作者：黎洪生    刘宁宇    王义发

摘   要：无线定位电子关锁是在普通的射频电子关锁的基础上，融合了GPS、GPRS技术。文章介绍了GPS、GPRS、单片机等技术在电子关锁上的应用方案，对各个模块进行了介绍；较为详细地描述了软件总体设计思想、通信命令及格式等。

一、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。转关集装箱在长途的运输中有可能会被非正常改变运输路线和被非正常途径开启。现行监管模式存在着诸多不足，远不能满足海关大密度、高强度业务流量的监管要求。

因此，具有RFID及无线定位功能的电子关锁应运而生。它能帮助海关快速的通关、转关，而且在长途运输中可以更为全面的监控车辆的行驶路线，保证集装箱不会被非法开启。

二、电子关锁的设计方案

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，由工作人员用电子关锁将集装箱上锁，锁体将生成一个随机号，GPS、GPRS模块开始工作：接收并更新锁体的GPS信息、登陆网关、（按照默认时间间隔）定时和网关通信。同时监控中心（优先级高）或者手持控制器对电子锁发送加锁命令，电子锁并给予回答。电子加锁后物理钥匙无法开启电子锁。

到达指运地后，监控中心（优先级高）或者手持控制器对电子锁发送解锁命令，电子锁并给予回答。电子解锁后物理钥匙才能开启电子锁。第二步才能进行物理开锁，即用钥匙打开锁环（或者直接剪断锁环），GPS、GPRS模块停止工作，随机号失效。

2．电子关锁的硬件组成

电子关锁包括GPS模块、 GPRS模块、低功耗的控制模块、射频模块（如图1）。

GPS模块选用leatek公司具有DGPS功能的GPS9805它有一个特殊的GPS接收机，理论上能确切的知道卫星信号传送到达的精确时间，在得到时间后将精确时间与实际的时间相比较计算出“差”值，然后将该“差”值发送出去，让其他的GPS接收机利用该“差”值对信号进行校正以得到更准确的定位信息。GPS9805为28引脚SMD类型模块，有二个TTL电平的串行通讯接口，用于与外接的单片机通信，串口通信的波特率为4800bit/s，通过串口1与MSP430F149单片机通讯。

  图1电子关锁结构图

GPRS模块选用BENQ公司的M22模块。该模块属于带TCP/IP协议栈的模块，工作电压范围为3.2-4.2V。M22在上电后需要进行复位操作后才能开始正常工作， 复位只有在接有有效的SIM卡时才能正常进行，复位的过程为给复位引脚一个持续至少120ms的低电平信号，然后将其拉高即可。在复位成功后，M22的LEDA引脚会输出一定频率的脉冲信号，在硬件设计的过程中将这个引脚接一个发光二极管，发光二极管开始闪烁即说明模块复位成功。M22采用自适应的波特率，可以自动的适应从300到115200的任何一个标称的波特率，而不需要另外的用AT指令去设置。GPRS模块通过串口0与MSP430F149单片机通讯。

射频部分选用挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体芯片nRF2401，采用5mm*5mm的24引脚QFN封装。该芯片内部集成有频率合成器，功率放大器和和调制器等，只需添加少量的外围器件既可构成射频收发电路。在电源方面，nRF2401可使用1.9至3.2V电源供电，其电流消耗在发送时一般只有10.5mA，在接收时一般只有18 mA，因此芯片功耗非常低。nRF2401与单片机的硬件接口为I/O口直接连接。

控制模块选用美国德州仪器公司(TI)的MSP430F149单片机，该单片机的优点是低电源电压、超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用。MSP430系列单片机，在1.8-3.6v电压、1 MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1 -400μA之间。它具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便;用中断请求将CPU唤醒只要6μS，可编制出实时性特别高的源代码;可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。它通过SPI总线与flash连接，通过I2C与铁电存储器连接，存储从GPS接收到的信息。

由于系统中所选各模块的上作电压不尽相同，因此在硬件的电源部分要做到能保证各部分正常上作。在此，我们把各供电电源分开，采用LM1117电源管理模块，把5V电平转化为MSP430可用的3.3V。

三、电子关锁的软件设计

1．软件总体设计

电子关锁实现了数据绑定、GPS定位，生成唯一业务标识随机号，定时向监控中心发送自身状态信息和报警的功能。相关软件流程如图2。

图2 软件流程图

在GPRS模块拨号上网与中心站连接后，从消息队列中读取数据，由MSP430F149和监控中心站进行数据通信，GPRS模块会将MSP430F149发来的数据原样传送到中心站，同时也会将中心站发送过来的数据送到MSP430F149。

MSP430F149使用串口1来与GPS模块进行通讯，串口通信的参数设置为：波特率4800bit/s；数据位：8位；起始位：1位；停止位：1位；奇偶校验：无。GPS数据接收程序在接受到数据后，也将该数据发往存在数组中，然后由命令处理程序来扫描该数组，对新的命令进行处理。命令处理程序在检测到有一条GPS数据待处理的任务后，要对数据进行筛选，去除信息中的逗号等无用字符，而且一般情况下只取D1、D2、S1、D3、S2、D4这几种信息来进行远程传送和存储，若系统有特殊要求，需要查看其他GPS参数时，由监控中心发送命令来控制MSP430F149对相应的数据进行存储和

传输。

在读取数据中遇到命令则进行判断解析，命令处理程序负责对处理监控中心发过来的命令以及GPS数据接收模块发过来的命令。命令处理程序对命令的处理设有超时判断机制，在系统长期停留在处理某一条命令的状态要进行错误报告。

2．通信命令及格式

电子关锁需要与网关、监控中心（透过网关）、手持控制器进行通信，通信总图如图3。它们间的通信采用请求/应答模式，并按统一的信息格式/命令格式进行。其格式为：消息发起方类型标识（1个字节）、序列号（2个字节）、数据包长度（2个字节）、命令码（1个字节）、应答码（1个字节）、数据。要注意的是通信命令为不定长命令，命令长度按照字节来计算；每条命令由消息头和消息体组成。前7个字节称之为消息头，为定长结构，包括消息发起方类型标识（1个字节）、序列号（2个字节）、数据包长度（2个字节）、命令码（1个字节）、应答码（1个字节）。序列号是唯一的，一般采用递增方式即：每次发送新的应用数据包时,该序列号加1。

  图3通讯总图

四、结束语
在普通射频电子锁上融入无线定位技术、GPRS技术，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。该系统不仅可以在海关中使用，其他物流领域也有广阔的应用前景。

参考文献

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