基于RFID的電子關(guān)鎖系統設計與實(shí)現

引言

現行海關(guān)轉關(guān)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(jìn)行機械施封、驗封、解封，運行成本高、安全性低，更關(guān)鍵的是這種監管方式運行效率低，遠遠不能滿(mǎn)足海關(guān)大密度、高強度業(yè)務(wù)流量的監管要求。RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)是利用感應、無(wú)線(xiàn)電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現以識別和交換數據為目的的自動(dòng)識別技術(shù)。它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)需人工干預。本文基于主動(dòng)式 RFID技術(shù)設計了電子關(guān)鎖系統，采用電子關(guān)鎖代替傳統的鉛制封條對轉關(guān)集裝箱進(jìn)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(wù)器、道口監控機、射頻讀寫(xiě)器(道口讀寫(xiě)器、手持讀寫(xiě)器)、電子關(guān)鎖四部分組成，其系統架構如圖1所示。監控中心服務(wù)器負責后臺數據存儲和管理；道口監控機通過(guò)串口控制道口讀寫(xiě)器同關(guān)鎖進(jìn)行射頻通信；電子關(guān)鎖作為無(wú)線(xiàn)終端，主要實(shí)現信息存儲、無(wú)線(xiàn)通訊、機構控制、狀態(tài)監測等功能。

圖1　 電子關(guān)鎖系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

系統底層硬件結構與設計

電子關(guān)鎖系統底層部分由讀寫(xiě)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。區別在于：道口讀寫(xiě)器增加了RS-485通信接口，手持讀寫(xiě)器增加了人機交互接口，包括44薄膜鍵盤(pán)和12864點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，電子關(guān)鎖則擴展了異常狀態(tài)監測電路和電機驅動(dòng)電路。電機驅動(dòng)電路用來(lái)驅動(dòng)電機，實(shí)現對關(guān)鎖的電子施封和解封。

電子關(guān)鎖要求實(shí)現10~20米的無(wú)線(xiàn)數據通信，本文選用了Nordic公司生產(chǎn)的nRF2401(以下簡(jiǎn)稱(chēng)2401)作為射頻收發(fā)芯片。2401工作在全球開(kāi)放的2.4GHz頻段，125個(gè)頻道，采用GFKS調制，最高無(wú)線(xiàn)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(shí)際設計中采用單通道模式，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(lái)配置工作模式。DATA、CLK1組成SPI總線(xiàn)。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(fā)電路原理圖。

軟件設計

本系統的軟件設計分為三個(gè)層次：監控中心服務(wù)器為頂層；道口監控機為中間層；讀寫(xiě)器及電子關(guān)鎖為底層。限于篇幅，這里主要說(shuō)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(fā)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(gè)字節，數據段為28個(gè)字節，校驗碼為2個(gè)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(guān)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(xiě)器設置的接收地址也相同。2401為半雙工方式，要通過(guò)配置狀態(tài)字來(lái)進(jìn)行數據收發(fā)方式的切換。

通信協(xié)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(cháng)28個(gè)字節。

分析系統的應用需求，由于現場(chǎng)存在多個(gè)讀寫(xiě)器和多個(gè)關(guān)鎖分別通信的情況，所以制訂的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議必須是針對多點(diǎn)對多點(diǎn)的。在每次通信開(kāi)始時(shí)，主叫方需要同應答方建立連接，下面是連接的建立過(guò)程：

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

2、讀寫(xiě)器會(huì )從返回的關(guān)鎖標識中選擇一個(gè)目標鎖對其發(fā)出單點(diǎn)呼叫指令(簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)呼)。對于道口讀寫(xiě)器，采用定向天線(xiàn)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(xiě)器，有可能得到多把鎖應答，可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行選擇后點(diǎn)呼。點(diǎn)呼時(shí)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(huì )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(fā)電路

電子關(guān)鎖主程序設計

一般情況下，電子關(guān)鎖處于休眠監聽(tīng)狀態(tài)，2401收到RF數據幀后，產(chǎn)生DR1中斷喚醒MCU，MCU根據RF協(xié)議數據包格式進(jìn)行數據解析和身份認證后，根據命令碼進(jìn)行處理，最后對應答數據進(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(wèn)題分析

低功耗設計

電子關(guān)鎖采用電池供電，因此低功耗是設計重點(diǎn)，軟件設計中合理設置工作方式可以大大降低功耗。電子關(guān)鎖在大部分時(shí)間里是無(wú)需進(jìn)行通信的，但是它必須保持無(wú)線(xiàn)監聽(tīng)狀態(tài)，以保證隨時(shí)應答主機的呼叫。2401處于接收模式時(shí)的消耗電流為18mA，這種消耗相對較大，不滿(mǎn)足系統需求。設計中采用時(shí)間窗監聽(tīng)方式，電子關(guān)鎖每秒鐘僅開(kāi)啟2401無(wú)線(xiàn)監聽(tīng)1ms，在接收到喚醒指令后，才進(jìn)入長(cháng)時(shí)間監聽(tīng)模式。實(shí)際測試時(shí)間窗監聽(tīng)狀態(tài)時(shí)的功耗僅為0.68mA，功耗顯著(zhù)降低。對于主機即讀寫(xiě)器，每次連接關(guān)鎖前需要增加一個(gè)喚醒過(guò)程，在1秒鐘內持續發(fā)送喚醒指令，保證其時(shí)長(cháng)覆蓋關(guān)鎖監聽(tīng)時(shí)間窗。

避免鄰道干擾

在海關(guān)卡口一般存在多條車(chē)道，相鄰幾條車(chē)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(xiě)器采用定向天線(xiàn)，這樣讀寫(xiě)器發(fā)射的射頻信號定向于單一車(chē)道，可避免讀寫(xiě)器射頻信號對相鄰車(chē)道的影響。但是電子關(guān)鎖不可能采用定向天線(xiàn)，所以再附加一種跳頻通信工作方式，各車(chē)道工作基頻設置相同，但是，一旦讀寫(xiě)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(xiě)器指定的固定頻率上工作，這樣，不同車(chē)道由于跳頻設置不同，可有效避免鄰道干擾。對2401進(jìn)行跳頻設置十分方便，只需在配置模式下對頻道狀態(tài)字進(jìn)行設定即可。

圖3　電子關(guān)鎖主程序流程圖

分時(shí)應答

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

這里對分時(shí)應答設計進(jìn)行分析，設讀寫(xiě)器發(fā)送廣播指令后的通信時(shí)間為T(mén)c，將Tc分為n個(gè)時(shí)間間隙，每個(gè)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答時(shí)間點(diǎn)至某個(gè)時(shí)間間隙內，并返回應答指令。設有x個(gè)關(guān)鎖在通信范圍內，則當n>>x時(shí)，返回信號的沖突概率會(huì )非常低。實(shí)際應用中，現場(chǎng)關(guān)鎖數量一般不會(huì )超過(guò)10個(gè)，通常情況為3~4個(gè)，所以，n設置為100時(shí)就可保證較低的沖突概率。同時(shí)，由于應答時(shí)間非常短(大批量數據交互在連接確認以后發(fā)生)，n設置的較大也不會(huì )明顯降低響應時(shí)間。

結語(yǔ)

實(shí)際測試表明，該電子關(guān)鎖系統可靠性高，抗干擾能力強，可擴展性好。本系統是主動(dòng)式RFID技術(shù)在物流監控領(lǐng)域的一個(gè)新應用，它顯著(zhù)提高了海關(guān)轉關(guān)業(yè)務(wù)的運行效率。