基于ARM9的多接口嵌入式RFID数据网关设计

张　巍

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222）



基于ARM9的多接口嵌入式RFID数据网关设计

张巍

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222）

摘要：为使RFID系统可以接入Internet，在远端实现数据查询及调试，设计了基于ARM9的多接口RFID数据网关。数据网关以基于ARM9的S3C2440为核心，硬件上兼容多种接口标准，软件上以嵌入式Linux作为操作系统，搭建了Boa服务器，实现了多接口RFID的接入与数据传输。测试表明，此RFID数据网关具有良好的稳定性和可靠性，具有推广的参考价值和应用前景。

关键词：ARM；嵌入式系统；RFID；数据网关；多接口

物联网技术正迅速改变着人们的生活。射频识别技术作为物联网的重要支撑技术已得到世界各国的高度重视，并将其作为重点产业发展，广泛应用于物流仓储、工业制造、资产管理、畜牧管理、交通监控、军事航空等不同领域[1]。传统的RFID射频读写器不具备网络功能，为使其与网络技术更好地结合，本文采用嵌入式技术设计了一种基于WEB的RFID数据网关。本设计既作为网关使多部读写器接入互联网，也作为嵌入式WEB服务器使用户可在浏览器中通过Internet访问嵌入式服务器，并远程控制RFID系统的运行，大大提高该系统的网络化和智能化。

1　系统架构

射频识别（radio frequency identification，RFID）是一种通信技术，以非接触的方式自动读取某个范围内电子标签发出的无线信号[2]。一个完整的RFID系统由电子标签、读写器及上位机软件组成。电子标签根据是否内置电池分为有源与无源标签，一般有源标签辐射距离较远。读写器一般安装在固定位置，可接收电子标签发送的信息，一般电子标签会发送固化在其内部的唯一识别编码。接收到数据后，读写器将这些信息简单处理，并通过串口或其他总线发送到上位机。上位机软件主要负责对这些上传的电子标签识别编码进行解析，并管理相关信息。

具体应用中，一个RFID系统需要多部读写器监控某一区域，当需要远程传输数据时，读写器必须接入互联网，以往的解决方案多是使用串口服务器[3]，如图1所示。串口服务器是一种将串口转换为TCP/IP网络接口的设备，当有读写器需要接入互联网时，只要为其配备一个串口服务器即可。这种方案不但成本高，且无法对现场读写器设备进行快速调试。本文采用嵌入式智能网关，利用其自带的输入输出设备，可对设备进行查询与调试，其结构如图2所示。

图1　串口服务器方案

图2　嵌入式网关方案

2　硬件设计

嵌入式RFID数据网关主要由以下模块组成：控制模块、接口模块及输入输出模块，其硬件架构如图3所示。主控模块采用基于ARM920t架构的32位处理器S3C2440，在移植Linux操作系统以及编写好应用程序后，可对RFID读写器发送的数据进行处理。接口部分主要支持RS232、RS485串行接口，USB接口标准可以通过触摸屏对读写器进行控制，并显示数据。

图3　系统硬件组成

2.1控制模块

为使RFID系统具有网络化功能，仅使用单片机已经不能满足要求，所以使用性能更为强大的ARM处理器。本文采用韩国三星电子公司的S3C2440，此芯片具有低功耗、简单、精致等优点，其全静态设计适合对成本和功耗敏感型的应用，且采用了新的总线架构如先进微控制总线架构。

S3C2440外部接口丰富，包括触摸屏接口、USB接口、SPI接口、IIC接口等，还具有130个通用IO口和24通道外部中断源。S3C2440的主频最高可达400 MHz，其处理速度能够满足运行Linux操作系统与数据处理的要求。

2.2输入输出模块

输入输出模块主要使用液晶触摸屏，这样可以简化操作，节省空间。液晶屏选用夏普公司的LQ080V3DG01液晶模块，该模块使用8寸TFT-LCD电阻液晶屏。LQ080V3DG01的主要参数如表1所示。

表1　液晶屏模块参数

液晶屏的控制采用S3C2440内置的LCD控制器，通过控制器可以产生LCD驱动器所需要的控制信号，以此来控制STN或TFT液晶屏[4]。S3C2440可直接与LCD相连，其外部接口信号的定义如下：①VFRAME/ VSYNC，即在控制STN液晶屏时传输帧同步信号/在控制TFT液晶屏时传输的垂直同步信号；②VLINE/ HSYNC，即在控制STN液晶屏时传输行同步脉冲信号/在控制TFT液晶屏时传输水平同步信号；③VCLK，即传输像素时钟信号；④VM/VDEN，即在控制STN液晶屏时传输驱动交流偏置信号/在控制TFT液晶屏时传输数据使能信号；⑤VD[0-23]，即LCD像素数据输出端口，与LCD模块的数据信号相对应。

2.3接口模块

本文所设计的设备接口齐全，RFID读写器可以通过RS232、RS485及USB接口与数据网关相连，网关接收到数据后通过网络接口向外传送。

RS232接口电路由美信公司的MAX3232芯片组成，该芯片是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器，以便在单3.3 V电源供电时，提供RS232电平。此芯片适合电池供电的系统，片内的接收器将RS232电平转换为TTL/CMOS电平。

RS485接口电路是由美信公司生产的MAX3485芯片组成，MAX3485是3.3 V供电的RS-485接口芯片，包括一个驱动器和一个接收器，接收器将差分电平转换为TTL/CMOS电平，驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为差分电平。S3C2440A有UART接口，通过MAX3485可以转换为RS-485接口。

USB接口电路由S3C2440A内置的USB1.1 Device控制器组成，其可以进行全速/低速控制以及中断与批量传输。除端点0具有4个端点外，每个端点都可作为中断与批量的端点，每个端点具有128 byte的FIFO，且支持DMA传输[5]。USB控制器集成在S3C2440内部，外部只需接一些外围器件和USB插座即可使用。

3　软件设计

嵌入式RFID数据网关的软件由2部分组成，分别为嵌入式操作系统的移植以及嵌入式Web服务器的建立。本文设计的设备使用嵌入式Linux操作系统，具有占用硬件资源小、内核可剪裁、移植方便等特点，满足设计要求。

3.1嵌入式Linux系统的移植

一个完整的嵌入式系统主要由Bootloader、系统内核以及根文件系统3部分组成。Bootloader是操作系统运行前执行的一段小程序，负责硬件从开机到操作系统启动的引导。系统内核为操作系统的代码。根文件系统是一种目录结构，是操作系统启动后一个挂载的文件系统，包含系统启动所必须的目录和文件。

向嵌入式RFID数据网关中移植Linux操作系统，需要将上述3部分分别进行编译并下载入系统硬件。Bootlaoder使用U-boot，其对嵌入式Linux系统具有良好的引导性，且源码开放，使用方便。Linux系统内核可在网上下载，这里使用Linux-2.6.26的内核版本。解压后，根据实际使用的硬件进行配置，编译即可生成映像文件。根文件系统的构建使用了BusyBox，将BusyBox进行编译可生成一个Linux的最小文件系统，并向其中手动添加/etc、/lib、/dev等目录[6]。

3.2嵌入式Web服务器的建立

使用嵌入式Web服务器，在远程监控终端仅需安装网络浏览器，即可对嵌入式网关中的数据进行读写，且易于扩展新功能，系统升级仅需在Web服务器上添加相应模块即可。整个系统是一个B/S结构，其结构如图4所示。

图4　系统结构图

嵌入式Web服务器目前主要有Boa、Thttpd、Appweb和Apache等。嵌入式设备资源有限，且无需并发处理多用户需求，因此设计采用开源的Boa服务器。Boa是一种单任务的HTTP服务器，它并不为每个连接单独创建进程，而是通过建立HTTP请求列表来处理多路HTTP请求，同时只为CGI程序创建新进程，最大程度上节省了系统资源。

移植Boa服务器时，先编译下载好的Boa源代码，接着配置Boa，需在系统的/etc目录下建立Boa目录，并放入boa.conf文件。修改boa.conf文件中的Script Alias，指示CGI脚本的存放位置；修改ServerName，指示使用主页的网址。成功配置后，还需创建HTML文档的主目录/var/www，将静态网页存入该目录下，创建CGI脚本所在目录/var/www/cgi-bin，将cgi的脚本存放在该目录下。服务器正常运行后，可在客户端的浏览器中输入IP地址，调用静态网页。

4　结束语

本文设计了基于ARM9的多接口RFID数据网关，其功能是将本地RFID网络与Internet连接，用户可在远端查询RFID现场数据。数据网关以基于ARM9的S3C2440为核心，硬件上兼容多种接口标准，软件上以嵌入式Linux作为操作系统，搭建了Boa服务器，实现多接口RFID的接入与数据传输。经测试，此RFID数据网关具有良好的稳定性和可靠性，具有推广的参考价值和应用前景。

参考文献：

［1］宁焕生，王炳辉.RFID重大工程与国家物联网[M].北京：机械工业出版社，2009.

［2］叶鹏，马俊，王威.基于ARM的RFID智能物流管理系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2013（10）：3475-3479.

［3］杨文珺.基于串口服务器的RFID读卡器配置调试[J].电子设计工程，2015（16）：19-21.

［4］孙林军，贺锋涛.基于ARM的TFT-LCD液晶显示图像控制系统研究[J].黄冈师范学院学报，2012，32（3）：41-45.

［5］孙弋.ARM-Linux嵌入式系统开发基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，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

作者简介：张巍（1983—），男，实验师，硕士，研究方向为嵌入式系统.

基金项目：天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目（KJ12-03）.

收稿日期：2015-12-15

中图分类号：TP391.44

文献标识码：A

文章编号：2095－0926（2016）01－0030－03