基於嵌入式Linux的攜帶型RFID信息採集與處理系統

    射頻識別( RFID) 是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據, 識別過程無需人工干預, 可工作於各種惡劣環境。RFID 技術在許多領域得到應用, 如停車場管理、集裝箱運輸管理系統等。在大多數應用中, 只要求有固定的閱讀器,但在某些特殊系統中(如集裝箱運輸管理系統), 不僅要求有固定的閱讀器, 而且還要求有手持式讀卡器。

    TagMaster AB 公司是世界知名的RFID 讀卡器製造商。它提供性能優良的固定式閱讀器, 也提供一種手持式閱讀器。手持式讀卡器由Caiso 公司的工業級PDA( Personal Digital Assistants ) 和TagMaster AB 公司的S1510組成。PDA 雖然功能強大, 但有如下缺點:
(1)提供的觸摸屏輸入方式過於精細, 不適合工作人員現場操作;
(2)TFT 液晶顯示屏在強光下顯示效果差, 耗電量大, 並且在低溫下( 0℃以下) 無法工作, 因此不適合室外工作;
(3)採用Microsoft 公司的商用系統WinCE, 成本高。

    本文介紹一種基於嵌入式Linux 的攜帶型RFID 信息採集與處理系統。它採用高性能的32 位ARM920T 系列微處理器、8 鍵的鍵盤及OLED 顯示屏, 結合S1510 實現了對電子標籤卡信息的採集、處理及實時顯示, 很好地解決了上述問題。

1 系統組成  
    系統採用Atmel 公司的AT91RM9200 32 位高性能處理器、TagMaster 公司的S1510 及OLED 顯示模塊等實現電子標籤卡信息的採集、處理、實時顯示及與上位機通信等功能。系統組成如圖1。
 
1 .1 微處理器  
    系統採用Atmel 公司以ARM920T 為核心的AT91 系列微處理器AT91RM9200。它最高主頻可達180MHz, 具有先進的節電技術, 集成了SDRAM、Flash、紅外、USB 等介面。系統採用USB( Universal Serial Bus ) 及紅外方式與上位機通信。紅外方式採用Agilent 公司的HSDL- 3602 紅外收發器實現。

1 .2 射頻識別模塊  
    射頻識別模塊採用瑞典TagMaster AB 公司的2.4GHz 產品S1510。該模塊體積小, 專為手持設備設計,可以採集1 米內各種電子標籤上的數據。它通過USART串口與處理器通信, 介面簡單, 易於硬體實現。為了保證數據的可靠傳輸, 模塊與微處理器通信採用TagMaster AB 公司開發的應答式串口通信協議ConfiTalk。
    ConfiTalk 協議是一種面向字元的應答式串列通信協議。它每次傳輸一定長度的數據塊( 幀) , 每個幀包含幀頭(STX)和幀尾(ETX)。為了提高數據傳輸的可靠性,每幀又加入了8 位的校驗位(CS)及地址位(ADR)。幀的結構如圖2。
 
    MESSAGE 代表任意長度的信息。協議規定微處理器發送給S1510 的幀為命令幀, 返回的幀為應答幀。本系統使用的S1510 是TagMaster AB 公司的最新產品, 它支持基於ConfiTalk 協議的MAIL 命令方式的數據傳輸。
    MAIL 命令方式通信也就是把幀中的MESSAGE 域統一成四種格式, 其中命令幀有MAIL_SEND 和MAIL_RECEIVE兩種, 分別表示S1510 接收用戶信息和返回卡信息(包括卡號、卡狀態和卡存儲的數據), 如圖3。
 
     應答幀有兩種: MAIL_SEND 的應答幀和MAIL_RECEIVE的應答幀, 如圖4。
   
    圖4 中, 36 表示S1510 使用MAIL 方式處理命令幀和應答幀, 而4、5 表示S1510 命令幀的類型(MAIL_SEND或MAIL_RECEIVE); Status 表示該命令的執行狀態( 成功或失敗) ; MAIL_SEND 命令幀中的Data 域表示用戶要進行的操作及參數, 如使Data=WRITE: 參數: 數據, 即表示用戶要將數據寫入電子標籤卡; MAIL_RECEIVE 的應答幀中的Data 域為用戶所要求得到的數據。
    當使用MAIL 命令方式讀寫標籤卡時, 用戶只需要按幀的格式填充各域, 然後利用ConfiTalk 協議提供的API 函數發送到S1510 即可。命令清晰明了, 大大方便了用戶的開發。

1 .3 OLED 顯示模塊
    系統採用萊寶科技有限公司的OLED 顯示模塊RGS24128064YW001。有機發光顯示器OLED ( Organic Light Emitting Display) 被譽為“夢幻顯示器”。與液晶屏相比, OLED 顯示屏更輕更薄、可視角度更大, 能夠顯著節省電能, 並且在- 40℃的低溫下仍可以正常工作。 
    RGS24128064YW001 具有串列和8 位并行數據介面。系統採用8 位并行介面與微處理器通信。

1 .4 SDRAM 和Flash 及自定義鍵盤
    系統採用32 位的同步動態隨機存儲器(SDRAM)作為系統內存, 16 位的Flash 作為不可丟失數據存儲器。用戶可以通過8 鍵的鍵盤進行各種操作, 如讀卡、寫卡等。

2 系統軟體設計
    系統軟體是整個系統的靈魂, 其設計的好壞直接影響系統的穩定性和可擴展性等性能。系統設計將軟體分為兩層結構, 如圖5 所示。最下面一層為操作系統層, 主要實現對Linux 操作系統的移植和各種設備驅動程序的編寫, 包括OLED 模塊、USB Device、紅外、鍵盤等設備驅動程序。上一層為應用程序層, 主要實現卡信息顯示、鍵盤掃描、電子標籤卡讀寫、文件傳輸、時鐘以及電池電量檢測等功能。
 

2 .1 嵌入式Linux
    Linux 是一種公開源碼的多任務操作系統, 具有開放度高、安全性好、穩定性強、可移植性好等特點, 在嵌入式操作系統中被大量採用。
    本設計採用的Linux 內核是在ARM-Linux 的基礎上, 編寫了OLED 顯示模塊、USB 設備、紅外收發器及鍵盤的設備驅動程序。在Linux 系統中, 設備驅動程序佔有很重要的位置, 它提供了在用戶空間操作硬體設備的介面。Linux 系統將設備分為字元設備、塊設備及網路設備三種, 並給出針對不同設備的數據結構及註冊函數。
    當用戶開發設備驅動程序時, 只需按硬體操作的方法填充設備數據結構, 並將它註冊到內核中即可。
    為了方便用戶應用程序的編寫, 把USB 設備實現為CDC( Communication Device Class ) 類設備, 其驅動程序分為兩層, 最底層操作AT91RM9200 上的USB 設備控制器, 如處理硬體中斷、讀寫寄存器及操作I/O 口來檢測設備的插拔; 上層實現了底層與TCP/IP 協議層的連接,主要是模擬物理網卡, 並註冊到內核。這樣, 在應用程序的USB 設備就是一個標準的網路設備, 用戶不需要了解驅動程序的介面, 而直接使用Linux 提供的套接字進行網路通信程序的開發。當用戶進行二次開發時, 可以不加修改地將上位機開發好的網路通信程序直接移植到本系統中, 而且可以通過上位機的Telnet 等工具對嵌入式系統進行一定的操作。
    其他驅動程序( 如OLED 顯示模塊、鍵盤、紅外收發器)都作為Linux 下的標準字元設備編寫, 使用register_chrdev( )函數進行註冊, 提供了讀、寫和控制操作。在Linux 系統中, 應用程序對字元設備的操作與文件的操作相同。
    Linux 中設備驅動程序可以通過模塊方式動態地載入和卸載, 也可以直接編譯到內核中。前者使用靈活, 可以減小內核, 但因嵌入式系統要求所有設備在初始化后全部就緒, 不能在使用時載入設備的驅動模塊。所以, 本系統中所有的設備驅動程序都直接編譯進內核。
    每個設備驅動程序在用戶空間對應一個設備文件,由文件系統管理。本系統使用ext2 作為根文件系統。為了開發和升級方便, 首先將根文件系統做成RAMDISK 格式, 所謂RAMDISK 就是系統啟動后將壓縮的文件解壓到內存, 形成一個虛擬硬碟; 然後, 將引導程序、內核映像及根文件系統燒寫到Flash 中。
    系統加電后, 引導程序將內核映像從Flash 中調入內存, 然後從核入口開始執行: 首先初始化CPU, 然後載入各個設備驅動程序, 最後掛載文件系統, 執行應用程序。

2 .2 應用程序設計
    Linux 是多任務系統, 支持多線程及多進程。多線程的優點是線程比進程小, 可以使應用更輕便, 線程間通信方便; 缺點是所有線程使用同一個地址空間, 如果一個線程出現問題, 整個系統將受影響; 而進程各自佔有一份內存空間, 可以增強系統的穩定性, 但是多進程增加了系統開銷, 進程間通信複雜。為此, 根據實際情況,考慮到系統穩定性, 本系統採取兩者相結合的方式分別完成數據採集處理及文件傳輸功能。

2 .2 .1 數據採集處理  
    數據採集處理是一個進程, 它包括主線程和輔線程。主線程完成電子標籤卡信息的讀取、寫入、實時顯示及查詢; 輔線程實現一個時鐘以提供用戶當前時間, 並定時對電池的電量進行檢測和動態顯示, 在電量過低時發出警告。
    應用程序用MAIL 命令方式完成電子標籤卡的讀寫。該進程首先初始化屏幕, 然後等待按鍵中斷, 當有鍵按下時, 根據鍵值執行相應的工作; 當指定時間內沒有鍵按下, 系統則進入休眠狀態, 從而達到省電的目的。程序流程圖如圖6。
 
    當成功採集到標籤卡信息后, 應用程序將卡信息(包括卡號、卡狀態、用戶數據及當前時間)通過OLED 顯示屏提供給用戶, 並寫入一個文件進行記錄。由於文件傳輸進程會將該文件傳輸到上位機, 所以當讀寫文件時要將文件上鎖。Linux 提供了文件鎖以防止不同進程同時訪問同一個文件。本文使用flock ( ) 函數對文件上鎖和解鎖。
    由於OLED 是圖形點陣式顯示屏, 而且Flash 容量有限, 所以不可能直接使用漢字字型檔。系統預先提取所有用到的漢字、數字及字母的點陣數據, 然後建立自己的字型檔文件, 從而使應用程序可以對漢字、數字及字母進行顯示。

2 .2 .2 文件傳輸
    文件傳輸是一個進程, 完成卡信息的上傳及其他數據的下載。與上位機通信採用Clinet/Server 模型。該進程實質上是一個伺服器端( 本系統) 的應用程序, 它循環等待客戶端( 上位機) 的連接請求。當請求到達時, 首先判斷請求來自哪個介面(USB 或者紅外介面), 然後根據請求的類型執行相應的上傳或下載。考慮到實際應用中可能會使用多台手持式閱讀器, 為了方便上位機對信息的管理, 規定文件名由手持式閱讀器編號和文件上傳序號組成, 程序在上傳文件時自動將其編號及上傳序號加入文件名。該進程的流程如圖7。
 
3 系統電源管理
    本系統使用鋰電池為系統供電。為了延長電池的續航能力, 將應用程序設計為三種運行狀態: 上電空閑狀態、程序執行狀態及系統睡眠狀態。當用戶不進行任何操作時, 系統將進入睡眠狀態以達到省電目的。系統的睡眠是基於微處理器的電源管理功能實現的, 進入睡眠的步驟如下:
(1)關閉所有外設;
(2)保存當前系統狀態;
(3)使SDRAM 進入自刷新模式;
(4)設置喚醒事件, 使微處理器進入睡眠狀態。
當喚醒事件發生時, 如有鍵按下, 則執行系統複位。過程如下:
(1)恢復部分微處理器的寄存器;
(2)喚醒外部設備, 系統開始運行。

     本文介紹了在AT91RM9200 高性能ARM 晶元上運行嵌入式Linux, 結合TagMaster AB 公司功能強大的射頻識別模塊S1510 實現攜帶型標籤卡的信息採集和處理。系統使用方便、靈活。另外, 為克服LCD 低溫無法工作、亮度不夠及耗電大的缺點, 採用OLED 顯示模塊使系統可以在惡劣環境下應用, 並增加了電池的續航能力; 為使系統與上位機通信方便, 採用了支持熱插拔的USB 介面。