陳杰睿 彭曉鈞 蔡如樺

（1.華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué) 武漢 430223）（2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

1 引言

某些要害物品，如金融、國防軍工、軍警等部門的敏感設(shè)備，往往被要求固定在某個(gè)位置或者只能在某個(gè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，若超出所限定的范圍，則被視為“異?！鼻闆r，應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒保衛(wèi)人員處理。

當(dāng)前的要害物品離位報(bào)警系統(tǒng)所使用的技術(shù)手段包括：

1）WiFi、藍(lán)牙技術(shù)：主要缺點(diǎn)為功耗高；安全性低［1～2］。

2）GSM技術(shù)：主要缺點(diǎn)為功耗高；使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用［3］。

3）ZigBee技術(shù)：該技術(shù)的主要特點(diǎn)是自組網(wǎng)功能，但要害物品之間不需要組網(wǎng)。另外，該技術(shù)還存在技術(shù)復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)［4～5］。

4）RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)：包括無源標(biāo)簽（被動(dòng)標(biāo)簽）和有源標(biāo)簽。它們均工作在單一頻段。無源標(biāo)簽的作用距離過短，只有在5cm～30cm左右；有源標(biāo)簽始終主動(dòng)發(fā)出信號(hào)，功耗過高。

5）UWB（Ultra Wideband，超寬帶）技術(shù)：主要缺點(diǎn)為技術(shù)過于復(fù)雜，成本高昂［6～7］。

針對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的反恐形勢(shì)，根據(jù)XXX基地的實(shí)際應(yīng)用需求，為防止執(zhí)勤槍支被搶、哨兵被襲擊和哨兵攜槍逃離部隊(duì)等情況的發(fā)生，有必要對(duì)部隊(duì)營區(qū)內(nèi)哨位的執(zhí)勤槍支進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，警衛(wèi)人員就可以從容應(yīng)對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確、多方位、多功能的報(bào)警效果。因此，需要綜合研究當(dāng)前要害物品離位報(bào)警技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，研制一款誤報(bào)率低、微功耗、通信安全性高的哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

“哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)”組成框圖如圖1所示。主要包括激勵(lì)器、半有源電子標(biāo)簽、讀卡器、哨位監(jiān)管分機(jī)和防區(qū)報(bào)警主機(jī)。

圖1 哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)組成框圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

激勵(lì)器布設(shè)在哨位附近，其激勵(lì)范圍完全覆蓋攜帶槍支的哨兵的活動(dòng)范圍（約5m×15m的區(qū)域）。激勵(lì)器發(fā)射低頻（15kHz～150kHz）激勵(lì)信息，當(dāng)安裝有半有源電子標(biāo)簽的槍支處于激勵(lì)器的有效激勵(lì)范圍內(nèi)，則被喚醒，而后采用2.4GHz載波發(fā)送槍支的ID和當(dāng)前的狀態(tài)信息給讀卡器，讀卡器收到后經(jīng)由RS485總線轉(zhuǎn)發(fā)給哨位監(jiān)管分機(jī)。每一路哨位監(jiān)管分機(jī)均會(huì)將本哨位附近的電子標(biāo)簽的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地傳輸給位于監(jiān)控中心的防區(qū)報(bào)警主機(jī)。若半有源電子標(biāo)簽超出監(jiān)控范圍，導(dǎo)致在規(guī)定時(shí)間內(nèi)其始終無法成功與讀卡器通信，則被視為槍支已離位（比如被盜搶），防區(qū)報(bào)警主機(jī)會(huì)因觸發(fā)報(bào)警事件而發(fā)生聲光報(bào)警信號(hào)［8～9］。

3 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

當(dāng)前的要害物品離位報(bào)警系統(tǒng)均不同程度地存在誤報(bào)率過高的問題。因此，穩(wěn)定性是離位報(bào)警系統(tǒng)要研究的首要技術(shù)問題。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該問題可通過如下技術(shù)途徑來解決：

1）激勵(lì)器采用LFMC（Low Frequency Magnetic Communication，低頻磁通信）技術(shù)；

2）半有源電子標(biāo)簽工作于雙頻通信模式；

3）2.4G通信的數(shù)據(jù)收發(fā)采用Enhanced Shock-Burst（增強(qiáng)型突發(fā)）機(jī)制。

3.1 激勵(lì)器設(shè)計(jì)

圖2 通電線圈的磁場(chǎng)

如圖2所示，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律易知，通電線圈軸線上距離其圓心o為x處的 p點(diǎn)的磁感性強(qiáng)度B的大小為

式（1）中w0為角頻率；N為線圈匝數(shù)；I為發(fā)射線圈電流；r為線圈半徑；x為點(diǎn) p距離原點(diǎn)o的大小。

在距離圓心o較遠(yuǎn)的位置處，即x?r時(shí)，

LFMC是依靠磁場(chǎng)來傳輸信息的，因此磁場(chǎng)的傳輸特性對(duì)通信性能有很大的影響。當(dāng)磁場(chǎng)在自由空間傳播時(shí)，從式（2）所示的磁感性強(qiáng)度的衰減特性來看，磁感性強(qiáng)度B按1 x3衰減?？梢岳眠@種特性在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的距離控制作用。

LFMC主要利用磁耦合技術(shù)，通過兩個(gè)低頻諧振回路來實(shí)現(xiàn)通信，它與RF（Radio Frequency，射頻）通信有著本質(zhì)上的差別。LFMC具有極佳的磁穿透能力，可以有限但精確地控制距離，從而起到良好的范圍限定作用。因此，能夠保證低頻激勵(lì)器和電子標(biāo)簽之間的通信穩(wěn)定可靠。另外，LFMC還具有低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)。

另外，需要注意的是，由于低頻信號(hào)的傳輸特性，低頻信號(hào)隨著傳輸距離衰減得很快。為提高低頻激勵(lì)器（低頻信號(hào)發(fā)射模塊）的傳輸范圍，可以適當(dāng)增加其發(fā)射功率。采取全橋驅(qū)動(dòng)是解決發(fā)射功率不足的一種手段，更重要的一點(diǎn)是可以通過全橋驅(qū)動(dòng)減少電路啟動(dòng)時(shí)間。因此，在本系統(tǒng)的低頻激勵(lì)器的設(shè)計(jì)中，利用PIC16F873A的PWM模塊來產(chǎn)生所需的諧振頻率，同時(shí)為提高激勵(lì)器單個(gè)發(fā)射模塊的傳輸范圍，在發(fā)射部分采用了TC4422全橋驅(qū)動(dòng)電路，這樣就有效解決了發(fā)射功率不足和電路啟動(dòng)時(shí)間較長的問題。

3.2 半有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

半有源電子標(biāo)簽是本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的核心，其主要包括低頻喚醒接收模塊［10～11］和高頻收發(fā)模塊，突出特點(diǎn)是體積小且功耗低。因此必須確保所選用芯片具有超低功耗且周邊電路簡單可靠。

低頻喚醒接收功能的實(shí)現(xiàn)核心是AMS公司的AS3933。AS3933的喚醒靈敏度達(dá)到80μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7μA。其典型應(yīng)用原理圖如圖3所示。

圖3 AS3933典型應(yīng)用原理圖

高頻收發(fā)模塊主要實(shí)現(xiàn)高頻通訊的數(shù)據(jù)收發(fā)［12～13］。 在 此 選 用 NORDIC 公 司 的 nRF24LE1 QFN32高頻收發(fā)芯片，大小僅為5mm×5mm。其內(nèi)部集成了一個(gè)加強(qiáng)型8051混合信號(hào)微控制器核、一個(gè)功能齊全的2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+，并且包含NORDIC公司經(jīng)過實(shí)用證明的Enhanced ShockBurst型硬件鏈接層。高頻收發(fā)模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 基于nRF24LE1的高頻收發(fā)模塊的原理圖

3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

由于哨位的執(zhí)勤槍支往往不止一個(gè)（標(biāo)配為雙人雙崗，敏感日期會(huì)更多），這就存在多個(gè)半有源電子標(biāo)簽與讀卡器同時(shí)通信的問題?？梢酝ㄟ^充分利用2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+的MultiCeiver（多通道數(shù)據(jù)收發(fā)）和Enhanced Shock-Burst（增強(qiáng)型突發(fā)）機(jī)制來解決。也就是開啟讀卡器內(nèi)nRF24L01+的多個(gè)Data Pipe（數(shù)據(jù)通道），匹配好各個(gè)PTX（半有源電子標(biāo)簽）與PRX（讀卡器）的收發(fā)地址，設(shè)定重發(fā)的次數(shù)和重發(fā)的間隔參數(shù)，而后所有的工作均由Enhanced Shock-Burst自動(dòng)完成而無需MCU（Micro Controller Unit，微控制單元）的干預(yù)，可以減少M(fèi)CU的相關(guān)操作，并提高數(shù)據(jù)收發(fā)的成功率［14］。2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+的多通道數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制如圖5所示。

圖5 2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+的多通道數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制

讀卡器內(nèi)收發(fā)模塊的主要電路如圖6所示。

圖6 讀卡器收發(fā)模塊的主要電路圖

3.4 其他還需要注意的問題

由于在部隊(duì)營區(qū)出入口附近埋設(shè)有地感線圈（用于車輛出入識(shí)別管理），工作頻率一般為50K～200K且不同廠家的產(chǎn)品頻率有較大差異，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)整激勵(lì)器所發(fā)射的低頻激勵(lì)信號(hào)的頻率，避免與地感線圈之間相互影響，從而獲得更好的穩(wěn)定性。

4 超低功耗設(shè)計(jì)

由于電子標(biāo)簽安裝在執(zhí)勤槍支上（如95式步槍的副品倉內(nèi)），利用紐扣電池供電。因此，其必須具有低功耗特性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可通過如下途徑來實(shí)現(xiàn)：

1）敷設(shè)在哨兵活動(dòng)范圍的幾個(gè)激勵(lì)器采取輪巡工作方式，即在規(guī)定的低頻通訊時(shí)間內(nèi)輪流切換工作。如每個(gè)激勵(lì)器（共5個(gè)）在1s內(nèi)輪流工作1/5s；

2）電子標(biāo)簽采用半有源工作方式，即平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)其處于激勵(lì)器的有效激勵(lì)范圍才被激活，然后經(jīng)由2.4G高頻與讀卡器通信［15］。這同時(shí)也克服了無源標(biāo)簽通信距離短、抗干擾能力差的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3）電子標(biāo)簽的功能電路基于超低功耗IC搭建。

半有源電子標(biāo)簽基于AS3933和nRF24LE1設(shè)計(jì)。其中，AS3933的喚醒靈敏度達(dá)到80μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7μA。nRF24LE1 QFN32內(nèi)部集成了一個(gè)加強(qiáng)型8051混合信號(hào)微控制器核和一個(gè)功能齊全的2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+。nRF24LE1具有極低的電流消耗。其主要電氣參數(shù)如表1所示。

表1 nRF24LE1主要電氣參數(shù)

為保證半有源電子標(biāo)簽的超低功耗特性，應(yīng)令其除了數(shù)據(jù)收發(fā)期間，其它時(shí)段均處于Power Down（掉電）模式。半有源電子標(biāo)簽的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 半有源電子標(biāo)簽的主程序流程圖

據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，半有源電子標(biāo)簽采用2個(gè)CR2032紐扣電池供電，其更換周期不低于12個(gè)月。

5 無線通信安全性設(shè)計(jì)

nRF24LE1的信道帶寬是1MHz，工作在2.400GHz～2.525GHz頻率范圍內(nèi)。哨位槍支往往處于一個(gè)較強(qiáng)干擾的環(huán)境中，而且由于槍支的高度敏感性，應(yīng)保證監(jiān)管系統(tǒng)中所使用的2.4G通信具有良好的安全性。因此，必須考慮其他工作在2.4GHz頻段設(shè)備對(duì)哨位槍支的干擾問題，確保nRF24LE1始終具有良好的通信性能。

2.4GHz ISM頻段是全球開放頻段，工作在2.4GHz頻段的無線設(shè)備的頻道使用情況主要分為兩種：一種是頻率分布相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)如無線局域網(wǎng)（W-LAN）以及惡意同頻干擾；另一種是跳頻系統(tǒng)如藍(lán)牙。

nRF24LE1的無線通信頻率由RF_CH寄存器的值確定，可由以下公式計(jì)算得出：

通過改變頻率，能實(shí)現(xiàn)跳頻功能。

經(jīng)研究，nRF24LE1應(yīng)遵循如下的跳頻規(guī)則：

1）監(jiān)測(cè)到當(dāng)前信道受到了持續(xù)干擾；

2）跳轉(zhuǎn)到該干擾源的干擾概率較小的信道；

3）如果干擾來自其他跳頻系統(tǒng)，則不進(jìn)行跳頻。

因此，nRF24LE1面對(duì)的主要干擾為W-LAN和惡意同頻干擾。W-LAN的信道帶寬為22MHz，可以用如下公式設(shè)置跳頻表：

其中，i=1，2，3；j=1，2，3，4，5。

這樣，編寫如下的一個(gè)跳頻表（本質(zhì)就是一個(gè)數(shù)組）就可從軟件上實(shí)現(xiàn)跳頻：

更換頻率就是將如上數(shù)組中的每個(gè)值作為一個(gè)頻道，通過迅速地改變這些值來實(shí)現(xiàn)跳頻通信，從而消除了其他工作在2.4GHz頻段設(shè)備對(duì)哨位槍支的干擾問題，保證了nRF24LE1通信的安全性。

6 試驗(yàn)結(jié)果

將哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)置于不同的測(cè)試環(huán)境并做72小時(shí)穩(wěn)定性考核來模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

目前，該哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)作為安全防范系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)已成功應(yīng)用于XXX基地?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有超低功耗、通信安全性好和性價(jià)比高的特點(diǎn)，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求［16］。

表2 不同測(cè)試環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)語

要害物品離位報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中涉及到了多種關(guān)鍵技術(shù)，如穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、超低功耗設(shè)計(jì)和無線通信安全性設(shè)計(jì)等。在開發(fā)XXX基地的哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)中，本文提出了上述關(guān)鍵技術(shù)的可行性解決方案。72小時(shí)穩(wěn)定性考核結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)具體應(yīng)用效果表明：哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、功耗小、誤報(bào)率低，滿足了各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

本文提出的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則、超低功耗設(shè)計(jì)原則和無線通信安全性設(shè)計(jì)原則具有良好的指導(dǎo)性和可移植性，可廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的要害物品離位報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)。