RFIDシステムの詳細な説明と事例研究

　　私たちは日常生活や仕事の中で、無線周波数識別(RFID)システムにますます関わっています。 在庫管理からスーパーマーケットでの迅速なレジに至るまで、この技術は多くの既存アプリケーションを変革し、新しいアプリケーションを可能にしています。 フロントエンドでは、「信号チェーン」は関心のあるユニットに小さなタグが取り付けられることから始まります。 タグはビットストリームの形で情報をRFIDリーダーに送信し、特定のエリアにタグが存在することを検出し、その情報を読み取ります。 バックエンドでは、サーバーベースのシステムがタグデータベースの維持・更新、企業内でのアラート生成、その他の情報ベースのプロセスを開始します。

　　現在、ほとんどのRFIDリーダーはアプリケーション要件を満たすために複数のプロセッサを使用しています。 通常、信号プロセッサはアナログ-デジタルコンバータ(ADC)およびデジタル-アナログコンバータ(DAC)に接続されます。 その後、ネットワークプロセッサは情報の保存と取得のためにローカルまたはリモートサーバーと通信します。 本記事では、一見全く異なる機能である信号変換とネットワーク接続が、ADIのBlackfinプロセッサシリーズの単一のプロセッサでどのように管理されているかを紹介します。

　　まずはRFID技術を簡単に紹介し、その現在および将来の応用の可能性について議論します。 次に、RFIDリーダーの機能に焦点を当て、RFIDリーダー上で動作するために必要な基本的なソフトウェアコンポーネントやサーバー接続について探ります。 最後に、いくつかのブロック図はシステム構成の提案を提供します。

　　今日の応用と新たな応用

　　RFID技術は、複数のプロジェクトを同時に監視できるようにすることで、多くの新しいタイプのアプリケーションを可能にします。例えば、手持ち型バーコードスキャナーなどが各項目に「触れる」必要がなくなります。 この自動識別を活用できるアプリケーションには、在庫管理、物流管理、監視、請求など多様な分野が含まれます。

　　現在では、「/em」(UPC)のような商品の普遍的な製品コードが1次元(1D)バーコードとして利用可能で、ほぼすべての公共の購買ニーズに対応可能です。 バーコードには、それらに関連付けられたアイテムに関する関連情報が含まれており、プロジェクトの推奨小売価格や製造場所・日付などが含まれます。 1Dおよび2Dバーコードは、商品の詳細な配送情報の追跡にも利用できます。

　　バーコードは個別のアイテムには有効ですが、多くのアイテムをスキャンする必要があるとワークフローの効率が低下します。 例えば、数百から数千の最終製品が入ったパレット上で、個別に商品を開けてスキャンするのは非現実的です。 しかし、スーパーのレジでの食料品のように比較的小さなスキャン品であっても、スキャナーとスキャンラベルの正しい位置を確立しなければなりません。 さらに重要なのは、大規模なプロジェクトを操作してバーコードを見つけることが難しいことです。

　　RFID技術は、ビットストリームの形でUPCをEPC(電子製品コード)に置き換えます。 少なくとも、EPCはバーコードに含まれる情報やリモートアクセスを最小限の人手で自動収集し、リモートアクセスを可能にします。 さらに、同一の品目が多数存在しても、EPCはマーキング品目の一意識別子に関する情報をさらに含めることができます。 さらに、従来のバーコードとは異なり、商品の向きや周囲の照明条件は重要ではなく、アイテムを検出・追跡することができます。 霧も暗闇も、倉庫の汚れさえももはや重要ではなかった。

　　ここでは、RFIDシステムの他の活用方法をご紹介します。

　　スーパーマーケットのトレイやボックスでは、資産の追跡やより良い資産プールが可能になります。 ラベルを書くことで、販売日などの追加情報を含めることができます。 さらに、自動再注文機能を導入して、棚の正しい在庫を維持することも可能です。

　　図書館内では、これまで個別にバーコードでラベル付けされていた資料を自動で公開・返却することができます。

　　衣類ラベルには、商品の真の出所を特定できます。 ラベルの識別番号を用いることで、その商品が偽造品として認証または調査されることがあります。

　　製薬業界では、偽造品や劣悪品の防止に利用されます。

　　スポーツ競技では、長距離走中のランナーの進捗を正確に追跡できます。

　　RFIDシステムの概要

　　RFIDはビットストリーム無線周波数(RF)伝送を用いて通信、対象の識別、分類、追跡を行います。 各物体には独自のRFIDタグ(リピーターとも呼ばれる)があります。 システム全体ではタグリーダーというサブシステムが使用されており、これは各タグからRFエネルギーを受け取るサブシステムです。 リーダーには、受信タグ情報の照会、復号、処理を管理する組み込みソフトウェアが搭載されています。 タグデータベースやその他の関連情報を保存するストレージシステムと通信します。 図1はRFIDシステムの概念図を示しています。

　　RFIDリーダー

　　RFIDリーダーは、各タグと追跡・管理システムとの間の接続を提供します。 形状やサイズは様々で、通常はカウンターや三脚、壁に取り付けられるほど小さいものです。 用途や運用状況によっては、複数のリーダーが特定の地域に完全に対応できる場合があります。 例えば倉庫では、リーダーネットワークがポイントAからポイントBまでのパレットを100%照会・記録することを保証します。

　　全体として、リーダーは主に3つの機能を提供します。個別のタグを分離するための双方向通信; 受信情報の初期処理; そして、情報をエンタープライズにリンクするサーバーに接続します。

　　RFIDリーダーは、関心分野内の複数のタグを扱う必要があり、これは多くのタグが狭い空間にある用途(例えば、多数の工場パレットにラベル付き製品が存在する場合)で重要な考慮事項です。 )

　　マルチリーダー/タグのシナリオでの主な課題は、多くのリーダーがクエリし、複数のタグが同時に応答すると競合が発生することです。 この問題を回避する最も一般的な方法は、何らかの時分割多重化アルゴリズムを使用することです。 リーダーを異なるタイミングでクエリするように設定でき、タグはランダムな間隔で応答するように設定できます。 この機能を組み込みソフトウェアに実装することは、さらなる柔軟性をもたらすことは明らかです。

　　RFIDトランスポンダー(「タグ」)

　　RFIDタグは、タグ付け対象に関する固有の情報(EPCデータなど)を格納する統合回路(IC)チップ、アンテナ(通常はプリント基板パターン)、リーダーから受信して情報を送信する無線周波数エネルギー、そしてタグ部品を収めたケースで構成されています。 上記の「対象」という用語は、工場製品から動物、人間に至るまで、さまざまなものに当てはまることを忘れてはなりません。 タグからリーダーまでの距離は重要なシステム変数であり、ラベリング技術によって直接影響を受けます。 ラベルは受動的、能動的、または半能動的のいずれかです。

　　パッシブタグ

　　パッシブタグが最もシンプルなタイプです。 リーダーから送られるRFエネルギーは特別に電力供給されており、内蔵バッテリーがないため、安価で機械的に頑丈、非常に小型(例えばサムネイルほどの大きさ)が可能です。 しかし、パッシブタグは受信電力がRFIDリーダーへの物理的近接に依存するため、リーダー間の通信範囲が限られています。

　　リンクの通信距離も選択されたRF周波数によって影響を受けます。 低周波(LF)タグは通常、スペクトルの125kHzから135kHzの部分を使用します。 分布域が限られているため、主にアクセス管理や動物のマーキングに使われています。 高周波(HF)タグは主に13.56 MHz帯で動作し、許容範囲は数フィートです。 これらは通常、アクセス制御、充電、図書館の本のような携帯可能な物品の追跡など、単純な一対一のオブジェクト読書に使用されます。

　　一方、UHFタグは850 MHzから950 MHzの周波数で動作し、10フィート以上の通信距離を持つ。 さらに、利用可能な帯域幅が広い場合があるため、リーダーは複数のラベルを同時に問い合わせることができ、低周波数での1対1タグ読み取りを行う必要がありません。 この機能により、特定のエリア内で複数のリーダーが必要になるのを最小限に抑え、UHFタグはインベントリの追跡や管理に向けた産業用用途で非常に人気があります。 しかし、UHFタグは液体を効果的に貫通できず、これは大きな欠点であり、飲料や人間などの液体入り物にはあまり役に立ちません。 これらの項目を追跡するために、HFラベルが一般的に使用されています。

　　2004年のパッシブラベルサプライヤー調査では、UHFラベルの価格は2008年に1枚あたり16セントに達すると予想されており、2003年の57セントから低下し、資産および在庫の追跡においてラベリングをコスト効率の良い方法とし続けています。

　　セミアクティブラベル

　　パッシブタグと同様に、セミアクティブタグはRFエネルギーを反射し(送信するのではなく)、タグリーダーに返して識別情報を送信します。 しかし、これらのタグにはICに電力を供給するバッテリーも含まれています。 これにより、タグにセンサーが含まれている場合など、興味深い応用が可能になります。 静的認識データに加え、各トランスポンダーは温度、湿度、タイムスタンプなどのリアルタイム属性も送信できます。 エミッタを含まず、バッテリーのみでシンプルなICやセンサーを駆動することで、セミアクティブタグはコスト、サイズ、航続距離のトレードオフを実現しています。

　　アクティブタグ

　　統合バッテリーを使ってタグIC(および他のセンサー)やRF送信機に電力を供給することで、アクティブタグはさらに一歩進みます。 自力式であるため、リーダーからタグまでの広い範囲(最大100メートル以上)で動作可能であり、これにより貨物は受動的または半能動型のタグよりも速くリードを通過できます。 システム。 さらに、アクティブタグはEPCコードよりも多くの製品情報を含めることができます。

　　一方で、バッテリーはアクティブタグの耐用年数を短くし、コストやサイズを増やします。 アクティブタグは通常、433 MHzおよび2.4 GHzの工業、科学、医療(ISM)帯域で動作し、これらは世界中のほとんどの地域で利用可能です。 したがって、2.4 GHzベースの802.11およびBluetooth ®モジュールにワイヤレスの消費者向け製品が増える中で、これらのデバイスとアクティブタグの共存は大きな問題となっています。

　　RFIDリーダーのソフトウェアアーキテクチャ

　　RFIDリーダーの基本機能を紹介した後、次にBlackfin収束プロセッサを用いたリーダーの実装方法を検討します。 RFIDリーダーソフトウェアアーキテクチャの3つの要素は、バックエンドのサーバーインターフェース、ミドルウェア、そしてフロントエンドのタグリーダーアルゴリズムです。 異なるものの、これらのソフトウェアアーキテクチャの要素は単一のBlackfinプロセッサ上で同時に動作可能です。

　　バックエンドサーバーと接続

　　通常、RFIDリーダーにはネットワークコンポーネントが含まれており、例えば有線のイーサネット(IEEE 802.3)、無線イーサネット(IEEE 802.11a/b/g)、またはZigBee ™(IEEE 802.15.4)など)が、単一のRFID読み取りイベントを中央サーバーに接続します。 中央サーバーは、マッチング、トラッキング、ストレージなどの機能を持つデータベースアプリケーションを実行します。 多くのアプリケーションには「アラート」機能(サプライチェーンや在庫管理システムの再注文トリガーやセキュリティアプリケーション向けのアラームアラート)も備えています。

　　ちなみに、読者はμClinux(uClinux)を動かす高性能組み込みプロセッサを中心に構築しており、バックエンドサーバーとの通信でないものと比べて明確な利点があります。 強力なTCP/IPスタックの存在とSQLデータベースエンジンの利用可能性により、開発中の主要な統合負担が大幅に軽減されます。

　　ミドルウェア

　　RFIDで使われるミドルウェアという用語は、他の組み込みシステムで使われるものとは異なる定義を持っています。 RFIDに関しては、ミドルウェアはフロントエンドのRFIDリーダーとバックエンドのエンタープライズシステム間のソフトウェア変換層として機能します。 ミドルウェアはリーダーからデータをフィルタリングし、複数回読み込まれたり誤ったデータが出たりしないようにします。 初期のRFIDシステムでは、ミドルウェアはサーバー上で動作していましたが、現在ではRFIDデータフィルタリングは通常、企業ネットワークを通過する前にリーダー上で行われます。 この追加機能も組み込みプロセッサがこのアプリケーション領域にもたらす利点の一つです。

　　リーダーの前面部分

　　システムのフィルタリングおよび変換集約的な信号処理はフロントリーダーの末端で行われ、Blackfinプロセッサに通常関連する強力な信号処理性能を持つデバイスが必要です。

　　A/DおよびD/Aコンバータ:RFIDシステムコンポーネントの一般的な意味が分かったところで、RFIDリーダーの視点から接続性に焦点を当てましょう。 タグと通信するために、混合信号フロントエンド(MxFE ®)ICが注目されるインターフェースを形成します。

　　MxFEデバイスは、A/DおよびD/Aコンバーター、低ノイズアンプ、ミキサー、AGC回路、プログラム可能なフィルターを含む汎用ミッドレンジサブシステムです。 I&Qデータの出力ストリームは、プロセッサのパラレルポートに直接接続されています。 ADIのMxFE ICシリーズ製品は、最も高性能な狭帯域受信機を形成し、RFIDやその他の用途に最適です。

　　図2は典型的なMxFEデバイスのブロック図を示しています。

　　RFIDアプリケーション向けのブラックフィンプロセッサ

　　ブラックフィンプロセッサーは有線・無線ネットワークの両方への接続を提供します。 一部のプロセッサ(ADSP-BF536やADSP-BF537など)は、チップ上に10個のBase-T / 100-Base-TイーサネットMACを備えています。 無線側では、すべてのBlackfinプロセッサがSPI ®およびSPORT周辺機器を介して802.15.4 ZigBeeおよびIEEE 802.11チップセットに直接接続可能です。 プロセッサ全体の帯域幅を消費せずにラインスピードの伝送を実現できます。

　　さらに、Blackfinプロセッサにはパラレル周辺機器インターフェース(PPI)が含まれており、前述の通りADCやDACに直接接続可能です。 一部のBlackfinプロセッサには、さらにシステム機能を拡張できる2つのPPIが含まれており、例えばカメラをRFIDリーダーに接続することが可能です。 RFID用途を超えて、これらのBlackfin機能は1Dおよび2Dバーコード用途において特に魅力的であり、Blackfinは同じデバイス上でシステム制御、ネットワーク、画像処理を行えます。

　　RFID用途では、RFIDリーダーがタグを照会する単一方法でPPIには通常十分です。 まず、PPIは送信モードで構成され、プロセッサがデジタルシーケンスをDACに送信します。 送信されたシーケンスはアナログ信号に変換され、アップコンバートされてローカルRFIDタグを励起・起動させるために送信され、その後応答が行われます。 一方、PPIは少数のプロセッサシステムクロックパルスで受信機として再構成されます(EE-Note 236参照)、図3に示されています。 この方法により、ダウンコンバージョンされたRF信号をADCによってサンプリングし、直接Blackfinに入力できます。 この図では、受信(Rx)と送信(Tx)の間隔間の時間をシステムクロックサイクルで測定しています。 経過時間により送信信号がタグに到達し、タグが応答を送信します。

　　一部のRFIDアプリケーションでは、Blackfinプロセッサ自体がサーバーとして機能することもあります。例えば、ビッグデータの保存やデータベース操作が不要な場合などです。 例えば、高齢の親がタグ付きのブレスレットを身につけており、家の中で監視できると想像してください。 指定された期間内に活動の兆候が見つからなければ、監視機関は登録された友人や親族に通知することができます。

　　BlackfinのRFIDリーダーインフラを構成するソフトウェアコンポーネントは、Blackfin.uClinux.org のウェブサイトでご覧いただけます。 製品には、混合信号のフロントエンドICとのインターフェースに必要なドライバーや、システム内でのデータ移動に非常に役立つDMAドライバーが含まれています。 μClinuxベースのネットワークスタックやSQLデータベースエンジンも利用可能です。 システム面では、802.11 Wi-Fiカード、USBメモリ、CompactFlashカードインターフェースなどの他の機能もBlackfinデバイスと非常に迅速に統合できます。 詳細については、http://blackfin.uclinux.org をご覧ください。

　　RFIDシステムの例

　　有線RFIDシステム

　　RFIDの最も一般的な応用は資産管理であり、在庫損失の削減、配送ミスの排除、流通物流の改善、在庫切れの最小化を通じて、倉庫内のパレット移動を追跡できます。 大規模倉庫のRFIDシステムは、貨物を積んだパレットの出入りまでの移動を追跡できます。 これらのシステムは、倉庫全体および入出輸送ポイントに固定されたRFIDリーダーに依存しています。

　　有線インフラを簡素化する手段として、このような用途においてはイーサネット電力(PoE)ネットワークが理想的な選択肢です。 IEEE 802.3a/f PoEは低消費電力アプリケーションにおけるネットワークシステムを扱います。 PoEシステム(図4参照)は、電源装置(PSE)と電源装置(PD)で構成されています。 PSEはイーサネット回線に電力を供給し、PD(この目的のために)はネットワークプロセッサとその周辺コンポーネントを収束させます。 PoEは最大ケーブル長100メートルを推奨しており、相対的な移動性と従来のACケーブルやソケット設置にかかるコストを削減できるため、多くの組み込みRFID用途に適しています。

　　RFID取得ソフトウェアに加え、組み込み型RFIDアプリケーションをサポートするネットワークプロセッサは、複雑な多層IPスタックを扱うための十分な性能と統合性も必要です。 ADSP-BF537 Blackfinプロセッサは、10-Base-T / 100-Base-T イーサネットMACを含むこの統合の良い例です。 例えば、多くのイーサネットPHYデバイスは、状態が変わったときに割り込む能力を持つ状態ピンを提供しています。 この機能はBlackfinの中断機能とシームレスに統合され、強力で低消費電力のシステムが生成されます。

　　低コストの無線RFID(無線RFID)

　　フォークリフトスキャナーや携帯型デバイスなどの用途に適した携帯型スキャナーは、有線やPoE操作を行うことはできません。IEEE 802.11b/gのような無線プロトコルにより、図5に示されるように、RFIDリーダーが無線アクセスポイントに接続できます。 ブラックフィンプロセッサは、802.11チップセットにシリアルまたはパラレルインターフェースを介して接続可能です。 さらに、その計算能力により、これらのプロセッサは別々のMAC実装と完全なMAC 802.11a/b/g実装の両方をサポートしています。 例えば、CompactFlash 802.11bカードのシステム統合には、Blackfinの非同期メモリポートを介してフルMACとインターフェースする必要がある場合があります。 分割MAC実装は通常、SPORTまたはSPIインターフェースを使用します。下位MACはワイヤレスチップセット上に、上位MACはBlackfinソフトウェア内で動作します。

　　スタックや処理要件はシングルコアプロセッサでも容易に処理できますが、ワイヤレスアプリケーションは性能と消費電力の境界を試しています。 ADSP-BF531のような低コストの収束プロセッサを用いた動的電力管理機能により、電力管理が可能になり、アプリケーション要件に応じたスケーラブルなパフォーマンスを提供します。 これらの動的電力消費モードは、ほぼすべてのネットワークシステムに対して柔軟な性能と電力構成を提供するよう設計されています。

　　高性能システム

　　新興の応用では、RFID技術が生体認証センサーやCMOS画像センサーなど他のデバイスと組み合わせて使われています。 図6に示すように、セキュリティ認可や人員アクセス制御の高度な応用では、RFIDと画像解析が組み合わされ、安全な環境下で部屋にN人いるだけでなく、全員が「認可された職員」であることを保証します。

　　これらのアプリケーションの計算要求は、ADSP-BF561のようなデュアルコア融合プロセッサの扱いに非常に適しています。 追加のプロセッサコアは、デバイスが処理できる計算負荷を実質的に2倍にするだけでなく、 また、あまり明白ではない驚くべき構造的な利点も提供しています。

　　従来、デュアルコアプロセッサは各コア上で動作する離散的かつしばしば異なるタスクを使用していました。 例えば、単一のコアがネットワーク接続、大容量ストレージとのインターフェース、RFID取得、全体のフロー制御など、すべての制御関連作業をこなすことが可能です。 このコアはオペレーティングシステムやカーネルが存在する場所でもあります。 一方、2つ目のコアはアプリケーションの高強度処理能力に専念することができます。 例えば、人間の認識アルゴリズムのビデオ処理部分が第2コア上で動作し、その結果得られたパケットがネットワークインターフェースを介して第1コアに渡されることがあります。

　　デュアルコアのADSP-BF561は、デュアル高速L1命令メモリとデータメモリ(それぞれローカル)、さらに2コア間で共有されるL2メモリを含みます。 各コアはビデオポート、シリアルポート、タイマーなど、さまざまな周辺機器に均等にアクセスできます。 前述の通り、ADSP-BF561の1つのコアはRFID取得およびネットワークコンポーネントを管理し、もう1つのコアはリアルタイムの検出、分類、追跡可能な画像分類システムに専用で運用可能です。

　　μClinux

　　μClinuxオペレーティングシステムは、ネットワーク接続性を促進し、カードリーダーにおける最大のソフトウェアコンポーネントであり、堅牢性と標準準拠の重要な要件を満たす人気のある選択肢です。 RFIDタグを読む際には、リアルタイムの要件を満たすことが不可欠です。 μClinixスケジューラは厳密なリアルタイムではないため、ADEOSリアルタイムスケジューラに置き換えることができ、重要なリアルタイム処理が完了するまでμClinux割り込みを安全にブロックできます。 つまり、フロントエンドのカードリーダーソフトウェアはADEOSドメインからリアルタイムで実行でき、ミドルウェアやバックエンドサーバーインターフェースは従来のμClinux環境で動作可能です。 この部門はユーザーにアプリケーションのリアルタイム制御を提供しつつ、オープンソースソフトウェアのすべての利点へのアクセスを可能にします。 μClinuxやADEOSの詳細については、BlackfinμClinuxWikiをご参照ください。

　　図7は、Blackfin ADSP-BF537 STAMP開発プラットフォームに接続されたADI MxFE評価ボードを示しており、MxFEドライバコード、μClinuxオペレーティングシステム、TCP/IPネットワークスタックを実行します。

　　結論

　　ご覧の通り、RFIDアプリケーションではADC/DACインターフェース用の専用信号プロセッサやネットワーク用のマイクロコントローラはもはや必要ありません。 Blackfinシリーズのフュージョンプロセッサはネットワークと制御を扱い、コンバーターインターフェースやパターンマッチングアルゴリズムに十分な性能を提供します。 その結果、次世代のRFIDアプリケーションのコスト削減や市場投入の迅速化が期待できます。