RFID在电子关锁系统中的应用

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。

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