基于北斗定位系統(tǒng)的智能海關物流鎖設計與實現(xiàn)

樊 玥，張 越，吳韶波，趙卓凡，于競妍，吳輝祥

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

在經(jīng)濟全球化和對外開放不斷深化的大時代趨勢下，各國之間的貿易往來空前繁榮。據(jù)海關統(tǒng)計，2021 年我國貨物貿易進出口總值為39.1 萬億元，比2020 年增長21.4%。其中，出口21.73 萬億元，增長21.2%；進口17.37 萬億元，增長21.5%。與2019 年相比，我國外貿進出口、出口、進口分別增長23.9%、26.1%、21.2%。隨著進出口貿易的增加，海關對于貿易貨物的安全檢查及物流跟蹤就顯得尤為重要，海關鎖就是實現(xiàn)監(jiān)管的工具之一。

海關鎖是監(jiān)管單位、物流公司實時掌握物流動向，以提高通關或查驗的效率的工具；也是海關對轉關貨物及運輸海關監(jiān)管貨物進行安全性檢測以及保證貨物在運輸過程中安全性的工具。在幫助保護使用者財物安全的同時，提供專屬于海關的開鎖方式幫助海關工作人員檢查、跟蹤貨物。

目前市場上多采用傳統(tǒng)海關物流鎖。傳統(tǒng)海關物流鎖是出海關上鎖、入海關解鎖；通過GPRS 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，對貨物運輸全過程位置信息實現(xiàn)不間斷地實時監(jiān)控、實時報警。而傳統(tǒng)海關物流鎖多采用GPS 技術，開鎖方式為較為傳統(tǒng)的轉輪密碼，且不具備其他功能，過于單一，不僅安全性有很大的隱患，消費者對于海關鎖的開啟情況也無法得知，不能滿足現(xiàn)有使用需求。因此，本文結合現(xiàn)有技術水平和市場現(xiàn)狀，設計了基于北斗定位系統(tǒng)的智能海關鎖，相對于GPS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在保障安全性的前提下，也保證了準確性；同時增加了多種開關鎖方式與便利的檢查監(jiān)督機制，為海關系統(tǒng)以及物流公司的工作提供進一步的技術支持。

1 智能海關物流鎖系統(tǒng)整體架構

本文設計的基于北斗定位系統(tǒng)的智能海關物流鎖主要實現(xiàn)以下功能：

（1）實時定位：利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位物流位置，實時更新物流情況。

（2）智能開關鎖：支持人臉、指靜脈、密碼、RFID 等多種方式開關鎖，使開鎖方式智能化。

（3）安全機制：采用動態(tài)密碼，實時記錄開關鎖的位置、開關鎖的歷史，同時發(fā)現(xiàn)異常開鎖情況可報警處理。

（4）物流信息管理：鎖上二維碼記錄物流品名、規(guī)格、重量、數(shù)量等申報數(shù)據(jù)，海關可隨時掃碼獲取數(shù)據(jù)以檢查。

（5）線上監(jiān)督：物流信息通過手機端實時更新。

智能海關物流鎖系統(tǒng)整體架構如圖1 所示。系統(tǒng)利用STM32F407 作為主控板，使用北斗定位模塊進行位置采集，將位置信息通過EC200 模塊TCP 透傳到上位機；采用RC522（RFID）模塊、指靜脈識別模塊、按鍵矩陣、Maix Bit K210 人臉識別模塊實現(xiàn)開鎖功能；采用Zxing 二維碼庫進行二維碼編碼，運用ERSA 算法生成動態(tài)二維碼，記錄貨物信息提供海關核驗；上傳實時數(shù)據(jù)到阿里云，采用MQTT協(xié)議實現(xiàn)阿里云與移動端互聯(lián)。

圖1 系統(tǒng)整體架構

2 具體功能實現(xiàn)

硬件基于STM32F407 進行開發(fā)，軟件基于微信小程序開發(fā)工具開發(fā)，利用阿里云服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸，從而實現(xiàn)軟硬件結合、雙端配合。智能海關物流鎖具體功能流程如圖2 所示。

圖2 功能流程

2.1 基于北斗系統(tǒng)實現(xiàn)實時定位

本文選用的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、自主運行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用主動式雙向測距二維導航，定位精度為分米、厘米級別，測速精度為0.2 m/s，授時精度10 ns，在亞太地區(qū)具有服務可用性，定位精度水平5 m，高程5 m[1-2]；具備定位與通信功能，不需要其他通信系統(tǒng)支持，且覆蓋范圍廣，幾乎沒有通信盲區(qū)，同時安全、可靠、穩(wěn)定、保密性強。

初始化GNSS 北斗定位模塊功能，獲取GNSS 北斗定位工作狀態(tài)；開啟定位功能后，可以采集到定位數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度、海拔、授時、速度等信息，將采集的信息通過串口協(xié)議發(fā)送至單片機，而后單片機對接收到的格式位置進行解析和處理，采用位置轉化工具將獲取的經(jīng)緯度信息轉化到地圖上。

將定位信息采用TCP 協(xié)議通過EC200U 模塊透傳到阿里云服務器。EC200U 是移遠通信推出的LTECat.1 無線通信模塊，將EC200U 連接到STM32F407，下載USB 轉串口驅動，添加option 驅動并配置VID 和PID 信息。EC200U 模塊加載成功后，進入AT 端口發(fā)送AT 指令撥號上網(wǎng)，ping 網(wǎng)頁連接成功，說明聯(lián)網(wǎng)成功。聯(lián)網(wǎng)成功即可將采集并轉化的位置信息使用TCP 透傳協(xié)議上傳至阿里云服務器，阿里云通過MQTT 協(xié)議上傳至軟件端，可實現(xiàn)用戶在線上客戶端時刻監(jiān)測物流位置信息。北斗定位系統(tǒng)獲取位置信息架構如圖3所示。

圖3 北斗定位系統(tǒng)獲取位置信息架構

2.2 智能解鎖

海關集裝箱在運輸過程中需要全程鎖死，要求海關鎖具有以下特征：（1）安全性：需要特定密碼或工具打開；（2）高效性：隨著海關貨物量增大，提高通關效率成為迫切需要解決的問題。

由此，考慮到可以對海關鎖的密碼解鎖以及安全機制進行升級，以提高海關集裝箱通關效率與安全性。

在用戶開鎖時，可以選擇指靜脈、人臉、動態(tài)密碼、RFID 等多種智能方式進行開鎖，對開鎖流程進行簡單化。

2.2.1 指靜脈識別開鎖

指靜脈識別技術是利用近紅外線穿透手指后所得的指紋靜脈紋路進行個人識別的方式，指靜脈識別的特征為身體內部特征，不可泄露，難以竊取，偽造難度極高[3-4]；具有穩(wěn)定性與唯一性。它是一種活體識別技術，只有活體手指可以通過識別。因此，指靜脈鎖是目前最安全的、精度最高的鎖。

利用紅外線CCD 攝像頭、繼電器驅動模塊搭建指靜脈密碼。采用較為常見的指靜脈識別儀采集用戶指靜脈分布圖；采用專業(yè)算法提取特征值；在解鎖時利用近紅外光照射，采用CCD 攝像頭獲取手指靜脈圖；系統(tǒng)將開鎖時所采集的指靜脈信息與指靜脈網(wǎng)中的用戶信息進行比對，判斷是否為同一指靜脈，若匹配成功則開鎖，若多次未成功則啟動鎖定模式以保護用戶物品信息。

2.2.2 人臉識別開鎖

采用Maix Bit 和K210 進行人臉識別，將K210 攝像頭和8 bit LCD 顯示屏接到對應的Maix Bit 外設接口上，將Maix Bit 模塊TX 引腳連接STM32F407 的PB11；RX 引腳連接單片機PB10。插入sd 卡以存儲屏幕字庫與人臉信息，使用klash_gui 軟件燒錄人臉識別模型到開發(fā)板，訓練模型。用戶需預先在操作端進行信息入庫，將人臉信息、身份信息等存儲到后臺服務器中進行身份驗證，驗證成功后即完成信息采集工作。

當用戶使用人臉識別開鎖時，開啟攝像頭，運行人臉檢測模型，在LCD 顯示屏中找到人臉位置并框出人臉；再將裁出的人臉圖片轉換成kpu 接收的格式，運行人臉5 點關鍵點模型，獲取到左眼、右眼、鼻子、左嘴角、右嘴角的位置；對原始人臉圖片進行仿射變換，變換為正臉圖像，將正臉圖像轉為kpu 格式，使用人臉196 維特征值模型計算正臉圖片的196 維特征值，計算得到最終的人臉特征[5-6]；再將得到的人臉特征與之前用戶錄入過的人臉特征進行對比，得到一組分數(shù)，選擇其中最大的一個分數(shù)，且該分數(shù)超過85 分就認為識別出該人，即可成功開鎖，若多次人臉識別得到分數(shù)低于85 分，匹配不成功則開啟鎖定模式進行物品保護。

為了降低生物特征解鎖方式帶來的安全隱患，使用者可以根據(jù)貨物的自身情況對其解鎖方式進行自由設置，必要時可以設置雙重解鎖的方式進行用戶認證，以確保貨物的安全。

2.2.3 動態(tài)密碼開鎖

支持發(fā)送動態(tài)密碼至手機來查看解鎖。關于動態(tài)密碼，用戶可通過手機進入微信小程序，確認用戶信息，用戶身份認證成功后，系統(tǒng)會隨機生成動態(tài)密碼。然后在小程序上輸入用戶獲得的動態(tài)密碼，向其發(fā)出合法的開鎖授權，并保存用戶開鎖的記錄，最終實現(xiàn)了用戶對海關鎖的解鎖，一定程度上可以避免浪費時間去回憶數(shù)字密碼或密碼丟失等情況發(fā)生。另外，通過物聯(lián)網(wǎng)LoRa 無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)遠距離網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，進而實現(xiàn)手機端遠程控制開鎖與關鎖。

2.2.4 RFID 開鎖

對于海關檢查，利用RFID 技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙來解鎖，采用RC522 射頻模塊來實現(xiàn)。射頻模塊識別到IC 卡并進行防撞處理后，當判斷ID 號與系統(tǒng)設置的一致時，即可產(chǎn)生輸出電信號，并傳送到STM32F407 單片機，將輸出電信號轉化為指令信號，STM32F407 微處理器內部的PWM 單元根據(jù)指令信號產(chǎn)生PWM 信號，驅動舵機旋轉，從而達到開鎖的動作。

在具體實現(xiàn)時，RC522 模塊中共有8 個引腳，除去3.3 V 電源，GND 接地，RST 端連接單片機引腳PE15 實現(xiàn)復位功能，IRQ 端懸空，SCK 時鐘端連接單片機引腳PDO以提供時鐘信號；剩余3 個引腳中SDA 連接單片機引腳PD14，MOSI 連接單片機引腳PE7，MISO 連接單片機引腳PE9，起數(shù)據(jù)傳輸作用。

由于射頻卡讀卡模塊及感應體構成的特定系統(tǒng)中，射頻卡內碼信號唯一且不可復制，因此射頻卡在杜絕了非法復制密碼、保障貨物安全性的同時，還為各種控制系統(tǒng)采用信息化管理方式創(chuàng)造了條件。

2.3 物流信息管理

二維碼生成：是某種特定的幾何圖，按照一定的規(guī)律，并且是在二維方向上，以黑白相間的方式記錄數(shù)據(jù)符號信息。類似于在計算機中的0 和1，二維碼是把黑白兩種顏色點按一定順序分布，并存儲相關信息。

采用Geogle 開源的Zxing 二維碼庫進行二維碼編碼，運用ERSA 算法生成動態(tài)的二維碼。對于二維碼容錯級別參數(shù)ERROR_CORRECTION，該參數(shù)分為4 個等級：L、M、Q、H，等級越高，容錯率越高，識別速度越低。如果一個角被損壞，容錯率高的也很有可能被識別出來。因此選用高容錯率H，即二維碼缺失部分信息仍可識別，避免了在貨物運輸中二維碼出現(xiàn)剮蹭痕跡而不易識別的問題[7-8]。

用戶在小程序端進行實名認證并輸入提前制定的密碼后，需將動態(tài)二維碼和智能海關物流鎖的ID 與自己的小程序賬戶綁定，有效保證信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕⒃俅翁砑颖救硕ㄎ弧⒈救撕灻⑸矸葑C號碼、手機號碼、現(xiàn)場信息照片（水印包含經(jīng)緯度、時間），便可以在軟件端添加物品信息；同時，中途檢查人員也可以經(jīng)過相同驗證流程[9-10]，檢查物品是否完好，并上傳至小程序備案。

利用二維碼記錄物流品名、規(guī)格、重量、數(shù)量等申報數(shù)據(jù)，海關便可通過隨時掃碼獲取物品的數(shù)據(jù)以便于實現(xiàn)高效檢查，系統(tǒng)會將二維碼中的scene 值傳遞給后端服務器，后端服務器根據(jù)該場景值再做處理邏輯；后端處理完成后，可根據(jù)其觸發(fā)的場景值直接定位到用戶物品信息界面，有效保障了用戶的隱私安全；同時動態(tài)二維碼支持線上數(shù)據(jù)實時更新，實現(xiàn)物流信息的精確管理，有利于進行線上監(jiān)督，可實時核對檢查是否有逃稅漏稅、逃商檢等行為，保障貨物物品合法進出境。

2.4 線上監(jiān)督

基于物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議，微信小程序和Web端為客戶端，阿里云服務器上安裝開源EMQX 服務器為代理服務器，通過代理服務器中轉微信小程序即可接收到數(shù)據(jù)信息。MQTT通信模式如圖4 所示。

圖4 MQTT 通信模式

對于物流鎖的相關信息，通過Web 端發(fā)布消息，EMQX代理服務器中轉，微信小程序接收數(shù)據(jù)。用戶可在小程序端查看物流位置、開關鎖的位置、開關鎖的歷史，即可在軟件端實現(xiàn)監(jiān)測。當發(fā)現(xiàn)異常開鎖的情況，即可進行警報處理并通過LoRa 模塊實現(xiàn)遠距離鎖定。總而言之，智能海關物流鎖為我國的海關系統(tǒng)以及物流公司都提供了可靠、安全的服務。部分軟件展示圖如圖5 所示。

圖5 部分軟件展示圖

3 結 語

基于北斗系統(tǒng)的智能海關鎖實現(xiàn)了遠程實時監(jiān)控、便捷開鎖、查驗貨物流程簡化的目的，在保證貨物安全運輸?shù)那疤嵯拢黾恿撕ｊP貨物檢查、跟蹤的效率，保障了進出口貨物的安全性，有較高的應用價值。雖然針對智能開鎖提出了一系列解決方案，并優(yōu)化了開鎖的便捷性，但對于開鎖的絕對安全性沒有較好的解決方式，如人臉識別開鎖存在盜用人臉信息的隱患，并且由于開鎖模式的多元化，模塊的體積也相應增長。進一步優(yōu)化開鎖安全性、縮小智能鎖體積，將是下一步研究的重點。