基于嵌入式Linux的RFID安检系统的设计

 　　RFID（射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境下。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。非接触IC卡是目前RFID系统中最常用的一种电子标签，它诞生于20世纪90年代初，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识技术和IC卡技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。由于存在着磁卡和接触式IC卡不可比拟的优点，使之一经问世，便立即引起广泛的关注，并以惊人的速度得到推广应用，如我国的第二代公民身份证、公交卡、ETC免停车付费卡等。可以说RFID技术越来越多地应用到我国身份安检、质量安检、车辆安检、执法安检等诸多安检系统中。
 
　　本文就是针对安检系统这种工程背景下RFID通信的应用开发。现在一般的RFID通信都基于串口，串口因其通用性、方面性和优良性能得到了广泛的应用。由于安检系统中往往涉及大量重要数据的读取、通信以及实时更新，因此数据库技术的引入必不可少。同时本文选择了Linux操作系统，众所周知Linux同Windows相比性能更安全、更可靠，而且Linux还是一款免费的代码开源的操作系统，裁减内核更方便、快捷，与其他操作系统相比有着许多独特的优势，更加适合用作嵌入式操作系统。

1 系统结构介绍
 
　　RFID安检系统主要包括RFID前段读写器、嵌入式Linux终端两大部分。

　　其中嵌入式终端的CPU采用ARM9内核，内核执行速率达几百兆赫兹，可以很好地满足RFID数据的读取和存储。由于嵌入式系统一般是一个经过裁剪、资源极其有限的系统，因此对于安检系统中涉及到的大量数据只能存取到外围存储设备中，本方案中的SD卡模块正是用来存储数据库的，当RFID读写器读取到指定数据，便在SD卡中的相关数据库文件中查询，并根据查询结果做出相关反应并及时更新本地数据库。

2 Linux下串口的开发
 
　　在Linux下对串口进行配置、打开、读写等一系列的操作其使用方式与文件操作一样，区别在于串口是一个终端设备[1]。Linux中的串口设备文件存放于/dev目录下，其中串口1、串口2一般对应设备名依次为“/dev/ttyS0”、“/dev/ttyS1”。在使用串口之前必须设置相关配置，包括波特率、数据位、校验位、停止位等。

　　串口设置由下面结构体实现：
　　Struct termios {
　　tcflag_t  c_iflag;        /* input flags */
　　tcflag_t  c_oflag;        /* output flags*/
　　tcflag_t  c_cflag;        /*control flags */
　　tcflag_t  c_lflag;        /* local  flags */
　　tcflag_t  c_cc[NCSS];    /* control characters */
　　}
　　按照串口配置流程，对termios结构体设置相关参数，当串口按自己的设置要求配置成功后，即可将串口当做普通I/O文件，使用read和write函数对串口进行读取。

3 sqlite3数据库的应用开发
    
　　sqlite3数据库是一种嵌入式数据库，其目标是尽量简单，因此抛弃了传统企业级数据库的种种复杂特性，只实现对于数据库而言必备的功能。尽管简单性是sqlite3追求的首要目标，但是其功能和性能都非常出色，具有支持SQL92标准、所有数据存放到单独的文件中支持的最大文件可达2 TB、数据库可以在不同字节的机器之间共享、体积小、系统开销小、检索效率高、支持多种计算机语言、源码开放，并且可以用于任何合法用途等特性。

3.1 sqlite3数据库的移植

　　sqlite3数据库的移植过程如下所述：
　　(1)首先从sqlite官网上下载最新的sqlite3源码包；

　　(2)解压源码包，并进入解压目录：
　　tar -zxvf sqlite-3.6.23.1.tar.gz
　　cd sqlite-3.6.23.1

　　(3)配置Configure脚本，使用相关选项生成编译文件Makefile文件：
　　./configure–-enable-share –-prefix=./sqlite-3.6.23.1/result –-host=arm-linux
　　选项 -enable-share指定使用Linux的共享库
　　选项 -prefix指定了安装目录为./sqlite-3.6.23.1/result
　　选项 -host指定了编译环境为目标机为arm的交叉编译环境

　　(4)交叉编译，生成嵌入式终端下数据库的管理程序和库文件, 最终在result目录下得到数据库管理程序sqlite3（相当于Windows下Access程序），提供编程所需的API的动态库libsqlite3.so.0.8.6，编程所需的头文件sqlite3ext.h sqlite3.h。交叉编译的命令如下：
　　Make
　　Make install

　　(5)将数据库管理程序sqlite3、提供编程所需的API的动态库libsqlite3.so.0.8.6及其1个软链接拷贝到开发板根文件系统相应位置，分别在嵌入式终端的/usr/bin和/usr/lib这两个目录下，命令如下：
　　Cp result/bin/sqlite3  /arm-linux/usr/bin
　　Cp –l result/lib/libsqlite3.so*  /arm-linux/usr/lib

　　(6)为了能在开发机上编译，调用了sqlite3数据库的API的应用程序，需要将动态库libsqlite3.so.0.8.6及其2个软链接、2个头文件拷贝到交叉编译工具链所在目录的适当位置，至此sqlite3数据库的移植和开发环境的配置已完成。只要输入SQL语言便可以进行相关操作。

3.2 Linux下sqlite3的C语言开发
    
　　sqlite3里最常用到的是sqlite3 *类型。从数据库打开时开始，sqlite3就要为这个类型准备好内存，直到数据库关闭，整个过程都需要用到这个类型。数据库打开时起，这个类型的变量就代表了所要操作的数据库。
　　(1)打开数据库API接口函数
　　int sqlite3_open(文件名, sqlite3 *);
　　用这个函数开始数据库操作。需要传入两个参数，其中之一是数据库文件名，例如：/home/test.db文件名不需要一定存在，如果此文件不存在，sqlite3会自动建立；如果存在，就尝试把它当数据库文件打开。
　　sqlite3 * 参数即前面提到的关键数据结构。函数返回值表示操作是否正确，如果是SQLITE_OK则表示操作正常。相关的返回值sqlite3定义了一些宏，具体这些宏的含义可以参考sqlite3.h文件。
    
　　(2)关闭数据库API接口函数
　　int sqlite3_close(sqlite3 *);
　　如果前面用sqlite3_open开启了一个数据库，结尾时不要忘了用这个函数关闭数据库。
    
　　(3)执行SQL语句API接口
　　由于嵌入式sqlite3数据库支持SQL语言，因而调用C中相关执行函数就如同在终端下操作数据库一样方面快捷，下面是具体的API函数：
　　这就是执行一条sql语句的函数。
　　Int sqlite3_exec(sqlite3 * db, const char *sql,sqlite3_callback,Void * ,char ** errmsg);
　　参数1是调用打开数据库函数sqlite3_open()打开的数据库对象。
　　参数2 是一条待执行的SQL语句，其语法格式同标准SQL语言规范一样，如创建 table时插入的记录如下：
　　create table student(id varchar(10) primary key, age smallint);
　　此语句创建了名为student的表，表中定义了id（学号）和年纪两个变量，其中id是主键。
　　Insert into student values(12345678,21);
　　此语句向student表中插入一组数据（12345678,21）,其中学号为12345678,学生年龄为21。
　　对于数据库的其他操作，如数据库更新、修改、查找等用法同上。
　　参数3 sqlite3_callback是自定义的回调函数，对执行结果的每一行都执行一次这个函数。
　　参数4 void *是调用者所提供的指针，你可以传递任何一个指针参数到这里，这个参数最终会传到回调函数里，如果不需要传递指针给回调函数，可以填NULL。
　　参数5 char ** errmsg是错误信息。sqlite3里面有很多固定的错误信息。执行sqlite3_exec之后，如果执行失败则可以查阅这个指针，即可知道执行过程中错误发生的位置。

3.3 串口同sqlite3通信测试与分析
    
　　为了验证sqlite3数据库在嵌入式Linux[3-4]终端下的执行效率和稳定性，为此做了一个简单的测试实验：通过上位机程序向嵌入式Linux终端的串口定时发送字符串；嵌入式Linux终端接收到字符串便立即写入到下位机的数据库中。自后查看数据中的数据，看看有没有遗漏和误码。上位机的程序使用VC6.0开发，整个程序界面只设了一个按键，按下按键，上位机就向嵌入式Linux终端不停地发送字符串数据,按键响应程序设计如下：

void CSendDlg::OnButton_Click()
{
   state=1;
   while(1)
   {
    str.Format("第%3d条记录",state);//格式化字符串格式
    m_Port.WriteToPort(str,str.GetLength());//向串口发送字符串
        state++;
    Sleep(100);//延时100 ms
   }
　　可见程序是个定时100 ms便发送一条字符串的循环，而且发送的每一条字符串事先通过str.Format格式化为固定长度，本例中是11 B。按下按键后发送的第一条字符串为：“第1条记录”，每发送一条字符串里面的数字加“1”，这样写到数据库中就可以很清楚地查看有没有遗漏和误码，而且可以通过修改Sleep函数的延时参数检测出嵌入式Linux终端下sqlite3数据库操作的速度。
    
　　下位机嵌入式Linux终端的程序设计为：先创建一个数据库文件test.db,接着就是一个死循环，串口不停地查找有没有数据写入，当检测到数据时，便写入到test.db中，若写入有误，则立即跳出循环，终止程序。
char sql[100]="create table receive(name varchar(40))";
qlite3_open("/var/sd/test.db",&db);    //在SD卡中创建
test.db文件
sqlite3_exec(db,sql,0,0,&errmsg);    //在test.db文件中插入
表receiver
fd=open_port(fd,1)//打开串口1
set_opt(fd,9600,8,'N',1)//配置串口属性，开始通信
while(1)
{
        n=0;
        i=0;
        bzero(read_buf, sizeof(read_buf));
        if( (n=read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) <=0)
            Continue;//未读到数据则继续查找串口
    printf("recever %d wordsn",n);//输出读到的字符数
        sprintf(sql,"insert into receive values(%s)",read_buf);
    result =sqlite3_exec(db,sql,0,0,&errmsg);//插入数据
到数据库中
        if(result==SQLITE_OK)
      printf("第%3d条数据写入成功n",++i);
//若插入成功则提示
    else break;//若插入不成功，则跳出循环
}  

　　整个测试根据上位机串口发送的频率不同做了多组实验，每组实验写入1 000个数据，最终结果分析如下：上位机在定时80 ms左右或大于80 ms的情况下发送数据时，数据库写入的误码率为零；当定时时间小于80 ms时，随着定时时间变小误码率会越来越高。通过数据分析可知原因有以下几点：一是数据库本身写入需用时几十毫秒，二是SD卡并非高速读写设备，当数据还未完全写入数据库时若有新数据发过来，则下次读写将会发生难以估计的错误。实验还得出了当把数据库文件写入到系统Flash上的总耗时约为50 ms，比写入SD卡中约少30 ms。不过就80 ms左右的一次读写速度而言，嵌入式数据库sqlite3执行效率和稳定性非常可观，现在一般的RFID读写器通过串口执行一条指令的时间也需几十毫秒的时间，因而使用sqlite3数据库在执行速率和稳定性上对于安检系统中RFID读写数据的处理可以很好地达到要求，而且sqlite3还支持数据加密，安全性同样非常出色。
    
　　本文介绍了此RFID安检系统的硬件框架和软件设计，实现了RFID安检系统基于嵌入式Linux下的串口通信以及数据库的应用。最后通过实验证明并确定了其在速率、稳定性方面的可行性，对于当今大多数RFID安检系统的开发具有一定的参考价值。