摘  要： 介紹了系統的整體框架和Linux下串口通信開發的一般流程，著重介紹了嵌入式環境下數據庫sqlite3的移植和操作，并給出了串口與sqlite3數據庫通信的效率和穩定性測試，在此基礎上分析了基于嵌入式Linux串口通信的RFID安檢的可行性，在基于ARM9硬件平臺、Linux操作系統環境下實現了RS232串口與RFID讀寫器通信的應用開發。
關鍵詞： 嵌入式；Linux；RFID；串口通信；sqlite3

    RFID（射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環境下。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽， 操作快捷方便。非接觸IC卡是目前RFID系統中最常用的一種電子標簽，它誕生于20世紀90年代初，是世界上最近幾年發展起來的一項新技術，它成功地將射頻識技術和IC卡技術結合起來，解決了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。由于存在著磁卡和接觸式IC卡不可比擬的優點，使之一經問世，便立即引起廣泛的關注，并以驚人的速度得到推廣應用，如我國的第二代公民身份證、公交卡、ETC免停車付費卡等。可以說RFID技術越來越多地應用到我國身份安檢、質量安檢、車輛安檢、執法安檢等諸多安檢系統中。
    本文就是針對安檢系統這種工程背景下RFID通信的應用開發。現在一般的RFID通信都基于串口，串口因其通用性、方面性和優良性能得到了廣泛的應用。由于安檢系統中往往涉及大量重要數據的讀取、通信以及實時更新，因此數據庫技術的引入必不可少。同時本文選擇了Linux操作系統，眾所周知Linux同Windows相比性能更安全、更可靠，而且Linux還是一款免費的代碼開源的操作系統，裁減內核更方便、快捷，與其他操作系統相比有著許多獨特的優勢，更加適合用作嵌入式操作系統。
1 系統結構介紹
    RFID安檢系統主要包括RFID前段讀寫器、嵌入式Linux終端兩大部分，其結構如圖1所示。

    其中嵌入式終端的CPU采用ARM9內核，內核執行速率達幾百兆赫茲，可以很好地滿足RFID數據的讀取和存儲。由于嵌入式系統一般是一個經過裁剪、資源極其有限的系統，因此對于安檢系統中涉及到的大量數據只能存取到外圍存儲設備中，本方案中的SD卡模塊正是用來存儲數據庫的，當RFID讀寫器讀取到指定數據，便在SD卡中的相關數據庫文件中查詢，并根據查詢結果做出相關反應并及時更新本地數據庫。
2 Linux下串口的開發
    在Linux下對串口進行配置、打開、讀寫等一系列的操作其使用方式與文件操作一樣，區別在于串口是一個終端設備[1]。Linux中的串口設備文件存放于/dev目錄下，其中串口1、串口2一般對應設備名依次為“/dev/ttyS0”、“/dev/ttyS1”。在使用串口之前必須設置相關配置，包括波特率、數據位、校驗位、停止位等[2]。
    串口開發的流程和串口開發過程中串口配置的流程分別如圖2(a)、圖2(b)所示。

    串口設置由下面結構體實現：
    Struct termios {
    tcflag_t  c_iflag;        /* input flags */
    tcflag_t  c_oflag;        /* output flags*/
    tcflag_t  c_cflag;        /*control flags */
    tcflag_t  c_lflag;        /* local  flags */
    tcflag_t  c_cc[NCSS];    /* control characters */
    }
    按照串口配置流程，對termios結構體設置相關參數，當串口按自己的設置要求配置成功后，即可將串口當做普通I/O文件，使用read和write函數對串口進行讀取。
3 sqlite3數據庫的應用開發
    sqlite3數據庫是一種嵌入式數據庫，其目標是盡量簡單，因此拋棄了傳統企業級數據庫的種種復雜特性，只實現對于數據庫而言必備的功能。盡管簡單性是sqlite3追求的首要目標，但是其功能和性能都非常出色，具有支持SQL92標準、所有數據存放到單獨的文件中支持的最大文件可達2 TB、數據庫可以在不同字節的機器之間共享、體積小、系統開銷小、檢索效率高、支持多種計算機語言、源碼開放，并且可以用于任何合法用途等特性。
3.1 sqlite3數據庫的移植
    sqlite3數據庫的移植過程如下所述：
    (1)首先從sqlite官網上下載最新的sqlite3源碼包；
    (2)解壓源碼包，并進入解壓目錄：
    tar -zxvf sqlite-3.6.23.1.tar.gz
    cd sqlite-3.6.23.1
    (3)配置Configure腳本，使用相關選項生成編譯文件Makefile文件：
    ./configure–-enable-share –-prefix=./sqlite-3.6.23.1/result –-host=arm-linux
    選項 -enable-share指定使用Linux的共享庫
    選項 -prefix指定了安裝目錄為./sqlite-3.6.23.1/result
    選項 -host指定了編譯環境為目標機為arm的交叉編譯環境
    (4)交叉編譯，生成嵌入式終端下數據庫的管理程序和庫文件, 最終在result目錄下得到數據庫管理程序sqlite3（相當于Windows下Access程序），提供編程所需的API的動態庫libsqlite3.so.0.8.6，編程所需的頭文件sqlite3ext.h sqlite3.h。交叉編譯的命令如下：
    Make
    Make install
    (5)將數據庫管理程序sqlite3、提供編程所需的API的動態庫libsqlite3.so.0.8.6及其1個軟鏈接拷貝到開發板根文件系統相應位置，分別在嵌入式終端的/usr/bin和/usr/lib這兩個目錄下，命令如下：
    Cp result/bin/sqlite3  /arm-linux/usr/bin
    Cp –l result/lib/libsqlite3.so*  /arm-linux/usr/lib
    (6)為了能在開發機上編譯，調用了sqlite3數據庫的API的應用程序，需要將動態庫libsqlite3.so.0.8.6及其2個軟鏈接、2個頭文件拷貝到交叉編譯工具鏈所在目錄的適當位置，至此sqlite3數據庫的移植和開發環境的配置已完成。只要輸入SQL語言便可以進行相關操作。
3.2 Linux下sqlite3的C語言開發
    sqlite3里最常用到的是sqlite3 *類型。從數據庫打開時開始，sqlite3就要為這個類型準備好內存，直到數據庫關閉，整個過程都需要用到這個類型。數據庫打開時起，這個類型的變量就代表了所要操作的數據庫。
    (1)打開數據庫API接口函數
    int sqlite3_open(文件名, sqlite3 *);
    用這個函數開始數據庫操作。需要傳入兩個參數，其中之一是數據庫文件名，例如：/home/test.db文件名不需要一定存在，如果此文件不存在，sqlite3會自動建立；如果存在，就嘗試把它當數據庫文件打開。
    sqlite3 * 參數即前面提到的關鍵數據結構。函數返回值表示操作是否正確，如果是SQLITE_OK則表示操作正常。相關的返回值sqlite3定義了一些宏，具體這些宏的含義可以參考sqlite3.h文件。
    (2)關閉數據庫API接口函數
    int sqlite3_close(sqlite3 *);
    如果前面用sqlite3_open開啟了一個數據庫，結尾時不要忘了用這個函數關閉數據庫。
    (3)執行SQL語句API接口
    由于嵌入式sqlite3數據庫支持SQL語言，因而調用C中相關執行函數就如同在終端下操作數據庫一樣方面快捷，下面是具體的API函數：
    這就是執行一條sql語句的函數。
    Int sqlite3_exec(sqlite3 * db, const char *sql,sqlite3_callback,Void * ,char ** errmsg);
    參數1是調用打開數據庫函數sqlite3_open()打開的數據庫對象。
    參數2 是一條待執行的SQL語句，其語法格式同標準SQL語言規范一樣，如創建 table時插入的記錄如下：
    create table student(id varchar(10) primary key, age smallint);
    此語句創建了名為student的表，表中定義了id（學號）和年紀兩個變量，其中id是主鍵。
    Insert into student values(12345678,21);
    此語句向student表中插入一組數據（12345678,21）,其中學號為12345678,學生年齡為21。
    對于數據庫的其他操作，如數據庫更新、修改、查找等用法同上。
    參數3 sqlite3_callback是自定義的回調函數，對執行結果的每一行都執行一次這個函數。
    參數4 void *是調用者所提供的指針，你可以傳遞任何一個指針參數到這里，這個參數最終會傳到回調函數里，如果不需要傳遞指針給回調函數，可以填NULL。
    參數5 char ** errmsg是錯誤信息。sqlite3里面有很多固定的錯誤信息。執行sqlite3_exec之后，如果執行失敗則可以查閱這個指針，即可知道執行過程中錯誤發生的位置。
3.3 串口同sqlite3通信測試與分析
    為了驗證sqlite3數據庫在嵌入式Linux[3-4]終端下的執行效率和穩定性，為此做了一個簡單的測試實驗：通過上位機程序向嵌入式Linux終端的串口定時發送字符串；嵌入式Linux終端接收到字符串便立即寫入到下位機的數據庫中。自后查看數據中的數據，看看有沒有遺漏和誤碼。上位機的程序使用VC6.0開發，整個程序界面只設了一個按鍵，按下按鍵，上位機就向嵌入式Linux終端不停地發送字符串數據,按鍵響應程序設計如下：
void CSendDlg::OnButton_Click()
{
   state=1;
   while(1)
   {
    str.Format("第%3d條記錄",state);//格式化字符串格式
    m_Port.WriteToPort(str,str.GetLength());//向串口發送字符串
        state++;
    Sleep(100);//延時100 ms
   }
    可見程序是個定時100 ms便發送一條字符串的循環，而且發送的每一條字符串事先通過str.Format格式化為固定長度，本例中是11 B。按下按鍵后發送的第一條字符串為：“第1條記錄”，每發送一條字符串里面的數字加“1”，這樣寫到數據庫中就可以很清楚地查看有沒有遺漏和誤碼，而且可以通過修改Sleep函數的延時參數檢測出嵌入式Linux終端下sqlite3數據庫操作的速度。
    下位機嵌入式Linux終端的程序設計為：先創建一個數據庫文件test.db,接著就是一個死循環，串口不停地查找有沒有數據寫入，當檢測到數據時，便寫入到test.db中，若寫入有誤，則立即跳出循環，終止程序。
char sql[100]="create table receive(name varchar(40))";
qlite3_open("/var/sd/test.db",&db);    //在SD卡中創建
test.db文件
sqlite3_exec(db,sql,0,0,&errmsg);    //在test.db文件中插入
表receiver
fd=open_port(fd,1)//打開串口1
set_opt(fd,9600,8,'N',1)//配置串口屬性，開始通信
while(1)
{
        n=0;
        i=0;
        bzero(read_buf, sizeof(read_buf));
        if( (n=read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) <=0)
            Continue;//未讀到數據則繼續查找串口
    printf("recever %d words\n",n);//輸出讀到的字符數
        sprintf(sql,"insert into receive values(%s)",read_buf);
    result =sqlite3_exec(db,sql,0,0,&errmsg);//插入數據
到數據庫中
        if(result==SQLITE_OK)
      printf("第%3d條數據寫入成功\n",++i);
//若插入成功則提示
    else break;//若插入不成功，則跳出循環
}
    測試結果如圖3所示。

    整個測試根據上位機串口發送的頻率不同做了多組實驗，每組實驗寫入1 000個數據，最終結果分析如下：上位機在定時80 ms左右或大于80 ms的情況下發送數據時，數據庫寫入的誤碼率為零；當定時時間小于80 ms時，隨著定時時間變小誤碼率會越來越高。通過數據分析可知原因有以下幾點：一是數據庫本身寫入需用時幾十毫秒，二是SD卡并非高速讀寫設備，當數據還未完全寫入數據庫時若有新數據發過來，則下次讀寫將會發生難以估計的錯誤。實驗還得出了當把數據庫文件寫入到系統Flash上的總耗時約為50 ms，比寫入SD卡中約少30 ms。不過就80 ms左右的一次讀寫速度而言，嵌入式數據庫sqlite3執行效率和穩定性非常可觀，現在一般的RFID讀寫器通過串口執行一條指令的時間也需幾十毫秒的時間，因而使用sqlite3數據庫在執行速率和穩定性上對于安檢系統中RFID讀寫數據的處理可以很好地達到要求，而且sqlite3還支持數據加密，安全性同樣非常出色。
    本文介紹了此RFID安檢系統的硬件框架和軟件設計，實現了RFID安檢系統基于嵌入式Linux下的串口通信以及數據庫的應用。最后通過實驗證明并確定了其在速率、穩定性方面的可行性，對于當今大多數RFID安檢系統的開發具有一定的參考價值。
參考文獻
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[2] 華清遠見嵌入式中心.嵌入式Linux C語言應用程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[3] FELDHOFER M．A proposal for an authentication protocol in a security layer for RFID smart tags．IEEE Proceedings  of MELECON，2004.
[4] 華清遠見嵌入式中心.嵌入式Linux系統開發標準教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.