生產(chǎn)線嵌入式RFID終端讀寫器設(shè)計(jì)
文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：姜兆寧 丁香乾 李 謙 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月22日
一、研究背景及設(shè)計(jì)方案
RFID 是射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification)的英文縮寫，射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它使用射頻電磁波通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))在閱讀器和要進(jìn)行識(shí)別、分類和跟蹤的移動(dòng)物品（物品上附著有RFID 標(biāo)簽）之間實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID 是一種自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)，可以提供無(wú)人看管的自動(dòng)監(jiān)視與報(bào)告作業(yè)。
RFID 閱讀器的工作原理如下：閱讀器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼和相關(guān)信息被讀取器讀取并解碼后送回到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行有關(guān)處理，。識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。高性能的RFID 讀寫器可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體。
在工業(yè)生產(chǎn)線RFID 系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境復(fù)雜，各類電磁干擾源非常多，采集點(diǎn)的數(shù)量多，而通常的RFID 讀寫器，由于采用單片機(jī)為主控制器，運(yùn)算能力弱，本地不具備數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)能力，不具備較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力要求較高，而在工業(yè)生產(chǎn)線上，如果直接將所有采集點(diǎn)（通常多達(dá)數(shù)百點(diǎn)）所讀取的信息直接傳回服務(wù)器，由于要在服務(wù)器上進(jìn)行繁重的數(shù)據(jù)分析和干擾排除，過(guò)大的數(shù)據(jù)量和計(jì)算量很容易造成服務(wù)器端的信息堵塞，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以現(xiàn)有的解決方案往往直接使用價(jià)格昂貴的工業(yè)PC 機(jī)完成前端工作，但這樣無(wú)疑大大增加了總體的部署成本。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路見圖（1）通過(guò)功能強(qiáng)大的RFID 嵌入式終端，直接在本地完成復(fù)雜的標(biāo)簽讀取，數(shù)據(jù)糾錯(cuò)，干擾排除，信息提取和數(shù)據(jù)保存等工作，僅將有效信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺(tái)服務(wù)器，這樣就大大降低網(wǎng)絡(luò)通信的開銷，降低了服務(wù)器的資源占用，從而提高了系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率，提高了穩(wěn)定性，增加了業(yè)務(wù)的靈活性。
圖（1） RFID 技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線總體示意
二、系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)
為了達(dá)到設(shè)計(jì)功能和環(huán)境需求，本系統(tǒng)底板采用了PCB 6 層設(shè)計(jì)，機(jī)殼加裝了電磁屏蔽網(wǎng)，另外專門配備了PCMCIA 接口用來(lái)外接RFID 讀寫模塊，采用的主要元件如下：
① 微處理器（MPU）：針對(duì)終端需要高速運(yùn)算和數(shù)據(jù)庫(kù)操作的需要，并考慮到系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況，本系統(tǒng)采用ARM9 核的SAMSUNG S3C2410 處理器。最高主頻可達(dá)203MHz。
② SDRAM 存儲(chǔ)部分采用兩顆Hynix 公司的HY57V561620CT 內(nèi)存，大小為32M。
③ FLASH 存儲(chǔ)器采用SAMSUNG 公司的K9F1208UOM Nand Flash，大小為64M。
④ RFID 閱讀器模塊：采用了WJ 公司的MPR6000 系列產(chǎn)品，PCMCIA 接口。
⑤ 網(wǎng)絡(luò)通信模塊：采用了Realtek 8039 芯片，支持10M/100M 網(wǎng)絡(luò)通信。
三、系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)的軟件部分主要由Linux 基本系統(tǒng)、RFID 標(biāo)簽識(shí)別解析模塊、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊、網(wǎng)絡(luò)通信等模組成，軟件模塊關(guān)系如圖（2），下面簡(jiǎn)單介紹一下各模塊的功能和主要函數(shù)。
圖（2）軟件系統(tǒng)流程
① Linux 基本系統(tǒng)
由于Linux 成本低，代碼開放，穩(wěn)定性高，多線程，支持USB、Flash 等多種外設(shè)，底層支持TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)，故本系統(tǒng)將其移植到ARM9 上作為操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本號(hào)為2.4.1。由于文件系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)庫(kù)文檔保存，故采用了YAFFS 文件系統(tǒng)，另外就是針對(duì)本系統(tǒng)采用的外設(shè)和功能對(duì)Linux 內(nèi)核作了相應(yīng)裁減，以降低其內(nèi)存占用。提高速度。
② RFID 標(biāo)簽識(shí)別解析模塊
在設(shè)計(jì)中采用了WJ 公司PCMCIA 接口的RFID 讀寫器模塊MPR6000，該模塊通過(guò)UART-over-PC BUS 總線與嵌入式主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其通信的特點(diǎn)如下：遵循命令-回復(fù)的通信模式，首先由系統(tǒng)向RFID 讀寫模塊發(fā)命令幀，讀寫模塊在識(shí)別到通信包頭的時(shí)候讀取命令字，并進(jìn)行CRC 糾錯(cuò)，如果錯(cuò)誤的話則忽略該幀，有效地話則執(zhí)行相關(guān)指令，并將讀取的標(biāo)簽信息及結(jié)果編成返回?cái)?shù)據(jù)幀傳給系統(tǒng)，系統(tǒng)收到通信幀時(shí)也同樣進(jìn)行包頭識(shí)別和CRC 糾錯(cuò)，如正確的話就進(jìn)行解包并取得標(biāo)簽相關(guān)信息。
命令包的格式如下
命令幀范例樣本如下：01 00 0D 11 00 1E 01 18 30 18 2E B7 69 CC通過(guò)解包后表示如下內(nèi)容：從一號(hào)天線，以1E 的功率，讀取過(guò)濾碼（即標(biāo)簽前幾位的ID 號(hào)）為30 18 2E B7 的RFID EPC Class0 標(biāo)簽，幀長(zhǎng)度為0D，CRC 糾錯(cuò)碼為69CC。
返回幀的格式如下
返回幀范例樣本如下：01 00 11 01 01 30 18 2E B7 20 00 00 00 00 00 00 74 F6
通過(guò)解包后表示如下內(nèi)容：讀取到一個(gè)96bit 的EPC 標(biāo)簽，標(biāo)簽ID 為 30 18 2E B7 20 00 00 00 00 00 00 00 ，讀取操作完成，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為11，CRC 糾錯(cuò)碼為74F6。
針對(duì)通信幀的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的Linux 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)軟件由以下幾個(gè)主要的子函數(shù)組成：
1、 unsigned short CalculateBlockCRC16(int len, unsigned char *pBuf);進(jìn)行CRC計(jì)算和驗(yàn)證
2、 int AppendCRC(void *pBuf, unsigned short CRC);將算出的CRC 值添加到請(qǐng)求包指定位置
3、 int UartSend(void *pBuf，int uart_num);將算出的CRC 及命令字發(fā)送到指定串口
4、 int UartRead(unsigned char *pBuf, int uart_num)；從指定的串口讀入返回的數(shù)據(jù)包
5、 int CRCcheck(unsigned char *pBuf, unsigned short CRC);比對(duì)得到的CRC與數(shù)據(jù)包是否正確
6、 int ProcessTag(unsigned char *pBuf, unsigned char Tags[ ])；處理得到的返回楨，分離出讀取到的條碼編號(hào)，并存入數(shù)組進(jìn)行暫存，為下一步數(shù)據(jù)庫(kù)存取做好準(zhǔn)備除以上子函數(shù)外，還有其它相應(yīng)的函數(shù)來(lái)進(jìn)行剔除干擾數(shù)據(jù)包，處理異常等工作，經(jīng)本模塊處理后，已經(jīng)可以確?？梢赃^(guò)濾絕大多部分的干擾信息了，這樣處理完的數(shù)據(jù)就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)了。
③ 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊
嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，在本系統(tǒng)中采用了開源的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，支持SQL 92 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)操作語(yǔ)句和事務(wù)，其工作流程如下：當(dāng)讀取到條碼時(shí)，本模塊將條碼號(hào)、讀取時(shí)間、條碼內(nèi)容、采集點(diǎn)編號(hào)，操作狀態(tài)等信息寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的本地初步存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)在此列舉幾個(gè)主要的子函數(shù)如下：
1、int Query_Init(string *p_command, struct *p_DB_Status, int type)；選擇基本的SQL 操作符符號(hào)和初始值設(shè)置，為執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作做好準(zhǔn)備。
2、int Query_Exec(int db,string *p_command，void (* p_fuction) (*str)，(void *)&res)；選擇數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)SQL 操作符進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，并將返回?cái)?shù)據(jù)通過(guò)p_function 函數(shù)處理。
3、int Query_CallBack(void *p_data, int num, char **value, char **column)；將數(shù)據(jù)庫(kù)操作返回的數(shù)據(jù)列表暫存到數(shù)組中，以待下一步處理。
除以上函數(shù)外，還預(yù)留了相應(yīng)的接口用來(lái)完成前端數(shù)據(jù)庫(kù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的同步，經(jīng)測(cè)試，平均插入一條數(shù)據(jù)的時(shí)間<=0.01 秒，滿足了系統(tǒng)的即時(shí)性上的需求。
④ 網(wǎng)絡(luò)通信模塊
本系統(tǒng)的特色就是通過(guò)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)底層支持，以多種網(wǎng)絡(luò)傳輸途徑，將數(shù)據(jù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分設(shè)計(jì)中，在局域網(wǎng)內(nèi)利用Linux系統(tǒng)的提供的TCP/IP 協(xié)議支持，在編程中采用了動(dòng)態(tài)與服務(wù)器建立連接的方法，在讀取到RFID 芯片并解碼出有效信息的時(shí)候，向服務(wù)器相應(yīng)端口發(fā)送相應(yīng)的Socket 請(qǐng)求信息，服務(wù)器端接受到請(qǐng)求后建立連接并新建Socket 端口來(lái)和終端進(jìn)行通信；只有在讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候數(shù)據(jù)庫(kù)和終端間才產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸和占用服務(wù)器端資源，從而降低了網(wǎng)絡(luò)占有率和服務(wù)器端的負(fù)荷，通信部分終端客戶端部分的主要子函數(shù)如下：
1、int Net_Init(struct *p_net_Status,int type);初始化通信，根據(jù)選擇通信的類型建立和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)連接，取得服務(wù)器基本信息，并建立Socket 連接。
2、int Net_Send(string *p_data, int len, struct sockaddr *p_addr);發(fā)送指定大小字符串到連結(jié)的服務(wù)器端口。
3、int Net_Receive(string *p_buffer, int len, struct sockaddr *p_addr);從服務(wù)器接受數(shù)據(jù)（主要是接受指令）到指定緩沖區(qū)內(nèi)。
由于Linux 底層提供了TCP 支持，可以保證通信的可靠性，大大降低了編程復(fù)雜度，所以只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)Socket 函數(shù)進(jìn)行了封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，配合服務(wù)器端程序即可將標(biāo)簽信息保存到后臺(tái)的主數(shù)據(jù)庫(kù)中，并由后臺(tái)服務(wù)器根據(jù)通信內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，發(fā)送控制命令等操作。
四、結(jié)論
本文中描述的嵌入式RFID 終端讀取器，在冰箱生產(chǎn)線中進(jìn)行了實(shí)用，基本滿足了生產(chǎn)線RFID 系統(tǒng)對(duì)前端RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集、處理、通信方面的要求，在功能上和穩(wěn)定性方面已經(jīng)能夠替代現(xiàn)有的工業(yè)PC，因?yàn)椴捎昧嗣赓M(fèi)的開源Linux 操作系統(tǒng)和開源數(shù)據(jù)庫(kù)Sqlite，大大降低了總體成本，對(duì)在生產(chǎn)線上進(jìn)行RFID 讀寫終端的大量部署非常有利。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)設(shè)計(jì)使用功能強(qiáng)大的RFID 嵌入式讀寫終端，將抗干擾、信息提取、日志保存等功能在終端進(jìn)行本地處理，從而大大降低了網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)擔(dān)和后臺(tái)服務(wù)器占用，滿足了生產(chǎn)線上的工作環(huán)境和需求。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：
1、 姜兆寧（1981—），男，碩士生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)Jiang Zhaoning，male，Master candidate，research interest：Embedded technique, Database.
2、 丁香乾（1963—），男，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：制造業(yè)信息化技術(shù)，計(jì)算智能，物流技術(shù)
Ding Xiangqian，male，Doctor tutor，professor，research interest：Manufacturer Information
Systems, Compute Intelligence, Logistics.
3、 李 謙 (1981—），男，碩士生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)，RFID 技術(shù)。
Li Qian，male，Master candidate，research interest：Embedded technique.
通信地址：青島市香港東路23 號(hào)，中國(guó)海洋大學(xué)海大新星計(jì)算機(jī)工程中心（郵編：266071），
項(xiàng)目介紹：本項(xiàng)目得到國(guó)家863 基金資助 編號(hào)為 2003AA414016
作者E-mail：jiangzhaoning@gmail.com
