RFID在電子關鎖系統中的應用

　　引言

??? 現行海關轉關貨物監管主要采用傳統的一次性鉛封方式，以人工操作、肉眼識別等方式對集裝箱進行機械施封、驗封、解封，運行成本高、安全性低，更關鍵的是這種監管方式運行效率低，遠遠不能滿足海關大密度、高強度業務流量的監管要求。RFID(Radio Frequency IdentificatiON，射頻識別)技術是利用感應、無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，實現以識別和交換數據為目的的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無需人工干預。本文基于主動式 RFID技術設計了電子關鎖系統，采用電子關鎖代替傳統的鉛制封條對轉關集裝箱進行電子監控管理。

系統架構及運行方式

??? 本系統由監控中心服務器、道口監控機、射頻讀寫器(道口讀寫器、手持讀寫器)、電子關鎖四部分組成，其系統架構如圖1所示。監控中心服務器負責后臺數據存儲和管理；道口監控機通過串口控制道口讀寫器同關鎖進行射頻通信；電子關鎖作為無線終端，主要實現信息存儲、無線通訊、機構控制、狀態監測等功能。

圖1　電子關鎖系統網絡拓撲圖

系統底層硬件結構與設計

??? 電子關鎖系統底層部分由讀寫器和電子關鎖組成，基本組成單元為MCU和射頻收發電路。區別在于：道口讀寫器增加了RS-485 通信接口，手持讀寫器增加了人機交互接口，包括4×4薄膜鍵盤和128×64點陣式液晶顯示模塊，電子關鎖則擴展了異常狀態監測電路和電機驅動電路。電機驅動電路用來驅動電機，實現對關鎖的電子施封和解封。

??? 電子關鎖要求實現10~20米的無線數據通信，本文選用了Nordic公司生產的nRF2401(以下簡稱2401)作為射頻收發芯片。2401工作在全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，采用GFKS調制，最高無線數據傳輸速率可達1Mbit/s，內置硬件地址解碼和CRC編解碼電路。實際設計中采用單通道模式，MCU需要同2401的6個引腳相連，分別為DATA、CLK1、DR1、PWR、CE、CS。其中PWR、CE、CS用來配置工作模式。DATA、CLK1組成SPI總線。DR1為數據準備引腳，與MCU的中斷I/O引腳相連。圖2為射頻收發電路原理圖。

軟件設計

??? 本系統的軟件設計分為三個層次：監控中心服務器為頂層；道口監控機為中間層；讀寫器及電子關鎖為底層。限于篇幅，這里主要說明底層系統的軟件設計。

2401通信方式分析

??? 2401存在兩種通信方式，分別為直接傳輸模式(Dire Mode)和突發傳輸模式(Shock BurST)，本設計采用后者。

本設計中設置地址段為2個字節，數據段為28個字節，校驗碼為2個字節。地址段為2401芯片配置的接收地址，在系統中設定電子關鎖為被呼叫方，它們的接收地址相同；相應地，主叫方即所有的讀寫器設置的接收地址也相同。2401為半雙工方式，要通過配置狀態字來進行數據收發方式的切換。

通信協議研究

??? 設計定義的RF數據包裝載于數據段(PAYLOAD)中，該數據包為定長28個字節。

??? 分析系統的應用需求，由于現場存在多個讀寫器和多個關鎖分別通信的情況，所以制訂的無線通信協議必須是針對多點對多點的。在每次通信開始時，主叫方需要同應答方建立連接，下面是連接的建立過程：

1、讀寫器發出廣播呼叫(簡稱全呼)指令，這是一個單包指令，需在應答方標識填0xFFFFFF，命令碼為‘S’。此時，有效通信距離內的電子鎖都會被喚醒，它們會在應答方標識中填入自己的ID并返回給讀寫器。

2、讀寫器會從返回的關鎖標識中選擇一個目標鎖對其發出單點呼叫指令(簡稱點呼)。對于道口讀寫器，采用定向天線保證每次全呼僅呼叫到一把鎖，則直接點呼該鎖；對于手持讀寫器，有可能得到多把鎖應答，可通過鍵盤進行選擇后點呼。點呼時需在應答方標識中填入目標鎖的ID。

3、電子鎖在收到該指令后會解析數據包，在認證主機身份并確認應答方標識為己方ID后，向主機返回應答確認指令。主機收到確認指令后認為該連接已確立。