基于多頻異構技術的無線定位關鎖設計

唐承佩 唐焯宜

TANG Cheng-pei1, TANG Zhuo-yi2

（1.中山大學 工學院，廣州 510275；2.中山大學 信息科學與技術學院，廣州 510275）

0 引言

我國海關每年集裝箱的進口量已突破4000萬箱，而需在海關監管下轉關的則高達幾百萬箱。現行海關轉關貨物監管手段主要是采用傳統的鉛制封條，以人工操作、肉眼識別等形式進行施封、驗封。這大大影響了車輛通過卡口的速度，也容易發生人為差錯。

因此，具有RFID及無線定位功能的電子關鎖應運而生[1]。電子關鎖是一種高科技新型鎖具，兼有機械鎖、電子簽封雙重功能，內置全球唯一編碼，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。

與普通的電子關鎖不同，本論文提出一種基于多頻異構融合技術的無線定位關鎖設計，系統包括ZIGBEE模 塊、GPRS模塊、GPS模塊，以上各模塊均工作于不同頻段，基于多頻異構技術，實現了環境參數采集、室內室外全場景定位等功能，從而達到了海關物流快速無人工通關，無線數據采集的目的。

1 無線定位關鎖設計方案

1.1 監控定位系統的結構及工作方式

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

無線定位關鎖在整個轉關運輸過程中由GPS模塊檢測狀態信息，主要包括貨物狀態、時間、緯度、經度和海拔高度，并且按照設定好的傳輸間隔，通過GPRS模塊把信息實時傳送到遠程監控中心。當中途出現無線定位關鎖被破壞或剪斷等異常情況時，關鎖能迅速通過GPRS模塊向監控中心報警，并將當前時間、報警類型等信息存儲下來備查。

到達指運地或者中轉站，監控中心或者手持式讀寫器讀取無線定位關鎖信息或發送解鎖命令進行開鎖。如圖1所示。

圖1 無線定位關鎖在運輸路程上的功能示意圖

1.2 無線定位關鎖的硬件組成

整個無線定位關鎖系統包括GPS模塊、GPRS模塊、ZIGBEE模塊、低功耗控制模塊和機械鎖芯模塊[2][3]。如圖2所示。

圖2 無線定位關鎖在站點時的示意圖

1.2.1 Zigbee模塊[6]

Zigbee模塊采用CC2431實現。CC2431集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz RF無線收發機，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，接收和發射電流分別為27 mA和25 mA。本系統設計中，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，低功耗模式與主動模式之間可快速切換。CC2431的ZIGBEE協議棧符合ZIGBEE 2006規范，支持網狀拓撲結構，采用了全新的樹狀地址分配機制，可以實現自動選擇新的路由功能，如果發現某失效節點，ZIGBEE2006協議棧將自動具有繞道路由達到目標節點，這樣，大大提高了系統可靠性。

本系統設計中zigbee分為兩類節點，分別實現不同的功能。協調器節點（全功能節點）。每個站點組建的局域網只有一個協調器節點，負責網絡的拓展、消息轉發、路由選擇和接受終端設備通過它接入網絡；路由器節點（半功能節點）。即每個安裝在無線定位關鎖上的zigbee節點。路由器節點間采用網狀結構組網，每個節點起到無線路由的作用，負責把數據發送到協調器節點上[5]。

圖3 無線定位示意圖

1.2.2 GPRS模塊[8]

GPRS無線通信網絡模塊采用ZWG-23DP。支持斷線自動重連、連接時機可控功能，節約流量。具有永遠在線、空閑下線和空閑掉電三種工作方式。本系統設計中，GPRS模塊采用空閑下線模式，即系統在設置好的時隙內發送GPS的數據信息，如果在一段時間內沒有進行數據傳輸，GPRS模塊將斷開與監控中心的網絡連接，此模式的平均功耗小于25mA。其下行速率最大可達85.6Kbps。ZWG-23DP模塊重要參數設置如表1所示：

表1 ZWG-23DP模塊參數設置

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

對于幀間隔時間或者數據包最大長度，如果設置得過小，那么DTU 發出的網絡包中用戶數據所占比例會下降，將導致流量上升。如果設置得過大，那么會導致DTU 發出的數據包變大，傳輸延時也會增加。

根據以上參數設置GPRS模塊，通過點對點通信實測，連接穩定，通信良好，滿足通信要求。（測試在實驗室環境下進行，參數要根據具體不同的通信環境進行設置。）

1.2.3 GPS模塊

全球衛星通信系統（global positioning system，GPS）是一種利用衛星進行定位的技術。在本系統中，GPS模塊采用e-Compass E531。E531是12通道的GPS接收機模塊，同時可以跟蹤多達12顆GPS衛星，跟蹤性能優越，能夠實現快速定位。E531體積為24*43*6mm，功耗僅有0.17W，數據更新率是1次/秒，精度為6m。優良的性能能夠滿足陸地導航的靈敏度要求。外部MCU可以通過TTL電平的串行口來實現與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把衛星軌道參數、上次定位位置、時間和日期等數據保存在靜態存儲器中作為數據備份，同時在發送時隙把數據信息通過GPRS無線傳送到監控中心，實現跟蹤監控[9]。

1.2.4 環境參數傳感單元

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 和傳感器技術的融合專利技術,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，并具有數字式輸出，免調試、免標定、一致性好的特點。

SHT11 內部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉換器、校準存儲器(E2PROM)、隨機存取存儲器(RAM)、狀態寄存器、循環冗余校驗碼(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；具有數據傳輸校驗功能。此傳感器具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點。其接口電路如圖4所示

圖4 Zigbee網絡示意圖

2 無線定位關鎖通信協議

2.1 系統功能設計

分析系統的應用需求，關鎖軟件要實現功能如下：

1）在運輸路程上，GPS周期更新位置狀態信息，并將數據上傳到管理中心，實現實時跟蹤監控。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） 到達站點后，檢測是否有道口機或讀寫器通過有源RFID方式發過來的命令喚醒ZIGBEE和MCU，并及時對命令進行處理，如開鎖，關鎖等；并檢測GPS信息，如果在室內情況，GPS無信號，則啟動ZIGBEE模塊定位功能，實現室內場景室時定位，保證終端室外室內都能獲得位置信息。

2.2 通信命令及格式

數據類型的標志用來表示系統中不同種類的信息。對無線定位關鎖來說，根據數據傳輸的方向從總體上來看，有四種大的數據類型。

圖5 數據傳輸方向示意圖

圖5中，各數據包內容為：A，電子關鎖發給監控中心的數據；B，電子關鎖發給手持設備或道口機的數據； C， 監控中心發給電子關鎖的數據；D，手持設備或道口機發給電子關鎖的數據。

在每種大的數據類型中，又有不同的小的數據類型，各種類型的數據分別如表2所示：

表2 通信格式和數據類型分類

3 結束語

海關通關方式的改革必須要有新的海關物流監控系統與之相適應，將迅速發展的有源RFID技術、定位技術和無線通信技術應用于海關物流監控系統，無疑會對海關通關方式的改革起到有利的推動作用。

通過分析海關物流監控系統的總體結構以及電子關鎖在整個系統中的地位和作用，本文給出了一種新型的無線定位關鎖設計。無線定位關鎖結合定位技術、GPRS技術、zigbee技術，實現了具有室內室外全部空間定位能力、遠程通信、快速身份識別功能的電子關鎖，使得海關對電子關鎖及其綁定物體能實時監控和跟蹤，通關、轉關更加便捷，可大大提高海關的工作效率。本系統不僅可以在海關中使用，其他制造業物流領域也有廣闊的應用前景。

[1]華宜朝,祁同林,張國洪.RFID技術改善保稅港物流監管工作[J].RFID應用,2009.

[2]高陽,李正勤.基于RFID 的電子關鎖系統設計與實現[J].通信與計算機.

[3]國蒞麗.基于RFID技術的電子關鎖系統及其應用[J].科技前沿，2009.

[4]CC2431芯片數據手冊.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無線數傳模塊數據手冊.廣州致遠電子有限公司,2008.