陈杰睿 彭晓钧 蔡如桦

（1.华中师范大学第一附属中学 武汉 430223）（2.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）

1 引言

某些要害物品，如金融、国防军工、军警等部门的敏感设备，往往被要求固定在某个位置或者只能在某个区域内移动，若超出所限定的范围，则被视为“异常”情况，应发出声光报警，提醒保卫人员处理。

当前的要害物品离位报警系统所使用的技术手段包括：

1）WiFi、蓝牙技术：主要缺点为功耗高；安全性低［1～2］。

2）GSM技术：主要缺点为功耗高；使用时会产生费用［3］。

3）ZigBee技术：该技术的主要特点是自组网功能，但要害物品之间不需要组网。另外，该技术还存在技术复杂和成本高的缺点［4～5］。

4）RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术：包括无源标签（被动标签）和有源标签。它们均工作在单一频段。无源标签的作用距离过短，只有在5cm～30cm左右；有源标签始终主动发出信号，功耗过高。

5）UWB（Ultra Wideband，超宽带）技术：主要缺点为技术过于复杂，成本高昂［6～7］。

针对当前严峻的反恐形势，根据XXX基地的实际应用需求，为防止执勤枪支被抢、哨兵被袭击和哨兵携枪逃离部队等情况的发生，有必要对部队营区内哨位的执勤枪支进行实时监测和管理。当发生紧急情况时，警卫人员就可以从容应对，从而实现及时、准确、多方位、多功能的报警效果。因此，需要综合研究当前要害物品离位报警技术的优缺点，研制一款误报率低、微功耗、通信安全性高的哨位枪支监管系统。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

“哨位枪支监管系统”组成框图如图1所示。主要包括激励器、半有源电子标签、读卡器、哨位监管分机和防区报警主机。

图1 哨位枪支监管系统组成框图

2.2 系统工作原理

激励器布设在哨位附近，其激励范围完全覆盖携带枪支的哨兵的活动范围（约5m×15m的区域）。激励器发射低频（15kHz～150kHz）激励信息，当安装有半有源电子标签的枪支处于激励器的有效激励范围内，则被唤醒，而后采用2.4GHz载波发送枪支的ID和当前的状态信息给读卡器，读卡器收到后经由RS485总线转发给哨位监管分机。每一路哨位监管分机均会将本哨位附近的电子标签的状态信息实时地传输给位于监控中心的防区报警主机。若半有源电子标签超出监控范围，导致在规定时间内其始终无法成功与读卡器通信，则被视为枪支已离位（比如被盗抢），防区报警主机会因触发报警事件而发生声光报警信号［8～9］。

3 稳定性设计

当前的要害物品离位报警系统均不同程度地存在误报率过高的问题。因此，稳定性是离位报警系统要研究的首要技术问题。

经实验验证，该问题可通过如下技术途径来解决：

1）激励器采用LFMC（Low Frequency Magnetic Communication，低频磁通信）技术；

2）半有源电子标签工作于双频通信模式；

3）2.4G通信的数据收发采用Enhanced Shock-Burst（增强型突发）机制。

3.1 激励器设计

图2 通电线圈的磁场

如图2所示，根据毕奥-萨伐尔定律易知，通电线圈轴线上距离其圆心o为x处的 p点的磁感性强度B的大小为

式（1）中w0为角频率；N为线圈匝数；I为发射线圈电流；r为线圈半径；x为点 p距离原点o的大小。

在距离圆心o较远的位置处，即x≫r时，

LFMC是依靠磁场来传输信息的，因此磁场的传输特性对通信性能有很大的影响。当磁场在自由空间传播时，从式（2）所示的磁感性强度的衰减特性来看，磁感性强度B按1 x3衰减。可以利用这种特性在有限范围内实现良好的距离控制作用。

LFMC主要利用磁耦合技术，通过两个低频谐振回路来实现通信，它与RF（Radio Frequency，射频）通信有着本质上的差别。LFMC具有极佳的磁穿透能力，可以有限但精确地控制距离，从而起到良好的范围限定作用。因此，能够保证低频激励器和电子标签之间的通信稳定可靠。另外，LFMC还具有低功耗和低成本的优点。

另外，需要注意的是，由于低频信号的传输特性，低频信号随着传输距离衰减得很快。为提高低频激励器（低频信号发射模块）的传输范围，可以适当增加其发射功率。采取全桥驱动是解决发射功率不足的一种手段，更重要的一点是可以通过全桥驱动减少电路启动时间。因此，在本系统的低频激励器的设计中，利用PIC16F873A的PWM模块来产生所需的谐振频率，同时为提高激励器单个发射模块的传输范围，在发射部分采用了TC4422全桥驱动电路，这样就有效解决了发射功率不足和电路启动时间较长的问题。

3.2 半有源电子标签设计

半有源电子标签是本系统硬件电路设计的核心，其主要包括低频唤醒接收模块［10～11］和高频收发模块，突出特点是体积小且功耗低。因此必须确保所选用芯片具有超低功耗且周边电路简单可靠。

低频唤醒接收功能的实现核心是AMS公司的AS3933。AS3933的唤醒灵敏度达到80μVRMS，3通道低功耗侦听模式功耗最低仅有1.7μA。其典型应用原理图如图3所示。

图3 AS3933典型应用原理图

高频收发模块主要实现高频通讯的数据收发［12～13］。 在 此 选 用 NORDIC 公 司 的 nRF24LE1 QFN32高频收发芯片，大小仅为5mm×5mm。其内部集成了一个加强型8051混合信号微控制器核、一个功能齐全的2.4GHz收发器核nRF24L01+，并且包含NORDIC公司经过实用证明的Enhanced ShockBurst型硬件链接层。高频收发模块的原理图如图4所示。

图4 基于nRF24LE1的高频收发模块的原理图

3.3 数据收发稳定性设计

由于哨位的执勤枪支往往不止一个（标配为双人双岗，敏感日期会更多），这就存在多个半有源电子标签与读卡器同时通信的问题。可以通过充分利用2.4GHz收发器核nRF24L01+的MultiCeiver（多通道数据收发）和Enhanced Shock-Burst（增强型突发）机制来解决。也就是开启读卡器内nRF24L01+的多个Data Pipe（数据通道），匹配好各个PTX（半有源电子标签）与PRX（读卡器）的收发地址，设定重发的次数和重发的间隔参数，而后所有的工作均由Enhanced Shock-Burst自动完成而无需MCU（Micro Controller Unit，微控制单元）的干预，可以减少MCU的相关操作，并提高数据收发的成功率［14］。2.4GHz收发器核nRF24L01+的多通道数据收发机制如图5所示。

图5 2.4GHz收发器核nRF24L01+的多通道数据收发机制

读卡器内收发模块的主要电路如图6所示。

图6 读卡器收发模块的主要电路图

3.4 其他还需要注意的问题

由于在部队营区出入口附近埋设有地感线圈（用于车辆出入识别管理），工作频率一般为50K～200K且不同厂家的产品频率有较大差异，应根据现场的实际情况调整激励器所发射的低频激励信号的频率，避免与地感线圈之间相互影响，从而获得更好的稳定性。

4 超低功耗设计

由于电子标签安装在执勤枪支上（如95式步枪的副品仓内），利用纽扣电池供电。因此，其必须具有低功耗特性。经实验验证，可通过如下途径来实现：

1）敷设在哨兵活动范围的几个激励器采取轮巡工作方式，即在规定的低频通讯时间内轮流切换工作。如每个激励器（共5个）在1s内轮流工作1/5s；

2）电子标签采用半有源工作方式，即平时处于睡眠状态，当其处于激励器的有效激励范围才被激活，然后经由2.4G高频与读卡器通信［15］。这同时也克服了无源标签通信距离短、抗干扰能力差的缺点，提高了系统的稳定性；

3）电子标签的功能电路基于超低功耗IC搭建。

半有源电子标签基于AS3933和nRF24LE1设计。其中，AS3933的唤醒灵敏度达到80μVRMS，3通道低功耗侦听模式功耗最低仅有1.7μA。nRF24LE1 QFN32内部集成了一个加强型8051混合信号微控制器核和一个功能齐全的2.4GHz收发器核nRF24L01+。nRF24LE1具有极低的电流消耗。其主要电气参数如表1所示。

表1 nRF24LE1主要电气参数

为保证半有源电子标签的超低功耗特性，应令其除了数据收发期间，其它时段均处于Power Down（掉电）模式。半有源电子标签的主程序流程图如图7所示。

图7 半有源电子标签的主程序流程图

据实验验证，半有源电子标签采用2个CR2032纽扣电池供电，其更换周期不低于12个月。

5 无线通信安全性设计

nRF24LE1的信道带宽是1MHz，工作在2.400GHz～2.525GHz频率范围内。哨位枪支往往处于一个较强干扰的环境中，而且由于枪支的高度敏感性，应保证监管系统中所使用的2.4G通信具有良好的安全性。因此，必须考虑其他工作在2.4GHz频段设备对哨位枪支的干扰问题，确保nRF24LE1始终具有良好的通信性能。

2.4GHz ISM频段是全球开放频段，工作在2.4GHz频段的无线设备的频道使用情况主要分为两种：一种是频率分布相对稳定的系统如无线局域网（W-LAN）以及恶意同频干扰；另一种是跳频系统如蓝牙。

nRF24LE1的无线通信频率由RF_CH寄存器的值确定，可由以下公式计算得出：

通过改变频率，能实现跳频功能。

经研究，nRF24LE1应遵循如下的跳频规则：

1）监测到当前信道受到了持续干扰；

2）跳转到该干扰源的干扰概率较小的信道；

3）如果干扰来自其他跳频系统，则不进行跳频。

因此，nRF24LE1面对的主要干扰为W-LAN和恶意同频干扰。W-LAN的信道带宽为22MHz，可以用如下公式设置跳频表：

其中，i=1，2，3；j=1，2，3，4，5。

这样，编写如下的一个跳频表（本质就是一个数组）就可从软件上实现跳频：

更换频率就是将如上数组中的每个值作为一个频道，通过迅速地改变这些值来实现跳频通信，从而消除了其他工作在2.4GHz频段设备对哨位枪支的干扰问题，保证了nRF24LE1通信的安全性。

6 试验结果

将哨位枪支监管系统置于不同的测试环境并做72小时稳定性考核来模拟现场工况，试验结果如表2所示。

目前，该哨位枪支监管系统作为安全防范系统的一个子系统已成功应用于XXX基地。现场应用结果表明：整个系统工作稳定可靠，具有超低功耗、通信安全性好和性价比高的特点，满足各项设计要求［16］。

表2 不同测试环境下的实验结果

7 结语

要害物品离位报警系统应用广泛，其中涉及到了多种关键技术，如稳定性设计、超低功耗设计和无线通信安全性设计等。在开发XXX基地的哨位枪支监管系统中，本文提出了上述关键技术的可行性解决方案。72小时稳定性考核结果和现场具体应用效果表明：哨位枪支监管系统工作稳定可靠、功耗小、误报率低，满足了各项设计要求。

本文提出的稳定性设计原则、超低功耗设计原则和无线通信安全性设计原则具有良好的指导性和可移植性，可广泛应用于不同领域的要害物品离位报警系统的开发。