碧沙科技集裝箱電子封條（eSeal）專題報告

前言 

　　集裝箱數字化港口的特征是能夠實現自動識別、自動通關、自動簽封、自動裝卸、自動碼放、自動監控。其核心價值是提高集裝箱港口的安全管理水平和信息化水平。結合了RFID和微電子采控技術的集裝箱電子簽封（eSeal）系統將在這場數字化港口的大潮中扮演中樞角色。它能夠實現對集裝箱的自動化識別和對運輸過程中的物流信息實時跟蹤,消除錯箱和漏箱,大大加快集裝箱的通關速度,提高集裝箱運輸的工作效率,增強集裝箱運輸中的安全可靠性,從而全面提升集裝箱運輸的服務水平,真正構建具有國際先進水平的集裝箱數字化港口。伴隨全球數字化港口進程，將會產生數十億美元的eSeal系統先期市場和每年數億美元的運營市場。可以預見，eSeal不僅會大大提高全球集裝箱港口的吞吐量，而且會加快整個物流鏈的速度，并帶動相關產業的發展。 

　　隨著全球貿易的發展以及船舶容量的提高，每年大約有58億噸的貨物即全球貿易量80%通過海運進行，但只有大約5%的集裝箱會受到檢測。如何保護由46000只海洋船舶運往全球4000個港口的1100萬個集裝箱的安全，已成為眾人矚目的問題。 

     在美國全球反恐戰略部署中，已經提出了“集裝箱安全倡議”（CSI）。該倡議旨在建立一個保護全球海運集裝箱貿易安全的機制，2002年，CSI開始使用信息技術識別檢查集裝箱內的高危貨物，通過實時定位技術（RTLS）、電子標簽技術（RFID）以及傳感器技術，集裝箱安全系統將使集裝箱的整個運輸過程都處在智能化和網絡化的監控之中。這些舉措，不僅可以有效增強政府對貨物的監管，提高國家安全防護水平，而且也可以幫助貨主及時了解貨物的運輸狀態，因此，許多國家政府已經開始積極推動這一倡議的實施。 

　　2007年,中國成為全世界首個集裝箱吞吐量突破1億標準箱的國家。由于機械式Seal檢查僅靠人手操作，若改用電子封條，每年則可節省高達10億元人民幣的人手開支。現時，機械式Seal按流程需要檢查5次，而每次要耗費5分鐘時間，換言之每個貨柜共花上25分鐘作檢查，按￥25 /H人力成本計算, 每個貨柜的檢測費用就是10元人民幣。 

A．    eSeal概述
 
    古代人在進行傳遞物品文件時,為了證明在傳遞過程中物品未被盜用或偷視而把被傳遞物裝入封閉容器內,并用打開即破壞的紙條封閉在開口處,并在紙條上寫上簽封人和時間, 使得接貨人容易判定被傳遞物是否被動過,和封口條是否被偽造. 那種紙條就是封條.  

    這種紙封條在現在的節假日確證辦公室是否有人進入或確證案件現場是否被破壞時仍然采用. 

    伴隨集裝箱運輸業的誕生和發展，機械式Seal 應運而生。機械式Seal可以看成是一次性使用的鎖，在集裝箱起運前用機械Seal把箱鼻扣死，到達目的地時檢查機械Seal是否已破壞。如果Seal已破壞，即證實在運輸過程中集裝箱曾經打開過，從而貨主可依法要求承運方賠償；如果驗證Seal 完好，則承運方就可辦理交運手續完成該單業務。 

    典型的機械Seal如圖所示： 

　　機械Seal 使用簡便成本低廉，但其記錄信息少，防偽能力差, 運營費用高,不能自動化操作。 

　　現代 Container Seal 是確證集裝箱是在運輸過程中是否被開啟的設備.其特點特點如下: 

1. 可記錄運輸全程信息  

　　什么時候封簽，什么時候開封，什么時候進關，什么時候用幾號塔吊上船，什么時候用幾號塔吊卸船，什么時候出關。甚至可記錄運輸過程的溫度、壓力和濕度。  

2. 防偽能力強，安全度高。 

　　事件只寫一次，不能更改，理論上無偽造可能。 

3. 全自動化巡檢 

　　在巡檢車上即可檢查貨場中集裝箱狀態和定位信息并通過無線局域網傳遞到中心處理機或車載計算機。   

4. 運營費用比機械Seal 低。 

5. Container eSeal 的使用是一個系統而不只是一個產品. 

    到目前為止，世界上還沒有完全符合ISO18185 的Container eSeal產品。在國內數家公司研制出非ISO18185的Container eSeal產品。 

ISO18185 eSeal 工作示意圖：  

B．ISO18185標準介紹 

    ISO18185標準是由美國SAVI公司推動在2007年5月發布。該標準中的空中接口協議、防沖突算法、近場藕合定位等技術引用了SAVI公司的專利。所以，若制造商要制造符合ISO18185的產品就得向美國SAVI公司支付專利使用費。 

B.1技術特點 

　　雙頻雙協議（TYPE A 和TYPE B）Reader 和 Interrogator 只需滿足一套協議，但eSeal 必須同時滿足TYPE A 和TYPE B。兩套協議空中接口相互獨立，但數據定義和結構共享。 

B.2  TYPE A空中接口標準 

B.2.1  LRL長鏈路    433.92M UHF 頻段（Interrogator 或Reader 與eSeal 通訊） 

　　物理層 
　　載頻        433.92MHz 
　　調制        FSK 
　　調制深度    +/-35KHz 
　　低位符號    fc-35KHz 
　　高位符號    fc+35KHz 
　　調制數率    27.7KHz 
　　喚醒信號    30.0KHz    
 
脈沖波形 

數據塊格式 

     PREAMBLE+DATA+CRC+PACKET END  
　　PREAMBLE 由20個60us的脈沖和一個42us/54us（由eSeal發往Interrogator是 
42us，由Interrogator發往eSeal是54us）的高電平及一個54us的低電平構成。 
　　DATA 如上圖所示按曼徹斯特規則編碼。 
　　CRC生成多項式是X^16+X^12+X^5+1。  
　　PACKET END 由60us的連續低電平構成。 

B.2.2  TYPE A  SRL 短鏈路 123KHZ （LF Transmitter 到eSeal 通訊） 
　　物理層 

　　載頻    123~125KHz  
　　調制    OOK 
　　編碼    曼徹斯特 
　　調制數率 1.666KHz 
　　通訊距離 1~4米 

脈沖波形 

              前導由8個1200微秒周期的脈沖構成, 數據包之間用2個1200微秒周期的脈沖 
            分隔.數據包結尾：2個字節的CRC;     在CRC后面是至少1200微秒的    ”OFF”  
即無發射. 

B.3  TYPE B空中接口標準 
B.3.1  LRL長鏈路    2.4GHz ISM頻段（eSeal 到Reader 通訊） 
物理層 
　　頻率范圍    2400-2483.50MHz 
　　頻率精度    +/-25 PPM 
　　中心頻率    2441.750 MHz 
　　占用帶寬    60 MHz 
　　傳輸功率　　1類:10dBm EIRP max 
　　　　　　　　2類:當地法規允許的最大功率 
　　調制        BPSK 直接擴頻(DSSS) Direct Sequence Spread         Spectrum. 
　　數據編碼    差分編碼Differentially encoded 
　　位數率        59.7kb/s 
　　位誤碼率    0.001% 
　　PN chip rate 30.521875 MHz +/- 25 ppm 
　　PN 碼長    511 
　　PN 擴頻碼        0x1CB 
　　數據包長　　　Option 1: 56 bits 
　　　　　　　　　Option 2: 72 bits 
　　　　　　　　　Option 3: 88 bits 
　　　　　　　　　Option 4: 152 bits 
        CRC 多項式    G(x)=X12 + X11 + X3 + X2 + X + 1 
        突發包間隔        最小5 s （可編程） 
        突發包間隔隨機范圍     ±638 ms maximum 
        子突發包數       1 – 8 （可編程） 
        子突發包隨機間隔      125 ms ±16 maximum 

B.3.2  TYPE B  SRL 短鏈路 127 kHz  FSK（LF Transmitter 到eSeal 通訊） 
　　物理層 
　　信號頻率            114,688 kHz and 126,976 kHz 
　　位數率                2.048 kb/s 
　　符號周期            244.4 μs(1/2bit) 
　　誤碼率                0,001% 
　　開始同步             3符號周期 @ 114,688 kHz   
                               + 3符號周期 @ 126,976 kHz 
　　結束同步            3符號周期 @ 126,976 kH  
                              + 3符號周期 @ 114,688 kHz  
                位 “0”   1符號周期 @ 126,976 kH  
                               +    1符號周期 @ 114,688 kHz  
                  位 “1”   1符號周期 @ 114,688 kHz   
                                + 1符號周期 @ 126,976 kHz 

B.4 信息定義和數據結構（略） 

B.5 主要應用條件和環境要求 

B.5.1封條應以ISO 8601的定義 CCYYMMDDHHMM (UTC)的格式提供簽封/開封

日期和時間. 其每日誤差應小于 ±5 秒/天。 

B.5.2 讀取封條的可靠性應不小于 99,99%，精確性不小于 99,998%. 

B.5.3 電池的最低壽命限定為存貨兩年外加60天的航運期應有足夠電量。在此期間電池還可以承受1000次的采集應答。 此外，制造商還可用形象的“還可用日期”表示電池壽命。（依據ISO8601數據格式表示）. 
B.5.4 貯存溫度范圍：-51oC 到 + 85oC. 
B.5.5 工作溫度范圍：-40oC 到 +70oC 
B.6 數據保護（略）  

C．eSeal 射頻設計方案 

        eSeal 工作環境惡劣，它所擔當的角色決定了對它的高可靠性和低成本的要求。射頻前端設計是eSeal 的技術關鍵。 

C.1  RF-A+RF-B + MCU 方案 

　　該方案的特點是分別選用符合TYPE A LRL的RF IC 和符合TYPE B LRL 的RF IC加上MCU。初涉eSeal 的工程師都認為該方案容易上手，但實際上該方案不可行。一是雖可以找到合TYPE A LRL 的RF IC，但符合TYPE B LRL 的RF IC找不到。WiFi 芯片和Zigbee 芯片都不符合TYPE B LRL 的要求；二是該方案最終產品成本高，不能占領市場。 

C.2  [RF-A+RF-B + MCU] 方案 

　　該方案的特點是分別設計符合TYPE A LRL 的IP 和符合TYPE B LRL 的IP，并選用合適的MCU核，運用SOIP 技術將兩個RF IP 和MCU封裝在一片 IC 上，制成符合ISO18185 的雙頻雙協議的專用單片IC。 

　　該方案技術難度大，研制周期長，投入大風險高，不是最優方案。 

C.3  [RF-A+RF-B] + MCU 方案 

    該方案的特點是分別設計符合TYPE A LRL 的IP 和符合TYPE B LRL 的IP，運用SOIP 技術將兩個IP 封裝在一片 IC 上，制成符合ISO18185 的雙頻雙協議的RF IC，  外掛MCU。相比之下，該方案較C．2為優。技術難度較低，研制周期短，投入較小，風險相對低。[RF-A+RF-B]  IC 還可用于Container eSeal 以外的其它領域。 

C．4  非ISO18185方案 

    該方案完全不與ISO18185相干。射頻部分選用現成的RF IC，如 TI 的CC1100，Nordic 的 nR24L01 等RF IC，加上MCU構成單頻自定義單協議的eSeal 系統。事實上國內有數家 RF ID 制造商正是這樣做的。 

　　該方案投資小，技術門檻低，產品成本也低。但要推動成行業標準極其困難。需要特別指出的是，投資eSeal專用IC 要全盤考慮。單獨投資一片IC幾乎是注定要失敗的，必須作戰略方面的考量。介入IC產業需要持續投入才有可能找到在這個產業的一席之地。 

D．獨立發展集裝箱電子封條系統的關鍵技術 

　　ISO18185 是由美國SAVI公司推動的，其中包括SAVI公司和WhereNet公司的六項 專利。它是從美國利益和SAVI公司的利益出發，完全沒有考慮世界各國為此會多付出的代價。如按ISO18185制作出來的eSeal，其成本會高達 $20，遠遠高出航運界的心理承受價格$8。如果采用自定義技術，產品成本可控制在$4。但獨立發展集裝箱電子封條系統要有以下幾個條件： 

　　D.1 通訊協議，防沖突算法要有突破。 
　　D.2 產品整和方面要有突破。 
　　D.3 能夠得到國家或地區港務部門的支持，組建行業聯盟，共同推動新標準。    

關于碧沙科技

　　 碧沙科技是由香港寶榮集團(BIS Group)2003年投資創建，專業致力于石油,油田自動化設備的高科技公司。隨著市場的發展與變化，公司逐漸增強對RFID的重視，重點推動有源RFID產品的戰略研究。公司擁有瑞士技術合作伙伴的專業支持，并在深圳組建了一流的軟、硬件開發隊伍，配有先進的自動化生產線，專心致力于最高水準的產品設計與生產，并提供成功的解決方案。

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