基于RFID的電子關(guān)鎖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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行機械施封、驗封、解封，運行成本高、安全性低，更關(guān)鍵的是這種監(jiān)管方式運行效率低，遠遠不能滿足海關(guān)大密度、高強度業(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行非接觸雙向通信，實現(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)集裝箱進行電子監(jiān)控管理。

系統(tǒng)架構(gòu)及運行方式

本系統(tǒng)由監(jiān)控中心服務(wù)器、道口監(jiān)控機、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)器負責后臺數(shù)據(jù)存儲和管理；道口監(jiān)控機通過串口控制道口讀寫器同關(guān)鎖進行射頻通信；電子關(guān)鎖作為無線終端，主要實現(xiàn)信息存儲、無線通訊、機構(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)拓撲圖

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交互接口，包括44薄膜鍵盤和12864點陣式液晶顯示模塊，電子關(guān)鎖則擴展了異常狀態(tài)監(jiān)測電路和電機驅(qū)動電路。電機驅(qū)動電路用來驅(qū)動電機，實現(xiàn)對關(guān)鎖的電子施封和解封。

電子關(guān)鎖要求實現(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1Mbit/s，內(nèi)置硬件地址解碼和CRC編解碼電路。實際設(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)議必須是針對多點對多點的。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)鎖標識中選擇一個目標鎖對其發(fā)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(yīng)答，可通過鍵盤進行選擇后點呼。點呼時需在應(yīng)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(shù)據(jù)包，在認證主機身份并確認應(yīng)答方標識為己方ID后，向主機返回應(yīng)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(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)包格式進行數(shù)據(jù)解析和身份認證后，根據(jù)命令碼進行處理，最后對應(yīng)答數(shù)據(jù)進行打包發(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，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，才進入長時間監(jiān)聽模式。實際測試時間窗監(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，先隨機延時一段時間再返回應(yīng)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(nèi)處理不同的應(yīng)答信號。

這里對分時應(yīng)答設(shè)計進行分析，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)鎖的標識讀取和存儲。關(guān)鎖收到廣播呼叫后隨機分配應(yīng)答時間點至某個時間間隙內(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n>>x時，返回信號的沖突概率會非常低。實際應(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

實際測試表明，該電子關(guān)鎖系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強，可擴展性好。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)的運行效率。