基于C8051F410單片機(jī)實(shí)現(xiàn)集裝箱的安全監(jiān)測裝置與系統(tǒng)設(shè)計

作者：黃文，周受欽，謝小鵬，王元聰

引言

隨著當(dāng)前物流行業(yè)的快速發(fā)展。作為物流主要運(yùn)輸方式的集裝箱運(yùn)輸．其運(yùn)輸效率及貨運(yùn)安全性日益受到人們關(guān)注。近幾年來，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展和推廣，將RFID技術(shù)用于集裝箱信息識別．實(shí)現(xiàn)集裝箱運(yùn)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(biāo)。RFID技術(shù)是一種利用射頻通信方法實(shí)現(xiàn)的非接觸式、快速、實(shí)時和準(zhǔn)確的采集與處理信息的自動射頻識別技術(shù)。目前集裝箱運(yùn)輸上對RFlD技術(shù)的應(yīng)用僅僅限于利用閱讀器射頻信道識別電子標(biāo)簽內(nèi)集裝箱信息．并有實(shí)現(xiàn)其運(yùn)輸安全上的保證。本文設(shè)計了一種基于C8051F410單片機(jī)的雙頻固定式閱讀器。該閱讀器與智能集裝箱安全設(shè)備及路標(biāo)設(shè)備配合實(shí)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(guān)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(shè)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(guān)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(biāo)設(shè)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(yùn)輸過程中要經(jīng)過三個主要站點(diǎn)：貨運(yùn)出發(fā)點(diǎn)堆場、海關(guān)檢查站點(diǎn)和貨運(yùn)目的地港口。在運(yùn)輸過程中整個系統(tǒng)工作方式是：在貨運(yùn)是出發(fā)點(diǎn)，工作人員利用閱讀器向ICSD寫入本次運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)信息，并進(jìn)行電子施封。在貨運(yùn)出發(fā)點(diǎn)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(guān)檢查站點(diǎn)，海關(guān)人員利用手持設(shè)備對ICSD進(jìn)行海關(guān)用戶電子解封，檢查完畢后冉用海關(guān)命令電子施封，之后，ICSD更新相關(guān)信息并在海關(guān)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(dá)貨運(yùn)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(yùn)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(jī)監(jiān)控軟件與ICSD之間必須通過閱讀器的作用才能成功實(shí)現(xiàn)通信。

2 閱讀器硬件設(shè)計

2．1閱讀器總體結(jié)構(gòu)

為了能使ICSD準(zhǔn)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(yuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示：

圖2閱讀器總體結(jié)構(gòu)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(qiáng)大等特點(diǎn)?？梢栽陂喿x器基礎(chǔ)卜進(jìn)行其他功能的擴(kuò)展。控制模塊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(jī)與上位機(jī)的串口通信。本部分設(shè)計為可選擇的RS232和RS485電平轉(zhuǎn)換電路。RS485電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX485，RS232電平轉(zhuǎn)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(yīng)用而設(shè)計。C2500射頻收發(fā)器具有可編程的數(shù)據(jù)傳輸率?？蛇_(dá)500kbps。內(nèi)部集成了前向誤差校正選項(xiàng)。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(zhì)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(dāng)PC通過串口向閱讀器發(fā)送對ICSD的相關(guān)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(zhuǎn)發(fā)PC命令至ICSD。ICSD在接收到閱讀器轉(zhuǎn)發(fā)的PC命令并且響應(yīng)對應(yīng)操作指令后，向閱讀器回發(fā)響應(yīng)信息。此時CC2500高頻部分再次接收ICSD的此響應(yīng)信息并通過串口上傳至PC機(jī)。

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(qū)動器Ic。該芯片具有超低功耗，驅(qū)動器過電流保護(hù)，過熱保護(hù)，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(jìn)行通信．并響應(yīng)相關(guān)操作指令。當(dāng)裝有ICSD的集裝箱進(jìn)入讀寫器的識別范圍時候上位機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)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(shè)計為兩個部分：PC機(jī)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(xì)分為命令數(shù)據(jù)包格式和響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式。又因?yàn)殚喿x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(yīng)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(yīng)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(diǎn)對點(diǎn)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(guān)信息。ICSD狀態(tài)參數(shù)描述ICSD當(dāng)前所處狀態(tài)及用戶須知的集裝箱相關(guān)信息。CRC校檢位檢驗(yàn)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(jié)束幀決定數(shù)據(jù)傳送的完畢。

4 閱讀器軟件設(shè)計

閱讀器程序總體設(shè)計分為四個部分：初始化部分，串口指令及響應(yīng)處理部分．低頻掃描處理部分和高頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fù)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(yīng)部分先判斷CRC位和起始位是否正確．如果正確進(jìn)入串口數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行解析．并且響應(yīng)串口指令。由于串口指令包括點(diǎn)對點(diǎn)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(yīng)部分與非閱讀器廣播指令解析及響應(yīng)部分。

閱讀器廣播指令解析及響應(yīng)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(yīng)答數(shù)據(jù)。

非閱讀器廣播指令響應(yīng)部分又分支為閱讀器點(diǎn)對點(diǎn)指令和其他高頻指令。非閱讀器廣播指令解析及響應(yīng)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(diǎn)對點(diǎn)指令和其他高頻指令。對于閱讀器點(diǎn)對點(diǎn)指令則先判斷點(diǎn)對點(diǎn)指令的具體功能．最后進(jìn)入具體功能函數(shù)進(jìn)行解析處理。其他高頻指令具體包括ICSD點(diǎn)對點(diǎn)指令和ICSD廣播指令。對于本地ICSD點(diǎn)對點(diǎn)指令或廣播指令．閱讀器直接轉(zhuǎn)發(fā)。非本地的ICSD點(diǎn)對點(diǎn)指令或廣播指令如果存在報警事件就轉(zhuǎn)發(fā)．否則當(dāng)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(kuò)展。

在低頻掃描過程中要先使高頻進(jìn)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(guān)全局中斷，掃描完后開全局中斷。

高頻數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)處理分主要完成高頻數(shù)據(jù)的接收和串口轉(zhuǎn)發(fā)。高頻收發(fā)完成后高頻進(jìn)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(jié)論及展望

本文設(shè)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(jī)上運(yùn)用串口通信軟件測試，實(shí)現(xiàn)了閱讀器與ICSD、PC之間的通信。經(jīng)試驗(yàn)測試該閱讀器能快速準(zhǔn)確識別集裝箱信息并能對報警事件及時響應(yīng)，提高了集裝箱流通速率和其運(yùn)輸安全性。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)集裝箱運(yùn)輸領(lǐng)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(yù)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(yīng)用前景。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(luò)的功能，今后的工作是進(jìn)一步完善硬件設(shè)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(yīng)用場點(diǎn)無線局域網(wǎng)和以太網(wǎng)的功能。

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

責(zé)任編輯：gt