GPRS/RFID技術(shù)在巡更系統(tǒng)中的應(yīng)用

柳衛(wèi)林，官洪運(yùn)，張 穎，白文江

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

現(xiàn)代化的大型園區(qū)需要一個(gè)安全、高效的辦公環(huán)境，隨著企業(yè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，怎樣更好地加強(qiáng)園區(qū)內(nèi)部安全管理，已成為困擾每一個(gè)園區(qū)管理者的問題，而加強(qiáng)保安的管理是確保園區(qū)安全的第一要?jiǎng)?wù)。因此保安巡更監(jiān)察系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，用于對(duì)保安員的巡更點(diǎn)、巡更路線、到達(dá)時(shí)間和巡更班次等信息進(jìn)行管理與分配。傳統(tǒng)簽名簿的巡更簽到形式容易出現(xiàn)冒簽或補(bǔ)簽的問題。在查核簽到時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)于失盜、失職分析難度較大。采用巡更手機(jī)的脫機(jī)式巡更方式，無法實(shí)時(shí)監(jiān)控巡更情況，而且需要配備專門的巡更手機(jī)設(shè)備?？紤]到保安人員工作環(huán)境復(fù)雜和人員素質(zhì)參差不齊，巡更手機(jī)易造成人為損壞，維護(hù)起來工作量大。本文介紹了一種新型的實(shí)時(shí)在線巡更系統(tǒng)，該系統(tǒng)使巡更管理更為科學(xué)、方便，對(duì)監(jiān)督巡更人員，保障園區(qū)安全起到極其重要的作用。在實(shí)際使用時(shí)，由巡更員隨身攜帶一張智能卡，按事先設(shè)定好的巡更線路巡查保護(hù)區(qū)域，在指定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)巡更點(diǎn)，當(dāng)巡更員經(jīng)過事先設(shè)定的巡更點(diǎn)時(shí)，巡更機(jī)自動(dòng)識(shí)別并讀取保安身上的智能卡信息，由巡更機(jī)通過GPRS將保安ID、到達(dá)時(shí)間等工作記錄信息發(fā)送到總監(jiān)控室，管理人員在中心電腦上可以及時(shí)看到巡更員巡邏情況，從而實(shí)現(xiàn)在線巡更管理功能。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)傳統(tǒng)接觸式IC卡，工作時(shí)需要與讀寫終端觸點(diǎn)接觸，存在易磨損、并行多人刷卡困難等不足。而基于無線射頻技術(shù)非接觸式智能卡具有無接觸、可并行處理、與接觸式相比可節(jié)省70%～90%的時(shí)間[1]。

(2)采用非接觸式智能卡，巡更員提交出勤信息更加方便，讀卡器自動(dòng)識(shí)別出電子標(biāo)簽信息，解決了巡更棒方式必須與信息采集點(diǎn)準(zhǔn)確接觸才能采集信息的缺點(diǎn)。

(3)采用無線方式傳輸信息，解決了傳統(tǒng)的采用RS485、CAN總線的有線方式中存在的網(wǎng)絡(luò)施工布線工作量大、線路易受破壞、線路損壞后故障點(diǎn)不易查找等缺點(diǎn)。

(4)GPRS的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面很廣，確保了大型園區(qū)的可用性，解決了RS485、CAN總線通信方式受距離限制的問題。

(5)使用熱紅外感應(yīng)式傳感器，在巡更人員經(jīng)過的時(shí)候，傳感器感受到人體紅外光譜變化，通過中斷喚醒巡更機(jī)，這樣既避免能源浪費(fèi)，又增加巡更機(jī)的使用年限。

(6)巡更人員和巡更機(jī)統(tǒng)一由控制室管理，便于人員調(diào)配和巡更機(jī)的管理維護(hù)，當(dāng)有巡更員漏崗，或終端機(jī)故障，都可以第一時(shí)間通知控制室。

1.2 系統(tǒng)組成

實(shí)時(shí)在線巡更系統(tǒng)由GPRS模塊、巡更機(jī)終端、非接觸式IC卡、上位機(jī)巡更管理軟件等構(gòu)成。GPRS模塊的組網(wǎng)方式一般有公網(wǎng)靜態(tài)IP方案、動(dòng)態(tài)域名解析方案、SMS通信方案、APN專線接入方案?？紤]系統(tǒng)的安全性，本應(yīng)用采用APN專線接入移動(dòng)公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)，中心采用APN專線，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)網(wǎng)固定IP，該方案監(jiān)控中心通過1條2 M APN專線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為監(jiān)控中心分配專用的APN，普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監(jiān)控點(diǎn)及中心分配移動(dòng)內(nèi)部固定IP。巡更機(jī)和監(jiān)控中心之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。此種方案無論在實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性方面較前3種方案都有很大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。非接觸式IC卡存儲(chǔ)巡更員的信息，巡更機(jī)終端負(fù)責(zé)采集巡更員信息，巡更機(jī)通過GPRS模塊將采集到的信息發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心上位機(jī)存取各個(gè)巡更點(diǎn)巡更機(jī)采集來的信息，進(jìn)行分類存儲(chǔ)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)在線巡更系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.3 系統(tǒng)工作原理

由監(jiān)控中心給各個(gè)巡更機(jī)發(fā)送命令，通過終端機(jī)返回的信息就可以確定巡更機(jī)是否工作正常。當(dāng)巡更員經(jīng)過巡更機(jī)時(shí)，巡更機(jī)通過讀取巡更員的IC卡信息，將巡更員工號(hào)等信息發(fā)回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將工號(hào)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，確定巡更員的身份，同時(shí)將巡更機(jī)送來的一些輔助信息(如巡更員的位置、巡更時(shí)間、巡更點(diǎn)的治安狀況等)同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫，這樣系統(tǒng)可以對(duì)巡更工作進(jìn)行監(jiān)督。如果當(dāng)班巡查人員沒有在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)按指定的巡更路線依次逐點(diǎn)到崗，系統(tǒng)會(huì)將該情況及時(shí)地反映給監(jiān)控室值班人員，同時(shí)巡更機(jī)端的傳感器也會(huì)將本地的安全狀況實(shí)時(shí)提供給監(jiān)控中心。

2 終端巡更機(jī)硬件設(shè)計(jì)

巡更機(jī)的硬件部分主要由處理器、GPRS模塊、紅外傳感器等組成。處理器采用STC12C5410AD，這是一款增強(qiáng)型8051內(nèi)核的單片機(jī)，有多種封裝形式，比普通8051核單片機(jī)快8～12倍，硬件看門狗，具有1個(gè)全雙工異步串行通信口，1個(gè)高速 SPI通信端口，10位 ADC，8通道且價(jià)格便宜，特別適合小型嵌入式終端使用。GPRS模塊采用BENQ 22，此模塊是臺(tái)灣明基公司GSM/GPRS模塊產(chǎn)品系列的主導(dǎo)產(chǎn)品，該模塊為帶TCP/IP協(xié)議的900/1 800/1 900三頻段工業(yè)模塊，主要用于無線公話、車載系統(tǒng)、監(jiān)控、防盜系統(tǒng)。由于該模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，這大大降低了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)硬件和軟件的要求。BENG22模塊的工作電壓為3.2 V～4.2 V，通話時(shí)最小功耗為230 mA最大為260 mA，待機(jī)時(shí)功耗小于6 mA；支持3 V的SIM卡，支持語音、短信息、傳真功能，支持GSM和GPRS 2種模式。讀卡器中MF RC522是Philips公司最新推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片，它是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達(dá)424 Kb/s，具有3種主機(jī)接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式。本設(shè)計(jì)采用 SPI模式進(jìn)行讀卡器與單片機(jī)通信。巡更機(jī)硬件框圖如圖2所示。

3 終端巡更機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括單片機(jī)與GPRS模塊的通信，以及讀卡器讀取數(shù)據(jù)給單片機(jī)兩大部分。

在系統(tǒng)初始化完成后，應(yīng)用程序?qū)ν鈬娐钒l(fā)出的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、識(shí)別、處理?？紤]事件的多發(fā)，不定時(shí)的特性，本應(yīng)用將μC/OS II操作系統(tǒng)移植到軟件系統(tǒng)上，采用該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。監(jiān)控系統(tǒng)大多都是后臺(tái)程序，系統(tǒng)運(yùn)行起來就開始進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)有信號(hào)觸發(fā)時(shí)則進(jìn)行相應(yīng)的服務(wù)進(jìn)程，例如，巡更人員到崗，周圍環(huán)境突發(fā)警情等。軟件流程圖如圖3所示。

圖2 巡更機(jī)硬件框圖

3.1 GPRS模塊的軟件設(shè)計(jì)

GPRS與單片機(jī)通信的關(guān)鍵部分是該模塊的初始化，初始化完成后，單片機(jī)向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，步驟如下：

(1)運(yùn)用命令A(yù)T+IPR=9 600(默認(rèn))設(shè)置波特率，可自由用此命令切換通信速率。支持掉電保存，因此只需要設(shè)1次，不需要每次開機(jī)重設(shè)。

(2)運(yùn)用命令 AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)。

(3)運(yùn)用命令A(yù)T+CGCLASS=“B”設(shè)置移動(dòng)終端的類別為B類，即同時(shí)監(jiān)控多種業(yè)務(wù)，但只能運(yùn)行1種業(yè)務(wù)。

(4)運(yùn)用命令A(yù)T+CGACT=1，1命令激活 GPRS功能，如果返回OK，則 GPRS連接成功；如果返回 ERROR則意味著GPRS失敗。

(5)運(yùn)用命令 AT+CIPSTART=“TCP”，“客戶端 IP”，“端口號(hào)”來連接客戶端服務(wù)器。

(6)AT%CGPC0=1，“PAP”，1(PAP 驗(yàn)證，默認(rèn)的用戶名和密碼)AT$DESTINFO=“XXXX.XXXX.XXXX.XXXX”，1，1234這1條指令中XXXX.XXXX.XXXX.XXXX指的是遠(yuǎn)端的1個(gè)IP地址，這個(gè)IP地址必須是正確的，1234指的是端口號(hào)，這個(gè)端口號(hào)是遠(yuǎn)端的接收程序默認(rèn)或者設(shè)定的端口號(hào)。這里設(shè)定的端口號(hào)必須要和遠(yuǎn)端接收程序的端口號(hào)一致。

通過上面的初始化，單片機(jī)讀取的讀卡器信息就可以通過GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將巡更員的信息發(fā)到監(jiān)控中心[2]。

3.2 讀卡器軟件設(shè)計(jì)

讀卡器軟件設(shè)計(jì)是單片機(jī)控制MF RC522對(duì)MIFARE卡的操作，包括主控程序、PIC單片機(jī)初始化、讀卡器核心模塊RC522初始化、RC522讀寫子程序、防沖突子程序和數(shù)據(jù)塊操作子程序等[3]。

單片機(jī)與MIFARE卡進(jìn)行通信是通過天線發(fā)送協(xié)議IS014443A所規(guī)定的指令代碼和數(shù)據(jù)格式來實(shí)現(xiàn)的。例如向卡片發(fā)送數(shù)據(jù)是通過向讀卡器核心模塊RC522內(nèi)的FIFOData寄存器寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)，Command寄存器裝入命令 Transceive的代碼 0x1e，RC522就會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，卡中返回?cái)?shù)據(jù)則存放在FIFOData寄存器中，由單片機(jī)讀取后寫入串口通過GPRS發(fā)送到控制中心。讀卡器對(duì)MIFARE卡片的操作流程如圖4所示[4]。

圖3 巡更機(jī)軟件流程圖

圖4 MIFARE卡初始化流程圖

(1)復(fù)位應(yīng)答操作通知 MF RC500有效工作范圍(距離)內(nèi)尋找MIFARE卡片。

(2)如果多余1張的MIFARE卡片在讀卡器天線的有效工作范圍(距離)內(nèi)，必須執(zhí)行防重疊操作，返回 1張卡片的序列號(hào)，作為本次操作的對(duì)象，而其他卡片處于等待狀態(tài)。

(3)在成功執(zhí)行防重疊操作之后或在任何時(shí)候，當(dāng)程序員想與己知序列號(hào)的卡片進(jìn)行通信時(shí)，必須執(zhí)行選擇卡片操作，以建立與所選卡片的通信，同時(shí)返回該卡片的字節(jié)數(shù)。

(4)為保證對(duì)卡片操作的合法性，在對(duì)卡片操作前必須在卡片和讀卡器之間進(jìn)行認(rèn)證操作。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件采用VC 6.0實(shí)現(xiàn)，主要作用是監(jiān)控各個(gè)巡更機(jī)信息，并通過GPRS數(shù)據(jù)鏈路給各個(gè)巡更機(jī)發(fā)送命令。本系統(tǒng)不屬于重點(diǎn)討論對(duì)象，只簡要概述。

通過具體分析小區(qū)的物業(yè)管理特征，針對(duì)現(xiàn)有巡更機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了一種新式的在線式巡更管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)巡更信息采集的網(wǎng)絡(luò)化、無線化。采用非接觸式IC卡操作及信息獲取簡便，極大地提高了社區(qū)管理效能和辦公工作效率。采用GPRS業(yè)務(wù)作為數(shù)據(jù)傳輸載體，使得系統(tǒng)安裝簡便，調(diào)試維護(hù)較容易，性能價(jià)格比好。同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、易于擴(kuò)充連接，有極好的靈活性，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]FLAIG J， HAMANN U， WEITZEL J.Memory IC with contactless interface， CombiCard IC： Great prospects for smart cards[J].Comon.Siemens AG， Mnnich， Germany： 1996(315)：34-37.

[2]鐘章隊(duì)，蔣文怡，李紅君.GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]何立民.MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[4]孫明星.智能卡技術(shù)在物流園區(qū)車輛管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].北京：北京理工大學(xué)，2006.