電子關鎖編碼與解碼識別方法研究

陳國發　陳致遠

摘 要：文章根據實際需求，對電子關鎖目前的工作狀態和可能的合作方式從施封到解封全過程進行安全性技術分析，給出其相應的優缺點和存在的風險，從而找出一種行之有效的模式識別、通信協議、編碼格式、數據加密、解碼原理等技術方法和實現過程。

關鍵詞：電子標簽；射頻識別技術；編碼與解碼；電子關鎖

在海關物流監控系統中，由閘口監控、運輸車輛的GPS監控、EDI數據平臺，集裝箱電子鉛封，組成一個完整的封閉系統。在信息識別和通信方面，對電子鉛封系統的基本技術要求是：（1）在用開封器開電子鉛封時要能判斷該鉛封是否被非法打開過。（2）電子鉛封能防偽及數據加密。（3）開封器要受控制中心的控制。（4）開封器與控制中心能無線通信。

1 無源無線防偽電子鉛封

1.1 無源無線防偽電子鉛封系統組成

海關集裝箱無源無線電子鉛封系統如圖1所示，由以下5部分組成。

（1）電子鉛封：電子鉛封沿襲傳統鉛封模式，可封裝在傳統鉛封中，插在集裝箱門上，封住集裝箱門。鉛封內嵌集成電路模塊，無須電源。電子鉛封不與GPS車載臺或其他設備連接。電子鉛封內保存有全球唯一且不可更改的ID號。鉛封中還有一定數量的內存，可以保存集裝箱號碼、運載車輛車牌號、運輸起始海關和終點海關。鉛封的使用具備一次性，即鉛封打開后集成電路模塊就被破壞，加上全球唯一的ID號，無法再復原鉛封。

（2）加封器、開封器：實際上是一個電子鉛封的讀寫器。該設備通過無線射頻，讀取或寫入鉛封中保存的數據。該設備無須和電子鉛封連線，通過無線方式可讀取、寫入鉛封中保存的信息。

（3）無線收發機：無線收發機通過RS232接口協議分別與開封器和場站計算機相連。兩臺無線收發機可在1 000 m的范圍內通過無線方式使開封器與場站計算機通信，傳送鉛封號、集裝箱號碼等。

（4）場站計算機：負責場站現場數據與海關監控中心之間的數據傳輸。

（5）海關物流監控中心：負責鉛封的發放、注銷、核對等管理工作，通過網絡與場站計算機進行數據通信[1]。

1.2 電子關鎖要實現的功能

（1）檢測鎖銷的狀態。（2）進行無線讀寫數據。（3）規定的數據傳輸格式（這個在實際使用中可能會做調整）。（4）有自己的數據加密算法，采用CRC校驗。（5）存儲信息和記錄鎖開關次數。（6）讀寫速度快（在整個通道行進的過程中要至少完成一次讀取（與電子車牌讀寫速度同））；讀寫距離遠（覆蓋整個通道15 m以上）。

圖1 無源無線電子鉛封方案

1.3 無源無線電子鉛封系統工作過程

海關集裝箱無源無線電子鉛封系統的工作過程分加封、開封、問題處理3部分。

（1）加封：集裝箱出場站之前，在集裝箱門上加一把電子鉛封，封住集裝箱門。具體過程如下：挑選一把電子鉛封；將集裝箱號、運載車輛號碼、起點海關、終點海關輸入場站計算機；將電子鉛封放在加封器上；場站計算機通過加封器讀出電子鉛封ID號；場站計算機將集裝箱號和電子鉛封號傳到監控中心；監控中心按加密程序返回密碼；場站計算機通過加封器將密碼、集裝箱號碼、起點、終點海關等信息寫入電子鉛封；用電子鉛封封住集裝箱門。

（2）開封：集裝箱進場站后，對集裝箱門上完好無損的電子鉛封開封的具體過程如下：將手持式開封器接近電子鉛封；開封器讀取鉛封中的ID號、集裝箱號、車牌號、起始海關、終點海關；開封器向場站計算機發送鉛封信息。場站計算機將集裝箱號、鉛封ID號、密碼和開封請求傳到監控中心；監控中心按解密程序檢查電子鉛封的真偽，并相應地返回真偽結果；并在數據庫中記錄信息；場站計算機通過無線頻道向開封器發送驗證信息；若驗證通過，則從集裝箱門上取下電子鉛封，本鉛封打開后即被當場銷毀；如果為拒絕命令，屬問題處理。

（3）問題處理：集裝箱上的鉛封被毀、控制中心發現無效鉛封拒絕開封、電子鉛封內嵌芯片失靈等情況都屬于本系統的問題，需要提出處理問題辦法[2]。

1.4 電子鎖目前的狀態

（1）采用輪巡的方式傳輸采集數據。

（2）傳輸速率為19.2 K（433 M），1 M（2.4 G）。

（3）433 M采用MCU和傳輸芯片相結合的方式，2.4 G采用單一芯片，此芯片包含一個51單片和一個快速傳輸芯片。

1.5 可能的合作方式

（1）直接采用amtech的合適芯片實現現在所有的功能。

（2）采用amtech的芯片和mcu相結合，由amtech芯片一直處于接收狀態，在接收到正確數據后喚醒mcu，由mcu進行控制進行數據的交互。

（3）采用amtech的芯片作為喚醒芯片，在mcu喚醒以后就讓amtech芯片關閉，用其他的傳輸芯片進行數據的無線傳輸（此種狀態是針對amtech芯片無法完成數據傳輸的情況下）[3]。

以上3種合作方式的優勢和風險闡述如下。

針對（1）：優勢為無需進行別的配合，開發周期短。

風險為沒有合適的芯片實現以上的5個基本功能，尤其是算法的實現和檢測電路的實現。

針對（2）：這種是最好的方式。

工作讀出模式：amtech芯片一直處于低功耗的接收狀態（功耗應在10 μA以內），在進入RF輻射區后，接收到正確數據包頭后用中斷等方式將MCU喚醒，與MCU進行數據交換，調用已加完密的數據向外發射后等待，直到amtech芯片離開RF輻射區，芯片重新進入低功耗接收狀態，同時給MCU一個可休眠信號。MCU進入休眠狀態。

寫入模式：amtech芯片一直處于低功耗的接收狀態（功耗應在10 μA以內），在進入RF輻射區后，接收到正確數據包頭后用中斷等方式將MCU喚醒，與MCU進行數據交換，繼續向讀寫器要數據包，得到正確的數據包后，MCU對此數據進行加密算法，直到amtech芯片離開RF輻射區，芯片重新進入低功耗接收狀態，同時給MCU一個可休眠信號。MCU進入休眠狀態。

鎖銷檢測：MCU進行相應檢測。優勢：功耗低，通信方便快捷。劣勢：是否這樣就無法實現用手持機對其進行讀寫了？

需要弄明白的問題：

①讀寫器的數據交換協議如何制定？是我們制定完成后，RF將其進行調制，采用的CRC校驗可以杜絕黑匣子部分不能解決可能性。

②是否工作模式中提到的中斷和數據交換解決方案，采用和普通串口形式一致嗎？

針對（3）：這個方案應該說最不好實現，因為勢必有兩種RF相互干擾的情況。

風險：無法采用單一POS機進行數據的讀寫，因為必須提供兩種RF方式才能激活并讀寫。

2 識別原理

2.1 通信串口設置

電子關封讀寫器通過RS232串口與PC機通信，串口參數為：波特率9 600，校驗位NONE，數據位8，停止位1。命令格式：0xaa+控制命令字+0x00+0x00[+數據內容]+0xab。

2.2 標簽信息編碼格式

電子標簽數據由128個比特組成。標簽被激活后，對數據進行編碼，加同步幀頭，形成數據幀信號，采用反向散射原理（ASK調制信號）將數據發送給讀寫器。標簽的數據編碼形式如圖2a和b所示。同步幀頭形式如圖2c所示。標簽返回數據速率為10 kbps；返回整個數據幀，包括幀頭，需13 ms。

引導字節共5個字節，數據包包頭共16個字節，數據包共54個字節，合計75個字節。

2.3 數據加密

包含ENCRYPT.H，將ENCRYPT.LIB加入PROJECT。ENCRYPT.DLL接口說明如下。

2.3.1 加密函數

unsigned int EnCode（unsigned char * SourceBuf，

unsigned int CodeLength，

unsigned char * DestBuf）

SourceBuf：存放未加密數據的緩沖區首地址；CodeLength：數據字節數；DestBuf：存放加密后數據的緩沖區首地址；

加密成功，返回1；失敗返回0。

2.3.2 解密函數

unsigned int UnCode（unsigned char * SourceBuf，

unsigned int CodeLength，

unsigned char * DestBuf）

SourceBuf：存放加密數據的緩沖區首地址；CodeLength：數據字節數；DestBuf：存放解密后數據的緩沖區首地址；

解密成功，返回1；失敗返回0。

讀關封返回各數據包的第（9—232）和（233—256）兩個數據塊需分別進行解密；

快速讀關封返回數據包的第9—32共24個字節需進行解密；

注意：第1—8字節不能進行解密，寫關封前需對各數據包的第1—224共224個字節進行加密。

2.4 數據校驗

包含AVRCRC.H，加入AVRCRC.LIB；AVRCRC.DLL接口：

BOOL CreateCRC（const char * pDataBuf， //數據區首址

int iDataLength， //數據字節長度，必須為偶數

WORD &crccode;） //生成的兩字節校驗碼

對要寫的（前數據包，后數據包）或（數據包）作整體運算，將生成的兩字節校驗碼放入（校驗碼低字節），（校驗碼高字節）。成功返回TRUE；失敗返回FALSE。

2.5 自動模式工作時序

如圖3所示，探頭被擋住為觸發，未被擋住為釋放。

探頭的共同狀態指探頭1和探頭2的狀態相同時探頭的狀態。

集裝箱卡車沿箭頭方向前進。

箱型可能為單長箱、單短箱、雙短箱。

探頭狀態變化如表1所示。

由表1可得出：（1）當探頭的共同狀態由釋放變為觸發時，標志前箱到來：讀寫器自動開始讀關封，完成后，若讀取成功則將數據保存，若不成功則保存失敗信息；PC記錄探頭狀態的變化。

（2）當探頭的共同狀態由觸發變為釋放時，標志后箱正在離去：讀寫器自動開始讀關封，完成后，如果已收到PC發來的索取數據命令，則將兩個關封的數據返回；如果尚未收到PC發來的索取數據命令，若讀取成功則將數據保存，若不成功則保存失敗信息，等到收到PC發來的索取數據命令后，再將兩個關封的數據返回；PC延時100 ms后，向讀寫器發索取數據命令。

（3）在讀取數據的過程中，檢測到探頭的共同狀態的變化：如讀寫器已讀到數據，則將數據保存，如未讀到數據，則中止本次讀取，保存失敗信息，如已收到索取數據命令，將兩個關封的數據返回，然后進入下一次讀取流程；PC如果在后箱離去后在等待返回數據過程中檢測到，則再等待200 ms，等待讀寫器返回數據，作相應處理，然后進入下一流程。

（4）在上述自動模式下，若時限已到而未讀取成功，讀寫器會自動停止，PC不要向讀寫器發送取消命令[4]。

以上流程時序圖如圖4所示。

3 結語

（1）整個電子鉛封系統從加封到開封形成一個大閉環，處在監控中心的監控之下。安全、可靠，一旦加封，任何換鉛封的可能性都不存在。

（2）由于電子鉛封內沒有電源，價格便宜，一次性使用，電子鉛封幾乎不需要維護工作。

（3）開封器、加封器接口軟件的開發：該軟件至少包含從電子鉛封內讀數據、向電子鉛封內寫數據、向計算機發數據、接受計算機數據等功能。

（4）電子鉛封系統管理軟件的開發：該軟件控制整個電子鉛封系統的流程，與業務系統緊密結合。應用與開封器、加封器數據交換、網絡數據傳送、數據加密與解密、電子鉛封發放報廢管理、問題處理記錄與統計等功能。

（5）開封器與場站計算機無線連接，便于使用。

[參考文獻]

[1]杜思深.無線數據通信技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]EPCglobal.EPCTM radio-frequency identity protocols class-1 generation-2 UHF RFID protocol for communication at 860～960 MHz[M].Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2005.

[3]錢游，陳國發.單片機實用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2017.

[4]陳國發.基于單片機和RFID的智能電子關封設計[J].電子測試，2018（3）：38-47.