基于射频识别(RFID)技术的特种设备安全监管信息平台开发-手持端的设计与实现-毕业论文

厦门大学本科毕业论文 本科毕业论文本科毕业论文 (科研训练、毕业设计) 题题 目：目：基于射频识别基于射频识别(RFID)技术技术的特种设备的特种设备安安 全监管信息平台开发全监管信息平台开发 手持端的设计与实现手持端的设计与实现 姓 名： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称： 年 月 厦门大学本科毕业论文 摘 要 RFID（Radio Frequency Identification） ，即射频识别技术。射频识别技术是一种非接 触式的自动识别技术，该技术的基本思想为通过射频信号，自动识别目标对象并获取相关数 据，且能够对在不同状态下（静止，移动）的物体（物品，人员）进行自动识别与管理，其 识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境，可储存信息量大，因此在现代社会中引起 广泛关注。 特种设备是国家认定的，因设备本身和外在因素的影响容易发生事故，并且一旦发生事 故会造成人身伤亡及重大经济损失的危险性较大的设备。随着我国经济不断发展，人民生活 水平不断提高，特种设备的应用规模和使用特种设备的单位数量也随之不断增大。同时，在 对特种设备的安全监管上，也暴露出一些问题。 本文主要针对 SkyeTek 嵌入式平台在 LINUX 系统下的移植和开发，结合对特种设备安 全监管出现的问题，完整地完成一个“基于射频识别（RFID）技术的特种设备安全信息监管 平台手持端的开发，完成从读卡器获取电子标签信息，本层事务处理，以及同上层平台交互 等功能，使其能够体现出 RFID 技术在特种设备管理上的优越性。同时也提高了监管水平， 增加政府在特种设备管理过程中的透明度。 关键词：RFID； 特种设备； 手持端； 嵌入式系统； LINUX 厦门大学本科毕业论文 Abstract RFID, which is the abbreviation of Radio Frequency Identification, Radio Frequency Identification is an untouched automated identification technology. The basic thought of this technology is identifying target and accessing relevant data via radio frequency signals automatically. Additional, it is able to identify and manage objects under different modes, such as stable, moving, etc. The identify work can be conducted under severe atmosphere and without interruption, and the storage volume is high. Therefore it is widely focused by the modern society. Special equipment is a kind of equipment that is national recognized, easily caused accident for the reason of equipment itself and influenced by the extrinsic factor. Once the accident happens, there will be heavy casualties and great economical loss. As the economic grows nowadays, our life is better and better, the application scale and quantity of use also growing. However, there are also problems existed on the security administration of special equipment. This paper is mainly focused on the transplantation and developing of skyetek embedded CPU under LINUX system, toward the problems occurred on the security administration of special equipment, completely develops a “RFID based security administration on special equipment platform handset”, finishing accessing data from the electronic tag by the reader, transaction manipulation, and interchange with the upper platform, etc, which shows the superiority of using the RFID on security administration of special equipment. At the same time, it improves the administration level and transparency of the administration process on special equipment. Key Words: Radio Frequency Identification； Special Equipment； Handset； Embedded System； LINUX 厦门大学本科毕业论文 目目 录录 第第 1 1 章章 RFID 与特种设备安全信息监管与特种设备安全信息监管.1 1.1 RFID 技术概述 .1 1.1.1 RFID 简介1 1.1.2 RFID 的优势 1 1.1.3 RFID 的各部分组成1 1.1.4 RFID 的基本工作原理3 1.1.5 RFID 的应用领域 .3 1.1.6 RFID 技术在与当今世界的应用与发展特点4 1.2 RFID 技术在特种设备安全管理中的应用7 1.2.1 RFID 技术在特种设备安全管理中的必要性7 1.2.2 RFID 技术在特种设备安全管理业务中的应用8 第第 2 2 章章 嵌入式嵌入式LINUX操作系统操作系统.10 2.1 嵌入式系统概述.10 2.1.1 嵌入式系统简介.10 2.1.2 嵌入式系统的发展.10 2.1.3 嵌入式系统开发的特点11 2.2 嵌入式 LINUX 平台开发.12 2.2.1 嵌入式 LINUX 简介 .12 2.2.2 嵌入式 LINUX 开发流程14 2.2.3 嵌入式 LINUX 开发平台博创 UP-NetARM2410-S 简介.15 第第 3 3 章章 SKYETEK RFID嵌入式平台开发嵌入式平台开发.18 3.1 SKYETEK RFID 嵌入式平台概述18 3.2 SKYETEK RFID 嵌入式平台功能模块简介.20 3.2.1 读写器及标签设置20 3.2.2 探测标签 .21 3.2.3 读写标签 .21 厦门大学本科毕业论文 3.2.4 多个标签的同时读取（防碰撞） .23 3.2.5 标签读写加密.23 第第 4 4 章章 手持端的实现与移植手持端的实现与移植.25 4.1 手持端概述 25 4.2 手持端详细设计与实现 26 4.2.1 读卡器交互模块的设计与实现26 4.2.2 LINUX 开发环境下 QT 界面设计模块设计与实现.30 4.2.3 业务逻辑处理模块设计与实现.34 4.3 手持端在博创 UP-NETARM2410-S 开发平台上的移植37 4.3.1 移植流程与交叉编译环境的建立 37 4.3.2 QT/Embedded 的移植 .38 结论41 致谢42 厦门大学本科毕业论文 Contents CHAPTER 1 RFID AND SPECIAL EQIUPMENT ADMINISTRATION1 1.1 OVERVIEW OF RFID.1 1.1.1 Introduction to RFID 1 1.1.2 The Advantages of RFID.1 1.1.3 The Composition of RFID1 1.1.4 The Basic Principle of RFID 3 1.1.5 The Applications of RFID.3 1.1.6 Features and Development of RFID in Todays World4 1.2 THE APPLICATIONS OF RFID ON SPECIAL EQUIPMENT ADMINISTRATION7 1.2.1 The Necessity of RFID on Special Equipment Administration.7 1.2.2 The Application of RFID on Special Equipment Administration.8 CHAPTER 2 EMBEDDED LINUX OPERATION SYSTEM10 2.1 OVERVIEW OF EMBEDDED SYSTEM10 2.1.1 Introduction to Embedded System 10 2.1.2 Development of Embedded System10 2.1.3 Features of Development of Embedded System.11 2.2 DEVELOPMENT OF EMBEDDED LINUX OS.12 2.2.1 Introduction to Embedded Linux OS12 2.2.2 The Progress of Development of Embedded Linux OS.14 2.2.3 Introduction to Bochuang Up-NetArm2410-S15 CHAPTER 3 DEVELOPMENT OF SKYETEK RFID SYSTEM.18 3.1 INTRODUCTION TO SKYETEK RFID SYSTEM18 3.2 COMPOSITION OF SKYETEK RFID SYSTEM20 3.2.1 Readers and Tag Set 20 厦门大学本科毕业论文 3.2.2 Detecting Tags 21 3.2.3 Reading and Writing Tags.21 3.2.4 Reading Several Tags Simultaneously (Anti-Collision).23 3.2.5 Encryption on Tags23 CHAPTER 4 DEVELOPMENT OF HANDSET AND TRANSPLANTATION25 4.1 OVERVIEW OF HANDSET.25 4.2 DESIGN AND DEVELOPMENT OF READER.26 4.2.1 Design and Development of The Reader26 4.2.2 QT Design Linux System.30 4.2.3 Design and Development of Business Logic Processing34 4.3 TRANSPLANTATION OF HANDSET TO BOCHUANG UP-NETARM2410-S.37 4.3.1 Process of Transplantation and Establishment of Cross Compile Environment .37 4.3.2 Transplantation of QT/Embedded .38 CONCLUSION.41 ACKNOWLEDGEMENT42 厦门大学本科毕业论文 -1- 第 1 章 RFID 与特种设备安全信息监管 1.1 RFID 技术概述 1.1.1 RFID 简介 RFID 射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标 对象并获得相关数据，无论在各种恶劣的外部环境下，抑或在无人值守干预的内部环境中， RFID 技术都可稳定地工作，识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便快捷。 1.1.2 RFID 的优势 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为 RFID 是一种突破性的技术，其理由如下： 第一，相比于条形码只能识别一类物体，RFID 能个识别单个具体物体。 第二，RFID 采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码则须靠激光来读 取。 第三，相比于条形码只能一个一个物体逐一读取，RFID 可以同时对多个物体进行识别 读取。 第四，相比于条形码，RFID 读取储存的信息量更大。 1.1.3 RFID 的各部分组成 最基本的 RFID 系统由三部分组成： 读卡器（Reader）：读取（写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式，如图 1.1 所示： 图 1.1 RFID 读卡器 厦门大学本科毕业论文 -2- 标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标 识目标对象,如图 1.2 所示： 图 1.2 RFID 标签 天线（Antenna）：在标签和读取器之间传递射频信号，如图 1.3 所示： 图 1.3 RFID 天线 厦门大学本科毕业论文 -3- 1.1.4 RFID 的基本工作原理 RFID 技术的基本工作原理如下：读卡器在接通电源后，发出射频信号，标签在进入磁 场后，接收到读卡器发出的信号，产生电场，并凭借其自身感应电流的能力发送存储在芯片 中的产品信息（注：此方法称为被动读取，标签称为无源标签） ，或者主动发送某频率的信 号（注：此方法称为主动读取，标签称为有源标签） ，在读卡器读取信息并解码后，送至中 央信息系统进行有关数据处理，如图 1.4 所示： 图 1.4 RFID 技术的工作原理 1.1.5 RFID 的应用领域 1.电子钱包、电子票证 射频识别卡是射频识别技术的一个主要应用。射频识别卡的功能相当于电子钱包，实现 非现金结算。目前主要的应用在交通方面。 2.货物的跟踪、治理及监控 射频识别技术为货物的跟踪、治理及监控提供了快捷、准确、自动化的手段。以射频识 别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围最大的货物跟踪治理应用。 3.车辆自动识别治理 铁路车号自动识别是射频识别技术最普遍的应用。高速公路收费及智能交通系统高速公 厦门大学本科毕业论文 -4- 路自动收费系统是射频识别技术最成功的应用之一，它充分体现了非接触识别的优势。在车 辆高速通过收费站的同时完成缴费，解决了交通的瓶颈问题，提高了车行速度，避免拥堵， 提高了收费结算效率。图 1.5 为新加坡采用 RFID 技术的车辆自动计费系统。 图 1.5 采用 RFID 技术的车辆自动计费系统 4.动物跟踪和治理 射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖厂，可通过采用射频识别技术建立饲养档案 预防接种档案等，达到高效、自动化治理牲畜的目的，同时为食品安全提供了保障。射频识 别技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以准确测定到达时间。 1.1.6 RFID 技术在与当今世界的应用与发展特点 目前在全世界范围内，特别重视 RFID 技术与广泛运用的国家和地区有美国，日本，中 国，新加坡，中国台湾和中国香港等，让我们来简单看看美国，日本，中国三个国家的应用 状况与特点。 美国： RFID 技术起源于战争，美国首先运用于第二次世界大战敌我战机的识别。而经济竞争 是战场战争的延续，沃尔玛等世界零售巨头为了维护自身在零售业上的霸主地位，先后极力 厦门大学本科毕业论文 -5- 推动条码与 RFID 等 ID 识别技术。条码已取得很大成功，虽然目前 RFID 在技术上还不够 成熟，尚存在成本问题等不利因素，但是它已经在供应链管理（SCM） ，集装箱，托盘这些 条码本来不容易胜任的领域上成功地得到了一定程度的应用。总之，对于美国来说，RFID 在战场的战争和在商场的竞争总是相辅相成地得到成功应用并维护着美国在世界的军事和经 济地位。 日本： 与美国不同，当今的日本没有主导世界战争的资格和能力，第二次世界大战以后没有直 接参与任何一次战争，所以 RFID 几乎没有用于军事上的需求。日本的企业大多不是依靠残 酷的商业竞争兼并对手，而是依靠优秀的劳动力，技术实力和高效率以及对于国外的产品加 工基地充分利用来提高产品竞争力的。 日本社会中人们在自律。勤勉是一种良好习惯，基于这些习惯形成了良好的社会道德。 即使将 RFID 用于供应链管理，其目的主要集中在提高效率，没有像其他国家内的防止失盗 等项要求来得那么紧迫。在权衡利弊和技术可行性以后，日本未能把 RFID 利用的重点放在 零售业单件物品的销售与管理中，却在提高服务质量上得以应用并突出了人文色彩。 以日本的半导体制造技术为坚强后盾的通信技术与家电技术具有世界范围的强大竞争力。 由于韩国，中国台湾正在挑战半导体和高端电子产品制造业，而中国也在中低端家电产品生 产上有了飞跃式的发展。这些对日本的传统产业形成了“包围圈”。日本为了在通信和家电产 品上谋求出路，保持传统产业的优势，提高通信以及家电产品的智能化则成为刻不容缓的课 题。 在日本，商业竞争固然激烈，但石油等原材料价格日益飞涨，使日本国内有些同类企业 之间的合作大于竞争。因此，RFID 使得 ID 识别手段的效率提高并不强烈地体现在于对手竞 争上。日本在 RFID 发展的另外一个特点是不把本国与其他国家对立起来，也不片面强调本 国的知识产权开发。NEC，日立，东芝等都是日本最大的半导体生产商，都有自己的主打产 品，日立还拥有世界一流的 RFID 芯片的制造能力。但是日本的多数 RFID 产品制造商，例 如 OMRON，大日本印刷株式会社，凸版印刷注释会社等都纷纷采用了根据 EPC 的 Gen2 标准设计制造的国际一流产品-位于美国西雅图的 Imprinj 公司生产的芯片，将其封装成 Inlay, 并使之成为日本使用的 UHF 电子标签的主流产品。在目前的全球经济下，这些企业 所追求的并非什么“国家利益”。如果过分强调利用本国技术，只能导致产品失去国际竞争力， 在日本这是一种合理而又实用的价值观念。 中国： 厦门大学本科毕业论文 -6- 中国既没有美国那种参与国际战争的需求，也没有哪一家企业具有与沃尔玛媲美的实力。 有些大型国营企业并非像美国等资本主义国家靠竞争来维持生存，它们往往占据着一些垄断 行业，凭借垄断资源平台为优势而生存，没有必要也没有能力像沃尔玛那样通过不断提高经 营效率来保持自身霸主地位的牢靠性。因此，大企业尚没有使用 RFID 进行商业角逐的需求 与欲望。 中国是一个从农业经济刚刚挣脱出来，开始向工业化国家发展的国家。很多地区连初等 教育都不能普及，城市以外的中等教育和高等教育水准还很低下，社会的贫富差距相当悬殊， 包括房价在内的物价十分昂贵。数十年历经政治动乱，人们固有的道德观念遭到了破坏，伴 随新型经济而来的信息化社会的道德观念又没有建立这些都是滋生假冒伪劣产品，弄虚 作假，违法乱纪的温床。为了加强监管各行各业，防止那些丑陋行为对生产生活带来的危害， RFID 在很多领域内能够为政府的监管提供有力的技术手段。 我国正在全国各地陆续换发的第二代身份证，这是加强社会管理的一个重要举措。第一 代身份证仅使用激光膜进行防伪，使用肉眼辨识文字和照片来确认持卡人的身份，这已经远 远满足不了当今社会的需要。目前对第二代身份证的利用虽仅仅停留在过去的水平上，即仅 凭肉眼进行查看，但是由于它里面有了电子标签，可以使用设备进行读写并通过网络进行个 人信息查询，所以这种基于 RFID 的身份识别系统使用起来将更加安全和方便。下一个最值 得监控的是药品和食品，防止伪劣，保证生命安全和食品安全已变得刻不容缓。 在我国的煤炭行业，只顾生产，不顾矿工生命安全的恶性事件频频曝光，在地下采矿场 设置 RFID 设备，可以掌握人员在矿内的所在位置并容易在矿难发生时实行救助。如果在 RFID 系统中配备各种气体的传感器，还能够及时发现事故隐患，确保安全生产。中国的国 情和实施 RFID 的成功经验表明，加强政府的监管力度辅助道德思想教育是建设文明社会的 重要手段。 此外，事实一再表明，一旦各级政府认识到有必要利用 RFID 的手段来提高交通运输的 效率，并且由政府干预和进行推动，那么在这些领域内应用 RFID 就非常容易取得成功。广 州、上海、北京的城铁、公交的收费系统能够在短期内采用 RFID 的收费系统都是政府推动 的结果。 厦门大学本科毕业论文 -7- 1.2 RFID 技术在特种设备安全管理中的应用 1.2.1 RFID 技术在特种设备安全管理中的必要性 特种设备是国家认定的，因设备本身和外在因素的影响容易发生事故，并且一旦发生事 故会造成人身伤亡及重大经济损失的危险性较大的设备。随着我国经济不断发展，人民生活 水平不断提高，特种设备的应用规模和使用特种设备的单位数量也随之不断增大。如果对特 种设备管理不善, 一旦发生事故，不仅会给企业造成重大经济损失，而且会给社会和环境造 成极其恶劣的影响。例如，1991年9月3日，江西贵溪农药厂一台装有2.4吨98%甲胺的槽罐 车，在运输途中发生泄漏事故，造成数百人中毒，其中41人死亡（截止1993年调查时）， 大量牲畜，家禽，水生动植物死亡，受污染区域达23万平方米。1993年8月5日，深圳清水 河危险化学品仓库发生爆炸事故，死亡15人，100多人受伤，造成的直接经济损失达两亿多 元。1997年6月27日，北京东方化工厂油罐区发生特大火灾爆炸事故, 在较短的时间内，整 个罐区全部被毁，造成8人死亡，直接经济损失达1亿多元。2005 年3月，京沪高速淮安段 交通事故，液氯泄漏致使28人死亡，350人受伤。这些恶性事故反映了我国依然严峻的特种 设备安全管理形势。特种设备的安全管理事关人民群众的生命财产安全和人类共同的生存环 境，加强管理迫在眉睫，势在必行。 由于特种设备都具有易燃、易爆、有毒、有害或有腐蚀等危险特性，从其生产到使用、 储存、运输和经营等过程中, 如果控制不当, 极易发生事故, 如火灾或爆炸、人员中毒或伤 亡、污染生态环境等。随着工业的发展，涉及到的特种设备的种类和数量显著增加，特种设 备的易燃易爆性、反应性和毒性本身就决定了事故的多发性和严重性。现代工业的生产呈现 出设备多样化、复杂化以及过程连接管道化的特点。如果管线破裂或设备毁坏，会有大量易 燃气体或液体瞬间泄放， 迅速蒸发形成蒸气云团，与空气混合达到爆炸下限，遇明火爆炸， 会造成难以想象的灾难。多数特种设备对人体有害，由于设备密封不严，人员操作失误或处 理不当等因素，容易发生泄漏事故，可直接导致人员急性或慢性中毒甚至死亡，生态环境也 会受到严重污染。综上可见，由于特种设备的固有危险性，使我们在利用其益处的同时有可 能受到伤害。因此，必须切实加强特种设备的安全管理， 避免其可能带来的对生命、财产、 健康及环境的伤害和损失。 目前对特种设备的安全管理工作有明确法律要求的国家法律、法规主要有中华人民共 厦门大学本科毕业论文 -8- 和国安全生产法（以下简称安全生产法），特种设备安全管理条例（国务院344 号令），特种设备经营许可证管理办法和特种设备包装物、容器定点生产管理办法 等。安全生产法第32条作出规定: “生产、经营、运输、储存、使用特种设备或者处置废 弃特种设备的，由有关主管部门依照有关法律、法规的规定和国家标准或者行业标准审批并 实施监督管理。生产经营单位生产、经营、运输、储存、使用特种设备或者处置废弃特种设 备, 必须执行有关法律、法规和国家标准或者行业标准, 建立专门的安全管理制度, 采取可 靠的安全措施, 接受有关主管部门依法实施的监督管理。” 2002年1月26日，国务院令第344号颁布的特种设备安全管理条例（以下简称条 例）为当前的特种设备的安全管理提供了坚实的法律依据。条例共有7章74条，涉及 特种设备的生产、经营、运输、储存、使用和处置废弃等多个环节，对特种设备的监管实行 从“摇篮”到“坟墓”的全生命周期的安全管理。这一条例的颁布与实施, 必将推动我国的特种设 备的安全管理工作。 而RFID是实现企业和社会信息化的重要技术之一，它能在显著提升企业竞争力和业务 绩效以及降低总体应用成本的同时，创造新的服务形式、新的商业模式和新的产业结构。其 在特种设备管理和应用过程中凸现生命力。目前，上海已经出台了地方的动物用电子标签标 准，上海的宠物和牲畜免疫已经可以采用这个标准进行管理，液氯、乙炔等危险化学品气瓶， 全上海市的烟花爆竹管理也已经开始使用电子标签管理。此外，上海还在制订基于电子标签 的访客生物特征识别标准，将建立基于电子标签的访客及其证件管理系统。 1.2.2 RFID 技术在特种设备安全管理业务中的应用 1.在生产管理中的应用 特种设备安装后, 在每个设备包装上都贴有唯一的RFID标签，由安监部门对危险品包装 进行检验, 在包装上粘贴不可逆性的RFID标签, 并通过手持式阅读器对标签信息进行识别和 数据写入，然后通过计算机将数据上传到安全生产监督管理局的信息管理中心。 2.在入库管理中的应用 特种设备到达仓库后，通过阅读器将标签信息中的充装品名、数量、有效期等信息读取， 根据仓库内划分的具有相应电子识别码的不同货位，其中包括所处仓库、货区、货架及垛位 信息，将特种设备放在相应的位置。这样, 有效地阻止了人为造成的差错和混淆, 大大提高 了工作效率。 3.在出库管理中的应用 特种设备的出库管理中，应用RFID，在仓库门口安装读写器天线，当有特种设备出库 厦门大学本科毕业论文 -9- 时，可以将设备标签中的信息读取到信息管理中心，并通过仓库的物流部门将其到达目的地 和时间等信息，写入标签中并上传到信息管理中心。这样可以避免设备发运错误，还可以了 解到已经发送的危险品数量，便于掌握其一切行踪。 4.在运输管理中的应用 特种设备运输车辆上都安装GPS 卫星定位系统, 每分每秒的行驶信息，都在“掌控”之中。 运输车辆如果偏出指定路线一定距离或进入敏感区域, 信息管理中心会自动报警，后方监管 工作人员可以远程控制车辆，并切断车辆的油路或者电路。同时，信息管理中心还可以随时 对车辆驾驶人员是否存在违规行为进行监控，司机如超速或3个小时以上疲劳驾驶，也会向 后方监控台报警。此外，如果车辆一旦发生碰撞，驾驶员只要按动系统在车上设置的传感器， 信息管理中心管理人员将会接到手机报警，可最快速度实施救援，并通过RFID标签读取所 运输的特种设备信息，以最短的时间采取措施。 基于RFID为基础的特种设备物流配送方式，自此跟踪开始，无论设备在仓储中心，还 是在运输途中、最终用户使用中，都可以掌握其一切行踪。这种配送方式完善地了解全部物 流过程，大大降低了传统管理流程的消耗费用，提高了工作效率。 厦门大学本科毕业论文 -10- 第 2 章 嵌入式 LINUX 操作系统 2.1 嵌入式系统概述 2.1.1 嵌入式系统简介 嵌入式系统(Embedded System)是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机 系统而言的。某些系统中也包含计算机，但是计算机是作为某个专用系统中的某一个部件而 单独存在的。像这样嵌入到更专用，更大型的系统中的计算机系统，称为“嵌入式计算机”、 “嵌入式计算机系统”或者简单的称为“嵌入式系统”。 嵌入式系统有着多种定义。一般地说嵌入式系统可以定义为“嵌入到对象系统中的专用 计算机系统”。 “嵌入性”、 “专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则 是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 2.1.2 嵌入式系统的发展 嵌入式系统已经在很多领域得到广泛的使用，如国防，工业控制，通信，办公自动化和 消费电子领域等。 嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与 通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、 大量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计 算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌 入性能、控制能力与控制的可靠性。 最初，人们将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众 多的对象系统（如，家用电器、工控设备等） ，无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统 与通用计算机系统的技术发展方向完全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入 式计算机系统，这就形成了现代计算 机技术发展的两大分支。 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，于是在 20 世纪末、21 世纪初， 计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的 软、硬件技术， 不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从 80286、80386、80486 到奔腾系列；操作 系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽 厦门大学本科毕业论文 -11- 美阶段。 嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道 路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式 系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的 现代电子系统时代。 如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的 诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代， 从而导致 20 世纪末，计算机的高速发展时期。 嵌入式智能计算机将是继PC和Internet之后对世界影响最大的科技产品。 2.1.3 嵌入式系统开发的特点 嵌入式系统的开发流程也和普通 PC 机系统开发有着很大的不同。 1.需要交叉编译环境 嵌入式应用软件开发要使用交叉便宜环境。交叉开发环境是指实现编译、链接和调试应 用程序代码的环境。与运行应用程序的环境不同，它分散在有通信连接的宿主机与目标机环 境中。 宿主机(HOST)是一台通用计算机，通常为普通 PC 机。它通过串口或者网络连接与目 标机通信。宿主机的软硬件资源比较丰富，包括强大的操作系统。 目标板(TARGET)常在嵌入式软件开发期间使用，用来区别嵌入式系统通信的宿主机。 目标板可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。图 2.1 描述了嵌入式开发过程中宿主机和目标板的关系。 宿主机 并口 目标板 图 2.1 嵌入式系统开发流程图 通过并口将代码烧录至目标机 厦门大学本科毕业论文 -12- 2.引入任务设计方法 嵌入式应用系统以任务为基本执行单元。在系统设计阶段用多个并发任务代替通用软 件的多个模块，并定义了应用软件任务间的接口。 3.需要固化程序 通用软件的开发在测试完成以后就可以直接投入运行。其目标环境一般是 PC 机，在总 体结构上与开发环境差别不大。而嵌入式应用程序开发环境是 PC 机，但运行的目标环境 却大不相同。可以是 PDA，也可以是设备仪器。而且应用软件在目标环境下必须存储在非 易失性存储器中，保证用户惯技口确保瑕疵的使用。所以应用软件在开发完成以后，应生 成固化版本，烧写到目标环境的 FLASH 中运行。 4.软件开发难度比较大 绝大多数嵌入式软件有实时性的要求，特别在硬实时系统中，实时性至关重要。这些 实时顶的体现一部分来自于操作系统的实时性，另一部分以来于应用软件本身的设计和代 码质量。 2.2 嵌入式 LINUX 平台开发 2.2.1 嵌入式 LINUX 简介 如果以人类年龄来算，LINUX还不过是个10岁的小孩子。它源于一位芬兰大学生 Linus Torvalds的课余作品。当时，Linus Torvalds正在学习计算机科学家Andrew S. Tanenbaum开发的Minix操作系统，但他发现Minix的功能很不完善，于是就编写了一个保护 模式下的操作系统，这就是LINUX的原型。最开始，LINUX被定位于黑客用的操作系统，并 被放到FTP服务器上供人们自由下载。从此，这个娃娃般的操作系统就在人们的关爱中，迅 速地以每两个星期修正一次版本的速度成长起来。现在，LINUX已经成为了当期最流行的免 费操作系统。LINUX的产生，完全是无数计算机爱好者共同努力的结果。LINUX从诞生之日 就伴随着Internet一同成长。迄今为止，LINUX操作系统已经成为恶劣具有全部UNIX特性的 POSIX兼容的操作系统，而且只要遵守通用公共许可证（GPL）的条款，任何人都可以自由 使用LINUX的源程序。LINUX操作系统有以下几大特征： 1.符合国际通用标准； 2.强大的兼容性； 3.先进的网络特征； 4.拥有真正的多用户，多任务能力； 厦门大学本科毕业论文 -13- 系统性能十分稳定； 可移植非常灵活。 LINUX正在嵌入式开发领域稳步发展。目前，正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选 择LINUX作为嵌入式操作系统。LINUX之所以能在嵌入式系统市场上取得如此快的发展，与 它自身的优良特性有着不可分割的关系。 1.开放源码，丰富的软件资源 LINUX遵循GPL，用法律保障了用户免费获得内核源代码的权利。由于嵌入式系统千差 万别，往往需要针对应用修改和优化系统。这时能否获得源代码就至关重要了。 LINUX是自由的操作系统，它的开放源代码使用户获得了最大的自由度。LINUX上的软 件资源非常丰富，每一种通用程序在LINUX上都可以找到，并且每天都在增加。在LINUX开 发程序往往不需要从头做起，而是先选择一个类似的自由软件，进行二次开发。这就大大节 省了开发工作量，缩短了开发时间。 2.功能强大的内核，性能高效，稳定，多任务 LINUX的内核非常稳定。它的高效和稳定性以及在各个领域，尤其在网络服务器领域得 到了事实的验证，而且LINUX内核小巧灵活，易于裁剪。这使LINUX能很适合嵌入式系统的 应用。 3.支持多种体系结构 LINUX能支持X86,ARM,MIPS,ALPHA,SPARC等多种体系结构。目前，LINUX已经被 移植到数十种硬件平台上，几乎所有流行的CPU LINUX都支持。现在，LINUX已经可以在 没有MMU的处理器上运行了。这就是进一步促进了LINUX在嵌入式系统中的应用。 4.完善的网络通信，图形和文件管理机制 LINUX自产生之日就与网络密不可分，网络是LINUX的强项。另外，LINUX支持 SXT2,FAT16,FAT32,ROMFS等多种文件系统，有的文件系统具有防断电特性。在图形系统 方面，LINUX既有成熟的X WINDOW，也有Embedded QT, MiniGUI等嵌入式GUI，还有 SVGALIB,FRAMEBUFFER等优秀工具，可以适合不同的用途。 5.支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 LINUX上的驱动已经非常丰富了，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随着 LINUX的广泛应用，许多芯片厂家也开始提供LINUX上的驱动。这进一步促进了LINUX各种 硬件平台上的应用。 6.大小功能都可定制 厦门大学本科毕业论文 -14- LINUX继承了Unix的优秀设计思想，内核与用户界面是完全独立的。它非常灵活，各部 分的可定制性都很强，能适合多种需求，是硬件资源有限的嵌入式系统。 正是嵌入式操作系统的特殊要求，为LINUX在嵌入式系统中的发展提供了广阔的舞台。 由于LINUX的高度灵活性，程序员可以很容易地根据应用领域的特点对它进行定制开发，以 满足自己的实际应用需要。LINUX固有的多任务，高效，稳定的系统特征，使LINUX成为嵌 入式操作系统的新贵。嵌入式LINUX一般是按照嵌入式目标系统的要求而设计，由一个体积 很小的内核及一些可以根据需要进行裁剪的系统模块组成。一般来说，整个系统所占用的空 间不会超过几兆大小。 2.2.2 嵌入式 LINUX 开发流程 嵌入式LINUX开发，根据应用需求的不同有不同的配置开发方法，但是一般都要经过以 下过程： 1.建立开发环境 操作系统一般使用REDHATLINUX，版本7到9都可以，选择定制安装或全部安装， 通过网络下载相应的GCC交叉编译器进行安装（比如ARM-LINUX-GCC，ARM-UCLBC- GCC），或者安装产品厂家提供的交叉编译器。配置开发主机。配置MINICOM，一般参数 为波特率115200，数据位8位，停止位1，无奇偶校验，软硬件控制流设为无。在 WINDOWS下的超级终端的配置也是这样。MINICOM软件的作用是作为调试嵌入式开发板 信息输出的监视器和键盘输入的工具；配置网络，主要是配置NFS网络文件系统，需要关闭 防火墙，简化嵌入式网络调试环境设置过程。建立引导装载程序BOOTLOADER，从网络上 下载一些公开源代码的BOOTLOADER，如U-BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM- BOOT、RED-BOOT 等，根据自己具体芯片进行移植修改。有些芯片没有内置引导装载程 序，比如三星的ARM7、ARM9 系列芯片，这样就需要编写烧写开发板上。FLASH的烧写 程序，网络上有免费下载的WINDOWS下通过JTAG并口简易仿真器烧写ARM外围FLASH芯 片的程序。也有LINUX下公开源代码的J-FLASH程序。如果不能烧写自己的开发板，就需要 根据自己的具体电路进行源代码修改。这是让系统可以正常运行的第一步。如果你购买了厂 家的仿真器当然比较容易烧写FLASH了，但是其中的核心技术是无法了解的。这对于需要 迅速开发应用的人来说可以极大地提高开发速度。 2.下载别人已经移植好的LINUX操作系统 如UCLINUX、ARM-LINUX、PPC-LINUX 等，如果有专门针对你所使用的CPU移植好 的LINUX操作系统那是再好不过，下载后再添加自己的特定硬件的驱动程序，进行调试修改， 厦门大学本科毕业论文 -15- 对于带MMU的CPU可以使用模块方式调试驱动，对于UCLINUX 这样的系统好像只能编译 进内核进行调试。建立根文件系统，从下载使用BUSYBOX软件进行功能 裁减，产生一个最基本的根文件系统，再根据自己的应用需要添加其他的程序。默认的启动 脚本一般都不会符合应用的需要，所以就要修改根文件系统中的启动脚本，它的存放位置位 于/etc目录下，包括：/etc/init.d/rc.s、/etc/profile、/etc/.profile 等，自动挂装文件系统的配 置文件/etc/fstab，具体情况会随系统不同而不同。根文件系统在嵌入式系统中一般设为只读， 需要使用MKCRAMFS、GENROMFS等工具产生烧写映象文件。建立应用程序的FLASH磁 盘分区，一般使用JFFS2或YAFFS文件系统，这需要在内核中提供这些文件系统的驱动， 有的系统使用一个线性FLASH（NOR 型）512K32M，有的系统使用非线性 FLASH（NAND 型）8512M，有的两个同时使用，需要根据应用规划FLASH的分区方案。 3.开发应用程序 开发应用程序，可以下载到根文件系统中，也可以放入YAFFS、JFFS2 文件系统中， 有的应用程序不使用根文件系统，而是直接将应用程序和内核设计在一起，这有点类似于 UCOS-II的方式。 4.烧写内核，根文件系统，应用程序 5.发布产品 2.2.3 嵌入式 LINUX 开发平台博创 UP-NetARM2410-S 简介 LINUX价格低廉、功能强大，可以运行在X86，Alpha，Sparc，MIPS，PPC， MOTOROLA，NEC，ARM等硬件平台上，而且开放源代码，可以定制。我们项目所使用的 硬件平台是基于ARM体系结构，由北京博创兴业科技有限公司开发的UP-NetARM2410-S开 发板。如图2.2与图2.3所示： 其中RFID项目开发过程中使用到的设备与接口有： 1.S3C2410 芯片 2.RS232 COM1 作为 LINUX 下超级终端 MINICOM 调试与连接使用 3.以太网口，用于数据传输，系统烧写，QT 库调试 4.CF 卡接口，读取读卡器 CF 卡中的数据 5.TFT 触摸感应真彩屏，RFID 读卡器界面与用户接口 6.小键盘，控制读卡器动作 厦门大学本科毕业论文 -16- 图2.2 博创UP-NetARM2410-S开发板 其主要接口如图2.3所示. 图2.3 博创UP-NetARM2410-S开发板 厦门大学本科毕业论文 -17- 第 3 章 SkyeTek RFID 嵌入式平台开发 3.1 SkyeTek RFID 嵌入式平台概述 SkyeTek开发包由美国SkyeTek公司开发，提供RFID集成开发软硬件环境，包括读写器， 标签，天线，驱动，软件环境等，功能模块包括配置读卡器及标签，探测标签，读写标签， 同时读写多个标签（防碰撞），标签读写加密等，完成整个的RFID读写标签行为， SkyeTek的高级通用读写器架构(AURA)将RFID读写器分成两层： ReaderWare 软件层： 提供了标签、协议以及硬件的单一抽象。通过高级读写器智能与对应用的封装，极大地 优化了读写器性能。 对所有 SkyeTek 读写器模块 ReaderWare 都是通用的。 ReaderDNA 硬件层： 优化了 RFID 读写器，在经济性、功耗等方面，并且对 HF、UHF 读写器模块提供了一 个统一的电气与机械架构。 其主要优点有： 1.采用Tagnostic读卡器，能够读取的标签范围广。 2.智能化的读卡器。 3.开放的软件体系结构，模块间低耦合。 4.轻易地移植到嵌入式设备。 SkyeTek硬件开发环境由硬件平台与读卡器组成，硬件开发环境如图3.1所示。 厦门大学本科毕业论文 -18- 图3.1 SkyeTek硬件开发环境 硬件平台如图3.2所示。 图3.2 SkyeTek硬件平台 硬件平台通过220V交流电供电，USB接口或RS-232串口与宿主机相连，24针CF卡接 口与读卡器相连。 读卡器末端可连接天线，如图3.3所示。 厦门大学本科毕业论文 -19- 图3.3 SkyeTek M2读卡器 3.2 SkyeTek RFID 嵌入式平台功能模块简介 3.2.1 读写器及标签设置 通过设置模块，可以很方便地对读卡器和标签的有关属性进行设置，图3.4为对