基于北斗定位系統(tǒng)的智能海關(guān)物流鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊 玥，張 越，吳韶波，趙卓凡，于競妍，吳輝祥

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)全球化和對外開放不斷深化的大時(shí)代趨勢下，各國之間的貿(mào)易往來空前繁榮。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國貨物貿(mào)易進(jìn)出口總值為39.1 萬億元，比2020 年增長21.4%。其中，出口21.73 萬億元，增長21.2%；進(jìn)口17.37 萬億元，增長21.5%。與2019 年相比，我國外貿(mào)進(jìn)出口、出口、進(jìn)口分別增長23.9%、26.1%、21.2%。隨著進(jìn)出口貿(mào)易的增加，海關(guān)對于貿(mào)易貨物的安全檢查及物流跟蹤就顯得尤為重要，海關(guān)鎖就是實(shí)現(xiàn)監(jiān)管的工具之一。

海關(guān)鎖是監(jiān)管單位、物流公司實(shí)時(shí)掌握物流動向，以提高通關(guān)或查驗(yàn)的效率的工具；也是海關(guān)對轉(zhuǎn)關(guān)貨物及運(yùn)輸海關(guān)監(jiān)管貨物進(jìn)行安全性檢測以及保證貨物在運(yùn)輸過程中安全性的工具。在幫助保護(hù)使用者財(cái)物安全的同時(shí)，提供專屬于海關(guān)的開鎖方式幫助海關(guān)工作人員檢查、跟蹤貨物。

目前市場上多采用傳統(tǒng)海關(guān)物流鎖。傳統(tǒng)海關(guān)物流鎖是出海關(guān)上鎖、入海關(guān)解鎖；通過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對貨物運(yùn)輸全過程位置信息實(shí)現(xiàn)不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警。而傳統(tǒng)海關(guān)物流鎖多采用GPS 技術(shù)，開鎖方式為較為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪密碼，且不具備其他功能，過于單一，不僅安全性有很大的隱患，消費(fèi)者對于海關(guān)鎖的開啟情況也無法得知，不能滿足現(xiàn)有使用需求。因此，本文結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平和市場現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于北斗定位系統(tǒng)的智能海關(guān)鎖，相對于GPS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在保障安全性的前提下，也保證了準(zhǔn)確性；同時(shí)增加了多種開關(guān)鎖方式與便利的檢查監(jiān)督機(jī)制，為海關(guān)系統(tǒng)以及物流公司的工作提供進(jìn)一步的技術(shù)支持。

1 智能海關(guān)物流鎖系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于北斗定位系統(tǒng)的智能海關(guān)物流鎖主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)時(shí)定位：利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位物流位置，實(shí)時(shí)更新物流情況。

（2）智能開關(guān)鎖：支持人臉、指靜脈、密碼、RFID 等多種方式開關(guān)鎖，使開鎖方式智能化。

（3）安全機(jī)制：采用動態(tài)密碼，實(shí)時(shí)記錄開關(guān)鎖的位置、開關(guān)鎖的歷史，同時(shí)發(fā)現(xiàn)異常開鎖情況可報(bào)警處理。

（4）物流信息管理：鎖上二維碼記錄物流品名、規(guī)格、重量、數(shù)量等申報(bào)數(shù)據(jù)，海關(guān)可隨時(shí)掃碼獲取數(shù)據(jù)以檢查。

（5）線上監(jiān)督：物流信息通過手機(jī)端實(shí)時(shí)更新。

智能海關(guān)物流鎖系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)利用STM32F407 作為主控板，使用北斗定位模塊進(jìn)行位置采集，將位置信息通過EC200 模塊TCP 透傳到上位機(jī)；采用RC522（RFID）模塊、指靜脈識別模塊、按鍵矩陣、Maix Bit K210 人臉識別模塊實(shí)現(xiàn)開鎖功能；采用Zxing 二維碼庫進(jìn)行二維碼編碼，運(yùn)用ERSA 算法生成動態(tài)二維碼，記錄貨物信息提供海關(guān)核驗(yàn)；上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到阿里云，采用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)阿里云與移動端互聯(lián)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 具體功能實(shí)現(xiàn)

硬件基于STM32F407 進(jìn)行開發(fā)，軟件基于微信小程序開發(fā)工具開發(fā)，利用阿里云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合、雙端配合。智能海關(guān)物流鎖具體功能流程如圖2 所示。

圖2 功能流程

2.1 基于北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位

本文選用的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、自主運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用主動式雙向測距二維導(dǎo)航，定位精度為分米、厘米級別，測速精度為0.2 m/s，授時(shí)精度10 ns，在亞太地區(qū)具有服務(wù)可用性，定位精度水平5 m，高程5 m[1-2]；具備定位與通信功能，不需要其他通信系統(tǒng)支持，且覆蓋范圍廣，幾乎沒有通信盲區(qū)，同時(shí)安全、可靠、穩(wěn)定、保密性強(qiáng)。

初始化GNSS 北斗定位模塊功能，獲取GNSS 北斗定位工作狀態(tài)；開啟定位功能后，可以采集到定位數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度、海拔、授時(shí)、速度等信息，將采集的信息通過串口協(xié)議發(fā)送至單片機(jī)，而后單片機(jī)對接收到的格式位置進(jìn)行解析和處理，采用位置轉(zhuǎn)化工具將獲取的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化到地圖上。

將定位信息采用TCP 協(xié)議通過EC200U 模塊透傳到阿里云服務(wù)器。EC200U 是移遠(yuǎn)通信推出的LTECat.1 無線通信模塊，將EC200U 連接到STM32F407，下載USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動，添加option 驅(qū)動并配置VID 和PID 信息。EC200U 模塊加載成功后，進(jìn)入AT 端口發(fā)送AT 指令撥號上網(wǎng)，ping 網(wǎng)頁連接成功，說明聯(lián)網(wǎng)成功。聯(lián)網(wǎng)成功即可將采集并轉(zhuǎn)化的位置信息使用TCP 透傳協(xié)議上傳至阿里云服務(wù)器，阿里云通過MQTT 協(xié)議上傳至軟件端，可實(shí)現(xiàn)用戶在線上客戶端時(shí)刻監(jiān)測物流位置信息。北斗定位系統(tǒng)獲取位置信息架構(gòu)如圖3所示。

圖3 北斗定位系統(tǒng)獲取位置信息架構(gòu)

2.2 智能解鎖

海關(guān)集裝箱在運(yùn)輸過程中需要全程鎖死，要求海關(guān)鎖具有以下特征：（1）安全性：需要特定密碼或工具打開；（2）高效性：隨著海關(guān)貨物量增大，提高通關(guān)效率成為迫切需要解決的問題。

由此，考慮到可以對海關(guān)鎖的密碼解鎖以及安全機(jī)制進(jìn)行升級，以提高海關(guān)集裝箱通關(guān)效率與安全性。

在用戶開鎖時(shí)，可以選擇指靜脈、人臉、動態(tài)密碼、RFID 等多種智能方式進(jìn)行開鎖，對開鎖流程進(jìn)行簡單化。

2.2.1 指靜脈識別開鎖

指靜脈識別技術(shù)是利用近紅外線穿透手指后所得的指紋靜脈紋路進(jìn)行個(gè)人識別的方式，指靜脈識別的特征為身體內(nèi)部特征，不可泄露，難以竊取，偽造難度極高[3-4]；具有穩(wěn)定性與唯一性。它是一種活體識別技術(shù)，只有活體手指可以通過識別。因此，指靜脈鎖是目前最安全的、精度最高的鎖。

利用紅外線CCD 攝像頭、繼電器驅(qū)動模塊搭建指靜脈密碼。采用較為常見的指靜脈識別儀采集用戶指靜脈分布圖；采用專業(yè)算法提取特征值；在解鎖時(shí)利用近紅外光照射，采用CCD 攝像頭獲取手指靜脈圖；系統(tǒng)將開鎖時(shí)所采集的指靜脈信息與指靜脈網(wǎng)中的用戶信息進(jìn)行比對，判斷是否為同一指靜脈，若匹配成功則開鎖，若多次未成功則啟動鎖定模式以保護(hù)用戶物品信息。

2.2.2 人臉識別開鎖

采用Maix Bit 和K210 進(jìn)行人臉識別，將K210 攝像頭和8 bit LCD 顯示屏接到對應(yīng)的Maix Bit 外設(shè)接口上，將Maix Bit 模塊TX 引腳連接STM32F407 的PB11；RX 引腳連接單片機(jī)PB10。插入sd 卡以存儲屏幕字庫與人臉信息，使用klash_gui 軟件燒錄人臉識別模型到開發(fā)板，訓(xùn)練模型。用戶需預(yù)先在操作端進(jìn)行信息入庫，將人臉信息、身份信息等存儲到后臺服務(wù)器中進(jìn)行身份驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后即完成信息采集工作。

當(dāng)用戶使用人臉識別開鎖時(shí)，開啟攝像頭，運(yùn)行人臉檢測模型，在LCD 顯示屏中找到人臉位置并框出人臉；再將裁出的人臉圖片轉(zhuǎn)換成kpu 接收的格式，運(yùn)行人臉5 點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)模型，獲取到左眼、右眼、鼻子、左嘴角、右嘴角的位置；對原始人臉圖片進(jìn)行仿射變換，變換為正臉圖像，將正臉圖像轉(zhuǎn)為kpu 格式，使用人臉196 維特征值模型計(jì)算正臉圖片的196 維特征值，計(jì)算得到最終的人臉特征[5-6]；再將得到的人臉特征與之前用戶錄入過的人臉特征進(jìn)行對比，得到一組分?jǐn)?shù)，選擇其中最大的一個(gè)分?jǐn)?shù)，且該分?jǐn)?shù)超過85 分就認(rèn)為識別出該人，即可成功開鎖，若多次人臉識別得到分?jǐn)?shù)低于85 分，匹配不成功則開啟鎖定模式進(jìn)行物品保護(hù)。

為了降低生物特征解鎖方式帶來的安全隱患，使用者可以根據(jù)貨物的自身情況對其解鎖方式進(jìn)行自由設(shè)置，必要時(shí)可以設(shè)置雙重解鎖的方式進(jìn)行用戶認(rèn)證，以確保貨物的安全。

2.2.3 動態(tài)密碼開鎖

支持發(fā)送動態(tài)密碼至手機(jī)來查看解鎖。關(guān)于動態(tài)密碼，用戶可通過手機(jī)進(jìn)入微信小程序，確認(rèn)用戶信息，用戶身份認(rèn)證成功后，系統(tǒng)會隨機(jī)生成動態(tài)密碼。然后在小程序上輸入用戶獲得的動態(tài)密碼，向其發(fā)出合法的開鎖授權(quán)，并保存用戶開鎖的記錄，最終實(shí)現(xiàn)了用戶對海關(guān)鎖的解鎖，一定程度上可以避免浪費(fèi)時(shí)間去回憶數(shù)字密碼或密碼丟失等情況發(fā)生。另外，通過物聯(lián)網(wǎng)LoRa 無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手機(jī)端遠(yuǎn)程控制開鎖與關(guān)鎖。

2.2.4 RFID 開鎖

對于海關(guān)檢查，利用RFID 技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙來解鎖，采用RC522 射頻模塊來實(shí)現(xiàn)。射頻模塊識別到IC 卡并進(jìn)行防撞處理后，當(dāng)判斷ID 號與系統(tǒng)設(shè)置的一致時(shí)，即可產(chǎn)生輸出電信號，并傳送到STM32F407 單片機(jī)，將輸出電信號轉(zhuǎn)化為指令信號，STM32F407 微處理器內(nèi)部的PWM 單元根據(jù)指令信號產(chǎn)生PWM 信號，驅(qū)動舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到開鎖的動作。

在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，RC522 模塊中共有8 個(gè)引腳，除去3.3 V 電源，GND 接地，RST 端連接單片機(jī)引腳PE15 實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，IRQ 端懸空，SCK 時(shí)鐘端連接單片機(jī)引腳PDO以提供時(shí)鐘信號；剩余3 個(gè)引腳中SDA 連接單片機(jī)引腳PD14，MOSI 連接單片機(jī)引腳PE7，MISO 連接單片機(jī)引腳PE9，起數(shù)據(jù)傳輸作用。

由于射頻卡讀卡模塊及感應(yīng)體構(gòu)成的特定系統(tǒng)中，射頻卡內(nèi)碼信號唯一且不可復(fù)制，因此射頻卡在杜絕了非法復(fù)制密碼、保障貨物安全性的同時(shí)，還為各種控制系統(tǒng)采用信息化管理方式創(chuàng)造了條件。

2.3 物流信息管理

二維碼生成：是某種特定的幾何圖，按照一定的規(guī)律，并且是在二維方向上，以黑白相間的方式記錄數(shù)據(jù)符號信息。類似于在計(jì)算機(jī)中的0 和1，二維碼是把黑白兩種顏色點(diǎn)按一定順序分布，并存儲相關(guān)信息。

采用Geogle 開源的Zxing 二維碼庫進(jìn)行二維碼編碼，運(yùn)用ERSA 算法生成動態(tài)的二維碼。對于二維碼容錯(cuò)級別參數(shù)ERROR_CORRECTION，該參數(shù)分為4 個(gè)等級：L、M、Q、H，等級越高，容錯(cuò)率越高，識別速度越低。如果一個(gè)角被損壞，容錯(cuò)率高的也很有可能被識別出來。因此選用高容錯(cuò)率H，即二維碼缺失部分信息仍可識別，避免了在貨物運(yùn)輸中二維碼出現(xiàn)剮蹭痕跡而不易識別的問題[7-8]。

用戶在小程序端進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證并輸入提前制定的密碼后，需將動態(tài)二維碼和智能海關(guān)物流鎖的ID 與自己的小程序賬戶綁定，有效保證信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕⒃俅翁砑颖救硕ㄎ?、本人簽名、身份證號碼、手機(jī)號碼、現(xiàn)場信息照片（水印包含經(jīng)緯度、時(shí)間），便可以在軟件端添加物品信息；同時(shí)，中途檢查人員也可以經(jīng)過相同驗(yàn)證流程[9-10]，檢查物品是否完好，并上傳至小程序備案。

利用二維碼記錄物流品名、規(guī)格、重量、數(shù)量等申報(bào)數(shù)據(jù)，海關(guān)便可通過隨時(shí)掃碼獲取物品的數(shù)據(jù)以便于實(shí)現(xiàn)高效檢查，系統(tǒng)會將二維碼中的scene 值傳遞給后端服務(wù)器，后端服務(wù)器根據(jù)該場景值再做處理邏輯；后端處理完成后，可根據(jù)其觸發(fā)的場景值直接定位到用戶物品信息界面，有效保障了用戶的隱私安全；同時(shí)動態(tài)二維碼支持線上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)物流信息的精確管理，有利于進(jìn)行線上監(jiān)督，可實(shí)時(shí)核對檢查是否有逃稅漏稅、逃商檢等行為，保障貨物物品合法進(jìn)出境。

2.4 線上監(jiān)督

基于物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議，微信小程序和Web端為客戶端，阿里云服務(wù)器上安裝開源EMQX 服務(wù)器為代理服務(wù)器，通過代理服務(wù)器中轉(zhuǎn)微信小程序即可接收到數(shù)據(jù)信息。MQTT通信模式如圖4 所示。

圖4 MQTT 通信模式

對于物流鎖的相關(guān)信息，通過Web 端發(fā)布消息，EMQX代理服務(wù)器中轉(zhuǎn)，微信小程序接收數(shù)據(jù)。用戶可在小程序端查看物流位置、開關(guān)鎖的位置、開關(guān)鎖的歷史，即可在軟件端實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常開鎖的情況，即可進(jìn)行警報(bào)處理并通過LoRa 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離鎖定?？偠灾悄芎ｊP(guān)物流鎖為我國的海關(guān)系統(tǒng)以及物流公司都提供了可靠、安全的服務(wù)。部分軟件展示圖如圖5 所示。

圖5 部分軟件展示圖

3 結(jié) 語

基于北斗系統(tǒng)的智能海關(guān)鎖實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、便捷開鎖、查驗(yàn)貨物流程簡化的目的，在保證貨物安全運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，增加了海關(guān)貨物檢查、跟蹤的效率，保障了進(jìn)出口貨物的安全性，有較高的應(yīng)用價(jià)值。雖然針對智能開鎖提出了一系列解決方案，并優(yōu)化了開鎖的便捷性，但對于開鎖的絕對安全性沒有較好的解決方式，如人臉識別開鎖存在盜用人臉信息的隱患，并且由于開鎖模式的多元化，模塊的體積也相應(yīng)增長。進(jìn)一步優(yōu)化開鎖安全性、縮小智能鎖體積，將是下一步研究的重點(diǎn)。