基于RFID 的監管信息系統的設計與實(shí)現

0 引言

無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identificati on，RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取數據信息，識別無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境，并可同時(shí)識別多個(gè)目標對象，操作快捷方便。一般的RFID 系統由電子標簽(Tag)、閱讀器(Reader)、天線(xiàn)(Antenna)三大部分組成。與現在廣泛應用的條形碼技術(shù)相比，電子標簽具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(cháng)、數據可加密、讀取距離遠、多目標識別和可重復使用等優(yōu)勢，因而它比條形碼的應用范圍更廣，使用更方便。目前，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于動(dòng)物身份標識、門(mén)禁管制、倉儲物流管理、航空行李分揀和高速公路自動(dòng)收費等領(lǐng)域。在檢驗檢疫監管信息平臺中，為確保輸港澳的所有動(dòng)物都是受監控和符合質(zhì)量要求的，而傳統的動(dòng)物身份標識容易丟失信息，不易讀取識別，因此運用RFID 技術(shù)可以為每個(gè)動(dòng)物個(gè)體提供唯一的身份認證，記錄動(dòng)物的譜系背景以及其在整個(gè)生命周期中的飼養履歷，并可追蹤到運輸、加工、銷(xiāo)售等下游環(huán)節的相關(guān)信息，從而形成一條詳盡的產(chǎn)、供、銷(xiāo)信息鏈，為動(dòng)物管理及食品溯源追蹤發(fā)揮重要作用。作者簡(jiǎn)介:張宗平(1977-)，男，廣東南雄人，理學(xué)學(xué)士，廣東出入境檢驗檢疫局信息中心工程師。主要研究方向為：DSS 系統相關(guān)及OLTP 業(yè)務(wù)系統建設、維護，嵌入式系統應用技術(shù)等。

檢驗檢疫監管信息系統以“高性能嵌入式微處理器＋RFID讀寫(xiě)模塊＋GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)模塊” 的系統架構取代了傳統的監管信息系統設計方案，此方案雖然硬件成本稍高，需要高性能嵌入式微處理器來(lái)支持嵌入式操作系統，但可以實(shí)現豐富協(xié)議接口，便于移植和向高端系統應用升級，同時(shí)更加便于數據采集與遠程監控的實(shí)現。這樣不僅可以利用ARM 芯片豐富的片內、片外資源簡(jiǎn)化系統硬件結構，更為方便的是，可以通過(guò)運行嵌入式操作系統來(lái)實(shí)現豐富協(xié)議接口，減小實(shí)際應用的開(kāi)發(fā)難度且便于向高端系統應用升級。

1 硬件結構

本系統選用SAMSUNG 公司的S3C44B0X 處理器，該處理器是一款ARM7 系列的處理器，工作頻率66MHz，片上集成8KB cache、存儲控制器、LCD控制器、4通道DMA、2通道UART 、1 通道I 2C、1 通道I2S、5 通道PWM 定時(shí)器、1 通道內部定時(shí)器、看門(mén)狗、8 通道10 位ADC、71 個(gè)通用IO 口（復用）、8 通道外中斷源、RTC 和片上時(shí)鐘產(chǎn)生器。重要的是，這塊芯片含有非常豐富的片上資源，幾乎所有常用的芯片級總線(xiàn)結構都有對應的硬件控制器，在做外圍擴展時(shí)非常方便；66MHz 的工作主頻對應的信號上升時(shí)間在2ns 左右，對應的集總模型尺寸分界點(diǎn)為60cm，而實(shí)際設計中最大板子的尺寸為17cm×11cm， 因此不用過(guò)多的考慮分布效應的影響，減少了設計的難度。圖1 是檢驗檢疫監管信息系統的總體硬件結構圖。

圖1 無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)查驗系統的總體硬件結構圖

其中，FLASH采用的是SST 公司的SST27SF010 片子，因為系統的需要并不是很高，1M對于系統與Boot Loader 的裝載已經(jīng)能完全能滿(mǎn)足需要了。系統初始化及Boot Loader 存儲在FLASH 中，系統開(kāi)機從0x000000 地址開(kāi)始執行，動(dòng)態(tài)存儲設備選用的是現代公司的57V 系列的HY57V641620?？紤]到系統不需要很大動(dòng)態(tài)存儲空間，所以選用的是8M 大小的片子。本系統USB 模塊采用SL811HS 芯片，它有兩種工作模式HOST/SLAVE。模式的改變是由該芯片27 腳M/S 的電平值決定，可以通過(guò)軟件設置來(lái)改變。當置M/S 腳為低電平時(shí)，它是HOST 模式，可以直接控制打印機；當置M/S 腳為高電平時(shí)，它是SLAVE 模式，可以下載PC 的最新資料，同時(shí)可對充電電池充電。系統通過(guò)USB 接口連接RFID 讀寫(xiě)器模塊，讀寫(xiě)器模塊選用TRF7960 型號的USB 接口RFID 讀寫(xiě)器模塊，模塊的參數如表1 所示，通過(guò)讀寫(xiě)模塊，實(shí)現對電子標簽信息的讀寫(xiě)功能，同時(shí)配置GRPS 或CDMA 模塊，可以將有變化的數據及時(shí)上傳到服務(wù)器中，確保RFID 標簽的數據與數據庫服務(wù)器中的數據同步更新。

2 軟件平臺

2.1 嵌入式操作系統uClinux

uClinux 的系統構架與標準Linux 的架構是完全一致的，它集成了標準Linux 操作系統的穩定性、強大網(wǎng)絡(luò )功能和出色的文件系統等主要優(yōu)點(diǎn)。但是由于沒(méi)有MMU，無(wú)法使用處理器的虛擬內存管理技術(shù)，因此，uClinux 采用實(shí)存儲器管理策略，通過(guò)地址總線(xiàn)對物理內存進(jìn)行直接訪(fǎng)問(wèn)。

2.2 µ;CLinux 內核功能設計

GPRS/CDMA 的網(wǎng)絡(luò )連接是無(wú)線(xiàn)數據終端的基礎功能，它是通過(guò)PPP(點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)定)協(xié)議來(lái)完成的。PPP 是在串行連接的數據鏈路實(shí)現IP 以及其他網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的一種機制。嵌入式Linux 的網(wǎng)絡(luò )體系結構繼承了Linux 網(wǎng)絡(luò )系統具有穩定、高效和功能齊全的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)按照應用的需要進(jìn)行了適當的移植和配置就能滿(mǎn)足要求，在完成相關(guān)內核修改后，需要重新編譯內核。為實(shí)現聯(lián)網(wǎng)功能，需要增加µ;CLinux 內核的對NAT 和PPP 的支持，同時(shí)需要編寫(xiě)聯(lián)網(wǎng)撥號腳本文件，調試GPRS/CDMA 聯(lián)網(wǎng), 完成系統利用成熟GPRS/CDMA 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )連接。

3 系統實(shí)現

通過(guò)對完善增加ARM-Linux 內核的功能后，ARM-Linux 內核已經(jīng)具有了PPP 和NAT 功能， 同時(shí)通過(guò)編寫(xiě)聯(lián)網(wǎng)撥號腳本，完成與GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò )連接之后，需要根據設備的具體應用需求開(kāi)發(fā)相關(guān)的應用程序。

3.1 NAT 配置

嵌入式Linux 是一種開(kāi)發(fā)源代碼、軟實(shí)時(shí)、多任務(wù)的嵌入式操作系統，通常它是在標準的Linux 的基礎上針對嵌入式系統進(jìn)行裁減和優(yōu)化后形成的，而且裁減和優(yōu)化后的Linux 體積更小，性能更加穩定，因此在許多實(shí)際應用中都使用網(wǎng)絡(luò )地址轉化技術(shù)(NAT)這種最為簡(jiǎn)單、常用的方式。

NAT 技術(shù)本質(zhì)上是通過(guò)修改IP 包的源地址或目的地址來(lái)實(shí)現。如果一個(gè)節點(diǎn)執行了NAT， 它會(huì )修改通過(guò)它轉發(fā)的IP 包的源地址或者目的地址，并且節點(diǎn)會(huì )記住它是怎樣修改了這個(gè)包，因此當相應的應答包從另一個(gè)方向到達時(shí)，它就知道如何反向修改應答包。其中，修改IP 包的源地址常被稱(chēng)為IP 偽裝技術(shù)，當內部網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)作為客戶(hù)端，需要發(fā)起對Internet 的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，就可以采用這種方式。

3.2 系統結構設計

本系統組成簡(jiǎn)單，無(wú)需復雜布線(xiàn)，主要有系統服務(wù)器，客戶(hù)端管理，無(wú)線(xiàn)手持終端PDA，放行監控閘口等組成。系統結構網(wǎng)絡(luò )圖如圖2 所示。

圖2 系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

系統實(shí)現的整個(gè)業(yè)務(wù)流程如圖3 所示，對于合格放行的出境動(dòng)物，依據放行數量集中制作電子耳標發(fā)放給企業(yè)并實(shí)施耳標的安裝（為方便對放行監控閘口對數據的采集，規定所有電子耳標必須安裝在動(dòng)物的右耳朵上），加施完畢后須用電子標簽手持設備掃描佩戴的電子標簽，以確保電子標簽加施操作正確無(wú)誤。如果在加施過(guò)程中電子耳標發(fā)生損壞，則需要通過(guò)電子耳標手持讀寫(xiě)器重新生成電子耳標，以替換損壞耳標，同時(shí)將新耳標的有關(guān)信息通過(guò)自帶的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳回監管信息數據庫。佩戴電子耳標的出境動(dòng)物在準備裝車(chē)出場(chǎng)時(shí)，必須通過(guò)供港澳動(dòng)物電子耳標監裝專(zhuān)用通道，由預安裝好的固定讀卡器讀取放行數據，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將有關(guān)數據傳回到監管信息網(wǎng)絡(luò )系統，進(jìn)行自動(dòng)核銷(xiāo)，并按有關(guān)數據進(jìn)行統計匯總，及時(shí)了解有關(guān)放行情況，實(shí)現遠程監裝。手持設備可以在各個(gè)環(huán)節對電子耳標數據進(jìn)行抽查檢驗，如遇到所戴標簽與放行數據庫中數據不相符時(shí)，及時(shí)追查，確保檢疫合格的產(chǎn)品出口。

圖3 業(yè)務(wù)流程圖

3.3 軟件設計

PDA 軟件平臺由以下部分組成：系統引導程序、嵌入式操作系統內核、文件系統。系統引導程序通常也稱(chēng)為Boot Loader， 代碼量雖少，但是作用非常大，負責系統初始化工作，然后將系統控制權交給操作系統。嵌入式操作系統內核是嵌入式系統加電運行后的管理平臺，負責實(shí)時(shí)性任務(wù)和多任務(wù)的管理。S3c44b0x 是一款沒(méi)有MMU 的處理器，因此采用μCLinux 作為本系統的操作系統內核。μCLinux是Linux 的一個(gè)分支，專(zhuān)為無(wú)MMU 的處理器設計，它繼承了Linux 強大的網(wǎng)絡(luò )功能和多任務(wù)管理功能，并對內存管理和進(jìn)程管理進(jìn)行了改寫(xiě)，滿(mǎn)足無(wú)MMU 處理器的開(kāi)發(fā)要求。文件系統是嵌入式系統軟件平臺占用存儲量最大的一部分，也是與用戶(hù)開(kāi)發(fā)最相關(guān)的一部分。它存儲了系統配置文件、系統程序、用戶(hù)應用程序和必需的驅動(dòng)程序。

3.4 系統管理軟件

系統管理軟件由系統管理、電子標簽管理、放行監控統計三大子系統組成。其中系統管理是對系統平臺運行環(huán)境的設置，主要有人員、權限的設定；電子標簽管理是對電子標簽的數據生成、修改，以及對應數據的變更的管理，接受遠程通過(guò)GPRS/CDMA 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的數據更新和管理，并生成合格放行數據供放行監控統計系統使用。放行監控統計子系統是對通過(guò)從放行監控閘口采集的數據與監管信息系統中的放行數據進(jìn)行對碰，并將對碰結果進(jìn)行分類(lèi)，供分析使用，當接收到未經(jīng)放行的數據時(shí)會(huì )自動(dòng)報警，提示相關(guān)人員該次電子監裝需人工干預。

4 結束語(yǔ)

本系統是一個(gè)典型的嵌入式系統應用例子，在A(yíng)RM7 的嵌入式Linux 平臺上,詳細介紹了基于RFID 的監管信息系統的實(shí)現，利用嵌入式Linux 系統下的網(wǎng)絡(luò )通信設計, 通過(guò)對Linux 的內核進(jìn)行了修改和重新編譯后，增加了相應的NAT 和PPP 功能，實(shí)現遠程數據交換。本文作者創(chuàng )新點(diǎn)是充分利用了ARM 豐富的硬件資源簡(jiǎn)化了系統結構，并通過(guò)對嵌入式Linux 系統核心編譯增加對NAT 和PPP 的支持，并利用先進(jìn)RFID 技術(shù)實(shí)現遠程電子標簽的管理，整個(gè)系統的結構簡(jiǎn)化，實(shí)現簡(jiǎn)單，在其他嵌入式設備上的無(wú)線(xiàn)應用方面有一定的應用價(jià)值和指導意義。