陳杰睿 彭曉鈞 蔡如樺

（1.華中師范大學第一附屬中學 武漢 430223）（2.武漢第二船舶設計研究所 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備，往往被要求固定在某個位置或者只能在某個區(qū)域內移動，若超出所限定的范圍，則被視為“異常”情況，應發(fā)出聲光報警，提醒保衛(wèi)人員處理。

當前的要害物品離位報警系統(tǒng)所使用的技術手段包括：

1）WiFi、藍牙技術：主要缺點為功耗高；安全性低［1～2］。

2）GSM技術：主要缺點為功耗高；使用時會產生費用［3］。

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

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

5）UWB（Ultra Wideband，超寬帶）技術：主要缺點為技術過于復雜，成本高昂［6～7］。

針對當前嚴峻的反恐形勢，根據(jù)XXX基地的實際應用需求，為防止執(zhí)勤槍支被搶、哨兵被襲擊和哨兵攜槍逃離部隊等情況的發(fā)生，有必要對部隊營區(qū)內哨位的執(zhí)勤槍支進行實時監(jiān)測和管理。當發(fā)生緊急情況時，警衛(wèi)人員就可以從容應對，從而實現(xiàn)及時、準確、多方位、多功能的報警效果。因此，需要綜合研究當前要害物品離位報警技術的優(yōu)缺點，研制一款誤報率低、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。主要包括激勵器、半有源電子標簽、讀卡器、哨位監(jiān)管分機和防區(qū)報警主機。

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

激勵器布設在哨位附近，其激勵范圍完全覆蓋攜帶槍支的哨兵的活動范圍（約5m×15m的區(qū)域）。激勵器發(fā)射低頻（15kHz～150kHz）激勵信息，當安裝有半有源電子標簽的槍支處于激勵器的有效激勵范圍內，則被喚醒，而后采用2.4GHz載波發(fā)送槍支的ID和當前的狀態(tài)信息給讀卡器，讀卡器收到后經由RS485總線轉發(fā)給哨位監(jiān)管分機。每一路哨位監(jiān)管分機均會將本哨位附近的電子標簽的狀態(tài)信息實時地傳輸給位于監(jiān)控中心的防區(qū)報警主機。若半有源電子標簽超出監(jiān)控范圍，導致在規(guī)定時間內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)報警主機會因觸發(fā)報警事件而發(fā)生聲光報警信號［8～9］。

3 穩(wěn)定性設計

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

經實驗驗證，該問題可通過如下技術途徑來解決：

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

2）半有源電子標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（增強型突發(fā)）機制。

3.1 激勵器設計

圖2 通電線圈的磁場

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點的磁感性強度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 p距離原點o的大小。

在距離圓心o較遠的位置處，即x?r時，

LFMC是依靠磁場來傳輸信息的，因此磁場的傳輸特性對通信性能有很大的影響。當磁場在自由空間傳播時，從式（2）所示的磁感性強度的衰減特性來看，磁感性強度B按1 x3衰減。可以利用這種特性在有限范圍內實現(xiàn)良好的距離控制作用。

LFMC主要利用磁耦合技術，通過兩個低頻諧振回路來實現(xiàn)通信，它與RF（Radio Frequency，射頻）通信有著本質上的差別。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，能夠保證低頻激勵器和電子標簽之間的通信穩(wěn)定可靠。另外，LFMC還具有低功耗和低成本的優(yōu)點。

另外，需要注意的是，由于低頻信號的傳輸特性，低頻信號隨著傳輸距離衰減得很快。為提高低頻激勵器（低頻信號發(fā)射模塊）的傳輸范圍，可以適當增加其發(fā)射功率。采取全橋驅動是解決發(fā)射功率不足的一種手段，更重要的一點是可以通過全橋驅動減少電路啟動時間。因此，在本系統(tǒng)的低頻激勵器的設計中，利用PIC16F873A的PWM模塊來產生所需的諧振頻率，同時為提高激勵器單個發(fā)射模塊的傳輸范圍，在發(fā)射部分采用了TC4422全橋驅動電路，這樣就有效解決了發(fā)射功率不足和電路啟動時間較長的問題。

3.2 半有源電子標簽設計

半有源電子標簽是本系統(tǒng)硬件電路設計的核心，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現(xiàn)核心是AMS公司的AS3933。AS3933的喚醒靈敏度達到80μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7μA。其典型應用原理圖如圖3所示。

圖3 AS3933典型應用原理圖

高頻收發(fā)模塊主要實現(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。其內部集成了一個加強型8051混合信號微控制器核、一個功能齊全的2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+，并且包含NORDIC公司經過實用證明的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)定性設計

由于哨位的執(zhí)勤槍支往往不止一個（標配為雙人雙崗，敏感日期會更多），這就存在多個半有源電子標簽與讀卡器同時通信的問題?？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（增強型突發(fā)）機制來解決。也就是開啟讀卡器內nRF24L01+的多個Data Pipe（數(shù)據(jù)通道），匹配好各個PTX（半有源電子標簽）與PRX（讀卡器）的收發(fā)地址，設定重發(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自動完成而無需MCU（Micro Controller Unit，微控制單元）的干預，可以減少MCU的相關操作，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)機制

讀卡器內收發(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

由于在部隊營區(qū)出入口附近埋設有地感線圈（用于車輛出入識別管理），工作頻率一般為50K～200K且不同廠家的產品頻率有較大差異，應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況調整激勵器所發(fā)射的低頻激勵信號的頻率，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 超低功耗設計

由于電子標簽安裝在執(zhí)勤槍支上（如95式步槍的副品倉內），利用紐扣電池供電。因此，其必須具有低功耗特性。經實驗驗證，可通過如下途徑來實現(xiàn)：

1）敷設在哨兵活動范圍的幾個激勵器采取輪巡工作方式，即在規(guī)定的低頻通訊時間內輪流切換工作。如每個激勵器（共5個）在1s內輪流工作1/5s；

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

3）電子標簽的功能電路基于超低功耗IC搭建。

半有源電子標簽基于AS3933和nRF24LE1設計。其中，AS3933的喚醒靈敏度達到80μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7μA。nRF24LE1 QFN32內部集成了一個加強型8051混合信號微控制器核和一個功能齊全的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簽的超低功耗特性，應令其除了數(shù)據(jù)收發(fā)期間，其它時段均處于Power Down（掉電）模式。半有源電子標簽的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 半有源電子標簽的主程序流程圖

據(jù)實驗驗證，半有源電子標簽采用2個CR2032紐扣電池供電，其更換周期不低于12個月。

5 無線通信安全性設計

nRF24LE1的信道帶寬是1MHz，工作在2.400GHz～2.525GHz頻率范圍內。哨位槍支往往處于一個較強干擾的環(huán)境中，而且由于槍支的高度敏感性，應保證監(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頻段設備對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頻段的無線設備的頻道使用情況主要分為兩種：一種是頻率分布相對穩(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，可由以下公式計算得出：

通過改變頻率，能實現(xiàn)跳頻功能。

經研究，nRF24LE1應遵循如下的跳頻規(guī)則：

1）監(jiān)測到當前信道受到了持續(xù)干擾；

2）跳轉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)，則不進行跳頻。

因此，nRF24LE1面對的主要干擾為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，編寫如下的一個跳頻表（本質就是一個數(shù)組）就可從軟件上實現(xiàn)跳頻：

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

6 試驗結果

將哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)置于不同的測試環(huán)境并做72小時穩(wěn)定性考核來模擬現(xiàn)場工況，試驗結果如表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)的一個子系統(tǒng)已成功應用于XXX基地。現(xiàn)場應用結果表明：整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有超低功耗、通信安全性好和性價比高的特點，滿足各項設計要求［16］。

表2 不同測試環(huán)境下的實驗結果

7 結語

要害物品離位報警系統(tǒng)應用廣泛，其中涉及到了多種關鍵技術，如穩(wěn)定性設計、超低功耗設計和無線通信安全性設計等。在開發(fā)XXX基地的哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)中，本文提出了上述關鍵技術的可行性解決方案。72小時穩(wěn)定性考核結果和現(xiàn)場具體應用效果表明：哨位槍支監(jiān)管系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、功耗小、誤報率低，滿足了各項設計要求。

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