摘? 要： 介紹一種以AT91SAM9260處理器和Linux嵌入式操作系統為平臺的RFID信息采集與處理系統。該系統充分利用AT91SAM9260芯片豐富的標準接口資源，集門禁、考勤、監控為一體，以Linux操作系統為軟件平臺，完成了RFID數據信息和USB攝像頭照片數據的采集、保存與TCP/IP遠程數據傳輸等。介紹了系統的硬件組成原理、軟件設計方案和實現方法，為射頻識別技術在智能一卡通系統中的應用提供了一種先進的解決方案。
關鍵詞： 嵌入式系統； 射頻識別； USB攝像頭； 一卡通
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隨著射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術和計算機技術的不斷發展，RFID廣泛應用于城市、住宅小區、企業公司、學校、醫院等一卡通系統中，極大提高了人們的生活水平和工作質量。目前的RFID信息采集與處理多數采用8位單片機系統，如各種考勤機、門禁控制器、售飯機等，其功能單一化，數據處理能力有限。本設計采用ATMEL公司生產的ARM9系列芯片AT91SAM9260為核心處理器，實時采集RFID模塊的數據信息，并對數據進行篩選、識別、保存，最后以TCP/IP、FTP方式上傳至服務器供管理系統處理。外置USB攝像頭可運行于實時視頻監控或圖片抓拍，抓拍的圖片可保存于本地Flash存儲器或SD卡中，方便管理人員對采集的信息進行核查，能有效監控在考勤或門禁系統中的作弊代刷卡現象，是有別于指紋考勤系統的另一種有效替代方案。下面介紹系統各組成模塊的功能和實現方法。
1 系統硬件設計
1.1 ARM處理器AT91SAM9260
AT91SAM9260采用ARM926EJ-S內核，最高頻率200 MIPS，具有7個USART，96個可編程I/O口，10 M/100 M以太網卡MAC層，12 Mb/s USB-DEVICE及USB-HOST，支持SDRAM的外部總線接口、閃存、NAND閃存。處理器的系統控制器提供完整的監視功能，其中包括8級優先級中斷控制器、RC振蕩器、PLL、實時周期中斷和看門狗定時器、復位和關機控制器及備份寄存器[1]。該處理器件的這些特性使得系統硬件電路變得異常簡潔。
1.2 系統構成
系統包括1個用于采集USB攝像頭數據的USB-HOST接口，1個語音信息提示的IIS音頻接口，1個RS232調試串口,2個用于接收RFID模塊數據的UART1、UART2串行接口，1個以太網接口以及存儲器接口和其他普通I/O接口。系統組成結構如圖1所示。
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1.3 外圍接口
根據圖1的系統結構圖，著重介紹門禁控制、RFID模塊和存儲器接口的硬件實現。
1.3.1 門禁控制
在門禁控制系統中，RFID數據信息主要來自于韋根讀卡器。其特點是數據傳輸可靠，傳輸距離遠，在200 m范圍內能可靠傳輸，其Wiegand(韋根)協議是由Motorola公司制定的一種通信協議，數據輸出由2根線組成，分別為DATA0和DATA1，2根線分別將0或1輸出：輸出0時，DATA0線上出現負脈沖；輸出1時，DATA1線上出現負脈沖。DATA0與DATA1分別與處理器的I/O口相連接，并將I/O口配置為輸入電平變化中斷方式，保證數據幀的可靠完整接收。
門禁輸出控制采用MOSFET功率場效應管IFRZ44代替目前流行使用的繼電器控制方式，克服了繼電器所有的“靈敏度差”、“有動作噪音”、“開閉次數多減少壽命”等缺點。IFRZ44的驅動電路如圖2所示，其中IFRZ44工作于開關狀態，將電控鎖的電源連接到J4的兩端，通過控制IFRZ44的開/關狀態即可實現門閘的開/閉。
1.3.2 RFID模塊
RFID數據采集模塊包括：天線、RF發送電路及RF接收電路、解調電路、DSP處理電路、電源、外部通信接口等，其外部通信接口最終輸出正確的卡片ID信息[2]。在一卡通系統中，通常采用成品模塊，目前國內多采用支持頻率為125 kHz的EM卡和13.56 MHz的Mifare卡的讀卡模塊。其中，Mifare卡內芯片可讀/寫數據，每個扇區獨立加密，具備更好的安全性。
在本設計中，選用中國臺灣Smart-way品牌的125 kHz-K4模塊。該模塊體積小，是專門設計用來讀取EM 卡的讀卡模塊，射頻距離約10 cm，外部通信接口采用RS232通信方式，通過電平轉換電路后可直接與處理器的UART接口連接。根據不同的應用和需求，可將該模塊更換為RS232通信方式的Mifare(M1)讀寫模塊、遠距離讀卡模塊、電子標簽閱讀器等，應用程序根據模塊生產廠家提供的通信格式對卡片、電子標簽等數據載體進行讀寫操作。
1.3.3 存儲接口
系統使用2片SDRAM-K4S561632H組成32位64 MB的內存，以運行Linux操作系統和其他臨時數據；使用1片64 MB的NandFlash-K8F1208作為物理存儲器，存儲系統程序代碼、文件系統、配置參數等。NandFlash掉電數據不丟失，寫（編程）和擦除速度快，適合大數據量的讀取。在設計中，NandFlash的地址空間分配如圖3所示。
圖中，Cramfs為系統的啟動根文件系統，是一個壓縮格式的只讀文件系統，當系統需要訪問某個位置的數據時，馬上計算出該數據在Cramfs中的位置，將它實時地解壓縮到內存之中，然后通過對內存的訪問來獲取文件系統中需要讀取的數據，節省了大部分的內存空間[3]；Yaffs2文件系統是一種專門針對NandFlash的可讀寫文件系統，在意外斷電等情況下不會丟失數據,此處用于保存人員檔案數據、照片、RFID信息、系統配置參數等。
1.3.4 其他接口
采用簡單的4×4矩陣鍵盤和128×64字符型液晶FM12864M作為人機界面，以減少系統成本。
系統的電源采用模塊開關電源，輸出+5V/3A和+12 V/1.2 A兩組電源，用于控制系統供電和電鎖供電。UPS電源可用于門禁系統中，以便在市電斷開的情況下能繼續維持整個系統的正常運行，提高門禁安全性。
2 系統軟件設計
在嵌入式系統中，Linux操作系統以源代碼開放、可裁剪、占用內存少、效率高、穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、對各種文件系統完備的支持和標準豐富的API等眾多優點，成為嵌入式軟件平臺的首選[4]。本設計采用Linux-2.6.22為內核的Linux操作系統為軟件平臺，在此基礎上編寫系統需要的各種驅動程序和應用程序。
2.1? USB攝像頭驅動的移植
開源驅動spca5xx/gspca提供了對大部分主流攝像頭的支持，還為攝像頭提供了一個完整的網絡應用程序，即servfox和spcaview程序，通過在Linux服務器端運行servfox，即可實時顯示客戶端spcaview程序采集USB攝相頭視頻流。由于gspca驅動不支持本系統采用的“羅技靈迅版”USB攝像頭型號，所以要添加修改相應的驅動程序。gspca驅動程序的核心代碼是gspca_core.c和gspca.h兩個文件，包括了設備注冊、注銷、各種操作方法集(定義了所支持的攝像頭設備列表，設備檢測和初始化，設備打開、參數設置、關閉等各種操作函數) [5]。由于“羅技靈迅版”的VendorID（0x046d, 0x08af）、DSP型號(ZC3XX)、CMOS傳感器型號(SENSOR_HV7131R)在gspca.h中均有定義,也有相關的芯片頭文件,因此,只需改動gspca_core.c，把Easy/Cool攝像頭的信息加入到其中即可。在攝像頭型號檢測的函數spcaDetectCamera( )中添加如下代碼：
case 0x08af:
spca50x->desc =LogitechQC_EasyCool;
spca50x->bridge = BRIDGE_ZC3XX;
spca50x->sensor = SENSOR_HV7131B;
break;
即完成了對未知USB攝像頭型號的擴展使用。
2.2? RFID數據采集與處理
RFID數據采集與處理流程圖如圖4所示。人員檔案數據（如姓名、門禁權限等）統一存儲在一個file.txt的文件中，作為數據識別進程的數據依據。假設采集到的RFID卡片ID信息為：1123776758，執行如下查找程序：
system('grep 1123776758 /user/file.txt');
判斷該卡片ID信息是否合法。如果查找結果是該卡片ID信息為NULL，則應進行報警提示等處理；如果查找到的是該卡片ID信息對應的人員檔案數據，則進行數據保存、開門、照片抓拍等。
RFID信息、采集時間、地點等數據按格式保存在一個*.txt 文件中，所采集的照片以.jpg文件格式保存。
最后，服務器通過以太網，與終端設備建立TCP/IP、FTP連接，終端設備將保存的文件上傳至服務器供管理系統處理。上傳成功的文件將從本地Flash中刪除，本地Flash由于容量有限，采用輪循存儲的辦法，保存的數據超出50 MB后，將從存儲范圍的開始處往后覆蓋原來的文件。
鍵盤、LCD12864、韋根接口、門禁控制接口均需在Linux下編寫I/O口驅動程序，以模塊動態加載的方式調試成功后,保存到Cramfs或Yaffs2文件系統中，啟動時在/etc/init.d/rcS文件中執行動態加載命令insmod[6],使用mknod建立設備支點，這樣應用程序便可以訪問這些設備。
人機交互除了使用LCD和鍵盤外，本設計還采用了基于Web瀏覽器的交互方式，在用戶端只需要通過Web瀏覽器輸入設備的IP地址，就可以對嵌入式設備進行管理和監控，非常方便實用。在Linux環境下，Boa服務器是一個非常小巧和適用于嵌入式系統的Web服務器，支持CGI程序的執行。
本設計充分利用AT92SAM9260片上資源與智能一卡通系統終端的硬件需求相一致的優勢，再以Linux為軟件開發平臺，實現了整個系統的集成化，具有通用性、低成本、體積小、操作方便、穩定可靠等優勢。本系統還可擴展到餐飲消費、車庫管理、會議簽到等應用中，也適用于一般的嵌入式數據采集系統、監控系統等。
參考文獻
[1] ?Atmel Co.AT91SAM9260 user’s mannual(revision 6221D)[M]. 2007.
[2] ?武國強，呂伯權. 基于嵌入式Linux的便攜式RFID信息采集與處理系統[J]. 電子技術應用，2006,32(10).
[3] ?馮國進. 嵌入式Linux設備驅動程序從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2008.
[4] ?孫瓊. Linux應用程序開發詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.
[5] ?徐偉，譚樹人. 基于AT91RM9260的圖像采集系統設計[J]. 微計算機信息，2006(12).
[6] ?CONRBET J, RUBINI A, HARTMAN G K. Linux device?drivers third editon[M]. O’Reilly Media, 2005.