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)為目的的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),，識別工作無需人工干預(yù),。本文基于主動式 RFID技術(shù)設(shè)計了電子關(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
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)動電路,。電機(jī)驅(qū)動電路用來驅(qū)動電機(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)計中采用單通道模式，MCU需要同2401的6個引腳相連，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
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為三個層次：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,。
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)計采用后者,。
本設(shè)計中設(shè)置地址段為2個字節(jié),，數(shù)據(jù)段為28個字節(jié)，校驗(yàn)碼為2個字節(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個字節(jié),。
分析系統(tǒng)的應(yīng)用需求,，由于現(xiàn)場存在多個讀寫器和多個關(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,，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,，這是一個單包指令,，需在應(yīng)答方標(biāo)識填0xFFFFFF，命令碼為‘S’,。此時,，有效通信距離內(nèi)的電子鎖都會被喚醒，它們會在應(yīng)答方標(biāo)識中填入自己的ID并返回給讀寫器,。
2,、讀寫器會從返回的關(guān)鎖標(biāo)識中選擇一個目標(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
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
電子關(guān)鎖采用電池供電,，因此低功耗是設(shè)計重點(diǎn)，軟件設(shè)計中合理設(shè)置工作方式可以大大降低功耗,。電子關(guān)鎖在大部分時間里是無需進(jìn)行通信的,，但是它必須保持無線監(jiān)聽狀態(tài)，以保證隨時應(yīng)答主機(jī)的呼叫,。2401處于接收模式時的消耗電流為18mA,，這種消耗相對較大，不滿足系統(tǒng)需求。設(shè)計中采用時間窗監(jiān)聽方式,，電子關(guān)鎖每秒鐘僅開啟2401無線監(jiān)聽1ms,，在接收到喚醒指令后，才進(jìn)入長時間監(jiān)聽模式,。實(shí)際測試時間窗監(jiān)聽狀態(tài)時的功耗僅為0.68mA,，功耗顯著降低。對于主機(jī)即讀寫器,，每次連接關(guān)鎖前需要增加一個喚醒過程,，在1秒鐘內(nèi)持續(xù)發(fā)送喚醒指令，保證其時長覆蓋關(guān)鎖監(jiān)聽時間窗,。
避免鄰道干擾
在海關(guān)卡口一般存在多條車道,，相鄰幾條車道可能存在同頻干擾，在系統(tǒng)設(shè)計中結(jié)合兩種方式避免此干擾：一種是道口讀寫器采用定向天線,，這樣讀寫器發(fā)射的射頻信號定向于單一車道,，可避免讀寫器射頻信號對相鄰車道的影響。但是電子關(guān)鎖不可能采用定向天線,，所以再附加一種跳頻通信工作方式,，各車道工作基頻設(shè)置相同，但是,，一旦讀寫器與電子關(guān)鎖建立通信連接后,，雙方便跳到由主機(jī)即讀寫器指定的固定頻率上工作，這樣,，不同車道由于跳頻設(shè)置不同,，可有效避免鄰道干擾。對2401進(jìn)行跳頻設(shè)置十分方便,，只需在配置模式下對頻道狀態(tài)字進(jìn)行設(shè)定即可,。
圖3 電子關(guān)鎖主程序流程圖
分時應(yīng)答
手持讀寫器的應(yīng)用環(huán)境同道口讀寫器不同，它采用廣向天線,，有效通信范圍內(nèi)可能存在多把關(guān)鎖,。由于頻率相同，廣播呼叫時電子關(guān)鎖同步應(yīng)答會造成信號沖突,。為避免沖突,，在軟件設(shè)計中采用分時應(yīng)答，關(guān)鎖在收到廣播呼叫指令后,，先隨機(jī)延時一段時間再返回應(yīng)答指令,。需要注意的是隨機(jī)延時不是任意的，而是分段的,，以保證主機(jī)在時間間隙內(nèi)處理不同的應(yīng)答信號,。
這里對分時應(yīng)答設(shè)計進(jìn)行分析,，設(shè)讀寫器發(fā)送廣播指令后的通信時間為Tc，將Tc分為n個時間間隙,，每個間隙足夠完成對某一把關(guān)鎖的標(biāo)識讀取和存儲,。關(guān)鎖收到廣播呼叫后隨機(jī)分配應(yīng)答時間點(diǎn)至某個時間間隙內(nèi)，并返回應(yīng)答指令,。設(shè)有x個關(guān)鎖在通信范圍內(nèi),，則當(dāng)n>>x時，返回信號的沖突概率會非常低,。實(shí)際應(yīng)用中,，現(xiàn)場關(guān)鎖數(shù)量一般不會超過10個，通常情況為3~4個,，所以,，n設(shè)置為100時就可保證較低的沖突概率。同時,，由于應(yīng)答時間非常短(大批量數(shù)據(jù)交互在連接確認(rèn)以后發(fā)生),，n設(shè)置的較大也不會明顯降低響應(yīng)時間。
結(jié)語
實(shí)際測試表明,，該電子關(guān)鎖系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng),，可擴(kuò)展性好,。本系統(tǒng)是主動式RFID技術(shù)在物流監(jiān)控領(lǐng)域的一個新應(yīng)用，它顯著提高了海關(guān)轉(zhuǎn)關(guān)業(yè)務(wù)的運(yùn)行效率,。