引言

現(xiàn)行海關(guān)轉(zhuǎn)關(guān)貨物監(jiān)管主要采用傳統(tǒng)的一次性鉛封方式，以人工操作、肉眼識別等方式對集裝箱進(jìn)行機(jī)械施封、驗(yàn)封、解封，運(yùn)行成本高、安全性低，更關(guān)鍵的是這種監(jiān)管方式運(yùn)行效率低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足海關(guān)大密度、高強(qiáng)度業(yè)務(wù)流量的監(jiān)管要求。RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)是利用感應(yīng)、無線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)以識別和交換數(shù)據(jù)為目的的自動(dòng)識別技術(shù)。它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預(yù)。本文基于主動(dòng)式 RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了電子關(guān)鎖系統(tǒng)，采用電子關(guān)鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛制封條對轉(zhuǎn)關(guān)集裝箱進(jìn)行電子監(jiān)控管理。

系統(tǒng)架構(gòu)及運(yùn)行方式

本系統(tǒng)由監(jiān)控中心服務(wù)器、道口監(jiān)控機(jī)、射頻讀寫器(道口讀寫器、手持讀寫器)、電子關(guān)鎖四部分組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控中心服務(wù)器負(fù)責(zé)后臺數(shù)據(jù)存儲和管理；道口監(jiān)控機(jī)通過串口控制道口讀寫器同關(guān)鎖進(jìn)行射頻通信；電子關(guān)鎖作為無線終端，主要實(shí)現(xiàn)信息存儲、無線通訊、機(jī)構(gòu)控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能。

圖1　 電子關(guān)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)底層硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

電子關(guān)鎖系統(tǒng)底層部分由讀寫器和電子關(guān)鎖組成，基本組成單元為MCU和射頻收發(fā)電路。區(qū)別在于：道口讀寫器增加了RS-485通信接口，手持讀寫器增加了人機(jī)交互接口，包括4×4薄膜鍵盤和128×64點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，電子關(guān)鎖則擴(kuò)展了異常狀態(tài)監(jiān)測電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鎖的電子施封和解封。

電子關(guān)鎖要求實(shí)現(xiàn)10~20米的無線數(shù)據(jù)通信，本文選用了Nordic公司生產(chǎn)的nRF2401(以下簡稱2401)作為射頻收發(fā)芯片。2401工作在全球開放的2.4GHz頻段，125個(gè)頻道，采用GFKS調(diào)制，最高無線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbit/s，內(nèi)置硬件地址解碼和CRC編解碼電路。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用單通道模式，MCU需要同2401的6個(gè)引腳相連，分別為DATA、CLK1、DR1、PWR、CE、CS。其中PWR、CE、CS用來配置工作模式。DATA、CLK1組成SPI總線。DR1為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳，與MCU的中斷I/O引腳相連。圖2為射頻收發(fā)電路原理圖。

軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)層次：監(jiān)控中心服務(wù)器為頂層；道口監(jiān)控機(jī)為中間層；讀寫器及電子關(guān)鎖為底層。限于篇幅，這里主要說明底層系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2401通信方式分析

2401存在兩種通信方式，分別為直接傳輸模式(Dire Mode)和突發(fā)傳輸模式(Shock Burst)，本設(shè)計(jì)采用后者。

本設(shè)計(jì)中設(shè)置地址段為2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)段為28個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)碼為2個(gè)字節(jié)。地址段為2401芯片配置的接收地址，在系統(tǒng)中設(shè)定電子關(guān)鎖為被呼叫方，它們的接收地址相同；相應(yīng)地，主叫方即所有的讀寫器設(shè)置的接收地址也相同。2401為半雙工方式，要通過配置狀態(tài)字來進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)方式的切換。

通信協(xié)議研究

設(shè)計(jì)定義的RF數(shù)據(jù)包裝載于數(shù)據(jù)段(PAYLOAD)中，該數(shù)據(jù)包為定長28個(gè)字節(jié)。

分析系統(tǒng)的應(yīng)用需求，由于現(xiàn)場存在多個(gè)讀寫器和多個(gè)關(guān)鎖分別通信的情況，所以制訂的無線通信協(xié)議必須是針對多點(diǎn)對多點(diǎn)的。在每次通信開始時(shí)，主叫方需要同應(yīng)答方建立連接，下面是連接的建立過程：

1、讀寫器發(fā)出廣播呼叫(簡稱全呼)指令，這是一個(gè)單包指令，需在應(yīng)答方標(biāo)識填0xFFFFFF，命令碼為‘S’。此時(shí)，有效通信距離內(nèi)的電子鎖都會(huì)被喚醒，它們會(huì)在應(yīng)答方標(biāo)識中填入自己的ID并返回給讀寫器。

2、讀寫器會(huì)從返回的關(guān)鎖標(biāo)識中選擇一個(gè)目標(biāo)鎖對其發(fā)出單點(diǎn)呼叫指令(簡稱點(diǎn)呼)。對于道口讀寫器，采用定向天線保證每次全呼僅呼叫到一把鎖，則直接點(diǎn)呼該鎖；對于手持讀寫器，有可能得到多把鎖應(yīng)答，可通過鍵盤進(jìn)行選擇后點(diǎn)呼。點(diǎn)呼時(shí)需在應(yīng)答方標(biāo)識中填入目標(biāo)鎖的ID。

3、電子鎖在收到該指令后會(huì)解析數(shù)據(jù)包，在認(rèn)證主機(jī)身份并確認(rèn)應(yīng)答方標(biāo)識為己方ID后，向主機(jī)返回應(yīng)答確認(rèn)指令。主機(jī)收到確認(rèn)指令后認(rèn)為該連接已確立。

圖2　射頻收發(fā)電路

電子關(guān)鎖主程序設(shè)計(jì)

一般情況下，電子關(guān)鎖處于休眠監(jiān)聽狀態(tài)，2401收到RF數(shù)據(jù)幀后，產(chǎn)生DR1中斷喚醒MCU，MCU根據(jù)RF協(xié)議數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和身份認(rèn)證后，根據(jù)命令碼進(jìn)行處理，最后對應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送。電子施封后的異常狀態(tài)檢測采用定時(shí)中斷處理。電子關(guān)鎖主程序流程如圖3所示。
　　
關(guān)鍵問題分析

低功耗設(shè)計(jì)

電子關(guān)鎖采用電池供電，因此低功耗是設(shè)計(jì)重