基于北斗定位系统的智能海关物流锁设计与实现

樊 玥，张 越，吴韶波，赵卓凡，于竞妍，吴辉祥

（北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101）

0 引 言

在经济全球化和对外开放不断深化的大时代趋势下，各国之间的贸易往来空前繁荣。据海关统计，2021 年我国货物贸易进出口总值为39.1 万亿元，比2020 年增长21.4%。其中，出口21.73 万亿元，增长21.2%；进口17.37 万亿元，增长21.5%。与2019 年相比，我国外贸进出口、出口、进口分别增长23.9%、26.1%、21.2%。随着进出口贸易的增加，海关对于贸易货物的安全检查及物流跟踪就显得尤为重要，海关锁就是实现监管的工具之一。

海关锁是监管单位、物流公司实时掌握物流动向，以提高通关或查验的效率的工具；也是海关对转关货物及运输海关监管货物进行安全性检测以及保证货物在运输过程中安全性的工具。在帮助保护使用者财物安全的同时，提供专属于海关的开锁方式帮助海关工作人员检查、跟踪货物。

目前市场上多采用传统海关物流锁。传统海关物流锁是出海关上锁、入海关解锁；通过GPRS 无线网络系统，对货物运输全过程位置信息实现不间断地实时监控、实时报警。而传统海关物流锁多采用GPS 技术，开锁方式为较为传统的转轮密码，且不具备其他功能，过于单一，不仅安全性有很大的隐患，消费者对于海关锁的开启情况也无法得知，不能满足现有使用需求。因此，本文结合现有技术水平和市场现状，设计了基于北斗定位系统的智能海关锁，相对于GPS系统，北斗卫星系统在保障安全性的前提下，也保证了准确性；同时增加了多种开关锁方式与便利的检查监督机制，为海关系统以及物流公司的工作提供进一步的技术支持。

1 智能海关物流锁系统整体架构

本文设计的基于北斗定位系统的智能海关物流锁主要实现以下功能：

（1）实时定位：利用北斗卫星系统定位物流位置，实时更新物流情况。

（2）智能开关锁：支持人脸、指静脉、密码、RFID 等多种方式开关锁，使开锁方式智能化。

（3）安全机制：采用动态密码，实时记录开关锁的位置、开关锁的历史，同时发现异常开锁情况可报警处理。

（4）物流信息管理：锁上二维码记录物流品名、规格、重量、数量等申报数据，海关可随时扫码获取数据以检查。

（5）线上监督：物流信息通过手机端实时更新。

智能海关物流锁系统整体架构如图1 所示。系统利用STM32F407 作为主控板，使用北斗定位模块进行位置采集，将位置信息通过EC200 模块TCP 透传到上位机；采用RC522（RFID）模块、指静脉识别模块、按键矩阵、Maix Bit K210 人脸识别模块实现开锁功能；采用Zxing 二维码库进行二维码编码，运用ERSA 算法生成动态二维码，记录货物信息提供海关核验；上传实时数据到阿里云，采用MQTT协议实现阿里云与移动端互联。

图1 系统整体架构

2 具体功能实现

硬件基于STM32F407 进行开发，软件基于微信小程序开发工具开发，利用阿里云服务器实现数据流的传输，从而实现软硬件结合、双端配合。智能海关物流锁具体功能流程如图2 所示。

图2 功能流程

2.1 基于北斗系统实现实时定位

本文选用的北斗卫星定位系统是我国自主研发、自主运行的全球卫星定位系统。北斗卫星系统采用主动式双向测距二维导航，定位精度为分米、厘米级别，测速精度为0.2 m/s，授时精度10 ns，在亚太地区具有服务可用性，定位精度水平5 m，高程5 m[1-2]；具备定位与通信功能，不需要其他通信系统支持，且覆盖范围广，几乎没有通信盲区，同时安全、可靠、稳定、保密性强。

初始化GNSS 北斗定位模块功能，获取GNSS 北斗定位工作状态；开启定位功能后，可以采集到定位数据，如经纬度、海拔、授时、速度等信息，将采集的信息通过串口协议发送至单片机，而后单片机对接收到的格式位置进行解析和处理，采用位置转化工具将获取的经纬度信息转化到地图上。

将定位信息采用TCP 协议通过EC200U 模块透传到阿里云服务器。EC200U 是移远通信推出的LTECat.1 无线通信模块，将EC200U 连接到STM32F407，下载USB 转串口驱动，添加option 驱动并配置VID 和PID 信息。EC200U 模块加载成功后，进入AT 端口发送AT 指令拨号上网，ping 网页连接成功，说明联网成功。联网成功即可将采集并转化的位置信息使用TCP 透传协议上传至阿里云服务器，阿里云通过MQTT 协议上传至软件端，可实现用户在线上客户端时刻监测物流位置信息。北斗定位系统获取位置信息架构如图3所示。

图3 北斗定位系统获取位置信息架构

2.2 智能解锁

海关集装箱在运输过程中需要全程锁死，要求海关锁具有以下特征：（1）安全性：需要特定密码或工具打开；（2）高效性：随着海关货物量增大，提高通关效率成为迫切需要解决的问题。

由此，考虑到可以对海关锁的密码解锁以及安全机制进行升级，以提高海关集装箱通关效率与安全性。

在用户开锁时，可以选择指静脉、人脸、动态密码、RFID 等多种智能方式进行开锁，对开锁流程进行简单化。

2.2.1 指静脉识别开锁

指静脉识别技术是利用近红外线穿透手指后所得的指纹静脉纹路进行个人识别的方式，指静脉识别的特征为身体内部特征，不可泄露，难以窃取，伪造难度极高[3-4]；具有稳定性与唯一性。它是一种活体识别技术，只有活体手指可以通过识别。因此，指静脉锁是目前最安全的、精度最高的锁。

利用红外线CCD 摄像头、继电器驱动模块搭建指静脉密码。采用较为常见的指静脉识别仪采集用户指静脉分布图；采用专业算法提取特征值；在解锁时利用近红外光照射，采用CCD 摄像头获取手指静脉图；系统将开锁时所采集的指静脉信息与指静脉网中的用户信息进行比对，判断是否为同一指静脉，若匹配成功则开锁，若多次未成功则启动锁定模式以保护用户物品信息。

2.2.2 人脸识别开锁

采用Maix Bit 和K210 进行人脸识别，将K210 摄像头和8 bit LCD 显示屏接到对应的Maix Bit 外设接口上，将Maix Bit 模块TX 引脚连接STM32F407 的PB11；RX 引脚连接单片机PB10。插入sd 卡以存储屏幕字库与人脸信息，使用klash_gui 软件烧录人脸识别模型到开发板，训练模型。用户需预先在操作端进行信息入库，将人脸信息、身份信息等存储到后台服务器中进行身份验证，验证成功后即完成信息采集工作。

当用户使用人脸识别开锁时，开启摄像头，运行人脸检测模型，在LCD 显示屏中找到人脸位置并框出人脸；再将裁出的人脸图片转换成kpu 接收的格式，运行人脸5 点关键点模型，获取到左眼、右眼、鼻子、左嘴角、右嘴角的位置；对原始人脸图片进行仿射变换，变换为正脸图像，将正脸图像转为kpu 格式，使用人脸196 维特征值模型计算正脸图片的196 维特征值，计算得到最终的人脸特征[5-6]；再将得到的人脸特征与之前用户录入过的人脸特征进行对比，得到一组分数，选择其中最大的一个分数，且该分数超过85 分就认为识别出该人，即可成功开锁，若多次人脸识别得到分数低于85 分，匹配不成功则开启锁定模式进行物品保护。

为了降低生物特征解锁方式带来的安全隐患，使用者可以根据货物的自身情况对其解锁方式进行自由设置，必要时可以设置双重解锁的方式进行用户认证，以确保货物的安全。

2.2.3 动态密码开锁

支持发送动态密码至手机来查看解锁。关于动态密码，用户可通过手机进入微信小程序，确认用户信息，用户身份认证成功后，系统会随机生成动态密码。然后在小程序上输入用户获得的动态密码，向其发出合法的开锁授权，并保存用户开锁的记录，最终实现了用户对海关锁的解锁，一定程度上可以避免浪费时间去回忆数字密码或密码丢失等情况发生。另外，通过物联网LoRa 无线数传模块实现远距离网络数据传输，进而实现手机端远程控制开锁与关锁。

2.2.4 RFID 开锁

对于海关检查，利用RFID 技术代替传统的钥匙来解锁，采用RC522 射频模块来实现。射频模块识别到IC 卡并进行防撞处理后，当判断ID 号与系统设置的一致时，即可产生输出电信号，并传送到STM32F407 单片机，将输出电信号转化为指令信号，STM32F407 微处理器内部的PWM 单元根据指令信号产生PWM 信号，驱动舵机旋转，从而达到开锁的动作。

在具体实现时，RC522 模块中共有8 个引脚，除去3.3 V 电源，GND 接地，RST 端连接单片机引脚PE15 实现复位功能，IRQ 端悬空，SCK 时钟端连接单片机引脚PDO以提供时钟信号；剩余3 个引脚中SDA 连接单片机引脚PD14，MOSI 连接单片机引脚PE7，MISO 连接单片机引脚PE9，起数据传输作用。

由于射频卡读卡模块及感应体构成的特定系统中，射频卡内码信号唯一且不可复制，因此射频卡在杜绝了非法复制密码、保障货物安全性的同时，还为各种控制系统采用信息化管理方式创造了条件。

2.3 物流信息管理

二维码生成：是某种特定的几何图，按照一定的规律，并且是在二维方向上，以黑白相间的方式记录数据符号信息。类似于在计算机中的0 和1，二维码是把黑白两种颜色点按一定顺序分布，并存储相关信息。

采用Geogle 开源的Zxing 二维码库进行二维码编码，运用ERSA 算法生成动态的二维码。对于二维码容错级别参数ERROR_CORRECTION，该参数分为4 个等级：L、M、Q、H，等级越高，容错率越高，识别速度越低。如果一个角被损坏，容错率高的也很有可能被识别出来。因此选用高容错率H，即二维码缺失部分信息仍可识别，避免了在货物运输中二维码出现剐蹭痕迹而不易识别的问题[7-8]。

用户在小程序端进行实名认证并输入提前制定的密码后，需将动态二维码和智能海关物流锁的ID 与自己的小程序账户绑定，有效保证信息传输的安全性和可靠性，并再次添加本人定位、本人签名、身份证号码、手机号码、现场信息照片（水印包含经纬度、时间），便可以在软件端添加物品信息；同时，中途检查人员也可以经过相同验证流程[9-10]，检查物品是否完好，并上传至小程序备案。

利用二维码记录物流品名、规格、重量、数量等申报数据，海关便可通过随时扫码获取物品的数据以便于实现高效检查，系统会将二维码中的scene 值传递给后端服务器，后端服务器根据该场景值再做处理逻辑；后端处理完成后，可根据其触发的场景值直接定位到用户物品信息界面，有效保障了用户的隐私安全；同时动态二维码支持线上数据实时更新，实现物流信息的精确管理，有利于进行线上监督，可实时核对检查是否有逃税漏税、逃商检等行为，保障货物物品合法进出境。

2.4 线上监督

基于物联网MQTT协议，微信小程序和Web端为客户端，阿里云服务器上安装开源EMQX 服务器为代理服务器，通过代理服务器中转微信小程序即可接收到数据信息。MQTT通信模式如图4 所示。

图4 MQTT 通信模式

对于物流锁的相关信息，通过Web 端发布消息，EMQX代理服务器中转，微信小程序接收数据。用户可在小程序端查看物流位置、开关锁的位置、开关锁的历史，即可在软件端实现监测。当发现异常开锁的情况，即可进行警报处理并通过LoRa 模块实现远距离锁定。总而言之，智能海关物流锁为我国的海关系统以及物流公司都提供了可靠、安全的服务。部分软件展示图如图5 所示。

图5 部分软件展示图

3 结 语

基于北斗系统的智能海关锁实现了远程实时监控、便捷开锁、查验货物流程简化的目的，在保证货物安全运输的前提下，增加了海关货物检查、跟踪的效率，保障了进出口货物的安全性，有较高的应用价值。虽然针对智能开锁提出了一系列解决方案，并优化了开锁的便捷性，但对于开锁的绝对安全性没有较好的解决方式，如人脸识别开锁存在盗用人脸信息的隐患，并且由于开锁模式的多元化，模块的体积也相应增长。进一步优化开锁安全性、缩小智能锁体积，将是下一步研究的重点。