基于多频异构技术的无线定位关锁设计

唐承佩 唐焯宜

TANG Cheng-pei1, TANG Zhuo-yi2

（1.中山大学 工学院，广州 510275；2.中山大学 信息科学与技术学院，广州 510275）

0 引言

我国海关每年集装箱的进口量已突破4000万箱，而需在海关监管下转关的则高达几百万箱。现行海关转关货物监管手段主要是采用传统的铅制封条，以人工操作、肉眼识别等形式进行施封、验封。这大大影响了车辆通过卡口的速度，也容易发生人为差错。

因此，具有RFID及无线定位功能的电子关锁应运而生[1]。电子关锁是一种高科技新型锁具，兼有机械锁、电子签封双重功能，内置全球唯一编码，具备防伪、防破坏、防拆卸、防尘、防水、保密、抗高/低温、抗震及自动报警等特性。

与普通的电子关锁不同，本论文提出一种基于多频异构融合技术的无线定位关锁设计，系统包括ZIGBEE模 块、GPRS模块、GPS模块，以上各模块均工作于不同频段，基于多频异构技术，实现了环境参数采集、室内室外全场景定位等功能，从而达到了海关物流快速无人工通关，无线数据采集的目的。

1 无线定位关锁设计方案

1.1 监控定位系统的结构及工作方式

本系统由监控中心服务器、读写器、电子关锁组成。在启运地，由工作人员用无线定位关锁将集装箱上锁，锁体将生成一个随机号并存储于ZIGBEE模块的非易失存储体中。ZIGBEE模块将采取低功耗模式工作，周期性采集环境参数信息（包括GPS位置信息），并基于GPRS模块登陆网关、定时和网关通信，监控中心或者手持式读写器对电子关锁发送加锁命令，电子关锁给予回答。

无线定位关锁在整个转关运输过程中由GPS模块检测状态信息，主要包括货物状态、时间、纬度、经度和海拔高度，并且按照设定好的传输间隔，通过GPRS模块把信息实时传送到远程监控中心。当中途出现无线定位关锁被破坏或剪断等异常情况时，关锁能迅速通过GPRS模块向监控中心报警，并将当前时间、报警类型等信息存储下来备查。

到达指运地或者中转站，监控中心或者手持式读写器读取无线定位关锁信息或发送解锁命令进行开锁。如图1所示。

图1 无线定位关锁在运输路程上的功能示意图

1.2 无线定位关锁的硬件组成

整个无线定位关锁系统包括GPS模块、GPRS模块、ZIGBEE模块、低功耗控制模块和机械锁芯模块[2][3]。如图2所示。

图2 无线定位关锁在站点时的示意图

1.2.1 Zigbee模块[6]

Zigbee模块采用CC2431实现。CC2431集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz RF无线收发机，单片集成高性能、低功耗的8051控制器核以及128 KB可编程闪存、8 KB RAM。微控制器运行于32 MHz时，接收和发射电流分别为27 mA和25 mA。本系统设计中，zigbee模块在路程上大部分时间都处于休眠模式的，CC2431休眠模式时的电流损耗小于0.6μA，通过外部中断可唤醒系统，低功耗模式与主动模式之间可快速切换。CC2431的ZIGBEE协议栈符合ZIGBEE 2006规范，支持网状拓扑结构，采用了全新的树状地址分配机制，可以实现自动选择新的路由功能，如果发现某失效节点，ZIGBEE2006协议栈将自动具有绕道路由达到目标节点，这样，大大提高了系统可靠性。

本系统设计中zigbee分为两类节点，分别实现不同的功能。协调器节点（全功能节点）。每个站点组建的局域网只有一个协调器节点，负责网络的拓展、消息转发、路由选择和接受终端设备通过它接入网络；路由器节点（半功能节点）。即每个安装在无线定位关锁上的zigbee节点。路由器节点间采用网状结构组网，每个节点起到无线路由的作用，负责把数据发送到协调器节点上[5]。

图3 无线定位示意图

1.2.2 GPRS模块[8]

GPRS无线通信网络模块采用ZWG-23DP。支持断线自动重连、连接时机可控功能，节约流量。具有永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式。本系统设计中，GPRS模块采用空闲下线模式，即系统在设置好的时隙内发送GPS的数据信息，如果在一段时间内没有进行数据传输，GPRS模块将断开与监控中心的网络连接，此模式的平均功耗小于25mA。其下行速率最大可达85.6Kbps。ZWG-23DP模块重要参数设置如表1所示：

表1 ZWG-23DP模块参数设置

其中目标重连次数用于控制同一批连接中同一目标的连接次数。目标重连间隔用于控制两次尝试连接的间隔时间。目标重连中断间隔用于控制两批连接的间隔时间。本系统的设置是，GPRS开始工作后，首先尝试连接监控中心中心，如果连接失败，将以200s的间隔，重复尝试连接主中心，直到连续5次连接失败。之后GPRS模块将延时200s后切换目标服务器，尝试连接备用监控中心，如果失败，则以200s的间隔重复尝试连，直到5次连接失败。至此，一批连接尝试结束了，GPRS模块进入“连接中断间隔”延时，延时10分钟后重复上面的过程，启动下一批连接尝试。整个过程周而复始，直到GPRS模块连上一个服务器为止。

对于帧间隔时间或者数据包最大长度，如果设置得过小，那么DTU 发出的网络包中用户数据所占比例会下降，将导致流量上升。如果设置得过大，那么会导致DTU 发出的数据包变大，传输延时也会增加。

根据以上参数设置GPRS模块，通过点对点通信实测，连接稳定，通信良好，满足通信要求。（测试在实验室环境下进行，参数要根据具体不同的通信环境进行设置。）

1.2.3 GPS模块

全球卫星通信系统（global positioning system，GPS）是一种利用卫星进行定位的技术。在本系统中，GPS模块采用e-Compass E531。E531是12通道的GPS接收机模块，同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，跟踪性能优越，能够实现快速定位。E531体积为24*43*6mm，功耗仅有0.17W，数据更新率是1次/秒，精度为6m。优良的性能能够满足陆地导航的灵敏度要求。外部MCU可以通过TTL电平的串行口来实现与GPS模块的通信，输出可选波特率为4800b/s、9600b/s、19200b/s、57600b/s 和 115200b/s。

E531把卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器中作为数据备份，同时在发送时隙把数据信息通过GPRS无线传送到监控中心，实现跟踪监控[9]。

1.2.4 环境参数传感单元

温度、湿度的测量采用瑞士 Sensirion 公司研制的 SHT11 型智能化湿度/温度传感器，它采用CMOS 和传感器技术的融合专利技术,外形尺寸仅为 7.5 mm×5 mm×2.5 mm。SHT11 具有 I2C 总线接口,接口电路简单，并具有数字式输出，免调试、免标定、一致性好的特点。

SHT11 内部主要包括相对湿度传感器、温度传感器、放大器、A/D 转换器、校准存储器(E2PROM)、随机存取存储器(RAM)、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC) 寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路；可给出全校准相对湿度及温度值输出；具有露点值计算输出功能； 湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为 12 位，并可编程为 12 位和8位；具有数据传输校验功能。此传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。其接口电路如图4所示

图4 Zigbee网络示意图

2 无线定位关锁通信协议

2.1 系统功能设计

分析系统的应用需求，关锁软件要实现功能如下：

1）在运输路程上，GPS周期更新位置状态信息，并将数据上传到管理中心，实现实时跟踪监控。Zigbee模块处于休眠/周期扫描模式,而MCU模块处于休眠/中断唤醒模式，保证终端低功耗。

2） 电子锁周期自检异常信息，如有异常或锁体被暴力破坏则通过GPRS向中心站报警。

3） 到达站点后，检测是否有道口机或读写器通过有源RFID方式发过来的命令唤醒ZIGBEE和MCU，并及时对命令进行处理，如开锁，关锁等；并检测GPS信息，如果在室内情况，GPS无信号，则启动ZIGBEE模块定位功能，实现室内场景室时定位，保证终端室外室内都能获得位置信息。

2.2 通信命令及格式

数据类型的标志用来表示系统中不同种类的信息。对无线定位关锁来说，根据数据传输的方向从总体上来看，有四种大的数据类型。

图5 数据传输方向示意图

图5中，各数据包内容为：A，电子关锁发给监控中心的数据；B，电子关锁发给手持设备或道口机的数据； C， 监控中心发给电子关锁的数据；D，手持设备或道口机发给电子关锁的数据。

在每种大的数据类型中，又有不同的小的数据类型，各种类型的数据分别如表2所示：

表2 通信格式和数据类型分类

3 结束语

海关通关方式的改革必须要有新的海关物流监控系统与之相适应，将迅速发展的有源RFID技术、定位技术和无线通信技术应用于海关物流监控系统，无疑会对海关通关方式的改革起到有利的推动作用。

通过分析海关物流监控系统的总体结构以及电子关锁在整个系统中的地位和作用，本文给出了一种新型的无线定位关锁设计。无线定位关锁结合定位技术、GPRS技术、zigbee技术，实现了具有室内室外全部空间定位能力、远程通信、快速身份识别功能的电子关锁，使得海关对电子关锁及其绑定物体能实时监控和跟踪，通关、转关更加便捷，可大大提高海关的工作效率。本系统不仅可以在海关中使用，其他制造业物流领域也有广阔的应用前景。

[1]华宜朝,祁同林,张国洪.RFID技术改善保税港物流监管工作[J].RFID应用,2009.

[2]高阳,李正勤.基于RFID 的电子关锁系统设计与实现[J].通信与计算机.

[3]国莅丽.基于RFID技术的电子关锁系统及其应用[J].科技前沿，2009.

[4]CC2431芯片数据手册.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无线数传模块数据手册.广州致远电子有限公司,2008.