基于ARM9內(nèi)核和讀寫器實(shí)現(xiàn)RFID安檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

RFID（射頻識(shí)別）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境下。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽， 操作快捷方便。非接觸IC卡是目前RFID系統(tǒng)中最常用的一種電子標(biāo)簽，它誕生于20世紀(jì)90年代初，是世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。由于存在著磁卡和接觸式IC卡不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使之一經(jīng)問(wèn)世，便立即引起廣泛的關(guān)注，并以驚人的速度得到推廣應(yīng)用，如我國(guó)的第二代公民身份證、公交卡、ETC免停車付費(fèi)卡等?？梢哉f(shuō)RFID技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到我國(guó)身份安檢、質(zhì)量安檢、車輛安檢、執(zhí)法安檢等諸多安檢系統(tǒng)中。

本文就是針對(duì)安檢系統(tǒng)這種工程背景下RFID通信的應(yīng)用開發(fā)?，F(xiàn)在一般的RFID通信都基于串口，串口因其通用性、方面性和優(yōu)良性能得到了廣泛的應(yīng)用。由于安檢系統(tǒng)中往往涉及大量重要數(shù)據(jù)的讀取、通信以及實(shí)時(shí)更新，因此數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的引入必不可少。同時(shí)本文選擇了Linux操作系統(tǒng)，眾所周知Linux同Windows相比性能更安全、更可靠，而且Linux還是一款免費(fèi)的代碼開源的操作系統(tǒng)，裁減內(nèi)核更方便、快捷，與其他操作系統(tǒng)相比有著許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更加適合用作嵌入式操作系統(tǒng)。

1、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

RFID安檢系統(tǒng)主要包括RFID前段讀寫器、嵌入式Linux終端兩大部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中嵌入式終端的CPU采用ARM9內(nèi)核，內(nèi)核執(zhí)行速率達(dá)幾百兆赫茲，可以很好地滿足RFID數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)。由于嵌入式系統(tǒng)一般是一個(gè)經(jīng)過(guò)裁剪、資源極其有限的系統(tǒng)，因此對(duì)于安檢系統(tǒng)中涉及到的大量數(shù)據(jù)只能存取到外圍存儲(chǔ)設(shè)備中，本方案中的SD卡模塊正是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的，當(dāng)RFID讀寫器讀取到指定數(shù)據(jù)，便在SD卡中的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中查詢，并根據(jù)查詢結(jié)果做出相關(guān)反應(yīng)并及時(shí)更新本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

2、 Linux下串口的開發(fā)

在Linux下對(duì)串口進(jìn)行配置、打開、讀寫等一系列的操作其使用方式與文件操作一樣，區(qū)別在于串口是一個(gè)終端設(shè)備。Linux中的串口設(shè)備文件存放于/dev目錄下，其中串口1、串口2一般對(duì)應(yīng)設(shè)備名依次為＂/dev/ttyS0＂、＂/dev/ttyS1＂。在使用串口之前必須設(shè)置相關(guān)配置，包括波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等。

串口開發(fā)的流程和串口開發(fā)過(guò)程中串口配置的流程分別如圖2（a）、圖2（b）所示。

串口設(shè)置由下面結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)：

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，對(duì)termios結(jié)構(gòu)體設(shè)置相關(guān)參數(shù)，當(dāng)串口按自己的設(shè)置要求配置成功后，即可將串口當(dāng)做普通I/O文件，使用read和write函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀取。

3、 sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用開發(fā)

sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，其目標(biāo)是盡量簡(jiǎn)單，因此拋棄了傳統(tǒng)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)的種種復(fù)雜特性，只實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)而言必備的功能。盡管簡(jiǎn)單性是sqlite3追求的首要目標(biāo)，但是其功能和性能都非常出色，具有支持SQL92標(biāo)準(zhǔn)、所有數(shù)據(jù)存放到單獨(dú)的文件中支持的最大文件可達(dá)2 TB、數(shù)據(jù)庫(kù)可以在不同字節(jié)的機(jī)器之間共享、體積小、系統(tǒng)開銷小、檢索效率高、支持多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、源碼開放，并且可以用于任何合法用途等特性。

3.1 sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)的移植

sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)的移植過(guò)程如下所述：

（1）首先從sqlite官網(wǎng)上下載最新的sqlite3源碼包；

（2）解壓源碼包，并進(jìn)入解壓目錄：

tar -zxvf sqlite-3.6.23.1.tar.gz

cd sqlite-3.6.23.1

（3）配置Configure腳本，使用相關(guān)選項(xiàng)生成編譯文件Makefile文件：

。/configure–-enable-share –-prefix=。/sqlite-3.6.23.1/result –-host=arm-linux

選項(xiàng) -enable-share指定使用Linux的共享庫(kù)

選項(xiàng) -prefix指定了安裝目錄為。/sqlite-3.6.23.1/result

選項(xiàng) -host指定了編譯環(huán)境為目標(biāo)機(jī)為arm的交叉編譯環(huán)境

（4）交叉編譯，生成嵌入式終端下數(shù)據(jù)庫(kù)的管理程序和庫(kù)文件， 最終在result目錄下得到數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序sqlite3（相當(dāng)于Windows下Access程序），提供編程所需的API的動(dòng)態(tài)庫(kù)libsqlite3.so.0.8.6，編程所需的頭文件sqlite3ext.h sqlite3.h。交叉編譯的命令如下：

Make

Make install

（5）將數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序sqlite3、提供編程所需的API的動(dòng)態(tài)庫(kù)libsqlite3.so.0.8.6及其1個(gè)軟鏈接拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)相應(yīng)位置，分別在嵌入式終端的/usr/bin和/usr/lib這兩個(gè)目錄下，命令如下：

Cp result/bin/sqlite3 /arm-linux/usr/bin

Cp –l result/lib/libsqlite3.so* /arm-linux/usr/lib

（6）為了能在開發(fā)機(jī)上編譯，調(diào)用了sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)的API的應(yīng)用程序，需要將動(dòng)態(tài)庫(kù)libsqlite3.so.0.8.6及其2個(gè)軟鏈接、2個(gè)頭文件拷貝到交叉編譯工具鏈所在目錄的適當(dāng)位置，至此sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)的移植和開發(fā)環(huán)境的配置已完成。只要輸入SQL語(yǔ)言便可以進(jìn)行相關(guān)操作。

3.2 Linux下sqlite3的C語(yǔ)言開發(fā)

sqlite3里最常用到的是sqlite3 *類型。從數(shù)據(jù)庫(kù)打開時(shí)開始，sqlite3就要為這個(gè)類型準(zhǔn)備好內(nèi)存，直到數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)閉，整個(gè)過(guò)程都需要用到這個(gè)類型。數(shù)據(jù)庫(kù)打開時(shí)起，這個(gè)類型的變量就代表了所要操作的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（1）打開數(shù)據(jù)庫(kù)API接口函數(shù)

int sqlite3_open（文件名， sqlite3 *）;

用這個(gè)函數(shù)開始數(shù)據(jù)庫(kù)操作。需要傳入兩個(gè)參數(shù)，其中之一是數(shù)據(jù)庫(kù)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會(huì)自動(dòng)建立；如果存在，就嘗試把它當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)文件打開。

sqlite3 * 參數(shù)即前面提到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。函數(shù)返回值表示操作是否正確，如果是SQLITE_OK則表示操作正常。相關(guān)的返回值sqlite3定義了一些宏，具體這些宏的含義可以參考sqlite3.h文件。

（2）關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)API接口函數(shù)

int sqlite3_close（sqlite3 *）;

如果前面用sqlite3_open開啟了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)尾時(shí)不要忘了用這個(gè)函數(shù)關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）執(zhí)行SQL語(yǔ)句API接口

由于嵌入式sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)支持SQL語(yǔ)言，因而調(diào)用C中相關(guān)執(zhí)行函數(shù)就如同在終端下操作數(shù)據(jù)庫(kù)一樣方面快捷，下面是具體的API函數(shù)：

這就是執(zhí)行一條sql語(yǔ)句的函數(shù)。

Int sqlite3_exec（sqlite3 * db， const char *sql，sqlite3_callback，Void * ，char ** errmsg）;

參數(shù)1是調(diào)用打開數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)sqlite3_open（）打開的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象。

參數(shù)2 是一條待執(zhí)行的SQL語(yǔ)句，其語(yǔ)法格式同標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)言規(guī)范一樣，如創(chuàng)建 table時(shí)插入的記錄如下：

create table student（id varchar（10） primary key， age smallint）;

此語(yǔ)句創(chuàng)建了名為student的表，表中定義了id（學(xué)號(hào)）和年紀(jì)兩個(gè)變量，其中id是主鍵。

Insert into student values（12345678，21）;

此語(yǔ)句向student表中插入一組數(shù)據(jù)（12345678，21），其中學(xué)號(hào)為12345678，學(xué)生年齡為21。

對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的其他操作，如數(shù)據(jù)庫(kù)更新、修改、查找等用法同上。

參數(shù)3 sqlite3_callback是自定義的回調(diào)函數(shù)，對(duì)執(zhí)行結(jié)果的每一行都執(zhí)行一次這個(gè)函數(shù)。

參數(shù)4 void *是調(diào)用者所提供的指針，你可以傳遞任何一個(gè)指針參數(shù)到這里，這個(gè)參數(shù)最終會(huì)傳到回調(diào)函數(shù)里，如果不需要傳遞指針給回調(diào)函數(shù)，可以填NULL。

參數(shù)5 char ** errmsg是錯(cuò)誤信息。sqlite3里面有很多固定的錯(cuò)誤信息。執(zhí)行sqlite3_exec之后，如果執(zhí)行失敗則可以查閱這個(gè)指針，即可知道執(zhí)行過(guò)程中錯(cuò)誤發(fā)生的位置。

3.3 串口同sqlite3通信測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)在嵌入式Linux［3-4］終端下的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性，為此做了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試實(shí)驗(yàn)：通過(guò)上位機(jī)程序向嵌入式Linux終端的串口定時(shí)發(fā)送字符串；嵌入式Linux終端接收到字符串便立即寫入到下位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。自后查看數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，看看有沒(méi)有遺漏和誤碼。上位機(jī)的程序使用VC6.0開發(fā)，整個(gè)程序界面只設(shè)了一個(gè)按鍵，按下按鍵，上位機(jī)就向嵌入式Linux終端不停地發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)，按鍵響應(yīng)程序設(shè)計(jì)如下：

void CSendDlg：：OnButton_Click（）

{

state=1;

while（1）

{

str.Format（＂第%3d條記錄＂，state）;//格式化字符串格式

m_Port.WriteToPort（str，str.GetLength（））;//向串口發(fā)送字符串

state++;

Sleep（100）;//延時(shí)100 ms

}

可見(jiàn)程序是個(gè)定時(shí)100 ms便發(fā)送一條字符串的循環(huán)，而且發(fā)送的每一條字符串事先通過(guò)str.Format格式化為固定長(zhǎng)度，本例中是11 B。按下按鍵后發(fā)送的第一條字符串為：＂第1條記錄＂，每發(fā)送一條字符串里面的數(shù)字加＂1＂，這樣寫到數(shù)據(jù)庫(kù)中就可以很清楚地查看有沒(méi)有遺漏和誤碼，而且可以通過(guò)修改Sleep函數(shù)的延時(shí)參數(shù)檢測(cè)出嵌入式Linux終端下sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)操作的速度。

下位機(jī)嵌入式Linux終端的程序設(shè)計(jì)為：先創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件test.db，接著就是一個(gè)死循環(huán)，串口不停地查找有沒(méi)有數(shù)據(jù)寫入，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)，便寫入到test.db中，若寫入有誤，則立即跳出循環(huán)，終止程序。

char sql［100］=＂create table receive（name varchar（40））＂;

qlite3_open（＂/var/sd/test.db＂，&db）;//在SD卡中創(chuàng)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）//打開串口1

set_opt（fd，9600，8，＇N＇，1）//配置串口屬性，開始通信

while（1）

{

n=0;

i=0;

bzero（read_buf， sizeof（read_buf））;

if（ （n=read（fd， read_buf， sizeof（read_buf）））

Continue;//未讀到數(shù)據(jù)則繼續(xù)查找串口

printf（＂recever %d words ＂，n）;//輸出讀到的字符數(shù)

sprintf（sql，＂insert into receive values（%s）＂，read_buf）;

result =sqlite3_exec（db，sql，0，0，errmsg）;//插入數(shù)據(jù)

到數(shù)據(jù)庫(kù)中

if（result==SQLITE_OK）

printf（＂第%3d條數(shù)據(jù)寫入成功＂，++i）;

//若插入成功則提示

else break;//若插入不成功，則跳出循環(huán)

}

測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

整個(gè)測(cè)試根據(jù)上位機(jī)串口發(fā)送的頻率不同做了多組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)寫入1 000個(gè)數(shù)據(jù)，最終結(jié)果分析如下：上位機(jī)在定時(shí)80 ms左右或大于80 ms的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)寫入的誤碼率為零；當(dāng)定時(shí)時(shí)間小于80 ms時(shí)，隨著定時(shí)時(shí)間變小誤碼率會(huì)越來(lái)越高。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知原因有以下幾點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)庫(kù)本身寫入需用時(shí)幾十毫秒，二是SD卡并非高速讀寫設(shè)備，當(dāng)數(shù)據(jù)還未完全寫入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)若有新數(shù)據(jù)發(fā)過(guò)來(lái)，則下次讀寫將會(huì)發(fā)生難以估計(jì)的錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)還得出了當(dāng)把數(shù)據(jù)庫(kù)文件寫入到系統(tǒng)Flash上的總耗時(shí)約為50 ms，比寫入SD卡中約少30 ms。不過(guò)就80 ms左右的一次讀寫速度而言，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)sqlite3執(zhí)行效率和穩(wěn)定性非?？捎^，現(xiàn)在一般的RFID讀寫器通過(guò)串口執(zhí)行一條指令的時(shí)間也需幾十毫秒的時(shí)間，因而使用sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)在執(zhí)行速率和穩(wěn)定性上對(duì)于安檢系統(tǒng)中RFID讀寫數(shù)據(jù)的處理可以很好地達(dá)到要求，而且sqlite3還支持?jǐn)?shù)據(jù)加密，安全性同樣非常出色。

本文介紹了此RFID安檢系統(tǒng)的硬件框架和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了RFID安檢系統(tǒng)基于嵌入式Linux下的串口通信以及數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明并確定了其在速率、穩(wěn)定性方面的可行性，對(duì)于當(dāng)今大多數(shù)RFID安檢系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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