體的重量有關(guān)，而且與電橋的外加電壓有關(guān)。

1.2 數(shù)字指示秤稱重技術(shù)作弊手段

所謂稱重技術(shù)作弊就是利用技術(shù)手段，使數(shù)字指示秤顯示的重量與實(shí)際不符，從而實(shí)現(xiàn)多收錢或少付款的目的。

從圖1數(shù)字指示秤電路工作原理框圖可看出從稱重到顯示，要經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)的改變，都可改變顯示結(jié)果。常見的方法有:

2.4 不同檢測方法ROC曲線對比 AFP、CA125、TK1、聯(lián)合檢測的AUC值分別為0.722、0.804、0.812、0.906，聯(lián)合檢測AUC高于單項(xiàng)檢測，見圖1。

1)加裝機(jī)械開關(guān)[4]：改變稱重傳感器的外接電源電壓U和放大電路的放大倍數(shù)；

2)加裝遙控器[4]：通過無線遙控，使稱量虛增或虛減；

3)設(shè)置密碼：利用稱重指示秤上鍵盤，按幾個(gè)事先設(shè)定的數(shù)字(密碼)輸入，從而調(diào)用作弊程序；

4)更改芯片：輸入有作弊的程序，通過事先設(shè)定的密碼或遙控器來實(shí)現(xiàn)作弊。

2 防止稱重技術(shù)作弊的方案設(shè)計(jì)

從1.1、1.2分析可知，不管采用什么作弊原理和方法，都只有一個(gè)結(jié)果，即顯示重量與實(shí)際重量不符。當(dāng)數(shù)字指示秤經(jīng)質(zhì)監(jiān)部門檢定進(jìn)入市場后，傳感器輸出的信號(傳感器不能更換)應(yīng)與顯示值成一一對應(yīng)關(guān)系，只要對應(yīng)關(guān)系不成立，就可判斷為作弊。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了可有效防止數(shù)字指示秤稱重技術(shù)作弊的方案。

本設(shè)計(jì)方案由兩部分構(gòu)成：第一部分是數(shù)字指示秤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第二部分是數(shù)字指示秤作弊檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

數(shù)字指示秤管理系統(tǒng)就是將數(shù)字指示秤作弊的信息發(fā)回管理中心和將管理中心的管理指令傳送給數(shù)字指示秤。數(shù)據(jù)采用二級傳輸：第一級采用RF技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本的短距離通訊，利于項(xiàng)目的推廣；第二級采用GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

數(shù)字指示秤作弊檢測系統(tǒng)就是在傳統(tǒng)的系統(tǒng)上增加一個(gè)MCU，與傳統(tǒng)的數(shù)字指示秤系統(tǒng)中的MCU構(gòu)成雙核系統(tǒng)，其中一核實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)價(jià)，另一核負(fù)責(zé)對稱重計(jì)價(jià)信號的檢查，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若判斷有作弊計(jì)價(jià)行為，則記錄作弊計(jì)價(jià)信息(時(shí)間、實(shí)際重量、顯示重量)，并通過無線方式將作弊計(jì)價(jià)信息傳輸?shù)焦芾砥脚_。本文重點(diǎn)研究數(shù)字指示秤作弊檢測系統(tǒng)。具有防作弊功能的數(shù)字指示秤結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 具有防作弊功能的數(shù)字指示秤結(jié)構(gòu)框圖

圖5 具有防作弊功能的數(shù)字指示秤電路原理圖

該系統(tǒng)具有以下功能：

1)具有傳統(tǒng)的稱重計(jì)價(jià)數(shù)字指示；

2)通過產(chǎn)品使用前的檢定，可記錄并保存稱重傳感器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號和標(biāo)準(zhǔn)稱重顯示信號；

3)使用過程中，能檢測稱重傳感器產(chǎn)生的輸入信號和稱重顯示信號；

4)可進(jìn)行信號比對，判斷是否有稱重計(jì)價(jià)作弊行為，對計(jì)價(jià)作弊行為進(jìn)行記錄，存貯其稱重計(jì)價(jià)作弊信息；

5)無線傳送稱重計(jì)價(jià)作弊信息，且每臺數(shù)字指示秤具有唯一的ID號。

該系統(tǒng)主要研究的內(nèi)容是在原有數(shù)字指示秤的基礎(chǔ)上重點(diǎn)對作弊檢測系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，電路原理圖如圖5所示。PIC16LF873是8位CMOS閃存單片機(jī)，主要功能為：1)接收HX711稱重?cái)?shù)字信號，同時(shí)產(chǎn)生語音提示；2)記錄作弊信息(實(shí)際重量、顯示重量、金額、時(shí)間)；3)自校準(zhǔn)功能。EM78P153是低耗高速8位單片機(jī)，主要功能為：1)接收稱重輸入和輸出信號，分析判斷是否具有作弊行為；2)監(jiān)測電池電壓變化；3)無線數(shù)據(jù)收、發(fā)管理。

3 試驗(yàn)與結(jié)果討論

對5臺檢驗(yàn)合格的數(shù)字指示秤進(jìn)行編號，分別為1#、2#、3#、4#、5#，將其內(nèi)部CPU更換為PIC16LF873、EM78P153，構(gòu)成具有防作弊功能的數(shù)字指示秤。在1#、2#、3#秤上分別安裝不同的作弊裝置：1#秤安裝按鍵，改變傳感器電壓；2#秤設(shè)置鍵盤密碼，調(diào)用作弊程序；3#秤加裝遙控器，通過無線遙控，使稱重虛增或虛減；4#、5#秤用于基準(zhǔn)比對。分別開啟1#、2#、3#秤作弊功能，觀察管理平臺上記錄的數(shù)據(jù)。數(shù)字指示秤試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,管理平臺試驗(yàn)顯示結(jié)果如表2所示。

表1數(shù)字指示秤試驗(yàn)結(jié)果

表2數(shù)字指示秤管理平臺試驗(yàn)結(jié)果顯示

注：誤差=100%×(稱重顯示-砝碼重)/砝碼重

從表1可知，利用技術(shù)手段可使數(shù)字指示秤按設(shè)置的比例進(jìn)行稱重作弊。從表2可知，當(dāng)有作弊行為時(shí)，在數(shù)字指示秤管理平臺上可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)作弊現(xiàn)象，掌握作弊相關(guān)信息(ID號、作弊時(shí)間、稱重顯示、誤差)，根據(jù)ID號在管理平臺上可立即查出經(jīng)營地點(diǎn)，經(jīng)營者姓名等相關(guān)信息，為執(zhí)法處理提供了準(zhǔn)確、可靠的證據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)字指示秤使用的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從源頭開始，從各個(gè)環(huán)節(jié)入手對可能造成作弊的各種行為進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而達(dá)到預(yù)防目的。

4 結(jié)束語

通過對數(shù)字指示秤稱重技術(shù)作弊行為的分析，進(jìn)行了防止數(shù)字指示秤稱重技術(shù)作弊方法的研究，給出了一套集軟硬件為一體的防止數(shù)字指示秤技術(shù)作弊的方案。該方案采用雙核技術(shù)可對數(shù)字指示秤使用實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)對零散分布的數(shù)字指示秤實(shí)現(xiàn)集中數(shù)字化管理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，從源頭解決了數(shù)字指示秤稱重技術(shù)作弊行為。防止數(shù)字指示秤作弊是一種社會(huì)責(zé)任，杜絕作弊，需要全社會(huì)的共同努力。

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