RFID

RFID专题:30 外部接口、LLRP协议

2022-05-05 16:12:22 明申科技 68

5.1.3 阅读器外部接口详解

由于手持式阅读器和一体式阅读器的外部接口较为简单,本节将主要针对固定式阅读器的外部接口展开讲解,主要通过Impinj的SpeedwayRevolution R420和Alien的ALR-9900这两款经典的阅读器设备作为案例进行详解。

01、ImpinjR420阅读器接口分析

如图5-12所示,为ImpinjR420的端口连接图。图中从左到右依次是带有锁扣的外部直流24V供电接口、POE网口、默认自恢复按键(DefaultRestore button)、USB Type B接口(作为设备从机)、USB接口(作为主机)、RJ-45接口的操作台串口RS232(Console)、DE-15口内部为GPIO和RS-232。

 

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图5-12Speedway Revolution R420端口连接图

如图5-13所示,为R420阅读器天线接口及状态灯,4个TNC天线接头和天线工作指示灯以及电源和状态指示灯。

 

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图5-13Speedway Revolution R420天线接口及状态灯

从上述Speedway Revolution R420的资料进行分析,可以得出以下结论:

R420的供电方式有两种,分别是外部直接供电和POE供电,其中外部供电插头也为普通插头,在工业级应用中设备必须装在保护箱中。多数阅读器的供电为24V,只有少数的工业级阅读器或小型设备使用不同的供电电压。

具有从机USB接头,电脑可以通过USB接口控制阅读器并与之通信。实际案例中很少用USB与阅读器直接通信,因为稳定性不高。一般情况下使用网口作为通信手段,少数使用RS232串口。只有小型阅读器设备会使用USB接口通信,如小型桌面机。R420预留USB从机接口是为了方便开发者调试。

具有主机的USB接口,当设备的存储空间有限时,可以直接外接USB存储设备,扩大存储空间,可以理解为给电脑加了一个移动硬盘。此主机USB接口可以实现掉电保存功能,该方法被许多设备所采纳。

控制台RJ-45口,外形如网口,是类似思科设备的控制台串口,一般在阅读器内部配置参数时使用。

GPIO的DE-15接口其实是一个普通电脑接头,需要再接其他转换头才可以把GPIO的4进4出和RS232转换出来。当然这样设置也有它的好处,如果系统是通过串口或GPIO触发工作时(触发工作模式)只需要拉一根通信线。R420的GPIO接口有两个缺点:一个是使用不方便需要转接,另一个是GPIO的接口非工业级。

射频天线口为4个,并附有指示灯。一般的固定式阅读器输出天线口为4个,有的阅读器有2个或者1个,还有比较少的阅读器有8个射频天线接口,如MOTO的阅读器。如果需要阅读器连接更多的天线最好的方法是使用天线分配器。

02、ALR-9900阅读器接口分析

如图5-14所示为Alien的ALR-9900阅读器外部接口图,对比Impinj的R420,其外部接口比较简单,包括多芯电源接口、9 Pin的RS-232串口、网线口、GPIO口。

 

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图5-14 ALR-9900阅读器外部接口图

如图5-15所示,ALR-9900阅读器同样有4个TNC天线接头,指示灯为:电源(Power)、连接(Link)、天线0到天线3(ANT0 –ANT 3)、CUP、发现(Sniff)、错误(Fault)。其中Power表示是否有供电;Link表明是否连接网络;Active表明是否有数据在网络中传输;ANT 0 –ANT 3表示各个天线是否在工作;CPU表示系统是否Boost成功并在运转中;Sniff表示有标签被阅读器发现;Fault表示阅读器是否出现错误。

 

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图5-15 ALR-9900阅读器天线接口及状态灯

从上述ALR-9900的资料进行分析,可以得出以下结论:

采用工业级的电源适配器供电,多芯多电压输入,减少阅读器内部电源管理压力,EMC和EMI的稳定性提高。是非常好的选择,只有在工业级阅读器中使用。但是该设备没有POE供电,正常工作至少需要两根线缆。

串口采用标准RS-232,使用9-PinD female管脚,方便开发调试。

I/O接头使用了工业的标准接头,4进8出1电源1地共14-Pin,是非常专业的I/O接口。

指示灯非常齐全,开发和现场故障处理非常方便。

03、GPIO接口对比

在做GPIO接口对比之前,先通过一个案例介绍下GPIO的作用。如图5-16所示为ALR-9900阅读器给出的一个GPIO应用实例图,图中一个叉车载着带有标签的物品通过一个区域,被区域内的红外传感器所感应,红外传感器通过GPIO的输入口将信息传递到阅读器。阅读器被红外信号所触发启动盘点功能,发现正确的标签后通过GPIO的输出口点亮绿色指示灯,同时把标签的数据记录在阅读器的存储区。在整个叉车出/入库过程中,阅读器并未连接网络和电脑,只是通过自身的操作系统进行触发工作,不仅效率高而且节省成本。许多智能仓库都是通过这样的方案实现的。

 

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图5-16 GPIO应用实例图

如图5-17(a)为R420GPIO的输入输出示意图,图5-17(b)为ALR-9900GPIO的输入输出示意图,两者的差异体现在电气隔离方式与供电方式的不同:

R420的GPIO与内部电路之间是通过电子管直连的;ALR-9900的GPIO与内部电路通过光电耦合隔离,这样的好处是当外界设备出现故障时不会损毁阅读器内部电路,也不会带来不必要的干扰。

ALR-9900的GPIO的输出OUT需要连接额外的电源供电VDD,如图GPIO应用实例图中有一个很大的24VDC适配器供电,其输出电压可以达到24V 0.5A。这个输出的驱动能力很强,可以直接驱动灯柱等外围设备;相比之下R420的输出驱动能力非常弱,只够实现简单的触发功能。

 

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(a) R420的GPIO输入输出示意图(b)ALR-9900 GPIO的输入输出示意图

图5-17R420与ALR-9900 GPIO接口对比

对比两个阅读器的GPIO,ALR-9900的要复杂很多,优点为工业级稳定性高,而R420更加简单,可以直接与许多触发设备连接,使用简单方便。市场上大多数阅读器的GPIO都是采用R420的方式。

5.1.4 阅读器协议——LLRP协议详解

初级阅读器协议(LowLevel Reader Protocol)简称为LLRP,也称为低级别阅读器协议,是市场上主流超高频RFID阅读器都兼容的一套阅读器协议。

01、LLRP协议介绍

市场上每个超高频RFID阅读器厂商都有自己特有的阅读器硬件和配套的通信协议,但相互之间不兼容。当有一个大的项目需要同时使用多家供应商的阅读器时,就需要开发多套通信协议,管理十分不便。因此在EPCglobal的组织下,开发了LLRP协议。LLRP协议中低级别的含义是将原来阅读器的所有功能和操作都分解成最小的单元,每一步只完成最简单的一部,如采用阅读器厂商的私有协议一个盘点的命令,LLRP需要多个命令才能实现。一个大项目开发时可以完全针对LLRP协议,阅读器的选择也很宽泛,项目的代码复制也很简单。

在一个超高频RFID系统中,LLRP协议为上层应用层(Clinent)与底层物理层(阅读器设备)之间的中间接口,底层物理层因厂商不同而有差异,LLRP 协议将底层物理层的差异屏蔽掉,为上层应用提供统一的协议接口,使得上层应用可以无差别的对下层的阅读器进行控制和管理。

LLRP协定定义了客户端与阅读器之间通信的格式与过程,LLRP 协议通信格式单元为数据协议单位(PDU),即报文(Messages)。

LLRP协议有三个作用:标签数据的处理、阅读器装置的管理以及阅读器之间的协调与同步。LLRP的主要操作为盘点(Inventory)操作和存取操作,Inventory为阅读器在其读取范围内辨识标签中的EPC的动作,而Access则是对标签数据进行存取的动作,包含了读取(Read)、写入(Write)、锁定(Lock)及灭活(Kill)等操作。

02、LLRP操作与数据模式

从阅读器端传送给客户端的报文包含阅读器的状态回报、RF(Radio Frequency)调查以及EPC盘点(Inventory)和标签存取结果回报等,从客户端传给阅读器端的报文包含阅读器配置档的获取与设置、阅读器的读取能力、管理Inventory参数设定以及标签的存取操作等。

(1)LLRP 报文操作模式

客户端与阅读器之间典型LLRP报文序列会有以下过程:

客户端在操作阅读器之前需先了解阅读器的能力,第一个过程就是客户端查询阅读器的能力,包含一般装置能力、LLRP能力及监管能力等信息,其内容可能包含天线数量、软件版本、支持何种通信协议、读取灵敏程度、是否支持RF调查等信息。

取得或设定阅读器的配置内容,包含设定阅读器事件通知模式、天线属性、ROSpec回复报告和AccessSpec回复报告的触发条件以及报告形态、事件和报告模式等。

发送阅读器操作指令,也即ROSpecs,其可能包含一或多个Inventory操作细节指令。

发送阅读器存取指令,也AccessSpecs,其功能是要求阅读器存取标签数据。

获得从阅读器回应的报告。

(2)LLRP报文与动作

LLRP指令传输的最小单位为报文,报文可能由一组或多组参数(parameter)和场域(field)所组合而成,在LLRP中大部分的报文是双向的,当客户端传递一组报文给阅读器,阅读器会回复相对应的回复报告,如当客户端传送一个GET_READER_CAPABILITIES报文,则阅读器必须回复GET_READER_CAPABILITIES_RESPONSE报文,通知客户端报文是否成功及信息回复。LLRP报文依照功能分类成下列几组:

阅读器装置能力报文:用于查询阅读器能力的message,客户端在下达指令前必需了解阅读器的能力,以及阅读器支持何种指令,以便让客户端清楚如何对阅读器下达指令。

阅读器操作控制报文:控制阅读器通信协定中Inventory操作及RF调查动作的报文,Inventory为辨识标签的操作,包含一连串的指令,当阅读器下达一个Query指令时,视为一个Inventory回合的开始;当客户端想要确认阅读器设备的操作环境,例如阅读器频率等,则需要进行RF调查的动作。

阅读器存取控制报文:客户端控制标签数据的存取操作的报文以及阅读器回复的报文,如对标签进行读取(Read)、写入(Write)、锁定(Lock)及删除(Kill)等存取操作。

阅读器装置配置报文:查询及设定阅读器装置的配置内容以及管理关闭客户端与阅读器之间连线的报文。

报告报文:这类报文主要有Report、Notifications、Keepalives这三大类,当回传报告触发条件成立时、使用者下达取得报告指令时以及通知事件发生时,阅读器须回传相对应的报告到客户端,报告可能包含阅读器的状态、标签数据、RF分析报告结果等信息。Keepalives主要是由阅读器向客户端发送,以确保与客户端的连线。

客户延伸报文:这个报文可以包含版本内容,客户需额外定义的数据格式以及数据内容等。

错误报文:此类报文负责定义错误事件或错误码,此错误报文会由阅读器回应给客户端。除了报文内容错误之外,如果有接收到不支持的报文类型或是一个CUSTOM_MESSAGE,阅读器也需要回应给客户端一个错误报文。

当阅读器接收到客户端传送的报文(message)之后,阅读器须做相对应的回复及动作。例如当阅读器接收到GET_READER_CAPABILITIES报文时,阅读器此时应该回应阅读器的能力数据,除了回应客户端的要求之外,阅读器还需要时常发送KEEPALIVE报文给客户端,要求客户端保持连线以接收报文,而此时客户端需回应告知阅读器,没有回应阅读器将视为连线中断。客户端最后发送CLOSE_CONNECTION报文表示结束与阅读器的连线。

03、LLRP的优缺

LLRP接口有以下优点:

客户端和读写器之间的LLRP接口有助于对读写器设备进行管理,以缓解读写器对标记和读写器对读写器的干扰,并最大程度地提高了分离和数据操作的效率。分离是识别多标记环境中单个标记的过程。

LLRP接口提供了一个可缩放的机制来管理对读写器设备的访问操作,如读取、写入、删除和锁定。

LLRP接口帮助进行错误报告,并发现设备状态和设备功能。

LLRP的缺点是操作复杂,阅读器厂商的私有协议效率远高于LLRP协议,一般的中小型项目中不会使用LLRP协议,只有大型的全球性项目或多阅读器供应商的项目才会使用。


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