基于ARM9的多接口嵌入式RFID數據網關設計

張　巍

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津300222）

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基于ARM9的多接口嵌入式RFID數據網關設計

張巍

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津300222）

摘要：為使RFID系統可以接入Internet，在遠端實現數據查詢及調試，設計了基于ARM9的多接口RFID數據網關。數據網關以基于ARM9的S3C2440為核心，硬件上兼容多種接口標準，軟件上以嵌入式Linux作為操作系統，搭建了Boa服務器，實現了多接口RFID的接入與數據傳輸。測試表明，此RFID數據網關具有良好的穩定性和可靠性，具有推廣的參考價值和應用前景。

關鍵詞：ARM；嵌入式系統；RFID；數據網關；多接口

物聯網技術正迅速改變著人們的生活。射頻識別技術作為物聯網的重要支撐技術已得到世界各國的高度重視，并將其作為重點產業發展，廣泛應用于物流倉儲、工業制造、資產管理、畜牧管理、交通監控、軍事航空等不同領域[1]。傳統的RFID射頻讀寫器不具備網絡功能，為使其與網絡技術更好地結合，本文采用嵌入式技術設計了一種基于WEB的RFID數據網關。本設計既作為網關使多部讀寫器接入互聯網，也作為嵌入式WEB服務器使用戶可在瀏覽器中通過Internet訪問嵌入式服務器，并遠程控制RFID系統的運行，大大提高該系統的網絡化和智能化。

1　系統架構

射頻識別（radio frequency identification，RFID）是一種通信技術，以非接觸的方式自動讀取某個范圍內電子標簽發出的無線信號[2]。一個完整的RFID系統由電子標簽、讀寫器及上位機軟件組成。電子標簽根據是否內置電池分為有源與無源標簽，一般有源標簽輻射距離較遠。讀寫器一般安裝在固定位置，可接收電子標簽發送的信息，一般電子標簽會發送固化在其內部的唯一識別編碼。接收到數據后，讀寫器將這些信息簡單處理，并通過串口或其他總線發送到上位機。上位機軟件主要負責對這些上傳的電子標簽識別編碼進行解析，并管理相關信息。

具體應用中，一個RFID系統需要多部讀寫器監控某一區域，當需要遠程傳輸數據時，讀寫器必須接入互聯網，以往的解決方案多是使用串口服務器[3]，如圖1所示。串口服務器是一種將串口轉換為TCP/IP網絡接口的設備，當有讀寫器需要接入互聯網時，只要為其配備一個串口服務器即可。這種方案不但成本高，且無法對現場讀寫器設備進行快速調試。本文采用嵌入式智能網關，利用其自帶的輸入輸出設備，可對設備進行查詢與調試，其結構如圖2所示。

圖1　串口服務器方案

圖2　嵌入式網關方案

2　硬件設計

嵌入式RFID數據網關主要由以下模塊組成：控制模塊、接口模塊及輸入輸出模塊，其硬件架構如圖3所示。主控模塊采用基于ARM920t架構的32位處理器S3C2440，在移植Linux操作系統以及編寫好應用程序后，可對RFID讀寫器發送的數據進行處理。接口部分主要支持RS232、RS485串行接口，USB接口標準可以通過觸摸屏對讀寫器進行控制，并顯示數據。

圖3　系統硬件組成

2.1控制模塊

為使RFID系統具有網絡化功能，僅使用單片機已經不能滿足要求，所以使用性能更為強大的ARM處理器。本文采用韓國三星電子公司的S3C2440，此芯片具有低功耗、簡單、精致等優點，其全靜態設計適合對成本和功耗敏感型的應用，且采用了新的總線架構如先進微控制總線架構。

S3C2440外部接口豐富，包括觸摸屏接口、USB接口、SPI接口、IIC接口等，還具有130個通用IO口和24通道外部中斷源。S3C2440的主頻最高可達400 MHz，其處理速度能夠滿足運行Linux操作系統與數據處理的要求。

2.2輸入輸出模塊

輸入輸出模塊主要使用液晶觸摸屏，這樣可以簡化操作，節省空間。液晶屏選用夏普公司的LQ080V3DG01液晶模塊，該模塊使用8寸TFT-LCD電阻液晶屏。LQ080V3DG01的主要參數如表1所示。

表1　液晶屏模塊參數

液晶屏的控制采用S3C2440內置的LCD控制器，通過控制器可以產生LCD驅動器所需要的控制信號，以此來控制STN或TFT液晶屏[4]。S3C2440可直接與LCD相連，其外部接口信號的定義如下：①VFRAME/ VSYNC，即在控制STN液晶屏時傳輸幀同步信號/在控制TFT液晶屏時傳輸的垂直同步信號；②VLINE/ HSYNC，即在控制STN液晶屏時傳輸行同步脈沖信號/在控制TFT液晶屏時傳輸水平同步信號；③VCLK，即傳輸像素時鐘信號；④VM/VDEN，即在控制STN液晶屏時傳輸驅動交流偏置信號/在控制TFT液晶屏時傳輸數據使能信號；⑤VD[0-23]，即LCD像素數據輸出端口，與LCD模塊的數據信號相對應。

2.3接口模塊

本文所設計的設備接口齊全，RFID讀寫器可以通過RS232、RS485及USB接口與數據網關相連，網關接收到數據后通過網絡接口向外傳送。

RS232接口電路由美信公司的MAX3232芯片組成，該芯片是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器，以便在單3.3 V電源供電時，提供RS232電平。此芯片適合電池供電的系統，片內的接收器將RS232電平轉換為TTL/CMOS電平。

RS485接口電路是由美信公司生產的MAX3485芯片組成，MAX3485是3.3 V供電的RS-485接口芯片，包括一個驅動器和一個接收器，接收器將差分電平轉換為TTL/CMOS電平，驅動器將TTL/CMOS輸入電平轉換為差分電平。S3C2440A有UART接口，通過MAX3485可以轉換為RS-485接口。

USB接口電路由S3C2440A內置的USB1.1 Device控制器組成，其可以進行全速/低速控制以及中斷與批量傳輸。除端點0具有4個端點外，每個端點都可作為中斷與批量的端點，每個端點具有128 byte的FIFO，且支持DMA傳輸[5]。USB控制器集成在S3C2440內部，外部只需接一些外圍器件和USB插座即可使用。

3　軟件設計

嵌入式RFID數據網關的軟件由2部分組成，分別為嵌入式操作系統的移植以及嵌入式Web服務器的建立。本文設計的設備使用嵌入式Linux操作系統，具有占用硬件資源小、內核可剪裁、移植方便等特點，滿足設計要求。

3.1嵌入式Linux系統的移植

一個完整的嵌入式系統主要由Bootloader、系統內核以及根文件系統3部分組成。Bootloader是操作系統運行前執行的一段小程序，負責硬件從開機到操作系統啟動的引導。系統內核為操作系統的代碼。根文件系統是一種目錄結構，是操作系統啟動后一個掛載的文件系統，包含系統啟動所必須的目錄和文件。

向嵌入式RFID數據網關中移植Linux操作系統，需要將上述3部分分別進行編譯并下載入系統硬件。Bootlaoder使用U-boot，其對嵌入式Linux系統具有良好的引導性，且源碼開放，使用方便。Linux系統內核可在網上下載，這里使用Linux-2.6.26的內核版本。解壓后，根據實際使用的硬件進行配置，編譯即可生成映像文件。根文件系統的構建使用了BusyBox，將BusyBox進行編譯可生成一個Linux的最小文件系統，并向其中手動添加/etc、/lib、/dev等目錄[6]。

3.2嵌入式Web服務器的建立

使用嵌入式Web服務器，在遠程監控終端僅需安裝網絡瀏覽器，即可對嵌入式網關中的數據進行讀寫，且易于擴展新功能，系統升級僅需在Web服務器上添加相應模塊即可。整個系統是一個B/S結構，其結構如圖4所示。

圖4　系統結構圖

嵌入式Web服務器目前主要有Boa、Thttpd、Appweb和Apache等。嵌入式設備資源有限，且無需并發處理多用戶需求，因此設計采用開源的Boa服務器。Boa是一種單任務的HTTP服務器，它并不為每個連接單獨創建進程，而是通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP請求，同時只為CGI程序創建新進程，最大程度上節省了系統資源。

移植Boa服務器時，先編譯下載好的Boa源代碼，接著配置Boa，需在系統的/etc目錄下建立Boa目錄，并放入boa.conf文件。修改boa.conf文件中的Script Alias，指示CGI腳本的存放位置；修改ServerName，指示使用主頁的網址。成功配置后，還需創建HTML文檔的主目錄/var/www，將靜態網頁存入該目錄下，創建CGI腳本所在目錄/var/www/cgi-bin，將cgi的腳本存放在該目錄下。服務器正常運行后，可在客戶端的瀏覽器中輸入IP地址，調用靜態網頁。

4　結束語

本文設計了基于ARM9的多接口RFID數據網關，其功能是將本地RFID網絡與Internet連接，用戶可在遠端查詢RFID現場數據。數據網關以基于ARM9的S3C2440為核心，硬件上兼容多種接口標準，軟件上以嵌入式Linux作為操作系統，搭建了Boa服務器，實現多接口RFID的接入與數據傳輸。經測試，此RFID數據網關具有良好的穩定性和可靠性，具有推廣的參考價值和應用前景。

參考文獻：

［1］寧煥生，王炳輝.RFID重大工程與國家物聯網[M].北京：機械工業出版社，2009.

［2］葉鵬，馬俊，王威.基于ARM的RFID智能物流管理系統設計與實現[J].計算機工程與設計，2013（10）：3475-3479.

［3］楊文珺.基于串口服務器的RFID讀卡器配置調試[J].電子設計工程，2015（16）：19-21.

［4］孫林軍，賀鋒濤.基于ARM的TFT-LCD液晶顯示圖像控制系統研究[J].黃岡師范學院學報，2012，32（3）：41-45.

［5］孫弋.ARM-Linux嵌入式系統開發基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

［6］LI Z H，CHEN S Y，LI H W.Construction of the embedded Linux system based on ARM platform[J].Computer Systems & Applications，2010，19（10）：153-157.

Design of an embedded RFID data gateway with multi-interface based ARM9

ZHANG Wei
（School of Electronic Engineering ,Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：In order to upload RFID data via Internet，an embedded data gateway with multi-interface based ARM9 is designed in this paper.The users can inquire data and debug the system via Internet.The gateway builds Boa web server with ARM9 S3c2440 processor as core and Linux as operation system to achieve connecting RFID reader with multi-interface.The test proves that the RFID data gateway has characteristics of high reliability and good stability，which is well worth popularization and promotion.

Key words：ARM；embedded system；RFID；data gateway；multi-interface

作者簡介：張巍（1983—），男，實驗師，碩士，研究方向為嵌入式系統.

基金項目：天津職業技術師范大學科研發展基金資助項目（KJ12-03）.

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號：TP391.44

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0030－03