应用锁在哪里设置

安全智能锁模式应用和关键技术

佚名

【摘要】安全智能锁应用RFID等物联网技术实现对集装箱货物的实施有效监管，

是取代机械铅封的有效手段。安全智能锁及其应用平台的建立将极大程度上提高通

关转关的效率和水平。通过扩频和载波监听能有效提高信号传输的可靠性，通过休

眠和时间窗模式可有效降低功耗，这些关键技术是安全智能锁质量和应用推广的关

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【期刊名称】《安徽电子信息职业技术学院学报》

【年(卷),期】2014(000)002

【总页数】4页(P26-29)

【关键词】安全智能锁;可靠传输;载波监听;时间窗

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

国内，每年进出口集装箱数量超过5000万箱，其中需要在海关监管下运输、转关

的占几百万箱。在传统的海关监管过程中，为保证货物的在途运输安全，一般都采

用机械封条封闭集装箱门、车厢门或阀门，以人工操作、肉眼识别等形式进行登记、

施封、比对、验封、剪封等。这种传统落后的监管方式存在诸多弊端使得现行监管

模式远不能满足海关大密度、高业务流量的监管要求。海关监管领域急需要一种能

够实现快速通关、转关，能够保障货物在途运输安全的手段或模式，安全智能锁在

这种应用需求下应运而生。安全智能锁采用物理锁和电子锁双锁控制，是指用于锁

闭集装箱箱门的，可进行对外无线通信、标识码自动识别、操作指令授权认证、远

程无线施封和解封、数据存储与安全传输、实现物流全程安全监控与报警的锁具。

一、基于安全智能锁的联动高效的监管模式

监控中心由服务器、卡口监控机、射频读写器(固定读写器、手持读写器)、安全智

能锁四部分组成。监控中心服务器负责后台数据存储和管理。卡口监控机通过串口

控制卡口读写器同安全智能锁进行射频通信。安全智能锁作为无线终端，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为安全智能锁系统网络

组成图。

图1安全智能锁系统网络

可概括为三个层次：监控中心服务器为应用服务顶层（包括提供业务服务、处理业

务逻辑以及数据整合）；卡口监控机为中间层（或者叫做设备接入层，与硬件设备

直接交互，处理数据采集与下发，协议解析，数据存储与转发等）；读写器及安全

智能锁为底层感知层。

根据安全智能锁的使用方式和海关转关运输流程的特点，可以将安全智能锁的整个

流程概括成四个关键环节：

1.在运输任务开始之前，海关工作人员提前将车辆信息、安全智能锁绑定信息、货

物信息、报关与转关信息等输入到指定软件系统中。

2.货品装入集装箱后在指定位置上锁，并且对安全智能锁施封。上锁需要由海关人

员操作，保证锁是锁在指定的位置。对锁实施施封操作，实现的方式有以下几种：

人工操作手持式阅读器，对锁进行施封；固定式阅读器采用刷IC卡操作，对锁进

行施封；固定式阅读器通过地感判断车辆驶离，对锁进行施封；系统利用车辆的

GPS位置信息，获知车辆是否离开了起运地区域，一旦离开，前端系统则施封安

全智能锁。不同的实现方式所能够达到的安全级别会有所差异，具体实施方式将根

据客户的需求进行选择。

3.在整个运输过程中，一旦出现破坏锁的行为，安全智能锁将会向中心系统报警。

监控中心需要有人员监控车辆行进路径和报警信息。一切对锁的操作（包括施封、

解封和报警等）都会传输、记录到后台监控中心。

报警数据上传到监控中心的方式有两种：第一种方式是，安全智能锁内置远距离通

信模块，安全智能锁能够直接把检测到的数据上传到监控中心。第二种方式是，在

远程信号无法到达的地方（比如无手机信号的山区），安全智能锁检测到报警信号，

记录该信号。当车辆一旦驶离信息盲区即把记录的报警信号传到监控中心。

4.运输车到达目的地对安全智能锁先解封再开锁，然后卸下货品。在运输车开始卸

下货品前需要对安全智能锁进行安全查验。检查安全智能锁是否锁在指定位置。对

锁实施解封操作。实现的方式有以下几种：通过人工操作手持式阅读器对锁解封；

通过对固定式阅读器刷IC卡对锁解封；固定式阅读器通过地感判断车辆驶入，对

锁进行施封；系统利用车辆的GPS位置信息，获知车辆是否到达了指运地区域，

一旦到达，系统则对安全智能锁进行解封操作。图2为应用模式概要流程图。

图2应用模式概要流程图

无线定位和远程传输是在安全智能锁的基础上，融合GPS/GIS、GPRS/GSM技术。

在启运地，一旦安全智能锁施封上锁，无线定位和远程传输模块开始工作：接收并

更新锁体的GPS信息、施解封信息、报警信息，登陆网关定时和网关通信。到达

指运地解锁后开启安全智能锁，无线定位和远程传输模块停止工作。在从起运地到

指运地的长途运输过程中，有无线定位和远程传输技术的配合，将极大增强监管工

作的效度和力度。实现全过程无缝监控。该模块拟选用具有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。

GPRS拟选用带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。

二、基于扩频和载波侦听的短距离RFID射频信号可靠传输技术

运用RFID技术的设备包括安全智能锁和阅读器（包括手持式和固定式）。设备主

要提供的功能包括，获取安全智能锁状态信息；提供高速、稳定可靠的数据传输通

道；实现友好的设备控制接口；实现友好的人机交互界面。RFID技术的关键包括

标签芯片、标签天线、标签封装、标签集成以及阅读器。

通过研究这些技术，为安全智能锁与阅读器选择安全可靠的RFID芯片，并基于芯

片设计安全智能锁与阅读器的RFID整体解决方案。

短距离无线传输抗干扰指的是阅读器和安全智能锁之间的无线通信需要抗干扰。目

前可用的抗干扰策略有下面几种：

（一）采用扩频通信方式

扩频通信方式能够有效的弱化外部干扰信号，保证无线通信的可靠性。

扩频通信主要特点:

1.抑制干扰能力很强，经过接收机对信号的处理，可把信道中加进的并与扩频信号

频带重叠的各种干扰信号强度减弱到原有的1/GP左右,因而使信扰比值提高了近

GP倍。扩频通信并不能抑制自噪声的干扰，但能够有效地减弱各种窄带信号的干

扰；

2.信号的功率谱密度很低；

3.信号便于隐蔽和保密；

4.可用以实现具有随意选址能力的码分多址通信。

（二）采用有效的冲突避免方式

有效的冲突避免方式能够有效的避免内部干扰和冲突。典型的方式是CSMA/CA：

带有冲突避免的载波侦听多路访问。一般情况下发送包的同时不能检测到信道上有

无冲突，只能尽量“避免”。但是在发送信号之前先侦察无线信道是否有信号在发

射，如果发现有信号发射的话再进行相应的退避措施，直到侦察到没有无线信号在

信道中才实行无线信道占用措施。CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是:

1.送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段

随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同，

所以可以减少冲突的机会。

2.送出数据前先送一段小小的请求传送报文(RTS:RequesttoSend)给目标端，等

待目标端回应CTS:CleartoSend报文后，才开始传送。利用RTSCTS握手

(handshake)程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。同时由于RTS-CTS封

包都很小，让传送的无效开销变小。

其他的方式包括时分多址方式，以及频分多址方式等，在开发设计中会研究和采用

国内外先进的冲突避免和冲突处理算法，以保证提高通信的有效性。

三、基于休眠机制和高效算法的低功耗的研究和设计算

在实际运用环境下，安全智能锁使用电池方式供电。为了保证安全智能锁能够长时

间的使用，必须使用合适的功率控制技术，实现安全智能锁整机长时间内的低功耗

使用，进行功率控制的方法初步有以下几种选择。

（一）定时休眠，自动唤醒

通过程序对安全智能锁内部主要耗电的部分，如MCU，无线通信模块，GPS模块

等进行控制，使得这些部分能够自动进入低功耗休眠模式，到达特定的时间后自动

唤醒正常工作，正常工作一段时间后再次进入低功耗休眠模式。由于添加了低功耗

休眠模式，安全智能锁整体来说功耗会有所降低。

（二）常态休眠，外部唤醒

通过程序的控制，实现安全智能锁在正常通信之后，会自动进入低功耗休眠状态，

如果要唤醒安全智能锁，必须通过外部的触发。外部触发可以通过机械触发，也可

以通过无线信号触发，具体使用方式需要根据需求进一步确定。

（三）算法级功耗优化

算法级功耗优化需要从电路设计就要开始进行算法的选择，应该尽量选择功耗效率

高的算法。首先，从实现算法所需逻辑的大小来看，算法中操作的数目、存储操作、

端口操作越少，此算法应用到的电路功耗越低。在实际的设计中，需要按照应用的

要求进行总体性能和功耗的均衡。算法中临时变量少、临时变量有效的时间短、循

环的合理运用都会降低算法所需的功耗。

（四）时间窗模式

安全智能锁在大部分时间里是无需进行通信的，但是它必须保持无线监听状态，以

保证随时应答主机的呼叫。如NRF2401处于接收模式时的消耗电流为18mA，这

种消耗相对较大，不满足系统需求。设计中可以考虑采用时间窗监听方式，即安全

智能锁每秒钟仅开启无线监听1ms，在接收到唤醒指令后，才进入长时间监听模

式。经过实际测试，时间窗监听状态时的功耗仅为0.68mA，功耗显著降低。对于

读写器，每次连接关锁前需要增加一个唤醒过程，在1秒钟内持续发送唤醒指令，

保证其时长覆盖关锁监听时间窗。

（五）系统级功耗设计与管理

系统级的功耗管理主要是动态功耗管理。通常的做法是处于空闲状态的时候，运作

于睡眠状态，只有部分设备处于工作之中；当产生一个中断时，由这个中断唤醒其

它设备，如1、2、3三种方式。实际上，这一部分需要硬件的支持，如：电源系

统的低功耗技术；系统软硬件的划分，在于决定哪些功能模块由软件来实现功耗较

小，哪些功能模块由硬件实现功耗较小；以及低功耗处理器的选择等。

四、结论

本文通过对安全智能锁应用的探讨给出了一种监控模式的方案，对数据可靠传输和

低功耗的设计给出了一种思路和行之有效的方法。在安全智能锁及其应用平台的开

发中可提高响应性能和产品质量。

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