基于多頻異構(gòu)技術(shù)的無線定位關(guān)鎖設(shè)計

唐承佩 唐焯宜

TANG Cheng-pei1, TANG Zhuo-yi2

（1.中山大學(xué) 工學(xué)院，廣州 510275；2.中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510275）

0 引言

我國海關(guān)每年集裝箱的進(jìn)口量已突破4000萬箱，而需在海關(guān)監(jiān)管下轉(zhuǎn)關(guān)的則高達(dá)幾百萬箱。現(xiàn)行海關(guān)轉(zhuǎn)關(guān)貨物監(jiān)管手段主要是采用傳統(tǒng)的鉛制封條，以人工操作、肉眼識別等形式進(jìn)行施封、驗封。這大大影響了車輛通過卡口的速度，也容易發(fā)生人為差錯。

因此，具有RFID及無線定位功能的電子關(guān)鎖應(yīng)運而生[1]。電子關(guān)鎖是一種高科技新型鎖具，兼有機(jī)械鎖、電子簽封雙重功能，內(nèi)置全球唯一編碼，具備防偽、防破壞、防拆卸、防塵、防水、保密、抗高/低溫、抗震及自動報警等特性。

與普通的電子關(guān)鎖不同，本論文提出一種基于多頻異構(gòu)融合技術(shù)的無線定位關(guān)鎖設(shè)計，系統(tǒng)包括ZIGBEE模 塊、GPRS模塊、GPS模塊，以上各模塊均工作于不同頻段，基于多頻異構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)采集、室內(nèi)室外全場景定位等功能，從而達(dá)到了海關(guān)物流快速無人工通關(guān)，無線數(shù)據(jù)采集的目的。

1 無線定位關(guān)鎖設(shè)計方案

1.1 監(jiān)控定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作方式

本系統(tǒng)由監(jiān)控中心服務(wù)器、讀寫器、電子關(guān)鎖組成。在啟運地，由工作人員用無線定位關(guān)鎖將集裝箱上鎖，鎖體將生成一個隨機(jī)號并存儲于ZIGBEE模塊的非易失存儲體中。ZIGBEE模塊將采取低功耗模式工作，周期性采集環(huán)境參數(shù)信息（包括GPS位置信息），并基于GPRS模塊登陸網(wǎng)關(guān)、定時和網(wǎng)關(guān)通信，監(jiān)控中心或者手持式讀寫器對電子關(guān)鎖發(fā)送加鎖命令，電子關(guān)鎖給予回答。

無線定位關(guān)鎖在整個轉(zhuǎn)關(guān)運輸過程中由GPS模塊檢測狀態(tài)信息，主要包括貨物狀態(tài)、時間、緯度、經(jīng)度和海拔高度，并且按照設(shè)定好的傳輸間隔，通過GPRS模塊把信息實時傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。當(dāng)中途出現(xiàn)無線定位關(guān)鎖被破壞或剪斷等異常情況時，關(guān)鎖能迅速通過GPRS模塊向監(jiān)控中心報警，并將當(dāng)前時間、報警類型等信息存儲下來備查。

到達(dá)指運地或者中轉(zhuǎn)站，監(jiān)控中心或者手持式讀寫器讀取無線定位關(guān)鎖信息或發(fā)送解鎖命令進(jìn)行開鎖。如圖1所示。

圖1 無線定位關(guān)鎖在運輸路程上的功能示意圖

1.2 無線定位關(guān)鎖的硬件組成

整個無線定位關(guān)鎖系統(tǒng)包括GPS模塊、GPRS模塊、ZIGBEE模塊、低功耗控制模塊和機(jī)械鎖芯模塊[2][3]。如圖2所示。

圖2 無線定位關(guān)鎖在站點時的示意圖

1.2.1 Zigbee模塊[6]

Zigbee模塊采用CC2431實現(xiàn)。CC2431集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz RF無線收發(fā)機(jī)，單片集成高性能、低功耗的8051控制器核以及128 KB可編程閃存、8 KB RAM。微控制器運行于32 MHz時，接收和發(fā)射電流分別為27 mA和25 mA。本系統(tǒng)設(shè)計中，zigbee模塊在路程上大部分時間都處于休眠模式的，CC2431休眠模式時的電流損耗小于0.6μA，通過外部中斷可喚醒系統(tǒng)，低功耗模式與主動模式之間可快速切換。CC2431的ZIGBEE協(xié)議棧符合ZIGBEE 2006規(guī)范，支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用了全新的樹狀地址分配機(jī)制，可以實現(xiàn)自動選擇新的路由功能，如果發(fā)現(xiàn)某失效節(jié)點，ZIGBEE2006協(xié)議棧將自動具有繞道路由達(dá)到目標(biāo)節(jié)點，這樣，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

本系統(tǒng)設(shè)計中zigbee分為兩類節(jié)點，分別實現(xiàn)不同的功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點（全功能節(jié)點）。每個站點組建的局域網(wǎng)只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的拓展、消息轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇和接受終端設(shè)備通過它接入網(wǎng)絡(luò)；路由器節(jié)點（半功能節(jié)點）。即每個安裝在無線定位關(guān)鎖上的zigbee節(jié)點。路由器節(jié)點間采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個節(jié)點起到無線路由的作用，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點上[5]。

圖3 無線定位示意圖

1.2.2 GPRS模塊[8]

GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊采用ZWG-23DP。支持?jǐn)嗑€自動重連、連接時機(jī)可控功能，節(jié)約流量。具有永遠(yuǎn)在線、空閑下線和空閑掉電三種工作方式。本系統(tǒng)設(shè)計中，GPRS模塊采用空閑下線模式，即系統(tǒng)在設(shè)置好的時隙內(nèi)發(fā)送GPS的數(shù)據(jù)信息，如果在一段時間內(nèi)沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，GPRS模塊將斷開與監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)連接，此模式的平均功耗小于25mA。其下行速率最大可達(dá)85.6Kbps。ZWG-23DP模塊重要參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1 ZWG-23DP模塊參數(shù)設(shè)置

其中目標(biāo)重連次數(shù)用于控制同一批連接中同一目標(biāo)的連接次數(shù)。目標(biāo)重連間隔用于控制兩次嘗試連接的間隔時間。目標(biāo)重連中斷間隔用于控制兩批連接的間隔時間。本系統(tǒng)的設(shè)置是，GPRS開始工作后，首先嘗試連接監(jiān)控中心中心，如果連接失敗，將以200s的間隔，重復(fù)嘗試連接主中心，直到連續(xù)5次連接失敗。之后GPRS模塊將延時200s后切換目標(biāo)服務(wù)器，嘗試連接備用監(jiān)控中心，如果失敗，則以200s的間隔重復(fù)嘗試連，直到5次連接失敗。至此，一批連接嘗試結(jié)束了，GPRS模塊進(jìn)入“連接中斷間隔”延時，延時10分鐘后重復(fù)上面的過程，啟動下一批連接嘗試。整個過程周而復(fù)始，直到GPRS模塊連上一個服務(wù)器為止。

對于幀間隔時間或者數(shù)據(jù)包最大長度，如果設(shè)置得過小，那么DTU 發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)包中用戶數(shù)據(jù)所占比例會下降，將導(dǎo)致流量上升。如果設(shè)置得過大，那么會導(dǎo)致DTU 發(fā)出的數(shù)據(jù)包變大，傳輸延時也會增加。

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置GPRS模塊，通過點對點通信實測，連接穩(wěn)定，通信良好，滿足通信要求。（測試在實驗室環(huán)境下進(jìn)行，參數(shù)要根據(jù)具體不同的通信環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。）

1.2.3 GPS模塊

全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（global positioning system，GPS）是一種利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的技術(shù)。在本系統(tǒng)中，GPS模塊采用e-Compass E531。E531是12通道的GPS接收機(jī)模塊，同時可以跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星，跟蹤性能優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。E531體積為24*43*6mm，功耗僅有0.17W，數(shù)據(jù)更新率是1次/秒，精度為6m。優(yōu)良的性能能夠滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度要求。外部MCU可以通過TTL電平的串行口來實現(xiàn)與GPS模塊的通信，輸出可選波特率為4800b/s、9600b/s、19200b/s、57600b/s 和 115200b/s。

E531把衛(wèi)星軌道參數(shù)、上次定位位置、時間和日期等數(shù)據(jù)保存在靜態(tài)存儲器中作為數(shù)據(jù)備份，同時在發(fā)送時隙把數(shù)據(jù)信息通過GPRS無線傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)跟蹤監(jiān)控[9]。

1.2.4 環(huán)境參數(shù)傳感單元

溫度、濕度的測量采用瑞士 Sensirion 公司研制的 SHT11 型智能化濕度/溫度傳感器，它采用CMOS 和傳感器技術(shù)的融合專利技術(shù),外形尺寸僅為 7.5 mm×5 mm×2.5 mm。SHT11 具有 I2C 總線接口,接口電路簡單，并具有數(shù)字式輸出，免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好的特點。

SHT11 內(nèi)部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器(E2PROM)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC) 寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路；可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出；具有露點值計算輸出功能； 濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為 12 位，并可編程為 12 位和8位；具有數(shù)據(jù)傳輸校驗功能。此傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點。其接口電路如圖4所示

圖4 Zigbee網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 無線定位關(guān)鎖通信協(xié)議

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

分析系統(tǒng)的應(yīng)用需求，關(guān)鎖軟件要實現(xiàn)功能如下：

1）在運輸路程上，GPS周期更新位置狀態(tài)信息，并將數(shù)據(jù)上傳到管理中心，實現(xiàn)實時跟蹤監(jiān)控。Zigbee模塊處于休眠/周期掃描模式,而MCU模塊處于休眠/中斷喚醒模式，保證終端低功耗。

2） 電子鎖周期自檢異常信息，如有異常或鎖體被暴力破壞則通過GPRS向中心站報警。

3） 到達(dá)站點后，檢測是否有道口機(jī)或讀寫器通過有源RFID方式發(fā)過來的命令喚醒ZIGBEE和MCU，并及時對命令進(jìn)行處理，如開鎖，關(guān)鎖等；并檢測GPS信息，如果在室內(nèi)情況，GPS無信號，則啟動ZIGBEE模塊定位功能，實現(xiàn)室內(nèi)場景室時定位，保證終端室外室內(nèi)都能獲得位置信息。

2.2 通信命令及格式

數(shù)據(jù)類型的標(biāo)志用來表示系統(tǒng)中不同種類的信息。對無線定位關(guān)鎖來說，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驈目傮w上來看，有四種大的數(shù)據(jù)類型。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸方向示意圖

圖5中，各數(shù)據(jù)包內(nèi)容為：A，電子關(guān)鎖發(fā)給監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)；B，電子關(guān)鎖發(fā)給手持設(shè)備或道口機(jī)的數(shù)據(jù)； C， 監(jiān)控中心發(fā)給電子關(guān)鎖的數(shù)據(jù)；D，手持設(shè)備或道口機(jī)發(fā)給電子關(guān)鎖的數(shù)據(jù)。

在每種大的數(shù)據(jù)類型中，又有不同的小的數(shù)據(jù)類型，各種類型的數(shù)據(jù)分別如表2所示：

表2 通信格式和數(shù)據(jù)類型分類

3 結(jié)束語

海關(guān)通關(guān)方式的改革必須要有新的海關(guān)物流監(jiān)控系統(tǒng)與之相適應(yīng)，將迅速發(fā)展的有源RFID技術(shù)、定位技術(shù)和無線通信技術(shù)應(yīng)用于海關(guān)物流監(jiān)控系統(tǒng)，無疑會對海關(guān)通關(guān)方式的改革起到有利的推動作用。

通過分析海關(guān)物流監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及電子關(guān)鎖在整個系統(tǒng)中的地位和作用，本文給出了一種新型的無線定位關(guān)鎖設(shè)計。無線定位關(guān)鎖結(jié)合定位技術(shù)、GPRS技術(shù)、zigbee技術(shù)，實現(xiàn)了具有室內(nèi)室外全部空間定位能力、遠(yuǎn)程通信、快速身份識別功能的電子關(guān)鎖，使得海關(guān)對電子關(guān)鎖及其綁定物體能實時監(jiān)控和跟蹤，通關(guān)、轉(zhuǎn)關(guān)更加便捷，可大大提高海關(guān)的工作效率。本系統(tǒng)不僅可以在海關(guān)中使用，其他制造業(yè)物流領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]華宜朝,祁同林,張國洪.RFID技術(shù)改善保稅港物流監(jiān)管工作[J].RFID應(yīng)用,2009.

[2]高陽,李正勤.基于RFID 的電子關(guān)鎖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信與計算機(jī).

[3]國蒞麗.基于RFID技術(shù)的電子關(guān)鎖系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].科技前沿，2009.

[4]CC2431芯片數(shù)據(jù)手冊.Chipcon AS SmartRF, 2005.

[5]Nia-Chiang Liang, Ping-Chieh Chen, Tony Sun.Impact of Node Heterogeneity in ZigBee Mesh Network Routing[J].IEEE,2006.

[6]ZWG-23DP嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊數(shù)據(jù)手冊.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2008.