摘 要：無線定位電子關(guān)鎖是在普通的射頻電子關(guān)鎖的基礎(chǔ)上，融合了GPS、GPRS技術(shù)。文章介紹了GPS、GPRS、單片機(jī)等技術(shù)在電子關(guān)鎖上的應(yīng)用方案，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了介紹；較為詳細(xì)地描述了軟件總體設(shè)計(jì)思想、通信命令及格式等。
一、引言
我國海關(guān)每年集裝箱的進(jìn)口量已突破4000萬箱，而需在海關(guān)監(jiān)管下轉(zhuǎn)關(guān)的則高達(dá)幾百萬箱。現(xiàn)行海關(guān)轉(zhuǎn)關(guān)貨物監(jiān)管手段主要是采用傳統(tǒng)的鉛制封條，以人工操作、肉眼識(shí)別等形式進(jìn)行施封、驗(yàn)封。這大大影響了車輛通過卡口的速度，也容易發(fā)生人為差錯(cuò)。轉(zhuǎn)關(guān)集裝箱在長途的運(yùn)輸中有可能會(huì)被非正常改變運(yùn)輸路線和被非正常途徑開啟。現(xiàn)行監(jiān)管模式存在著諸多不足，遠(yuǎn)不能滿足海關(guān)大密度、高強(qiáng)度業(yè)務(wù)流量的監(jiān)管要求。
因此，具有RFID及無線定位功能的電子關(guān)鎖應(yīng)運(yùn)而生。它能幫助海關(guān)快速的通關(guān)、轉(zhuǎn)關(guān)，而且在長途運(yùn)輸中可以更為全面的監(jiān)控車輛的行駛路線，保證集裝箱不會(huì)被非法開啟。
二、電子關(guān)鎖的設(shè)計(jì)方案
1．監(jiān)控定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作方式
本系統(tǒng)由監(jiān)控中心服務(wù)器、讀寫器、電子關(guān)鎖組成。在啟運(yùn)地，由工作人員用電子關(guān)鎖將集裝箱上鎖，鎖體將生成一個(gè)隨機(jī)號(hào)，GPS、GPRS模塊開始工作：接收并更新鎖體的GPS信息、登陸網(wǎng)關(guān)、（按照默認(rèn)時(shí)間間隔）定時(shí)和網(wǎng)關(guān)通信。同時(shí)監(jiān)控中心（優(yōu)先級(jí)高）或者手持控制器對(duì)電子鎖發(fā)送加鎖命令，電子鎖并給予回答。電子加鎖后物理鑰匙無法開啟電子鎖。
到達(dá)指運(yùn)地后，監(jiān)控中心（優(yōu)先級(jí)高）或者手持控制器對(duì)電子鎖發(fā)送解鎖命令，電子鎖并給予回答。電子解鎖后物理鑰匙才能開啟電子鎖。第二步才能進(jìn)行物理開鎖，即用鑰匙打開鎖環(huán)（或者直接剪斷鎖環(huán)），GPS、GPRS模塊停止工作，隨機(jī)號(hào)失效。
2．電子關(guān)鎖的硬件組成
電子關(guān)鎖包括GPS模塊、 GPRS模塊、低功耗的控制模塊、射頻模塊（如圖1）。
GPS模塊選用leatek公司具有DGPS功能的GPS9805它有一個(gè)特殊的GPS接收機(jī)，理論上能確切的知道衛(wèi)星信號(hào)傳送到達(dá)的精確時(shí)間，在得到時(shí)間后將精確時(shí)間與實(shí)際的時(shí)間相比較計(jì)算出“差”值，然后將該“差”值發(fā)送出去，讓其他的GPS接收機(jī)利用該“差”值對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正以得到更準(zhǔn)確的定位信息。GPS9805為28引腳SMD類型模塊，有二個(gè)TTL電平的串行通訊接口，用于與外接的單片機(jī)通信，串口通信的波特率為4800bit/s，通過串口1與MSP430F149單片機(jī)通訊。
圖1電子關(guān)鎖結(jié)構(gòu)圖
GPRS模塊選用BENQ公司的M22模塊。該模塊屬于帶TCP/IP協(xié)議棧的模塊，工作電壓范圍為3.2-4.2V。M22在上電后需要進(jìn)行復(fù)位操作后才能開始正常工作， 復(fù)位只有在接有有效的SIM卡時(shí)才能正常進(jìn)行，復(fù)位的過程為給復(fù)位引腳一個(gè)持續(xù)至少120ms的低電平信號(hào)，然后將其拉高即可。在復(fù)位成功后，M22的LEDA引腳會(huì)輸出一定頻率的脈沖信號(hào)，在硬件設(shè)計(jì)的過程中將這個(gè)引腳接一個(gè)發(fā)光二極管，發(fā)光二極管開始閃爍即說明模塊復(fù)位成功。M22采用自適應(yīng)的波特率，可以自動(dòng)的適應(yīng)從300到115200的任何一個(gè)標(biāo)稱的波特率，而不需要另外的用AT指令去設(shè)置。GPRS模塊通過串口0與MSP430F149單片機(jī)通訊。
射頻部分選用挪威Nordic公司推出的單片無線收發(fā)一體芯片nRF2401，采用5mm*5mm的24引腳QFN封裝。該芯片內(nèi)部集成有頻率合成器，功率放大器和和調(diào)制器等，只需添加少量的外圍器件既可構(gòu)成射頻收發(fā)電路。在電源方面，nRF2401可使用1.9至3.2V電源供電，其電流消耗在發(fā)送時(shí)一般只有10.5mA，在接收時(shí)一般只有18 mA，因此芯片功耗非常低。nRF2401與單片機(jī)的硬件接口為I/O口直接連接。
控制模塊選用美國德州儀器公司(TI)的MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗，非常適合各種功率要求低的應(yīng)用。MSP430系列單片機(jī)，在1.8-3.6v電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1 -400μA之間。它具有16個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便;用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒只要6μS，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼;可將CPU置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。它通過SPI總線與flash連接，通過I2C與鐵電存儲(chǔ)器連接，存儲(chǔ)從GPS接收到的信息。
由于系統(tǒng)中所選各模塊的上作電壓不盡相同，因此在硬件的電源部分要做到能保證各部分正常上作。在此，我們把各供電電源分開，采用LM1117電源管理模塊，把5V電平轉(zhuǎn)化為MSP430可用的3.3V。
三、電子關(guān)鎖的軟件設(shè)計(jì)
1．軟件總體設(shè)計(jì)
電子關(guān)鎖實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)綁定、GPS定位，生成唯一業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)隨機(jī)號(hào)，定時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送自身狀態(tài)信息和報(bào)警的功能。相關(guān)軟件流程如圖2。
圖2 軟件流程圖
在GPRS模塊撥號(hào)上網(wǎng)與中心站連接后，從消息隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，由MSP430F149和監(jiān)控中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，GPRS模塊會(huì)將MSP430F149發(fā)來的數(shù)據(jù)原樣傳送到中心站，同時(shí)也會(huì)將中心站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)送到MSP430F149。
MSP430F149使用串口1來與GPS模塊進(jìn)行通訊，串口通信的參數(shù)設(shè)置為：波特率4800bit/s；數(shù)據(jù)位：8位；起始位：1位；停止位：1位；奇偶校驗(yàn)：無。GPS數(shù)據(jù)接收程序在接受到數(shù)據(jù)后，也將該數(shù)據(jù)發(fā)往存在數(shù)組中，然后由命令處理程序來掃描該數(shù)組，對(duì)新的命令進(jìn)行處理。命令處理程序在檢測(cè)到有一條GPS數(shù)據(jù)待處理的任務(wù)后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去除信息中的逗號(hào)等無用字符，而且一般情況下只取D1、D2、S1、D3、S2、D4這幾種信息來進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送和存儲(chǔ)，若系統(tǒng)有特殊要求，需要查看其他GPS參數(shù)時(shí)，由監(jiān)控中心發(fā)送命令來控制MSP430F149對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和
傳輸。
在讀取數(shù)據(jù)中遇到命令則進(jìn)行判斷解析，命令處理程序負(fù)責(zé)對(duì)處理監(jiān)控中心發(fā)過來的命令以及GPS數(shù)據(jù)接收模塊發(fā)過來的命令。命令處理程序?qū)γ畹奶幚碓O(shè)有超時(shí)判斷機(jī)制，在系統(tǒng)長期停留在處理某一條命令的狀態(tài)要進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)告。
2．通信命令及格式
電子關(guān)鎖需要與網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心（透過網(wǎng)關(guān)）、手持控制器進(jìn)行通信，通信總圖如圖3。它們間的通信采用請(qǐng)求/應(yīng)答模式，并按統(tǒng)一的信息格式/命令格式進(jìn)行。其格式為：消息發(fā)起方類型標(biāo)識(shí)（1個(gè)字節(jié)）、序列號(hào)（2個(gè)字節(jié)）、數(shù)據(jù)包長度（2個(gè)字節(jié)）、命令碼（1個(gè)字節(jié)）、應(yīng)答碼（1個(gè)字節(jié)）、數(shù)據(jù)。要注意的是通信命令為不定長命令，命令長度按照字節(jié)來計(jì)算；每條命令由消息頭和消息體組成。前7個(gè)字節(jié)稱之為消息頭，為定長結(jié)構(gòu)，包括消息發(fā)起方類型標(biāo)識(shí)（1個(gè)字節(jié)）、序列號(hào)（2個(gè)字節(jié)）、數(shù)據(jù)包長度（2個(gè)字節(jié)）、命令碼（1個(gè)字節(jié)）、應(yīng)答碼（1個(gè)字節(jié)）。序列號(hào)是唯一的，一般采用遞增方式即：每次發(fā)送新的應(yīng)用數(shù)據(jù)包時(shí),該序列號(hào)加1。
圖3通訊總圖
四、結(jié)束語
在普通射頻電子鎖上融入無線定位技術(shù)、GPRS技術(shù)，使得海關(guān)對(duì)電子關(guān)鎖及其綁定物體能實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤，通關(guān)、轉(zhuǎn)關(guān)更加便捷，可大大提高海關(guān)的工作效率。該系統(tǒng)不僅可以在海關(guān)中使用，其他物流領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
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