嵌入式平台下的RFID数据处理终端系统

随着射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术和计算机技术的不断发展，RFID广泛应用于城市、住宅小区、企业公司、学校、医院等一卡通系统中，极大提高了人们的生活水平和工作质量。目前的RFID信息采集与处理多数采用8位单片机系统，如各种考勤机、门禁控制器、售饭机等，其功能单一化，数据处理能力有限。本设计采用ATMEL公司生产的ARM9系列芯片AT91SAM9260为核心处理器，实时采集RFID模块的数据信息，并对数据进行筛选、识别、保存，最后以TCP/IP、FTP方式上传至服务器供管理系统处理。外置USB摄像头可运行于实时视频监控或图片抓拍，抓拍的图片可保存于本地Flash存储器或SD卡中，方便管理人员对采集的信息进行核查，能有效监控在考勤或门禁系统中的作弊代刷卡现象，是有别于指纹考勤系统的另一种有效替代方案。下面介绍系统各组成模块的功能和实现方法。

1 系统硬件设计

1.1 ARM处理器AT91SAM9260

AT91SAM9260采用ARM926EJ-S内核，最高频率200 MIPS，具有7个USART，96个可编程I/O口，10 M/100 M以太网卡MAC层，12 Mb/s USB-DEVICE及USB-HOST，支持SDRAM的外部总线接口、闪存、NAND闪存。处理器的系统控制器提供完整的监视功能，其中包括8级优先级中断控制器、RC振荡器、PLL、实时周期中断和看门狗定时器、复位和关机控制器及备份寄存器[1]。该处理器件的这些特性使得系统硬件电路变得异常简洁。

1.2 系统构成

系统包括1个用于采集USB摄像头数据的USB-HOST接口，1个语音信息提示的IIS音频接口，1个RS232调试串口,2个用于接收RFID模块数据的UART1、UART2串行接口，1个以太网接口以及存储器接口和其他普通I/O接口。系统组成结构如图1所示。

1.3 外围接口

根据图1的系统结构图，着重介绍门禁控制、RFID模块和存储器接口的硬件实现。

1.3.1 门禁控制

在门禁控制系统中，RFID数据信息主要来自于韦根读卡器。其特点是数据传输可靠，传输距离远，在200 m范围内能可靠传输，其Wiegand(韦根)协议是由Motorola公司制定的一种通信协议，数据输出由2根线组成，分别为DATA0和DATA1，2根线分别将0或1输出：输出0时，DATA0线上出现负脉冲;输出1时，DATA1线上出现负脉冲。DATA0与DATA1分别与处理器的I/O口相连接，并将I/O口配置为输入电平变化中断方式，保证数据帧的可靠完整接收。

门禁输出控制采用MOSFET功率场效应管IFRZ44代替目前流行使用的继电器控制方式，克服了继电器所有的‘灵敏度差’、‘有动作噪音’、‘开闭次数多减少寿命’等缺点。IFRZ44的驱动电路如图2所示，其中IFRZ44工作于开关状态，将电控锁的电源连接到J4的两端，通过控制IFRZ44的开/关状态即可实现门闸的开/闭。

1.3.2 RFID模块

RFID数据采集模块包括：天线、RF发送电路及RF接收电路、解调电路、DSP处理电路、电源、外部通信接口等，其外部通信接口最终输出正确的卡片ID信息[2]。在一卡通系统中，通常采用成品模块，目前国内多采用支持频率为125 kHz的EM卡和13.56 MHz的Mifare卡的读卡模块。其中，Mifare卡内芯片可读/写数据，每个扇区独立加密，具备更好的安全性。

在本设计中，选用中国台湾Smart-way品牌的125 kHz-K4模块。该模块体积小，是专门设计用来读取EM 卡的读卡模块，射频距离约10 cm，外部通信接口采用RS232通信方式，通过电平转换电路后可直接与处理器的UART接口连接。根据不同的应用和需求，可将该模块更换为RS232通信方式的Mifare(M1)读写模块、远距离读卡模块、电子标签阅读器等，应用程序根据模块生产厂家提供的通信格式对卡片、电子标签等数据载体进行读写操作。

1.3.3 存储接口

系统使用2片SDRAM-K4S561632H组成32位64 MB的内存，以运行Linux操作系统和其他临时数据;使用1片64 MB的NandFlash-K8F1208作为物理存储器，存储系统程序代码、文件系统、配置参数等。NandFlash掉电数据不丢失，写(编程)和擦除速度快，适合大数据量的读取。在设计中，NandFlash的地址空间分配如图3所示。

图中，Cramfs为系统的启动根文件系统，是一个压缩格式的只读文件系统，当系统需要访问某个位置的数据时，马上计算出该数据在Cramfs中的位置，将它实时地解压缩到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据，节省了大部分的内存空间[3];Yaffs2文件系统是一种专门针对NandFlash的可读写文件系统，在意外断电等情况下不会丢失数据,此处用于保存人员档案数据、照片、RFID信息、系统配置参数等。

1.3.4 其他接口

采用简单的4×4矩阵键盘和128×64字符型液晶FM12864M作为人机界面，以减少系统成本。

系统的电源采用模块开关电源，输出+5V/3A和+12 V/1.2 A两组电源，用于控制系统供电和电锁供电。UPS电源可用于门禁系统中，以便在市电断开的情况下能继续维持整个系统的正常运行，提高门禁安全性。

2 系统软件设计

在嵌入式系统中，Linux操作系统以源代码开放、可裁剪、占用内存少、效率高、稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的API等众多优点，成为嵌入式软件平台的首选[4]。本设计采用Linux-2.6.22为内核的Linux操作系统为软件平台，在此基础上编写系统需要的各种驱动程序和应用程序。

2.1 USB摄像头驱动的移植

开源驱动spca5xx/gspca提供了对大部分主流摄像头的支持，还为摄像头提供了一个完整的网络应用程序，即servfox和spcaview程序，通过在Linux服务器端运行servfox，即可实时显示客户端spcaview程序采集USB摄相头视频流。由于gspca驱动不支持本系统采用的‘罗技灵迅版’USB摄像头型号，所以要添加修改相应的驱动程序。gspca驱动程序的核心代码是gspca_core.c和gspca.h两个文件，包括了设备注册、注销、各种操作方法集(定义了所支持的摄像头设备列表，设备检测和初始化，设备打开、参数设置、关闭等各种操作函数) [5]。由于‘罗技灵迅版’的VendorID(0x046d, 0x08af)、DSP型号(ZC3XX)、CMOS传感器型号(SENSOR_HV7131R)在gspca.h中均有定义,也有相关的芯片头文件,因此,只需改动gspca_core.c，把Easy/Cool摄像头的信息加入到其中即可。在摄像头型号检测的函数spcaDetectCamera( )中添加如下代码：

case 0x08af:

spca50x->desc =LogitechQC_EasyCool;

spca50x->bridge = BRIDGE_ZC3XX;

spca50x->sensor = SENSOR_HV7131B;

break;

即完成了对未知USB摄像头型号的扩展使用。

2.2 RFID数据采集与处理

RFID数据采集与处理流程图如图4所示。人员档案数据(如姓名、门禁权限等)统一存储在一个file.txt的文件中，作为数据识别进程的数据依据。假设采集到的RFID卡片ID信息为：1123776758，执行如下查找程序：

system('grep 1123776758 /user/file.txt');

判断该卡片ID信息是否合法。如果查找结果是该卡片ID信息为NULL，则应进行报警提示等处理;如果查找到的是该卡片ID信息对应的人员档案数据，则进行数据保存、开门、照片抓拍等。

RFID信息、采集时间、地点等数据按格式保存在一个*.txt 文件中，所采集的照片以.jpg文件格式保存。

最后，服务器通过以太网，与终端设备建立TCP/IP、FTP连接，终端设备将保存的文件上传至服务器供管理系统处理。上传成功的文件将从本地Flash中删除，本地Flash由于容量有限，采用轮循存储的办法，保存的数据超出50 MB后，将从存储范围的开始处往后覆盖原来的文件。

键盘、LCD12864、韦根接口、门禁控制接口均需在Linux下编写I/O口驱动程序，以模块动态加载的方式调试成功后,保存到Cramfs或Yaffs2文件系统中，启动时在/etc/init.d/rcS文件中执行动态加载命令insmod[6],使用mknod建立设备支点，这样应用程序便可以访问这些设备。

人机交互除了使用LCD和键盘外，本设计还采用了基于Web浏览器的交互方式，在用户端只需要通过Web浏览器输入设备的IP地址，就可以对嵌入式设备进行管理和监控，非常方便实用。在Linux环境下，Boa服务器是一个非常小巧和适用于嵌入式系统的Web服务器，支持CGI程序的执行。

本设计充分利用AT92SAM9260片上资源与智能一卡通系统终端的硬件需求相一致的优势，再以Linux为软件开发平台，实现了整个系统的集成化，具有通用性、低成本、体积小、操作方便、稳定可靠等优势。本系统还可扩展到餐饮消费、车库管理、会议签到等应用中，也适用于一般的嵌入式数据采集系统、监控系统等。