RFID

RFID专题:29 阅读器功能和架构、分类

2022-04-10 16:09:53 明申科技 73

5.1.1超高频RFID阅读器的功能和架构

1.超高频RFID阅读器功能

阅读器又名读写器,是超高频RFID系统中的重要组成部分。虽然名字叫阅读器,但它的功能不只是简单的读取标签信息那么简单,阅读器包含有许多辅助功能,如主机通信、IO控制等。如图5-1所示,为一个超高频RFID系统组成。阅读器通过天线辐射的电磁波给标签供电,同时发送同步时钟及Gen2的空中接口命令,同时接收标签的返回数据。阅读器与标签之间的通信方式为半双工,即阅读器向标签发送数据时无法接收标签返回阅读器的数据,阅读器的发射和接收是时分的。但是由于标签为无源器件且无法储能,需要阅读器实时供电,当标签向阅读器发送数据的时候,阅读器必须发送载波给标签提供能量,这就是超高频RFID系统所特有的半双工通信方式。这种特殊半双工通信方式带来不少阅读器的技术难题,如自身干扰问题、接收链路(RX)的线性度(Linearity)问题等。

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图5-1RFID系统组成图

虽然阅读器在与标签的通信过程中一直是主机模式,标签为从机模式,但其实阅读器一直是配合标签工作的。当标签功能升级后,阅读器需要配套具备该功能的操作命令实现新应用。当标签的灵敏度提升后,阅读器的接收灵敏度需要加倍提升才能实现系统的稳定通信,如标签灵敏度提升了3dB,在标签的反向散射能力(反射系数)不变时,阅读器需要相应的增加6dB的灵敏度才能保证正向与反向链路预算相等。当然还有许多阅读器问题等着我们去解决,如在许多应用中需要一台阅读器盘点几千张标签,此时系统对阅读器的灵敏度、抗干扰、多标签算法等提出很高要求,阅读器也在针对不同的应用场景不断改善和进步。

在图5-1中,阅读器的另外一端与电脑连接,可以理解为与数据终端或处理器终端连接。只有将阅读器与系统连接才能实现控制操作命令与数据的传输,从而获得标签数据信息,组成物联网的数据采集节点。阅读器不仅是标签的采集节点,同时可以当作传感器的采集节点或传感器的控制节点。随着技术的进步和行业的发展,阅读器的功能会越来越强大,在物联网中的地位也会越来越重要。

2.超高频RFID阅读器架构

一个标准的阅读器系统,包括阅读器的硬件本身、阅读器天线和其它外围设备。其它外围设备包括电源部分、主机通信部分等。许多阅读器内部有操作系统可以独自执行任务,不过最终还是要与数据库进行数据通信。

如图5-2所示为阅读器的硬件架构图,图中阅读器内部分为两大部分:面向电脑终端和面向射频标签。在面向射频部分主要是收发电路,面向电脑部分为逻辑(Logic)、电源(Power)、输入输出(I/OInterface)、主机接口(Host Interface)。其外围设备中供电设备常有两种形式,一种是AC适配器转换为DC给阅读器供电,另外一种为以太网供电POE(Power over Ethernet)。同时阅读器可以通过外围设备以太网(Ethernet)或串口(RS-232)与主机或服务器通信,也可以通过I/O与外围的传感器和指示灯等连接。

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图5-2阅读器硬件架构图

在服务层阅读器的架构如图5-3所示,图中与超高频RFID相关且最重要的是阅读器固件(Reader Firmware)和射频硬件(RF Hardware),这两部分合在一起叫做阅读器核心模块,简称阅读器模块,5.1.2节会对模块做深入讲解。在项目中最常见的是通过人机界面和应用程序(Humans / Applications)控制阅读器工作。在其底层的阅读器固件之上为阅读器的主机协议(Reader-Host Protocol),在项目和软件开发中经常谈到的通信协议就是指的这个主机协议。一般情况下每一家厂商都有自己特有的主机协议,且互不兼容,所以在比较大的项目中选择中间件或低级阅读器协议(Low Level ReaderProtocol,LLRP)。LLRP是由EPCGlobal创始的基于超高频RFID的统一阅读器协议,5.1.4有关于LLRP的协议详解。阅读器注册服务(Reader Registration Services)为阅读器的心跳包服务,阅读器每过一个时间段,则向阅读器注册服务器发送一个UDP心跳报文(ReaderHeartbeat),这样即使是空闲情况,服务器端也知道阅读器是否正常工作。动态主机配置协议(Dynamic HostConfiguration Protocol,DHCP)是一个局域网的网络协议,使用UDP协议工作,主要有两个用途:给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址,是用户或者内部网络管理员对所有计算机作中央管理的手段。时间服务主要是与系统时间同步,保证数据的时间戳正确,以及在准确的时间启动或停止响应的操作和I/O控制。

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图5-3阅读器服务层架构图

上述所有的服务层架构为最全面的阅读器的架构,最简单的阅读器只要具有射频硬件、阅读器固件、主机协议和RS232即可。评价一个阅读器是否全面主要看是否支持时间服务、DHCP、心跳信号这几个功能(其他功能都为标配)。如果是全球型的大项目也必须支持LLRP功能。

5.1.2 阅读器的分类

超高频RFID阅读器的核心部件是阅读器模块,它是整个阅读器的心脏,负责与标签通信的所有功能。阅读器根据功能和应用不同有多种表现形式,分为固定式阅读器、手持式阅读器(手持机)、一体式阅读器(一体机),这三类阅读器的共同点是都具有阅读器模块(简称模块)。

1.阅读器核心模块

在5.1.1节中介绍了,阅读器固件(ReaderFirmware)和射频硬件(RF Hardware)这两部分合在一起叫做阅读器核心模块,又叫做阅读器模块或模块。阅读器模块是构成阅读器的关键部件,阅读器功能和性能主要通过模块体现,而模块最关键的部分是射频硬件性能。

(1)射频收发芯片选型

目前超高频RFID模块主要有三种:采用专用超高频RFID阅读器芯片、采用集成无线收发芯片、采用分立元件集成。

采用专用超高频RFID阅读器芯片。现在用于超高频RFID模块的专用芯片有Impinj公司的R1000/R500/R2000系列、奥地利微电子公司的AS3990/AS3991/AS3992/AS3993系列(已被ST公司收购)、Phychips公司的PR9000/PR9200系列。其中Impinj的R1000芯片是最早出现的集成专用超高频RFID阅读器芯片,是由Intel公司开发的,后卖给了Impinj公司,具有良好的性能,是早期阅读器模块的首选方案。Impinj的R2000芯片在R1000的产品上做了较大提升,增加了载波抵消功能,现阶段该芯片是市场上性能最好的专用阅读器芯片,中高端阅读器模块95%以上都采用该方案。采用Impinj系列专用芯片开发模块时,需要配套MCU工作,这个MCU工作为对专用芯片的寄存器进行操作,从而实现对协议和射频收发的控制,一般高端采用ARM7及以上规格的MCU。Phychips的PR9200芯片是一款小型化内置MCU的高集成度的阅读器芯片,具有低成本、低功耗、小尺寸的优点,在中低端的阅读器中占有较大市场份额。国内的一些阅读器芯片开发公司也开发了国有自主知识产权的阅读器芯片,如上海智坤半导体推出对标Impinj R2000的带有载波自抵消功能的IBAT-2000,无锡旗连电子开发了对标PhychipsPR9000/ PR9200的系列芯片。采用专用阅读器芯片的优点为:系统内嵌ISO/IEC18000-6协议、外围电路简单、易于调试和开发周期短。其缺点为:资料透明度低、扩展开发困难、成本相对集成无线收发芯片方案较高、核心芯片无法替换导致供应链风险较大。

采用集成无线收发芯片。由于超高频RFID的工作频率为840MHz-960MHz,与手机和许多小无线设备的工作频率重复,可以在市场上找到廉价的集成无线收发芯片。目前在超高频RFID模块中得到广泛应用的有ADI公司推出的ADF7020、TI公司的CC100CC11、Semtech公司的SX1230等。由于上述芯片在市场上的其它应用有很大的销售数量,其单价成本相对于专用超高频阅读器芯片低很多。这是由于专用阅读器芯片只能用于超高频RFID阅读器,其芯片销量很少,一般一年只有几十万颗(或更少),而芯片开发的前期成本很高,就需要通过这每年的几十万颗专用芯片分担,因此单价很高。而这些集无线收发芯片年销售量在千万颗左右,其开发成本早已经被分担。一般情况下集成无线收发芯片的成本仅为专用阅读器芯片的10%不到。采用集成无线收发芯片的模块外围电路不太复杂,但需要工程师独立开发协议栈部分,一般因为成本因素会选择一个单片机来实现Gen2协议和集成无线收发芯片的控制。这样会给工程师很大的开发空间,开发具有自己知识产权的产品。采用集成无线收发芯片的模块成本很低,性能很差,常用于廉价的一体机和桌面机。

采用分立元器件集成。即通过使用调制解调器,PA,Balun,ADC,DAC等射频器件集成实现。由于采用分立元器件,因此每一个部件都可以选择性能最好的,分立元器件的性能优于集成芯片。由于采用分立元器件集成的方案是针对高端应用,其协议和数据处理的要求很高,一般采用FPGA或DSP实现协议处理,采用ARM9及以上规格的MCU作为系统主控。如此开发的阅读器模块具有高性能的特点,其缺点是开发难度大周期长,尺寸大,产品成本也非常高。现阶段只有Impinj和Alien等公司的高端阅读器会采用分立器件的方案,一般分立元器件集成实现的阅读器模块不在市场上销售,都会以整机的形式出现。

(2)阅读器模块的选择依据

阅读器模块选择的重要依据包括:符合产品标准要求、成本、体积、功耗、输出功率、抗干扰能力、接收灵敏度、外围元件的多少、数据传输速率和开发难易等等。下面重点介绍几点:

符合协议要求:这是设计中的重点,如果这一点不符合那么系统则无法工作。

输出功率:发射功率越大,信号不仅覆盖面积广而且传输距离远。因此同等条件下,选择输出功率高的产品(符合当地无线电规范)。

抗干扰能力:同等发射功率和接收灵敏度的情况下,系统的抗干扰能力越强则实际的通信距离就会越远。

接收灵敏度:接收灵敏度反映接收机捕获微弱信号的能力。超高频RFID阅读器模块的接收灵敏度越高,识别误码率和识别距离都会有很大改善。

系统体积大小:可以有效减小PCB的空间,降低成本,利于超高频RFID阅读器的小型化开发。

识别速率:与处理器和算法相关,尤其是在仓库、智能零售等应用中,需要快速识别几百个标签,对处理和计算要求很高。采用集成无线收发芯片方案的模块多标签算法较差,很难支持超过50个标签的同时读取。

成本考虑:实际上中国的超高频RFID项目中,成本是非常关键的因素之一,许多时候选型是由成本决定的。

低功耗考虑:尤其是手持机应用中对功耗要求较高。

(3)阅读器模块案例分析

如图5-4所示为ThingMagic公司的Mercury6e(M6e)嵌入式超高频RFID阅读器模块,其内部采用了Impinj的R2000芯片,搭配ARM7作为处理器。该器件按照全尺寸读写器的性能标准设计,其体积小、能效高,足以满足移动应用要求。M6e支持4端口,并能提供最大+31.5dBm输出功率。M6e提供串行接口和USB接口,以支持板到板和板到主机连接。

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图5-4Mercury6e(M6e)嵌入式超高频RFID阅读器模块

M6e模块的特性有:

支持多协议,包括EPCglobalGen 2(ISO 18000-6C),含DRM、ISO18000-6B(可选)和IP-X(可选)。

四个50欧姆MMCX连接器,支持四个单静态天线。

独立的读取和写入电平,指令调节范围为5dBm至31.5dBm(1.4W),且高于+15dBm时精度为+/0.5 dBm。

支持860MHz至960MHz超高频RFID全载波频率范围,以满足全球规范要求。

可在采用FCC、ETSI、MIC(韩国)和SRRC-MII(中国)监管规范的国家获得使用认证。

TTL电平异步数据接口支持高达921.6kbps的速率。

USB 2.0全速设备端口(高达12Mbps)。

工作温度范围为-40°C至+60°C。

采用高性能设置,标签读取速度为每秒750个标签。

在使用6dBi天线的情况下,标签最大读取距离超过30英尺(9米)。

4个GPIO线路通过数据接口控制。

Thingmagic公司的M5e/M6e等系列模块,一直是超高频RFID市场上高性能模块的典范。不过随着中国市场的发展以及越来越多的人才进入超高频RFID阅读器的市场中,国产阅读器模块的性能越来越好,加上中国制造的低成本优势,现在中国的中高端模块市场中也有大量的国产品牌。

2.固定式阅读器

固定式阅读器一般应用于工业场景中,具有高性能,高可靠性等优点。其核心模块一般采用分立元器件集成方案或R2000的专用芯片方案,前文介绍过的M6e模块就是为固定式阅读器设计的。固定式阅读器一般具有四个射频端口(也有2端口和8端口等不同端口的固定式阅读器),同时具有多种外部接口。

如图5-5所示为ImpinjR700阅读器,是市场上性能最优的固定式阅读器之一,其具有如下特点:

企业级可靠性和安全性:具有安全防护功能并支持现场升级。

专为企业级部署而设计:高速处理能力和优越的接收灵敏度,适用于企业级物联网解决方案。

开发简单:通过API轻松地连接到loT应用程序,并支持主流的loT数据传输技术。

系统构建强大的,支持自定义的解决方案:具有强大的嵌入式系统,支持自定义的阅读器应用程序。

快速连接到loT应用程序:阅读器支持千兆以太网连接防止了数据阻塞并降低了延迟。

可在恶劣的环境下工作:阅读器具有坚固、抗冲击的铸铝外壳。

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图5-5Impinj R700阅读器

M700的超高频RFID特性非常优越,体现在:输出功率、标签识别速率、阅读器的灵敏度以及支持多种阅读器场景等几个方面。

输出功率:最大输出功率可达33dBm(PoE+供电)。在普通PoE供电模式下由于供电能力不足无法支持最大功率输出,因此只支持30dBm的输出功率。现阶段市场上超高频RFID阅读器的最大输出功率一般设置为33dBm,其主要原因是大功率可以获得更好的工作距离。并不是输出功率一味放大就可以增加工作距离,如果输出功率再增大,阅读器接收机中的载波信号会加强以至于系统的灵敏度下降,反而使系统的工作距离减小。

标签识别速率:可以达到最快1100个标签每秒,这是市场上速率最快的工业级固定式阅读器之一。M700采用的多标签算法在3.3.2节中有详细介绍。

阅读器的灵敏度:阅读器在误码率千分之一的条件下实现了-92dBm的灵敏度,可以说是市场上灵敏度最好的阅读器,领先行业其他竞争对手。

支持多种阅读器场景,如多阅读器场景(Dense Reader Mode),或干扰较大的场景,阅读器可以根据环境的干扰情况调整工作方式。

从市场的反馈看,M700阅读器在主流固定阅读器中的性能第一,这与二十多年来Impinj公司的努力分不开,加上Impinj公司既有标签芯片,又有阅读器芯片,对整个系统的积累非常深,他们开发的M700阅读器无论在性能还是在稳定性上都有卓越的表现。

3.手持式阅读器

手持式阅读器是超高频RFID应用中常见的阅读器设备,它不仅包含阅读器模块,还包含了操作系统、人机输入输出系统(按键、显示屏)、天线模块,可以说包含了一个超高频RFID系统中除了标签之外的所有元素。手持式阅读器体积小,操作方便,可以不依赖外界设备单独工作,广泛适用于资产管理、服装盘点、车辆管理、高速收费、仓储管理、金融管理等领域。

手持式阅读器根据是否带有操作系统和屏幕分为超高频RFID手持终端和超高频RFID蓝牙阅读器(也叫SLED)。

(1)超高频RFID手持终端

超高频RFID手持终端从出现至今也有十几年的历史了,其最早是通过手持条码扫描枪改造而来的,只是在手持条码枪的前端放置了阅读器模块和天线。随着智能手机的发展,安卓系统的手机功能越来越强大且成本逐渐降低,因而手持终端的开发变为将安卓系统的手机增加握柄、阅读器模块和天线。如图5-6所示为Alien的H450手持机,该手持机是笔者主导开发的产品。

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(a)H450手持机(b)H450内部天线

图5-6Alien的H450手持

H450手持机是一款具有按键的工业级手持机,具有如下特点:

支持一维条码和二维码。

支持蓝牙、Wi-Fi、GPS和3G通信,还支持与智能手机相同的摄像头、麦克风、光亮及重力传感器等。

支持触摸屏和实体按键。实体按键的加入是许多工业用户的要求,因为一些应用场景中操作员需要带着厚重的手套,无法使用触摸屏。

有两块电池,一块3200mAh的电池在键盘的背面,一块5200mAh的电池在握柄内。

防护等级为IP64。

支持1.2m跌落防护。

其超高频RFID模块为R2000的单端口模块,配合一个5dBi圆极化天线放置在手持机顶部的方形塑料盒中。支持5dBm-30dBm的射频功率输出。

在一般的超高频RFID项目中,都会配套手持终端,用于人工盘点和管理,尤其是在服装应用中,每个门店都会有2-3台左右的手持终端。

(2)蓝牙阅读器

蓝牙阅读器,顾名思义就是通过蓝牙通信作为与外界数据交互的阅读器。蓝牙阅读器构造非常简单,包括一个阅读器模块、天线以及蓝牙接口,与手持终端相比只是缺少了安卓系统的硬件设备。蓝牙阅读器必须配合手机等带有蓝牙通信功能的设备才能工作,同样具有简单灵活的优点。与手持终端相似,蓝牙阅读器的前端也有一个方形塑料盒子,里面是阅读器模块、天线、扫描头等,如图5-7所示为该前端的装配图。




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图5-7天线盒子装配图

如图5-8所示,为一款带有手机夹子的蓝牙阅读器。该蓝牙阅读器可以配套Android/iOS手机工作,直接从一台简易的蓝牙阅读器变为手持终端。该设备的特点如下:

尺寸为143×76×140mm(仅主体);重量为483g。

电池规格:5200mAh;待机时间>70小时(蓝牙连接状态);工作时间6小时左右(超高频群读)。

具有三个指示灯,分别是电源电量灯,工作灯,蓝牙连接灯。

支持支持蓝牙4.0和蓝牙BLE。

连续滚动1000次0.5米,6个面接触面滚动后依然稳定运行,达到IEC滚动规格。

IP54,达到IEC密封标准。

±15KV空气放电,±8KV接触放电。

支持一维条码和二维条码。

其超高频RFID模块为R2000的单端口模块,配合一个3dBi圆极化天线放置在手持机顶部的方形塑料盒中。支持最大33dBm(2W)输出。

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图5-8带有手机夹子的蓝牙阅读器

如图5-9所示为一个类似球拍形状的蓝牙阅读器,同样需要必须配合手机等带有蓝牙通信功能的设备才能工作。该蓝牙阅读器的特点是与手机完全分立,操作更方便,特别适合于服装盘点的应用。

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(a)正面图(b)背面图

图5-9球拍形状的蓝牙阅读器

4.一体式阅读器

一体式阅读器应用场景与固定式阅读器相同,都不需要人为改变阅读器的位置,不同点在于一体式阅读器内部集成了天线。常见的一体式阅读器为桌面读卡器和带有定位、数据处理等功能的网关(Gateway)设备。

(1)桌面机

超高频RFID桌面机的产生是借鉴了HFRFID读卡器的应用场景。早期的公交卡、各种会员卡都是使用HF RFID技术,且需要大量的读卡器对HF标签进行初始化读取数据。因此超高频RFID桌面机只需要将原有的HFRFID读卡器内的模块和天线进行更换即可。

如图5-10所示为一款简易的超高频RFID桌面机,其特点为:

超高频RFID桌面阅读器采用ImpinjR500模块方案,最大输出功率30dBm(对工作距离要求不高时可以采用成本更低的模块)。

内置3dBi圆极化天线,读取标签距离可达0到1m可调。

可实现100tags/s的标签识别率。

可单独使用USB口实现供电以及通信功能,实现最简化的连接。

内置LED灯和蜂鸣器,可根据需求对LED以及蜂鸣器进行控制。单USB供电时最大输出功率为15dBm,如需要输出30dBm需要采用双USB供电。

写入性能极佳,特别适用于桌面发卡器或高性能工业应用中的标签识别设备。

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图5-10超高频RFID桌面机

(2)网关设备

网关设计其实是高性能阅读器或模块与天线的结合,其表现形式有很多种,如作为物流使用放置在仓库门口的网关,或作为图书馆出入口的防盗门,再或者仓库顶悬挂的可以实现定位功能的网关,如图5-11所示。

这些设备的特点为根据具体的应用场景不同,将原来的固定式阅读器进行了一体化处理,配合更专业的天线实现良好的解决方案,许多网关设备内还带有强大的计算能力。这类网关设备的优点是专业性强,缺点是灵活度差,只能适合一类应用。

图5-11(a)为一个图书馆防盗门网关,一般是有两扇门组成。该系统中有4个天线和一个四端口模块或阅读器。如果采用固定式阅读器内置,则可以通过I/O口直接管理红外触发传感器;当采用阅读器模块时,则需要增加工控模块,管理I/O口和阅读器模块的工作和停止,并做数据处理和传输。

图5-11(b)为一个双天线网关,通过两个天线的切换,可以实现更好的覆盖,并减小盲点。

图5-11(c)为一款带有定位功能的超高频RFID网关,当悬挂在房间顶部时,可以通过相位列阵天线的辐射角度变换判断房间内的标签分布位置。

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(a)图书馆防盗门(b)双天线网关(c)有定位功能网关

图5-11网关设备


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