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($14.5000)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($1.8806)(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
设计定义的RF数据包装载于数据段(PAYLOAD)中，该数据包为定长28个字节。
分析系统的应用需求，由于现场存在多个读写器和多个关锁分别通信的情况，所以制订的无线通信协议必须是针对多点对多点的。在每次通信开始时，主叫方需要同应答方建立连接，下面是连接的建立过程：
1、读写器发出广播呼叫(简称全呼)指令，这是一个单包指令，需在应答方标识填0xFFFFFF，命令码为‘S’。此时，有效通信距离内的电子锁都会被唤醒，它们会在应答方标识中填入自己的ID并返回给读写器。
2、读写器会从返回的关锁标识中选择一个目标锁对其发出单点呼叫指令(简称点呼)。对于道口读写器，采用定向天线保证每次全呼仅呼叫到一把锁，则直接点呼该锁;对于手持读写器，有可能得到多把锁应答，可通过键盘进行选择后点呼。点呼时需在应答方标识中填入目标锁的ID。
3、电子锁在收到该指令后会解析数据包，在认证主机身份并确认应答方标识为己方ID后，向主机返回应答确认指令。主机收到确认指令后认为该连接已确立。