集装箱电子封条（eSeal）专题报告

前言

集装箱数字化港口的特征是能够实现自动识别、自动通关、自动签封、自动装卸、自动码放、自动监控。其核心价值是提高集装箱港口的安全管理水平和信息化水平。结合了RFID和微电子采控技术的集装箱电子签封（eSeal）系统将在这场数字化港口的大潮中扮演中枢角色。它能够实现对集装箱的自动化识别和对运输过程中的物流信息实时跟踪,消除错箱和漏箱,大大加快集装箱的通关速度,提高集装箱运输的工作效率,增强集装箱运输中的安全可靠性,从而全面提升集装箱运输的服务水平,真正构建具有国际先进水平的集装箱数字化港口。伴随全球数字化港口进程，将会产生数十亿美元的eSeal系统先期市场和每年数亿美元的运营市场。可以预见，eSeal不仅会大大提高全球集装箱港口的吞吐量，而且会加快整个物流链的速度，并带动相关产业的发展。

随着全球贸易的发展以及船舶容量的提高，每年大约有58亿吨的货物即全球贸易量80%通过海运进行，但只有大约5%的集装箱会受到检测。如何保护由46000只海洋船舶运往全球4000个港口的1100万个集装箱的安全，已成为众人瞩目的问题。

在美国全球反恐战略部署中，已经提出了“集装箱安全倡议”（CSI）。该倡议旨在建立一个保护全球海运集装箱贸易安全的机制，2002年，CSI开始使用信息技术识别检查集装箱内的高危货物，通过实时定位技术（RTLS）、电子标签技术（RFID）以及传感器技术，集装箱安全系统将使集装箱的整个运输过程都处在智能化和网络化的监控之中。这些举措，不仅可以有效增强政府对货物的监管，提高国家安全防护水平，而且也可以帮助货主及时了解货物的运输状态，因此，许多国家政府已经开始积极推动这一倡议的实施。

2007年,中国成为全世界首个集装箱吞吐量突破1亿标准箱的国家。由于机械式Seal检查仅靠人手操作，若改用电子封条，每年则可节省高达10亿元人民币的人手开支。现时，机械式Seal按流程需要检查5次，而每次要耗费5分钟时间，换言之每个货柜共花上25分钟作检查，按￥25 /H人力成本计算, 每个货柜的检测费用就是10元人民币。

A．& nbsp;eSeal概述

古代人在进行传递物品文件时,为了证明在传递过程中物品未被盗用或偷视而把被传递物装入封闭容器内,并用打开即破坏的纸条封闭在开口处,并在纸条上写上签封人和时间, 使得接货人容易判定被传递物是否被动过,和封口条是否被伪造. 那种纸条就是封条。

这种纸封条在现在的节假日确证办公室是否有人进入或确证案件现场是否被破坏时仍然采用。

伴随集装箱运输业的诞生和发展，机械式Seal 应运而生。机械式Seal可以看成是一次性使用的锁，在集装箱起运前用机械Seal把箱鼻扣死，到达目的地时检查机械Seal是否已破坏。如果Seal已破坏，即证实在运输过程中集装箱曾经打开过，从而货主可依法要求承运方赔偿；如果验证Seal 完好，则承运方就可办理交运手续完成该单业务。

典型的机械Seal如图所示：

& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;
机械Seal 使用简便成本低廉，但其记录信息少，防伪能力差, 运营费用高,不能自动化操作。

现代 Container Seal 是确证集装箱是在运输过程中是否被开启的设备.其特点特点如下:

& nbsp; 1. 可记录运输全程信息
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 什么时候封签，什么时候开封，什么时候进关，什么时候用几号塔吊上船，什么时候用几号塔吊卸船，什么时候出关。甚至可记录运输过程的温度、压力和湿度。
& nbsp; 2. 防伪能力强，安全度高。
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 事件只写一次，不能更改，理论上无伪造可能。
& nbsp; 3. 全自动化巡检
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 在巡检车上即可检查货场中集装箱状态和定位信息并通过无线局域网传递到中心处理机或车载计算机。
& nbsp; 4. 运营费用比机械Seal 低。
& nbsp; 5. Container eSeal 的使用是一个系统而不只是一个产品.

到目前为止，世界上还没有完全符合ISO18185 的Container eSeal产品。在国内数家公司研制出非ISO18185的Container eSeal产品。

ISO18185 eSeal 工作示意图：

B．ISO18185标准介绍

ISO18185标准是由美国SAVI公司推动在2007年5月发布。该标准中的空中接口协议、防冲突算法、近场藕合定位等技术引用了SAVI公司的专利。所以，若制造商要制造符合ISO18185的产品就得向美国SAVI公司支付专利使用费。

B．1技术特点

双频双协议（TYPE A 和TYPE B）Reader 和 Interrogator 只需满足一套协议，但eSeal
必须同时满足TYPE A 和TYPE B。两套协议空中接口相互独立，但数据定义和结构共享。

B．2& nbsp; TYPE A空中接口标准

B．2．1& nbsp; LRL长链路& nbsp;433.92M UHF 频段（Interrogator 或Reader 与eSeal 通讯）
物理层
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 载频& nbsp;& nbsp;433.92MHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 调制& nbsp;& nbsp;FSK
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 调制深度& nbsp;+/-35KHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 低位符号& nbsp;fc-35KHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 高位符号& nbsp;fc+35KHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 调制数率& nbsp;27.7KHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 唤醒信号& nbsp;30.0KHz& nbsp;
脉冲波形

& nbsp;

数据块格式
& nbsp;& nbsp;PREAMBLE+DATA+CRC+PACKET END
& nbsp;& nbsp;& nbsp;PREAMBLE 由20个60us的脉冲和一个42us/54us（由eSeal发往Interrogator是
42us，由Interrogator发往eSeal是54us）的高电平及一个54us的低电平构成。
& nbsp;& nbsp;DATA 如上图所示按曼彻斯特规则编码。
& nbsp;& nbsp;CRC生成多项式是X^16+X^12+X^5+1。
& nbsp;& nbsp;PACKET END 由60us的连续低电平构成。

B．2．2& nbsp; TYPE A& nbsp; SRL 短链路 123KHZ （LF Transmitter 到eSeal 通讯）
物理层
载频& nbsp;123~125KHz
调制& nbsp;OOK
编码& nbsp;曼彻斯特
调制数率 1.666KHz
通讯距离 1~4米
脉冲波形
& nbsp;

& nbsp;
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;前导由8个1200微秒周期的脉冲构成, 数据包之间用2个1200微秒周期的脉冲
& nbsp;& nbsp;& nbsp;分隔.数据包结尾：2个字节的CRC;& nbsp; 在CRC后面是至少1200微秒的& nbsp;& nbsp;& nbsp; ”OFF”
即无发射.
B．3& nbsp; TYPE B空中接口标准
B．3．1& nbsp; LRL长链路& nbsp;2.4GHz ISM频段（eSeal 到Reader 通讯）
物理层
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;频率范围& nbsp;2400-2483.50MHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;频率精度& nbsp;+/-25 PPM
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;中心频率& nbsp;2441.750 MHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;占用带宽& nbsp;60 MHz
& nbsp;& nbsp;传输功率& nbsp;1类:10dBm EIRP max
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;2类:当地法规允许的最大功率
& nbsp;& nbsp;调制& nbsp;& nbsp;BPSK 直接扩频(DSSS) Direct Sequence Spread & nbsp;& nbsp;Spectrum.
& nbsp;& nbsp;数据编码& nbsp;差分编码Differentially encoded
& nbsp;& nbsp;位数率& nbsp;& nbsp;59.7kb/s
& nbsp;& nbsp;位误码率& nbsp;0.001%
& nbsp;& nbsp;PN chip rate 30.521875 MHz +/- 25 ppm
& nbsp;& nbsp;PN 码长& nbsp;511
& nbsp;& nbsp;PN 扩频码& nbsp;& nbsp;0x1CB
& nbsp;& nbsp;数据包长& nbsp;& nbsp;Option 1: 56 bits
Option 2: 72 bits
Option 3: 88 bits
Option 4: 152 bits
& nbsp;& nbsp;CRC 多项式& nbsp;G(x)=X12 + X11 + X3 + X2 + X + 1
& nbsp;& nbsp;突发包间隔& nbsp;& nbsp;最小5 s （可编程）
& nbsp;& nbsp;突发包间隔随机范围& nbsp; ±638 ms maximum
& nbsp;& nbsp;子突发包数& nbsp;& nbsp; & nbsp;1 – 8 （可编程）
& nbsp;& nbsp;子突发包随机间隔& nbsp; & nbsp;125 ms ±16 maximum

B．3．2& nbsp; TYPE B& nbsp; SRL 短链路 127 kHz& nbsp; FSK（LF Transmitter 到eSeal 通讯）
& nbsp;& nbsp;物理层
& nbsp;& nbsp; & nbsp;信号频率& nbsp;& nbsp;& nbsp;114,688 kHz and 126,976 kHz
& nbsp;& nbsp; & nbsp;位数率& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;2.048 kb/s
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;符号周期& nbsp;& nbsp;& nbsp;244.4 μs(1/2bit)
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;误码率& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;0,001%
& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;开始同步 & nbsp;& nbsp;& nbsp;3符号周期 @ 114,688 kHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; + 3符号周期 @ 126,976 kHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;结束同步& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;3符号周期 @ 126,976 kH
& nbsp; & nbsp;& nbsp; +& nbsp;3符号周期 @ 114,688 kHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;位 “0”& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;1符号周期 @ 126,976 kH
& nbsp; & nbsp;& nbsp; +& nbsp;1符号周期 @ 114,688 kHz
& nbsp; & nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;位 “1”& nbsp; & nbsp;1符号周期 @ 114,688 kHz
& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; + 1符号周期 @ 126,976 kHz
B．4 信息定义和数据结构（略）
B．5 主要应用条件和环境要求
B．5．1封条应以ISO 8601的定义 CCYYMMDDHHMM (UTC)的格式提供签封/开封
日期和时间. 其每日误差应小于 ±5 秒/天。
B．5．2 读取封条的可靠性应不小于 99,99%，精确性不小于 99,998%.
B．5．3 电池的最低寿命限定为存货两年外加60天的航运期应有足够电量。在此期间
电池还可以承受1000次的采集应答。 此外，制造商还可用形象的“还可用日期”表示电池寿命。（依据ISO8601数据格式表示）.
B．5．4 贮存温度范围：-51oC 到 + 85oC.
B．5．5 工作温度范围：-40oC 到 +70oC
B．6 数据保护（略）

C．eSeal 射频设计方案
& nbsp;eSeal 工作环境恶劣，它所担当的角色决定了对它的高可靠性和低成本的要求。射频
& nbsp;前端设计是eSeal 的技术关键。
C．1& nbsp; RF-A+RF-B + MCU 方案
该方案的特点是分别选用符合TYPE A LRL的RF IC 和符合TYPE B LRL 的RF IC
加上MCU。初涉eSeal 的工程师都认为该方案容易上手，但实际上该方案不可行。一是虽可以找到合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；二是该方案最终产品成本高，不能占领市场。
C．2& nbsp; [RF-A+RF-B + MCU] 方案
该方案的特点是分别设计符合TYPE A LRL 的IP 和符合TYPE B LRL 的IP，并选用合适的MCU核，运用SOIP 技术将两个RF IP 和MCU封装在一片 IC 上，制成符合ISO18185 的双频双协议的专用单片IC。
该方案技术难度大，研制周期长，投入大风险高，不是最优方案。
C．3& nbsp; [RF-A+RF-B] + MCU 方案
该方案的特点是分别设计符合TYPE A LRL 的IP 和符合TYPE B LRL 的IP，运用
SOIP 技术将两个IP 封装在一片 IC 上，制成符合ISO18185 的双频双协议的RF IC，
外挂MCU。
相比之下，该方案较C．2为优。技术难度较低，研制周期短，投入较小，风险相对低。[RF-A+RF-B]& nbsp; IC 还可用于Container eSeal 以外的其它领域。
C．4& nbsp; 非ISO18185方案
该方案完全不与ISO18185相干。射频部分选用现成的RF IC，如 TI 的CC1100，
Nordic 的 nR24L01 等RF IC，加上MCU构成单频自定义单协议的eSeal 系统。事实
上国内有数家 RF ID 制造商正是这样做的。
该方案投资小，技术门槛低，产品成本也低。但要推动成行业标准极其困难。
& nbsp;需要特别指出的是，投资eSeal专用IC 要全盘考虑。单独投资一片IC几乎是注定
& nbsp;要失败的，必须作战略方面的考量。介入IC产业需要持续投入才有可能找到在这个产业
& nbsp;的一席之地。

D．独立发展集装箱电子封条系统的关键技术
& nbsp;& nbsp;ISO18185 是由美国SAVI公司推动的，其中包括SAVI公司和WhereNet公司的六项
& nbsp;专利。它是从美国利益和SAVI公司的利益出发，完全没有考虑世界各国为此会多付出的
& nbsp;代价。如按ISO18185制作出来的eSeal，其成本会高达 $20，远远高出航运界的心理承
& nbsp;受价格$8。如果采用自定义技术，产品成本可控制在$4。但独立发展集装箱电子封条系
& nbsp;统要有以下几个条件：
& nbsp;D．1 通讯协议，防冲突算法要有突破。
D．2 产品整和方面要有突破。
& nbsp;D．3 能够得到国家或地区港务部门的支持，组建行业联盟，共同推动新标准。

E．结束语

碧沙科技是由香港宝荣集团(BIS Group)2003年投资创建，专业致力于推动有源RFID系统及产品的研制，在深圳组建了一流的软、硬件开发队伍，配有先进的自动化生产线，专心致力于高水准的产品研发与生产。

2005年，公司在国内首先推出2.45GHz有源RFID电子标签和读写器，采用当今先进的0.18um的芯片技术，开创了远距离识别技术的新纪元。其低功耗特性，使之能在高危场合广泛运用，如油田、矿井、易燃易爆区域等。

2006年，碧沙科技的 Container eSeal 工作小组开始运行，目前已掌握了ISO18185 的技术实现，并对独立发展Container eSeal系统进行了深入研究。在通讯协议、防冲突算法和产品整和方面均有突破，目前正积极寻求合作伙伴共同推动eSeal的产业发展。