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射頻識別(rfid)技術平穩地滲透到我們日常生活的許多方面。從超市的庫存管理到快速收款,這項技術正改變著許多現有的應用并支持新的應用。在RFID前端,“信號鏈”從有效裝置上的小標簽開始,將信息傳送給一個或多個RFID閱讀器,當標簽出現在特定的區域內時,閱讀器檢測。在RFID后端,基于服務器的系統保持并更新標簽數據庫。RFID系統框圖如圖1所示。

當今,大多數RFID閱讀器都采用多個處理器來滿足應用需求。通常其中一個是連接模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的信號處理器。另一個是與本地或者遠程服務器通信的網絡處理器,用于信息存儲和恢復。但Blackfin系列等處理器能夠管理這些不同的功能——信號轉換和網絡連接。

本文首先介紹了RFID技術以及它能支持的當前和未來的應用。然后,針對RFID閱讀器的功能,本文將研究運行在RFID閱讀器和服務器連接所需要的基本軟件組成。

RFID系統概述

RFID是一種采用射頻(RF)傳輸識別代碼、分類代碼和(或)跟蹤目標的通信系統。每個目標都有自己的RFID標簽(也稱為應答器)。總系統用一個標簽閱讀器接收每個標簽的RF信號。閱讀器的嵌入式軟件管理查詢、接收標簽信息的解碼和處理以及與存儲系統通信、收藏標簽數據庫和其他相關信息。

RFID的應用

RFID技術允許同時監測多個物品,無須人們去“接觸’每件物品(例如,用一個手持的條形碼掃描儀),所以它能支持許多新型應用。能夠利用這種自動識別技術的應用覆蓋了許多不同的領域,如控制管理、后勤管理、安全監控和通行收費等。下面是現在采用RFID系統的一些常見應用。

●在超市食品貨架和包裝箱中,利用標簽寫入能力(可以包括附加的信息,如最遲銷售日期)讓食品可見,并對貨架貨物進行更好的管理。另外,還可以實現自動重新排列來保持貨架上正確的存貨順序。

●在圖書館中自動管理資料的借出與歸還。過去,這些物品都是采用標簽條來識別,每次都必須用條形碼掃描儀來讀取。

●在衣服商標上鑒定其商品來源。利用標簽上的識別碼(ID),可以鑒定出該商品是正品還是仿冒品。

●在制藥業中嚴防假藥。

●在體育競賽中,精確地跟蹤馬拉松賽跑運動員的進程。

RFID閱讀器

RFID閱讀器提供各標簽和終端跟蹤與管理系統之間的連接。它雖然可以采用各種不同尺寸的封裝,但通常都很小以便安裝在三角架或墻上。另外,根據不同的應用和工作條件,可以使用多個閱讀器以便完全覆蓋規定的區域。例如,在倉庫中,可能有一個覆蓋的網絡才能保證當貨物從點A移動到點B時,所有通過的貨物能夠有100%的查詢和記錄。

總之,閱讀器的功能有三個主要的組成部分。第一部分是發送和接收功能,用來與標簽和分離的單個物品保持聯系,第二部分是對接收信息進行初始化處理:第三部分是鏈接服務器,用來將信息傳送到管理機構。

RFID系統中的閱讀器必須能夠處理在有效區域內同時存在多個標簽的情況,這在限定的空間區域內存在多個標簽的應用中非常重要。

在存在多個閱讀器和標簽的情況下,主要問題是會發生沖突,因為多個閱讀器發出查詢,也會有多個標簽同時應答。有許多方法可以避免這個問題。最常用的方法就是采用某種時分復用算法。閱讀器可以設置在不同的時間查詢,而標簽可以設置為經過一個隨機的時間間隔后應答。如果嵌入式軟件中具有實現此功能的能力,那么可以增加靈活性。

RFID應答器

一個RFID標簽包括一片集成電路芯片(用于保存該標簽所在物品的個體信息)、一根天線(通常是印制電路天線,用于接收來自閱讀器的RF信息并發送信息)和含有標簽的某種外殼。

使用RFID標簽的可以是許多不同的物體,從各類物品到動物,也包括人。標簽到閱讀器的距離是一個很重要的系統變量,它直接受該標簽技術的影響。常用的各種標簽技術有以下幾種。

1無源標簽

最簡單的標簽類型是無源標簽。它專門利用閱讀器發送的RF能量來供電,所以它沒有集成電池的尺寸和成本問題。無源標簽非常便宜,機械魯棒性好,而且外形尺寸非常小(約為指甲大小)。但是,因為無源標簽的接收功率與它到RFID閱讀器的物理距離成比例,所以這類標簽的缺點是其閱讀范圍有限。

說到范圍,選用的RF頻率與鏈接的實際范圍有很大關系。低頻(LF)標簽通常采用125—135kHz頻段,因為它們的范圍受到限制,所以其主要用途就是訪問控制和動物標簽。高頻(HF)標簽主要工作在13.56MHz頻段,允許的工作范圍大約為一英尺或兩英尺。HF標簽的主要用途是簡單的一對一的對象讀取,如訪問控制、收費以及跟蹤圖書館的書籍等物品。

超高頻(UHF)標簽主要工作在850—950MHz頻段,允許10英尺甚至更遠的工作范圍。此外,閱讀器可以同時查詢許多UHF標簽,與一對一的HF標簽讀取過程不同。這個特點也有助于滿足在限定區域內多個閱讀器的需求。因為這項功能,UHF標簽在工業應用中很普遍,用于庫存跟蹤和控制。但是UHF標簽的一個主要缺點是不能有效地穿透液體。這使得它們不能用于充滿液體的對象,例如飲料和人體。在跟蹤這些對象時,通常采用HF標簽來代替。

2半有源標簽

像無源標簽一樣,半有源標簽將RF能量返回到標簽閱讀器來發送標識信息。但是,它還包含一塊電池為標簽中的IC部分供電,這樣就可以支持一些有趣的應用,如在每個標簽中放置傳感器。采用這種方法,每個應答器不僅可以發送靜態的標識數據,還可以發送一些實時的屬性,如溫度、濕度以及時間和日期。通過采用僅僅為IC和傳感器供電的電池,半有源標簽能夠實現在成本、尺寸和范圍之間的折中。

3有源標簽

有源標簽采用集成電池為標簽IC(以及所有的傳感器)和RF發射器供電,所以它比半有源標簽更進了一步。有源標簽的工作范圍擴展了很大(達到100多米),這就意味著貨物通過閱讀器的速度可以比無源和半有源標簽系統中的速度高得多。另外,有源標簽可以攜帶更多的產品信息,不僅僅是一個簡單的產品ID碼。

RFID閱讀器的軟件體系結構

以上介紹的是RFID閱讀器的基本功能,下面將探討如何用一個處理器來實現這些功能。RFID閱讀器軟件體系結構的三個單元是后端服務器接口、中間件和前端標簽閱讀器算法。雖然軟件體系結構的各單元各不相同,它們都可以同時運行在一個Blackfin處理器上。

后端服務器及連接

通常,RFID閱讀器包括一個網絡單元,用于將一個RFID讀取事件連接到中心服務器。這種后端網絡接口可能是有線以太網(1EEES02.3)、無線以太網(1EEE802.11a/b/g)或者例如ZigBee(IEEE802.15.5)以太網。中心服務器運行一個數據庫系統,其功能包括匹配、跟蹤和存儲。在許多應用中,還會有一個“報警”功能。對于供應鏈和庫存管理系統,這可能是重新排列提醒:對于安全應用則是一次向警衛的報警。

當與后端服務器通信時,利用運行uClinux操作系統的高性能嵌入式處理器來構建閱讀器具有極大的優勢。TCP/IP協議棧的魯棒性和SQL數據庫引擎的可用性等關鍵因素降低了開發過程中可能很巨大的開發和集成負擔。

中間件

在RFID各單元中,中間件是介于前端RFID閱讀器和后端企業系統之間的軟件翻譯層。中間件過濾閱讀器的數據,從而保證沒有多次讀取或無效的數據。在早期的RFID系統中,中間件運行在服務器上。但是在閱讀器完成RFID數據過濾越來越普遍,在發送數據之前通過企業網絡。這種增強的功能是嵌入式處理器帶給這種應用的另外一個好處。

前端閱讀器

信號處理放在閱讀器系統的前端。這種信號處理通常都包含大量的濾波和變換運算,這就是為什么必需采用具有很強的信號處理性能的處理器的原因。

用于RFID閱讀器的處理器

Blackfin處理器提供有線和無線網絡的連接。ADSP-BF536/7等處理器的芯片內有一個10/100BaseT的以太網MAC子層。在無線方面,可以通過SPI和SPORT外圍設備接口直接連接到802.15.4Zigbee和IEEE802.11芯片組,無須消耗全部的處理器帶寬就可以達到傳輸線速率。

處理器的并行外圍接口(PPl)可以直接連接上述的ADC/DAC。有些處理器包括兩個PPI,可以進一步擴展系統的功能。

另外,處理器的上述功能使得它對于一維和二維的條形碼應用特別有吸引力,因其能在同一器件上完成系統控制、網絡連接和圖像處理。

從處理器軟件的角度看,RFID閱讀器產品包括連接到混合信號前端所必需的驅動程序。另外,有一個DMA驅動器在傳送數據通過系統時也是非常有用的。此外還有基于uClinux操作系統的網絡協議棧以及SQL數據庫引擎。從系統的角度看,附加的功能,例如802.11WiFi卡、USBthumbdrive和CompactFlash卡接口等,可以迅速與Blackfin器件集成到一起。

結論

正如我們所看到的,RFID應用不再需要專用的信號處理器用于ADC和DAC連接,以及用微控制器進行網絡連接。Blackfin系列等處理器可以同時完成網絡連接和控制功能,為完成轉換器連接和模式匹配算法留有足夠的性能余地。這樣也降低了下一代RFID應用的材料成本并且加快了產品面市時間。