摘? 要： 介紹一種以AT91SAM9260處理器和Linux嵌入式操作系統(tǒng)為平臺的RFID信息采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用AT91SAM9260芯片豐富的標準接口資源，集門禁、考勤、監(jiān)控為一體，以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，完成了RFID數(shù)據(jù)信息和USB攝像頭照片數(shù)據(jù)的采集、保存與TCP/IP遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。介紹了系統(tǒng)的硬件組成原理、軟件設(shè)計方案和實現(xiàn)方法，為射頻識別技術(shù)在智能一卡通系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種先進的解決方案。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 射頻識別； USB攝像頭； 一卡通
?
隨著射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID廣泛應(yīng)用于城市、住宅小區(qū)、企業(yè)公司、學校、醫(yī)院等一卡通系統(tǒng)中，極大提高了人們的生活水平和工作質(zhì)量。目前的RFID信息采集與處理多數(shù)采用8位單片機系統(tǒng)，如各種考勤機、門禁控制器、售飯機等，其功能單一化，數(shù)據(jù)處理能力有限。本設(shè)計采用ATMEL公司生產(chǎn)的ARM9系列芯片AT91SAM9260為核心處理器，實時采集RFID模塊的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進行篩選、識別、保存，最后以TCP/IP、FTP方式上傳至服務(wù)器供管理系統(tǒng)處理。外置USB攝像頭可運行于實時視頻監(jiān)控或圖片抓拍，抓拍的圖片可保存于本地Flash存儲器或SD卡中，方便管理人員對采集的信息進行核查，能有效監(jiān)控在考勤或門禁系統(tǒng)中的作弊代刷卡現(xiàn)象，是有別于指紋考勤系統(tǒng)的另一種有效替代方案。下面介紹系統(tǒng)各組成模塊的功能和實現(xiàn)方法。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1 ARM處理器AT91SAM9260
AT91SAM9260采用ARM926EJ-S內(nèi)核，最高頻率200 MIPS，具有7個USART，96個可編程I/O口，10 M/100 M以太網(wǎng)卡MAC層，12 Mb/s USB-DEVICE及USB-HOST，支持SDRAM的外部總線接口、閃存、NAND閃存。處理器的系統(tǒng)控制器提供完整的監(jiān)視功能，其中包括8級優(yōu)先級中斷控制器、RC振蕩器、PLL、實時周期中斷和看門狗定時器、復位和關(guān)機控制器及備份寄存器[1]。該處理器件的這些特性使得系統(tǒng)硬件電路變得異常簡潔。
1.2 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)包括1個用于采集USB攝像頭數(shù)據(jù)的USB-HOST接口，1個語音信息提示的IIS音頻接口，1個RS232調(diào)試串口,2個用于接收RFID模塊數(shù)據(jù)的UART1、UART2串行接口，1個以太網(wǎng)接口以及存儲器接口和其他普通I/O接口。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
?
1.3 外圍接口
根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，著重介紹門禁控制、RFID模塊和存儲器接口的硬件實現(xiàn)。
1.3.1 門禁控制
在門禁控制系統(tǒng)中，RFID數(shù)據(jù)信息主要來自于韋根讀卡器。其特點是數(shù)據(jù)傳輸可靠，傳輸距離遠，在200 m范圍內(nèi)能可靠傳輸，其Wiegand(韋根)協(xié)議是由Motorola公司制定的一種通信協(xié)議，數(shù)據(jù)輸出由2根線組成，分別為DATA0和DATA1，2根線分別將0或1輸出：輸出0時，DATA0線上出現(xiàn)負脈沖；輸出1時，DATA1線上出現(xiàn)負脈沖。DATA0與DATA1分別與處理器的I/O口相連接，并將I/O口配置為輸入電平變化中斷方式，保證數(shù)據(jù)幀的可靠完整接收。
門禁輸出控制采用MOSFET功率場效應(yīng)管IFRZ44代替目前流行使用的繼電器控制方式，克服了繼電器所有的“靈敏度差”、“有動作噪音”、“開閉次數(shù)多減少壽命”等缺點。IFRZ44的驅(qū)動電路如圖2所示，其中IFRZ44工作于開關(guān)狀態(tài)，將電控鎖的電源連接到J4的兩端，通過控制IFRZ44的開/關(guān)狀態(tài)即可實現(xiàn)門閘的開/閉。
1.3.2 RFID模塊
RFID數(shù)據(jù)采集模塊包括：天線、RF發(fā)送電路及RF接收電路、解調(diào)電路、DSP處理電路、電源、外部通信接口等，其外部通信接口最終輸出正確的卡片ID信息[2]。在一卡通系統(tǒng)中，通常采用成品模塊，目前國內(nèi)多采用支持頻率為125 kHz的EM卡和13.56 MHz的Mifare卡的讀卡模塊。其中，Mifare卡內(nèi)芯片可讀/寫數(shù)據(jù)，每個扇區(qū)獨立加密，具備更好的安全性。
在本設(shè)計中，選用中國臺灣Smart-way品牌的125 kHz-K4模塊。該模塊體積小，是專門設(shè)計用來讀取EM 卡的讀卡模塊，射頻距離約10 cm，外部通信接口采用RS232通信方式，通過電平轉(zhuǎn)換電路后可直接與處理器的UART接口連接。根據(jù)不同的應(yīng)用和需求，可將該模塊更換為RS232通信方式的Mifare(M1)讀寫模塊、遠距離讀卡模塊、電子標簽閱讀器等，應(yīng)用程序根據(jù)模塊生產(chǎn)廠家提供的通信格式對卡片、電子標簽等數(shù)據(jù)載體進行讀寫操作。
1.3.3 存儲接口
系統(tǒng)使用2片SDRAM-K4S561632H組成32位64 MB的內(nèi)存，以運行Linux操作系統(tǒng)和其他臨時數(shù)據(jù)；使用1片64 MB的NandFlash-K8F1208作為物理存儲器，存儲系統(tǒng)程序代碼、文件系統(tǒng)、配置參數(shù)等。NandFlash掉電數(shù)據(jù)不丟失，寫（編程）和擦除速度快，適合大數(shù)據(jù)量的讀取。在設(shè)計中，NandFlash的地址空間分配如圖3所示。
圖中，Cramfs為系統(tǒng)的啟動根文件系統(tǒng)，是一個壓縮格式的只讀文件系統(tǒng)，當系統(tǒng)需要訪問某個位置的數(shù)據(jù)時，馬上計算出該數(shù)據(jù)在Cramfs中的位置，將它實時地解壓縮到內(nèi)存之中，然后通過對內(nèi)存的訪問來獲取文件系統(tǒng)中需要讀取的數(shù)據(jù)，節(jié)省了大部分的內(nèi)存空間[3]；Yaffs2文件系統(tǒng)是一種專門針對NandFlash的可讀寫文件系統(tǒng)，在意外斷電等情況下不會丟失數(shù)據(jù),此處用于保存人員檔案數(shù)據(jù)、照片、RFID信息、系統(tǒng)配置參數(shù)等。
1.3.4 其他接口
采用簡單的4×4矩陣鍵盤和128×64字符型液晶FM12864M作為人機界面，以減少系統(tǒng)成本。
系統(tǒng)的電源采用模塊開關(guān)電源，輸出+5V/3A和+12 V/1.2 A兩組電源，用于控制系統(tǒng)供電和電鎖供電。UPS電源可用于門禁系統(tǒng)中，以便在市電斷開的情況下能繼續(xù)維持整個系統(tǒng)的正常運行，提高門禁安全性。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在嵌入式系統(tǒng)中，Linux操作系統(tǒng)以源代碼開放、可裁剪、占用內(nèi)存少、效率高、穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標準豐富的API等眾多優(yōu)點，成為嵌入式軟件平臺的首選[4]。本設(shè)計采用Linux-2.6.22為內(nèi)核的Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，在此基礎(chǔ)上編寫系統(tǒng)需要的各種驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。
2.1? USB攝像頭驅(qū)動的移植
開源驅(qū)動spca5xx/gspca提供了對大部分主流攝像頭的支持，還為攝像頭提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，即servfox和spcaview程序，通過在Linux服務(wù)器端運行servfox，即可實時顯示客戶端spcaview程序采集USB攝相頭視頻流。由于gspca驅(qū)動不支持本系統(tǒng)采用的“羅技靈迅版”USB攝像頭型號，所以要添加修改相應(yīng)的驅(qū)動程序。gspca驅(qū)動程序的核心代碼是gspca_core.c和gspca.h兩個文件，包括了設(shè)備注冊、注銷、各種操作方法集(定義了所支持的攝像頭設(shè)備列表，設(shè)備檢測和初始化，設(shè)備打開、參數(shù)設(shè)置、關(guān)閉等各種操作函數(shù)) [5]。由于“羅技靈迅版”的VendorID（0x046d, 0x08af）、DSP型號(ZC3XX)、CMOS傳感器型號(SENSOR_HV7131R)在gspca.h中均有定義,也有相關(guān)的芯片頭文件,因此,只需改動gspca_core.c，把Easy/Cool攝像頭的信息加入到其中即可。在攝像頭型號檢測的函數(shù)spcaDetectCamera( )中添加如下代碼：
case 0x08af:
spca50x->desc =LogitechQC_EasyCool;
spca50x->bridge = BRIDGE_ZC3XX;
spca50x->sensor = SENSOR_HV7131B;
break;
即完成了對未知USB攝像頭型號的擴展使用。
2.2? RFID數(shù)據(jù)采集與處理
RFID數(shù)據(jù)采集與處理流程圖如圖4所示。人員檔案數(shù)據(jù)（如姓名、門禁權(quán)限等）統(tǒng)一存儲在一個file.txt的文件中，作為數(shù)據(jù)識別進程的數(shù)據(jù)依據(jù)。假設(shè)采集到的RFID卡片ID信息為：1123776758，執(zhí)行如下查找程序：
system('grep 1123776758 /user/file.txt');
判斷該卡片ID信息是否合法。如果查找結(jié)果是該卡片ID信息為NULL，則應(yīng)進行報警提示等處理；如果查找到的是該卡片ID信息對應(yīng)的人員檔案數(shù)據(jù)，則進行數(shù)據(jù)保存、開門、照片抓拍等。
RFID信息、采集時間、地點等數(shù)據(jù)按格式保存在一個*.txt 文件中，所采集的照片以.jpg文件格式保存。
最后，服務(wù)器通過以太網(wǎng)，與終端設(shè)備建立TCP/IP、FTP連接，終端設(shè)備將保存的文件上傳至服務(wù)器供管理系統(tǒng)處理。上傳成功的文件將從本地Flash中刪除，本地Flash由于容量有限，采用輪循存儲的辦法，保存的數(shù)據(jù)超出50 MB后，將從存儲范圍的開始處往后覆蓋原來的文件。
鍵盤、LCD12864、韋根接口、門禁控制接口均需在Linux下編寫I/O口驅(qū)動程序，以模塊動態(tài)加載的方式調(diào)試成功后,保存到Cramfs或Yaffs2文件系統(tǒng)中，啟動時在/etc/init.d/rcS文件中執(zhí)行動態(tài)加載命令insmod[6],使用mknod建立設(shè)備支點，這樣應(yīng)用程序便可以訪問這些設(shè)備。
人機交互除了使用LCD和鍵盤外，本設(shè)計還采用了基于Web瀏覽器的交互方式，在用戶端只需要通過Web瀏覽器輸入設(shè)備的IP地址，就可以對嵌入式設(shè)備進行管理和監(jiān)控，非常方便實用。在Linux環(huán)境下，Boa服務(wù)器是一個非常小巧和適用于嵌入式系統(tǒng)的Web服務(wù)器，支持CGI程序的執(zhí)行。
本設(shè)計充分利用AT92SAM9260片上資源與智能一卡通系統(tǒng)終端的硬件需求相一致的優(yōu)勢，再以Linux為軟件開發(fā)平臺，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的集成化，具有通用性、低成本、體積小、操作方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。本系統(tǒng)還可擴展到餐飲消費、車庫管理、會議簽到等應(yīng)用中，也適用于一般的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。
參考文獻
[1] ?Atmel Co.AT91SAM9260 user’s mannual(revision 6221D)[M]. 2007.
[2] ?武國強，呂伯權(quán). 基于嵌入式Linux的便攜式RFID信息采集與處理系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2006,32(10).
[3] ?馮國進. 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2008.
[4] ?孫瓊. Linux應(yīng)用程序開發(fā)詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.
[5] ?徐偉，譚樹人. 基于AT91RM9260的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息，2006(12).
[6] ?CONRBET J, RUBINI A, HARTMAN G K. Linux device?drivers third editon[M]. O’Reilly Media, 2005.