基于輪詢機(jī)制的RFID讀卡系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

胡文藝 曾維周 闞璦珂

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610059）

RFID讀卡系統(tǒng)（以下簡稱讀卡系統(tǒng)）在人員定位、搜救和管理等方面具有廣泛的應(yīng)用。讀卡系統(tǒng)，是一種針對RFID射頻識別（radio frequency identification）的技術(shù)。RFID讀卡器（以下簡稱讀卡器）通過獲取主動式RFID卡發(fā)射的射頻信號，在不需要人工干預(yù)的情況下，通過讀卡器對攜帶RFID卡的人員進(jìn)行信息采集，并把所采集的數(shù)據(jù)信息存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，從而實(shí)現(xiàn)對人員的監(jiān)測定位［1－3］。由于讀卡器的有效讀卡范圍在50m左右，為了提高人員定位精度，讀卡系統(tǒng)需要在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)設(shè)置多臺讀卡器。如何有效地對多臺讀卡器進(jìn)行管理，保證獲取每一臺讀卡器讀取的數(shù)據(jù)，是讀卡系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的問題。由于本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用的讀卡器具有同時讀取范圍內(nèi)所有卡的技術(shù)特點(diǎn)，不需要采用RFID卡防碰撞算法［4］；因此，本文采用輪詢機(jī)制，通過設(shè)定固定時間間隔，分別讀取每一臺RFID讀卡器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的完整獲取。

1 串口輪詢技術(shù)

串口輪詢是以基站為終端分配指令的一種處理流程，這種分配可以是針對單個終端或是一組終端的［5］。為單個終端和一組終端連接分配指令，定義指令請求競爭機(jī)制，這種分配不是使用一個單獨(dú)的消息，而是上行鏈路映射消息中包含的一系列分配機(jī)制［6］。在使用多臺讀卡器設(shè)備時，采用輪詢技術(shù)確保每臺讀卡器和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的完整性。如圖1所示，系統(tǒng)首先取得設(shè)備1的地址，發(fā)送命令包獲得數(shù)據(jù)后，取得設(shè)備2的地址發(fā)送命令；按照此順序?qū)?臺讀卡器進(jìn)行遞歸操作，每一個讀卡器傳輸數(shù)據(jù)提供固定的間隔時間，然后再讀取下一臺設(shè)備。

圖1 串口輪詢流程Fig.1 Serial polling process

在本系統(tǒng)中，共使用了4臺讀卡器。為了保證數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中有充足的時間，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后得出每次輪詢時間間隔需要5s。讀卡器通過RS232串口與計算機(jī)進(jìn)行通信，讀卡系統(tǒng)通過上行和下行命令獲取數(shù)據(jù)包中的命令來判斷該數(shù)據(jù)包的類型，并針對該類型數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)操作，表1為RFID讀卡器數(shù)據(jù)包定義。

表1 RFID讀卡器數(shù)據(jù)包定義Table 1 Definition of RFID reader packet

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)包括RFID卡配置模塊和RFID卡消息輪詢查看模塊兩部分，均采用C／S模式架構(gòu)設(shè)計。兩部分模塊均對RFID卡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，RFID配置模塊實(shí)現(xiàn)對RFID卡數(shù)據(jù)的修改功能，RFID卡消息輪詢查看模塊實(shí)現(xiàn)對RFID卡數(shù)據(jù)的讀取功能。通過3G網(wǎng)絡(luò)，兩模塊將數(shù)據(jù)記錄存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶可以利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中數(shù)據(jù)進(jìn)一步系統(tǒng)開發(fā)，或者通過對兩模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，實(shí)時進(jìn)行人員監(jiān)控，如圖2所示。

RFID卡配置模塊，利用身份證讀卡器讀取身份證的ID號碼，再采用RFID配置器錄入RFID卡中，并將該RFID卡號與對應(yīng)的身份證ID記錄寫入數(shù)據(jù)庫中。身份證錄入RFID卡功能的實(shí)現(xiàn)是基于身份證閱讀器設(shè)備SDK的二次開發(fā)，RFID配置器部分使用WINDOWS API，從底層讀取COM端口設(shè)備，并完成數(shù)據(jù)讀取和寫入功能。

RFID卡消息輪詢查看模塊，讀卡器所采集的數(shù)據(jù)通過iNET網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳電臺傳到服務(wù)器；RFID卡消息輪詢查看模塊讀取和解譯傳回的數(shù)據(jù)，獲得各個讀卡器所讀取的RFID卡號，并將記錄保存至數(shù)據(jù)庫中。該功能模塊采用 WINDOWS API技術(shù)從底層讀取COM端口設(shè)備。由于iNET網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳電臺基于黑盒原理設(shè)計工作模式，因此在讀取讀卡器數(shù)據(jù)時，直接使用COM口輪詢技術(shù)，建立設(shè)備查詢和設(shè)備數(shù)據(jù)獲取線程，設(shè)置定時器按固定時間間隔刷新讀卡器地址，保證軟件可以分別獲取不同讀卡器讀取的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

基于C／S模式的RFID、旅游人員監(jiān)控系統(tǒng)需要將RFID卡配置記錄和RFID卡輪詢記錄存入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計需要，數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)包括RFID配置記錄數(shù)據(jù)庫表和RFID輪詢記錄數(shù)據(jù)庫表。RFID配置數(shù)據(jù)庫表（表2）主要包括記錄號、RFID卡配置記錄時身份證ID號及對應(yīng)RFID卡號和記錄時間戳。RFID卡輪詢記錄數(shù)據(jù)庫表（表3）主要包括記錄號、讀卡器編號、RFID卡的編號和記錄時間戳。

圖2 基于C／S模式的RFID讀卡系統(tǒng)框架Fig.2 The framework of RFID reader system based on C／S mode

表2 RFID配置記錄數(shù)據(jù)庫表Table 2 Database table of RFID configurator record

表3 RFID輪詢記錄數(shù)據(jù)庫表Table 3 Database table of RFID polling record

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以Visual Studio C＋＋6.0為開發(fā)語言，使用OLDB方式提供 MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫操作功能，采用WINDOWS API和CSerialPort類庫來實(shí)現(xiàn)通過COM端口與RFID讀卡器、RFID配置器和身份證閱讀器的通信。讀卡器和RFID卡配置器硬件設(shè)備廠家提供了串口通信數(shù)據(jù)協(xié)議，如表4、表5所示。通信過程上行和下行的數(shù)據(jù)包根據(jù)其命令，可以對數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作，并存入數(shù)據(jù)庫中。

3.1 RFID卡配置

RFID卡配置模塊業(yè)務(wù)流程包括2部分，完成身份證號碼讀取和配置RFID卡寫入身份證信息，并將對應(yīng)記錄寫入數(shù)據(jù)庫中。這2部分業(yè)務(wù)過程使用了身份證閱讀器和RFID卡配置器2種不同的硬件設(shè)備，因此，獨(dú)立設(shè)計2個業(yè)務(wù)流程，確保軟件的低耦合性。設(shè)計界面如圖3所示。

表4 RFID卡閱讀器讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)協(xié)議Table 4 RFID card reader reads data protocol of buffer

表5 RFID卡配置器設(shè)置存儲數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)協(xié)議Table 5 RFID card configurator sets data protocol of stored data information

圖3 RFID卡配置模塊界面Fig.3 Module interface of RFID card configurator

3.1.1 身份證號碼讀取

身份證號碼讀取是通過COM端口讀取身份證讀卡器設(shè)備的數(shù)據(jù)，取得身份證號碼并保存，用于配置RFID卡數(shù)據(jù)操作。身份證號碼讀取工作流程（圖4）首先需初始化身份證閱讀器設(shè)備，再通過COM端口用SDK開發(fā)包提供的連接函數(shù)連接身份證閱讀器設(shè)備；連接完成之后調(diào)用SDK開發(fā)包的讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，將身份證的ID卡號數(shù)據(jù)讀出并傳回。

圖4 身份證號碼讀取工作流程Fig.4 The workflow of reading ID number

在開發(fā)過程中采用全局變量m＿strIDNum保存數(shù)據(jù)庫并寫入RFID卡中，身份證閱讀器對身份證號碼的讀取代碼如下：

3.1.2 配置RFID卡數(shù)據(jù)

利用RFID配置器，將身份證號碼寫入RFID卡中。該功能同時將身份證的ID號碼和RFID卡的編號信息存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)該模塊與RFID卡消息輪詢查看模塊的數(shù)據(jù)交換。

如圖5所示，該功能使用CSerialPort類庫提供的COM端口通信函數(shù)尋找RFID配置器，完成之后啟動數(shù)據(jù)接收線程，獲取從RFID配置器取得的數(shù)據(jù)。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)包命令協(xié)議，將身份證閱讀器獲得的身份證號碼載入數(shù)據(jù)包中寫入RFID卡，并將匹配的數(shù)據(jù)記錄存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。身份證號碼寫入RFID卡中代碼如下：

3.2 RFID卡消息輪詢查看

RFID卡消息輪詢查看是利用RFID卡主動射頻信號，由RFID讀卡器進(jìn)行讀取，并將數(shù)據(jù)顯示并保存至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。本系統(tǒng)一共使用了4臺RFID讀卡器，采用輪詢機(jī)制對4臺設(shè)備分別進(jìn)行遞歸訪問，獲得不同RFID讀卡器的數(shù)據(jù)，將讀獲的RFID卡編號顯示并存入數(shù)據(jù)庫中，界面如圖6所示。

圖5 RFID卡配置器工作流程Fig.5 The workflow of RFID card configurator

圖6 RFID卡消息輪詢查看模塊界面Fig.6 Module interface of RFID card message polling view

由于數(shù)據(jù)傳輸延時，必須確定有效的時間間隔，以保證每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)都能夠完整獲得。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在本系統(tǒng)中設(shè)定定時器時間間隔為5s，可以達(dá)到設(shè)計目的。

本系統(tǒng)使用CSerialPort類庫提供的COM端口通信函數(shù)尋找iNET數(shù)傳電臺端口，成功后啟動數(shù)據(jù)接收線程，模塊每隔5s修改發(fā)送命令的硬件地址，通過iNET數(shù)傳電臺分別按相同的時間間隔讀取4臺讀卡器中的數(shù)據(jù)。通過4臺讀卡器發(fā)送讀取RFID卡的命令，獲取下行數(shù)據(jù)包后，模塊將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)存入隊列變量中，通過讀卡器硬件廠家提供的協(xié)議，獲取每一個RFID卡的編號并和讀取數(shù)據(jù)的讀卡器編號一起記錄顯示并存入數(shù)據(jù)庫中。具體流程如圖7所示。

圖7 RFID卡消息輪詢查看工作流程Fig.7 The workflow of RFID card message polling view

實(shí)現(xiàn)獲取RFID讀卡器取得的數(shù)據(jù)代碼如下：

4 結(jié)論

基于輪詢機(jī)制的RFID讀卡系統(tǒng)，通過設(shè)定固定的時間間隔作為輪詢機(jī)制基礎(chǔ)，遞歸讀取各臺RFID讀卡器數(shù)據(jù)。與采用防碰撞算法的輪詢機(jī)制相比，本方法由于在具體的項(xiàng)目實(shí)施中讀卡器的分布距離較遠(yuǎn)，不存在讀卡器沖突；RFID卡可以同時讀取，不需要考慮RFID卡編號沖突，可以完整地獲取RFID卡數(shù)據(jù)，并通過對程序內(nèi)存的有效管理，保證了系統(tǒng)在遞歸讀取數(shù)據(jù)時的穩(wěn)定性，也避免了出現(xiàn)內(nèi)存溢出導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。本系統(tǒng)通過RFID讀卡器數(shù)據(jù)記錄與RFID卡配置模塊的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行匹配，可以實(shí)時獲取人員所在位置，實(shí)現(xiàn)人員的定位和管理。

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