基于RFID的电子关锁系统设计与实现

引言 

    现行海关转关货物监管主要采用传统的一次性铅封方式,以人工操作、肉眼识别等方式对集装箱进行机械施封、验封、解封,运行成本高、安全性低,更关键的是这种监管方式运行效率低,远远不能满足海关大密度、高强度业务流量的监管要求。RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信,实现以识别和交换数据为目的的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预。本文基于主动式 RFID技术设计了电子关锁系统,采用电子关锁代替传统的铅制封条对转关集装箱进行电子监控管理。 

系统架构及运行方式   
                
    本系统由监控中心服务器、道口监控机、射频读写器(道口读写器、手持读写器)、电子关锁四部分组成,其系统架构如图1所示。监控中心服务器负责后台数据存储和管理;道口监控机通过串口控制道口读写器同关锁进行射频通信;电子关锁作为无线终端,主要实现信息存储、无线通讯、机构控制、状态监测等功能。 

图1  电子关锁系统网络拓扑图 

系统底层硬件结构与设计 

    电子关锁系统底层部分由读写器和电子关锁组成,基本组成单元为MCU和射频收发电路。区别在于：道口读写器增加了RS-485通信接口,手持读写器增加了人机交互接口,包括4×4薄膜键盘和128×64点阵式液晶显示模块,电子关锁则扩展了异常状态监测电路和电机驱动电路。电机驱动电路用来驱动电机,实现对关锁的电子施封和解封。 

    电子关锁要求实现10~20米的无线数据通信,本文选用了Nordic公司生产的nRF2401(以下简称2401)作为射频收发芯片。2401工作在全球开放的2.4GHz频段,125个频道,采用GFKS调制,最高无线数据传输速率可达1Mbit/s,内置硬件地址解码和CRC编解码电路。实际设计中采用单通道模式,MCU需要同2401的6个引脚相连,分别为DATA、CLK1、DR1、PWR、CE、CS。其中PWR、CE、CS用来配置工作模式。DATA、CLK1组成SPI总线。DR1为数据准备引脚,与MCU的中断I/O引脚相连。图2为射频收发电路原理图。   
 

图2为射频收发电路原理图

软件设计 

    本系统的软件设计分为三个层次：监控中心服务器为顶层;道口监控机为中间层;读写器及电子关锁为底层。限于篇幅,这里主要说明底层系统的软件设计。   

2401通信方式分析 

    2401存在两种通信方式,分别为直接传输模式(Dire Mode)和突发传输模式(Shock Burst),本设计采用后者。 

    本设计中设置地址段为2个字节,数据段为28个字节,校验码为2个字节。地址段为2401芯片配置的接收地址,在系统中设定电子关锁为被呼叫方,它们的接收地址相同;相应地,主叫方即所有的读写器设置的接收地址也相同。2401为半双工方式,要通过配置状态字来进行数据收发方式的切换。 

通信协议研究 

    设计定义的RF数据包装载于数据段(PAYLOAD)中,该数据包为定长28个字节。 

    分析系统的应用需求,由于现场存在多个读写器和多个关锁分别通信的情况,所以制订的无线通信协议必须是针对多点对多点的。在每次通信开始时,主叫方需要同应答方建立连接,下面是连接的建立过程： 

    1、读写器发出广播呼叫(简称全呼)指令,这是一个单包指令,需在应答方标识填0xFFFFFF,命令码为‘S’。此时,有效通信距离内的电子锁都会被唤醒,它们会在应答方标识中填入自己的ID并返回给读写器。 

    2、读写器会从返回的关锁标识中选择一个目标锁对其发出单点呼叫指令(简称点呼)。对于道口读写器,采用定向天线保证每次全呼仅呼叫到一把锁,则直接点呼该锁;对于手持读写器,有可能得到多把锁应答,可通过键盘进行选择后点呼。点呼时需在应答方标识中填入目标锁的ID。 

    3、电子锁在收到该指令后会解析数据包,在认证主机身份并确认应答方标识为己方ID后,向主机返回应答确认指令。主机收到确认指令后认为该连接已确立。 

电子关锁主程序设计 

    一般情况下,电子关锁处于休眠监听状态,2401收到RF数据帧后,产生DR1中断唤醒MCU,MCU根据RF协议数据包格式进行数据解析和身份认证后,根据命令码进行处理,最后对应答数据进行打包发送。电子施封后的异常状态检测采用定时中断处理。电子关锁主程序流程如图3所示。  

图3  电子关锁主程序流程图 

关键问题分析 

低功耗设计 

    电子关锁采用电池供电,因此低功耗是设计重点,软件设计中合理设置工作方式可以大大降低功耗。电子关锁在大部分时间里是无需进行通信的,但是它必须保持无线监听状态,以保证随时应答主机的呼叫。2401处于接收模式时的消耗电流为18mA,这种消耗相对较大,不满足系统需求。设计中采用时间窗监听方式,电子关锁每秒钟仅开启2401无线监听1ms,在接收到唤醒指令后,才进入长时间监听模式。实际测试时间窗监听状态时的功耗仅为0.68mA,功耗显著降低。对于主机即读写器,每次连接关锁前需要增加一个唤醒过程,在1秒钟内持续发送唤醒指令,保证其时长覆盖关锁监听时间窗。 

避免邻道干扰 

    在海关卡口一般存在多条车道,相邻几条车道可能存在同频干扰,在系统设计中结合两种方式避免此干扰：一种是道口读写器采用定向天线,这样读写器发射的射频信号定向于单一车道,可避免读写器射频信号对相邻车道的影响。但是电子关锁不可能采用定向天线,所以再附加一种跳频通信工作方式,各车道工作基频设置相同,但是,一旦读写器与电子关锁建立通信连接后,双方便跳到由主机即读写器指定的固定频率上工作,这样,不同车道由于跳频设置不同,可有效避免邻道干扰。对2401进行跳频设置十分方便,只需在配置模式下对频道状态字进行设定即可。 

分时应答 

    手持读写器的应用环境同道口读写器不同,它采用广向天线,有效通信范围内可能存在多把关锁。由于频率相同,广播呼叫时电子关锁同步应答会造成信号冲突。为避免冲突,在软件设计中采用分时应答,关锁在收到广播呼叫指令后,先随机延时一段时间再返回应答指令。需要注意的是随机延时不是任意的,而是分段的,以保证主机在时间间隙内处理不同的应答信号。 

    这里对分时应答设计进行分析,设读写器发送广播指令后的通信时间为Tc,将Tc分为n个时间间隙,每个间隙足够完成对某一把关锁的标识读取和存储。关锁收到广播呼叫后随机分配应答时间点至某个时间间隙内,并返回应答指令。设有x个关锁在通信范围内,则当n>>x时,返回信号的冲突概率会非常低。实际应用中,现场关锁数量一般不会超过10个,通常情况为3~4个,所以,n设置为100时就可保证较低的冲突概率。同时,由于应答时间非常短(大批量数据交互在连接确认以后发生),n设置的较大也不会明显降低响应时间。 

结语 

    实际测试表明,该电子关锁系统可靠性高,抗干扰能力强,可扩展性好。本系统是主动式RFID技术在物流监控领域的一个新应用,它显著提高了海关转关业务的运行效率。