高級(jí)RFID閱讀器應(yīng)用對處理器的要求

射頻識(shí)別（rfid）技術(shù)平穩(wěn)地滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。從超市的庫存管理到快速收款，這項(xiàng)技術(shù)正改變著許多現(xiàn)有的應(yīng)用并支持新的應(yīng)用。在rfid前端，“信號(hào)鏈”從有效裝置上的小標(biāo)簽開始，將信息傳送給一個(gè)或多個(gè)rfid閱讀器，當(dāng)標(biāo)簽出現(xiàn)在特定的區(qū)域內(nèi)時(shí)，閱讀器檢測。在rfid后端，基于服務(wù)器的系統(tǒng)保持并更新標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫。rfid系統(tǒng)框圖如圖1所示。

當(dāng)今，大多數(shù)rfid閱讀器都采用多個(gè)處理器來滿足應(yīng)用需求。通常其中一個(gè)是連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac）的信號(hào)處理器。另一個(gè)是與本地或者遠(yuǎn)程服務(wù)器通信的網(wǎng)絡(luò)處理器，用于信息存儲(chǔ)和恢復(fù)。但blackfin系列等處理器能夠管理這些不同的功能——信號(hào)轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)連接。



圖1 rfid系統(tǒng)框圖

本文首先介紹了rfid技術(shù)以及它能支持的當(dāng)前和未來的應(yīng)用。然后，針對rfid閱讀器的功能，本文將研究運(yùn)行在rfid閱讀器和服務(wù)器連接所需要的基本軟件組成。

rfid系統(tǒng)概述

rfid是一種采用射頻 （rf）傳輸識(shí)別代碼、分類代碼和（或）跟蹤目標(biāo)的通信系統(tǒng)。每個(gè)目標(biāo)都有自己的rfid標(biāo)簽（也稱為應(yīng)答器）?？傁到y(tǒng)用一個(gè)標(biāo)簽閱讀器接收每個(gè)標(biāo)簽的rf信號(hào)。閱讀器的嵌入式軟件管理查詢、接收標(biāo)簽信息的解碼和處理以及與存儲(chǔ)系統(tǒng)通信、收藏標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫和其他相關(guān)信息。

rfid的應(yīng)用

rfid技術(shù)允許同時(shí)監(jiān)測多個(gè)物品，無須人們?nèi)ァ敖佑|”每件物品（例如，用一個(gè)手持的條形碼掃描儀），所以它能支持許多新型應(yīng)用。能夠利用這種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用覆蓋了許多不同的領(lǐng)域，如控制管理、后勤管理、安全監(jiān)控和通行收費(fèi)等。下面是現(xiàn)在采用rfid系統(tǒng)的一些常見應(yīng)用。

● 在超市食品貨架和包裝箱中，利用標(biāo)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(jìn)行更好的管理。另外，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重新排列來保持貨架上正確的存貨順序。
● 在圖書館中自動(dòng)管理資料的借出與歸還。過去，這些物品都是采用標(biāo)簽條來識(shí)別，每次都必須用條形碼掃描儀來讀取。
● 在衣服商標(biāo)上鑒定其商品來源。利用標(biāo)簽上的識(shí)別碼（id），可以鑒定出該商品是正品還是仿冒品。
● 在制藥業(yè)中嚴(yán)防假藥。
● 在體育競賽中，精確地跟蹤馬拉松賽跑運(yùn)動(dòng)員的進(jìn)程。

rfid閱讀器

rfid閱讀器提供各標(biāo)簽和終端跟蹤與管理系統(tǒng)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(jù)不同的應(yīng)用和工作條件，可以使用多個(gè)閱讀器以便完全覆蓋規(guī)定的區(qū)域。例如，在倉庫中，可能有一個(gè)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)才能保證當(dāng)貨物從點(diǎn)a移動(dòng)到點(diǎn)b時(shí)，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(gè)主要的組成部分。第一部分是發(fā)送和接收功能，用來與標(biāo)簽和分離的單個(gè)物品保持聯(lián)系；第二部分是對接收信息進(jìn)行初始化處理；第三部分是鏈接服務(wù)器，用來將信息傳送到管理機(jī)構(gòu)。

rfid系統(tǒng)中的閱讀器必須能夠處理在有效區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在多個(gè)標(biāo)簽的情況，這在限定的空間區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽的應(yīng)用中非常重要。

在存在多個(gè)閱讀器和標(biāo)簽的情況下，主要問題是會(huì)發(fā)生沖突，因?yàn)槎鄠€(gè)閱讀器發(fā)出查詢，也會(huì)有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)應(yīng)答。有許多方法可以避免這個(gè)問題。最常用的方法就是采用某種時(shí)分復(fù)用算法。閱讀器可以設(shè)置在不同的時(shí)間查詢，而標(biāo)簽可以設(shè)置為經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間間隔后應(yīng)答。如果嵌入式軟件中具有實(shí)現(xiàn)此功能的能力，那么可以增加靈活性。

rfid應(yīng)答器

一個(gè)rfid標(biāo)簽包括一片集成電路芯片（用于保存該標(biāo)簽所在物品的個(gè)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(fā)送信息）和含有標(biāo)簽的某種外殼。

使用rfid標(biāo)簽的可以是許多不同的物體，從各類物品到動(dòng)物，也包括人。標(biāo)簽到閱讀器的距離是一個(gè)很重要的系統(tǒng)變量，它直接受該標(biāo)簽技術(shù)的影響。常用的各種標(biāo)簽技術(shù)有以下幾種。

1 無源標(biāo)簽

最簡單的標(biāo)簽類型是無源標(biāo)簽。它專門利用閱讀器發(fā)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(biāo)簽非常便宜，機(jī)械魯棒性好，而且外形尺寸非常?。s為指甲大?。?。但是，因?yàn)闊o源標(biāo)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(biāo)簽的缺點(diǎn)是其閱讀范圍有限。

說到范圍，選用的rf頻率與鏈接的實(shí)際范圍有很大關(guān)系。低頻（lf）標(biāo)簽通常采用125～135khz頻段，因?yàn)樗鼈兊姆秶艿较拗疲云渲饕猛揪褪窃L問控制和動(dòng)物標(biāo)簽。高頻（hf）標(biāo)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(biāo)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(fèi)以及跟蹤圖書館的書籍等物品。

超高頻（uhf）標(biāo)簽主要工作在850～950mhz頻段，允許10 英尺甚至更遠(yuǎn)的工作范圍。此外，閱讀器可以同時(shí)查詢許多uhf標(biāo)簽，與一對一的hf標(biāo)簽讀取過程不同。這個(gè)特點(diǎn)也有助于滿足在限定區(qū)域內(nèi)多個(gè)閱讀器的需求。因?yàn)檫@項(xiàng)功能，uhf標(biāo)簽在工業(yè)應(yīng)用中很普遍，用于庫存跟蹤和控制。但是uhf標(biāo)簽的一個(gè)主要缺點(diǎn)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(shí)，通常采用hf標(biāo)簽來代替。

2 半有源標(biāo)簽

像無源標(biāo)簽一樣，半有源標(biāo)簽將rf能量返回到標(biāo)簽閱讀器來發(fā)送標(biāo)識(shí)信息。但是，它還包含一塊電池為標(biāo)簽中的ic部分供電，這樣就可以支持一些有趣的應(yīng)用，如在每個(gè)標(biāo)簽中放置傳感器。采用這種方法，每個(gè)應(yīng)答器不僅可以發(fā)送靜態(tài)的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，還可以發(fā)送一些實(shí)時(shí)的屬性，如溫度、濕度以及時(shí)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(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)在成本、尺寸和范圍之間的折中。

3 有源標(biāo)簽

有源標(biāo)簽采用集成電池為標(biāo)簽ic（以及所有的傳感器）和rf發(fā)射器供電，所以它比半有源標(biāo)簽更進(jìn)了一步。有源標(biāo)簽的工作范圍擴(kuò)展了很大（達(dá)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(biāo)簽系統(tǒng)中的速度高得多。另外，有源標(biāo)簽可以攜帶更多的產(chǎn)品信息，不僅僅是一個(gè)簡單的產(chǎn)品id碼。

rfid閱讀器的軟件體系結(jié)構(gòu)

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(gè)處理器來實(shí)現(xiàn)這些功能。rfid閱讀器軟件體系結(jié)構(gòu)的三個(gè)單元是：后端服務(wù)器接口、中間件和前端標(biāo)簽閱讀器算法。雖然軟件體系結(jié)構(gòu)的各單元各不相同，它們都可以同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)blackfin處理器上。

后端服務(wù)器及連接

通常，rfid閱讀器包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，用于將一個(gè)rfid讀取事件連接到中心服務(wù)器。這種后端網(wǎng)絡(luò)接口可能是有線以太網(wǎng)（ieee802.3）、無線以太網(wǎng)（ieee802.11a/b/g）或者例如zigbee（ieee802.15.5）以太網(wǎng)。中心服務(wù)器運(yùn)行一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其功能包括匹配、跟蹤和存儲(chǔ)。在許多應(yīng)用中，還會(huì)有一個(gè)“報(bào)警”功能。對于供應(yīng)鏈和庫存管理系統(tǒng)，這可能是重新排列提醒；對于安全應(yīng)用則是一次向警衛(wèi)的報(bào)警。

當(dāng)與后端服務(wù)器通信時(shí)，利用運(yùn)行uclinux操作系統(tǒng)的高性能嵌入式處理器來構(gòu)建閱讀器具有極大的優(yōu)勢。tcp/ip協(xié)議棧的魯棒性和sql數(shù)據(jù)庫引擎的可用性等關(guān)鍵因素降低了開發(fā)過程中可能很巨大的開發(fā)和集成負(fù)擔(dān)。

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(yè)系統(tǒng)之間的軟件翻譯層。中間件過濾閱讀器的數(shù)據(jù)，從而保證沒有多次讀取或無效的數(shù)據(jù)。在早期的rfid系統(tǒng)中，中間件運(yùn)行在服務(wù)器上。但是在閱讀器完成rfid數(shù)據(jù)過濾越來越普遍，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。這種增強(qiáng)的功能是嵌入式處理器帶給這種應(yīng)用的另外一個(gè)好處。

前端閱讀器

信號(hào)處理放在閱讀器系統(tǒng)的前端。這種信號(hào)處理通常都包含大量的濾波和變換運(yùn)算，這就是為什么必需采用具有很強(qiáng)的信號(hào)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(wǎng)絡(luò)的連接。adsp-bf536/7等處理器的芯片內(nèi)有一個(gè)10/100baset的以太網(wǎng)mac子層。在無線方面，可以通過spi和sport外圍設(shè)備接口直接連接到802.15.4 zigbee和ieee 802.11芯片組，無須消耗全部的處理器帶寬就可以達(dá)到傳輸線速率。

處理器的并行外圍接口（ppi）可以直接連接上述的adc/dac。有些處理器包括兩個(gè)ppi，可以進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)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(yīng)用特別有吸引力，因其能在同一器件上完成系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)連接和圖像處理。

從處理器軟件的角度看，rfid閱讀器產(chǎn)品包括連接到混合信號(hào)前端所必需的驅(qū)動(dòng)程序。另外，有一個(gè)dma驅(qū)動(dòng)器在傳送數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)時(shí)也是非常有用的。此外還有基于uclinux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧以及sql數(shù)據(jù)庫引擎。從系統(tǒng)的角度看，附加的功能，例如802.11 wifi卡、usb thumb drive和compactflash卡接口等，可以迅速與blackfin器件集成到一起。

結(jié)論

正如我們所看到的，rfid應(yīng)用不再需要專用的信號(hào)處理器用于adc和dac連接，以及用微控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。blackfin系列等處理器可以同時(shí)完成網(wǎng)絡(luò)連接和控制功能，為完成轉(zhuǎn)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(yīng)用的材料成本并且加快了產(chǎn)品面市時(shí)間。