（控制理论与控制工程专业论文）海关物流监控系统的电子关锁设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的发展和国际贸易的增加，进出海关口岸的物流量迅速增加。 在国务院“大通关”战略的指导下，海关部门探索出了“货物转关运输”、“建 立物流中心和口岸之间的绿色通道”等新的通关模式，这些模式简化了海关手 续的办理，加快了口岸货物的疏运速度，同时也对海关的物流监控工作提出了 更高的要求。本文以海关物流监控系统为研究背景，开展智能化的电子关锁的 研究，以高性能的嵌入式微处理器为核心，采用卫星定位技术、无线通信技术， 采取合理的信息安全策略，开发了一种电子关锁。主要研究成果如下： 根据电子关锁的设计需求，研究了电子关锁的总体技术方案。在电子关锁 中综合应用g p s 技术、g s m g p r s 技术和r f i d 技术，使其具有准确定位、远 程通信、快速身份识别的功能。 以嵌入式处理器a r m 为核心，实现电子关锁的硬件系统。完成了硬件平台、 定位模块、通信模块、存储电路、马达驱动电路等的开发设计。 完成电子关锁的软件设计。综合考虑电子关锁应用的具体背景，提出了电 子关锁软件设计的总体思路，设计了应用层的通信协议。结合多任务操作系统 的多线程、消息队列、信号量等思想，设计了数据采集、数据通信、数据存储、 命令处理等各个软件功能模块。 开展电子关锁的信息安全性研究。从安全性和加解密速度方面综合考虑，选 择了一种适合于电子关锁软硬件条件的加密算法。通过对g s m 网络本身的安全 机制的分析，提出了一种将g s m 网络安全性与加密算法相结合的信息安全策略。 针对提出的安全策略，分析了电子关锁的抗攻击性。 实际测试和使用表明，电子关锁能够适应海关物流监控系统的需要，实现 对海关物流过程的动态、实时监控，具有较高的信息安全性能，工作稳定，满 足了设计要求。 关键词：海关，物流监控，电子关锁，无线通信，信息安全 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya n dt h ei n c r e a s i n go fc h i n e s e i n t e r n a t i o n a lt r a d e ，t h eq u a n t i t yo fc a r g o e sg o i n gt h r o u g hc u s t o m s p o r t si si n c r e a s i n g u n d e rt h ei n s t r u c t i o no ft h e “g o i n gt h r o u g hc u s t o m sg r e a t l y ”s t r a t e g i cc o n c e p t b r o u g h tf o r w a r db yt h es t a t ec o u n c i l ，t h ec u s t o m sa u t h o r i t yh a se x p l o r e dm a n yn e w w o r k i n gm o d e s ，s u c ha s “g o i n gt h r o u g hc u s t o m sf o r m a l i t i e sa tn e a r b yp o r t s a n d e s t a b l i s h i n gg r e e nw a yb e t w e e nt h el o g i s t i c sc e n t e ra n dt h ec u s t o m sp o r t s ”t h e s e w o r k i n gm o d e sf a c i l i t a t et h eh a n d l i n go fc u s t o m sf o r m a l i t i e s ，f a s t e nt h em o v i n g s p e e do ft h ec a r g o e so nc u s t o m sp o r t s ，a tt h es a m et i m e ，t h e ys e tah i g h e rr e q u e s tt o t h ec u s t o m sl o g i s t i c sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m t a k i n gt h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e ma st h eb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rl a u n c h e st h er e s e a r c ho nak i n go f s m a r te l e c t r o n i cl o c k ，w h i c hi sd e s i g n e db yt h ec o m b i n a t i o no fs a t e l l i t ep o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 、e m b e d d e ds o f t w a r et e c h n o l o g ya n d s o m ei n f o r m a t i o ns e c a r i t ys t r a t e g i e s m a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t si sa sb e l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nn e e d so ft h ee l e c t r o n i cl o c k ，t h eo v e r a l lt e c h n i c a lb l u e p r i n ti ss t u d i e d t h eg p st e c h n o l o g y 、g s m g p r st e c h n o l o g ya n dr f i dt e c h n o l o g y i si n t e g r a t e di nt h ee l e c t r o n i cl o c k ，s oi th a st h ef u n c t i o no fa c c u r a t e l yp o s i t i o n i n g 、 r e m o t er e a l t i m ed a t at r a n s f e r r i n ga n dr a p i di d e n t i f i c a t i o n t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ee l e c t r o n i cl o c ki sr e a l i z e db yt a k i n gt h ee m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r a r ma st h ec o r e t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fe l e c t r o n i cl o c k h a r d w a r ep l a t f o r m ，m o t o r - d r i v e nc i r c u i t 、m e m o r yi n t e r f a c ec k c o i t 、p o s i t i o n i n ga n d c o m m u n i c a t i o ni n t e f f a c em o d u l eh a v eb e e nf i n i s h c d t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r o n i cl o c kh a sb e e nf i n i s h e d c o n s i d e r i n gt h e s p e c i f i ca p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h ee l e c t r o n i cl o c k ，t h eo v e r a l li d e ao ft h es o f t w a r e d e s i g nw a sr a i s e d ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so ft h ea p p l i c a t i o nl a y e rw e r e d e s i g n e d u s i n gt h ei d e a o fm u l t i t h r e a d 、m e s s a g eq u e u e 、s e m a p h o r eo f t h e e m b e d d e dm u l t i t a s ko p c r a t i n gs y s t e m ，t h ed a t ac o l l e c t i o n 、d a t ac o m m u n i c a t i o n 、d a t a s t o r a g ea n dc o m m a n dp r o c e s s i n gs o f t w a r ef u n c t i o nh a sb e e nf i n i s h e d t h er e s e a r c ho nt h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t yo ft h ee l e c t r o n i cl o c kh a sb e e nd o n e ，a n e n c r y p t i o na l g o r i t h mf i tf o rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n d i t i o no ft h ee l e c t r o n i c n 武汉理工大学硕士学位论文 l o c kh a sb e e nc h o s e nc o n s i d e r i n gs e c u r i t yl e v e la n dt h ec a l c u l a t i o ns p e e d b y a n a l y z i n gt h es e c u r i t ym e c h a n i s m so ft h eg s mn e t w o r k ，a ni n f o r m a t i o ns e c u r i t y s t r a t e g yt h a tc o m b i n e st h ee n c r y p t i o na l g o r i t h ma n ds e c u r i t ym e c h a n i s m so ft h e g s mn e t w o r kh a sb e e nr a i s e d t h ea b i l i t yo fr e s i s t i n ga t t a c k sh a sb e e na n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h er a i s e ds e c u r i t ys t r a t e g y a f t e rt e s t e db yp r a c t i c e ，t h ee l e c t r o n i cl o c kh a sm e tt h er e q u e s to ft h ec u s t o m s l o g i s t i c sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l h n gs y s t e m ，i tc a l lr e a l i z et h ed y n a m i c 、r e a l t i m e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt o w a r d st h ec u s t o m sl o g i s t i c sp r o c e s s t h ee l e c t r o n i cl o c k w o r k ss t a b i l i t yw i t ha h i 曲s e c u r i t yl e v e l ，i th a sm e t t h ed e s i g nn e e d s k e yw o r d s ： c u s t o m s ，l o g i s t i c sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ， e l e c t r o n i cl o c k , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t y l l i 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 一书中提到物流一词，当时指的是销售过程中的物流，自此以后，对物流的表 达为“p h y s i c a l d i s t r i b u t i o n ”即“物的流通”，其内容为从生产厂到消费者流通领 域中的各项活动，包括包装、装卸、运输、存储、加工分拨及其相关的信息活 动等各个环节【l j 。 我们说的海关物流是指涉及到海关通关过程的“物的流通”。海关物流监控 的范围和内容是随着海关通关模式的变化而变化的。 传统的海关通关模式将海关的工作集中在边境口岸来进行，进出口的货物 只有在到达海关监管场站后才能办理海关手续，因此，传统的海关物流监控只 限于对进入海关监管场站的货物，车辆等的监控。 改革开放以来，中国经济步入了良性、可持续发展的轨道，国家综合国力 迅速增强，国际地位稳步上升。本世纪初期，随着我国开放政策和外贸体制改 革的深入发展，尤其是加入w t o 后，中国经济逐步从封闭型经济向外向型经济 转化，进出口贸易量迅速增加。传统的海关作业方式已逐渐的不能适应海关工 作的需要。 在国务院“大通关”的战略方针的指导下，海关部门探索出了“货物转关 运输”和“建立物流中心和口岸之间的绿色通道”等新的通关模式。“货物转关 运输”是指的是进出口货物在海关的监控下由关境内设关地点转运到另一设 关地点去办理海关手续；“建立物流中心和口岸之间的绿色通道”则是指为缩短 企业的报关和货物周转时间，直接在物流中心办理海关手续的方式。随着新的 通关模式的出现，海关物流监控的范围也扩大到了对货物转关运输或货物由物 流中心到海关口岸的整个过程的监控。随着监控范围的扩大，海关对物流进行 监控的难度也提高了。全国海关通关作业改革指导方案指出：“建立强有力 武汉理工大学硕士学位论文 的物流监控系统，大力强化海关实际监控，确保进出境物流处于海关的有效监 控之下是通关作业改革的重要目标之一要建立对海关监管区域、各类监管 场所进出境运输工具和物流实施全方位全过程有效监控的作业机制，完善对口 岸现场各类监管场所运输企业货运代理企业和转关运输的规范化管理”【2 1 。 传统的海关物流监控采用手工登记和查验的方式来进行，这种方式显然不 能适应新形势下的海关物流监控的需要。 近年来，电子信息技术发展迅速，它们的发展给海关的物流监控带来了新 的思路与前景，将最新的电子信息技术运用到海关物流监控中是当前海关物流 监控系统的发展方向。电子关锁正是在这种形势下提出来的。 电子关锁是在传统的锁中加入电子设备，使锬具有通信、存储等功能的“智 能锁”。电予关锁不但可以起到对集装箱进行上锁的作用，通过采用先进的电子 信息技术，还可以具有很多电子设备所能实现的功能。 本学位论文试图研究并设计海关物流监控系统的电子关锁。 1 2 国内外研究现状 耳前，国内海关部门对物流的监控主要采取的是利用传统的铅封关锁对运 货集装箱进行手工加封、登记，在车辆抵达目的地后，再手工进行比对、剪封 的方式。这种监控方式存在着如下的问题： ( 1 ) 货物检查与登记的速度慢，登记错误的情况时有发生 随着进出臼货物数量的逐年迅猛攀升，进出口货物的分类变细，对货物监 控的工作由粗放型向精细型的转变，监控的内容增多分类变细，难度增加， 加上监控部门人力有限，工作强度已经饱和。因此，手工登记的方式经常出现 登记错误的情况，而且登记和查验的速度很慢。 ( 2 ) 不能对物流过程进行动态实时监控 进出口货物在转关运输的过程中，运输路线长短不一，路况差别较大，运 输所需时间长短不一，运输车辆数量多，人员素质差别很大，鱼龙混杂，因此， 运输过程各种情况都有可能发生，目前的监控手段无法监控运输过程和货物动 态状况。如果涉及敏感货物运输将使问题更加严重。 在国外，电子关锁的研究步伐较快，美国很早就丌始采用电子关锁来监控 物流过程，美国海关出于反恐的需要。鼓励对美货物输出国采用新型集装箱监 2 武汉理l ：大学硕七学位论文 管措施，并同各国海关合作，推荐使用美国公司生产的电子关锁设备。 1 3 课题研究的目的和意义 如上小节所述，不能实现对物流过程的动态实时监控和通关过程中查验、 登记的速度慢是当前海关物流监控系统所面临的两个主要问题。 近几年来，全球定位技术，无线通信技术以及嵌入式技术发展迅速，许多 行业已开始综合利用这些新技术来实现远程监控，并取得了很好的效果。这些 应用的成功给海关物流监控系统许多启发，将这些技术引入到海关物流监控系 统中将是一个很值得尝试的工作。 以普通的远程监控系统的角度来看，电子关锁属于监控系统中的远程终端， 远程终端在远程监控系统中起着关键的作用，远程终端的实现是整个监控系统 实现的基础。 本学位论文试图结合全球定位技术、无线通信技术和嵌入式技术，研究一 种能实现准确定位、数据远传及快速身份识别的电子关锁，以加快海关对物流 车辆查验和登记的速度，实现海关对物流过程的动态实时监控。 1 4 本文的主要工作 本文对海关物流监控的现状进行调查，分析目前海关物流监控存在的问题， 提出新的物流监控系统的总体结构，根据电子关锁在海关物流监控系统中的应 用过程，给出电子关锁的总体设计方案，按照总体方案实现电子关锁的设计。 具体主要包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 查阅相关资料并向海关部门的工作人员咨询，了解进出口货物的通关流 程，分析海关物流监控系统的现状以及存在的问题，为课题的研究打下基础。 ( 2 ) 结合当前海关的通关模式，研究能满足现代海关要求的物流监控系统的 总体结构。该系统应能随时的查看物流车辆的位置和所处的状态，能提高海关 对物流车辆查验的速度和准确度。 ( 3 ) 根据总体结构和电子关锁在整个系统中的具体作用，在对主要技术的原 理进行分析的基础上，研究电子关锁的总体技术方案。 ( 4 ) 以嵌入式处理器a r m 为核心，实现电子关锁的硬件系统。完成硬件平 武汉理工大学硕士学位论文 台、定位模块、通信模块、存储电路、马达驱动电路等的开发设计。 ( 5 ) 完成电子关锁的软件设计。综合考虑电子关锁应用的具体背景，提出电 子关锁软件设计的总体思路，设计应用层的通信协议。结合多任务操作系统的 多线程、消息队列、信号量等思想，设计数据采集、数据通信、数据存储、命 令处理等各个软件功能模块。 ( 6 ) 开展电子关锁的信息安全性研究。从安全性和加解密速度方面综合考虑， 选择一种适合于电子关锁软硬件条件的加密算法。结合所使用的网络的具体情 况，给出电子关锁信息安全性的具体实现方案。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电子关锁的总体方案设计 2 1 主要技术原理及应用方案分析 2 1 1g p s 定位原理及应用方案 g p s 即全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从2 0 世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、 陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新代卫星导航与定位系统。g p s 系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三个部分组成。 空间部分由均匀分布在倾角为5 5 。的六个轨道上2 4 颗卫星组成，每颗卫星 上都装备了无线收发二用机，铯原子钟、计算机、太阳能翼扳等设备，g p s 工作 卫星离地面高度为2 0 2 0 0 k m ，运行周期为1 2 个恒星时，因此，完整的工作卫星 星座保证在全球各处可以随时观测到4 - 8 颗高度角在1 5 。以上的卫星。 地面监控部分由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成，形成一个分 布在全世界的地面控制与监视网监视者各卫星的工作状态，这个网络也向卫星 上行加载导航数据和其他数据【3 】a 主控站拥有大型电子计算机，主要实现采集数 据、编辑导航电文、系统工作状况诊断、卫星参数调整等功能。 监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位罨， 向主控站提供观测数据。每个监测站还配有g p s 接收机，对每颗卫星连续不断 地进行观测，每6 秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，并采集与气象有关 数据。监测站受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。 主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，而注入站通过s 波段微波链路定时地将有关信息注入各个卫星，然后由g p s 卫星发送给广大用 户。 用户接收机是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号， 并以此计算出定位数据。分为天线单元和接收单元两部分。天线单元由接收天 线和前置放大器组成。常用的天线形式有：定向天线、偶极子天线、微带天线、 线螺旋天线、圆螺旋天线等。前置放大器直接影响接收信号的信噪比。要求噪 武汉理：大学硕士学位论文 声系数小、增益高和动态范围大。现时一般都采用f e t 放大器。接收单元包括 有：信号通道、存储、计算与显示控制及电源等部件。信号通道的主要功能是 接收来自天线的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理，实现对g p s 信号 的跟踪、锁定、解调、检出导航有关信息。根据需要，可设计成1 至1 2 个通 道，以能接收多个卫星信号。其它几个部件的作用，主要是：根据收到的卫星 星历、伪距观测数据，计算出三维坐标和速度；进行人机对话、输入各种指令、 控制屏幕显示等。 g p s 的基本定位原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息， 用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动 速度和时间信息【3 1 。经过2 0 余年的实践证明，g p s 系统是一个高精度、全天候和 全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。g p s 技术已经发展成为多领 域、多模式、多用途、多机型的国际型高新技术产业1 5 i 。 随着g p s 应用的普及，目前较多的厂家生产g p s 接收模块，这种模块可以 接收到g p s 卫星发送的定位信息，并能将该信息通过模块的通讯口送出。 若能将g p s 模块集成在电子关锁中，使电子关锁具有接收g p s 定位消息的 功能，然后通过电子关锁中的微处理器对接收到的定位信息进行筛选和处理， 将能随时得到物流车辆所处的位置、运行速度等信息。 2 1 2g p r s 的原理及应用方案 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。相对原来g s m 网络的电路交换数据传送方式，g p r s 是分组交换技术，具有“实时在线”、“按 量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。 g p r s 在g s m 网络的基础上增加了s g s n 、g g s n 和p c u 三个部件并对 相关部分的软件进行了升级。其网络结构如图2 - 1 所示。 s g s n 是s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e 的简称，其主要作用是记录移动台 的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 g g s n 是g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e 的简称，主要是起网关作用，负责 连接g s m 网络和外部分组交换网。它可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进 行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络f 6 】6 。 武汉理工人学硕士学位论文 图2 1g p r s 网络结构图 p c u ( 分组控制单元) p c u 负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误 检测和自动重发、信道编码方案、质量控制、功率控制等。p c u 可以作为b s c 的插卡，也可以独立地存在。p c u 和s g s n 之间通过g b 接口相连，是标准接 口，s g s n 和g g s n 之间通过g n 接口通信，s g s n 和g g s n 通过g p r s 隧道协 议进行封装。 g p r s 承载业务主要有两种类型：点到点( p t p ) 业务和点到多点( 盯m ) 业务。点到点业务在两个用户之间提供一个或多个分组的传输，由业务请求者 启动，被接收者接收；点对多点业务是将单一信息传送到多个用户，g p r sp t m 业务能够提供一个用户将数据发送给具有单一业务需求的多个用户的能力。 g p r s 采用信道捆绑和增强数据速率改进实现高速接入，目前g p r s 的设计 可以在一个载频或八个信道中实现捆绑，将每个信道的传输速率提高到 1 4 4 k b p s ，因此g p r s 方式最大速率是8 x 1 4 4 = 1 1 5 2 k b p s 。 目前有较多的通信设备制造商生产工业用的g p r s 模块，这些模块能通过 串口或其他通讯口很方便的接收微处理器的控制命令。若能在电子关锁中集成 g p r s 模块，然后通过微处理器来控制g p r s 模块以无线方式登陆到互联网与远 程监控中心建立连接，将能实现监控中心与物流车辆的实时通信。 g p r s 模块、g p s 模块、微处理器及相关的检测电路以及执行结构相结合， 将能使监控中心随时掌握物流车辆所处的位置以及物流车辆的状态，从而实现 海关对物流过程的动态实时监控。 2 1 3r f i d 技术原理及应用方案 射频识别技术r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是自动识别技术的一种， 即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。射频识别技术 一般采用的射频收发芯片，使用2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段进于亍通 武汉理工大学硕士学位论文 讯，这种芯片与单片机可通过s p l1 ：3 或者i o 口直接连接，因此硬件接口实现起 柬很简单，而且射频收发芯片的价格较低，在开发时无需购买昂贵的仪器设备。 射频率收发芯片的通信距离在室内一般为3 0 加米，室外可达1 0 0 2 0 0 米。目前 射频识别技术r f i d 已在许多领域碍到了广泛的应用【7 l 【8 l 【9 】。 在物流监控系统的应用中，我们希望采用短距离通信技术对系统成本的提 高不是很大，而且希望通信时对通信双方的距离和角度等的要求比较宽松，因 此，结合物流监控过程的实际情况，我们选用r f d 技术来作为短距离无线通信 方案。 一个基本的射频识别系统( r f i d ) 由读写器和应答器两部分组成，读写器 一般还与管理计算机或者其他智能终端相连接，射频识别系统( r f l d ) 系统结 构如图2 2 所示。 读写器一般由电源部分、天线部分、射频通信部分、控制部分及与接口电 路等几部分组成。 应用系统读写器应簪器 二西口 。 岬 黍 _ 。一 图2 2 r f i d 系统结构图 电源部分负责给读卡器提供电源；天线是与应答器通信的媒介，用来实现 射频信号的收发工作；射频通信部分主要完成射频信号的调制，解调以及放大 等功能；控制部分则比较灵活，根据不同的需求有不同的实现方式，有些应用 中，读卡器的控制部分只是实现简单的数据传递功能，即将射频通信的数据传 送给管理计算机或者智能终端，由它们来实现控制功能，有些应用中，读卡器 的控制部分要完成对通信数据的分类，以及加密和解密等操作，要求较高的读 卡器还设有存储电路，需要由控制部分将数据存健在存储器中：接口电路负责 读卡器与管理计算机或智能终端的连接，比较常见的是采用r s 2 3 2 的接口来进 行连接。 武汉理工大学硕士学位论文 应答与读写器一样也要包含天线部分，用来发送和接收数据：应答器一般 都含有存储部分，以实现应用数据的存储；应答器按照是否有电源，分为无源 应答器和有源应答器二种，无源应答器进行数据通信所需的能量由读卡器传递 过来，这种应答器的通信距离一般比较短，有源应答器内部设有电源部分，可 以实现较长距离的通信。 读写器通过天线发送出一定频率的电磁波信号，以寻找是否有应答器，当 应答器进入读写器工作场时，应答器的天线接收到读写器的寻卡信息后返回应 答应答信号，他们之间即可开始进行数据通信。 目前有较多实现r f i d 功能的芯片，这些芯片只需要很少的外围设备即可组 成构成射频收发设备，若能在电子关锁中集成r f i d 功能模块，并在启运地和目 的地管理站的道口装上r f i d 设备，将可以使管理站以无线方式直接与物流车辆 通信，从而加快海关对物流过程查验的速度，同时提高查验的准确性。从r f i d 系统的结构和本系统的实际情况来看，电子关锁应属于r f i d 应答器，而管理站 的道口通信设备应属于r f i d 读写器。 2 2 电子关锁与海关物流监控系统 2 2 1 海关物流监控系统的总体结构 通过对几种主要技术及应用方案的分析，结合海关物流监控系统的实际情 况，设计海关物流监控系统的总体结构如图2 3 所示。系统主要由装有电子关锁 的物流车辆、启运地和目的地管理站、手持编程器，远程监控中心等几部分组 成。 电子关锁是一个可移动的智能终端，安装在物流车辆的集装箱上。首先它 具有锁的功能，能够锁住集装箱，使货物在运送的过程中集装箱不被非法打开； 其次它内部集成有电子设备，可以实现数据的采集、存储、无线通信等电子设 备所具有的功能。因此，电子关锁也被称为智能锁。 启运地和目的地各有一个管理站，管理站的道口装有射频通信设备，可实 现近距离的无线通信，该设备与管理站的计算机相连，由管理站的计算机来控 制其扫描是否有车辆进入有效距离范围，若有则与其进行通信，进行参数设置 和数据读取；同时，管理站的计算机也通过互连网接到海关的远程监控中心， 武汉理工大学硕士学位论文 将物流过程的相关信息发往远程监控中心。 o母毋 jj 一 ： j 印s 室位系统 。 ：j j 。 图2 3 海关物流监控系统总体结构图 手持编程器既有g p r s 方式的远程无线通信功能，又有近距离的射频无线通 信功能，它的作用与道口管理站类似，只是手持编程器是可移动的，因此能够 很方便的对电子锁进行信息的设置或与监控中心进行远程通信。 监控中心通过计算机网络技术，数据库技术和软件平台实现远程监控功能。 监控中心存有企业、车辆和货物的档案，在物流监控的过程中，监控中心可进 行车辆运行路线的设定，并可在计算机上以图形的方式动态显示物流车辆的运 行轨迹。 2 2 2 电子关锁的设计需求 通过总体结构可知，电子关锁的主要功能需求如下： ( 1 ) g p s 定位功能。能根据需要控制g p s 信息采集的方式及采集的数据的内 容，能对采集的g p s 定位信息进行分类和筛选。 ( 2 ) g p r s 远程无线通信功能。在通过g p s 技术获取到位置信息后，物流车 辆还需要将位置信息发送到需要的地方( 即远程监控中心) 才能实现对物流车 甄巫热一 一流子r1运醚 一物电一 一启型 曝囤 孕盏 武汉理工大学硕士学位论文 辆的监控，由于物流车辆是移动的，在移动的过程中使用有线的网络来传输数 据是不现实的，只能采用无线通信的方案。除需要远程传输g p s 定位信息外， 还应能传输电子关锁的开关状态、电源电压等信息。 ( 3 ) 射频通信功能。传统的海关物流监控系统查验速度慢的主要原因是很多 信息都是采用手工登记和读取的方式，为提高查验的速度和准确性，同时减少 管理人员的劳动强度，在电子关锁中采用射频无线通信的方式来实现物流车辆 与管理站的信息交互。射频无线通信的距离可在0 到3 0 米之间调节。 ( 4 ) 信息安全性。由于无线通信的开放性，使得电子关锁在通信的过程中容 易受到一些非法的攻击，这些攻击会给海关的工作造成混乱，严重的还会给国 家带来经济损失，因此，电子关锁在通信时需要采用相应的信息安全措施。 ( 5 ) 具有数据存储功能，能实现对自身状态的检测和判断，能控制执行机构 进行开锁和关锁的操作。 ( 6 ) 在设计的过程中，需要考虑到系统的实用性、经济性以及可靠性。实用 性是指设计的系统必须能够切实可用；经济性是指系统应尽量将成本控制在可 以接受的范围内；可靠性是指系统应能可靠稳定的运行。 2 3 主控制器的实现方案 主控制器也就是常说的微处理器( 以下称作微处理器) ，是电子关锁的核心， 它的选择将对电子关锁能实现的功能产生决定性的影响。在选择微处理器时，一 般应从字长、指令的种类和数量、内部寄存器的种类数量、微处理器的速度、 中断处理能力以及微处理器的外围电路配套等几个方面来考虑。 目前主要有如下几种类型的微处理器： f 1 ) 5 1 系列单片机 m c s 5 1 单片机是美国i n t e l 公司于1 9 8 0 年推出的8 位单片机，m c s 5 1 系列单片机采用冯一诺依曼型的总线结构，指令和数据在同一个存储空间，在取 指令和执行时采用单流水线结构，即取一条指令执行完后在取另一条指令。 5 1 系列单片机集成了几乎完善的8 位中央处理单元，处理功能强，中央处理单 元中集成了方便灵活的专用寄存器硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机 及各种逻辑运算和转移指令，给应用提供了极大的便利。因此在其推出后，许 多公司都推出了与5 1 系列兼容的单片机，就是说m c s 一5 1 内核实际上已经成为 武汉理工大学硕士学位论文 一个8 位单片机的标准，目前以5 1 为内核的单片机是在我国使用最为广泛的单 片机。 p i c 系列单片机 p 1 c 系列单片机是美国m i c r o c h i p 公司推出的八位单片机。p i c 系列单片机 引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构，这种结构与一般采用 o s c ( 复杂指令集计算机) 的单片机在结构上是有不同的。具有c i s c 结构的单片 机均在同一存储空间取指令和数据，片内只有一种总线，这种总线既要传送指 令又要传送数据。因此，它不可能同时对程序存储器和数据存储器进行访问。 双总线结构，即所谓哈佛结构，这种结构有两种总线，即程序总线和数据总线。 这两种总线可以采用不同的字长，p i c 系列单片机的数据总线是八位，起指令 总线分别有1 2 位、1 4 位和1 6 位等几种不同的档次，取指令时经指令总线，取 数据时经数据总线，互不冲突。大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺 序进行的，p i c 单片机采用两级指令流水结构，取指令和执行指令在时间上是相 互重叠的，所以p i c 系列单片机可能实现单周期指令。因此，p i c 系列单片机具 有功能强、可靠性高、功耗低、动作速度快的优点。但由于p i c 系列单片机是8 位机，其应用范围也受到了一定的限制。 ( 3 1m s p 4 3 0 单片机 m s p 4 3 0 系列单片机是由美国n 公司推出的1 6 位单片机，采用精简指令 集，具有7 种源操作数寻址和4 种目的操作数寻址的方式，在指令方面具有 2 7 条内核指令以及一些模拟指令。m s p 4 3 0 系列单片机自1 9 9 6 年问世，在1 9 9 6 年至2 0 0 0 年问推出有3 3 x 、3 2 x 、3 1 x 、l l x 、l l x l 等几个系列，这些单片机 具有低功耗的优点，但对于片内串行通信接口、硬件乘法器等只有3 3 x 系列才 具备，片内高精度a d 转换器又只有3 2 x 系列才有，3 3 x 和3 2 x 系列的价格 都较高。在2 0 0 1 年后1 1 公司又推出了f 4 1 x 、f 4 3 x 、f 4 4 x 、f 1 5 x 、f 1 6 x 等 系列的单片机，这些单片机具有液晶驱动器，且在系统设计、丌发调试及实际 应用上都表现出一些较明显的优点。 f 4 1 d s p 处理器 d s p 是数字信号处理器( d i g i i a 】s i g n a lp r o c e s s o r ) 的简称，d s p 主要针对代表 信号的数字量进行数学运算，得到处理结果。比如，医药、医疗、电信、雷达、 声纳、助听器、声音、图像、工业控制等都有不一样的数学表达式，因此数字 信号处理器的种类很多。数字信号处理器处理的信号大部分是无头无尾的连续 武汉理= 大学硕士学位论文 量，而且是实时的( o n l i n e ) ，故其取样、运算过程应尽可能短，以不影响信号 的连续性。所以d s p 处理速度很高。1 9 8 0 年，t l 公司推出了第一个数字信号处 理器( d s p ) ，从此开创了d s p 的历史。经过二十余年的发展，d s p 应用领域日渐 宽广，从军事雷达系统到消费类电器都有d s p 的踪影。 佑) a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司是专 门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接 从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半 导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用 领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。因 此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统 成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 a r m 体系结构支持7 种处理器模式【l l l ，分别为：用户模式、快速中断模式、 外部中断模式、特殊模式、数据访问终止模式、未定义指令终止模式和系统模 式。 a r m 处理器有两种工作状态：a r m 和t h u m b ，在a r m 工作状态执行字对 准( 3 2 位) 的a r m 指令，在t h u m b 工作状态执行半字对准( 1 6 位) 的t h u m b 指令 1 “。因此，a r m 处理器能很好的兼容8 位1 6 位器件。 a r m 微处理器目前有a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 、i u t e l 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 等几个系列。目前a r m 已在工业控制、无线 通讯、消费类电子产品、成像和安全产品、网络应用等各个领域得到了广泛的 应用。 由电子关锁的设计需求可知，电子关锁中需要采取一些信息安全措施，而在 进行加解密算法的运算时，3 2 位机占有很大的优势，在本系统中并没有关于数 字信号处理算法方面的内容，因此，结合电子关锁的实际软硬件需求，综合考 虑价格和运算速度等因素，我们选择p h i l i p 公司的a r m7 系列控制器l p c 2 1 3 2 来作为系统的主控制器。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 开发平台的选择 开发平台的选择主要包括程序编译及仿真平台。目前适宜于a r m 处理器的 编译有很多种，例如s d t 、a d s 、t a r 、t a s k i n g 和g c c 等。其中使用比较多 的是s d t 、a d s 和g c c 。s d t 和a d s 都是由a r m 公司自己推出的a r m 核 微控制器集成开发工具，a d s 是s d t 的升级，我们选择a d s 的成熟版本a d s l 2 来作为电子关锁的软件开发环境。 a d s l 2 支持a r m l 0 之前的所有a r m 系列微控制器，支持软件调试及 j t a g 硬件仿真调试，支持汇编、c 、c + + 源程序，具有编译效率高、系统库功 能强等特点，可以在w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s x p 、w i n