基于RFID 的監(jiān)管信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

0 引言

無線射頻識別技術（Radio Frequency Identificati on，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并獲取數(shù)據(jù)信息，識別無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境，并可同時識別多個目標對象，操作快捷方便。一般的RFID 系統(tǒng)由電子標簽(Tag)、閱讀器(Reader)、天線(Antenna)三大部分組成。與現(xiàn)在廣泛應用的條形碼技術相比，電子標簽具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、數(shù)據(jù)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技術已經廣泛應用于動物身份標識、門禁管制、倉儲物流管理、航空行李分揀和高速公路自動收費等領域。在檢驗檢疫監(jiān)管信息平臺中，為確保輸港澳的所有動物都是受監(jiān)控和符合質量要求的，而傳統(tǒng)的動物身份標識容易丟失信息，不易讀取識別，因此運用RFID 技術可以為每個動物個體提供唯一的身份認證，記錄動物的譜系背景以及其在整個生命周期中的飼養(yǎng)履歷，并可追蹤到運輸、加工、銷售等下游環(huán)節(jié)的相關信息，從而形成一條詳盡的產、供、銷信息鏈，為動物管理及食品溯源追蹤發(fā)揮重要作用。作者簡介:張宗平(1977-)，男，廣東南雄人，理學學士，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(tǒng)相關及OLTP 業(yè)務系統(tǒng)建設、維護，嵌入式系統(tǒng)應用技術等。

檢驗檢疫監(jiān)管信息系統(tǒng)以“高性能嵌入式微處理器＋RFID讀寫模塊＋GPRS/CDMA無線模塊” 的系統(tǒng)架構取代了傳統(tǒng)的監(jiān)管信息系統(tǒng)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支持嵌入式操作系統(tǒng)，但可以實現(xiàn)豐富協(xié)議接口，便于移植和向高端系統(tǒng)應用升級，同時更加便于數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控的實現(xiàn)。這樣不僅可以利用ARM 芯片豐富的片內、片外資源簡化系統(tǒng)硬件結構，更為方便的是，可以通過運行嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)豐富協(xié)議接口，減小實際應用的開發(fā)難度且便于向高端系統(tǒng)應用升級。

1 硬件結構

本系統(tǒng)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 定時器、1 通道內部定時器、看門狗、8 通道10 位ADC、71 個通用IO 口（復用）、8 通道外中斷源、RTC 和片上時鐘產生器。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結構都有對應的硬件控制器，在做外圍擴展時非常方便；66MHz 的工作主頻對應的信號上升時間在2ns 左右，對應的集總模型尺寸分界點為60cm，而實際設計中最大板子的尺寸為17cm×11cm， 因此不用過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(jiān)管信息系統(tǒng)的總體硬件結構圖。

圖1 無線現(xiàn)場查驗系統(tǒng)的總體硬件結構圖

其中，F(xiàn)LASH采用的是SST 公司的SST27SF010 片子，因為系統(tǒng)的需要并不是很高，1M對于系統(tǒng)與Boot Loader 的裝載已經能完全能滿足需要了。系統(tǒng)初始化及Boot Loader 存儲在FLASH 中，系統(tǒng)開機從0x000000 地址開始執(zhí)行，動態(tài)存儲設備選用的是現(xiàn)代公司的57V 系列的HY57V641620。考慮到系統(tǒng)不需要很大動態(tài)存儲空間，所以選用的是8M 大小的片子。本系統(tǒng)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，可以通過軟件設置來改變。當置M/S 腳為低電平時，它是HOST 模式，可以直接控制打印機；當置M/S 腳為高電平時，它是SLAVE 模式，可以下載PC 的最新資料，同時可對充電電池充電。系統(tǒng)通過USB 接口連接RFID 讀寫器模塊，讀寫器模塊選用TRF7960 型號的USB 接口RFID 讀寫器模塊，模塊的參數(shù)如表1 所示，通過讀寫模塊，實現(xiàn)對電子標簽信息的讀寫功能，同時配置GRPS 或CDMA 模塊，可以將有變化的數(shù)據(jù)及時上傳到服務器中，確保RFID 標簽的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫服務器中的數(shù)據(jù)同步更新。

2 軟件平臺

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)uClinux

uClinux 的系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性、強大網(wǎng)絡功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點。但是由于沒有MMU，無法使用處理器的虛擬內存管理技術，因此，uClinux 采用實存儲器管理策略，通過地址總線對物理內存進行直接訪問。

2.2 µ;CLinux 內核功能設計

GPRS/CDMA 的網(wǎng)絡連接是無線數(shù)據(jù)終端的基礎功能，它是通過PPP(點對點協(xié)定)協(xié)議來完成的。PPP 是在串行連接的數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)IP 以及其他網(wǎng)絡協(xié)議的一種機制。嵌入式Linux 的網(wǎng)絡體系結構繼承了Linux 網(wǎng)絡系統(tǒng)具有穩(wěn)定、高效和功能齊全的優(yōu)點,同時按照應用的需要進行了適當?shù)囊浦埠团渲镁湍軡M足要求，在完成相關內核修改后，需要重新編譯內核。為實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，需要增加µ;CLinux 內核的對NAT 和PPP 的支持，同時需要編寫聯(lián)網(wǎng)撥號腳本文件，調試GPRS/CDMA 聯(lián)網(wǎng), 完成系統(tǒng)利用成熟GPRS/CDMA 技術的網(wǎng)絡連接。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過對完善增加ARM-Linux 內核的功能后，ARM-Linux 內核已經具有了PPP 和NAT 功能， 同時通過編寫聯(lián)網(wǎng)撥號腳本，完成與GPRS/CDMA 網(wǎng)絡連接之后，需要根據(jù)設備的具體應用需求開發(fā)相關的應用程序。

3.1 NAT 配置

嵌入式Linux 是一種開發(fā)源代碼、軟實時、多任務的嵌入式操作系統(tǒng)，通常它是在標準的Linux 的基礎上針對嵌入式系統(tǒng)進行裁減和優(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(wěn)定，因此在許多實際應用中都使用網(wǎng)絡地址轉化技術(NAT)這種最為簡單、常用的方式。

NAT 技術本質上是通過修改IP 包的源地址或目的地址來實現(xiàn)。如果一個節(jié)點執(zhí)行了NAT， 它會修改通過它轉發(fā)的IP 包的源地址或者目的地址，并且節(jié)點會記住它是怎樣修改了這個包，因此當相應的應答包從另一個方向到達時，它就知道如何反向修改應答包。其中，修改IP 包的源地址常被稱為IP 偽裝技術，當內部網(wǎng)絡節(jié)點作為客戶端，需要發(fā)起對Internet 的訪問時，就可以采用這種方式。

3.2 系統(tǒng)結構設計

本系統(tǒng)組成簡單，無需復雜布線，主要有系統(tǒng)服務器，客戶端管理，無線手持終端PDA，放行監(jiān)控閘口等組成。系統(tǒng)結構網(wǎng)絡圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

系統(tǒng)實現(xiàn)的整個業(yè)務流程如圖3 所示，對于合格放行的出境動物，依據(jù)放行數(shù)量集中制作電子耳標發(fā)放給企業(yè)并實施耳標的安裝（為方便對放行監(jiān)控閘口對數(shù)據(jù)的采集，規(guī)定所有電子耳標必須安裝在動物的右耳朵上），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誤。如果在加施過程中電子耳標發(fā)生損壞，則需要通過電子耳標手持讀寫器重新生成電子耳標，以替換損壞耳標，同時將新耳標的有關信息通過自帶的無線網(wǎng)絡傳回監(jiān)管信息數(shù)據(jù)庫。佩戴電子耳標的出境動物在準備裝車出場時，必須通過供港澳動物電子耳標監(jiān)裝專用通道，由預安裝好的固定讀卡器讀取放行數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡將有關數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)管信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，進行自動核銷，并按有關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，及時了解有關放行情況，實現(xiàn)遠程監(jiān)裝。手持設備可以在各個環(huán)節(jié)對電子耳標數(shù)據(jù)進行抽查檢驗，如遇到所戴標簽與放行數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)不相符時，及時追查，確保檢疫合格的產品出口。

圖3 業(yè)務流程圖

3.3 軟件設計

PDA 軟件平臺由以下部分組成：系統(tǒng)引導程序、嵌入式操作系統(tǒng)內核、文件系統(tǒng)。系統(tǒng)引導程序通常也稱為Boot Loader， 代碼量雖少，但是作用非常大，負責系統(tǒng)初始化工作，然后將系統(tǒng)控制權交給操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)內核是嵌入式系統(tǒng)加電運行后的管理平臺，負責實時性任務和多任務的管理。S3c44b0x 是一款沒有MMU 的處理器，因此采用μCLinux 作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)內核。μCLinux是Linux 的一個分支，專為無MMU 的處理器設計，它繼承了Linux 強大的網(wǎng)絡功能和多任務管理功能，并對內存管理和進程管理進行了改寫，滿足無MMU 處理器的開發(fā)要求。文件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟件平臺占用存儲量最大的一部分，也是與用戶開發(fā)最相關的一部分。它存儲了系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序、用戶應用程序和必需的驅動程序。

3.4 系統(tǒng)管理軟件

系統(tǒng)管理軟件由系統(tǒng)管理、電子標簽管理、放行監(jiān)控統(tǒng)計三大子系統(tǒng)組成。其中系統(tǒng)管理是對系統(tǒng)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(shù)據(jù)生成、修改，以及對應數(shù)據(jù)的變更的管理，接受遠程通過GPRS/CDMA 無線網(wǎng)絡通信的數(shù)據(jù)更新和管理，并生成合格放行數(shù)據(jù)供放行監(jiān)控統(tǒng)計系統(tǒng)使用。放行監(jiān)控統(tǒng)計子系統(tǒng)是對通過從放行監(jiān)控閘口采集的數(shù)據(jù)與監(jiān)管信息系統(tǒng)中的放行數(shù)據(jù)進行對碰，并將對碰結果進行分類，供分析使用，當接收到未經放行的數(shù)據(jù)時會自動報警，提示相關人員該次電子監(jiān)裝需人工干預。

4 結束語

本系統(tǒng)是一個典型的嵌入式系統(tǒng)應用例子，在ARM7 的嵌入式Linux 平臺上,詳細介紹了基于RFID 的監(jiān)管信息系統(tǒng)的實現(xiàn)，利用嵌入式Linux 系統(tǒng)下的網(wǎng)絡通信設計, 通過對Linux 的內核進行了修改和重新編譯后，增加了相應的NAT 和PPP 功能，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交換。本文作者創(chuàng)新點是充分利用了ARM 豐富的硬件資源簡化了系統(tǒng)結構，并通過對嵌入式Linux 系統(tǒng)核心編譯增加對NAT 和PPP 的支持，并利用先進RFID 技術實現(xiàn)遠程電子標簽的管理，整個系統(tǒng)的結構簡化，實現(xiàn)簡單，在其他嵌入式設備上的無線應用方面有一定的應用價值和指導意義。