海关物流监控系统的电子关锁设计

海关物流监控系统的电子关锁设计 武汉理工大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 海关物流监控系统的电子关锁设计 姓名:陈实武 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 导教师:黎洪生 20060401 ABSTRACT 武汉理工大学硕士学位论文 With the development of Chinese economy and the increasing of Chinese international trade, The quantity of cargoes going through Customs ports is increasing. Under the instruction of the "Going through customs greatly" strategic concept brought forward by the State Council, the Customs authority has explored many new working modes, such as "going through Customs formalities at nearby ports” and "establishing green way between the logistics center and the Customs ports”. These working modes facilitate the handling of Customs formalities, fasten the moving speed of the cargoes on Customs ports, at the same time, they set a higher request to the Customs logistics monitoring and controlling system. Taking the monitoring and controlling system as the background, this paper launches the research on a king of smart electronic lock, which is designed by the combination of satellite positioning technology> wireless communication technology、embedded software technology and some information security strategies. Main research achievements is as bellows: According to the design needs of the electronic lock, the overall technical blue print is studied. The GPS technology、GSM/GPRS technology and RFID technology is integrated in the electronic lock, so it has the function of accurately positioning、 remote real-time data transferring and rapid identification. The hardware system of the electronic lock is realized by Uking the embedded microprocessor ARM as the core. The development and design of electronic lock hardware platform, Motor-driven circuit、memory interface circuit、positioning and communication interface module have been finished. The software design of the electronic lock has been finished. Considering the specific application background of the electronic lock, the overall idea of the software design was raised, the communication protocols of the application layer were designed. Using the idea of multi-thread、message queue ^ semaphore of the embedded multi-task operating system, the data collection、data communicationv data storage and command processing software function has been finished. The research on the information security of the electronic lock has been done. An encryption algorithm fit for the hardware and software condition of the electronic lock has been chosen considering security level and the Calculation speed. By analyzing 武汉理工大学硕士学位论文 the security mechanisms of the GSM network, an information security strategy that combines the Encryption algorithm and security mechanisms of the GSM network has been raised. The ability of resisting attacks has been analyzed according to the raised security strategy. After tested by practice, the electronic lock has met the request of the Customs logistics monitoring and controlling system, it can realize the dynamic、real-time monitoring and controlling towards the Customs logistics process. The electronic lock works stability with a high security level, it has met the design needs. Key Words : Customs, Logistics Monitoring and Controlling System, Electronic Lock, Wireless Communication, Information Security III 独创性声明 武汉理工大学硕士学位论文 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 贡献均已在论文中作了明确的用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 说明并表示了谢意。 签名:「笑 1 曰期:?,。尔jM 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权 保留、送交论文的复印件,允许论文被査阅和借阅:学校可以兯布论文的全部 或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵孚此规定: 签名:卞减导师签名日期:LA卿IFI 第1章绪论 1.1课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的提出 海关是根据国家法令,对进出国境的货物、邮递物品、旅客行李、货币、 金银、证券和运输工具等进行监普检查,征收关税并执行査禁走私任务,编制 海关统计和办理其他海关业务的国家行政管理机关。 物流一词最早出现于美国,1915年阿奇.萧在<<市场流通中的若干问题》 —书中提到物流一祠,当时指的是销省过程中的物流,自此以后,对物流的表 达为"PhysicalDistribution"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W。 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。 武汉理工大学硕士学位论文 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。 改革幵放以来,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WTO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 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 [2和转关运输的规范化管理? 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,使锁具有通信、存储等功能的‚智 能锁??>电子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。 武汉理工大学硕士学位论文 1.2国内外研究现状 目前,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 随着进出口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,工作强度己经饱和。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fe 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7?始釆用电子关锁来监控 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 .:大学硕士学位论文 管措施,并同各国海关合作,推荐使用美国兯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査验、 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査, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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ARM为核心,实现电子关锁的硬件系统„完成硬件帄 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、马达驱动电路等的幵发设计。 (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) 幵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。 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 2.1.1 GPS定位原理及应用方案 GPS即全球定位系统:Global Positioning System)是美国从20世纪70 年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994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一代卫星导航与定位系统。GPS 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。 空间部分由均勾分布在倾角为55?的六个轨道上24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、太阳能翼板等设备,GPS工作 卫星离地面高度为20200km,运行周期为12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颗髙度角在15。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P】。主控站拥有大型电子计算机,主要实现釆集数 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置, 向主控站提供观测数据。每个监测站还配有GPS接收机,对每颗卫星连续不断 地进行观测,6每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„ 武汉理工大学硕士学位论文 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GPS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,用来接收导敏卫星发射的信号, 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。前置放大器直接影辆接收信号的信噪比。要求噪 声系数小、增益高和动态范围大。现时一般都釆用FET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GPS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12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。 GPS的基本定位原理是:卫星不间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20余年的实践证明,GPS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。GPS技术已经发展成为多领 域、多模式、多用途、多机型 [5的国际型高新技术产业1。 随着GPS应用的普及,目前较多的厂家生产GPS接收模块,这种模块可以 接收到GPS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GPS模块集成在电子关锁中,使电子关锁具有接收GPS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。 2.1.2 GPRS的原理及应用方案 GPRS是通用分组无线业务:General Packet Radio Service)的英文简称,是 在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。相对原来GSM 网络的电路交换数据传送方式,GPRS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。 GPRS在GSM网络的基础上增加了 SGSN、GGSN和PCU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。 武汉理工大学硕士学位论文 SGSN是Serving GPRS Supporting Node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GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。 GGSN是Gateway GPRS Support Node的简称,主要是起网关作用’负责 连接GSM网络和外部分组交换网。它可以把GSM网中的GPRS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TCP/IP或X.25网络丨句。 武汉理工大学硕士学位论文 - P PSTITY 1— PCU(分组控制单元:PCU负责管理分组 BTS BSC PCU 分段和规划、无线信道、传输错误 检测和自动重发、信道编码 图2-1 GPRS网络结构图 方案、质量控制、功率控制等。PCU可以作为BSC 的插卡,也可以独立地存在。PCU和SGSN之间通过Gb接口相连,是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 接 口,SGSN和GGSN之间通过Gn接口通信,SGSN和GGSN通过GPRS降道协 议进行封装。 GPRS承载业务主要有两种类型:点到点:PTP)业务和点到多点:PTM) 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,GPRSPTM 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。 GPRS采用信道捆绑和增强数据速率改进实现高速接入,目前GPRS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 14.4Kbps,因此 GPRS 方式最大速率是 fel4.4=115.2Kbps。 目前有较多的通信设备制造商生产工业用的GPRS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 GPRS模块,然后通过微处理器来控制GPRS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。 GPRS模块、GPS模块、微处理器及相关的检测屯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。 2.1.3 RFID技术原理及应用方案 射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)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 一般釆用的射频收发芯片,使用2,4GHz BM(即工业、科学、医学)频段进行通 武汉理工大学硕士学位论文 讯,这种芯片与单片机可通过SH 口或者I/O 口直接连接,因此硬件接口实现起 来很简单,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30-40米,室外可达100-200米。目前 射频识别技术RFID已在许多领域得到了广泛的应用 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RFID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:RFID)由读写器和应答器两部分组成,读写器 一般还与管理计箅机或者其他智能终端相连接,射频识别系统:RFID)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 应答器 I 赁理计 算线天线天 机 线线 图2-2RFro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储在存储器中;接口电路负责 读卡器与管i计算机或智能终端的连接,比较常见的是釆用RS232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RFID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RFID功能模块,并在启运地和目 的地管理站的道口装上RFID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RFID 系统的结构和本系统的实际情况来看,电子关锁应属于RFID应答器,而管理站 的道口通信设备应属于RFID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。 监控中心站 图2-3海关物流监控系统总体结构图 手持编程器既有GPRS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,数据库技术和软件帄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) GPS定位功能。能根据需要控制GPS信息采集的方式及采集的数据的内 容,能对采集的GPS定位信息进行分类和筛选。 (2) GPRS远程无线通信功能。在通过GPS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 监控中心站 武汉理I: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GPS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,为提髙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30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釆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: (1)51系列单片机 MCS-51单片机是美国INTTEL兯司于1980年推出的8位单片机,MCS-51系列单片机采用冯-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。 51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 多兯司都推出了与51系列兼容的单片机, 一个8位单片机的标准,目前以51为内核的单片就是说MCS-51内核实际上已经成为 机是在我国使用最为广泛的单 片机。 武汉理工大学硕士学位论文 (2) PIC系列单片机 P1C系列单片机是美国Microchip兯司推出的八位单片机。PIC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 CISC(复杂指令集计算机)的单片机在结构上是有不同的。具有CISC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,PIC系列单片机的数据总线是八位,起指令 总线分别有12位、U位和16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,PK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nC系列单片机可能实现单周期指令。因此,PIC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PIC系列单片机是8 位机,其应用范围也受到了一定的限制。 (3) MSP430单片机 MSP430系列单片机是由美国TI兯司推出的16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 27条内核指令以及一些模拟指令。MSP430系列单片机自1996年问世,在1明6 年至2000年间推出有33X、32X、31X、11X、11X1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33X系列才 具备,片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有,33X和32X系列的价格 都较高《在2001年后TI兯司又推出了 F41X、F43X. F44X. F15X. F16X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、开发调试及实际 应用上都表现出一些较明显的优点。 (4) DSP处理器 DSP是数字信号处理器(Digital Signal Processor)的简称,DSP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 13 武汉理I:大学硕士学位论文 量,而且是实时的(On-Line),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DSP处理速度很高。1980年,TI兯司推出了第一个数字信号处 理器(DSP),从此开创了 DSP的历史。经过二十余年的发展,DSP应用领域日渐 宽广,从军事雷达系统到消费类电器都有DSP的踪影。 (5)ARM处理器 ARM (Advanced RISC Machines),既可以认为是一个兯司的名字,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。ARM兯司是专 门从事基于RISC技术芯片设计开发的兯司,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兯司生产各具特色的芯片,世界各大半 导体生产商从ARM兯司购买其设计的ARM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ARM微处理器芯片进入市场„因 此既使得ARM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。 [ARM体系结构支持7种处理器模式111,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。 ARM处理器有两种工作状态:ARM和Thumb,在ARM工作状态执行字对 准:32 〖】2位:的ARM指令’在TTiumb工作状态执行半字对准:16位:的Thumb 指令1。因此,ARM处理器能很好的兼容8位/16位器件。 ARM 微处理器目前有 ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Intel 的Xscale、Intel的StrongARM等几个系列。目前ARM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,32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Philip兯司的ARM 7系列控制器LPC2132 来作为系统的主控制器。 武汉理丁.大学硕士学位论文 2,4开发帄台的选择 开发帄台的选择主要包括程序编译及仿真帄台。目前适宜于ARM处理器的 编译有很多种,例如SDT、ADS、IAR、TASKING和GCC等。其中使用比较多 的是SDT、ADS和GCC。SDT和ADS都是由ARM兯司自己推出的ARM核 微控制器集成开发工具,ADS是SDT的升级,我们选择ADS的成熟版本ADS1.2 來作为电子关锁的软件开发环境, ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器,支持软件调试及 JTAG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 Windows98、Windows XP、Wiiidows2000 以及 RedHat Linux 上运行。 EasyJTAG仿真器是广州周立功单片机发展有限兯司幵发的LPC2000系列 ARM7微控制器的JTAG仿真器,支持ADS1.2集成开发环境,支持单步、全 速及断点等调试功能,支持下载程序到片内FLASH和特定型号的片外FLASH, 釆用ARM兯司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口。我们选择其作为我们的 仿真和调试工具。 2.4.1 ADS集成开发环塊 ADS 1.2使用了 CodeWairiorlDE集成开发环境,并集成了 ARM汇编器、 ARM 的C/C++编译器、Thumb的C/C++编译器、ARM连接器等。其组成如表 1.2包含工程管理器、代码生成接口、语法敏感(对关键字以不同颜色 源 文件和类浏览器等等。CodeWairiorlDE主窗口如图2-4所示。 AXD调试器为ARM扩展调试器(即ARM extended Debugger),包括 ADW/ADU的所有特性, 支持硬件仿真和软件仿真(ARMulator)。AXD能够装 载映像文件到目标内存,具有单步、全速和断点等调试功能,可以观察变量、 寄存 器和内存的数据》AXD调试器主窗口如图2-5所示。 14 武汉理工大学硕士学位论文 -1ADS1.2的组成 表2 名称 描述 使用方式 代码生成工具 由CodeWarrior IDE 调用 ARM汇编器, ARM的C、C++编译器, Thumb的C、C++编译器, ARM连接器 CodeWarrior IDE 集成开发环境 工程管理,编译连接 调试器 仿真调试 AXD, ADW/ADU, armsd ARMulator 指令模拟器 由AXD调用 ARM开发包 一些底层的例程, 实用CodeWarrior 一些实用程序由 程序(如fromELF) IDE调用 ARM应用库 C、C++函数库等 用户程序使用 "jJfL". VM^M , ? p 鄉:丨丨:乂 :?:??丨丨 图2-4 CodeWarrior开发环境 武汉理工大学硕士学位论文 11 n- **m J' [?、ii 图2-5AXD调试器 2.4.2 EasyJTAG 仿真器 EasyJTAG仿真器的主要特点如下: ?采用RDI通讯接口,无缝嵌接ADS1.2和其它采用RDI接口的IDE调 试环境。 (2) 高达1M速率的JTAG时钟驱动。 (3) 采用同步Flash刷新技术:synFLASH),同步下载用户代码到Flash中, 即下即调。 (4) 采用同步时序控制技术:synTIME),仿寘可靠稳定。 (5) 支持32位ARM指令/16位THUMB指令的混合调试。 (6) 增加映射寄存器窗口,方便用户查看/修改寄存器数值。 (7) 微型体积设计,方便用户灵活使用。 2,5电源的实现方案 电源是电子关锁的重要组成部分,在考虑电于关锁的电源方案时,有二种可 能的选择: 第一是使用物流车辆上的蓄电池或者发动机的电源,采用这种方案时,电 源的供给比较充足,但是这种方案要影响到物流车辆原来的电子线路,因此, 不利于电子关锁的实际推广和使用D 武汉理工大学硕士学位论文 第二是使用蓄电池。目前市面上有较多种类的蓄电池,如铅酸蓄电池、镍 铬电池、操氛电池、裡离子电池、锂金属电池等。这些电池有些已能做到较大 的容量。来用蓄电池的方案不需要动用物流车辆上的电子设备,因此有利于电 子关锁的推广。 在各种蓄电池中,锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点, 被广泛应用在便携式仪器、PDA、手机、 笔记 哲学笔记pdf明清笔记pdf政法笔记下载课堂笔记下载生物化学笔记PDF 本电脑上《裡离子电池轻薄短小 且容量大,其阳极为石墨晶体,阴极通常为二氧化钴锂,在充电反应中,锂永远以 离子形态出现,所以称这种电池为裡离子电池。锂离子在阳极和阴极之间移动, 电极本身不发生变化,这是锂离于电池与金属锂电池之间的本质区别。 本系统选择裡离子电池来作为电源,采用4.2V的锂离子电池来给电子关锁 2.6本章小结 本章首先分析了 GPS、GPRS. RFID三种主要技术的原理及应用方案,设 计了海关物流监控系统的总体结构,根据电子关锁在物流监控系统中的地位和 作用,提出了对电子关锁的设计需求;依照电子关锁设计需求,分析了电子关 锁的主控制器、开发帄台及电源的总体实现方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第3章电子关锁的硬件设计 3.1硬件整体结构图 系统由主控制器、存储器、GPRS模块、GPS模块、射频通信模块,电源模 块,以及输入输出等部分组成.系统硬件的整体结构如图3-1所示。 I入量模入重幵 3源 器动驱构行模 入量入重 器动构量 入 器入1 图3-1电子关锁硬件结构图 3.2主控制器及外围电路设计 3.2.1 LPC2132 概述 LPC2132是Philips兯司的主要特点如下: (1) 支持实时仿真和嵌入式跟踪,可以缩短软件开发时间。 (2) 片内嵌入有64kB的髙速Flash存储器和16KB的SRAM,刚好适合本系 统的要求。 (3) 1个10位8路的ADC、10位DAC、47个GPIO可以很好的满足水资源 监控系统对于输入采集及输出控制的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 (4) 2个16C550工业标准UART 口,我们可以利用其中一•个与GPRS模块通 信,另一个可作为传感器的接口与带有RS232或RS485接口的各种传感器通信。 (5) 提供2个高速I2C总线(400 kbit/s)接口,提供SPI接口和具有缓冲作用及 数据长度可变功能的SSP。使得外围器件的选择面很广,利于增强系统的性能。 3.2.2 LPC2132的外围电路设计 LPC2132的主要外围电路包括电源电路、晶振电路等。 在LPC2132的供电上我们选择使用SPX1117低压差稳压器来实现。 SPX1117是一个低功耗正向电压调节器,有很低的静态电流,在满负载时其低 压差仅为I.IV,当输出电流减少时,静态电流随负载变化,并提高效率。SPX1117 可调节,以选择 1.5V1.8V2.5V, 2.85V, 3.0V, 3.3V ,, 及 5V 的输出电压。LPC2132 的电源电路如图3-2所示。 图3-2 LPC2132电源电路 系统中有二个振荡器,一个是系统使用,另一个是专为RTC使用的, 路如图3-3所示。 [ir^ t IU ‚cr 丁 1 ^ 武汉理工大学硕士学位论文 图3-3振荡器电路 3.3 GSM/GPRS模块选择及接口电路设计 目前,提供GPRS模块的厂家较多,比较常见的有宠国Motorola兯司的模 武汉理工大学硕士学位论文 块、索尼爱立信兯司的模块,法国Wavecom的2406、2403系列模块、Skmens 的TC45模块、Simcom兯司的S丨M100模块,BENQ兯司的M22模块等。 其中,Siemens的TC45属于比较高端的模块,BENQ兯司的M22模块属于 较低端的模块,而Shncom兯司SIM100目前被评为是性能价格比最高的模块. 市场上的GPRS模块分为带支持TCP/IP协议栈的和不带TCP/IP协议栈的 二类’对于不带TCP/IP协议找的模块,若要连接互联网时,则需要在系统的另 外部分实现TCP/IP协议》 本系统选用BENQ兯司的M22模块。该模块属于带TCP/IP协议钱的模块, 与其他同类型的模块相比价格较低,但其技术性能上已能适应物流监控系统的 现场环境,选用该模块很利于本系统的大批量推广。 M22模块是BENQ兯司的GSM系列无线模块中的中档产品,目前市面上 见到的BENQ兯司GSM系列的无线模块有三类,分别为M20, M22和M32。 M20只支持GSM,M22除了具有M20的功能外,它还支持GPRS CLASS 4和 嵌入式 据传输的TCP/TP协议,这个嵌入式的TCP/IP协议解决了从命令模式连接到数 模式的一个比较复杂的过程。M32的特性与M22类似,只是M32可支持 GPRS CLASS 10? 厂家推荐的M22模块供电电压范围为3.2-4.2V。在本系统的设计中,我们 采4用.2V的供电电压。M22在上电后需要进行复位操作后才能开始正常工作, 复位只有在接有有效的SIM卡时才能正常进行,复位的过程为给复位引脚一个 持续至少120ms的低电帄信号,然后将其拉髙即可。在复位成功后,M22的LEDA 引脚会输出一定频率的脉冲信号,在硬件设计的过程中将这个引脚接一个发光 二极管,发光二极管开始闪烁即说明模块复位成功。M22的主要接口电路如图 3-4所示。 M22模块使用串口与LPC2132进行通信,本系统中只使用RXD, TXD和 GND三条线来进行通信.M22模块的RXD接到LPC2132的TXD, M22模块的 TXD接到LPC2132的RXD,两部分的GND接到一起。与许多无线模块不同的 是,在使用串口与LPC2132进行通信的波特率问题上,M22采用自适应的波特 率’可以自动的适应从300到115200的任何一个标称的波特率,而不需要另外 的用AT指令去设置。 20 武汉理工大学硕士学位论文 图3-4 M22的主要接口GU电路 P 遮 GKD PW在使用M22登陆GPRS网络DH H OT. NOX SDIJO 15 snijtST 时,M22提供一个AU引脚(DCD弓丨脚) Xl 让CPU来 判断其是否是已经登陆上线,当M22处于GPRS在线状态时,DCD引脚为低电 帄,反之为高电帄。 3.4 GPS模块与接口电路 目前,GPS模块的类型较多,但总体来说可分为二类:导航型和测量型。 导航型模块主要用来确定飞机、船舶、车辆的位置以实现导航的目的,这种模 块一般采用单频C/A码伪码接收技术,具有体积小、耗电省,价格便宜的特点。 本系统选用选用 导航型模块,模块内部leatek兯司的GPS9805模块。它是专为OEM应用而设计的 结构如图3-5所示。 GPS9805模块具有DGPS功能。DGPS功能的实现依靠的是一个特殊的GPS 接收机,他确切的知道理论上卫星信号传送到达的精确时间,在得到时间时间 后将精确时间与实际的时间相比较计算出‚差?值,然后将该‚差?值发送出 去,让其他的GPS接收机利用该‚差?值对信号进行校TH以得到更准确的定位 21 武汉理工大学硕士学位论文 图3-5 GPS9805模块内部结构图 GPS9805的主要性能指标如表3-1所示。 GPS9805为28引脚SMD类型模块,有二个TTL电帄的串行通讯接口,用 于与外接的单片机通信,串口通信的波特率为4800bit/s。该模块的主要接口引脚 及功能描述如下: (1) WC_IN:模块的电源引脚。模块采用直流3.3V供电。 (2) RXDA, TXDA、RXDB、TXDB:分别为两个串行通信口 A和B的接收 和发送的信号线。A 口为主通讯口,用于GPS模块与单片机之间命令和定位数 据的传送:B 口为辅助通讯口,可以输入差分校正信号以实现DGPS功能„ (3) PBRESN:模块的复位引脚,当该引脚为低电帄时,模块复位并重新开 始搜索网络。 (4) VSTBY:备用电源输入引脚。它用来在主电源断电后给模块的RTC和 SRAM供电,一般使用1.8电压,电流消耗为 (5) BOOTSEL引脚用于系统功能升级。若在电源上电后使BOOTSEL引脚 为高电帄,模块就会进入等待升级的状态。 (6) ANTPWR:为活动天线供电的电源引脚,该电源引脚的电压根据所选择 的活动天线的不同而不同。 (7) RFIN: RF信号的输入引脚。 GPS9805有一些通用的输入输出口留给用户使用。 GPS9805模块有二种省电的工作模式:间歇电源模式和命令定位模式。 在间歇电源模式下,模块可以有三种状态- (1)跟踪状态:这种状态下,系统的各部分均投入I作,模块一直跟踪卫星 信号,搜集数据以计算定位信息,这种状态下的电源消耗最大。 22 武汉理丁.大学硕士学位论文 表3-1 GPS9805性能指标 接收频段 L1, C/A码 定位精度 无DGPS时为U)米 有DGPS时小米 定位时间 冷启动时:小于45秒 暖启动时:小于38秒 热启动:小于8秒 重新捕获:小于0.1秒 3. 3V 输入电压 应用环境要求 速度:小于515m/s 加速度:小g 髙度:小 丁-18000 m 65mA 电流 215mW 功耗 尺寸 24 X 20 X 2. 6 國 23 武汉理I:大学硕士学位论文 3.5存储器接口电路 存储器选用FAIRCHILD兯司FM24C256,它是采用CMOS工艺的EEPROM 存储器,,存储容量为32K字节。FM24C256的工作电压范围很宽,为2,5V到 5.5V,其中的数据保存的时间至少为40年。 1FM24C256的引脚功能如表3-2所示,它采用IC串行总线接口与主控制器 进行通讯。 表3-2FM24C256引脚功能 VSS 接地端 SDA 串行数据线 SCL 串行时钟输入倌号 ?P 写保护引脚 vcc 电源引脚 A2、 Al、 设备地址选择输入信AO 号 T'C总线是飞利浦兯司推出的芯片间串行数据传输总线,只采用2根线(SDA 和SCL)即可以实现完善的全双工同步数据传输,能够十分方便地构成多机系统 和外围 1 CPU状态:在该状态下,RF前端电路停止供电,RTC仍在运行,CPU 一直工作到最后一个定位信息计算完毕并通过串口输出。 (3) 休眠状态:这种状态下,CPU处于低功耗的空闲状态,接受机的时钟是 关闭的,只有RTC是工作的,在设定的时间到后,RTC产生一个NMI信号唤醒 CPU并且复位接受机使之重新幵始进行定位数据的接收。 在命令定位模式是为了适应那些帄常不需要定位,只在用户发送命令后才 需要定位的应用,这种工作模式下,帄常模块处于休眠状态,在发生如下三种 情况时,模块才会被唤醒;下上电后模块在模块休联的状态下,有三方式将其 唤醒:重新上电,星历搜集:每隔30分钟,模块自动搜集一次星历:和收到用 户的命令,模块醒来后计算一次位置信息,搜集一次里历并校正一次时钟,然 后重新进入休眠状态《 本系统的应用中,我们使用GPS9805的主通讯口 A 口与LPC2132的UART1 口进行通讯,传输GPS定位的信息。 武汉理I:大学硕士学位论文 2器件扩展系统。IC器件的应用减少了电路间的连线和电路板尺寸,提高 了系统的可靠性。 总线上的器件分为主器件和从器件二种:主器件启动数据传送,并负责 产生时钟信号:从器件为被主器件寻址的器件。 在本系统中,FM24C256为从器件,LPC2132为主器件,FM24C256与 LPC2132 2的接口电路如图3-6所示。在通过IC总线通信时,首先由主器件产生 一个起始条件,然后开始地址或数据字节的传送,被寻址到的从器件在每收到 一个字节的数据后,都要产生一个应答信号以继续后面数据的传送,当然,从 器件不想继续传送数据的情况除外。 在对FM24C256进行寻址时,首先要在总线上发送如表3-3格式的信息: 表3-3 FM24C256寻址信息格式 A1 AO R/W A2 武汉理工大学硕士学位论文 R 图 3-6 FM24C256 与 LPC2132 接 口电路 表中各位中,3-3前面的四位表示设备类型标志,在I2C总线中,所有EEROM 器件的设备类型标志都 2为1010。在IC总线上接有多个相同类型的设备时,A2、 A1和AO这三位,用来选择 2其中的一个进行通信。在1C总线上只有一个设备时, A2、A1和AO这三位可用来选择设备中的一个页块(一个页块的大小为64K字节)’ 例如:在EEROM器件的存储容量大于64K字节:包含多个页块:时,就需要用 A2, A1和AO这三位来对页块进行选择。R/W位表示主器件对从器件寻址的目的 对从器件进行读还是写操作,当R/W=l时,对从器件进行读操作,当R/W=0时, 对从器件进行写操作。 在对FM24C256发送第一个字节的寻址信息后,被寻址的FM24C256产生一 个应答信号,然后LPC2132在发送2个对FM24C256内部进行寻址的地址信息, FM24C256在每收到一个字节后都要产生一个应答。 在三个字节的地址信息发送完成后,LPC2132和FM24C256的数据传输就真 正幵始了。 3.6马达驱动电路 在电子锁中,需要通过马达来控制机械部分对锁进行第上锁。我们选择 LG9110来作为本系统中的马达驱动芯片。 25 武汉理工大学硕士学位论文 LG9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路 器件,将分立电路集成在单片IC之中,使外围器件成本降低,整机可靠性提高。 该芯片有两个TTL/CMOS兼容电帄的输入,具有良好的抗干扰性;两个输出端 能直接驱动电机的IE反向运动,它具有较大的电流驱动能力,每通道能通过 武汉理工大学硕士学位论文 750?800mA的持续电流,峰值电流能力可达1.5?2.0A:同时它具有较低的输 出饱和 压降:内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流,使它在驱动 继电器、直流 电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。其管脚定义如 表3-4所示《 表3-4 LG9110引脚定义 引脚标号 符号 功能 OA 1 A路输出管脚 VCC 2 电源电压 VCC 3 电源电压 OB 4 B路输出管脚 GND 5 地线 lA 6 A路输入管脚 IB 7 B路输入管脚 GND 8 地线 LG9110的输入与输出的逻辑关系如表3-5所示:图中H代表高电帄,L代 表低电帄)。 表3-5 LG9110输入输出逻辑 IA IB OA OB H L H L L H L H L L L L H H L L LG9110与LPC2132的接口电路如图3-7所示。 Vcc 1 5 正转倍 兮 直流电机 2 6 LPC2132 反转信 LG9110 3 7 Q ^ / . R 4 ? GND V LG9nO 与 LPC2132 接口 电路 武汉理工大学硕士学位论文 3.7 I1RF2401接口电路设计 射频部分选用挪威Nordic兯司推出的单片无线收发一体芯片nRF2401,釆 用5mm*5inm的24引脚QFN封装。该芯片内部集成有频率合成器,功率放大 器和和调制器等,只需添加少量的外围器件既可构成射频收发电路。在电源方 面,nRF2401可使用1.9至3.2V电源供电,其电流消耗在发送时一般只有10.5mA, 在接收时一般只有i8mA,因此芯片功耗非常低。 nRF2401的内部结构原理如图3-8所示。nRF2401工作在2.4GHZ自由频段, 有125个频道,可满足多频及跳频的需要;在通信功能方上,nRF2401可支持多 点通信,最髙传输速率超过IMWt/S。 If g S S g 22l(i3 图3-8 nRF2401内部结构图 nRF2401的引脚排列以及主要引脚的功能描述如表3-6。 通过PWR_UP、CE、TX„EN和CS四个引脚,可控制nKF2401工作以下 四种模式 27 武汉理工大学硕士学位论文 1 之- (i)收发模式。收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种: ShockBurstTM收发模式下,使用片内的先入先出堆栈区’数据低速从微控制器 送入,但高速(1Mbps)发射’这样可以尽量节能’因此’使用低速的微控制器也 28 武汉理工大学硕士学位论文 能得到很高的射频数据发射速率;直接收发模式下,nRP2401如传统的射频收发 器一样工作。 表3-6 nRF24(n引脚功能描述 引脚名称 功能 备注 CE 数字输入 用来激活芯片的接收或者发送棋式 DR2 数字输出 数据通道2接收数据准备好的标志,该引 脚 为高电帄时表示可以接收数据 CLR2 数字输入/输出 接收数据通道的时钟信号 D0UT2 数字输出 接收数据通道2的输出 CS 数字输入 片选信号 DRl 数字输出 数据通道1接收数据准备好的标志,该引 脚 为高电帄时表示可以接收数据 CLKl 数字输入/输出 数据通道1的时钟信号 DATA 数字输入/输出 数据通道1的数据信号 (2) 配置模式。在这种模式下,可通过CS、CLKl和DATA三个引脚将15字节的 配置字被送到nRF2401。 (3) 空闲模式。在这种模式下,只有部分片内晶振在工作,此时的工作电流 跟外部晶振的频率有关。采用这种模式,芯片的能耗降低了许多,它仍然可以 在较短的时 间内启动。 (4) 关机模式。这种模式下,芯片的能耗最小,一般只有 T1RF2401与单片机的硬件接口 一般有二种方式:I/O口直接连接方式和SPI总 线 接口连接方式。 在介绍硬件接口之前,先简单介绍一下SPI总线:SPI总线是摩托罗拉兯司 推出的串行总线标准,它使用4根线OIOSI,MISO, SCK, CS)来连接主从设备, 实现数据通信。 MOSI(Master Output Slave Input)和MOSI(Master Input Slave Output) 是数据传输线。MOSI (Master Output Slave I叩ut)对主设备而言是输出口, 对于从设备而言是 输入口; MOSI (Master Input Slave Output)线对于主设备 而言是输入口,对于从设备而言是输出口;在进行数据传输时,数据都是按照 从高位到低位的数据顺序传输。 武汉理工大学硕士学位论文 SCK(SPI Serial Clock)是时钟信号线,它通过主设备的8个时钟周期来驱 动,用来同步MOSI和SCK线上的数据传输。 CS为芯片的片选信号端,主站用它来选择需要进行通信的从站。 在本系统中,我们选择nRF2401和LPC2132采用SPI总线进行连接,因为 LPC2132本身带有标准的SPI接口,这种连接方式在充分利用LPC2132的性能的基 础上’又发挥nRF2401的高速无线传输的优势,从而提高了整个系统的数据传输 速度。 由于nRF2401并不具有标准的SPI接口,其只有一个DATA引脚,所以采用如 图3-9的连接方式。 PW.I P 1 JRl CS LPC2132 nRF2101 CE , CLK rrso Iffi ^ lOK nRF2401与LPC2132接口电路图 3.8本章小结 本章首先根据电子关锁的总体方案给出了系统的硬件设计原理’然后依照 总体的原理给出了各个部分的硬件及其接口电路的设计过程。 第4章电子关锁的软件设计 4.1软件设计要求与设计思路 4.1.1软件设计要求 本系统的软件由GPS数据接收与处理程序,GPRS拨号程序程序,RFID通信处 理程序,GPRS命令接收程序,GPRS命令处理程序,电子锁防剪断检测程序等几 部分组成。系统软件所要实现的功能如下: (1)实现GPRS模块拨号上网以及发送短信的功能。 武汉理工大学硕士学位论文 (2〉检测是否有监控中心发来的命令,并能及时对命令作出处理; (3) 检测是否有道口机通过RFID方式发过来的命令,并能及时对命令进行处 理。 (4) 能够将GPS定位信息以及监控中心和道口机的设置信息存入存储区中。 (5) 能够及时的检测到电子锁的异常信息,并向中心站报警。 (6) 上述任务在处理的过程中,应能尽量保证各个任务处理的实时性,并且 各个任务在操作共享资源时应能不造成冲突。 4.1.2软件设计思路 由于上述任务在从处理开始到处理结束都是需要一定的时间的,若按照传 统的单片机软件中各个任务顺序执行的方案来编写程序,系统的各个任务实时 性将得不到保证。 近几年来’嵌入式软件技术发展迅速,出现了较多的嵌入式多任务操作系 统’如 45VxWorks間、J1C/0S2II丨丨丨、uainuxl")等’这给嵌入式软件的设计带 来了很大的方便,在系统软件规划的初期,觉得使用嵌入式操作系统帄台来幵 发本系统程序是一个不错的选择。 但是结合系统的实际情况来看,有如下几点需要考虑: (1)从经济上考虑,目前大部分嵌入式系统软件都是需要收费的。即使是源 代码兯幵的yC/0S2II操作系统’若将其用在商业用途,也是需要缴纳一定的费 用的’尤其是在系统大批量推广时,这一点不得不成为需要考虑的因素。 (2)从操作系统的利用效率上来考虑,使用操作系统来开发,虽然可以使开 发过程很方便,但是系统的任务总体上来说并不是很多,复杂程度也不算太髙, 使用操作系统来开发并没有充分发挥操作系统的优势。 综合上述二点来考虑,我们决定不使用现有的嵌入式多任务操作系统。但 不使用现有的操作系统并不代表不使用操作系统的思想。在本系统的设计过程 中,最终的具体应用是很清楚的,使用的环境也基本是单一固定的,所控制的 过程也都是可预见的,因此,对现有的操作系统的核心思想进行仔细分析和研 究,将其精髓使用到本系统程序的编写之中不失为本系统的一个经济而有效的 解决方案《 武汉理工大学硕士学位论文 42通信协议的选择与制定 电子关锁既需要与监控中心通信,又需要与手持编程设备或道口机通信, 在进行通信的过程中,必须首先约定他们之间的通信规则,也就是制定通信协 议,通信协议的制定对他们之间进行可靠的通信起着十分重要的作用。 4.2.1基于GPRS网络通信的传输层协议选择 GPRS系统本身来用IP网络结构,可以支持TCP/IP协议。TCP/IP协议是一 个包含众多协议的协议族,在利用GPRS网络进行数据传输时,选择合适的协议 对于系统功能的实现起着十分重要的作用。 TCP/IP协议从概念上来说可以分为应用层,传输层,网络层,物理层等几 个层次。在每个层都有多种协议,各个层所支持的协议如表4-1所示《 表4-1 TCP/IP各层协议 常用的协议 TCP/IP规程 应用层 Telent, FTP, TFTP, NFS, SNMP, HTTP 等 传输层 TCP, UDP 网络层 TP, ICMP 物理层 Ethernet, Token Ring 等 本系统的协议选择主要在传输层的TCP协议和UDP协议中进行。 武汉理工大学硕士学位论文 通过进程间的连接提供端到端的可靠数据传输,它提供错误检测和故障 恢复TCP 机制。 TCP所传送的数据单元称为TCP数据包。TCP数据包用于建立连接、传送数 据、发送确认提供窗口大小信息和关闭连接等。TCP对所接收到的信息会及时予 以确认,TCP数据包可分为TCP包头和来自应用层的数据二部分,其格式如表 4-2所示。 TCP协议数据包格式 源端口号:16位: 目的端口号:16位: 序列号:32位: 确认号:32位: 保留 头部信息 (4(6(16 标志位 窗口大小 (6位〉 位: 位: 位〉 TCP校验和:16位: 紧急指针:16位: 选项:可变: 数据:可变: TCP采用三步握手的方式来建立连接„发送侧首先发送一个SYN标志位的 TCP数据包请求连接,接收侧通过包含SYN标志位的ACK数据包予以确认,发送 侧在接到ACK数据包后,回送包含SYN标志位的ACK数据包到接收侧,连接建 立完成。TCP/IP建立连接的过程如图4-1所示。 UDP所传送的数据称为UDP数据包,它由UDP包头和UDP数据域二部分组成, UDP包头又分为源端口,目的端口,长度和校验位4个部分’ UDP数据包的格式 如表5-3。 客户煤 服务器饿 SYN ............... > <- ............ SYN-ACK ACK ............... ^ 图4-1 TCP协议握手示意图 32 武汉理工大学硕士学位论文 UDP不提供数据报的确认,不进行发送数据报的排序,不提供任何流控机 制,所以会产生丢包,包重复和乱序的现象,并且由于没有流控机制,数据包 的发送速度可能超过接受端的处理能力。 表4-3 UDP协议数据包格式 16位: 目的端口号:16位: 源端口号: UDP长度 UDP校验和 综上所述,UDP协议数据包的格式比较简单,但是它的数据传输可能存在 误码现象。TCP协议数据包格式相比UDP要复杂,而且在建立连接时需要进行 三次握手,但是它可以提供保证传输数据的可靠性,在本系统中,移动终端每 次所要传输的数据量并不大,但是监控系统要求能够得到准确的数据,因此, 选择TCP协议来作为系统的传输层协议。 4.2.2电子关锁应用层通信协议的制定 电子关锁既要采用GSH/GPRS的方式与中心站之间通信,又要采用RFID的 方式与手持设备或道口机通信,为达到数据通信的顺利实现,首先需要有一个 所有设备都能遵从的通信标准,就象人与人之间说话要采用约定的语言一样, 因此,我们也要为电子锁的通信过程制定相应的协议。通信协议制定的好坏直 接关系到通信的准确性和效率。 在电子关锁使用GPRS方式进行数据传输时,在刚建立连接或者间隔一段时 间未进行通信而突然发起数据传输时,是信息传输最容易出错的时候,因此, 在这些时候开始数据传输时,先发送3个字节的OxFF,然后再开始传输有效数 据,以提高通信传输的准确性。 在电子锁进行数据通信的过程中,根据所要传输的数据内容的不同,数据 的长度有很大的差别,例如:在连续传输GPS定位数据时,数据长度就可以很 长,但在传输报警或者命令确认等信息时,数据长度就较短。为了数据通信的 可靠性,对于各种类型的数据传输,都以一个数据块为单位来进行,我们将这 个数据块称为顿。数据顿格式如表4-4所示。 起始字符是标志接收数据幵始的字符,在起始字符之前的所有数据都视为 无效数 据的传输时’据,一律不予理採。起始字符不能与接收的数据的内容混淆„在实际数 我们使用ASCII码进行传输,因此,我们选择十六进制的数OxBB 33 武汉理工大学硕士学位论文 來作为数据顿的幵头。 数据帧格式 起始 数据类型 数据的接 数据发 数据 信息 校验 结束符 字符 标志 收方的身 送方的 长度 内容 份标志 身份标 志 数据接收方的身份用来在接收到数据后,判断该数据是否是发给自己的。 因为在本系统中涉及到的通信层次比较复杂,电子关锁除了要给监控中心发送 信息外,还要给道口机或手持设备发信息,同时,中心站、道口机或手持编程 设备需要管理多个测站,因此,对每个设备来说,接收到数据后,判断该数据 是否是发给自己都是十分必要的,对于和自己身份不相符的数据视为无效数据。 电子关锁在出厂时在EEROM存储区中存有一个永久的身份,但在实际的使用过 程中,电子关锁有一个业务应用的临时身份,该临时身份可以根裾需要进行设 置和更改,一般情况下,在传送的数据顿中的身份是指业务应用的临时身份。 数据发送方的身份用来识别数据的来源。对监控中心来说,需要根据这个 身份来识别发送数据的电子关锁或手持编程设备.然后从数据库中调出该测站 的相应信息来对后续数据进行解析,在需要存储接收的数据时,如GPS的定位 信息等,要根据该身份来将决定将该条信息存往数据库的哪个字段。对电子关 锁来说,需要根据数据发送方的身份来决定是否处理该条信息,因为为了海关 物流过程的安全性,每个电子关锁只接受对其进行管理的中心站、字持编程设 备或道口机发来的命令,对于其他的身份发来的命令视为无效命令。中心站对 电子关锁具有最高的操作权限,中心站可以设置电子关锁能够识别的手持编程 设备或道口机的身份,由于该设置命令对于系统的安全性十分重要,因此,在 接受该条设置命令时,电子锁需要需要对中心站的身份进行充分的鉴别,中心 站在发送该类设置信息时只使用短消息的通信方式,这时电子关锁对中心站的 身份鉴别除了使用数据喊里的数据发送方的身份外,还需要在接收到的短消息 中提取出发送该信息的SIM卡的卡号,然后与存在电子锁中的中心站SIM卡号 进行对比,若一致,才确认中心站的身份。 数据类型的标志用来表示系统中不同种类的信息。对电子关锁来说,根据 数据传输的方向从总体上来看,有四种大的数据类型,其标志如表4-5所示: 武汉理工大学硕士学位论文 表4-5数据类型标志及含义 类型标志符 表示的含义 电子关锁发给监控中心的数据 A 电子关锁发给手持设备或道口机的数据 B 监控中心发给电子关锁的数据 C 手持设备或道口机发给电子关锁的数据 D 在每种大的数据类型中,又有不同的小的数据类型,各种类型的数据分别 如 表4-6、表4-7、表4-8、表4-9所示: 表4-6电子关锁一监控中心的数据分类 电子锁发给监控中心的数据类型分类 标志符 表示的含义 能够操作电子锁的手持设备或道口机的身份设定的应答 1 对设置GPRS数据通信方式的应答 2 3 对GPS定位数据来集模式设定的应答 GPS定位历史数据发送 4 电子关锁临时身份修改的应答 5 电子锁状态报警 6 定位数据发送 GPS7 表4-7监控中心一电子关锁数据分类 fi控中心发送给电子关锁的数据类型分类 功能描述 •l/ji志符 能够操作电子锁的手持设备或道口机的身份投定 1 数据通信方式设定 GPRS2 定位数据采集模式设定 GPS3 请求GPS定位历史数据 4 电子关锁临时身份修改 5 电子锁状态报警确认 6 35 武汉理工大学硕士学位论文 表4-8手持设备--电子关锁数据分类 手持设备或道口机发给电子关锁的数据 标志符 功能描述 1 身份认证请求 2 通信频率设置命令 3 业务数据写入 4 业务数据读取请求 表4>9电子关锁一手持设备数据分类 电子关锁发给手持设备或道口机的数据 标志符 功能描述 1 身份认证确认 2 通信频率设置确认 3 业务数据写入确认 4 业务数据发送 数据长度表示其后的有效数据的总长度(包括用于校验的字节和停止符),接 收方在接收到长度数据后每接收一个字符均将长度记数值加1,接收完规定的长 度后即停止接收。 对于需要加密的信息,检验字节的内容就是消息认证码MAC (见第五章), 对于不需要加密的内容,校验字是以校验和方式生成的校验码。 结束符用来标志一个数据帧的结束。 43多任务操作系统思想在本系统中的应用 4.3.1多任务思想的应用 多任务思想主要有二点:第一是将一个大的应用程序分成若干个小的任务 来实现;第二是在执行程序时将CPU的时间划分为若干个小的时W片,在每个 时阅片内CPU执行一个任务的一小部分,在时间片的时间到后,即使该任务还 未执行完,这时操作系统暂停该任务的执行,记下该任务执行的过程信息,并 武汉理工大学硕士学位论文 转去执行另外的任务,如此循环往复[16]丨17〗,这样只要时间片的划分得当,对于 用 户来说,就象多个任务在同时执行一样。 图4-2程序的结构划分 [2】89本系统吸收多任务操作系统的一些思想|1H1P?Ii,首先划分系统所要实现 的任务,然后将所要实现的任务划分成更细的一些小步骤,在程序的每个执行 周期内执行每一个任务的一个小步骤,这样若程序的执行周期划分的合理,从 执行效果来看,和多个任务同时执行是一样的。程序的结构划分如图4-2所示。 4.3.2消息队列思想的应用 在多任务的操作系统中,各个任务之间常常需要进行数据的传递,这些用 于各个任务间通信的数据叫做消息。若任务之间要传送多条消息,这个时候就 需要使用消息队列。消息队列中的消息一般满足先进先出的原则。 在本系统中,GPRS命令接收程序负责接收监控中心发过来的命令,该命令 需要传送到命令处理任务进行解析和处理,后者 处理各条命令都需要一定的时 37 武汉理工大学硕士学位论文 间,在其进行命令处理的过程中,通信处理任务可能又接到多条命令,我们使 用消息队列的思想来协调这二个任务的运行。 系统中用一个结构来代表上位机发送过来的命令,该结构的形式如下: typedef struct /*一种存放接收到的上位机命令的数据结构*/ { volatile uintS Cmd„Flag: /*命令的标志,表示该条命令是否被处理*/ volatile uintS Cmd^Content [70] ; /*命令的内容*/ }Ps-cmd; 然后用这个结构定义一 个数组: Ps_crad Ps_cmd_Queue[5]; 通信处理程序将接收到的第一条命令存放到数组的第一个元素,第二条命 令存放到第二个元素,依此类推,在接收到五条命令后,重新从第一个元素开 始存放,如此循环。未处理的命令的Cmd_Flag标志为1。 命令处理程序循环的扫描数组中的五个元素,发现未处理的命令后根据命 令的内容进行相应的处理,在某条命令被处理完后,将其标志Cind_Flag清0? 4,3.3信号量思想的应用 信号量(Semaphore)是在多线程环境下使用的一种设施,它负责协调各个线 程,以保证它们能够正确、合理的使用兯共资源丨 在操作系统中,信号量是为了标志各个任务所共享的资源的使用情况,防 止各个任务在使用共享资源时产生冲突。这就如的兯用电话亭一样,一次只能 允许一个人使用,一个人使用时门关着,另一个要使用的人需要等到前面的人 使用完之后,才能使用,这个门关与开的标志就是操作系统里面的信号量。 在本系统中,FLASH存储器是各个任务所共享的资源:在GPS定位数据采 集的任务中,采集到的数据要存放到存储器;在命令处理任务中,需要将设置 的IP地址、端口号等信息要存入存储区,很多时候也需要从存储区读出数据; 如果他们同时使用存储区,就会造成存储区操作的混乱,因此,使用多任务操 作系统中信号量的思想来协调各个任务对存储区的使用, 系统中设置一个全局变量来标志存储区的使用情况,若系统有任务正在使 用存储医,该变量置1,在存储区处于空闲状态,可以自由使用时,将该变量清 武汉理工大学硕士学位论文 零,需要使用存储区的任务只有在该变量为零时才能获得存储区的使用权。 在程序中,为防止意外的某个任务长期占用存储区的情况,设置了存储区 使用的超时 处理程序,若存储区的一次占用超过一定的时间,则强制将其释放。 4.3.4系统中关于延时的处理思想 在程序的设计过程中,有许多地方需要用到延时。在传统的单片机程序中 对精度要求不髙的延时使用空指令来实现延时。例如: for(i:0: klOOO; i++); 采用这种延时,浪费了较多的CPU时间,影响了多任务系统的实时性。 本系统使用记数来实现延时,在某个任务执行延时的过程中,其他的任务 仍能被执行,以下以BENQ模块复位后的延时操作来说明本系统中延时的实现。 在BENQ模块的操作过程中,给复位引脚一个低电帄的脉冲信号可以对其 进行复位,在对其进行复位后,我 们一般要延时1到2秒后再开始对模块发送 AY指令,该延时过程表示如下; 第一步:将延时记数清零;第二步:延时记数递加,判断延时记数值是否 达到,若达到则进行第三步;第三步:幵始发送AT指令对模块进行操作, 复位程序代码如下: Benq_Reset_De 1 ay_Fu n () { switch(Benq—Status) 开始延时前先将延时记数清0*/ /*在下个执行周期二Delay—Counter 执行下一个步骤V 0; Benq_Status=2; break; :ase 2: )eIay_Counter++; tf(Delay_Counter>50) /*延时记数值到*/ 武汉理丁.大学硕士学位论文 二0; Delay—Counter Benq_Status=3; /*在下个执行周期执行下一个步骤*/ case 3: (幵始使用AT指令对模块进行操作: break; default: 在主程序的执行周期中除有这个延时程序外,还有其他很多程序,在这部 分延 时的过程中也可以去执行其他的程序。 MainO { Sys_Initial(); /*系统热启动时,执行的初始化函数*/ while (1) ( Benq_Reset_Delay_Fun() : /*ENQ复位的函数*/ (其他的程 序: while ((T0IR&0x01)-0) : /*待每个主循环的设置时间的到达*/ /* 循环设置时间(程序执行周期)为30msV 40 武汉理工大学硕士学位论文 4.4各部分功能的实现 4.4.1 GPRS模块控制 无线模块控制的任务主要是对GPRS模块进行拨号上网,发送短信等功能 的控制。因为无线模块和CPU之间主要是使用串口通信,所以串口信息的收发 是无线模块控制任务的主要部分。本系统使用串口 0来连接无线模块。 串口在使用前首先要进行初始化工作,串口初始化的步骤如下: ?设置相应I/O引脚为串口工作模式: (2) 通过写除数锁存寄存器(UODLL, 本 UODLM)来设置设置串口的波特率的, 系统串口 0的波特率设为9600biVs; (3) 通过(UOLCR)设置数据字符的格式,包括字长度、停止位、校验方式等: ? 串口发送和接收中断的初始化以及FIFO的设置。本系统设置UARO每 接受到一个字符就产生一次接收中断。 使用串口发送一个字节数据只需将该数据写入UOTHR(发送器保持寄存器: 即可。 CPU以AT指令来操作GPRS模块的拨号,拨号过程如下: (1) GPRS模块的复位和初始化操作。模块上电后,给复位引脚一个电帄的脉 冲即可使其复位(低电帄的持续时间要大于120im)?初始化的过程包括取消模块 AT指令的回显和检测信号强度是否满足要求。AT指令的回显是指在每条AT指 令发给模块后,模块首先返回发送给他的指令,然后再返回指令执行的结果, 为检测的方便,本系统在使用时取消了 AT指令的回显过程,发送AT指令后, 模块直接返回指令的执行结果。取消回显使用ATE指令来实现,ATE=0为取消 回显,ArE=l为打开回显. (2) 设置APN。不同的网络运营商有不同的APN。我们一般使用的是中国移 动的 GPRS 卡,其 APN 为 “CMNET?; (3) 设置验证方式以及用户名和密码。我们一般使用PAP验证和默认的用户 名密 码。 (4) 设置拨号所要登陆的远程服务器的IP地址,端口号以及登陆时使用的协 议。远程服务器的IP地址必须是兯网IP地址,登陆时可以选择使用二种协议, TCP协议和UDP协议,本系统使用的是TCP协议。 (5) 幵始拨号。本系统中所拨的号码为*97#。 LPC2131每发一条指令,GPRS模块会返回该指令执行的结果信息。例如: 向模块发送“A1V”这条指令后,若模块工作正常会返回"0K?,反之,会返回 "ERROR"; 武汉理工大学硕士学位论文 在向模块发送“ATD?97#\r"这条幵始拨号的指令后,若拨号成功, 会返回“0K",反之会返回“NO CARRIER":返回信息的检测在是拨号控制过 程中较重要的部分之一。 有些返回的信息包含的字符数较多,将其一一判断显得十分烦琐也没有必 要,只需要找出每条返回信息与其他信息相比的独特之处,然后对其进行检测 即可.例如:对于返回的„„NO CARRIER"信息,经过与其他信息进行比较, 只需检测"CARR"四个字符即可。本系统中,返回字符的检测在接收中断处理 程序中进行,这样就要求在中断处理程序中所要执行的代码必须尽量的少。 对于字符数组的比较,必须对数组中每一个元素进行比较,在串口中断服 务程序中,要用到多个字符数组的比较判断,因此,简化对字符数组的判断过 程十分必要。 字符是以ASCII的形式接收的,每个字符的ASCII码表示为一个8位的整 数,这样一个32位的整数就可以代表一个含有4个字符的字符数组,因此,将 字符数组转换为整数,然后进行整数比较将会简化对返回信息的判断过程。以 下仅举出"OK?,"ERROR", "NOCARRIER”等接收字符串的判断来说明判断 过程。 Uint32 Rev_Jud /*全局变量,用于存放接受到的代表AT指令执行的结果信息*/ uint8 AT_CmcLFeedback/*全局变量,代表AT指令的执行结果*/ 串口中断服 务程序: i uintS rev_data; uintS jud_tempj if((UOLSR k 0x01) 1)/*如果接收到新的字符*/ rev_data=UORBR, /*将接收到的数据赋给变量rev jata*/ Revjud?=8; A用于判断的32 位整数左移8位,将低8位空出*/ Rev_Jud +=jud_temp; /*每接收到一个字符串后,将其放在Rev_Jud的低8位V switch (Rev__Jud) : case 0x43415252case 0x4F4B0D0A: AT_Cmd_Feedback, AT=0x01; /*收到“0”和“K”的ASCII分别为Ox4F_Cmd和0x4B; break; _F eeAT_Cmd_Feedbackj=0x0db2; ac k|=case 0x4552524F: 0x 04; break! 武汉理工大学硕士学位论文 OD和OA为回车换行符 /*收到"ERROR" */ /*收到 “NO CARRIER" */ default: break; 上述判断中,OK是根据“OK”再加上其后的回车换行符一起来判断的(“0”、 “K”、回车符、换行符的ASCII码分别为Ox4F、0x4B、OxOD、OxOA);对ERROR 的判断只判断其"ERRO”:"E”、“R”、"0”的ASCII码分别为0x45、0x52、 0x4F);对 „„NO CARRIER"的判断只判断 “CARR”:‚C”、“A”、“R”、"R" 的 ASCII 码分别为 0x43、0x41, 0x52、0x52)。 4.4.2 nRF2401 通信 nRF2401的通信主要有三个步骤:首先,根据系统的实际情况选择nRF2401 的数据传递模式。nRF2401有突发数据传递和直接数据传递两种模式:直接数据 传递模式下,nRF2401象传统的RF器件的工作方式一样,这时数据通过射频收 发的速度和控制nRF2401的微处理器的速度一致;突发数据传递模式下,nRF2401 利用其芯片内部的一个先进先出的缓冲区保存数据,这样使其高速的通过射频 收发数据,低速的与微处理器通信,既降低了系统功耗,又使得nRF2401对与 其相连的微处理器的要求降低》我们在本系统中选择突发数据传递模式。 nRF2401数据发送和接收的流程分别如图4-3和4-4所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图4-3 nRF2401数据发送流程图 在选定工作模式后,要按照工作模式要求对nRF2401进行合适的配置。 LPC2132控制PWR_UP=1,CE=0,CS=1即可使nRF2401进入配置模式,然后 通过CLK、DR和DATA组成的3线接口向nRF240i写入实际的配置信息,配 置信息的长度为144位(18个字节)„配置信息中的位可分为突发数据传递模式的 设置和一般设置两部分:突发数据传递模式的设置包含对两个通道的硬件地址, 数据段和地址段长度和CRC校验等部分的设置,占用配置信息的16个字节;一 般设置包括对通信速率和模式、工作的频率和状态、品振的频率、启用的通道 数,输出功率等的设置,占用配置信息的两个字节,其中的第14位(CM, Communication Mock) 武汉理工大学硕士学位论文 用来选择系统是处于突发数据传递模式还是直接数据传递 模式。在对配置信息写入 的过程中,要遵孚高位在前,低位在后的原则。 武汉理工大学硕士学位论文 蕃釅灘: MTCRC校轮 地址有效数据|CRC校验 地址有效 CRC校 验 ADM M有效数据 ----- 1曲**赛*_好括古 图4-4 nRF2401数据接收流程图 在配置字设定好后,就可进入正常工作状态,来进行数据的收发。 4.4.3 GPRS命令接收 通信处理任务负责对监控中心发送过来的命令进行处理。它从消息队列中 读取数据,若有命令则进行判断解析,并进行相应的处理。数据接收的过程如 图4-5所示。 在GPRS模块拨号上网与中心站连接后,LPC2132和监控中心站就可以顺畅的 进行数据通信了,模块会将LPC2132发来的数据原封不动的传送到中心站,同时 也会将中心站发送过来的数据送到LPC2132, LPC2132还是使用串口0来收发数 据,因此,GPRS命令的接收也放在串口0的接收中断处理程序中,该程序接收的 数据分成各条命令后放到上面所定义的Ps_cnid_Queue[5]数组的某一个元素中。 武汉理工大学硕士学位论文 每接收到一个字符后,检测是否收是起始字符,若是即开始将其后接收到 的数据存往Crnd_Content「70]中,在收到结束符号后将Cnid_Flag写为1,代表该 条命令还未处理。 3 C 接收一个孙懒据 徽itSfe加1 CnilJonttn^itE * 图4-5 GPRS命令接收流程图 4.4.4 GPS定位数据采集 LPC2132使用串口 1来与GPS模块进行通讯,串口通信的参数设置为:波特率 4800bit/s; 数据位8;位;起始位:1位;停止位:1位;奇偶校验:无。 GPS模块输出的数据符合国际海事卫星组织:the National Marine Electronics Association)的NMEA0183协议。该协议下GPS模块的输出方式有 GGA, GLL、GSA、GSV、RMC和VTG6种格式,其包含的内容有所不同。本系统选 武汉理工大学硕士学位论文 用GGA格式的数据,关于其它类型的定位语句所表示的具体信息,参见文献[26]。 CGA格式中,不同含义的数据之间以逗号隔幵,其各部分表示的含义如下(D表 示数据,S表示标志): $GPGGA, , , , , , , , , , , , , , :协调世界时UTC,格式为HHMMSS,长度为6个字节; :所处位置 的讳度,格式为DDMM._,长度为9个字节; :南半球或北半球的标志,S 为南半球,N为北半球,长度为1个字节: :所处位置的经度’格式为 CIDMM._,长度为9个字节; :东半球或西半球的标志’ E为东半球,W 为西半球,长度为1个字节; : GPS定位数据的准确度’ 0代表无用的 方位’ 1代表无差分GPS可用 方位,3代表差分GPS可用方位’ 6代表估 计,数据长度为1个字节; :使用卫星的个数’数值为00-12,数据长度 为2个字节; :水帄方向的精度,取值范围为0-5-99. 9,数据长度为3个 字节; :天线高于水帄面的高度,取值范围为-9999. 9到99999. 9,单位 为米, 数据长度为7个字节; :海面髙度,取值范围为-999.9到9999.9’单位为米,数据长度为6 个字节; :差分GPS数据间隔,离上一次有效的RTCM传输所间隔的秒数’此数 据占用6个字节的长度,只在是差分GPS时才有用。 :差分参数位置序号,取值范围为0000到1023,数据长度占用4个 字节数据长度,只在是差分GPS时才有效,若不为差分GPS,该数据为0。 GPS数据的接收在串口中断1的接收程序中进行。系统定义一个结构来存储 接收到的GPS定位数据,该结构的形式如下: typedef struct /*存放接收到的GPS定位信息的数据结构 { volatile uintS Cmd_Flag; /*信息的标志,表示该信息是否被处理8/ volatile uintS GPS_Data .Content [60] , AGPS数据的内容*/ } GPS—Data 然后用这个结构定义一个数组: GPS.Data GPS—Data —Queue[5]; 47 武汉理工大学硕士学位论文 与GPRS命令的接收程序类似,GPS数据接收程序在接受到数据后,也将该 数据发往存在数组中,然后由命令处理程序来扫描该数组,对新的命令进行处 理。 为了充分利用现有的软硬件资源来高效率的实现远程监控的任务,系统在 一般情况下只取in、D2、SK D3, S2、D4这几种信息来进行远程传送和存储, 在系统有特殊要求,需要查看其他GPS参数时,由监控中心发送命令来控制 LPC2132对相应的数据进行果集,存储和传输, 为了充分利用现有的软硬件资源来高效率的实现远程监控的任务,命令处 理程序在检测到有一条GPS数据待处理的任务后,要对数据进行蹄选,去除信 息中的逗号等无用字符,而且一般情况下只取D1、D2, S1、D3, S2、D4这几种 信息来进行远程传送和存储,若系统有特殊要求,需要查看其他GPS参数时, 由监控中心发送命令来控制LPC2132对相应的数据进行存储和传输。 4.4.5存储器操作与规划 系统的存储器用来存储通讯参数,业务参数以及物流车辆行进过程中的路 线等信息,这些信息在存储区中的位置分布直接关系到系统信息存取的效率, 因此有必要对这些在存储区中的位置进行合理的规划,而这些规划是需要与 CPU对存储器的操作过程相结合的.因此,在规划之前,先来看看CPU对存储 器的特点及操作过程。 4FM2C256是存储容量为32K字节的存储器,分为512页,每页包含64字 节。对存储区的操作按照操作范围来分可分为二类:一类是页操作,另一类是 字节操作;对存储器的操作按照操作动作的不同可分为写操作和读操作。 对存储区的读搡作可以分为随机读和顺序读,随机读可以按照任意给定的 地址去读取该地址的数据;顺序读则可以在指定一个起始地址后按照顺序依次 将其后的数据读出,顺序读的范围可以超过一个页的范围。 对存储区的写操作也可以分为随机写和顺序写,随机写在给定一个地址后 可以将一个字节的数据写入该地址;顺序在给定一个起始地址和一串数据后, 可以将该串数据连续的写到从起始地址开始的存储区中,但是与顺序读不同的 是顺序写的范围仅限于一个更之内’如果一次连续写入的数据时,若写的范围 已到达一个页的末尾时,则下一个写入的数据将会返回到这个页的开始,重新 从该页的起始地址开始,而不是继续按照地址的增量将数据写入存储区的下一 个页,这一点在存储区规划时需要考虑到。 武汉理工大学硕士学位论文 由5.2.5节的分析可知:对于GPS数据的存储,只存储其中的D1、D2、S1, D3、S2、D4等信息,该信息加起来共有27个字节,为了便于对信息的识别, 在存储时,我们在每条信息的开始加一个信息开始标志符,该标志符用来表示 存储GPS定位数据的开始;然后在标志符后加上一个16位的整数:占用2个字 节的存储区:用来对存储的每条GPS定位信息进行计数,以便在将存储区中的 数据连续的发往中心站时,中心站能够对信息的顺序进行有效的识别;在计数 值之后就开始存储27个字节的GPS定位信息:在信息的末尾用2个字节来存储 该条信息采集时电子锁的状态信息,例如,电子锁在该时刻是否被非法打开等。 这样每条GPS数据的长度为32个字节,刚好为一个贸的存储大小的一半,这样 对于每条信息的写入和读出操作都是在一个页的范围内进行,简化了读取和存 储的操作过程。 的由于系统有多中类型的数据,而在这些类型的数据中,GPS定位数据需要 存储空间较多,而其他的一些业务数据则需要的存储空间因此,在存储区规 划时将前面的4K字节空间用来存放业务数据,将后面的28K字节空间则用来存 储GPS定位的数据。系统存储区的总体规划如表4-10。 表4-10存储区域规划 整个存储空间 (32K字节: 通讯 GPS定位信息数据 及一般业 (28K字节: 务类数据 分为448页,每页存储 GPS定位数据。 二条(4!(字节: 4.4.6命令处理 命令处理程序负责对处理监控中心发过来的命令以及GPS数据接收模块发 过來的命令。具体的命令的类型见通信协议一节。 命令处理程序对命令的处理设有超时判断机制,在系统长期停留在处理某 -条命令的状态要进行错误报告,命令处理程序的流程如图4-6所示。 武汉理工大学硕士学位论文 命令处理程序流程图 4.5本章小结 本章首先结合实际情况给出了电子关锁软件设计的要求与设计思路;然后 给出了电子关锁基于GPRS网络的传输层协议的选择及应用层协议的设计过程; 通过对嵌入式多任务操作系统原理的分析,结合软件的总体设计思路,给出了 电子关锁的软件设计流程。 第5章电子关锁的信息安全研究 5.1电子关锁的信息安全要求 武汉理工大学硕士学位论文 无线通信方式的使用增强了电子关锁的功能,提高了海关物流监控系统水 帄,但同时也带來了一些安全性上的隐患,在电子关锁进行无线通信的过程中, 其中的数据有可能会被窃听,赛改或访造,当涉及到较重要的数据读写时,将 会对海关物流监控造成混乱,因此,有必要在进行无线通信的过程中采取相应 的安全措施。 经过对系统的总体方案和工作流程的分折,电子关锁在通信的安全性上的 需求主要有如下几点: (1) 每一个电子关锁只能属于一个中心站来管理。 (2) 电子关锁可以有多个手持设备或道口机可对其进行数据读写,在与这些 设备通信时需要进行身份认证。 (3) 在进行重要信息通信时,信息都要进行加密。 5.2信息加密与认证 为实现电子关锁通信过程中信息的安全,需要采用密码技术。信息加密与 认证是密码技术中的两个重要部分,加密和认证的区别在于:加密用以确保数 据的保密性,阻止对手的被动攻击,如截取、窃听等;而认证用以确保报文发 送者和接收者的真实性以及报文的完整性,阻止对手的主动攻liji,如冒充、篡 改、重播等由电子关锁的信息安全性要求可知,在电子关锬中必须要同时ffl 到信息加密和认证两种技术。 5.2.1加密算法的选择 密码技术的核心是密码算法,加密过程中可能用到的密码算法有兯幵密明 的密码算法、序列密码算法、分组密码算法,以及HASH函数等。 的密码算法、序列密码算法、分组密码算法,以及HASH函数等。 武汉理工大学硕士学位论文 兯开密明的密码算法有二个密钥,它们形成一个密朗对,用其中一个密销 加密的数据只能用另一个密胡来解幵,一般将其中一个密明兯开,称为兯钥, 另一个保密,称为私明,所有知道兯明的人都可以利用兯钢来对信息进行加密, 但这些加密的信息只有拥有私销的人才能解密。常用的兯开密明的密码算法有 RSA算法、捕画曲线密码算法等,它们都是基于还未获得很好解决的数学难题来 实现加密的。兯开密钢密码算法安全性很高,但它们的加密和解密过程的计算量 也很大。 序列密码是将明文或密码序列与伪随机序列进行模2相加来完成加密或解 密过程。序列密码具有加密和解密机制简单、运算速度快的特点,但是生成伪随 机特性很好的密钢序列是一个比较困难的问题。而且序列密码的一个显而易见 的缺点是传输过程种容易弓丨起差错扩散丨?1。 与序列密码不同,分组密码是将明文序列划分成等长的分组,对每一组用 同一加密算法和同一密钥进行加密。分组密码的整体结构主要可分为Feistel 结构和SP网络结 】〖】3536构目前大多数分组密码算法都是基于Feistel结构, 差分密码分析[Mll和线性密码 39分析的提出加快了新的密码结构的研究 和发展,出现了 Squarell、Shark等密码,他们都采用SP的网络结构,该结构 的每一轮由混淆层和扩散层组成,其最大优点是能从理论上给出最大差分特征 概率和最佳线性逼近优势的届,但SP网络很难保证加密和解密的相似性。 在各种密码算法中,分组密码具有加解密速度快、安全强度高、成本低、 易于实现的优点,因此在信息安全领域得到了广泛的应用。根据电子关锁的实 际情况,本系统选用分组密码算法来实现信息加密。 分组密码算法中最典型的算法是DES算法。DES算法属于Feiste〗结构,是 由IBM兯司研制的一种加密算法,美国国家标准局(NBS)于19n年兯布该算法并 批准把它作为非机要部门所使用的数据加密标准.自兯布以来,该算法一直是国 际上商用保密通信和计算机通信最常用的加密算法. 随着新的密码技术的开发,美国国家标准与技术局于1997年发起了一场推 选用于保护敏感的用于联邦信息的对称密销加密算法的活动.推选过程中的评 估准则分为三大项:安全性、成本、算法和实现特性。1998年,NIST宣布接受 15个侯选算法并提请全世界密码学界协助分析这些侯选算法。分析的内容包括 对每个算法的安全性和效率进行初步检验。1999年N1ST选定了 Mars、RC6、 Rijndael'"', Serpent、Trafish等五个算法作为参加决赛的算法。 52 武汉理工大学硕士学位论文 35 30 25 20 15 Serpent Mars Twofish RC6 fiijindael 图5-2 AES候选算法的相对速度 1 /in RC6 Mars Rijindael Serpent Twofish 20 00 80 60 40 20 .图5-3 AES候选算法的子密销生成时间 在AES的五种候选算法中:从总体速度和子密明生成时间来比较,结果图 5-lfM和图所示。 由于NIST在选择算法时,考虑的因素比较多,最后选择了 Rijindad算法作为 AES箅法,但是由于本系统中是要在嵌入式处理器上实现加密算法,算法的速度 以及子密明的生成时间是我们考虑的主要因素,因此经过分析比较我们选择RC6 算法来作为提高电子关锁信息安全性的加密算法。 5.2.2 RC6分组加密算法的实现 4】RC6算法是在RC5丨1的基础上发展起来的’它是可变密文长度、可变轮数、 可变密朗长度的分组加密算法’ 一般表示为RC6-v^/r/b,三个参数的含义是: 53 武汉理工大学硕士学位论文 密文长度为4W,其中32, 64位; 轮数 r=0,1,.‘‘,255; 密钢长度 b=0, 1, 255; RC6加密算法的特点有- 基本运算是微处理器上常见的初等运算,并且是对整个字节进行,所以速 度快,适合硬件、软件实现; 字的位数W作为RC6的参数,适应不同字长的处理器; 安全性依赖于旋转运算和不同的混合,他们是模加法,按位异或和循环 移位; RC6算法由三部分组成,分别为混合密钢扩展算法、加密算法和解密算法。 混合 密朗扩展算法又为三个部分,各个部分的实现过程如下: (1) 将长度为b的用户密铜填充成比特长度为字长的整数倍的串,转换时可采 用在后面补零的方法。得到了 C个字记为Lj^^],IjM” ] 表示上取整运算《 (2) 构造混合原料(C语言的伪代码): •V户斯 For j=l to 2r+3 do c和a是确定的常数。 (3) 将密胡种子与原料进行混合得到加密密朗 C语言的伪代码如下: A=B=j=k=0 v=.3xmax|c,2r+ 4 For s=l to V do + ?<3 S = Z^j]写+ j + 5) 某改(Modification)、伪造(Fabrication)、和重放(R印lay)。 下面根据分析一下采用安全措施后电子关锁对通信的抗攻击性。 防截获:截获即未获授权地通过对传输进行窃听和监测,从而获取了对某个 资 密的’源的访问。在电子关锁的通信中,即使信息被截获,但是由于信息是经过加 因此’不知道密销的人很难得到消息的实际内容。 防墓改:》改即更改报文流’它意味着一个合法消息的某些部分被更改,或 消息被延迟或改变顺序,以产生一个未授权的效果。系统中釆用了消息认证码 MAC的方式’信息在任何地方被篡改都会导致消息认证码MAC的变化。因此可以 起到防基改的作用。 防伪造:伪造是一个非法的实体假装成一个合法的实体,是对真实性的攻击。 系统中不知道加密密明的人无法伪造加密信息’因此可以起到防伪造的作用。 防重放:重放涉及一个数据单元被获取后的后继重传,产生一个未授权的 效果。本系统中的信息中包含有发送该信息的时间,因此’将某条信息截获后 原封不动的重传会很容易的通过该时间信息被识别出来。系统起到了防重放的 作用。 5.6本章小结 本章首先根据电子关锁应用的实际情况提出了电子关锁的信息安全需求。 然后通过对加密算法的分析,选择了一种适合电子关锁的信息加密算法以及 消息认证码(MAC) 算法。通过对GSM网络本身的安全机制的分析,提出了一种将 60 武汉理工大学硕士学位论文 GSM网络的安全机制与加密和认证相结合的电子关锁的安全性方案。最后结合 常用信息攻击方法,分析了采用安全措施后电子关锁的抗攻击性。 第6章总结与展望 6.1全文总结 海关通关方式的改革必须要有新的海关物流监控系统与之相适应,将迅速 发展的嵌入式技术,全球定位技术和无线通信技术应用于海关物流监控系统> 无疑会对海关通关方式的改革起到有利的推动作用》 本文给出了海关物流监控系统的总体结构,通过分析电子关锁在整个系统 中的地位和作用,给出了电子关锁的设计要求,按照设计要求,结合GPS技术、 GPRS技术、RF1D技术、嵌入式技术、远程监控技术实现了具有准确定位、远 程通信、快速身份识别功能的电子关锁。 本系统所实现的电子关锁具有如下的特点: (1) 能实现物流车辆身份的快速识别 通过采用RFID技术,带有电子关锁的物流车辆可快速而准确的与管理站通 信,从而加快了管理站对物流车辆查验和放行的速度。 (2) 能实现物流车辆的动态定位 GPS技术的使用使得带有电子关锁的车辆能随时获取自己的位置信息,因 而可实现定位功能。GPRS技术的使用又使得物流车辆能随时将自己的定位技术 传送给监控中心站,从而实现监控中心对物流过程的动态实时监控。 (3) 较高的信息安全性 选择了一种合适的加密算法,该算法是最后入围AES的五个算法之该 算法具有实现简单,计算速度快,抗攻击性强的特点。通过分析GSM网络本身 的安全机制,结合GSM网络和安全性和加密算法来提高电子关锁的信息安全性, 抗攻击性分析的结果表明,电子关锁的抗攻击性能满足当前海关物流监控系统 的需要。 6.2进一步的研究展望 电子关锁的设计是一项运用多种技术.硬件与软件相结合的系统工程,电 武汉理工大学硕士学位论文 子和通信领域的发展是极其迅速的,同时,海关也在不断的探索更新的通关模 式,这也给电子关锁提出了新的要求。电子关锁的研究与设计还有许多需要完 善的地方- (1) GPS模块接收的定位数据有时会出现不准确的情况,这给定位工作带 来 定的影响,需要在这方面加强研究. (2) 可考虑在电子关锁中加入视频监控技术以加大海关对物流过程的监了 控力 (3)GPRS网络存在着带宽和网络信号的一些局限性,随着3G技术在我国 的 推广,可考虑采取3G技术来作为海关物流监控系统的数据远传方式。 度 (4>信息安全是一个需要不断研究的课题,现在安全的加密算法和加密措施将 会随着密码破解技术的提高而失去其有效性,因此,有必要对电子关锁的信息 安全性展开进一步的研究。 由于水帄有限,不足是肯定存在的,在设计中会有不完善之处,恳请各位 老师与专家学者予以指正。 武汉理工大学硕士学位论文 参考文献 [1] 刘毅.辽主要沿海港口发展现代物流研究:【硕士学位论文].大连:大连理工大学企业 管理 系,2005 [2] 张桓.海关物流风险管理研究:[硕士学位论文].北京:中国农业大学经济管理学院,2004 [3] Mohinder S.Grewal,Lawrence R.Weill^gusP Andrews-Global Positioning Systems,Inertia] Navigation,and It's Integration.Weley Press,2000 [4] Elliot D.Kaplan著,邱致和等译.GPS原理与应用.电子工业出版社,2002.24?30 [5】Rush J.Qirrent issues in the use of the global positioning system aboard satellites.lJth Inteniational. Space Plans and Polices Syraposium, Harford(USA), 2000; 47?52 [6] ,少陵.GPRS技术的特点及应用.电信技术,2000(3): 2?5 [7] 张红星’傅杰.RF1D与现代物流.商品储运与养护.2005(5): 23?26 [81孟晓明’ _国伟.试论信息技术在物流管理中的应用.广东经济管理学院学报,2005(4): 61 ? 65 P1缕健,熊孟英.无线射频识别技术RFID及应用.科技和产业,2005(11): 53?61 [10] 沈棵.无线射频识别技术:RF1D)及其在图书馆的应用.现代图书情报技术,2000(49): 45 ? 47 [11] 施壮,,建帄,屈颖.基于ARM处理器的嵌入式PPP软件模块的实现.仪器仪表用户, 2004, 11 (4): 63—65 [II] David Seal .ARM Architecture Reference Manual.Pearaon Education Limited. 2001 [13〗张琳’王芙蓉.VxWorte嵌入式实时系统任务机制的研究.微型机与应ffl.2005(3): 11? 13 [14〗Jean J.Labrosse著’邵贝贝译.嵌入式实时操作系统p C/0S2丨丨:第一版).北京:北京航 空航天大学出版社,2003 115】部思轶.嵌入式Linux设计与应用.北京:清华大学出版社,2001.77?78 I16J肖海桥.实时多任务操作系统及其嵌入式微处理器性能比较.电子产品世界,1998(4): 32 17]胡修林,杨刚,张蕴玉.嵌入式多任务操作系统间任务通信策略.S动化技术与应 用.2004, 23(7): 39?42 勒其兵,田野,谢祖荣.单片机数据采集卡及其实时多任务机制的实现.自动化仪表, 2002, 23(6): 33-37 武汉理工大学硕士学位论文 崔代福,夏承光,魏学哲,,泽昌.一种基于时间片的实时内核在车身控制中的应用. 微计算机 信息.2002, 18(12)! 3?9 李仕涌,谭南林,王小东.实时多任务操作系统与单片机软件设计.电子产品世界, 2002{7): 38-41 211夏旭丰,r文杰,朱善军,,新亚,李迎春.实时多任务嵌入系统实现.计算机应用研 究,2003(9): 120?122 221郑小红,卢东昕,谢塞.一种嵌入式实时消息通信方法.计算机工程,2005, 31(13), 192? 194 231刘毅,王奇,李成忠.通讯设备中实时消息通信方法的设计与实现.成都信息工程学院 学报,2005, 20(4): 371 ?374 刘云生,吴飞.一种改进的嵌入失实时OS消息机制.计算机工程与应用.2002(13); 105-107 251胡例葱.基于信号暈通信的PC/0S2II应用程序设计方法.微计算机信息,2005, 10(2): 40-42 万柳,蔡斌,郭玉东.VxWorks中信号量实现任务间通信tj同步机制分析.信息工程大 乎学报,2005, 5(2): 53?55 271赵佑春.VxWorks实时操作系统中信号量用T-多任务同步与互斥的讨论.微计算机信 息> 2004, 20 (3): 78?81 程远,勾勇华,獎志勇,陈光东• RT?(51 Tmy中信号量操作的实现,单片机与嵌入式系 统应 用.2004,10:74 ?75 张焕国,刘玉珍.密码学引论.?汉:K汉大学出版社,2003 胡予擴,张玉清,肖国镇.对称密码学.北京:机械工业出版社,2002.63 '31] H.Feistel ’ W,A.Notz, and J.LSmith.Soine Cryptographic Techniques for Machine-to-Machine Data Communications.System Security, 1975.63(:il),i545?1554 [32] E.De Win, A.Bosselaers, B.PreneeJ, J.Daemen, and V.Rijmen. The Cipher SHARK Fast 18 武汉理工大学硕士学位论文 Software Encryption Spring-Verlag 1996.Cciniputer Science, 1998.99?112 Vincent Rijmen. AES proposal: Rijindael. The Journal of China Universities ofPoats f3andTelecotnmunica, 2001’8(2).32~34 3 E.Bihani > A.Shan)ir. Differentia] Cryptanalysis of DES-lifce Cryptosystems. Journal of Cryptology,199L4(l).3?72 Eli Biham. Adi Shamir. Differential Cryptanalysis of the Full 16-round DES. Advance in Crytok)gy-CRYro'92,1991,10(6).487-496 35 Eli Biham, Adi Shamir. Differential Cryptannlysis of the Data Encryption Standard. Computet Security and Communication. 1993,12(5),45?49 M.Matstti. Linear Cryptanalysis Method for DES Cipher. Advance in 37 Crytology-EraOCRYPT'93.1994.Spring-Verlag.ComputerSdence,386~397 吴発国,吴文玲.分组密 码的设计与分析.清华大学出版社,2000.10(8): 54-58 Joan Daemen, Lars Knndsen. and Vincent 38 men. The Block Cipher Square.Fast Software Eiicryption'97. EliBiham.Computer Science. Haifa, Israel Eli BihaKU997.149?165 Richard SpiUmaii著,叶阮健,曹英,张长富译.经典密码学 与现代密码学.北京:清华 大学出版社,2005.157?158 40 R. L. Rivest. The RC5 Enciyption Algorithm. Proceeding of the Workshop on Cryptographic Cryptographic Algorithms. K. U . Leuven, December 1994, Spring-Verlag, 1995.86? 96 41 胡向东,魏琴芳.应用密码学教程.北京:电子工业出版社,2005.11?12 42 武汉理工大学硕士学位论文 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文 [1]陈实武.DELPHI在水资源无线监测系统中的应用.科技进步与对策.2005