| 标题 | 基于ARM的RFID系统设计与实现 |
| 范文 | 谢文俊++王会燃 摘 要：设计了一种基于ARM的RFID系统。系统由采集节点、路由部分、协调部分、PC组成，采集节点和路由部分采用LM3S811芯片，协调器部分采用LM3S9B96芯片。各部分间通信采用可靠性和安全性很高，且功耗低的ZigBee无线网络，射频收发器采用CC2420，可以实现快速组网，且性能稳定、抗干扰能力强。系统功耗低、数据处理能力强、易于封装，可有效提升门磁系统的安全性。 关键词：RFID； LM3S811； LM3S9B96； Zigbee； CC2420；门磁 DOIDOI：10.11907/rjdk.1511029 中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2015）012-0145-04 1 开发平台 系统由4大部分组成：位于最底层的传感器采集节点、中间的路由节点、将数据传送到PC机的协调器节点以及PC机。系统框架如图1所示。 协调器与PC机的通讯可采用UART或USB方式，其它各个部分之间都采用ZigBee网络方式。整个系统除PC机外的其它部分都采用低功耗、小封装的Cortex-M3芯片作为主控芯片。其中的采集节点和路由节点采用LM3S811，协调器节点采用内部集成以太网和USB控制器的LM3S9B96。 1.1 Cortex-M3介绍 Cortex-M3内核由ARM公司于2005年推出，是整个Cortex内核系列中的微控制器系列（M）内核。该处理器采用纯Thumb2指令的执行方式，使这个具有32位高性能的ARM内核能够实现8位和16位的代码存储密度，并且它使用最少门数的ARM CPU，核心门数只有33K，在包含了必要的外设之后的门数也只有60K[1]，使得封装更为小型化。 Cortex-M3采用ARM V7哈佛架构，具有带分支预测的3级流水线，内核流水线分为3个阶段：取指、译码和执行。当遇到分支指令时，译码阶段也包含预测的指令取指，从而提高了执行速度。处理器在译码阶段自行对分支目的地指令进行取指。在稍后的执行过程中，处理完分支指令后便知道下一条要执行的指令。如果分支不跳转，则紧跟着的下一条指令随时可供使用；如果分支跳转，则在跳转的同时分支指令可供使用，空闲时间限制为一个周期[2]。 1.2 CC2420介绍 CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器[3]。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，能工作于2.400～2.4835GHz的频带范围，采用IEEE 802.15.4规范要求的直接序列扩频方式，数据速率达250kbps，码片速率达2MChip/s，抗邻频道干扰能力强，性能稳定，功耗低，灵敏度高，输出功率编程可控，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可实现多点对多点的快速组网。 图1 系统框架 1.3 节点介绍 协调器主要负责将路由器或采集节点上传的数据发送到上位机，因此采用集成USB控制器的LM3S9B96芯片。协调器节点结构如图2所示。 图2 协调器节点结构 UART单元主要完成LM3S9B96与PC机通信或控制实验箱上的外扩WiFi模块，所采用芯片为MAX3232；JTAG是LM3S9B96的下载口，采用标准20针的JTAG下载口，通过J-LINK或M3-LINK仿真器对程序进行下载或仿真。 路由器主要用于接收采集节点发送过来的信息，然后再将该信息发送到协调器上，最后由协调器发送到PC机，因此路由器采用LM3S811作为主控制器。采集节点主要负责传感器信号的采集与传送，因此也使用LM3S811作为主控制器，采集节点结构如图3所示。 2 RFID（125KHz）与ZigBee 2.1 RFID（125KHz） RFID通过在物品上嵌入电子标签、条形码等能够存储物体信息的标识，通过无线网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可互联形成一个庞大的网络。 图3 采集节点结构 RFID技术的工作原理是：电子标签进入读写器产生的磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行相关数据处理[4]。 2.2 ZigBee ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。它工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，且具有很高的安全性和可靠性。 在Zigbee网络中，节点分为3种类型：协调者、路由器和终端节点。其中，ZigBee 协调者（coord）为协调者节点，每个ZigBee网络必须有一个，主要作用是初始化网络信息；ZigBee 路由器（router）为路由节点，其作用是提供路由信息；ZigBee 终端节点（rfd为终端节点）没有路由功能，完成整个网络的终端任务。 ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务，即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有其它管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语完成对应的功能[5]：①物理层（PHY）：物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务；②介质接入控制子层（MAC）：MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号，支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间的可靠链路；③网络层：ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其它节点、路由查找及传送数据等功能；④应用层：除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在该层定义自己的应用对象。 3 设计与实现 首先对系统的总体功能进行大致规划，这些功能包括以下方面：①主机通过串口收集数据；②分析解析数据包；③查看特定终端（用户可选择）网络节点的控制与采集信息；④查看路由节点的控制信息与子节点相关信息。 static void taskForm （void *parg） { EVB_LED1_OFF（）； GucIfSuccess = 0； aplFormNetwork（）； while（apsBusy（）） {apsFSM（）；} conPrintROMString（"Network formed，waiting for RX＼＼n"）； conPrintROMString（"#00000&000$0000*0000000%＼＼n"）； GucIfSuccess = 1； EVB_LED1_ON（）； aplSetMacMaxFrameRetries（0）； while （1） {apsFSM（）；} } 协调器首先完成初始化目标单片机、组网等任务，并告知主机组网结果。这里定义通信数据包的格式如下： #00000&000$0000*0000000% 格式内容具体解析如下：①#（协议包起始符）；②路由器位：字符变化范围为00～99，表示此数据帧最多可以扩展99个路由节点。若路由器位信息为“00”，则表示没有通过路由，直接与协调器连接；③源端点物理编号位：终端节点的物理编号字符变化范围为000～999，表示此数据帧可以扩展1 000个终端节点；④传感器类型位：前两位字符代表采集点传感器类型，后一位字符代表传感器的工作方式。此数据帧可扩展99种不同类型的传感器，并且每种传感器最多有10种工作方式；⑤$（静态短地址起始符）；⑥短地址：表示终端节点的16位2进制短地址，并转化为4位16进制，然后以字符形式表示；⑦*（采集信息开始位）；⑧采集信息位：8位数据内容可以带小数点（此时已转换为字符）；⑨%（协议包结束符）。 解析代码如下： void CIOTMonitoringDlg：：AnalysisPacket（char *ptrData） { int Dataflag=0； ptrData= RecvDataPacket； char *ptrSAddr=SAddrTmp； char *ptrSenType=SenTypeTmp； char *ptrSenData=SenDataTmp； char *ptrEndNum=EnddNumTmp； while（*ptrData！='＼＼0'） { switch（*ptrData） { case '#'： Dataflag=1； ptrData++； break； case '&'： Dataflag=2； ptrData++； break； case '$'： Dataflag=3； ptrData++； break； case '*'： Dataflag=4； ptrData++； break； case '%'： Dataflag=5； break；} switch（Dataflag） { case 1： *ptrEndNum=*ptrData； ptrEndNum++； break； case 2： *ptrSenType=*ptrData； ptrSenType++； break； case 3： *ptrSAddr=*ptrData； ptrSAddr++； break； case 4： *ptrSenData=*ptrData； ptrSenData++； break； } ptrData++； } } 路由节点在完成各项初始化工作后，通过ZigBee网络接收来自采集节点的数据，然后根据数据包格式对用户数据进行格式化，最后通过ZigBee网络将格式化后的数据发送给协调器，相应过程如下： void aplFormatUserPacket（unsigned char *payload，unsigned char *data，unsigned char senType[4]） { unsigned char i=0，c； unsigned int temp，temp2； *payload='#'； payload++； *payload='0'； payload++； *payload='0'； payload++； #ifdef LRWPAN_ROUTER temp = 0； #else temp= aExtendedAddress_B0； #endif *payload='0'+temp/100； payload++； temp=temp%100； *payload='0'+temp/10； payload++； temp=temp%10； *payload='0'+temp； payload++； *payload='&'；payload++； *payload=senType[0]； payload++； *payload=senType[1]； payload++； *payload=senType[2]； payload++； *payload='$'；payload++； temp=aplGetMyShortAddress（）； temp2 = temp >>8； c = （temp2>>4）& 0xf； if （c > 9） {*payload='A'+c-10；payload++；} else {*payload='0'+c；payload++；} c = temp2 & 0xf； if （c > 9） {*payload='A'+c-10；payload++；} else {*payload='0'+c；payload++；} temp2 = temp； c = （temp2>>4）& 0xf； if （c > 9） {*payload='A'+c-10；payload++；} else {*payload='0'+c；payload++；} c = temp2 & 0xf； if （c > 9） {*payload='A'+c-10；payload++；} else {*payload='0'+c；payload++；} *payload='*'；payload++； for（i=0；i<7；i++） {if（*data=='＼＼0'） break； *payload=*data； payload++； data++；} for（；i<7；i++）{ *payload='0'；payload++；} *payload='%'；payload++；*payload='＼＼0'； } RFID（125KHz）模块通过传感器/ZigBee接口置于采集节点上，当在有效的刷卡范围内有卡出现时，采集节点上的LED灯点亮，并通过ZigBee网络将卡内数据传送到路由节点。如果卡一直检测有效，LED灯则一直点亮，但只输出一次有效的数据；不再刷卡后，灯熄灭，重新刷卡后继续送出卡号，过程如下： void getRFID125KData（） { unsigned char ucData[10]，i，c，buffer[4] ，payload[60]； char cbuffer[10]；unsigned long num； SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PERIPH_GPIOC）； GPIOPinTypeGPIOOutput（buzzer_PORT，buzzer_PIN）； GPIOPadConfigSet（buzzer_PORT，buzzer_PIN，GPIO_STRENGTH_8MA，GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU）； uartInit（）； for（i=0；i<4；i++）{ c = uartGetc（）； UARTCharPut（UART0_BASE，c）； buffer[i] = c； } GPIOPinWrite（buzzer_PORT，buzzer_PIN，0x00）； SysCtlDelay（50 * （SysCtlClockGet（ ）/3000））； GPIOPinWrite（buzzer_PORT，buzzer_PIN，0xFF）； num=0； for（i=0；i<4；i++） { num <<=8； num |=0xFF； num &=（buffer[i] | 0xFFFFFF00）； } cbuffer[0]= num/1000000000+'0'； num=num%1000000000； cbuffer[1] = num/100000000+'0'； num=num%100000000； cbuffer[2] = num/10000000+'0'； num=num%10000000； cbuffer[3] = num/1000000+'0'； num=num%1000000； cbuffer[4] = num/100000+'0'； num=num%100000； cbuffer[5] = num/10000+'0'； num=num%10000； cbuffer[6] = num/1000+'0'； num=num%1000； cbuffer[7] = num/100+'0'； num=num%100； cbuffer[8] = num/10+'0'； num=num%10； cbuffer[9] = num/1+'0'； ucData[1] = buffer[2]； ucData[2] = buffer[3]； ucData[3] = '＼＼0'； for（i=0；i<4；i++）{UARTCharPut（UART0_BASE，ucData[i]）； } for（i=0；i<10；i++）{ ucData[i] = cbuffer[i]；} for（i=0；i<10 ；i++）{UARTCharPut（UART0_BASE，ucData[i]）； } formatData（ucData）； conPrintString（ucData）； aplFormatUserPacket（payload，ucData，"111"）；EVB_LED2_ON（）；sendData（payload）； halWaitMs（500）； } 4 系统应用 传统门磁主要由磁体和门磁主体组成，在安全性上存在严重不足。非法入侵者可以通过伪造磁体达到欺骗门磁主体的目的，进而实现非法入侵。 RFID电子标签的电子编码具有唯一的特性，电子标签封装于门磁的永磁体内，然后将射频识别系统的阅读器封装于门磁主体内。即使永磁体被伪造的磁体代替，系统也会判断出异常，从而进行报警，达到提高安全性的目的。 用户可以根据自己对安全性的不同需求，考虑在RFID系统中引入加密机制。将电子标签的电子编码通过加密算法（如DES算法、RSA算法等）进行加密，并将密钥初始化，当主机获得电子编码后可以通过解密算法进行解密，安全性可以达到更高级别。 5 结语 Cortex-M3内核主要应用于低成本、小管脚数和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。Cortex-M3基于ARMV7架构，处理器带有一个分级结构。它集成了名为CM3Core的中心处理器内核和先进的系统外设，实现了内置的中断控制、存储器保护以及系统的调试和跟踪功能。这些外设可进行高度配置，允许Cortex-M3处理器处理大范围的应用并更贴近系统需求，这些特性使Cortex-M3在门磁中的应用可以发挥最大性能。 本文的创新点在于对传统门磁感应技术的不足进行改进，通过在门磁中引入RFID机制使门磁系统在安全性上获得很大提升。针对不同的需求情况，综合考虑成本等因素，用户可以选择不同的加密机制达到不同的安全级别。 参考文献参考文献： [1] [英]JOSEPH YIU.ARM Cortex-M3权威指南[M].宋岩，译.北京：北京航空航天大学出版社，2009. [2] 刘波文.ARM Cortex-M3应用开发实例详解[M].北京：电子工业出版社，2011. [3] Chipcon AS SmartRF CC2420 Preliminary Datasheet （rev 1.2）[Z].2004. [4] 何伟刚.物联网中RFID节点通信安全研究[J].信息安全与技术，2011（7）：21-23. [5] 高守玮.Zigbee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009. [6] 宋宝华.Linux驱动开发详解[M].第2版，北京：人民邮电出版社，2010. [7] 徐爱钧，徐阳. Keil C51单片机高级语言应用编程与实践[M].北京：电子工业出版社，2013. （责任编辑：黄 健） |
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