基于ARM的RFID智慧型展示屏設(shè)計(jì)

黃 璟，邵利群，趙 展

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程系，江蘇 蘇州 215104）

加工程序復(fù)雜、功能繁多、用途廣泛的物品，例如數(shù)碼產(chǎn)品、化妝品、儀器儀表、運(yùn)動器械等商品，或是與生活質(zhì)量密切相關(guān)的食品、藥品等商品，顧客在門市挑選時(shí)難免要了解很多內(nèi)容，這些內(nèi)容不可能在產(chǎn)品包裝和說明書上一目了然地體現(xiàn)，一般需要通過銷售人員解說商品特性。采用銷售人員介紹的方式，有時(shí)銷售人員的偏好和顧客想要了解的內(nèi)容不能很好契合，不但造成時(shí)間人員的浪費(fèi)，還可能引起顧客反感。而顧客想了解的內(nèi)容，特別是與技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，普通銷售人員又無從解說。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是自動識別技術(shù)（Auto Identification and Data Capture，AIDC）的一種，通過無線射頻方式，利用交變磁場或電磁場的空間耦合原理，獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對物體加以識別。RFID技術(shù)無需與被識別物品直接接觸即可完成信息的輸入和處理，能快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集和處理信息[1]。作為21世紀(jì)新興科技之一，RFID技術(shù)已廣泛應(yīng)用于公共交通、身份識別、門禁控制、資產(chǎn)管理等領(lǐng)域。本文介紹一種采用三星公司的32位微處理器S3C2440A，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于射頻識別的智慧型展示屏。系統(tǒng)充分利用S3C2440A集成度高、可靠性好、性能高的片上資源功能的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)讀卡、視頻展示、語音播報(bào)、原料追溯、信息統(tǒng)計(jì)等功能。適用于食品、藥品、數(shù)碼、服裝、珠寶等各類商品的門店和商場，以減輕員工勞動強(qiáng)度，提高商家的客戶滿意度和競爭力，使同類商品的銷售競爭更公平。

1 智慧型展示屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智慧型展示屏包括RFID前端通信模塊、MCU主控模塊、語音播放電路、觸摸屏模塊、連接上位機(jī)的通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、電源模塊、外圍電路等。圖1為智慧型展示架的系統(tǒng)框圖。

圖1 智慧型展示屏系統(tǒng)框圖

電子標(biāo)簽貼在商品上，顧客將感興趣的商品靠近智慧型展示屏，展示架中的讀卡芯片發(fā)射一定頻率的載波信號，基于電感耦合方式，在電子標(biāo)簽內(nèi)在天線上產(chǎn)生同頻率的載波信號。接著電子標(biāo)簽將卡內(nèi)編碼的身份識別信息（ID識別代碼）調(diào)制到載波信號，通過信號耦合，反饋到讀卡器天線上，經(jīng)接口電路輸入微處理器，由讀卡程序解調(diào)出ID數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 RFID前端通信模塊

RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（Tag）、讀卡器、上層應(yīng)用軟件組成。本設(shè)計(jì)采用低頻（Low Frequency，LF）RFID系統(tǒng)，工作頻率范圍為30～300 kHz。其特點(diǎn)是電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少，閱讀距離較短，電子標(biāo)簽外形多樣，可以適應(yīng)各類商品；低頻電磁波傳輸不具有方向性，信號衰減小，穿透能力強(qiáng)；電磁兼容性好，避免對其他智能電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾；且低頻RFID電路發(fā)射功率小，輻射傷害小，環(huán)保性能優(yōu)越。各大IC制造廠商可選擇的RFID芯片很多，且技術(shù)比較成熟，有相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

本設(shè)計(jì)選用NXP公司的HITAG S無源電子標(biāo)簽，以及相對應(yīng)的射頻芯片HTRC11001T。HITAG S讀/寫轉(zhuǎn)發(fā)芯片工作頻率范圍從100～150 kHz，本RFID系統(tǒng)工作頻率125 kHz；符合全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC18000-2），內(nèi)存的大小為64～2 048 bit；具有復(fù)雜防沖突（anti-collision）算法，可以同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽。HITAG S采用高度精密專用加密算法，確保數(shù)據(jù)的安全性；采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）和奇偶校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)高度的完整性和可靠性[2]。

HTRC11001T是低功耗高度集成的RFID模擬前端，適合HITAG系列轉(zhuǎn)發(fā)器，可配置接收機(jī)參數(shù)，具有天線破裂和短路檢測。此RFID模擬前端配套芯片，適用于非接觸式識別轉(zhuǎn)發(fā)器和卡片，可工作于惡劣環(huán)境，廣泛應(yīng)用于牲畜追蹤、簡裝氣體識別、洗衣自動化、工業(yè)自動化、考勤系統(tǒng)和游戲機(jī)等[3]。本設(shè)計(jì)的讀卡電路如圖2所示，RFID天線采用工藝簡單、成本低廉的線圈型天線。電容采用2 200 pF的高壓貼片電容。電感初選值取700 μH，由于電路中各元件分布參數(shù)的影響，故根據(jù)實(shí)際電路細(xì)調(diào)電感值，使電路諧振在125 kHz左右。

圖2中MOD是工作模式選擇位，這里設(shè)置只讀模式，故MOD=0。當(dāng)DIN為高電平時(shí)，HTRC11001T處于休眠狀態(tài)，當(dāng)DIN為低電平時(shí)，電路發(fā)射RF信號，并接收來自收電子標(biāo)簽的反饋信號，同時(shí)開始解調(diào)AM信號。經(jīng)過解調(diào)后的信號經(jīng)DOUT引腳輸入到S3C2240微處理器，進(jìn)行解調(diào)和數(shù)據(jù)處理。

圖2 RFID系統(tǒng)硬件及接口原理圖

2.2 控制模塊

主控MPU模塊采用三星公司的32位嵌入式ARM芯片S3C2440A，工作頻率可達(dá)405 MHz。內(nèi)部集成ARM920T核技術(shù)，CPU核心電壓1.2 V，存儲器電壓1.8 V/2.5 V/3.3 V，I/O電壓3.3 V。因采用低電壓技術(shù)，故運(yùn)算速度快，功耗低。具有16 kbyte指令Cache、16 kbyte數(shù)據(jù)Cache。集成LCD專用DMA的LCD控制器，支持256 k色TFT。8路10位ADC和觸摸屏接口，4路擁有外部請求引腳的DMA控制器，3路URAT，2路SPI，可實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)雙工傳輸。I2C總線控制器，I2S控制器。2路USB主機(jī)控制，1路USB期間控制，4路PWM定時(shí)器，1路內(nèi)部定時(shí)器，具有日歷功能的RTC，攝像頭接口，MMC/CF多媒體接口，AC97音頻接口。130個(gè)通用I/O，24個(gè)外部中斷源等[4]。S3C2440提供用戶多種與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能。本設(shè)計(jì)主控模塊原理框圖如圖3所示。

圖3 微處理器系統(tǒng)框圖

2.3 觸摸屏模塊

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display），即薄膜晶體管液晶顯示器。采用東華公司4.3 in（1 in=2.54 cm）四線電阻式觸摸屏WXCAT43-TG3#001F，其像素為480×272，顯示比例16∶9。盡管微處理器內(nèi)部有LCD控制器，還是需要外接觸摸屏控制器，來提供數(shù)據(jù)和使能等控制信號給內(nèi)部LCD控制器，并且提供觸摸屏信號，以控制內(nèi)部液晶旋轉(zhuǎn)，得到相應(yīng)圖像。圖4為觸摸屏控制器接口電路。

圖4 觸摸屏控制器接口電路

本設(shè)計(jì)中外擴(kuò)控制器采用ADI公司的四線式觸摸屏控制器ADS7846，其性價(jià)比比較高，廣泛應(yīng)用于電阻式觸摸屏。通過SPI總線方式與S3C2440A通信。初始化觸摸屏后，若觸摸屏被按下，則進(jìn)入相應(yīng)中斷處理程序，若沒按下則循環(huán)等待[5]。控制器完成觸摸坐標(biāo)的信息采集及A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信息返回到微處理器。

2.4 存儲器擴(kuò)展模塊[6]

存儲器擴(kuò)展電路由2個(gè)部分組成，即程序存儲器擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展。

系統(tǒng)程序存儲器擴(kuò)展采用64 M×8 bit的NAND Flash非易失閃存芯片K9F1208，用以存儲操作系統(tǒng)程序，以及系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)。工作電壓采用3.3 V。存儲器結(jié)構(gòu)為528 byte×32頁×4 096塊，可以實(shí)現(xiàn)頁的讀取、寫入、擦除等操作。

智慧型展示屏要展示大量信息，S3C2440A內(nèi)部的16 kbyte指令Cache和16 kbyte數(shù)據(jù)Cache空間不能滿足應(yīng)用要求。需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器，以存儲信息量巨大的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用2片HY57V561620構(gòu)建32 bit的SDRAM，即同步動態(tài)隨機(jī)存儲器系統(tǒng)。每片存儲容量為4組×4 M×16 bit，共32 Mbyte，2片總?cè)萘繛?4 Mbyte。工作電壓為3.3 V，支持自動刷新和自刷新。

2.5 串行通信接口

RFID讀卡器和微處理器之間，采用常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，由于兩者邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)不同，故采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來連接兩部分。若要了解產(chǎn)品動態(tài)資訊，如點(diǎn)閱率、即時(shí)銷售情報(bào)、庫存統(tǒng)計(jì)等信息，系統(tǒng)可以增加分析與統(tǒng)計(jì)等功能，以便更深層次地分析顧客消費(fèi)行為模式。這時(shí)需要連接上位機(jī)，嵌入式控制模塊將收集到的信息通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由PC機(jī)上的應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成分析與統(tǒng)計(jì)。這種情況下，控制模塊分別與RFID射頻模塊和PC機(jī)連接，需要設(shè)計(jì)雙串口。

2.6 以太網(wǎng)接口

若智慧型展示屏僅是商品介紹，那么系統(tǒng)不需要聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)。若是展示內(nèi)容涉及制造材料來源追溯、貨品真假辨別、商品歷史追溯等，就要通過以太網(wǎng)通信，連接因特網(wǎng)，以獲取更多信息。比如牛奶商品，可以了解奶源、奶牛飼料等信息。

考慮成本，本設(shè)計(jì)采用DAVICOM公司（臺灣聯(lián)杰國際）的DM9000以太網(wǎng)芯片，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號的以太網(wǎng)傳輸和控制。其系統(tǒng)框架如圖5所示。DM9000與S3C2440A之間通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線連接，DM9000再經(jīng)RJ-45連至以太網(wǎng)。

圖5 S3C2440與DM9000接口電路

DM9000是16位快速以太網(wǎng)控制處理器，備有標(biāo)準(zhǔn)10/100 Mbit/s自適應(yīng)，16 kbyte大容量FIFO，4路多功能GPIO。備有接收緩沖區(qū)，暫存接收到的數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)鏈路層直接從該緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)。DM9000實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC和PHY的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝、拆分與收發(fā)、地址識別、MLT-3編碼器、CRC校驗(yàn)、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、鏈路完整性測試、信號極性檢測及糾正等[7]。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用基于嵌入式Linux的操作系統(tǒng)。相對于其他商用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它具有源碼開放、可移植、可固化、資源豐富等優(yōu)勢，支持多線程、多進(jìn)程、多平臺。它由一個(gè)內(nèi)核和一些可以定制的系統(tǒng)模塊組成，如文件模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、各類驅(qū)動模塊等[8]。終端軟件采用層次結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，軟件體系結(jié)構(gòu)大體分為用戶層、控制層、數(shù)據(jù)協(xié)議層和硬件接口層[6]，如圖6所示。

圖6 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

針對本系統(tǒng)的嵌入式硬件，經(jīng)過重新裁剪和配置，編寫相應(yīng)的程序，如RFID閱讀程序、串口驅(qū)動程序、觸摸屏驅(qū)動程序、以太網(wǎng)驅(qū)動程序、圖形用戶界面應(yīng)用程序等。其中閱讀器軟件的工作流程如圖7所示。

4 結(jié)論

智慧型展示屏結(jié)合RFID技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體控制技術(shù)，改變了傳統(tǒng)展示架靜態(tài)展示功能，實(shí)現(xiàn)了商品的音視頻自動介紹功能。它減少了門市、賣場銷售人員的工作負(fù)擔(dān)，為消費(fèi)者提供愉快的購物體驗(yàn)。由于每個(gè)商品的電子標(biāo)簽具有全球唯一ID號碼，故顧客了解的是所選擇的某一單品的信息，而非同一類商品信息。對于食品、藥品等，客戶獲得了更有價(jià)值信息。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)材料來源追溯、商品比較等功能；可以連接PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品動態(tài)資訊分析與統(tǒng)計(jì)。

智慧型展示屏系統(tǒng)架構(gòu)獨(dú)立，避免現(xiàn)場工程以及復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)定操作界面，可以隨處擺設(shè)，即插即用?，F(xiàn)場安裝時(shí)，可以嵌入墻體內(nèi)，嵌入貨架上，也可以加上支架做成立式的展示屏。功能上可以增加無線通信模塊，如GSM、GPRS、WiFi通信模塊等，安裝使用更便捷。在更為高端的商業(yè)展示場地，由于光顧高端商品的顧客數(shù)量相對較少，層次相對較高，展示空間更為寬敞，可以考慮采用電子標(biāo)簽固定而讀卡器移動的便攜式商品展示機(jī)，顧客需要了解某個(gè)商品時(shí)，將展示屏靠近該商品的電子標(biāo)簽即可。系統(tǒng)還可以增加防盜功能，一旦物品在離開閱讀器的識別范圍，閱讀器自動將信息反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)分析這些信息是否異常，如有異常則報(bào)警。

總之，智慧型展示屏具有電子化、全球化、資訊化、無線化與網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)勢，在未來流通業(yè)的無人化應(yīng)用上，發(fā)展?jié)摿κ恪?/p>

[1] 黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng) 射頻識別（RFID）核心技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 劉殿金.自助式機(jī)器機(jī)柜監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[3] HTRC11001T HITAG reader chip[EB/OL].[2012-08-20].http://www.nxp.com/documents/data_sheet/HTRC11001T.pdf.

[4] Samsung Electronics.S3C2440A 32-bit CMOS microcontroller user’s Manual[EB/OL].[2012-08-20].http://download.csdn.net/detail/zzsg200 5/1198190.

[5] 張穎超，楊樂，葉小嶺，等.基于Linux的觸摸屏[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（2）：71-73.

[6] 劉芳.基于ARM和射頻識別技術(shù)的手持式物流終端設(shè)備的研究[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2008.

[7] 李劍雄，張策，楊軍.基于ARM和DM9000的網(wǎng)卡接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（5）：123-124.

[8] 黃瑩.基于嵌入式系統(tǒng)的UHF頻段便攜式RFID閱讀器研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2007.