基于ARM的RFID智能安全管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
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高級會議的成功舉辦除了對參會人員的簽到、住宿、座位安排等管理外，其身份安全管理也是很重要的一方面，本文介紹了一種基于32位ARM7TDMI設(shè)計實現(xiàn)的射頻識別[1](radiofrequencyidentification，RFID)會議智能安全管理系統(tǒng)，系統(tǒng)充分利用了ARM具有全面的、豐富的片上資源功能，用一個ARM核心板同時實現(xiàn)讀卡、顯示、聲音報警、攝像和指紋等幾種功能，集成了射頻識別技術(shù)與生物識別技術(shù)，完成三重身份的認(rèn)證，具體可選擇射頻+指紋模式、射頻+攝像模式或射頻+指紋+攝像模式。這不但大大提高了會場智能管理的安全性，而且還因ARM的集成度高而大大減少了系統(tǒng)電路中的器件配置，使得電路設(shè)計變得較為簡單，從而使整個系統(tǒng)的成本大為降低，同時，系統(tǒng)也更安全可靠、操作更簡捷。
1RFID技術(shù)概述及智能安全管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
RFID是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，識別的距離為幾十厘米至幾十米，可工作于惡劣環(huán)境，識別工作無須人工干預(yù)[2]，且根據(jù)讀寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息，操作快捷方便，同時，還具有極高的保密性。RFID系統(tǒng)由讀卡器、RFID卡和上層應(yīng)用軟件3部分組成，其中讀卡器用來實現(xiàn)對RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲功能，由控制單元、高頻通信模塊和天線組成；RFID卡是一種無源的應(yīng)答器，主要由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線組成。其基本工作原理是在RFID卡進(jìn)入到讀卡器的射頻場范圍后，讀卡器通過射頻信號與RFID卡進(jìn)行信息交互，將卡內(nèi)標(biāo)簽中所存儲的有關(guān)數(shù)據(jù)讀取后提交給RFID上層軟件。目前在國內(nèi)外，RFID已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理、工商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，并不斷向新的領(lǐng)域滲透，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
本RFID智能安全管理系統(tǒng)為高級會議會場設(shè)計，主要由32位ARM開發(fā)板、射頻識別芯片、RFID卡、天線以及PC機應(yīng)用系統(tǒng)組成[3]，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中的讀卡器設(shè)計是整個系統(tǒng)中的核心部分。
圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
通過運行后臺PC機上的應(yīng)用程序，可以實現(xiàn)對進(jìn)場人員的身份識別與驗證，進(jìn)場人數(shù)、進(jìn)出入時間等的統(tǒng)計并形成報表，對缺席人員還可以通過短信的形式發(fā)與本人或?qū)⒐残畔⑷喊l(fā)與有關(guān)的人。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是讀卡器的設(shè)計，根據(jù)需求本讀卡器應(yīng)是一個具有擴展功能豐富、可以獨立工作，也可以聯(lián)網(wǎng)交換信息，或者通過USB傳輸信息，且具有友好人機界面的嵌入式智能終端，具體設(shè)計示意圖如圖2所示，功能上主要包括：主控模塊、射頻模塊、指紋模塊、攝像模塊、顯示模塊、聲音報警模塊和通信模塊，這幾大部分協(xié)同工作，完成會場信息的采集、傳輸與顯示等操作。
圖2讀卡器結(jié)構(gòu)
讀卡器中的主控模塊采用ARM7核心板加外圍電路板的模式，ARM7核心板采用三星公司的S3C44B0X芯片，該芯片提供的硬件資源有：2.5V的ARM7TDMI內(nèi)核帶有8Kcache；可選的內(nèi)部SRAM；LCD控制器；2通道UART；1通道SIO；2通道通用DMA；2個提供外部請求引腳的總線DMA；8個外部中斷源；有時鐘功能的RTC等。具有系統(tǒng)管理、Cache和內(nèi)部存儲器、中斷控制器、定時器、UART等多種功能。在該芯片上內(nèi)擴了顯示模塊、聲音報警模塊和通信模塊，外擴射頻模塊、指紋模塊和攝像模塊，如圖2所示，另外，本ARM7核心板還擴展了8MSDRAM、2MNORFLASH、16MNANDFLASH。
射頻模塊由射頻芯片、電源濾波部分、模擬信號濾波部分以及相應(yīng)的外圍電路組成，這里的射頻芯片采用NXP公司(原Philips公司)的MFRC531芯片，該芯片整合了所有的13.56MHz主動非接觸通信方式和協(xié)議，與MFRC500、MFRC530和SLRC400引腳兼容，支持ISO14443TypeA和TypeB的所有層的通信方案，支持使用MIFARE更高的通信波特率。內(nèi)部收發(fā)器部分能夠驅(qū)動近藕合設(shè)計的天線，而不需要另外活動的電路；接收部分具有高效的解調(diào)與解碼電路執(zhí)行機構(gòu)；數(shù)字部分能處理完整的ISO14443幀數(shù)據(jù)還有錯誤檢測功能，并且支持快速的MIFARE安全算法；具有合適的并行接口，可以直接與8位的微處理器相連，并且支持SPI兼容接口?？傊?，目前由于MFRC531能夠滿足設(shè)計需求，應(yīng)用范圍比其他的芯片更廣，資料齊備，因此這里選擇MFRC531射頻接口芯片。
2.2硬件接口電路設(shè)計
2.2.1ARM與射頻芯片的接口電路設(shè)計
為了能正確讀取RFID卡上的數(shù)據(jù)，首先要對S3C44B0X和MFRC531的接口電路進(jìn)行設(shè)計，由于S3C44B0X微處理器有足夠的地址和數(shù)據(jù)總線，因此這里的接口采用獨立的地址/數(shù)據(jù)總線，采用并口方式，將MFRC531的ALE引腳接高電平，將A0、A1、A2分別對應(yīng)接S3C44B0X的A0、A1、A2，片選NCS信號接S3C44B0X的nGCS3，復(fù)位輸入RSTPD接GPF0，通過對S3C44B0X的GPF0引腳控制操作決定射頻部分的工作狀態(tài)[5]，如圖3所示。該接口主要負(fù)責(zé)射頻識別卡和管理主機PC之間的信息交換和傳輸，主要完成射頻卡的進(jìn)出控制，射頻卡與應(yīng)用終端之間信息聯(lián)絡(luò)與管理層主機通訊等功能。
另外，MFRC531與天線的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，TX1、TX2負(fù)責(zé)調(diào)制后的射頻信號輸出到天線，激勵天線產(chǎn)生電磁波將信號輸出到電子標(biāo)簽，而RX引腳則接收電子標(biāo)簽調(diào)制后由天線接收到的副載波信號，信號經(jīng)過內(nèi)部狀態(tài)機的解調(diào)解碼后成為接收到的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的讀寫，最好采用環(huán)形或矩形天線，這里采用環(huán)形天線。
2.2.2ARM與其他芯片接口電路設(shè)計
在ARM核心板上通過內(nèi)擴展LCD接口完成人機界面顯示功能，S3C44B0X內(nèi)置了LCD控制器，具有將顯示緩存中的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD驅(qū)動電路的功能。本系統(tǒng)設(shè)計采用了一片74LVC164245A作為總線驅(qū)動芯片，將164245的方向控制接為高電平，S3C44B0X的信號通過164245后，再接到LCD接口上。
S3C44B0X具有IIS總線，IIS總線是一種面向多媒體計算機的音頻總線，該總線專門負(fù)責(zé)音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)中。本系統(tǒng)設(shè)計中用IIS總線輸出數(shù)字音頻信號到音頻接口芯片，完成聲音報警信息提示，這比一般采用的蜂鳴器更友好。
圖3微處理器與MFRC531接口
在ARMS3C44B0X板上外擴展指紋傳感器芯片F(xiàn)PS200[6]，通過有效讀取指紋圖像實現(xiàn)與射頻識別一起雙重認(rèn)定身份的功能。FPS200芯片是美國Veridicom公司最新開發(fā)的接觸式指紋傳感器，其與處理器間的接口有USB、微處理器總線(MCU)和串行外接口(SPI)共3種方式，本系統(tǒng)采用了總線方式。具體電路設(shè)計為：CS1接高電平，CS0接ARM的nGCS1；地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫信號線直接與ARM連接，其他引腳按照FPS200的數(shù)據(jù)手冊連接即可。攝像模塊的主要功能是在刷卡的同時進(jìn)行電子攝像，攝像頭通過USB接口直接與S3C44B0X核心板相連接，這也是本系統(tǒng)中進(jìn)行身份識別的第3種方法，所采集到的圖像與卡號信息一并存放在后臺數(shù)據(jù)庫中，也可當(dāng)時就顯示在后臺管理頁面上，這可通過軟件程序根據(jù)需要具體設(shè)置，這樣可更增強了對與會人員身份驗證的安全性。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩大部分，分別為讀卡器程序設(shè)計和PC管理軟件程序設(shè)計。其中讀卡器程序設(shè)計采用開源免費的μC/OSⅡ操作系統(tǒng)加上系統(tǒng)應(yīng)用軟件的結(jié)構(gòu)，主要完成操作系統(tǒng)μC/OSⅡ的移植、讀卡器的讀寫任務(wù)程序、中斷服務(wù)程序、LCD處理程序、指紋讀取識別程序、USB與網(wǎng)絡(luò)接口程序、串口程序、數(shù)字音頻程序、攝像處理程序的設(shè)計。在μC/OSⅡ的程序源代碼中，只有OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.S這3個文件與處理器硬件相關(guān)，所以，移植μC/OSⅡ也就是修改這3個文件，其中OS_CPU_C.C中包含了6個需要修改的與處理器相關(guān)的函數(shù)，分別為OSTaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTimeTickHook()，這6個函數(shù)中的OSTaskStkInit()用來初始化任務(wù)堆棧，由函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調(diào)用，其余5個函數(shù)都為用戶自定義函數(shù)；OS_CPU.H文件中給出的是定義處理器結(jié)構(gòu)設(shè)置變量的內(nèi)容，用于定義數(shù)據(jù)類型的長度，一些與處理器相關(guān)的常數(shù)和宏定義等，如進(jìn)入和退出臨界狀態(tài)的函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL
()；OS_CPU_A.S中是用匯編寫的程序，如OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()是幾個必須由匯編程序來完成的函數(shù)。
對射頻卡操作的過程則是一個很復(fù)雜的程序執(zhí)行過程，需要對MFRC531內(nèi)部一系列的寄存器進(jìn)行配置，而且這些操作對時序要求非常嚴(yán)格。對射頻卡的典型操作為：尋卡(得到卡類型代碼)、防沖突(得到卡號)、選卡、驗證密碼、讀寫操作、掛起，并且這些操作必須按固定的順序執(zhí)行，在對卡類型判斷后將卡號送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)對讀入的卡號信息與數(shù)據(jù)庫中已有的卡號信息進(jìn)行比較后，判斷出該卡號是否為有效卡或者是否在有效權(quán)限內(nèi)從而進(jìn)行不同的處理，如對于無效卡則指示其紅燈亮、并有報警或發(fā)出語音提示等。
LCD用于實時顯示當(dāng)前信息，當(dāng)沒有卡進(jìn)入射頻天線有效范圍時，LCD上顯示當(dāng)前時間及日期；當(dāng)有卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍時，LCD上顯示卡號和身份驗證成功信息。同時，系統(tǒng)把有效卡的刷卡信息記錄到“進(jìn)出人員信息表”中，并在界面上顯示；對于無效卡只統(tǒng)計次數(shù)但不記錄信息。指紋圖像的讀取通過對傳感器FPS200初始化實現(xiàn)，初始化主要是對放電時間寄存器DTR、放電電流寄存器DCR和增益控制寄存器PGC寄存器的設(shè)置，以便在獲得整幅圖像之前啟動傳感器并對圖像參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，流程如圖4所示。在設(shè)置完這3個寄存器后，再設(shè)置寄存器CTRLA值為0x02，然后從第0行開始對該行中每一個像素進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，循環(huán)讀取CTRLA直到完成第299行的最后一個像素即可獲取整幅指紋圖像像素值。
圖4FPS200指紋采集流程
將OV511攝像頭與嵌入式硬件平臺相連，PC機通過硬件平臺控制OV511，完成攝像頭控制、采集和傳輸圖像功能。后臺PC管理軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)登錄，信息管理(包括用戶信息管理、管理員信息管理、受限時段信息管理)，信息瀏覽、查詢、統(tǒng)計和打印管理，非法進(jìn)出人員報警監(jiān)控和幫助系統(tǒng)等功能。該管理軟件以Windows系統(tǒng)為平臺，以功能強大的C#.NET作為前臺開發(fā)工具，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQLServer2000，服務(wù)器使用Windows2000操作系統(tǒng)，安裝IIS6.0，同時各個客戶端都需要安裝Win2000以上版本，系統(tǒng)以C/S模式進(jìn)行會議數(shù)據(jù)采集，用B/S模式進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，以便于實現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享。
本系統(tǒng)中設(shè)置的主要數(shù)據(jù)表有：用戶資料表、操作員信息表、時段限制信息表、進(jìn)出人員信息表和卡片信息表。
4系統(tǒng)測試及分析
本會議智能安全管理系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行了一系列的測試，自行測試的主要內(nèi)容如下：
(1)讀卡器與PC間的通信。讀卡器與PC機通過網(wǎng)絡(luò)能連接成功，也能將讀到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫中，如圖5所示。對有效卡(在有效時段或非有效時段)和無效卡的讀取，其LCD顯示、語音提示和相應(yīng)燈亮都運行正常。
(2)指紋識別。指紋識別需要對FPS200芯片的3個放電參數(shù)DTR、DCR和PGC進(jìn)行很好設(shè)置，這3個參數(shù)值對采集指紋圖像的質(zhì)量有一定影響，增加DTR參數(shù)值延長放電時間可以減少指紋圖像背景噪音；增加DCR參數(shù)值同樣起到減少指紋圖像背景噪音的作用，但升高DCR同時減少DTR以維持圖像清晰度；PGC參數(shù)控制了指紋圖像與背景的對比度。所以在實際工作中根據(jù)不同的工作條件需對參數(shù)進(jìn)行很好調(diào)整。
(3)攝像。攝像功能基本完善，能將圖片傳至后臺數(shù)據(jù)庫中，如圖6所示。
圖5讀卡器與PC機連接讀卡
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圖6圖像監(jiān)控
5結(jié)束語
本文介紹的基于ARM的RFID會議智能安全管理系統(tǒng)，充分利用了ARM具有全面的、豐富的片上資源特點，從而實現(xiàn)了S3C44B0X和MFRC531芯片的直接接口，并且還擴展了網(wǎng)絡(luò)接口、指紋接口、音頻接口和攝像接口，使得系統(tǒng)除了利用射頻識別完成具有會議考勤、語音報警功能外，還能完成攝像識別以及通過生物識別技術(shù)的指紋識別來實現(xiàn)多重認(rèn)證識別身份的功能，使得高級會場更加安全，這是RFID在高級會議的智能安全管理或門禁等中的很好應(yīng)用，對RFID在其他領(lǐng)域如煤礦井下、電力企業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用也有很好的借鑒作用。
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