基于A(yíng)RM的RFID智能安全管理系統設計與實(shí)現
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高級會(huì )議的成功舉辦除了對參會(huì )人員的簽到、住宿、座位安排等管理外，其身份安全管理也是很重要的一方面，本文介紹了一種基于32位ARM7TDMI設計實(shí)現的射頻識別[1](radiofrequencyidentification，RFID)會(huì )議智能安全管理系統，系統充分利用了ARM具有全面的、豐富的片上資源功能，用一個(gè)ARM核心板同時(shí)實(shí)現讀卡、顯示、聲音報警、攝像和指紋等幾種功能，集成了射頻識別技術(shù)與生物識別技術(shù)，完成三重身份的認證，具體可選擇射頻+指紋模式、射頻+攝像模式或射頻+指紋+攝像模式。這不但大大提高了會(huì )場(chǎng)智能管理的安全性，而且還因ARM的集成度高而大大減少了系統電路中的器件配置，使得電路設計變得較為簡(jiǎn)單，從而使整個(gè)系統的成本大為降低，同時(shí)，系統也更安全可靠、操作更簡(jiǎn)捷。
1RFID技術(shù)概述及智能安全管理系統整體結構
RFID是一種利用射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽，識別的距離為幾十厘米至幾十米，可工作于惡劣環(huán)境，識別工作無(wú)須人工干預[2]，且根據讀寫(xiě)的方式，可以輸入數千字節的信息，操作快捷方便，同時(shí)，還具有極高的保密性。RFID系統由讀卡器、RFID卡和上層應用軟件3部分組成，其中讀卡器用來(lái)實(shí)現對RFID卡的數據讀寫(xiě)和存儲功能，由控制單元、高頻通信模塊和天線(xiàn)組成；RFID卡是一種無(wú)源的應答器，主要由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線(xiàn)組成。其基本工作原理是在RFID卡進(jìn)入到讀卡器的射頻場(chǎng)范圍后，讀卡器通過(guò)射頻信號與RFID卡進(jìn)行信息交互，將卡內標簽中所存儲的有關(guān)數據讀取后提交給RFID上層軟件。目前在國內外，RFID已被廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫療、防偽、跟蹤、設備和資產(chǎn)管理、工商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，并不斷向新的領(lǐng)域滲透，具有非常廣闊的應用前景。
本RFID智能安全管理系統為高級會(huì )議會(huì )場(chǎng)設計，主要由32位ARM開(kāi)發(fā)板、射頻識別芯片、RFID卡、天線(xiàn)以及PC機應用系統組成[3]，其整體結構示意圖如圖1所示，其中的讀卡器設計是整個(gè)系統中的核心部分。
圖1系統整體結構
通過(guò)運行后臺PC機上的應用程序，可以實(shí)現對進(jìn)場(chǎng)人員的身份識別與驗證，進(jìn)場(chǎng)人數、進(jìn)出入時(shí)間等的統計并形成報表，對缺席人員還可以通過(guò)短信的形式發(fā)與本人或將公共信息群發(fā)與有關(guān)的人。
2系統硬件設計
本系統硬件設計主要是讀卡器的設計，根據需求本讀卡器應是一個(gè)具有擴展功能豐富、可以獨立工作，也可以聯(lián)網(wǎng)交換信息，或者通過(guò)USB傳輸信息，且具有友好人機界面的嵌入式智能終端，具體設計示意圖如圖2所示，功能上主要包括：主控模塊、射頻模塊、指紋模塊、攝像模塊、顯示模塊、聲音報警模塊和通信模塊，這幾大部分協(xié)同工作，完成會(huì )場(chǎng)信息的采集、傳輸與顯示等操作。
圖2讀卡器結構
讀卡器中的主控模塊采用ARM7核心板加外圍電路板的模式，ARM7核心板采用三星公司的S3C44B0X芯片，該芯片提供的硬件資源有：2.5V的ARM7TDMI內核帶有8Kcache；可選的內部SRAM；LCD控制器；2通道UART；1通道SIO；2通道通用DMA；2個(gè)提供外部請求引腳的總線(xiàn)DMA；8個(gè)外部中斷源；有時(shí)鐘功能的RTC等。具有系統管理、Cache和內部存儲器、中斷控制器、定時(shí)器、UART等多種功能。在該芯片上內擴了顯示模塊、聲音報警模塊和通信模塊，外擴射頻模塊、指紋模塊和攝像模塊，如圖2所示，另外，本ARM7核心板還擴展了8MSDRAM、2MNORFLASH、16MNANDFLASH。
射頻模塊由射頻芯片、電源濾波部分、模擬信號濾波部分以及相應的外圍電路組成，這里的射頻芯片采用NXP公司(原Philips公司)的MFRC531芯片，該芯片整合了所有的13.56MHz主動(dòng)非接觸通信方式和協(xié)議，與MFRC500、MFRC530和SLRC400引腳兼容，支持ISO14443TypeA和TypeB的所有層的通信方案，支持使用MIFARE更高的通信波特率。內部收發(fā)器部分能夠驅動(dòng)近藕合設計的天線(xiàn)，而不需要另外活動(dòng)的電路；接收部分具有高效的解調與解碼電路執行機構；數字部分能處理完整的ISO14443幀數據還有錯誤檢測功能，并且支持快速的MIFARE安全算法；具有合適的并行接口，可以直接與8位的微處理器相連，并且支持SPI兼容接口?？傊?，目前由于MFRC531能夠滿(mǎn)足設計需求，應用范圍比其他的芯片更廣，資料齊備，因此這里選擇MFRC531射頻接口芯片。
2.2硬件接口電路設計
2.2.1ARM與射頻芯片的接口電路設計
為了能正確讀取RFID卡上的數據，首先要對S3C44B0X和MFRC531的接口電路進(jìn)行設計，由于S3C44B0X微處理器有足夠的地址和數據總線(xiàn)，因此這里的接口采用獨立的地址/數據總線(xiàn)，采用并口方式，將MFRC531的ALE引腳接高電平，將A0、A1、A2分別對應接S3C44B0X的A0、A1、A2，片選NCS信號接S3C44B0X的nGCS3，復位輸入RSTPD接GPF0，通過(guò)對S3C44B0X的GPF0引腳控制操作決定射頻部分的工作狀態(tài)[5]，如圖3所示。該接口主要負責射頻識別卡和管理主機PC之間的信息交換和傳輸，主要完成射頻卡的進(jìn)出控制，射頻卡與應用終端之間信息聯(lián)絡(luò )與管理層主機通訊等功能。
另外，MFRC531與天線(xiàn)的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，TX1、TX2負責調制后的射頻信號輸出到天線(xiàn)，激勵天線(xiàn)產(chǎn)生電磁波將信號輸出到電子標簽，而RX引腳則接收電子標簽調制后由天線(xiàn)接收到的副載波信號，信號經(jīng)過(guò)內部狀態(tài)機的解調解碼后成為接收到的數據。為了實(shí)現遠距離的讀寫(xiě)，最好采用環(huán)形或矩形天線(xiàn)，這里采用環(huán)形天線(xiàn)。
2.2.2ARM與其他芯片接口電路設計
在A(yíng)RM核心板上通過(guò)內擴展LCD接口完成人機界面顯示功能，S3C44B0X內置了LCD控制器，具有將顯示緩存中的圖像數據傳輸到外部LCD驅動(dòng)電路的功能。本系統設計采用了一片74LVC164245A作為總線(xiàn)驅動(dòng)芯片，將164245的方向控制接為高電平，S3C44B0X的信號通過(guò)164245后，再接到LCD接口上。
S3C44B0X具有IIS總線(xiàn)，IIS總線(xiàn)是一種面向多媒體計算機的音頻總線(xiàn)，該總線(xiàn)專(zhuān)門(mén)負責音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統中。本系統設計中用IIS總線(xiàn)輸出數字音頻信號到音頻接口芯片，完成聲音報警信息提示，這比一般采用的蜂鳴器更友好。
圖3微處理器與MFRC531接口
在A(yíng)RMS3C44B0X板上外擴展指紋傳感器芯片FPS200[6]，通過(guò)有效讀取指紋圖像實(shí)現與射頻識別一起雙重認定身份的功能。FPS200芯片是美國Veridicom公司最新開(kāi)發(fā)的接觸式指紋傳感器，其與處理器間的接口有USB、微處理器總線(xiàn)(MCU)和串行外接口(SPI)共3種方式，本系統采用了總線(xiàn)方式。具體電路設計為：CS1接高電平，CS0接ARM的nGCS1；地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、讀寫(xiě)信號線(xiàn)直接與ARM連接，其他引腳按照FPS200的數據手冊連接即可。攝像模塊的主要功能是在刷卡的同時(shí)進(jìn)行電子攝像，攝像頭通過(guò)USB接口直接與S3C44B0X核心板相連接，這也是本系統中進(jìn)行身份識別的第3種方法，所采集到的圖像與卡號信息一并存放在后臺數據庫中，也可當時(shí)就顯示在后臺管理頁(yè)面上，這可通過(guò)軟件程序根據需要具體設置，這樣可更增強了對與會(huì )人員身份驗證的安全性。
3系統軟件設計
本系統軟件設計分為兩大部分，分別為讀卡器程序設計和PC管理軟件程序設計。其中讀卡器程序設計采用開(kāi)源免費的μC/OSⅡ操作系統加上系統應用軟件的結構，主要完成操作系統μC/OSⅡ的移植、讀卡器的讀寫(xiě)任務(wù)程序、中斷服務(wù)程序、LCD處理程序、指紋讀取識別程序、USB與網(wǎng)絡(luò )接口程序、串口程序、數字音頻程序、攝像處理程序的設計。在μC/OSⅡ的程序源代碼中，只有OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.S這3個(gè)文件與處理器硬件相關(guān)，所以，移植μC/OSⅡ也就是修改這3個(gè)文件，其中OS_CPU_C.C中包含了6個(gè)需要修改的與處理器相關(guān)的函數，分別為OSTaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTimeTickHook()，這6個(gè)函數中的OSTaskStkInit()用來(lái)初始化任務(wù)堆棧，由函數OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，其余5個(gè)函數都為用戶(hù)自定義函數；OS_CPU.H文件中給出的是定義處理器結構設置變量的內容，用于定義數據類(lèi)型的長(cháng)度，一些與處理器相關(guān)的常數和宏定義等，如進(jìn)入和退出臨界狀態(tài)的函數OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL
()；OS_CPU_A.S中是用匯編寫(xiě)的程序，如OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()是幾個(gè)必須由匯編程序來(lái)完成的函數。
對射頻卡操作的過(guò)程則是一個(gè)很復雜的程序執行過(guò)程，需要對MFRC531內部一系列的寄存器進(jìn)行配置，而且這些操作對時(shí)序要求非常嚴格。對射頻卡的典型操作為：尋卡(得到卡類(lèi)型代碼)、防沖突(得到卡號)、選卡、驗證密碼、讀寫(xiě)操作、掛起，并且這些操作必須按固定的順序執行，在對卡類(lèi)型判斷后將卡號送到服務(wù)器數據庫，系統對讀入的卡號信息與數據庫中已有的卡號信息進(jìn)行比較后，判斷出該卡號是否為有效卡或者是否在有效權限內從而進(jìn)行不同的處理，如對于無(wú)效卡則指示其紅燈亮、并有報警或發(fā)出語(yǔ)音提示等。
LCD用于實(shí)時(shí)顯示當前信息，當沒(méi)有卡進(jìn)入射頻天線(xiàn)有效范圍時(shí)，LCD上顯示當前時(shí)間及日期；當有卡進(jìn)入到射頻天線(xiàn)的有效范圍時(shí)，LCD上顯示卡號和身份驗證成功信息。同時(shí)，系統把有效卡的刷卡信息記錄到“進(jìn)出人員信息表”中，并在界面上顯示；對于無(wú)效卡只統計次數但不記錄信息。指紋圖像的讀取通過(guò)對傳感器FPS200初始化實(shí)現，初始化主要是對放電時(shí)間寄存器DTR、放電電流寄存器DCR和增益控制寄存器PGC寄存器的設置，以便在獲得整幅圖像之前啟動(dòng)傳感器并對圖像參數進(jìn)行調整，流程如圖4所示。在設置完這3個(gè)寄存器后，再設置寄存器CTRLA值為0x02，然后從第0行開(kāi)始對該行中每一個(gè)像素進(jìn)行A/D轉換，循環(huán)讀取CTRLA直到完成第299行的最后一個(gè)像素即可獲取整幅指紋圖像像素值。
圖4FPS200指紋采集流程
將OV511攝像頭與嵌入式硬件平臺相連，PC機通過(guò)硬件平臺控制OV511，完成攝像頭控制、采集和傳輸圖像功能。后臺PC管理軟件主要實(shí)現系統登錄，信息管理(包括用戶(hù)信息管理、管理員信息管理、受限時(shí)段信息管理)，信息瀏覽、查詢(xún)、統計和打印管理，非法進(jìn)出人員報警監控和幫助系統等功能。該管理軟件以Windows系統為平臺，以功能強大的C#.NET作為前臺開(kāi)發(fā)工具，后臺數據庫采用SQLServer2000，服務(wù)器使用Windows2000操作系統，安裝IIS6.0，同時(shí)各個(gè)客戶(hù)端都需要安裝Win2000以上版本，系統以C/S模式進(jìn)行會(huì )議數據采集，用B/S模式進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集，以便于實(shí)現網(wǎng)上數據共享。
本系統中設置的主要數據表有：用戶(hù)資料表、操作員信息表、時(shí)段限制信息表、進(jìn)出人員信息表和卡片信息表。
4系統測試及分析
本會(huì )議智能安全管理系統設計完成后進(jìn)行了一系列的測試，自行測試的主要內容如下：
(1)讀卡器與PC間的通信。讀卡器與PC機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )能連接成功，也能將讀到的標簽數據成功傳輸到后臺數據庫中，如圖5所示。對有效卡(在有效時(shí)段或非有效時(shí)段)和無(wú)效卡的讀取，其LCD顯示、語(yǔ)音提示和相應燈亮都運行正常。
(2)指紋識別。指紋識別需要對FPS200芯片的3個(gè)放電參數DTR、DCR和PGC進(jìn)行很好設置，這3個(gè)參數值對采集指紋圖像的質(zhì)量有一定影響，增加DTR參數值延長(cháng)放電時(shí)間可以減少指紋圖像背景噪音；增加DCR參數值同樣起到減少指紋圖像背景噪音的作用，但升高DCR同時(shí)減少DTR以維持圖像清晰度；PGC參數控制了指紋圖像與背景的對比度。所以在實(shí)際工作中根據不同的工作條件需對參數進(jìn)行很好調整。
(3)攝像。攝像功能基本完善，能將圖片傳至后臺數據庫中，如圖6所示。
圖5讀卡器與PC機連接讀卡
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圖6圖像監控
5結束語(yǔ)
本文介紹的基于A(yíng)RM的RFID會(huì )議智能安全管理系統，充分利用了ARM具有全面的、豐富的片上資源特點(diǎn)，從而實(shí)現了S3C44B0X和MFRC531芯片的直接接口，并且還擴展了網(wǎng)絡(luò )接口、指紋接口、音頻接口和攝像接口，使得系統除了利用射頻識別完成具有會(huì )議考勤、語(yǔ)音報警功能外，還能完成攝像識別以及通過(guò)生物識別技術(shù)的指紋識別來(lái)實(shí)現多重認證識別身份的功能，使得高級會(huì )場(chǎng)更加安全，這是RFID在高級會(huì )議的智能安全管理或門(mén)禁等中的很好應用，對RFID在其他領(lǐng)域如煤礦井下、電力企業(yè)等領(lǐng)域的應用也有很好的借鑒作用。
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