Una explicación detallada de los sistemas RFID y estudios de caso

　　Cada vez nos encontramos más con sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) en nuestra vida diaria y en el trabajo. Desde el control de inventario hasta la compra rápida en supermercados, esta tecnología está transformando muchas aplicaciones existentes y habilitando otras nuevas. En la parte frontal, la "cadena de señales" comienza con pequeñas etiquetas unidas a unidades de interés; Las etiquetas transmiten información en forma de flujo de bits a lectores RFID, que detectan cuándo las etiquetas están presentes en áreas específicas y leen la información que transportan. En el backend, los sistemas basados en servidor mantienen y actualizan la base de datos de etiquetas, generan alertas dentro de la empresa o inician otros procesos basados en información.

　　Actualmente, la mayoría de los lectores RFID utilizan múltiples procesadores para cumplir con los requisitos de la aplicación. Normalmente, el procesador de señal está conectado a un convertidor analógico-digital (ADC) y a un convertidor digital-analógico (DAC). Después, el procesador de red se comunica con servidores locales o remotos para el almacenamiento y recuperación de información. Este artículo presenta cómo estas funciones aparentemente completamente diferentes—conversión de señal y conectividad de red—se gestionan a través de un único procesador en la serie de procesadores Blackfin de ADI.

　　Primero presentaremos brevemente la tecnología RFID y hablaremos de su potencial para aplicaciones actuales y futuras. A continuación, nos centramos en la funcionalidad de los lectores RFID, explorando los componentes básicos de software y las conexiones de servidor que deben funcionar en lectores RFID. Por último, algunos diagramas de bloques ofrecen sugerencias de configuración del sistema.

　　Aplicaciones actuales y aplicaciones emergentes

　　La tecnología RFID permite muchos tipos nuevos de aplicaciones al permitir la monitorización simultánea de múltiples proyectos sin necesidad de que las personas "toquen" cada elemento (como los lectores de códigos de barras portátiles). Las aplicaciones que pueden aprovechar esta identificación automática incluyen diversos campos como control de inventarios, gestión logística, monitorización y facturación.

　　Hoy en día, los omnipresentes códigos universales de productos para bienes —como '/em' (UPC)— están disponibles como códigos de barras unidimensionales (1D), que pueden satisfacer casi todas las necesidades de compra pública. Los códigos de barras contienen información relevante sobre los artículos con los que están asociados, que puede incluir el precio de venta al público sugerido del proyecto y/o la ubicación y fecha de fabricación. Los códigos de barras 1D y 2D también pueden usarse para rastrear detalles detallados de envío de los artículos.

　　Los códigos de barras funcionan para artículos individuales, pero cuando hay que escanear muchos elementos, la eficiencia del flujo de trabajo disminuye. Por ejemplo, abrir y escanear cada artículo individualmente en un palé que contiene cientos o miles de productos finales es poco práctico. Pero incluso si los artículos escaneados son relativamente pequeños, como la compra en la caja del supermercado, debe establecerse la alineación correcta entre el escáner y la etiqueta escaneada. Más importante aún, manipular un proyecto grande para encontrar códigos de barras puede ser complicado.

　　La tecnología RFID sustituye el UPC por el EPC (Código Electrónico de Producto) en forma de flujos de bits. Como mínimo, el EPC permite la recogida automática del mismo tipo de información contenida en códigos de barras y acceso remoto, con una intervención humana mínima. Además, incluso si existen muchos elementos idénticos, el EPC puede incluir más información relacionada con los identificadores únicos de los elementos marcados. Además, a diferencia de los códigos de barras tradicionales, la orientación del artículo o las condiciones de iluminación ambiental no importan: aún pueden detectar y rastrear el artículo. La niebla, la oscuridad e incluso la tierra del almacén ya no importaban.

　　Aquí tienes más formas de usar sistemas RFID:

　　En las bandejas y cajas de comida de los supermercados, permiten un seguimiento de activos y una mejor agrupación de activos. Escribiendo etiquetas, se puede incluir información adicional (como fechas de venta). Además, se puede implementar la reordenación automática para mantener el inventario correcto en las estanterías.

　　En la biblioteca, pueden usarse para publicar y devolver automáticamente materiales, que anteriormente estaban etiquetados individualmente mediante códigos de barras para identificar los escáneres.

　　En las etiquetas de la ropa, pueden identificar el verdadero origen de la prenda. Utilizando el número de identificación de la etiqueta, el artículo puede autenticarse o investigarse como falsificación únicamente.

　　En la industria farmacéutica, pueden utilizarse para prevenir productos falsificados y de calidad inferior.

　　En competiciones deportivas, pueden seguir con precisión el progreso de los corredores durante tiradas largas.

　　Visión general de los sistemas RFID

　　RFID utiliza transmisión de radiofrecuencia (RF) de flujo de bits para comunicarse, identificar, clasificar y/o rastrear objetos. Cada objeto tiene su propia etiqueta RFID (también conocida como repetidor). Todo el sistema utiliza un lector de etiquetas, un subsistema que recibe energía RF de cada etiqueta. El lector dispone de software integrado para gestionar la consulta, decodificación y procesamiento de la información recibida de etiquetas; Se comunica con sistemas de almacenamiento que almacenan bases de datos de etiquetas y otra información relacionada. La Figura 1 muestra un diagrama conceptual del sistema RFID.

　　Lectores RFID

　　Los lectores RFID proporcionan conexiones entre cada etiqueta y el sistema de seguimiento/gestión. Viene en varias formas y tamaños, normalmente lo suficientemente pequeño como para montarse en encimeras, trípodes o paredes. Dependiendo de la aplicación y las condiciones operativas, puede haber varios lectores que puedan atender completamente áreas específicas. Por ejemplo, en almacenes, las redes de lectores pueden garantizar que el 100% de los palés sean consultados y registrados desde el punto A hasta el punto B.

　　En general, los lectores ofrecen tres funciones principales: comunicación bidireccional con etiquetas para aislar etiquetas individuales; Procesamiento inicial de la información recibida; y conectarse a servidores que vinculan la información a la empresa.

　　Los lectores RFID deben manejar múltiples etiquetas dentro del campo de interés, una consideración crucial en aplicaciones con muchas etiquetas en espacios reducidos (por ejemplo, múltiples productos etiquetados en numerosos palés de fábrica). )

　　El principal desafío en escenarios de múltiples lectores/etiquetas es que los conflictos ocurren cuando muchos lectores consultan y múltiples etiquetas responden simultáneamente. La forma más común de evitar este problema es utilizar algún tipo de algoritmo de multiplexación por división temporal. Puedes configurar el lector para que consulte en diferentes momentos, y la etiqueta puede configurarse para responder tras intervalos aleatorios. Está claro que implementar esta función en software embebido ofrece flexibilidad adicional.

　　Transpondedor RFID ("Etiqueta")

　　Las etiquetas RFID consisten en un chip de circuito integrado (CI) que almacena información única sobre el objeto etiquetado (como datos EPC), una antena (normalmente patrones de circuito impreso), una energía de radiofrecuencia recibida del lector y la información transmitida, y una carcasa que contiene los componentes de la etiqueta. Cabe recordar que el término anterior "objeto" puede aplicarse a cualquier número de cosas diferentes, desde bienes de fábrica hasta animales y personas. La distancia desde la etiqueta hasta el lector es una variable importante del sistema y se ve directamente afectada por la tecnología de etiquetado. Las etiquetas pueden ser pasivas, activas o semiactivas.

　　Etiquetas pasivas

　　Las etiquetas pasivas son el tipo más sencillo. La energía RF enviada por el lector está alimentada específicamente; no tienen baterías integradas, por lo que pueden ser baratas, mecánicamente robustas y muy pequeñas (por ejemplo, del tamaño de una miniatura). Sin embargo, las etiquetas pasivas tienen un alcance limitado de lector a etiqueta porque la potencia recibida depende de su proximidad física al lector RFID.

　　El alcance del enlace también se ve afectado por la frecuencia RF seleccionada. Las etiquetas de baja frecuencia (LF) suelen usar la porción del espectro entre 125 kHz y 135 kHz; Debido a su distribución limitada, se utilizan principalmente para el control de acceso y el marcado animal. Las etiquetas de alta frecuencia (HF) operan principalmente en la banda de 13,56 MHz, con un alcance permitido de varios pies. Normalmente se utilizan para la lectura sencilla de objetos uno a uno, como el control de acceso, la carga y el seguimiento de objetos portátiles como libros de biblioteca.

　　Por otro lado, las etiquetas UHF operan a frecuencias de 850 MHz a 950 MHz y tienen un alcance bastante largo—10 pies o más. Además, dado que el ancho de banda disponible puede ser mayor, los lectores pueden consultar muchas de estas etiquetas a la vez, en lugar de realizar lecturas de etiquetas uno a uno en frecuencias más bajas. Esta función ayuda a minimizar la necesidad de múltiples lectores dentro de un área específica, haciendo que las etiquetas UHF sean muy populares en aplicaciones industriales para el seguimiento y control de inventarios. Sin embargo, las etiquetas UHF no pueden penetrar eficazmente los líquidos, lo cual es una gran desventaja y que las hace menos útiles para objetos llenos de líquido como bebidas y humanos. Para rastrear estos elementos, se utilizan comúnmente etiquetas HF.

　　En una encuesta de proveedores de etiquetas pasivas de 2004, se esperaba que el precio de las etiquetas UHF alcanzara los 16 céntimos por etiqueta en 2008, frente a los 57 centavos de 2003, lo que sigue haciendo del etiquetado un método rentable para el seguimiento de activos e inventarios.

　　Etiquetas semiactivas

　　Al igual que las etiquetas pasivas, las etiquetas semiactivas reflejan la energía RF (en lugar de transmitirla) de vuelta al lector de etiquetas para enviar información de identificación. Sin embargo, estas etiquetas también contienen baterías que alimentan sus circuitos integrados. Esto permite aplicaciones interesantes, como cuando la etiqueta contiene sensores. Además de los datos de reconocimiento estático, cada transpondedor también puede transmitir atributos en tiempo real como temperatura, humedad y marcas de tiempo. Al alimentar circuitos integrados y sensores simples usando solo baterías—sin incluir el emisor—las etiquetas semiactivas logran un equilibrio entre coste, tamaño y alcance.

　　Etiquetas activas

　　Al usar baterías integradas para alimentar CI (junto con cualquier sensor) y transmisores RF, las etiquetas activas van un paso más allá. Al ser autopropulsados, pueden operar en un rango más amplio de lector a etiqueta (hasta 100 metros o más), lo que también significa que los productos pueden pasar por el lector más rápido que las etiquetas pasivas o semiactivas. Sistema. Además, las etiquetas activas pueden transportar más información del producto que los códigos EPC.

　　Por otro lado, las baterías acortan la vida útil de las etiquetas activas y aumentan su coste y tamaño. Las etiquetas activas suelen operar en las bandas industriales, científicas y médicas (ISM) de 433 MHz y 2,4 GHz, que están disponibles en la mayoría de las regiones del mundo. Por lo tanto, a medida que aparecen más productos inalámbricos de consumo en módulos 802.11 y ® Bluetooth basados en 2,4 GHz, la coexistencia de etiquetas activas con estos dispositivos se ha convertido en un problema importante.

　　Arquitectura de software para lectores RFID

　　Tras introducir las funciones básicas de los lectores RFID, consideramos cómo implementar el lector usando el procesador convergente Blackfin. Los tres elementos de la arquitectura del software lector RFID son: interfaz de servidor backend, middleware y algoritmos lectores de etiquetas frontend. Aunque son diferentes, todos estos elementos de la arquitectura de software pueden ejecutarse simultáneamente en un solo procesador Blackfin.

　　Servidores y conexiones backend

　　Normalmente, los lectores RFID incluyen un componente de red —cableado, por ejemplo, Ethernet (IEEE 802.3), Ethernet inalámbrico (IEEE 802.11a/b/g) o ZigBee ™ (IEEE 802.15.4)— que conecta un único evento de lectura RFID a un servidor central. Un servidor central ejecuta aplicaciones de bases de datos con funciones como emparejamiento, seguimiento y almacenamiento. Muchas aplicaciones también cuentan con funciones de "alerta" (activadores para reordenar sistemas de gestión de la cadena de suministro e inventarios, o alertas de alarma para aplicaciones de seguridad).

　　Por cierto, los lectores están construyendo en torno a procesadores embebidos de alto rendimiento que ejecutan μClinux (también uClinux), que tienen claras ventajas frente a los que no tienen al comunicarse con servidores backend. La presencia de una potente pila TCP/IP y la disponibilidad de motores de bases de datos SQL reducen considerablemente la carga principal de integración durante el desarrollo.

　　Middleware

　　El término middleware utilizado en RFID tiene definiciones diferentes en comparación con su uso en otros sistemas embebidos. En términos de RFID, el middleware actúa como capa de conversión de software entre el lector RFID frontal y el sistema empresarial de back-end. El middleware filtra los datos del lector y asegura que no se lea varias veces ni se lean datos defectuosos. En los primeros sistemas RFID, el middleware funcionaba en servidores, pero ahora el filtrado de datos RFID suele ocurrir en lectores antes de enviarse a través de la red empresarial. Esta funcionalidad añadida es otra ventaja que los procesadores embebidos aportan a este espacio de aplicación.

　　La parte frontal del lector

　　El filtrado y el procesamiento intensivo de señales en transformaciones del sistema ocurren al final del lector frontal, requiriendo dispositivos con un rendimiento de procesamiento de señal fuerte típicamente asociado a los procesadores Blackfin.

　　Convertidores A/D y D/A: Ahora que tenemos el significado general de componentes de sistemas RFID, centrémonos en la conectividad desde la perspectiva de los lectores RFID. Para comunicarse con etiquetas, los circuitos integrados de interfaz de intersección de señal mixta (MxFE ®) forman una interfaz de interés.

　　El dispositivo MxFE es un subsistema universal de gama media, que incluye convertidores A/D y D/A, amplificadores de bajo ruido, mezcladores, circuitos AGC y filtros programables. El flujo de salida de datos I&Q está conectado directamente al puerto paralelo del procesador. Los productos de la serie MxFE de ADI son los receptores de banda estrecha de mayor rendimiento, lo que los hace ideales para RFID y otras aplicaciones.

　　La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de un dispositivo MxFE típico.

　　Procesadores Blackfin para aplicaciones RFID

　　Los procesadores Blackfin proporcionan conectividad tanto a redes cableadas como inalámbricas. Algunos procesadores (como ADSP-BF536 y ADSP-BF537) tienen 10 MACs Ethernet Base-T / 100-Base-T en el chip. En el lado inalámbrico, todos los procesadores Blackfin pueden conectarse directamente a chipsets 802.15.4 ZigBee e IEEE 802.11 mediante periféricos SPI ® y SPORT. Puede lograr la transmisión a velocidad de línea sin consumir todo el ancho de banda del procesador.

　　Además, los procesadores Blackfin incluyen interfaces periféricas paralelas (PPI), que pueden conectarse directamente a ADCs y DACs, como se mencionó anteriormente. Algunos procesadores Blackfin incluyen dos PPIs que pueden ampliar aún más las funciones del sistema, por ejemplo, permitir conectar cámaras a lectores RFID. Más allá de las aplicaciones RFID, estas características de Blackfin son especialmente atractivas para aplicaciones de códigos de barras 1D y 2D, ya que Blackfin puede realizar control del sistema, redes y procesamiento de imágenes en el mismo dispositivo.

　　Para aplicaciones RFID, los lectores RFID de una sola vía consultan la etiqueta suelen ser suficientes para el PPI. Primero, el PPI se configura en modo transmisión, con el procesador enviando la secuencia digital al DAC. La secuencia transmitida se convierte en una señal analógica, luego se convierte hacia arriba y se envía para excitar/activar la etiqueta RFID local, seguida de una respuesta. Mientras tanto, el PPI se reconfigura como receptor en un pequeño número de pulsos de reloj del sistema del procesador (véase EE-Nota 236), como se muestra en la Figura 3. De este modo, la señal RF con conversión descendente puede ser muestreada por el ADC y directamente en Blackfin. En este diagrama, el tiempo entre cada intervalo de recepción (Rx) y envío (Tx) se mide en el ciclo del reloj del sistema. El tiempo transcurrido permite que la señal transmitida llegue a la etiqueta y que la etiqueta transmita la respuesta.

　　En algunas aplicaciones RFID, el propio procesador Blackfin puede servir como servidor, por ejemplo, cuando no se necesitan el almacenamiento de big data ni las operaciones de bases de datos. Por ejemplo, imagina a un padre mayor llevando una pulsera con una etiqueta, que puede ser monitorizada dentro de la casa. Si no se detectan señales de actividad dentro de los intervalos especificados, las agencias de vigilancia pueden alertar a amigos o familiares registrados.

　　Los componentes de software que conforman la infraestructura del lector RFID Blackfin pueden encontrarse en la página web de Blackfin.uClinux.org. El producto incluye controladores necesarios para interfaces con circuitos integrados de interfaz de señal mixta, así como controladores DMA que son muy útiles para mover datos a través del sistema. También están disponibles una pila de red basada en μClinux y un motor de bases de datos SQL. Desde la perspectiva del sistema, otras funciones (como la tarjeta Wi-Fi 802.11, la memoria USB y la interfaz de la tarjeta CompactFlash) pueden integrarse muy rápidamente con dispositivos Blackfin. Para más información, consulte http://blackfin.uclinux.org.

　　Ejemplo de un sistema RFID

　　Sistema RFID por cable

　　La aplicación más común de RFID es la gestión de activos, que puede rastrear el movimiento de palés dentro de los almacenes reduciendo la pérdida de inventario, eliminando errores en la entrega, mejorando la logística de distribución y minimizando los fallos de stock. Los sistemas RFID en grandes almacenes pueden rastrear el movimiento de palés cargados de mercancías desde la entrada hasta la salida. Estos sistemas dependen de lectores RFID fijos en todo el almacén y en los puntos de transporte de entrada/salida.

　　Como medio para simplificar la infraestructura cableada, las redes Power over Ethernet (PoE) son la opción ideal para este tipo de aplicaciones. IEEE 802.3a/f PoE gestiona sistemas de red en aplicaciones de bajo consumo. El sistema PoE (como se muestra en la Figura 4) consiste en equipos de alimentación (PSE) y equipos de alimentación (PD). PSE suministra energía a las líneas Ethernet, mientras que PD (para este propósito) converge el procesador de red y sus componentes circundantes. PoE recomienda una longitud máxima de cable de 100 metros, adecuada para muchas aplicaciones RFID embebidas debido a su relativa movilidad y por eliminar los costes asociados a la instalación de cableado y enchufes tradicionales de corriente alterna.

　　Además del software de adquisición de RFID, los procesadores de red que soportan aplicaciones RFID embebidas también requieren suficiente rendimiento e integración para manejar pilas IP complejas de múltiples capas. El procesador ADSP-BF537 Blackfin —incluyendo un MAC Ethernet 10-Base-T / 100-Base-T—es un gran ejemplo de esta integración. Por ejemplo, muchos dispositivos Ethernet PHY proporcionan a los pines de estado la capacidad de interrumpir cuando el estado cambia. Esta función está integrada de forma fluida con la interrupción de Blackfin, generando un sistema potente y de bajo consumo.

　　RFID inalámbrico de bajo coste

　　Los escáneres portátiles adecuados para aplicaciones como escáneres de carretillas elevadoras o dispositivos portátiles no pueden realizar operaciones por cable ni PoE. Protocolos inalámbricos como IEEE 802.11b/g permiten que los lectores RFID se conecten a puntos de acceso inalámbricos, como se muestra en la Figura 5. Los procesadores Blackfin pueden conectarse mediante interfaces serie o paralelas al chipset 802.11. Además, debido a su potencia de cálculo, estos procesadores soportan tanto implementaciones MAC separadas como MAC completas de 802.11a/b/g. Por ejemplo, la integración del sistema de una tarjeta CompactFlash 802.11b puede requerir una interfaz MAC completa a través del puerto de memoria asincrónica de Blackfin. Las implementaciones de MAC dividido suelen usar interfaces SPORT o SPI: la MAC inferior reside en el chipset inalámbrico, mientras que la MAC superior funciona dentro del software Blackfin.

　　Aunque sus requisitos de pila y procesamiento pueden gestionarse fácilmente en procesadores de núcleo único, las aplicaciones inalámbricas están poniendo a prueba los límites entre rendimiento y consumo energético. Las funciones de gestión dinámica de energía utilizando procesadores de convergencia de bajo coste (como el ADSP-BF531) permiten la gestión de energía y proporcionan un rendimiento escalable según los requisitos de la aplicación. Estos modos de consumo dinámico de energía están diseñados para proporcionar configuraciones flexibles de rendimiento y consumo de energía para casi cualquier sistema de red.

　　Sistemas de alto rendimiento

　　En aplicaciones emergentes, la tecnología RFID se combina con otros dispositivos, como sensores biométricos o sensores de imagen CMOS. Como se muestra en la Figura 6, en aplicaciones avanzadas de autorización de seguridad y control de acceso de personal, RFID se combina con análisis de imágenes para garantizar que, en un entorno seguro, no solo haya N personas en la sala, sino que todos sean "personal autorizado".

　　Las demandas informáticas de estas aplicaciones son muy adecuadas para manejar procesadores de fusión de doble núcleo, como el ADSP-BF561. Núcleos adicionales de procesador no solo duplican efectivamente la carga de cómputo que el dispositivo puede soportar; También ofrece algunas ventajas estructurales sorprendentes, que no son muy evidentes.

　　Tradicionalmente, los procesadores de doble núcleo utilizan tareas discretas y a menudo distintas que se ejecutan en cada núcleo. Por ejemplo, un solo núcleo puede realizar todas las tareas relacionadas con el control, como redes, interfaces con almacenamiento de gran capacidad, adquisición RFID y control general de flujos. Este núcleo es también donde podría residir el sistema operativo o el núcleo. Mientras tanto, el segundo núcleo puede dedicarse a las capacidades de procesamiento de alta intensidad de la aplicación. Por ejemplo, la parte de procesamiento de vídeo de un algoritmo de reconocimiento humano podría ejecutarse en el segundo núcleo, y los paquetes resultantes podrían ser transmitidos al primer núcleo para su transmisión a través de interfaces de red.

　　El ADSP-BF561 de doble núcleo incluye memorias L1 de instrucción y datos de alta velocidad (cada una local), así como memoria L2 compartida entre ambos núcleos. Cada núcleo puede acceder por igual a varios periféricos—puertos de vídeo, puertos serie, temporizadores, etc. Como se mencionó anteriormente, un núcleo del ADSP-BF561 gestiona la adquisición de RFID y los componentes de red, mientras que el otro núcleo puede dedicarse a un sistema de clasificación de imágenes capaz de detectar, clasificar y rastrear objetos en tiempo real.

　　μClinux

　　El sistema operativo μClinux es una opción popular que facilita la conectividad de red —el componente de software más grande en los lectores de tarjetas— así como los requisitos clave para la robustez y el cumplimiento de estándares. Al leer etiquetas RFID, es esencial asegurarse de que se cumplen los requisitos en tiempo real. Dado que el planificador μClinix no es estrictamente en tiempo real, puede ser reemplazado por el planificador en tiempo real ADEOS, que puede bloquear de forma segura interrupciones de μClinux hasta que se complete el procesamiento crítico en tiempo real. Esto significa que el software lector de tarjetas frontal puede ejecutarse en tiempo real desde el dominio ADEOS, mientras que el middleware y las interfaces de servidor backend pueden ejecutarse en entornos tradicionales μClinux. Esta división proporciona a los usuarios un control en tiempo real sobre sus aplicaciones, permitiendo al mismo tiempo acceder a todos los beneficios del software de código abierto. Para más información sobre μClinux o ADEOS, consulte BlackfinμClinuxWiki.

　　La Figura 7 muestra una placa de evaluación ADI MxFE conectada a la plataforma de desarrollo Blackfin ADSP-BF537 STAMP, que ejecuta código controlador MxFE, sistema operativo μClinux y pila de red TCP/IP.

　　Conclusión

　　Como hemos demostrado, las aplicaciones RFID ya no requieren procesadores de señal dedicados para interfaces ADC/DAC ni microcontroladores para redes. Los procesadores de fusión de la serie Blackfin pueden gestionar redes y control, ofreciendo un rendimiento suficiente para interfaces de conversores y algoritmos de correspondencia de patrones. A su vez, esto puede suponer listas de materiales más baratas y un tiempo de lanzamiento al mercado más rápido para la próxima oleada de aplicaciones RFID.