一文詳解RFID系統(tǒng)及案例分析

　　我們在生活和工作中越來越多地遇到射頻識別(RFID)系統(tǒng)。從庫存控制到超市的快速結(jié)賬，該技術(shù)正在改變許多現(xiàn)有應(yīng)用并啟用新應(yīng)用。在前端，“信號鏈”以附加到感興趣單元的小標簽開始;標簽以比特流的形式將信息傳送到RFID讀取器，RFID讀取器檢測標簽何時存在于特定區(qū)域中，并讀取它們攜帶的信息。在后端，基于服務(wù)器的系統(tǒng)維護和更新標簽數(shù)據(jù)庫，在企業(yè)內(nèi)生成警報或啟動其他基于信息的流程。

　　大多數(shù)RFID閱讀器目前使用多個處理器來滿足應(yīng)用要求。通常，信號處理器連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。然后，網(wǎng)絡(luò)處理器與本地或遠程服務(wù)器通信以進行信息存儲和檢索。本文介紹了這些看似完全不同的功能 - 信號轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)連接 - 如何通過ADI公司Blackfin處理器系列的單個處理器進行管理。

　　我們首先簡要介紹RFID技術(shù)，并討論它能夠?qū)崿F(xiàn)當前和未來的應(yīng)用。然后，我們專注于RFID閱讀器功能，探索需要在RFID閱讀器上運行的基本軟件組件以及服務(wù)器連接。最后，一些框圖提供了一些系統(tǒng)配置建議。

　　今天的應(yīng)用和新興應(yīng)用

　　RFID技術(shù)通過允許同時監(jiān)控多個項目來實現(xiàn)許多新類型的應(yīng)用，而無需人們“觸摸”每個項目(使用手持式條形碼掃描儀，例如)?？梢岳眠@種自動識別的應(yīng)用程序包括各種領(lǐng)域，如庫存控制，物流管理，監(jiān)控和收費。

　　今天，無處不在的面向商品的通用產(chǎn)品代碼《 / em》(UPC)，一維(1D)條形碼，幾乎可以滿足公眾購買的所有需求。條形碼包含與其相關(guān)的項目的相關(guān)信息，可能包括項目的建議零售價格和/或制造地點和日期。 1D和2D條形碼也可用于跟蹤物品的裝運詳細信息。

　　條形碼適用于單個物品，但當有許多物品需要掃描時，工作流程效率會降低。例如，打開并單獨掃描包含數(shù)百或數(shù)千種最終產(chǎn)品的托盤上的每個項目是不切實際的。但即使掃描的物品相對較少，例如超市收銀臺的雜貨，也必須在掃描儀和被掃描的標簽之間建立正確的對齊方式。更重要的是，操縱一個大項目來查找條形碼可能具有挑戰(zhàn)性。

　　RFID技術(shù)以比特流的形式用EPC(電子產(chǎn)品代碼)取代UPC。至少，EPC允許自動收集條形碼中包含的相同類型的信息并遠程訪問，而人為干預(yù)最少。此外，即使存在許多相同的項目，EPC也可以包括與標記項目的唯一識別特征有關(guān)的更多信息。此外，與傳統(tǒng)條形碼不同，物品面向哪個方向或者環(huán)境照明條件是什么并不重要 - 仍然可以檢測和跟蹤物品。霧，黑暗，甚至倉庫污垢都不再重要。

　　以下是RFID系統(tǒng)的更多使用方式：

　　在超市食品托盤和箱子中，它們是可以跟蹤資產(chǎn)并更好地管理資產(chǎn)池。通過寫入標簽的能力，可以包括附加信息(例如，銷售日期)。此外，還可以實施自動重新排序以保持貨架的正確庫存。

　　在庫中，它們可用于自動發(fā)布和退回材料，這些材料在較早的時候通過條形碼單獨讀取標簽來識別掃描儀。

　　在服裝標簽中，他們可以識別真實的物品來源。通過使用標簽的標識號，該物品可以被認證為真品或單獨作為偽造品進行調(diào)查。

　　在制藥行業(yè)，它們可用于防止假冒偽劣物品。

　　在體育比賽中，他們可以在長時間比賽中準確跟蹤跑步者的進度。

　　RFID系統(tǒng)概述

　　RFID使用比特流的射頻(RF)傳輸進行通信用，識別，分類和/或跟蹤對象。每個對象都有自己的RFID 標簽(也稱為轉(zhuǎn)發(fā)器)。整個系統(tǒng)采用標簽閱讀器，這是一個從每個標簽接收RF能量的子系統(tǒng)。閱讀器具有嵌入式軟件，用于管理所接收的標簽信息的詢問，解碼和處理;它與存儲標簽數(shù)據(jù)庫和其他相關(guān)信息的存儲系統(tǒng)進行通信。圖1顯示了RFID系統(tǒng)的概念圖。

　　RFID閱讀器

　　RFID 閱讀器提供各個標簽與跟蹤/管理系統(tǒng)之間的連接。它有多種外形尺寸，通常小到可以安裝在柜臺，三腳架或墻壁上。根據(jù)應(yīng)用和操作條件，可能有多個讀者可以完全服務(wù)于特定區(qū)域。例如，在倉庫中，讀者網(wǎng)絡(luò)可以確保在從A點到B點時，100%的托盤都被查詢和記錄。

　　總的來說，讀者提供三個主要功能：雙向與標簽通信以隔離各個標簽;接收信息的初始處理;和連接到將信息鏈接到企業(yè)的服務(wù)器。

　　RFID閱讀器必須處理感興趣的領(lǐng)域內(nèi)的多個標簽 - 在有限空間區(qū)域內(nèi)具有許多標簽的應(yīng)用中非常重要的考慮因素(對于例如，多個標記產(chǎn)品駐留在眾多工廠托盤上。)

　　多讀者/標簽場景中的主要挑戰(zhàn)是當許多讀者發(fā)出查詢并且多個標簽同時響應(yīng)時會發(fā)生沖突。避免此問題的最常見方法是使用某種形式的時分復(fù)用算法?？梢詫⒆x取器設(shè)置為在不同時間進行詢問，而可以將標簽配置為在隨機時間間隔后進行響應(yīng)。很明顯，能夠在嵌入式軟件中實現(xiàn)此功能提供了額外的靈活性。

　　RFID應(yīng)答器(“標簽”)

　　RFID標簽由集成 - 電路(IC)芯片，保存有關(guān)貼有標簽的物體的獨特信息(如EPC數(shù)據(jù))，天線(通常是印刷電路圖案)，用于接收來自閱讀器的射頻能量和傳輸信息，以及某種包含標簽組件的外殼。值得記住的是，上述術(shù)語“對象”可以適用于任何數(shù)量的不同事物，從工廠貨物到動物，再到人。從標簽到閱讀器的距離是一個重要的系統(tǒng)變量，它直接受到標簽技術(shù)的影響。標簽可以是被動，活動或半活動。

　　被動標簽

　　被動標簽是最簡單的類型。由讀取器發(fā)送的RF能量專門供電，它們沒有集成電池，因此它們可以便宜，機械堅固且非常小(例如，大約縮略圖的大小)。然而，無源標簽具有有限的讀取器到標簽范圍，因為接收功率取決于它們與RFID讀取器的物理接近度。

　　鏈路的范圍也受所選RF頻率的影響。低頻(LF)標簽通常使用頻譜的125-kHz至135-kHz部分;由于它們的范圍受到限制，它們主要用于訪問控制和動物標記。高頻(HF)標簽主要工作在13.56-MHz頻段，允許范圍為幾英尺。它們通常用于簡單的一對一對象讀取，例如訪問控制，收費和跟蹤便攜式項目，例如圖書館書籍。

　　另一方面，UHF標簽在頻率從850 MHz到950 MHz，并且具有相當長的范圍 - 10英尺或更長。此外，由于可用的帶寬可能更寬，讀者可以一次查詢許多這些標簽，而不是在較低頻率下進行一對一的標簽讀取過程。這一特性有助于最大限度地減少對特定區(qū)域內(nèi)多個讀卡器的需求，使UHF標簽在工業(yè)應(yīng)用中非常受歡迎，可用于庫存跟蹤和控制。然而，UHF標簽不能有效地滲透液體，這是一個主要缺點，使得它們對于諸如飲料和人類的液體填充物體不太有用。為了跟蹤這些項目，通常使用HF標簽。

　　在2004年的無源標簽供應(yīng)商調(diào)查中，預(yù)計2008年UHF標簽的價格將達到每個標簽16美分，低于2003年的57美分 - 繼續(xù)使標記項目成為資產(chǎn)和庫存跟蹤的一種經(jīng)濟有效的方法。

　　半有源標簽

　　與無源標簽一樣，半有源標簽將RF能量反射(而不是傳輸)回標簽閱讀器以發(fā)送識別信息。但是，這些標簽還包含為其IC供電的電池。這允許一些有趣的應(yīng)用，例如當標簽中包含傳感器時。除靜態(tài)識別數(shù)據(jù)外，每個發(fā)送應(yīng)答器還可以傳輸實時屬性，例如溫度，濕度和時間戳。通過僅使用電池為簡單的IC和傳感器供電 - 而不包括發(fā)射器 - 半有源標簽實現(xiàn)了成本，尺寸和范圍之間的折衷。

　　有源標簽

　　通過使用集成電池為標簽IC(連同任何傳感器)和 RF發(fā)射器供電，有源標簽更進一步。由于是自供電的，它們可以在更大的讀取器到標簽范圍(高達100米以上)上操作，這也意味著允許貨物比無源或半有源標簽更快地通過讀取器。系統(tǒng)。此外，有源標簽可以攜帶比EPC代碼更多的產(chǎn)品信息。

　　在不利方面，電池會縮短有源標簽的使用壽命，并增加其成本和尺寸。有源標簽通常在433 MHz和2.4 GHz工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段中運行，這些頻段可在全球大部分地區(qū)使用。因此，隨著更多無線消費產(chǎn)品出現(xiàn)在基于2.4 GHz的802.11和藍牙®模塊中，有源標簽與這些設(shè)備之間的共存成為一個重要問題。

　　RFID閱讀器的軟件架構(gòu)

　　在介紹了RFID閱讀器的基本功能之后，我們現(xiàn)在考慮如何使用Blackfin型會聚處理器實現(xiàn)閱讀器。 RFID閱讀器軟件架構(gòu)的三個要素是：后端服務(wù)器接口，中間件和前端標簽閱讀器算法 。雖然不同，但軟件架構(gòu)的所有這些元素可以在單個Blackfin處理器上同時運行。

　　后端服務(wù)器和連接

　　通常，RFID閱讀器包含一個網(wǎng)絡(luò)元件 - 有線例如，以太網(wǎng)(IEEE 802.3)，無線以太網(wǎng)(IEEE 802.11 a / b / g)或ZigBee ™(IEEE 802.15.4) - 將單個RFID讀取事件連接到中央服務(wù)器。中央服務(wù)器運行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，其功能包括匹配，跟蹤和存儲。在許多應(yīng)用程序中，還存在“警報”功能(供應(yīng)鏈和庫存管理系統(tǒng)的重新訂購觸發(fā)器，或安全應(yīng)用程序的警報器警報)。

　　順便提一下，讀者圍繞運行μClinux(也是 uClinux )的高性能嵌入式處理器構(gòu)建，與在與后端服務(wù)器通信時不具備的優(yōu)勢相比具有明顯的優(yōu)勢。強大的TCP / IP堆棧的存在以及SQL數(shù)據(jù)庫引擎的可用性極大地減少了開發(fā)過程中的主要集成負擔(dān)。

　　中間件

　　RFID中使用的術(shù)語 middleware 與其在其他嵌入式系統(tǒng)中的使用有一些不同的定義。在RFID方面，中間件是前端RFID閱讀器和后端企業(yè)系統(tǒng)之間的軟件轉(zhuǎn)換層。中間件過濾來自閱讀器的數(shù)據(jù)，并確保它沒有多次讀取或壞數(shù)據(jù)。在早期的RFID系統(tǒng)中，中間件在服務(wù)器上運行，但RFID數(shù)據(jù)的過濾現(xiàn)在通常在讀取器上通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送之前進行。這種增加的功能是嵌入式處理器為此應(yīng)用程序空間帶來的另一個優(yōu)勢。

　　讀取器的前端

　　系統(tǒng)的過濾器和變換密集型信號處理，發(fā)生在前面閱讀器末端需要具有通常與Blackfin處理器相關(guān)的強信號處理性能的設(shè)備。

　　A / D和D / A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在我們有了RFID系統(tǒng)組件的一般意義，讓我們從RFID閱讀器的角度關(guān)注連接。為了與標簽通信，混合信號前端(MxFE ®)IC構(gòu)成了感興趣的界面。

　　MxFE設(shè)備是通用的中頻子系統(tǒng)，包括A / D和D / A轉(zhuǎn)換器，低噪聲放大器，混頻器，AGC電路和可編程濾波器。 I& Q數(shù)據(jù)的輸出流直接連接到處理器并行端口。 ADI公司的MxFE IC系列產(chǎn)品構(gòu)成了性能最高的窄帶接收器，非常適合RFID和其他應(yīng)用。

　　圖2顯示了典型MxFE器件的框圖。

　　用于RFID應(yīng)用的Blackfin處理器

　　Blackfin處理器提供與有線和無線網(wǎng)絡(luò)的連接。某些處理器(如ADSP-BF536和ADSP-BF537)在芯片上具有10 Base-T / 100-Base-T以太網(wǎng)MAC。在無線方面，所有Blackfin處理器都可以通過SPI ®和SPORT外設(shè)直接連接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片組?？梢栽诓幌恼麄€處理器帶寬的情況下獲得線速傳輸。

　　此外，Blackfin處理器還包括并行外設(shè)接口(PPI)，它可以直接連接到ADC和DAC，如上所述。一些Blackfin處理器包括兩個PPI，可以進一步擴展系統(tǒng)功能 - 例如，允許將攝像機連接到RFID閱讀器。除了RFID應(yīng)用之外，這些Blackfin功能對于一維和二維條碼應(yīng)用也特別有吸引力，因為Blackfin能夠在同一設(shè)備上執(zhí)行系統(tǒng)控制，網(wǎng)絡(luò)和圖像處理。

　　對于RFID應(yīng)用，單一由于RFID閱讀器詢問標簽的方式，PPI通常是足夠的。首先，PPI配置為傳輸模式，處理器將數(shù)字序列發(fā)送到DAC。傳輸?shù)男蛄斜晦D(zhuǎn)換為模擬信號，然后被上變頻并發(fā)送出去激勵/喚醒本地RFID標簽，然后響應(yīng)。同時，PPI在少量處理器系統(tǒng)時鐘脈沖中被重新配置為接收器(見EE-Note 236)，如圖3所示。這樣，下變頻的RF信號可以被ADC采樣并進入Blackfin直接。在該圖中，每個接收(Rx)和發(fā)送(Tx)間隔之間的時間是在系統(tǒng)時鐘周期中測量的。經(jīng)過的時間允許傳輸?shù)男盘柕竭_標簽并且標簽傳輸響應(yīng)。

　　在某些RFID應(yīng)用中，Blackfin處理器本身可以充當服務(wù)器 - 例如，何時不需要大數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)庫操作。例如，想象一位年邁的父母戴著帶有標簽的手鐲，可以在房子內(nèi)進行監(jiān)控。如果在指定的時間間隔內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)任何活動跡象，監(jiān)測機構(gòu)可以提醒已登記的朋友或親屬。

　　構(gòu)成Blackfin RFID閱讀器基礎(chǔ)設(shè)施的軟件組件可在Blackfin.uClinux.org網(wǎng)站上找到。該產(chǎn)品包括與混合信號前端IC接口所需的驅(qū)動程序，以及在通過系統(tǒng)移動數(shù)據(jù)時非常有用的DMA驅(qū)動程序?；?mu;Clinux的網(wǎng)絡(luò)堆棧和SQL數(shù)據(jù)庫引擎也可用。從系統(tǒng)角度來看，其他功能(如802.11 Wi-Fi卡，USB拇指驅(qū)動器和CompactFlash卡接口)可以非?？焖俚嘏cBlackfin設(shè)備集成。有關(guān)更多信息，請參閱http://blackfin.uclinux.org。

　　RFID系統(tǒng)示例

　　有線RFID系統(tǒng)

　　RFID的最常見應(yīng)用是資產(chǎn)管理，通過減少庫存損失，消除錯誤交貨，改善配送物流以及減少缺貨，從而能夠跟蹤托盤在倉庫中的移動。大型倉庫中的RFID系統(tǒng)可以跟蹤裝載貨物的托盤從托盤進入倉庫到離開時的運動。這樣的系統(tǒng)依賴于整個倉庫和入站/出站運輸點的固定RFID閱讀器。

　　作為簡化有線基礎(chǔ)設(shè)施的一種手段，以太網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)( PoE)是這些類型應(yīng)用的理想選擇。 IEEE 802.3a / f PoE處理低功耗應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 PoE系統(tǒng)(如圖4所示)由供電設(shè)備(PSE)和供電設(shè)備(PD)組成。 PSE為以太網(wǎng)線路提供電源，而PD(為此討論的目的)構(gòu)成了會聚網(wǎng)絡(luò)處理器及其周圍組件。 PoE建議最大電纜長度為100米，適用于許多嵌入式RFID應(yīng)用，因為它具有相對的移動性，并且消除了與安裝傳統(tǒng)交流布線和插座相關(guān)的成本。

　　除RFID采集軟件外，支持嵌入式RFID應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)處理器還需要足夠的性能和集成來處理復(fù)雜的多層IP堆棧。 ADSP-BF537 Blackfin處理器 - 包括一個10-Base-T / 100-Base-T以太網(wǎng)MAC-就是這種集成的一個很好的例子。例如，許多以太網(wǎng)PHY設(shè)備提供狀態(tài)引腳，具有在狀態(tài)改變時中斷的能力。此功能與Blackfin中斷功能無縫集成，可生成強大，低功耗的系統(tǒng)。

　　低成本無線RFID

　　適用于叉車式掃描儀或便攜式設(shè)備等應(yīng)用手持式掃描儀，無法進行有線或PoE操作，IEEE 802.11b / g等無線協(xié)議允許RFID閱讀器連接到無線接入點，如圖5所示.Blackfin處理器可以連接通過串行或并行接口連接到802.11芯片組。此外，由于其計算能力，這些處理器支持分離MAC和全MAC 802.11a / b / g實現(xiàn)。例如，CompactFlash 802.11b卡的系統(tǒng)集成可能需要一個完整的MAC，該卡通過Blackfin的異步存儲器端口進行接口。拆分MAC實現(xiàn)通常通過SPORT或SPI接口接口 - lower MAC 駐留在無線芯片組上，而上部MAC 執(zhí)行在Blackfin軟件中。

　　雖然可以在單核處理器上輕松處理其堆棧和處理要求，但無線應(yīng)用正在測試性能與功耗的界限。使用低成本收斂處理器(如ADSP-BF531)的動態(tài)電源管理功能，可實現(xiàn)管理功耗，可根據(jù)應(yīng)用要求提供可擴展的性能。這些動態(tài)功耗模式旨在為幾乎任何網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供靈活的性能和功率安排。

　　高性能系統(tǒng)

　　在新興應(yīng)用中，RFID技術(shù)與其他設(shè)備(如生物識別傳感器或CMOS圖像傳感器)配對。如圖6所示，在安全授權(quán)和人員訪問控制的高級應(yīng)用中，RFID與圖像分析相結(jié)合，以確保在安全的環(huán)境中，不僅房間內(nèi)有 N 人，而且都是“授權(quán)人員”。

　　這類應(yīng)用的計算需求非常適合處理雙核融合處理器，如ADSP-BF561 。額外的處理器內(nèi)核不僅可以有效地使設(shè)備可以處理的計算負荷加倍;它還提供了一些令人驚訝的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，這些優(yōu)勢并不是很明顯。

　　傳統(tǒng)上，雙核處理器采用在每個核上運行的離散且通常不同的任務(wù)。例如，一個核心可能執(zhí)行所有與控制相關(guān)的任務(wù) - 例如網(wǎng)絡(luò)，與大容量存儲的接口，RFID采集和整體流量控制。該核心也是操作系統(tǒng)或內(nèi)核可能駐留的位置。同時，第二核心可以專用于應(yīng)用程序的高強度處理功能。例如，人類識別算法的視頻處理部分可能在第二個核心上運行，結(jié)果數(shù)據(jù)包可能會傳遞到第一個核心，以便通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸。

　　雙核ADSP-BF561包含雙高速L1指令和數(shù)據(jù)存儲器(每個內(nèi)核本地)，以及兩個內(nèi)核之間的共享L2存儲器。每個核心都可以同等地訪問各種外圍設(shè)備 - 視頻端口，串行端口，定時器等。如上所述，ADSP-BF561的一個核心可以管理RFID采集和網(wǎng)絡(luò)組件，而另一個核心可以專用于可以實時檢測，分類和跟蹤物體的圖像分類系統(tǒng)。

　　μClinux

　　μClinux操作系統(tǒng)是一種流行的選擇，可以促進網(wǎng)絡(luò)連接 - 這是讀卡器中最大的軟件組件 - 以及穩(wěn)健性和標準合規(guī)性的關(guān)鍵要求。在閱讀RFID標簽時，必須確保滿足實時要求。由于μClinux調(diào)度程序不是嚴格實時的，因此可以用ADEOS實時調(diào)度程序替換，它可以安全地阻止μClinux中斷，直到實時關(guān)鍵處理完成。這意味著前端讀卡器軟件可以實時從ADEOS域執(zhí)行，而中間件和后端服務(wù)器接口可以在傳統(tǒng)的μClinux環(huán)境中運行。這種劃分為用戶提供了對應(yīng)用程序的硬實時控制，同時允許訪問開源軟件的所有好處。有關(guān)μClinux或ADEOS的更多信息，請參閱BlackfinμClinuxWiki。

　　圖7顯示了連接到Blackfin ADSP-BF537 STAMP開發(fā)平臺的ADI公司MxFE評估板，該平臺運行MxFE驅(qū)動程序代碼，μClinux操作系統(tǒng)，以及TCP / IP網(wǎng)絡(luò)堆棧。

　　結(jié)論

　　正如我們所示，RFID應(yīng)用不再需要用于ADC / DAC接口的專用信號處理器和用于網(wǎng)絡(luò)的微控制器。 Blackfin系列的融合處理器可以處理網(wǎng)絡(luò)和控制，具有足夠的性能，可用于轉(zhuǎn)換器接口和模式匹配算法。反過來，這可以為下一波RFID應(yīng)用帶來更低成本的物料清單和更快的上市時間。