GPRS/RFID技術在巡更系統中的應用

柳衛林，官洪運，張 穎，白文江

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

現代化的大型園區需要一個安全、高效的辦公環境，隨著企業規模的逐步擴大，怎樣更好地加強園區內部安全管理，已成為困擾每一個園區管理者的問題，而加強保安的管理是確保園區安全的第一要務。因此保安巡更監察系統應運而生，用于對保安員的巡更點、巡更路線、到達時間和巡更班次等信息進行管理與分配。傳統簽名簿的巡更簽到形式容易出現冒簽或補簽的問題。在查核簽到時費時費力，對于失盜、失職分析難度較大。采用巡更手機的脫機式巡更方式，無法實時監控巡更情況，而且需要配備專門的巡更手機設備。考慮到保安人員工作環境復雜和人員素質參差不齊，巡更手機易造成人為損壞，維護起來工作量大。本文介紹了一種新型的實時在線巡更系統，該系統使巡更管理更為科學、方便，對監督巡更人員，保障園區安全起到極其重要的作用。在實際使用時，由巡更員隨身攜帶一張智能卡，按事先設定好的巡更線路巡查保護區域，在指定的時間內到達巡更點，當巡更員經過事先設定的巡更點時，巡更機自動識別并讀取保安身上的智能卡信息，由巡更機通過GPRS將保安ID、到達時間等工作記錄信息發送到總監控室，管理人員在中心電腦上可以及時看到巡更員巡邏情況，從而實現在線巡更管理功能。

1 系統方案

1.1 系統特點

(1)傳統接觸式IC卡，工作時需要與讀寫終端觸點接觸，存在易磨損、并行多人刷卡困難等不足。而基于無線射頻技術非接觸式智能卡具有無接觸、可并行處理、與接觸式相比可節省70%～90%的時間[1]。

(2)采用非接觸式智能卡，巡更員提交出勤信息更加方便，讀卡器自動識別出電子標簽信息，解決了巡更棒方式必須與信息采集點準確接觸才能采集信息的缺點。

(3)采用無線方式傳輸信息，解決了傳統的采用RS485、CAN總線的有線方式中存在的網絡施工布線工作量大、線路易受破壞、線路損壞后故障點不易查找等缺點。

(4)GPRS的網絡覆蓋面很廣，確保了大型園區的可用性，解決了RS485、CAN總線通信方式受距離限制的問題。

(5)使用熱紅外感應式傳感器，在巡更人員經過的時候，傳感器感受到人體紅外光譜變化，通過中斷喚醒巡更機，這樣既避免能源浪費，又增加巡更機的使用年限。

(6)巡更人員和巡更機統一由控制室管理，便于人員調配和巡更機的管理維護，當有巡更員漏崗，或終端機故障，都可以第一時間通知控制室。

1.2 系統組成

實時在線巡更系統由GPRS模塊、巡更機終端、非接觸式IC卡、上位機巡更管理軟件等構成。GPRS模塊的組網方式一般有公網靜態IP方案、動態域名解析方案、SMS通信方案、APN專線接入方案。考慮系統的安全性，本應用采用APN專線接入移動公司的GPRS網絡，中心采用APN專線，各個節點采用內網固定IP，該方案監控中心通過1條2 M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為監控中心分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監控點及中心分配移動內部固定IP。巡更機和監控中心之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案無論在實時性、安全性和穩定性方面較前3種方案都有很大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。非接觸式IC卡存儲巡更員的信息，巡更機終端負責采集巡更員信息，巡更機通過GPRS模塊將采集到的信息發送到監控中心，監控中心上位機存取各個巡更點巡更機采集來的信息，進行分類存儲。系統框圖如圖1所示。

圖1 實時在線巡更系統網絡拓撲圖

1.3 系統工作原理

由監控中心給各個巡更機發送命令，通過終端機返回的信息就可以確定巡更機是否工作正常。當巡更員經過巡更機時，巡更機通過讀取巡更員的IC卡信息，將巡更員工號等信息發回監控中心，監控中心將工號與數據庫進行匹配，確定巡更員的身份，同時將巡更機送來的一些輔助信息(如巡更員的位置、巡更時間、巡更點的治安狀況等)同時存入數據庫，這樣系統可以對巡更工作進行監督。如果當班巡查人員沒有在規定的時間段內按指定的巡更路線依次逐點到崗，系統會將該情況及時地反映給監控室值班人員，同時巡更機端的傳感器也會將本地的安全狀況實時提供給監控中心。

2 終端巡更機硬件設計

巡更機的硬件部分主要由處理器、GPRS模塊、紅外傳感器等組成。處理器采用STC12C5410AD，這是一款增強型8051內核的單片機，有多種封裝形式，比普通8051核單片機快8～12倍，硬件看門狗，具有1個全雙工異步串行通信口，1個高速 SPI通信端口，10位 ADC，8通道且價格便宜，特別適合小型嵌入式終端使用。GPRS模塊采用BENQ 22，此模塊是臺灣明基公司GSM/GPRS模塊產品系列的主導產品，該模塊為帶TCP/IP協議的900/1 800/1 900三頻段工業模塊，主要用于無線公話、車載系統、監控、防盜系統。由于該模塊內嵌了TCP/IP協議，這大大降低了對整個系統硬件和軟件的要求。BENG22模塊的工作電壓為3.2 V～4.2 V，通話時最小功耗為230 mA最大為260 mA，待機時功耗小于6 mA；支持3 V的SIM卡，支持語音、短信息、傳真功能，支持GSM和GPRS 2種模式。讀卡器中MF RC522是Philips公司最新推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片，它是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進的調制和解調概念，完全集成了13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。MF RC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達424 Kb/s，具有3種主機接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式。本設計采用 SPI模式進行讀卡器與單片機通信。巡更機硬件框圖如圖2所示。

3 終端巡更機軟件設計

系統軟件主要包括單片機與GPRS模塊的通信，以及讀卡器讀取數據給單片機兩大部分。

在系統初始化完成后，應用程序對外圍電路發出的信號進行監測、識別、處理。考慮事件的多發，不定時的特性，本應用將μC/OS II操作系統移植到軟件系統上，采用該實時操作系統來實現多任務處理。監控系統大多都是后臺程序，系統運行起來就開始進行監聽，當有信號觸發時則進行相應的服務進程，例如，巡更人員到崗，周圍環境突發警情等。軟件流程圖如圖3所示。

圖2 巡更機硬件框圖

3.1 GPRS模塊的軟件設計

GPRS與單片機通信的關鍵部分是該模塊的初始化，初始化完成后，單片機向GPRS模塊發送數據，步驟如下：

(1)運用命令AT+IPR=9 600(默認)設置波特率，可自由用此命令切換通信速率。支持掉電保存，因此只需要設1次，不需要每次開機重設。

(2)運用命令 AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令設置GPRS接入網關。

(3)運用命令AT+CGCLASS=“B”設置移動終端的類別為B類，即同時監控多種業務，但只能運行1種業務。

(4)運用命令AT+CGACT=1，1命令激活 GPRS功能，如果返回OK，則 GPRS連接成功；如果返回 ERROR則意味著GPRS失敗。

(5)運用命令 AT+CIPSTART=“TCP”，“客戶端 IP”，“端口號”來連接客戶端服務器。

(6)AT%CGPC0=1，“PAP”，1(PAP 驗證，默認的用戶名和密碼)AT$DESTINFO=“XXXX.XXXX.XXXX.XXXX”，1，1234這1條指令中XXXX.XXXX.XXXX.XXXX指的是遠端的1個IP地址，這個IP地址必須是正確的，1234指的是端口號，這個端口號是遠端的接收程序默認或者設定的端口號。這里設定的端口號必須要和遠端接收程序的端口號一致。

通過上面的初始化，單片機讀取的讀卡器信息就可以通過GPRS數據業務將巡更員的信息發到監控中心[2]。

3.2 讀卡器軟件設計

讀卡器軟件設計是單片機控制MF RC522對MIFARE卡的操作，包括主控程序、PIC單片機初始化、讀卡器核心模塊RC522初始化、RC522讀寫子程序、防沖突子程序和數據塊操作子程序等[3]。

單片機與MIFARE卡進行通信是通過天線發送協議IS014443A所規定的指令代碼和數據格式來實現的。例如向卡片發送數據是通過向讀卡器核心模塊RC522內的FIFOData寄存器寫入待發送數據，Command寄存器裝入命令 Transceive的代碼 0x1e，RC522就會將數據發送出去，卡中返回數據則存放在FIFOData寄存器中，由單片機讀取后寫入串口通過GPRS發送到控制中心。讀卡器對MIFARE卡片的操作流程如圖4所示[4]。

圖3 巡更機軟件流程圖

圖4 MIFARE卡初始化流程圖

(1)復位應答操作通知 MF RC500有效工作范圍(距離)內尋找MIFARE卡片。

(2)如果多余1張的MIFARE卡片在讀卡器天線的有效工作范圍(距離)內，必須執行防重疊操作，返回 1張卡片的序列號，作為本次操作的對象，而其他卡片處于等待狀態。

(3)在成功執行防重疊操作之后或在任何時候，當程序員想與己知序列號的卡片進行通信時，必須執行選擇卡片操作，以建立與所選卡片的通信，同時返回該卡片的字節數。

(4)為保證對卡片操作的合法性，在對卡片操作前必須在卡片和讀卡器之間進行認證操作。

3.3 上位機軟件設計

監控中心的上位機軟件采用VC 6.0實現，主要作用是監控各個巡更機信息，并通過GPRS數據鏈路給各個巡更機發送命令。本系統不屬于重點討論對象，只簡要概述。

通過具體分析小區的物業管理特征，針對現有巡更機特點進行改進設計，提出了一種新式的在線式巡更管理系統，實現小區巡更信息采集的網絡化、無線化。采用非接觸式IC卡操作及信息獲取簡便，極大地提高了社區管理效能和辦公工作效率。采用GPRS業務作為數據傳輸載體，使得系統安裝簡便，調試維護較容易，性能價格比好。同時系統結構緊湊、易于擴充連接，有極好的靈活性，具有很好的應用前景。

[1]FLAIG J， HAMANN U， WEITZEL J.Memory IC with contactless interface， CombiCard IC： Great prospects for smart cards[J].Comon.Siemens AG， Mnnich， Germany： 1996(315)：34-37.

[2]鐘章隊，蔣文怡，李紅君.GPRS通用分組無線業務[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]何立民.MCS51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[4]孫明星.智能卡技術在物流園區車輛管理系統中的應用[D].北京：北京理工大學，2006.