基于嵌入式Linux的RFID安檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王志亮，官洪運(yùn)，王 龍，劉 婕，張智軼

(東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海201620)

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，解決了無源(卡中無電源)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，如我國的第二代公民身份證、公交卡、ETC免停車付費(fèi)卡等?？梢哉fRFID技術(shù)越來越多地應(yīng)用到我國身份安檢、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)。現(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卡模塊正是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫的，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。

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[1]。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[2]。

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

圖2 串口開發(fā)與配置流程

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

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)庫的應(yīng)用開發(fā)

sqlite3數(shù)據(jù)庫是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫，其目標(biāo)是盡量簡單，因此拋棄了傳統(tǒng)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫的種種復(fù)雜特性，只實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)庫而言必備的功能。盡管簡單性是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)庫的移植

sqlite3數(shù)據(jù)庫的移植過程如下所述：

(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

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)庫的管理程序和庫文件,最終在result目錄下得到數(shù)據(jù)庫管理程序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)庫管理程序 sqlite3、提供編程所需的 API的動(dòng)態(tài)庫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)庫的API的應(yīng)用程序，需要將動(dòng)態(tài)庫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)庫的移植和開發(fā)環(huán)境的配置已完成。只要輸入SQL語言便可以進(jìn)行相關(guān)操作。

3.2 Linux下sqlite3的C語言開發(fā)

sqlite3里最常用到的是sqlite3*類型。從數(shù)據(jù)庫打開時(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)庫關(guān)閉，整個(gè)過程都需要用到這個(gè)類型。數(shù)據(jù)庫打開時(shí)起，這個(gè)類型的變量就代表了所要操作的數(shù)據(jù)庫。

(1)打開數(shù)據(jù)庫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)庫操作。需要傳入兩個(gè)參數(shù)，其中之一是數(shù)據(jù)庫文件名，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，結(jié)尾時(shí)不要忘了用這個(gè)函數(shù)關(guān)閉數(shù)據(jù)庫。

(3)執(zhí)行 SQL語句 API接口

由于嵌入式sqlite3數(shù)據(jù)庫支持SQL語言，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)庫函數(shù)sqlite3_open()打開的數(shù)據(jù)庫對(duì)象。

參數(shù)2是一條待執(zhí)行的SQL語句，其語法格式同標(biāo)準(zhǔn)SQL語言規(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)庫的其他操作，如數(shù)據(jù)庫更新、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)行過程中錯(cuò)誤發(fā)生的位置。

3.3 串口同sqlite3通信測試與分析

為了驗(yàn)證sqlite3數(shù)據(jù)庫在嵌入式Linux[3-4]終端下的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性，為此做了一個(gè)簡單的測試實(shí)驗(yàn)：通過上位機(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)庫中。自后查看數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，看看有沒有遺漏和誤碼。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：

可見程序是個(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str.Format格式化為固定長度，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)庫中就可以很清楚地查看有沒有遺漏和誤碼，而且可以通過修改Sleep函數(shù)的延時(shí)參數(shù)檢測出嵌入式Linux終端下sqlite3數(shù)據(jù)庫操作的速度。

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)庫文件test.db,接著就是一個(gè)死循環(huán)，串口不停地查找有沒有數(shù)據(jù)寫入，當(dāng)檢測到數(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。

測試結(jié)果如圖3所示。

整個(gè)測試根據(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)越來越高。通過數(shù)據(jù)分析可知原因有以下幾點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)庫本身寫入需用時(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)庫時(shí)若有新數(shù)據(jù)發(fā)過來，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。不過就80 ms左右的一次讀寫速度而言，嵌入式數(shù)據(jù)庫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)庫的應(yīng)用。最后通過實(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。

[1]WALL K，WASTON M.GUN/Linux編程指南(第 2版)[M].WHITIS M，王勇，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]華清遠(yuǎn)見嵌入式中心.嵌入式Linux C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]FELDHOFER M.A proposal for an authentication protocol in a security layer for RFID smart tags.IEEE Proceedings of MELECON，2004.

[4]華清遠(yuǎn)見嵌入式中心.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.