陳國發(fā)　陳致遠

摘 要：文章根據(jù)實際需求，對電子關鎖目前的工作狀態(tài)和可能的合作方式從施封到解封全過程進行安全性技術分析，給出其相應的優(yōu)缺點和存在的風險，從而找出一種行之有效的模式識別、通信協(xié)議、編碼格式、數(shù)據(jù)加密、解碼原理等技術方法和實現(xiàn)過程。

關鍵詞：電子標簽；射頻識別技術；編碼與解碼；電子關鎖

在海關物流監(jiān)控系統(tǒng)中，由閘口監(jiān)控、運輸車輛的GPS監(jiān)控、EDI數(shù)據(jù)平臺，集裝箱電子鉛封，組成一個完整的封閉系統(tǒng)。在信息識別和通信方面，對電子鉛封系統(tǒng)的基本技術要求是：（1）在用開封器開電子鉛封時要能判斷該鉛封是否被非法打開過。（2）電子鉛封能防偽及數(shù)據(jù)加密。（3）開封器要受控制中心的控制。（4）開封器與控制中心能無線通信。

1 無源無線防偽電子鉛封

1.1 無源無線防偽電子鉛封系統(tǒng)組成

海關集裝箱無源無線電子鉛封系統(tǒng)如圖1所示，由以下5部分組成。

（1）電子鉛封：電子鉛封沿襲傳統(tǒng)鉛封模式，可封裝在傳統(tǒng)鉛封中，插在集裝箱門上，封住集裝箱門。鉛封內嵌集成電路模塊，無須電源。電子鉛封不與GPS車載臺或其他設備連接。電子鉛封內保存有全球唯一且不可更改的ID號。鉛封中還有一定數(shù)量的內存，可以保存集裝箱號碼、運載車輛車牌號、運輸起始海關和終點海關。鉛封的使用具備一次性，即鉛封打開后集成電路模塊就被破壞，加上全球唯一的ID號，無法再復原鉛封。

（2）加封器、開封器：實際上是一個電子鉛封的讀寫器。該設備通過無線射頻，讀取或寫入鉛封中保存的數(shù)據(jù)。該設備無須和電子鉛封連線，通過無線方式可讀取、寫入鉛封中保存的信息。

（3）無線收發(fā)機：無線收發(fā)機通過RS232接口協(xié)議分別與開封器和場站計算機相連。兩臺無線收發(fā)機可在1 000 m的范圍內通過無線方式使開封器與場站計算機通信，傳送鉛封號、集裝箱號碼等。

（4）場站計算機：負責場站現(xiàn)場數(shù)據(jù)與海關監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（5）海關物流監(jiān)控中心：負責鉛封的發(fā)放、注銷、核對等管理工作，通過網(wǎng)絡與場站計算機進行數(shù)據(jù)通信[1]。

1.2 電子關鎖要實現(xiàn)的功能

（1）檢測鎖銷的狀態(tài)。（2）進行無線讀寫數(shù)據(jù)。（3）規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸格式（這個在實際使用中可能會做調整）。（4）有自己的數(shù)據(jù)加密算法，采用CRC校驗。（5）存儲信息和記錄鎖開關次數(shù)。（6）讀寫速度快（在整個通道行進的過程中要至少完成一次讀?。ㄅc電子車牌讀寫速度同））；讀寫距離遠（覆蓋整個通道15 m以上）。

圖1 無源無線電子鉛封方案

1.3 無源無線電子鉛封系統(tǒng)工作過程

海關集裝箱無源無線電子鉛封系統(tǒng)的工作過程分加封、開封、問題處理3部分。

（1）加封：集裝箱出場站之前，在集裝箱門上加一把電子鉛封，封住集裝箱門。具體過程如下：挑選一把電子鉛封；將集裝箱號、運載車輛號碼、起點海關、終點海關輸入場站計算機；將電子鉛封放在加封器上；場站計算機通過加封器讀出電子鉛封ID號；場站計算機將集裝箱號和電子鉛封號傳到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心按加密程序返回密碼；場站計算機通過加封器將密碼、集裝箱號碼、起點、終點海關等信息寫入電子鉛封；用電子鉛封封住集裝箱門。

（2）開封：集裝箱進場站后，對集裝箱門上完好無損的電子鉛封開封的具體過程如下：將手持式開封器接近電子鉛封；開封器讀取鉛封中的ID號、集裝箱號、車牌號、起始海關、終點海關；開封器向場站計算機發(fā)送鉛封信息。場站計算機將集裝箱號、鉛封ID號、密碼和開封請求傳到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心按解密程序檢查電子鉛封的真?zhèn)?，并相應地返回真?zhèn)谓Y果；并在數(shù)據(jù)庫中記錄信息；場站計算機通過無線頻道向開封器發(fā)送驗證信息；若驗證通過，則從集裝箱門上取下電子鉛封，本鉛封打開后即被當場銷毀；如果為拒絕命令，屬問題處理。

（3）問題處理：集裝箱上的鉛封被毀、控制中心發(fā)現(xiàn)無效鉛封拒絕開封、電子鉛封內嵌芯片失靈等情況都屬于本系統(tǒng)的問題，需要提出處理問題辦法[2]。

1.4 電子鎖目前的狀態(tài)

（1）采用輪巡的方式傳輸采集數(shù)據(jù)。

（2）傳輸速率為19.2 K（433 M），1 M（2.4 G）。

（3）433 M采用MCU和傳輸芯片相結合的方式，2.4 G采用單一芯片，此芯片包含一個51單片和一個快速傳輸芯片。

1.5 可能的合作方式

（1）直接采用amtech的合適芯片實現(xiàn)現(xiàn)在所有的功能。

（2）采用amtech的芯片和mcu相結合，由amtech芯片一直處于接收狀態(tài)，在接收到正確數(shù)據(jù)后喚醒mcu，由mcu進行控制進行數(shù)據(jù)的交互。

（3）采用amtech的芯片作為喚醒芯片，在mcu喚醒以后就讓amtech芯片關閉，用其他的傳輸芯片進行數(shù)據(jù)的無線傳輸（此種狀態(tài)是針對amtech芯片無法完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下）[3]。

以上3種合作方式的優(yōu)勢和風險闡述如下。

針對（1）：優(yōu)勢為無需進行別的配合，開發(fā)周期短。

風險為沒有合適的芯片實現(xiàn)以上的5個基本功能，尤其是算法的實現(xiàn)和檢測電路的實現(xiàn)。

針對（2）：這種是最好的方式。

工作讀出模式：amtech芯片一直處于低功耗的接收狀態(tài)（功耗應在10 μA以內），在進入RF輻射區(qū)后，接收到正確數(shù)據(jù)包頭后用中斷等方式將MCU喚醒，與MCU進行數(shù)據(jù)交換，調用已加完密的數(shù)據(jù)向外發(fā)射后等待，直到amtech芯片離開RF輻射區(qū)，芯片重新進入低功耗接收狀態(tài)，同時給MCU一個可休眠信號。MCU進入休眠狀態(tài)。

寫入模式：amtech芯片一直處于低功耗的接收狀態(tài)（功耗應在10 μA以內），在進入RF輻射區(qū)后，接收到正確數(shù)據(jù)包頭后用中斷等方式將MCU喚醒，與MCU進行數(shù)據(jù)交換，繼續(xù)向讀寫器要數(shù)據(jù)包，得到正確的數(shù)據(jù)包后，MCU對此數(shù)據(jù)進行加密算法，直到amtech芯片離開RF輻射區(qū)，芯片重新進入低功耗接收狀態(tài)，同時給MCU一個可休眠信號。MCU進入休眠狀態(tài)。

鎖銷檢測：MCU進行相應檢測。優(yōu)勢：功耗低，通信方便快捷。劣勢：是否這樣就無法實現(xiàn)用手持機對其進行讀寫了？

需要弄明白的問題：

①讀寫器的數(shù)據(jù)交換協(xié)議如何制定？是我們制定完成后，RF將其進行調制，采用的CRC校驗可以杜絕黑匣子部分不能解決可能性。

②是否工作模式中提到的中斷和數(shù)據(jù)交換解決方案，采用和普通串口形式一致嗎？

針對（3）：這個方案應該說最不好實現(xiàn)，因為勢必有兩種RF相互干擾的情況。

風險：無法采用單一POS機進行數(shù)據(jù)的讀寫，因為必須提供兩種RF方式才能激活并讀寫。

2 識別原理

2.1 通信串口設置

電子關封讀寫器通過RS232串口與PC機通信，串口參數(shù)為：波特率9 600，校驗位NONE，數(shù)據(jù)位8，停止位1。命令格式：0xaa+控制命令字+0x00+0x00[+數(shù)據(jù)內容]+0xab。

2.2 標簽信息編碼格式

電子標簽數(shù)據(jù)由128個比特組成。標簽被激活后，對數(shù)據(jù)進行編碼，加同步幀頭，形成數(shù)據(jù)幀信號，采用反向散射原理（ASK調制信號）將數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器。標簽的數(shù)據(jù)編碼形式如圖2a和b所示。同步幀頭形式如圖2c所示。標簽返回數(shù)據(jù)速率為10 kbps；返回整個數(shù)據(jù)幀，包括幀頭，需13 ms。

引導字節(jié)共5個字節(jié)，數(shù)據(jù)包包頭共16個字節(jié)，數(shù)據(jù)包共54個字節(jié)，合計75個字節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)加密

包含ENCRYPT.H，將ENCRYPT.LIB加入PROJECT。ENCRYPT.DLL接口說明如下。

2.3.1 加密函數(shù)

unsigned int EnCode（unsigned char * SourceBuf，

unsigned int CodeLength，

unsigned char * DestBuf）

SourceBuf：存放未加密數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址；CodeLength：數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；DestBuf：存放加密后數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址；

加密成功，返回1；失敗返回0。

2.3.2 解密函數(shù)

unsigned int UnCode（unsigned char * SourceBuf，

unsigned int CodeLength，

unsigned char * DestBuf）

SourceBuf：存放加密數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址；CodeLength：數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；DestBuf：存放解密后數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址；

解密成功，返回1；失敗返回0。

讀關封返回各數(shù)據(jù)包的第（9—232）和（233—256）兩個數(shù)據(jù)塊需分別進行解密；

快速讀關封返回數(shù)據(jù)包的第9—32共24個字節(jié)需進行解密；

注意：第1—8字節(jié)不能進行解密，寫關封前需對各數(shù)據(jù)包的第1—224共224個字節(jié)進行加密。

2.4 數(shù)據(jù)校驗

包含AVRCRC.H，加入AVRCRC.LIB；AVRCRC.DLL接口：

BOOL CreateCRC（const char * pDataBuf， //數(shù)據(jù)區(qū)首址

int iDataLength， //數(shù)據(jù)字節(jié)長度，必須為偶數(shù)

WORD &crccode;） //生成的兩字節(jié)校驗碼

對要寫的（前數(shù)據(jù)包，后數(shù)據(jù)包）或（數(shù)據(jù)包）作整體運算，將生成的兩字節(jié)校驗碼放入（校驗碼低字節(jié)），（校驗碼高字節(jié)）。成功返回TRUE；失敗返回FALSE。

2.5 自動模式工作時序

如圖3所示，探頭被擋住為觸發(fā)，未被擋住為釋放。

探頭的共同狀態(tài)指探頭1和探頭2的狀態(tài)相同時探頭的狀態(tài)。

集裝箱卡車沿箭頭方向前進。

箱型可能為單長箱、單短箱、雙短箱。

探頭狀態(tài)變化如表1所示。

由表1可得出：（1）當探頭的共同狀態(tài)由釋放變?yōu)橛|發(fā)時，標志前箱到來：讀寫器自動開始讀關封，完成后，若讀取成功則將數(shù)據(jù)保存，若不成功則保存失敗信息；PC記錄探頭狀態(tài)的變化。

（2）當探頭的共同狀態(tài)由觸發(fā)變?yōu)獒尫艜r，標志后箱正在離去：讀寫器自動開始讀關封，完成后，如果已收到PC發(fā)來的索取數(shù)據(jù)命令，則將兩個關封的數(shù)據(jù)返回；如果尚未收到PC發(fā)來的索取數(shù)據(jù)命令，若讀取成功則將數(shù)據(jù)保存，若不成功則保存失敗信息，等到收到PC發(fā)來的索取數(shù)據(jù)命令后，再將兩個關封的數(shù)據(jù)返回；PC延時100 ms后，向讀寫器發(fā)索取數(shù)據(jù)命令。

（3）在讀取數(shù)據(jù)的過程中，檢測到探頭的共同狀態(tài)的變化：如讀寫器已讀到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)保存，如未讀到數(shù)據(jù)，則中止本次讀取，保存失敗信息，如已收到索取數(shù)據(jù)命令，將兩個關封的數(shù)據(jù)返回，然后進入下一次讀取流程；PC如果在后箱離去后在等待返回數(shù)據(jù)過程中檢測到，則再等待200 ms，等待讀寫器返回數(shù)據(jù)，作相應處理，然后進入下一流程。

（4）在上述自動模式下，若時限已到而未讀取成功，讀寫器會自動停止，PC不要向讀寫器發(fā)送取消命令[4]。

以上流程時序圖如圖4所示。

3 結語

（1）整個電子鉛封系統(tǒng)從加封到開封形成一個大閉環(huán)，處在監(jiān)控中心的監(jiān)控之下。安全、可靠，一旦加封，任何換鉛封的可能性都不存在。

（2）由于電子鉛封內沒有電源，價格便宜，一次性使用，電子鉛封幾乎不需要維護工作。

（3）開封器、加封器接口軟件的開發(fā)：該軟件至少包含從電子鉛封內讀數(shù)據(jù)、向電子鉛封內寫數(shù)據(jù)、向計算機發(fā)數(shù)據(jù)、接受計算機數(shù)據(jù)等功能。

（4）電子鉛封系統(tǒng)管理軟件的開發(fā)：該軟件控制整個電子鉛封系統(tǒng)的流程，與業(yè)務系統(tǒng)緊密結合。應用與開封器、加封器數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)加密與解密、電子鉛封發(fā)放報廢管理、問題處理記錄與統(tǒng)計等功能。

（5）開封器與場站計算機無線連接，便于使用。

[參考文獻]

[1]杜思深.無線數(shù)據(jù)通信技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]EPCglobal.EPCTM radio-frequency identity protocols class-1 generation-2 UHF RFID protocol for communication at 860～960 MHz[M].Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2005.

[3]錢游，陳國發(fā).單片機實用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2017.

[4]陳國發(fā).基于單片機和RFID的智能電子關封設計[J].電子測試，2018（3）：38-47.