引言

　　現行海關轉關貨物監管主要采用傳統的一次性鉛封方式，以人工操作、肉眼識別等方式對集裝箱進行機械施封、驗封、解封，運行成本高、安全性低，更關鍵的是這種監管方式運行效率低，遠遠不能滿足海關大密度、高強度業務流量的監管要求。RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術是利用感應、無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，實現以識別和交換數據為目的的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無需人工干預。本文基于主動式 RFID技術設計了電子關鎖系統，采用電子關鎖代替傳統的鉛制封條對轉關集裝箱進行電子監控管理。

　　系統架構及運行方式 
              
本系統由監控中心服務器、道口監控機、射頻讀寫器(道口讀寫器、手持讀寫器)、電子關鎖四部分組成，其系統架構如圖1所示。監控中心服務器負責后臺數據存儲和管理；道口監控機通過串口控制道口讀寫器同關鎖進行射頻通信；電子關鎖作為無線終端，主要實現信息存儲、無線通訊、機構控制、狀態監測等功能。

　　                          
                                  圖1  電子關鎖系統網絡拓撲圖

　　系統底層硬件結構與設計

　　電子關鎖系統底層部分由讀寫器和電子關鎖組成，基本組成單元為MCU和射頻收發電路。區別在于：道口讀寫器增加了RS-485通信接口，手持讀寫器增加了人機交互接口，包括4×4薄膜鍵盤和128×64點陣式液晶顯示模塊，電子關鎖則擴展了異常狀態監測電路和電機驅動電路。電機驅動電路用來驅動電機，實現對關鎖的電子施封和解封。

　　電子關鎖要求實現10~20米的無線數據通信，本文選用了Nordic公司生產的nRF2401(以下簡稱2401)作為射頻收發芯片。2401工作在全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，采用GFKS調制，最高無線數據傳輸速率可達1Mbit/s，內置硬件地址解碼和CRC編解碼電路。實際設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為數據準備引腳，與MCU的中斷I/O引腳相連。圖2為射頻收發電路原理圖。
      
軟件設計

　　本系統的軟件設計分為三個層次：監控中心服務器為頂層；道口監控機為中間層；讀寫器及電子關鎖為底層。限于篇幅，這里主要說明底層系統的軟件設計。 

　　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)和突發傳輸模式(Shock Burst)，本設計采用后者。

　　本設計中設置地址段為2個字節，數據段為28個字節，校驗碼為2個字節。地址段為2401芯片配置的接收地址，在系統中設定電子關鎖為被呼叫方，它們的接收地址相同；相應地，主叫方即所有的讀寫器設置的接收地址也相同。2401為半雙工方式，要通過配置狀態字來進行數據收發方式的切換。

　　通信協議研究

　　設計定義的RF數據包裝載于數據段(PAYLOAD)中，該數據包為定長28個字節。

　　分析系統的應用需求，由于現場存在多個讀寫器和多個關鎖分別通信的情況，所以制訂的無線通信協議必須是針對多點對多點的。在每次通信開始時，主叫方需要同應答方建立連接，下面是連接的建立過程：

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

　　2、讀寫器會從返回的關鎖標識中選擇一個目標鎖對其發出單點呼叫指令(簡稱點呼)。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，則直接點呼該鎖；對于手持讀寫器，有可能得到多把鎖應答，可通過鍵盤進行選擇后點呼。點呼時需在應答方標識中填入目標鎖的ID。

　　3、電子鎖在收到該指令后會解析數據包，在認證主機身份并確認應答方標識為己方ID后，向主機返回應答確認指令。主機收到確認指令后認為該連接已確立。

　　
                                 圖2  射頻收發電路

　　電子關鎖主程序設計

　　一般情況下，電子關鎖處于休眠監聽狀態，2401收到RF數據幀后，產生DR1中斷喚醒MCU，MCU根據RF協議數據包格式進行數據解析和身份認證后，根據命令碼進行處理，最后對應答數據進行打包發送。電子施封后的異常狀態檢測采用定時中斷處理。電子關鎖主程序流程如圖3所示。
　　 
關鍵問題分析

　　低功耗設計

　　電子關鎖采用電池供電，因此低功耗是設計重點，軟件設計中合理設置工作方式可以大大降低功耗。電子關鎖在大部分時間里是無需進行通信的，但是它必須保持無線監聽狀態，以保證隨時應答主機的呼叫。2401處于接收模式時的消耗電流為18mA，這種消耗相對較大，不滿足系統需求。設計中采用時間窗監聽方式，電子關鎖每秒鐘僅開啟2401無線監聽1ms，在接收到喚醒指令后，才進入長時間監聽模式。實際測試時間窗監聽狀態時的功耗僅為0.68mA，功耗顯著降低。對于主機即讀寫器，每次連接關鎖前需要增加一個喚醒過程，在1秒鐘內持續發送喚醒指令，保證其時長覆蓋關鎖監聽時間窗。

　　避免鄰道干擾

　　在海關卡口一般存在多條車道，相鄰幾條車道可能存在同頻干擾，在系統設計中結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，各車道工作基頻設置相同，但是，一旦讀寫器與電子關鎖建立通信連接后，雙方便跳到由主機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置不同，可有效避免鄰道干擾。對2401進行跳頻設置十分方便，只需在配置模式下對頻道狀態字進行設定即可。

　　                           
                                            圖3  電子關鎖主程序流程圖

　　分時應答

　　手持讀寫器的應用環境同道口讀寫器不同，它采用廣向天線，有效通信范圍內可能存在多把關鎖。由于頻率相同，廣播呼叫時電子關鎖同步應答會造成信號沖突。為避免沖突，在軟件設計中采用分時應答，關鎖在收到廣播呼叫指令后，先隨機延時一段時間再返回應答指令。需要注意的是隨機延時不是任意的，而是分段的，以保證主機在時間間隙內處理不同的應答信號。 

這里對分時應答設計進行分析，設讀寫器發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鎖的標識讀取和存儲。關鎖收到廣播呼叫后隨機分配應答時間點至某個時間間隙內，并返回應答指令。設有x個關鎖在通信范圍內，則當n>>x時，返回信號的沖突概率會非常低。實際應用中，現場關鎖數量一般不會超過10個，通常情況為3~4個，所以，n設置為100時就可保證較低的沖突概率。同時，由于應答時間非常短(大批量數據交互在連接確認以后發生)，n設置的較大也不會明顯降低響應時間。

　　結語

　　實際測試表明，該電子關鎖系統可靠性高，抗干擾能力強，可擴展性好。本系統是主動式RFID技術在物流監控領域的一個新應用，它顯著提高了海關轉關業務的運行效率。