一文详解RFID系统及案例分析

　　我们在生活和工作中越来越多地遇到射频识别(RFID)系统。从库存控制到超市的快速结账，该技术正在改变许多现有应用并启用新应用。在前端，“信号链”以附加到感兴趣单元的小标签开始;标签以比特流的形式将信息传送到RFID读取器，RFID读取器检测标签何时存在于特定区域中，并读取它们携带的信息。在后端，基于服务器的系统维护和更新标签数据库，在企业内生成警报或启动其他基于信息的流程。

　　大多数RFID阅读器目前使用多个处理器来满足应用要求。通常，信号处理器连接到模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。然后，网络处理器与本地或远程服务器通信以进行信息存储和检索。本文介绍了这些看似完全不同的功能 - 信号转换和网络连接 - 如何通过ADI公司Blackfin处理器系列的单个处理器进行管理。

　　我们首先简要介绍RFID技术，并讨论它能够实现当前和未来的应用。然后，我们专注于RFID阅读器功能，探索需要在RFID阅读器上运行的基本软件组件以及服务器连接。最后，一些框图提供了一些系统配置建议。

　　今天的应用和新兴应用

　　RFID技术通过允许同时监控多个项目来实现许多新类型的应用，而无需人们“触摸”每个项目(使用手持式条形码扫描仪，例如)。可以利用这种自动识别的应用程序包括各种领域，如库存控制，物流管理，监控和收费。

　　今天，无处不在的面向商品的通用产品代码《 / em》(UPC)，一维(1D)条形码，几乎可以满足公众购买的所有需求。条形码包含与其相关的项目的相关信息，可能包括项目的建议零售价格和/或制造地点和日期。 1D和2D条形码也可用于跟踪物品的装运详细信息。

　　条形码适用于单个物品，但当有许多物品需要扫描时，工作流程效率会降低。例如，打开并单独扫描包含数百或数千种最终产品的托盘上的每个项目是不切实际的。但即使扫描的物品相对较少，例如超市收银台的杂货，也必须在扫描仪和被扫描的标签之间建立正确的对齐方式。更重要的是，操纵一个大项目来查找条形码可能具有挑战性。

　　RFID技术以比特流的形式用EPC(电子产品代码)取代UPC。至少，EPC允许自动收集条形码中包含的相同类型的信息并远程访问，而人为干预最少。此外，即使存在许多相同的项目，EPC也可以包括与标记项目的唯一识别特征有关的更多信息。此外，与传统条形码不同，物品面向哪个方向或者环境照明条件是什么并不重要 - 仍然可以检测和跟踪物品。雾，黑暗，甚至仓库污垢都不再重要。

　　以下是RFID系统的更多使用方式：

　　在超市食品托盘和箱子中，它们是可以跟踪资产并更好地管理资产池。通过写入标签的能力，可以包括附加信息(例如，销售日期)。此外，还可以实施自动重新排序以保持货架的正确库存。

　　在库中，它们可用于自动发布和退回材料，这些材料在较早的时候通过条形码单独读取标签来识别扫描仪。

　　在服装标签中，他们可以识别真实的物品来源。通过使用标签的标识号，该物品可以被认证为真品或单独作为伪造品进行调查。

　　在制药行业，它们可用于防止假冒伪劣物品。

　　在体育比赛中，他们可以在长时间比赛中准确跟踪跑步者的进度。

　　RFID系统概述

　　RFID使用比特流的射频(RF)传输进行通信用，识别，分类和/或跟踪对象。每个对象都有自己的RFID 标签(也称为转发器)。整个系统采用标签阅读器，这是一个从每个标签接收RF能量的子系统。阅读器具有嵌入式软件，用于管理所接收的标签信息的询问，解码和处理;它与存储标签数据库和其他相关信息的存储系统进行通信。图1显示了RFID系统的概念图。

　　RFID阅读器

　　RFID 阅读器提供各个标签与跟踪/管理系统之间的连接。它有多种外形尺寸，通常小到可以安装在柜台，三脚架或墙壁上。根据应用和操作条件，可能有多个读者可以完全服务于特定区域。例如，在仓库中，读者网络可以确保在从A点到B点时，100%的托盘都被查询和记录。

　　总的来说，读者提供三个主要功能：双向与标签通信以隔离各个标签;接收信息的初始处理;和连接到将信息链接到企业的服务器。

　　RFID阅读器必须处理感兴趣的领域内的多个标签 - 在有限空间区域内具有许多标签的应用中非常重要的考虑因素(对于例如，多个标记产品驻留在众多工厂托盘上。)

　　多读者/标签场景中的主要挑战是当许多读者发出查询并且多个标签同时响应时会发生冲突。避免此问题的最常见方法是使用某种形式的时分复用算法。可以将读取器设置为在不同时间进行询问，而可以将标签配置为在随机时间间隔后进行响应。很明显，能够在嵌入式软件中实现此功能提供了额外的灵活性。

　　RFID应答器(“标签”)

　　RFID标签由集成 - 电路(IC)芯片，保存有关贴有标签的物体的独特信息(如EPC数据)，天线(通常是印刷电路图案)，用于接收来自阅读器的射频能量和传输信息，以及某种包含标签组件的外壳。值得记住的是，上述术语“对象”可以适用于任何数量的不同事物，从工厂货物到动物，再到人。从标签到阅读器的距离是一个重要的系统变量，它直接受到标签技术的影响。标签可以是被动，活动或半活动。

　　被动标签

　　被动标签是最简单的类型。由读取器发送的RF能量专门供电，它们没有集成电池，因此它们可以便宜，机械坚固且非常小(例如，大约缩略图的大小)。然而，无源标签具有有限的读取器到标签范围，因为接收功率取决于它们与RFID读取器的物理接近度。

　　链路的范围也受所选RF频率的影响。低频(LF)标签通常使用频谱的125-kHz至135-kHz部分;由于它们的范围受到限制，它们主要用于访问控制和动物标记。高频(HF)标签主要工作在13.56-MHz频段，允许范围为几英尺。它们通常用于简单的一对一对象读取，例如访问控制，收费和跟踪便携式项目，例如图书馆书籍。

　　另一方面，UHF标签在频率从850 MHz到950 MHz，并且具有相当长的范围 - 10英尺或更长。此外，由于可用的带宽可能更宽，读者可以一次查询许多这些标签，而不是在较低频率下进行一对一的标签读取过程。这一特性有助于最大限度地减少对特定区域内多个读卡器的需求，使UHF标签在工业应用中非常受欢迎，可用于库存跟踪和控制。然而，UHF标签不能有效地渗透液体，这是一个主要缺点，使得它们对于诸如饮料和人类的液体填充物体不太有用。为了跟踪这些项目，通常使用HF标签。

　　在2004年的无源标签供应商调查中，预计2008年UHF标签的价格将达到每个标签16美分，低于2003年的57美分 - 继续使标记项目成为资产和库存跟踪的一种经济有效的方法。

　　半有源标签

　　与无源标签一样，半有源标签将RF能量反射(而不是传输)回标签阅读器以发送识别信息。但是，这些标签还包含为其IC供电的电池。这允许一些有趣的应用，例如当标签中包含传感器时。除静态识别数据外，每个发送应答器还可以传输实时属性，例如温度，湿度和时间戳。通过仅使用电池为简单的IC和传感器供电 - 而不包括发射器 - 半有源标签实现了成本，尺寸和范围之间的折衷。

　　有源标签

　　通过使用集成电池为标签IC(连同任何传感器)和 RF发射器供电，有源标签更进一步。由于是自供电的，它们可以在更大的读取器到标签范围(高达100米以上)上操作，这也意味着允许货物比无源或半有源标签更快地通过读取器。系统。此外，有源标签可以携带比EPC代码更多的产品信息。

　　在不利方面，电池会缩短有源标签的使用寿命，并增加其成本和尺寸。有源标签通常在433 MHz和2.4 GHz工业，科学和医疗(ISM)频段中运行，这些频段可在全球大部分地区使用。因此，随着更多无线消费产品出现在基于2.4 GHz的802.11和蓝牙®模块中，有源标签与这些设备之间的共存成为一个重要问题。

　　RFID阅读器的软件架构

　　在介绍了RFID阅读器的基本功能之后，我们现在考虑如何使用Blackfin型会聚处理器实现阅读器。 RFID阅读器软件架构的三个要素是：后端服务器接口，中间件和前端标签阅读器算法 。虽然不同，但软件架构的所有这些元素可以在单个Blackfin处理器上同时运行。

　　后端服务器和连接

　　通常，RFID阅读器包含一个网络元件 - 有线例如，以太网(IEEE 802.3)，无线以太网(IEEE 802.11 a / b / g)或ZigBee ™(IEEE 802.15.4) - 将单个RFID读取事件连接到中央服务器。中央服务器运行数据库应用程序，其功能包括匹配，跟踪和存储。在许多应用程序中，还存在“警报”功能(供应链和库存管理系统的重新订购触发器，或安全应用程序的警报器警报)。

　　顺便提一下，读者围绕运行μClinux(也是 uClinux )的高性能嵌入式处理器构建，与在与后端服务器通信时不具备的优势相比具有明显的优势。强大的TCP / IP堆栈的存在以及SQL数据库引擎的可用性极大地减少了开发过程中的主要集成负担。

　　中间件

　　RFID中使用的术语 middleware 与其在其他嵌入式系统中的使用有一些不同的定义。在RFID方面，中间件是前端RFID阅读器和后端企业系统之间的软件转换层。中间件过滤来自阅读器的数据，并确保它没有多次读取或坏数据。在早期的RFID系统中，中间件在服务器上运行，但RFID数据的过滤现在通常在读取器上通过企业网络发送之前进行。这种增加的功能是嵌入式处理器为此应用程序空间带来的另一个优势。

　　读取器的前端

　　系统的过滤器和变换密集型信号处理，发生在前面阅读器末端需要具有通常与Blackfin处理器相关的强信号处理性能的设备。

　　A / D和D / A转换器现在我们有了RFID系统组件的一般意义，让我们从RFID阅读器的角度关注连接。为了与标签通信，混合信号前端(MxFE ®)IC构成了感兴趣的界面。

　　MxFE设备是通用的中频子系统，包括A / D和D / A转换器，低噪声放大器，混频器，AGC电路和可编程滤波器。 I& Q数据的输出流直接连接到处理器并行端口。 ADI公司的MxFE IC系列产品构成了性能最高的窄带接收器，非常适合RFID和其他应用。

　　图2显示了典型MxFE器件的框图。

　　用于RFID应用的Blackfin处理器

　　Blackfin处理器提供与有线和无线网络的连接。某些处理器(如ADSP-BF536和ADSP-BF537)在芯片上具有10 Base-T / 100-Base-T以太网MAC。在无线方面，所有Blackfin处理器都可以通过SPI ®和SPORT外设直接连接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片组。可以在不消耗整个处理器带宽的情况下获得线速传输。

　　此外，Blackfin处理器还包括并行外设接口(PPI)，它可以直接连接到ADC和DAC，如上所述。一些Blackfin处理器包括两个PPI，可以进一步扩展系统功能 - 例如，允许将摄像机连接到RFID阅读器。除了RFID应用之外，这些Blackfin功能对于一维和二维条码应用也特别有吸引力，因为Blackfin能够在同一设备上执行系统控制，网络和图像处理。

　　对于RFID应用，单一由于RFID阅读器询问标签的方式，PPI通常是足够的。首先，PPI配置为传输模式，处理器将数字序列发送到DAC。传输的序列被转换为模拟信号，然后被上变频并发送出去激励/唤醒本地RFID标签，然后响应。同时，PPI在少量处理器系统时钟脉冲中被重新配置为接收器(见EE-Note 236)，如图3所示。这样，下变频的RF信号可以被ADC采样并进入Blackfin直接。在该图中，每个接收(Rx)和发送(Tx)间隔之间的时间是在系统时钟周期中测量的。经过的时间允许传输的信号到达标签并且标签传输响应。

　　在某些RFID应用中，Blackfin处理器本身可以充当服务器 - 例如，何时不需要大数据存储和数据库操作。例如，想象一位年迈的父母戴着带有标签的手镯，可以在房子内进行监控。如果在指定的时间间隔内没有发现任何活动迹象，监测机构可以提醒已登记的朋友或亲属。

　　构成Blackfin RFID阅读器基础设施的软件组件可在Blackfin.uClinux.org网站上找到。该产品包括与混合信号前端IC接口所需的驱动程序，以及在通过系统移动数据时非常有用的DMA驱动程序。基于μClinux的网络堆栈和SQL数据库引擎也可用。从系统角度来看，其他功能(如802.11 Wi-Fi卡，USB拇指驱动器和CompactFlash卡接口)可以非常快速地与Blackfin设备集成。有关更多信息，请参阅http://blackfin.uclinux.org。

　　RFID系统示例

　　有线RFID系统

　　RFID的最常见应用是资产管理，通过减少库存损失，消除错误交货，改善配送物流以及减少缺货，从而能够跟踪托盘在仓库中的移动。大型仓库中的RFID系统可以跟踪装载货物的托盘从托盘进入仓库到离开时的运动。这样的系统依赖于整个仓库和入站/出站运输点的固定RFID阅读器。

　　作为简化有线基础设施的一种手段，以太网供电网络( PoE)是这些类型应用的理想选择。 IEEE 802.3a / f PoE处理低功耗应用中的网络系统。 PoE系统(如图4所示)由供电设备(PSE)和供电设备(PD)组成。 PSE为以太网线路提供电源，而PD(为此讨论的目的)构成了会聚网络处理器及其周围组件。 PoE建议最大电缆长度为100米，适用于许多嵌入式RFID应用，因为它具有相对的移动性，并且消除了与安装传统交流布线和插座相关的成本。

　　除RFID采集软件外，支持嵌入式RFID应用的网络处理器还需要足够的性能和集成来处理复杂的多层IP堆栈。 ADSP-BF537 Blackfin处理器 - 包括一个10-Base-T / 100-Base-T以太网MAC-就是这种集成的一个很好的例子。例如，许多以太网PHY设备提供状态引脚，具有在状态改变时中断的能力。此功能与Blackfin中断功能无缝集成，可生成强大，低功耗的系统。

　　低成本无线RFID

　　适用于叉车式扫描仪或便携式设备等应用手持式扫描仪，无法进行有线或PoE操作，IEEE 802.11b / g等无线协议允许RFID阅读器连接到无线接入点，如图5所示.Blackfin处理器可以连接通过串行或并行接口连接到802.11芯片组。此外，由于其计算能力，这些处理器支持分离MAC和全MAC 802.11a / b / g实现。例如，CompactFlash 802.11b卡的系统集成可能需要一个完整的MAC，该卡通过Blackfin的异步存储器端口进行接口。拆分MAC实现通常通过SPORT或SPI接口接口 - lower MAC 驻留在无线芯片组上，而上部MAC 执行在Blackfin软件中。

　　虽然可以在单核处理器上轻松处理其堆栈和处理要求，但无线应用正在测试性能与功耗的界限。使用低成本收敛处理器(如ADSP-BF531)的动态电源管理功能，可实现管理功耗，可根据应用要求提供可扩展的性能。这些动态功耗模式旨在为几乎任何网络系统提供灵活的性能和功率安排。

　　高性能系统

　　在新兴应用中，RFID技术与其他设备(如生物识别传感器或CMOS图像传感器)配对。如图6所示，在安全授权和人员访问控制的高级应用中，RFID与图像分析相结合，以确保在安全的环境中，不仅房间内有 N 人，而且都是“授权人员”。

　　这类应用的计算需求非常适合处理双核融合处理器，如ADSP-BF561 。额外的处理器内核不仅可以有效地使设备可以处理的计算负荷加倍;它还提供了一些令人惊讶的结构优势，这些优势并不是很明显。

　　传统上，双核处理器采用在每个核上运行的离散且通常不同的任务。例如，一个核心可能执行所有与控制相关的任务 - 例如网络，与大容量存储的接口，RFID采集和整体流量控制。该核心也是操作系统或内核可能驻留的位置。同时，第二核心可以专用于应用程序的高强度处理功能。例如，人类识别算法的视频处理部分可能在第二个核心上运行，结果数据包可能会传递到第一个核心，以便通过网络接口传输。

　　双核ADSP-BF561包含双高速L1指令和数据存储器(每个内核本地)，以及两个内核之间的共享L2存储器。每个核心都可以同等地访问各种外围设备 - 视频端口，串行端口，定时器等。如上所述，ADSP-BF561的一个核心可以管理RFID采集和网络组件，而另一个核心可以专用于可以实时检测，分类和跟踪物体的图像分类系统。

　　μClinux

　　μClinux操作系统是一种流行的选择，可以促进网络连接 - 这是读卡器中最大的软件组件 - 以及稳健性和标准合规性的关键要求。在阅读RFID标签时，必须确保满足实时要求。由于μClinux调度程序不是严格实时的，因此可以用ADEOS实时调度程序替换，它可以安全地阻止μClinux中断，直到实时关键处理完成。这意味着前端读卡器软件可以实时从ADEOS域执行，而中间件和后端服务器接口可以在传统的μClinux环境中运行。这种划分为用户提供了对应用程序的硬实时控制，同时允许访问开源软件的所有好处。有关μClinux或ADEOS的更多信息，请参阅BlackfinμClinuxWiki。

　　图7显示了连接到Blackfin ADSP-BF537 STAMP开发平台的ADI公司MxFE评估板，该平台运行MxFE驱动程序代码，μClinux操作系统，以及TCP / IP网络堆栈。

　　结论

　　正如我们所示，RFID应用不再需要用于ADC / DAC接口的专用信号处理器和用于网络的微控制器。 Blackfin系列的融合处理器可以处理网络和控制，具有足够的性能，可用于转换器接口和模式匹配算法。反过来，这可以为下一波RFID应用带来更低成本的物料清单和更快的上市时间。