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基于 ARM 的 RFID 中间件系统设计
作者：齐欣乐,袁巍,刘威,张强 华中科技大学
来源：单片机与嵌入式系统
日期：2009-08-20 18:01:47
摘要：RFID中间件在RFID读写器和应用程序之间起桥梁作用。应用程序端使用中间件所提供一组通用的应用程序接口(API)，即能连到RFID读写器，采集RFID标签数据。即使存储RFID标签情报的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写 RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。
引 言
RFID中间件在RFID读写器和应用程序之间起桥梁作用。应用程序端使用中间件所提供一组通用的应用程序接口(API)，即能连到RFID读写器，采集RFID标签数据。即使存储RFID标签情报的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写 RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。嵌入式RFID中间件在RFID的大规模应用中将扮演重要的角色。在具体应用部署过程中，会有大量的嵌入式设备充当边缘中间件的硬件平台。对于众多有意从事中高端RFID读写器开发的硬件厂商而言，借助嵌入式 RFID中间件迅速实现硬件集成基础之上的软件集成，是帮助硬件厂商快速升级产品系列，满足企业拓展市场和业务范围需要的有效举措。通透性是这种系统整个应用的关键，正确抓取数据、确保数据读取的可靠性，以及有效地将数据传送到后端系统都是必须考虑的问题。
ARM处理器是当今应用最为广泛的处理器芯片之一，低功耗、低成本、高性能等特点使其在消费电子类产品中的竞争力日趋显著。本文提出了一种基于ARM的支持多通信平台的RFID中间件系统设计，可以更广泛、更丰富地推动RFID应用。
1 硬件设计
AutO_ID中心曾提出了名为Savant的RFID中间件概念的雏形，并制定出相应的1．0规范草案、技术手册和原型系统，明确了RFID中间件的最原始功能。在此基础上，本系统应有以下功能：
①管理读写设备，支持多种读写器(包括不同厂商、不同类型)。
②采集、过滤并缓存数据。
③提供应用开发接口。
④与EPC体系标准服务交互：ONS、PML。
⑤支持多通信平台，如Internet、GSM、GRPS和CDMA。
⑥外设的集成控制与协同，实现嵌入式RFID中间件的柔性设备控制。
1．1 ARM核微处理器
本系统在功能上分为有线通信模块、无线通信模块、人机交互模块和核心模块。本设计采用Samscmg公司203 MHz的ARM920T内核的处理器S3C2410。
S3C2410微处理器是一个多用途的通用芯片，内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域，指令处理速度达到200MIPS。其特性包括：扩展总线最高频率为100MHz，32位数据，27位外部地址线，存储控制器(8个存储体)包含RAM(SDRAM)控制器、NAND控制器；复位时引导芯片选择(8、16位存储或NAND可供选择)；4个带有PWM的16位定时器，多达55个中断源的中断控制器；3个UART，支持IrDA 1．O；4个DMA通道(支持外设DMA)；支持STN与TFTL LCD控制器；2个 USB口；I2C-Bus接口；2个串行外围接口电路(SPI)和SD卡接口。此外，S3C2410上可以移植标准Linux操作系统，使得程序开发更加简单。
1．2 主板模块
系统内存部分由1片8M×16位数据宽度的Flash，共16 MB Flash(Intel E28F128J3C)，读写周期150 ns；2片16M×16位数据宽度的SDRAM(HY57V561620BT)构成，共64 MB SDRAM。
S3C2410提供8路片选nGCSn[0～7]，每个片选都指定了固定的地址，每个片选固定间隔为128 MB。系统内存由2片16M×16位数据宽度的SDRAM拼成32位模式，公用nGCS6。共64 MB RAM。起始地址为Ox30000000。nGCS0接的是一片8M×16位数据宽度的Intel E28F128 Flash，安装在BANK0，起始地址为0x0。其中内核烧写的起始地址为Ox40000，根文件系统RAM～DISK烧写的起始地址为 Oxl40000。
1．3 人机交互模块
系统利用GPIO口提供4个按键，以便能够响应按键中断，并获取键值。利用EINT4使用。 PS2键盘。S3C2410自带LCD控制器和触摸屏接口。本系统使用型号为LQ035Q7DB02的LCD液晶显示屏，采用MAX1664．作为电源驱动器。MAX1664是美国Maxim公司生产的有源矩阵液晶显示器开关电源，具有升压、双路输出锁相等特点，还提供一个LCD底板驱动器。
1．4 有线通信模块
该模块包括RS-232串行接口和1个10／100M自适应以太网接口。本系统采用一种单电源、低功耗RS-232芯片MAX3232。13、8脚接收：RS-232电平，最大值可达±25 V，从而12、9脚输出TTL电平，低电平不大于O．4V，高电平不低于Vcc-O．6 V；11、10脚输入TTL电平，14、7脚输出RS-232电平，最小幅值大于±5．0 V，典型值为±5．4 V。当向外发送数据时，TXD1有一个下降沿，指示灯LED亮，经过MAX3232，TTL电平转化为RS-232电平。当接收外部数据时，RXD1有一个下降沿，指示灯LED亮，外部RS-232电平经过MAX3232转化为TTL电平进入微处理器。
系统通过外接1片DM9000以太网MAC芯片扩展了一个10／100M自适应的以太网接口，占用资源nGCS1／EINTO。DM9000是 Davicom公司的一个全双工高速以太网控制处理器，内部集成了10／100M PHY、MAC、MMU和4 KB Dword SRAM。兼容3．3 V和5 V供电。它提供8位、16位和32位3种接口，4路多功能GPIO。此外DM9000还集成有接收缓冲区。S3C2410X支持2路USB HOST接口，支持高速、低速USB设备。
1．5 无线通信模块
无线技术是目前通信发展中最具有活力和前景的技术，支持无线接人的RFID中间件可以部署于无固定网络基础设施的场景，降低有线网络部署成本。RFID中间件还可以用无线通信方式向用户传输信息，提高信息传递的实时性。通过在系统中实现GPRS (General Packet Radio Service)模块，使系统具备移动通信功能。GPRS是通用分组无线业务的简称，以分组模式在PLMN和与外部网络互联的内部网上传输。理论上， GPRS可提供高达115 kbps的传输速率，但实际上用户用到的带宽大约为40 KB
～100KB。GPRS分组交换接人时间小于1 s，广泛支持IP协议。GPRS的这些特点提供了一个完备的基于TCP／IP协议的通信解决方案。
GPRS通信模块使用Sony Ericsson公司的GR47来实现GPRS上网的功能。GR47是GSM／GPRS全套语音和数据功能的工业级的先进无线模块，所有的功能都集中在一块集成的芯片内，内嵌TCP／IP协议栈。
1．6 电源设计
系统的核心模块工作电源为单一的3．3 V／0．5 A直流。由于核心模块电源消耗功率较小，因此系统采用LT10856线性稳压芯片，使用电路板上下面铜箔作为散热面，用9 V／0．8 A直流电源供电。
在其他的应用设计中根据不同的电源消耗需求，可以选择线性稳压源方案和开关稳压源方案。对于前一种选择，可以获得低噪声、廉价等益处，但同时也有效率低、发热较大等缺点；对于开关电源方案，正好与线性电源的优缺点相反。
1．7 其他外设
系统提供了2个USB HOST接口，可支持U盘、USB摄像头等多种USB设备，只需开发不同的设备驱动就可有效扩展。
使用UDA1380音频编解码器可有效支持MD、CD、MP3格式的音频文件的播放。
2 软件设计
Linux性能强大，开源免费，有极强的平台可伸缩性，符合POSIX标准，且有强大的网络功能。这些特点使其近年来在嵌入式领域发展迅速，广泛渗透到信息家电、网络设备和手持终端等市场，因此本系统以Linux操作系统为依托，在其上开发应用程序。中间件软件是一个多层次多模块的软件系统，共分为3个层次，如图3所示。
系统配置层：实现系统配置功能，调用下层提供的一些功能接口，不仅可以添加下层的基本处理单元，而且可以对处理单元的一些参数进行有效配置。它包括Web Server接口模块和远程控制信息台模块。
数据逻辑层：实现该软件系统的基本功能，包括读写器命令处理、标签过滤处理、对象域名服务(ONS)接口、企业级服务器接口交互(可能改为和PC中间件进行交互)。该层次完成系统的逻辑功能，包括设备管理模块、数据过滤模块、ONS查询模块(保留)、企业级别服务器接口模块。
基础设施层：提供系统运行所需要的基本功能，如数据库访问功能、内存管理功能，它们为其他模块提供统一稳定的接口，屏蔽一些差异性。该层次包括网络管理模块、内存管理模块(保留)、数据库访问模块。
2．1 Linux的移植
在嵌入式开发中，把操作系统移植到开发板是进行嵌入式应用程序开发的前提和基础。ARM Linux是针对ARM体系结构的嵌入式Linux操作系统。在编译Linux内核之前，首先要针对具体的硬件对内核进行配置，包括系统类型的配置。本系统选择ARM system type。在配置好通用内核选项、块设备和文件系统之后，即可编译修改后的内核文件，生成一个内核映像的自解压压缩文件。通过运行make clean dep zImage对该文件进行依赖编译，系统将在／arch／armnommu／boot目录下生成内核映像zImage，并将zImage下载到Flash 中的64K地址处。运行时，将U-Boot复制到SDRAM中的OxOc300000地址处并启动zImage；zImage会自行解压缩，将其解压缩到 SDRAM中的OxOc080000地址处并开始运行。内核启动后，系统会将romfs作为根文件系统。在linux-dist目录下运行make menuconfig命令可配置Linux的文件系统。
2．2 RFID标签数据处理
系统读取的RFID标签数据在中间件中主要经历数据管理、编码管理和过滤规则管理，之后存入本地数据库。其中数据管理包括数据校验、数据处理和数据存储；编码管理即设定编码规范，可配置支持不同数据编码规范；过滤规则管理能支持用户配置数据过滤规则。系统基本流程如图4所示。
用户的参数配置信息通过消息队列发送给中间件软件，软件分析发送过来的数据，对系统工作状态作出一定的调整。同时，系统通过网络处理模块接收从网口上读写器发送过来的数据，把这些数据分为标签数据和读写器管理数据两类。系统每个读写器实例都有自己的数据处理线程，它分析自己独特的数据格式形成统一的数据，并且调用该种读写器的处理方法，对解析后的数据结合该读写器特定的数据处理参数，对标签数据进行过滤、转发等工作。整个系统中有唯一一个管理命令处理线程，它轮询每个读写器的管理命令处理队列。如果有命令数据，那么调用该读写器特定的处理方法对这些数据进行处理。
结 语
本文提供了一种支持多通信平台的嵌入式RFID中间件系统设计方案。支持无线接入的RFID中间件可以部署于无固定网络基础设施的场景，降低有线网络部署成本。RFID中间件还可以用无线通信方式向用户或者系统传输信息，提高了信息传递的实时性。
RFID中间件在RFID读写器和应用程序之间起桥梁作用。应用程序端使用中间件所提供一组通用的应用程序接口(API)，即能连到RFID读写器，采集RFID标签数据。即使存储RFID标签情报的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写 RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。嵌入式RFID中间件在RFID的大规模应用中将扮演重要的角色。在具体应用部署过程中，会有大量的嵌入式设备充当边缘中间件的硬件平台。对于众多有意从事中高端RFID读写器开发的硬件厂商而言，借助嵌入式 RFID中间件迅速实现硬件集成基础之上的软件集成，是帮助硬件厂商快速升级产品系列，满足企业拓展市场和业务范围需要的有效举措。通透性是这种系统整个应用的关键，正确抓取数据、确保数据读取的可靠性，以及有效地将数据传送到后端系统都是必须考虑的问题。
ARM处理器是当今应用最为广泛的处理器芯片之一，低功耗、低成本、高性能等特点使其在消费电子类产品中的竞争力日趋显著。本文提出了一种基于ARM的支持多通信平台的RFID中间件系统设计，可以更广泛、更丰富地推动RFID应用。
1 硬件设计
AutO_ID中心曾提出了名为Savant的RFID中间件概念的雏形，并制定出相应的1．0规范草案、技术手册和原型系统，明确了RFID中间件的最原始功能。在此基础上，本系统应有以下功能：
①管理读写设备，支持多种读写器(包括不同厂商、不同类型)。
②采集、过滤并缓存数据。
③提供应用开发接口。
④与EPC体系标准服务交互：ONS、PML。
⑤支持多通信平台，如Internet、GSM、GRPS和CDMA。
⑥外设的集成控制与协同，实现嵌入式RFID中间件的柔性设备控制。
1．1 ARM核微处理器
本系统在功能上分为有线通信模块、无线通信模块、人机交互模块和核心模块。本设计采用Samscmg公司203 MHz的ARM920T内核的处理器S3C2410。
S3C2410微处理器是一个多用途的通用芯片，内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域，指令处理速度达到200MIPS。其特性包括：扩展总线最高频率为100MHz，32位数据，27位外部地址线，存储控制器(8个存储体)包含RAM(SDRAM)控制器、NAND控制器；复位时引导芯片选择(8、16位存储或NAND可供选择)；4个带有PWM的16位定时器，多达55个中断源的中断控制器；3个UART，支持IrDA 1．O；4个DMA通道(支持外设DMA)；支持STN与TFTL LCD控制器；2个 USB口；I2C-Bus接口；2个串行外围接口电路(SPI)和SD卡接口。此外，S3C2410上可以移植标准Linux操作系统，使得程序开发更加简单。
1．2 主板模块
系统内存部分由1片8M×16位数据宽度的Flash，共16 MB Flash(Intel E28F128J3C)，读写周期150 ns；2片16M×16位数据宽度的SDRAM(HY57V561620BT)构成，共64 MB SDRAM。
S3C2410提供8路片选nGCSn[0～7]，每个片选都指定了固定的地址，每个片选固定间隔为128 MB。系统内存由2片16M×16位数据宽度的SDRAM拼成32位模式，公用nGCS6。共64 MB RAM。起始地址为Ox30000000。nGCS0接的是一片8M×16位数据宽度的Intel E28F128 Flash，安装在BANK0，起始地址为0x0。其中内核烧写的起始地址为Ox40000，根文件系统RAM～DISK烧写的起始地址为 Oxl40000。
1．3 人机交互模块
系统利用GPIO口提供4个按键，以便能够响应按键中断，并获取键值。利用EINT4使用。 PS2键盘。S3C2410自带LCD控制器和触摸屏接口。本系统使用型号为LQ035Q7DB02的LCD液晶显示屏，采用MAX1664．作为电源驱动器。MAX1664是美国Maxim公司生产的有源矩阵液晶显示器开关电源，具有升压、双路输出锁相等特点，还提供一个LCD底板驱动器。
1．4 有线通信模块
该模块包括RS-232串行接口和1个10／100M自适应以太网接口。本系统采用一种单电源、低功耗RS-232芯片MAX3232。13、8脚接收：RS-232电平，最大值可达±25 V，从而12、9脚输出TTL电平，低电平不大于O．4V，高电平不低于Vcc-O．6 V；11、10脚输入TTL电平，14、7脚输出RS-232电平，最小幅值大于±5．0 V，典型值为±5．4 V。当向外发送数据时，TXD1有一个下降沿，指示灯LED亮，经过MAX3232，TTL电平转化为RS-232电平。当接收外部数据时，RXD1有一个下降沿，指示灯LED亮，外部RS-232电平经过MAX3232转化为TTL电平进入微处理器。
系统通过外接1片DM9000以太网MAC芯片扩展了一个10／100M自适应的以太网接口，占用资源nGCS1／EINTO。DM9000是 Davicom公司的一个全双工高速以太网控制处理器，内部集成了10／100M PHY、MAC、MMU和4 KB Dword SRAM。兼容3．3 V和5 V供电。它提供8位、16位和32位3种接口，4路多功能GPIO。此外DM9000还集成有接收缓冲区。S3C2410X支持2路USB HOST接口，支持高速、低速USB设备。
1．5 无线通信模块
无线技术是目前通信发展中最具有活力和前景的技术，支持无线接人的RFID中间件可以部署于无固定网络基础设施的场景，降低有线网络部署成本。RFID中间件还可以用无线通信方式向用户传输信息，提高信息传递的实时性。通过在系统中实现GPRS (General Packet Radio Service)模块，使系统具备移动通信功能。GPRS是通用分组无线业务的简称，以分组模式在PLMN和与外部网络互联的内部网上传输。理论上， GPRS可提供高达115 kbps的传输速率，但实际上用户用到的带宽大约为40 KB
～100KB。GPRS分组交换接人时间小于1 s，广泛支持IP协议。GPRS的这些特点提供了一个完备的基于TCP／IP协议的通信解决方案。
GPRS通信模块使用Sony Ericsson公司的GR47来实现GPRS上网的功能。GR47是GSM／GPRS全套语音和数据功能的工业级的先进无线模块，所有的功能都集中在一块集成的芯片内，内嵌TCP／IP协议栈。
1．6 电源设计
系统的核心模块工作电源为单一的3．3 V／0．5 A直流。由于核心模块电源消耗功率较小，因此系统采用LT10856线性稳压芯片，使用电路板上下面铜箔作为散热面，用9 V／0．8 A直流电源供电。
在其他的应用设计中根据不同的电源消耗需求，可以选择线性稳压源方案和开关稳压源方案。对于前一种选择，可以获得低噪声、廉价等益处，但同时也有效率低、发热较大等缺点；对于开关电源方案，正好与线性电源的优缺点相反。
1．7 其他外设
系统提供了2个USB HOST接口，可支持U盘、USB摄像头等多种USB设备，只需开发不同的设备驱动就可有效扩展。
使用UDA1380音频编解码器可有效支持MD、CD、MP3格式的音频文件的播放。
2 软件设计
Linux性能强大，开源免费，有极强的平台可伸缩性，符合POSIX标准，且有强大的网络功能。这些特点使其近年来在嵌入式领域发展迅速，广泛渗透到信息家电、网络设备和手持终端等市场，因此本系统以Linux操作系统为依托，在其上开发应用程序。中间件软件是一个多层次多模块的软件系统，共分为3个层次，如图3所示。
系统配置层：实现系统配置功能，调用下层提供的一些功能接口，不仅可以添加下层的基本处理单元，而且可以对处理单元的一些参数进行有效配置。它包括Web Server接口模块和远程控制信息台模块。
数据逻辑层：实现该软件系统的基本功能，包括读写器命令处理、标签过滤处理、对象域名服务(ONS)接口、企业级服务器接口交互(可能改为和PC中间件进行交互)。该层次完成系统的逻辑功能，包括设备管理模块、数据过滤模块、ONS查询模块(保留)、企业级别服务器接口模块。
基础设施层：提供系统运行所需要的基本功能，如数据库访问功能、内存管理功能，它们为其他模块提供统一稳定的接口，屏蔽一些差异性。该层次包括网络管理模块、内存管理模块(保留)、数据库访问模块。
2．1 Linux的移植
在嵌入式开发中，把操作系统移植到开发板是进行嵌入式应用程序开发的前提和基础。ARM Linux是针对ARM体系结构的嵌入式Linux操作系统。在编译Linux内核之前，首先要针对具体的硬件对内核进行配置，包括系统类型的配置。本系统选择ARM system type。在配置好通用内核选项、块设备和文件系统之后，即可编译修改后的内核文件，生成一个内核映像的自解压压缩文件。通过运行make clean dep zImage对该文件进行依赖编译，系统将在／arch／armnommu／boot目录下生成内核映像zImage，并将zImage下载到Flash 中的64K地址处。运行时，将U-Boot复制到SDRAM中的OxOc300000地址处并启动zImage；zImage会自行解压缩，将其解压缩到 SDRAM中的OxOc080000地址处并开始运行。内核启动后，系统会将romfs作为根文件系统。在linux-dist目录下运行make menuconfig命令可配置Linux的文件系统。
2．2 RFID标签数据处理
系统读取的RFID标签数据在中间件中主要经历数据管理、编码管理和过滤规则管理，之后存入本地数据库。其中数据管理包括数据校验、数据处理和数据存储；编码管理即设定编码规范，可配置支持不同数据编码规范；过滤规则管理能支持用户配置数据过滤规则。系统基本流程如图4所示。
用户的参数配置信息通过消息队列发送给中间件软件，软件分析发送过来的数据，对系统工作状态作出一定的调整。同时，系统通过网络处理模块接收从网口上读写器发送过来的数据，把这些数据分为标签数据和读写器管理数据两类。系统每个读写器实例都有自己的数据处理线程，它分析自己独特的数据格式形成统一的数据，并且调用该种读写器的处理方法，对解析后的数据结合该读写器特定的数据处理参数，对标签数据进行过滤、转发等工作。整个系统中有唯一一个管理命令处理线程，它轮询每个读写器的管理命令处理队列。如果有命令数据，那么调用该读写器特定的处理方法对这些数据进行处理。
结 语
本文提供了一种支持多通信平台的嵌入式RFID中间件系统设计方案。支持无线接入的RFID中间件可以部署于无固定网络基础设施的场景，降低有线网络部署成本。RFID中间件还可以用无线通信方式向用户或者系统传输信息，提高了信息传递的实时性。
