基于C8051F410單片機實現(xiàn)集裝箱的安全監(jiān)測裝置與系統(tǒng)設計

作者：黃文，周受欽，謝小鵬，王元聰

引言

隨著當前物流行業(yè)的快速發(fā)展。作為物流主要運輸方式的集裝箱運輸．其運輸效率及貨運安全性日益受到人們關注。近幾年來，隨著RFID技術的發(fā)展和推廣，將RFID技術用于集裝箱信息識別．實現(xiàn)集裝箱運輸?shù)?a target="_blank">智能化已經(jīng)成為各集裝箱廠家競相開發(fā)的目標。RFID技術是一種利用射頻通信方法實現(xiàn)的非接觸式、快速、實時和準確的采集與處理信息的自動射頻識別技術。目前集裝箱運輸上對RFlD技術的應用僅僅限于利用閱讀器射頻信道識別電子標簽內(nèi)集裝箱信息．并有實現(xiàn)其運輸安全上的保證。本文設計了一種基于C8051F410單片機的雙頻固定式閱讀器。該閱讀器與智能集裝箱安全設備及路標設備配合實用．不僅能快速識別集裝箱信息，而且能監(jiān)測集裝箱內(nèi)貨物的安全。一旦集裝箱被非法打開閱讀器就能偵查到并將相關信息發(fā)送到監(jiān)控中心報警。

1 ICSD系統(tǒng)介紹及閱讀器在ICSD系統(tǒng)中的作用

ICSD（Intelligent Container Safe Device）系統(tǒng)即智能集裝箱安全設備系統(tǒng)就是一種用于集裝箱的安全監(jiān)測裝置及系統(tǒng)．其可以在集裝箱箱門被非法打開時自動偵測并且記錄信息．可以通過有效監(jiān)測系統(tǒng)將記錄信息傳送到管理中心數(shù)據(jù)庫，為相關工作人員提供信息。完整的ICSD系統(tǒng)包括ICSD、手持／固定式閱讀器、路標設備、監(jiān)控軟件。數(shù)據(jù)中心和用戶查詢終端六個部分。各部分的功能及聯(lián)系如圖1所示：

圖1 ICSD系統(tǒng)功能流程圖

集裝箱在運輸過程中要經(jīng)過三個主要站點：貨運出發(fā)點堆場、海關檢查站點和貨運目的地港口。在運輸過程中整個系統(tǒng)工作方式是：在貨運是出發(fā)點，工作人員利用閱讀器向ICSD寫入本次運輸?shù)南嚓P信息，并進行電子施封。在貨運出發(fā)點出口ICSD通過閱讀器將其狀態(tài)信息上傳到數(shù)據(jù)中心。在海關檢查站點，海關人員利用手持設備對ICSD進行海關用戶電子解封，檢查完畢后冉用海關命令電子施封，之后，ICSD更新相關信息并在海關人口處通過閱讀器再次將其狀態(tài)信息上傳至數(shù)據(jù)中心。到達貨運目的地港口后．丁作人員利用閱讀器解封并禁能ICSD。出目的地港口時．閱讀器將ICSD信息上傳至數(shù)據(jù)中心。同時，在整個運輸過程中．用戶可隨時通過用戶查詢終端追蹤集裝箱的狀態(tài)及所處位置。

由ICSD系統(tǒng)功能流程原理分析可以看出，閱讀器在ICSD系統(tǒng)中起通信橋梁的作用。上位機監(jiān)控軟件與ICSD之間必須通過閱讀器的作用才能成功實現(xiàn)通信。

2 閱讀器硬件設計

2．1閱讀器總體結構

為了能使ICSD準確的定位和通信．閱讀器與ICSD之間的通信采用了高、低頻兩種數(shù)據(jù)傳輸類型。采用433MHz或2．4GHz高頻作為遠距離數(shù)據(jù)鏈路通信頻段．采用125KHz低頻作為短距離數(shù)據(jù)鏈路通信頻段。根據(jù)閱讀器在ICSD系統(tǒng)中的功能和特性。本固定式閱讀器硬件總體設計為五個模塊：控制模塊、高頻收發(fā)模塊，低頻發(fā)射模塊、串口通信模塊和其他功能模塊。其總體結構框架圖如圖2所示：

圖2閱讀器總體結構框圖

2．2閱讀器各模塊的功能介紹

控制模塊即MCU控制電路．選擇的芯片是C8051F410。C8051F410是一款完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU。它具有功耗低、片內(nèi)存儲空間大、端口資源豐富、功能強大等特點?？梢栽陂喿x器基礎卜進行其他功能的擴展?？刂颇K功能是完成低頻信號的發(fā)射和高頻信號的收發(fā)、解碼。以及系統(tǒng)其他部分的控制。

串口通信模塊主要用于完成單片機與上位機的串口通信。本部分設計為可選擇的RS232和RS485電平轉換電路。RS485電平轉換芯片采用MAX485，RS232電平轉換芯片采用SP3232 EE。

高頻收發(fā)模塊包括高頻收發(fā)電路和高頻天線兩部分。高頻模塊選用的芯片是CC2500。CC2500是一款低成本真正單片的超高頻收發(fā)器，是專為低功耗無線應用而設計。C2500射頻收發(fā)器具有可編程的數(shù)據(jù)傳輸率。可達500kbps。內(nèi)部集成了前向誤差校正選項。大大提高了芯片的性能。另外．CC2500還為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。高頻收發(fā)模塊主要功能就是完成高頻信息的收發(fā)。當PC通過串口向閱讀器發(fā)送對ICSD的相關操作指令信息時，控制部分的MCU通過SPI總線與CC2500通信，由CC2500射頻電路轉發(fā)PC命令至ICSD。ICSD在接收到閱讀器轉發(fā)的PC命令并且響應對應操作指令后，向閱讀器回發(fā)響應信息。此時CC2500高頻部分再次接收ICSD的此響應信息并通過串口上傳至PC機。

低頻發(fā)射模塊包括低頻電路和低頻天線兩部分。低頻發(fā)射模塊選擇的主要芯片是TA5275。ATA5275是ATMEL公司開發(fā)的一款用于汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)frPMS）。工作頻率為125KHz的BCDMOS天線驅動器Ic。該芯片具有超低功耗，驅動器過電流保護，過熱保護，低頻喚醒芯片等功能。低頻發(fā)射模塊主要功能就是向ICSD發(fā)送低頻喚醒信號，喚醒休眠的ICSD．使其與閱讀器進行通信．并響應相關操作指令。當裝有ICSD的集裝箱進入讀寫器的識別范圍時候上位機軟件發(fā)送ICSD喚醒指令到閱讀器閱讀器再通過低頻發(fā)射電路轉發(fā)至ICSD．喚醒ICSD。

其他功能模塊包括三個部分，電源部分、JTAG接口編程電路部分、報警電路部分。電源部分主要包括AC—DC轉換模塊、SIPEXlll7 3．3V電源芯片和SIPEXlll7 5．0V電源芯片。220V交流電通過AC—DC轉換模塊轉換為12V DC．再通過兩個電源芯片的穩(wěn)壓輸送到各自所需的模塊供電。JTAG接口電路功能就是實現(xiàn)在片編程和調(diào)試。報警部分電路主要芯片是FM3130．由電源或后備電源供電。FM3130是一個高度集成的器件內(nèi)部集成塊了64Kb的串行非易失性RAM、帶有報警功能的RTC和可編程頻率的時鐘輸出。報警模塊的功能就是提供實時報警。

3 通信協(xié)議的制定

根據(jù)閱讀器在ICSD系統(tǒng)中的作用，總體上可將通信協(xié)議設計為兩個部分：PC機與閱讀器的通信協(xié)議格式和閱讀器與ICSD的通信協(xié)議格式。這兩種協(xié)議又可以向下細分為命令數(shù)據(jù)包格式和響應數(shù)據(jù)包格式。又因為閱讀器與ICSD的通信包括高頻和低頻兩種方式，也必須分開制定兩種方式的協(xié)議格式。由于ICSD和閱讀器各種應用環(huán)境十分惡劣，從系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性要求出發(fā)．本協(xié)議的制定考慮使閱讀器功能盡量簡化。閱讀器f或Pcl對ICSD的高頻通信命令數(shù)據(jù)包格式見表I，ICSD高頻響應閱讀器（或PC）的數(shù)據(jù)包格式如表2。閱讀器與ICSD低頻通信數(shù)據(jù)包格式見表3。起始幀決定數(shù)據(jù)包傳送的開始。命令模式確定是點對點還是廣播指令。地址確定是否為本地地址。ICSD參數(shù)描述用戶須知的集裝箱相關信息。ICSD狀態(tài)參數(shù)描述ICSD當前所處狀態(tài)及用戶須知的集裝箱相關信息。CRC校檢位檢驗傳送數(shù)據(jù)數(shù)否出錯。工作模式位描述ICSD所處的狀態(tài)。結束幀決定數(shù)據(jù)傳送的完畢。

4 閱讀器軟件設計

閱讀器程序總體設計分為四個部分：初始化部分，串口指令及響應處理部分．低頻掃描處理部分和高頻數(shù)據(jù)轉發(fā)部分。

初始化部分主要完成系統(tǒng)初始化。包括定時器初始化，串口初始化，端口配置，中斷初始化。SPI初始化，CC2500初始化，ATA5275復位．晶振初始化．以及部分變量的初始化。

串口指令處理及響應部分先判斷CRC位和起始位是否正確．如果正確進入串口數(shù)據(jù)處理程序進行解析．并且響應串口指令。由于串口指令包括點對點和廣播兩種形式所以將程序定為兩個分支：閱讀器廣播指令解析及響應部分與非閱讀器廣播指令解析及響應部分。

閱讀器廣播指令解析及響應部分．首先判斷是否為PC掃描閱讀器參數(shù)指令。是則掃描閱讀器參數(shù)并利用串口發(fā)送指令應答數(shù)據(jù)。

非閱讀器廣播指令響應部分又分支為閱讀器點對點指令和其他高頻指令。非閱讀器廣播指令解析及響應部分首先判斷是否為本地地址，然后根據(jù)本地地址是否匹配分支為閱讀器點對點指令和其他高頻指令。對于閱讀器點對點指令則先判斷點對點指令的具體功能．最后進入具體功能函數(shù)進行解析處理。其他高頻指令具體包括ICSD點對點指令和ICSD廣播指令。對于本地ICSD點對點指令或廣播指令．閱讀器直接轉發(fā)。非本地的ICSD點對點指令或廣播指令如果存在報警事件就轉發(fā)．否則當作干擾跳過。串口指令處理程序充分考慮到閱讀器功能的擴展。

在低頻掃描過程中要先使高頻進入空閑狀態(tài)。其他時間高頻均處于接收狀態(tài)。為防止與其他中斷的沖突．在低頻掃描之間要關全局中斷，掃描完后開全局中斷。

高頻數(shù)據(jù)接收轉發(fā)處理分主要完成高頻數(shù)據(jù)的接收和串口轉發(fā)。高頻收發(fā)完成后高頻進入接收狀態(tài)。

閱讀器主程序流程圖如圖3所示：

圖3閱讀器主程序流程圖

5 結論及展望

本文設計的ICSD系統(tǒng)中雙頻固定式閱讀器．通過指令數(shù)據(jù)模擬，經(jīng)在PC機上運用串口通信軟件測試，實現(xiàn)了閱讀器與ICSD、PC之間的通信。經(jīng)試驗測試該閱讀器能快速準確識別集裝箱信息并能對報警事件及時響應，提高了集裝箱流通速率和其運輸安全性。根據(jù)當前國內(nèi)集裝箱運輸領域需求分析。如果按每年1％的需求量逐年遞增來推廣該產(chǎn)品．預計每月的收益將增加50多萬元同時．也可以為商家挽回因偷盜而造成的損失。因而，該閱讀器具有廣闊的應用前景。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展．ICSD系統(tǒng)不僅要求閱讀器能夠快速識別集裝箱信息．還要求具有接入網(wǎng)絡的功能，今后的工作是進一步完善硬件設計和優(yōu)化程序流程．并在閱讀器中加入Wi—Fi和Ethemet功能．使其具有能夠接入應用場點無線局域網(wǎng)和以太網(wǎng)的功能。

本文作者創(chuàng)新點在于：采用雙頻通信的方式解決了閱讀器信息識別和運輸安全監(jiān)測的功能；該閱讀器具有價格低廉和經(jīng)濟效益高的特點。

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