Uma explicação detalhada de sistemas RFID e estudos de caso

　　Estamos cada vez mais encontrando sistemas de identificação por radiofrequência (RFID) em nossas vidas diárias e no trabalho. Desde o controle de estoque até o checkout rápido em supermercados, essa tecnologia está transformando muitos aplicativos existentes e possibilitando novos aplicativos. Na parte frontal, a "cadeia de sinal" começa com pequenas etiquetas presas a unidades de interesse; As etiquetas transmitem informações na forma de um fluxo de bits para leitores RFID, que detectam quando as etiquetas estão presentes em áreas específicas e leem as informações que elas transportam. No backend, sistemas baseados em servidor mantêm e atualizam o banco de dados de tags, geram alertas dentro da empresa ou iniciam outros processos baseados em informação.

　　A maioria dos leitores RFID atualmente utiliza múltiplos processadores para atender aos requisitos da aplicação. Normalmente, o processador de sinal está conectado a um conversor analógico-digital (ADC) e a um conversor digital-analógico (DAC). Em seguida, o processador de rede se comunica com servidores locais ou remotos para armazenamento e recuperação de informações. Este artigo apresenta como essas funções aparentemente completamente diferentes — conversão de sinal e conectividade de rede — são gerenciadas por meio de um único processador na série de processadores Blackfin da ADI.

　　Primeiro, apresentaremos brevemente a tecnologia RFID e discutiremos seu potencial para aplicações atuais e futuras. Em seguida, focamos na funcionalidade dos leitores RFID, explorando os componentes básicos de software e conexões de servidores que precisam rodar nos leitores RFID. Por fim, alguns diagramas em bloco fornecem sugestões de configuração do sistema.

　　Aplicações atuais e aplicações emergentes

　　A tecnologia RFID possibilita muitos novos tipos de aplicações ao possibilitar o monitoramento simultâneo de múltiplos projetos sem a necessidade de as pessoas "tocarem" em cada item (como leitores de código de barras portáteis). Aplicações que podem aproveitar essa identificação automática incluem diversas áreas como controle de estoque, gestão logística, monitoramento e faturamento.

　　Hoje, códigos universais universais de produtos para bens — como '/em' (UPC) — estão disponíveis como códigos de barras unidimensionais (1D), que podem atender a quase todas as necessidades públicas de compra. Os códigos de barras contêm informações relevantes sobre os itens aos quais estão associados, que podem incluir o preço de varejo sugerido pelo projeto e/ou o local e data de fabricação. Códigos de barras 1D e 2D também podem ser usados para rastrear detalhes detalhados de envio dos itens.

　　Os códigos de barras funcionam para itens individuais, mas quando muitos itens precisam ser escaneados, a eficiência do fluxo de trabalho diminui. Por exemplo, abrir e escanear cada item individualmente em um pallet contendo centenas ou milhares de produtos finais é impraticável. Mas mesmo que os itens escaneados sejam relativamente pequenos, como compras no caixa do supermercado, o alinhamento correto entre o scanner e a etiqueta escaneada deve ser estabelecido. Mais importante ainda, manipular um grande projeto para encontrar códigos de barras pode ser desafiador.

　　A tecnologia RFID substitui o UPC pelo EPC (Código Eletrônico de Produto) na forma de fluxos de bits. No mínimo, o EPC permite a coleta automática do mesmo tipo de informação contida em códigos de barras e acesso remoto, com intervenção humana mínima. Além disso, mesmo que existam muitos itens idênticos, o EPC pode incluir mais informações relacionadas aos identificadores únicos dos itens marcados. Além disso, ao contrário dos códigos de barras tradicionais, a orientação do item ou as condições de iluminação ambiente não importam — ele ainda pode detectar e rastrear o item. Neblina, escuridão e até mesmo terra de armazém não importavam mais.

　　Aqui estão mais formas de usar sistemas RFID:

　　Nas bandejas e caixas de alimentos de supermercado, elas permitem o acompanhamento de ativos e um melhor agrupamento de ativos. Ao escrever rótulos, informações adicionais (como datas de venda) podem ser incluídas. Além disso, a reordenação automática pode ser implementada para manter o estoque correto nas prateleiras.

　　Na biblioteca, eles podem ser usados para publicar e devolver automaticamente materiais que anteriormente eram rotulados individualmente por códigos de barras para identificar scanners.

　　Nas etiquetas de roupas, eles conseguem identificar a verdadeira origem do item. Ao usar o número de identificação da etiqueta, o item pode ser autenticado ou investigado como falsificação isoladamente.

　　Na indústria farmacêutica, eles podem ser usados para prevenir produtos falsificados e de qualidade inferior.

　　Em competições esportivas, eles conseguem acompanhar com precisão o progresso dos corredores durante corridas longas.

　　Visão geral dos sistemas RFID

　　O RFID utiliza transmissão por radiofrequência (RF) de fluxo de bits para comunicação, identificação, classificação e/ou rastreamento de objetos. Cada objeto possui sua própria etiqueta RFID (também conhecida como repetidor). Todo o sistema utiliza um leitor de tags, um subsistema que recebe energia RF de cada tag. O leitor possui software incorporado para gerenciar a consulta, decodificação e processamento das informações recebidas da etiqueta; Comunica-se com sistemas de armazenamento que armazenam bancos de dados de tags e outras informações relacionadas. A Figura 1 mostra um diagrama conceitual do sistema RFID.

　　Leitores RFID

　　Leitores RFID fornecem conexões entre cada tag e o sistema de rastreamento/gerenciamento. Ele vem em vários formatos e tamanhos, geralmente pequenos o suficiente para serem montados em bancadas, tripés ou paredes. Dependendo da aplicação e das condições operacionais, pode haver vários leitores capazes de atender completamente áreas específicas. Por exemplo, em armazéns, redes de leitores podem garantir que 100% dos paletes sejam consultados e registrados do ponto A ao ponto B.

　　No geral, os leitores oferecem três funções principais: comunicação bidirecional com tags para isolar tags individuais; Processamento inicial das informações recebidas; e conecte-se a servidores que conectam informações à empresa.

　　Leitores RFID devem lidar com múltiplas etiquetas dentro do campo de interesse — uma consideração crucial em aplicações com muitas etiquetas em espaços confinados (por exemplo, múltiplos produtos rotulados em vários paletes de fábrica). )

　　O principal desafio em cenários com múltiplos leitores/tags é que conflitos ocorrem quando muitos leitores consultam e múltiplas tags respondem simultaneamente. A forma mais comum de evitar esse problema é usar algum tipo de algoritmo de multiplexação por divisão de tempo. Você pode configurar o leitor para consultar em diferentes momentos, e a tag pode ser configurada para responder após intervalos aleatórios. Está claro que implementar esse recurso em softwares embarcados oferece flexibilidade adicional.

　　Transponder RFID ("Etiqueta")

　　As etiquetas RFID consistem em um chip de circuito integrado (IC) que armazena informações únicas sobre o objeto marcado (como dados EPC), uma antena (geralmente padrões de circuito impresso), uma energia de radiofrequência recebida do leitor e transmitida informações, e uma carcaça contendo os componentes da etiqueta. Vale lembrar que o termo acima "objeto" pode se aplicar a várias coisas diferentes, desde produtos de fábrica até animais e pessoas. A distância da etiqueta ao leitor é uma variável importante do sistema e é diretamente afetada pela tecnologia de rotulagem. Rótulos podem ser passivos, ativos ou semi-ativos.

　　Etiquetas passivas

　　Tags passivas são o tipo mais simples. A energia RF enviada pelo leitor é especificamente alimentada; eles não possuem baterias integradas, então podem ser baratas, mecanicamente robustas e muito pequenas (por exemplo, aproximadamente do tamanho de uma miniatura). No entanto, as etiquetas passivas têm um alcance limitado de leitor a etiqueta porque a potência recebida depende de sua proximidade física com o leitor RFID.

　　O alcance do link também é afetado pela frequência de RF selecionada. Etiquetas de baixa frequência (LF) normalmente utilizam a porção de 125 kHz a 135 kHz do espectro; Devido ao seu alcance limitado, são usados principalmente para controle de acesso e marcação de animais. Etiquetas de alta frequência (HF) operam principalmente na faixa de 13,56 MHz, com um alcance permitido de vários pés. Eles são tipicamente usados para leitura simples de objetos um a um, como controle de acesso, carregamento e rastreamento de itens portáteis, como livros de biblioteca.

　　Por outro lado, as etiquetas UHF operam em frequências de 850 MHz a 950 MHz e têm um alcance relativamente longo — 10 pés ou mais. Além disso, como a largura de banda disponível pode ser maior, os leitores podem consultar muitos desses rótulos ao mesmo tempo, em vez de realizar leituras de etiquetas um a um em frequências mais baixas. Esse recurso ajuda a minimizar a necessidade de múltiplos leitores em uma área específica, tornando as tags UHF muito populares em aplicações industriais para rastreamento e controle de inventário. No entanto, as etiquetas UHF não conseguem penetrar efetivamente líquidos, o que é uma grande desvantagem, tornando-as menos úteis para objetos cheios de líquido, como bebidas e humanos. Para rastrear esses itens, rótulos HF são comumente usados.

　　Em uma pesquisa com fornecedores de rótulos passivos de 2004, esperava-se que o preço dos rótulos UHF chegasse a 16 centavos por rótulo em 2008, abaixo dos 57 centavos de 2003 — continuando a tornar a rotulagem de itens um método econômico para o acompanhamento de ativos e estoques.

　　Rolos semi-ativos

　　Como as etiquetas passivas, as etiquetas semiativas refletem energia RF (em vez de transmiti-la) de volta ao leitor de etiquetas para enviar informações de identificação. No entanto, essas etiquetas também contêm baterias que alimentam seus CIs. Isso permite algumas aplicações interessantes, como quando a tag contém sensores. Além dos dados de reconhecimento estático, cada transponder também pode transmitir atributos em tempo real, como temperatura, umidade e carimbos de tempo. Ao alimentar CIs e sensores simples usando apenas baterias — sem incluir o emissor — etiquetas semiativas alcançam um equilíbrio entre custo, tamanho e alcance.

　　Tags ativas

　　Ao usar baterias integradas para alimentar CIs (junto com quaisquer sensores) e transmissores RF, as etiquetas ativas vão um passo além. Por serem autoalimentadas, podem operar em um alcance maior de leitor para etiqueta (até 100 metros ou mais), o que também significa que os produtos passam pelo leitor mais rápido do que etiquetas passivas ou semi-ativas. Sistema. Além disso, tags ativas podem conter mais informações do produto do que códigos EPC.

　　Por outro lado, as baterias reduzem a vida útil das etiquetas ativas e aumentam seu custo e tamanho. As tags ativas normalmente operam nas faixas industriais, científicas e médicas (ISM) de 433 MHz e 2,4 GHz, que estão disponíveis na maioria das regiões do mundo. Portanto, à medida que mais produtos de consumo sem fio aparecem em módulos 802.11 e Bluetooth ® baseados em 2,4 GHz, a coexistência de tags ativas com esses dispositivos tornou-se um problema significativo.

　　Arquitetura de software para leitores RFID

　　Após introduzir as funções básicas dos leitores RFID, agora consideramos como implementar o leitor usando o processador convergente Blackfin. Os três elementos da arquitetura de software de leitor RFID são: interface de servidor backend, middleware e algoritmos de leitor de tags frontend. Embora diferentes, todos esses elementos da arquitetura de software podem rodar simultaneamente em um único processador Blackfin.

　　Servidores backend e conexões

　　Normalmente, leitores RFID incluem um componente de rede — cabeado, por exemplo, Ethernet (IEEE 802.3), Ethernet sem fio (IEEE 802.11a/b/g) ou ZigBee ™ (IEEE 802.15.4) — que conecta um único evento de leitura RFID a um servidor central. Um servidor central executa aplicações de banco de dados com funções que incluem correspondência, rastreamento e armazenamento. Muitas aplicações também possuem funções de "alerta" (gatilhos para reordenar sistemas de cadeia de suprimentos e gestão de estoque, ou alertas de alarme para aplicações de segurança).

　　Aliás, os leitores estão construindo em torno de processadores embarcados de alto desempenho rodando μClinux (também uClinux), que têm vantagens claras em comparação com aqueles que não possuem ao se comunicar com servidores backend. A presença de uma poderosa pilha TCP/IP e a disponibilidade de motores de banco de dados SQL reduzem muito a principal carga de integração durante o desenvolvimento.

　　Middleware

　　O termo middleware usado em RFID tem algumas definições diferentes em comparação com seu uso em outros sistemas embarcados. Em termos de RFID, o middleware atua como camada de conversão de software entre o leitor de RFID front-end e o sistema corporativo back-end. Middleware filtra dados do leitor e garante que ele não seja lido várias vezes ou dados ruins. Nos primeiros sistemas RFID, middleware rodava em servidores, mas agora o filtragem de dados RFID geralmente ocorre em leitores antes de serem enviados pela rede corporativa. Essa funcionalidade adicional é outra vantagem que os processadores embarcados trazem para esse espaço de aplicação.

　　A parte frontal do leitor

　　O filtragem e o processamento intensivo de sinais em transformação do sistema ocorrem no final do leitor frontal, exigindo dispositivos com forte desempenho de processamento de sinal tipicamente associado aos processadores Blackfin.

　　Conversores A/D e D/A: Agora que entendemos o significado geral de componentes de sistemas RFID, vamos focar na conectividade sob a perspectiva dos leitores RFID. Para se comunicar com tags, circuitos integrados front-end de sinal misto (MxFE ®) formam uma interface de interesse.

　　O dispositivo MxFE é um subsistema universal de médios, incluindo conversores A/D e D/A, amplificadores de baixo ruído, misturadores, circuitos AGC e filtros programáveis. O fluxo de saída dos dados I&Q é conectado diretamente à porta paralela do processador. Os produtos da série MxFE IC da ADI são os receptores de banda estreita de maior desempenho, tornando-os ideais para RFID e outras aplicações.

　　A Figura 2 mostra um diagrama em blocos de um dispositivo MxFE típico.

　　Processadores Blackfin para aplicações RFID

　　Processadores Blackfin fornecem conectividade tanto para redes cabeadas quanto sem fio. Alguns processadores (como ADSP-BF536 e ADSP-BF537) possuem 10 MACs Ethernet Base-T / 100-Base-T no chip. No lado sem fio, todos os processadores Blackfin podem se conectar diretamente aos chipsets 802.15.4 ZigBee e IEEE 802.11 via periféricos SPI ® e SPORT. Ele pode alcançar transmissão em velocidade de linha sem consumir toda a largura de banda do processador.

　　Além disso, processadores Blackfin incluem interfaces periféricas paralelas (PPIs), que podem ser conectadas diretamente a ADCs e DACs, como mencionado acima. Alguns processadores Blackfin incluem dois PPIs que podem expandir ainda mais as funções do sistema — por exemplo, permitindo a conexão de câmeras a leitores RFID. Além das aplicações RFID, esses recursos do Blackfin são especialmente atraentes para aplicações de códigos de barras 1D e 2D, já que o Blackfin pode realizar controle do sistema, rede e processamento de imagem no mesmo dispositivo.

　　Para aplicações RFID, os leitores RFID de via única consultam a etiqueta geralmente são suficientes para PPI. Primeiro, o PPI é configurado em modo de transmissão, com o processador enviando a sequência digital para o DAC. A sequência transmitida é convertida em um sinal analógico, depois convertida para cima e enviada para excitar/acordar a tag RFID local, seguida por uma resposta. Enquanto isso, o PPI é reconfigurado como receptor em um pequeno número de pulsos de clock do sistema do processador (ver EE-Note 236), como mostrado na Figura 3. Dessa forma, o sinal RF com conversão descendente pode ser amostrado pelo ADC e diretamente para o Blackfin. Neste diagrama, o tempo entre cada intervalo de recepção (Rx) e envio (Tx) é medido no ciclo do clock do sistema. O tempo decorrido permite que o sinal transmitido chegue à etiqueta e a etiqueta transmita a resposta.

　　Em algumas aplicações RFID, o próprio processador Blackfin pode servir como servidor — por exemplo, quando armazenamento de big data e operações de banco de dados não são necessários. Por exemplo, imagine um pai idoso usando uma pulseira com uma etiqueta, que pode ser monitorada dentro da casa. Se não forem encontrados sinais de atividade dentro dos intervalos especificados, as agências de monitoramento podem alertar amigos ou parentes registrados.

　　Os componentes de software que compõem a infraestrutura do leitor RFID Blackfin podem ser encontrados no site Blackfin.uClinux.org. O produto inclui drivers necessários para interfaces com circuitos integrados front-end de sinal misto, além de drivers DMA que são muito úteis ao mover dados pelo sistema. Uma pilha de rede baseada em μClinux e um motor de banco de dados SQL também estão disponíveis. Do ponto de vista do sistema, outros recursos (como a placa Wi-Fi 802.11, pen drive USB e interface para cartão CompactFlash) podem se integrar rapidamente aos dispositivos Blackfin. Para mais informações, consulte http://blackfin.uclinux.org.

　　Exemplo de sistema RFID

　　Sistema RFID com fio

　　A aplicação mais comum do RFID é a gestão de ativos, que pode rastrear o movimento de paletes dentro dos armazéns reduzindo a perda de estoque, eliminando erros de entrega, melhorando a logística de distribuição e minimizando os esgotamentos. Sistemas RFID em grandes armazéns podem rastrear o movimento de paletes carregados de mercadorias desde a entrada até a saída do armazém. Esses sistemas dependem de leitores RFID fixos em todo o depósito e nos pontos de transporte de entrada/saída.

　　Como forma de simplificar a infraestrutura cabeada, as redes Power over Ethernet (PoE) são a escolha ideal para esse tipo de aplicação. O IEEE 802.3a/f PoE lida com sistemas de rede em aplicações de baixo consumo. O sistema PoE (como mostrado na Figura 4) consiste em equipamentos de alimentação (PSE) e equipamentos de alimentação (PD). O PSE fornece energia para as linhas Ethernet, enquanto o PD (para esse fim) converge o processador de rede e seus componentes ao redor. O PoE recomenda um comprimento máximo de cabo de 100 metros, adequado para muitas aplicações RFID embarcadas devido à sua relativa mobilidade e à eliminação dos custos associados à instalação de cabos e soquetes AC tradicionais.

　　Além do software de aquisição de RFID, processadores de rede que suportam aplicações RFID embarcadas também exigem desempenho e integração suficientes para lidar com pilhas complexas de IP multicamada. O processador Blackfin ADSP-BF537 — incluindo um MAC Ethernet 10-Base-T / 100-Base-T — é um ótimo exemplo dessa integração. Por exemplo, muitos dispositivos Ethernet PHY fornecem pinos de estado com a capacidade de interromper quando o estado muda. Esse recurso é integrado perfeitamente com a funcionalidade de interrupção do Blackfin, gerando um sistema potente e de baixo consumo.

　　RFID sem fio de baixo custo

　　Scanners portáteis adequados para aplicações como empilhadeiras ou dispositivos portáteis não podem realizar operações cabeadas ou PoE. Protocolos sem fio como o IEEE 802.11b/g permitem que leitores RFID se conectem a pontos de acesso sem fio, como mostrado na Figura 5. Processadores Blackfin podem ser conectados via interfaces serial ou paralelas ao chipset 802.11. Além disso, devido ao seu poder de computação, esses processadores suportam tanto implementações MAC separadas quanto MAC 802.11a/b/g completas. Por exemplo, a integração do sistema de uma placa CompactFlash 802.11b pode exigir uma interface MAC completa via porta de memória assíncrona da Blackfin. Implementações de MAC dividido geralmente usam interfaces SPORT ou SPI — o MAC inferior fica no chipset sem fio, enquanto o MAC superior roda dentro do software Blackfin.

　　Embora seus requisitos de pilha e processamento possam ser facilmente tratados em processadores de núcleo único, aplicações sem fio estão testando os limites entre desempenho e consumo de energia. Recursos de gerenciamento dinâmico de energia usando processadores de convergência de baixo custo (como o ADSP-BF531) possibilitam o gerenciamento de energia e oferecem desempenho escalável conforme os requisitos da aplicação. Esses modos dinâmicos de consumo de energia são projetados para fornecer configurações flexíveis de desempenho e energia para quase qualquer sistema de rede.

　　Sistemas de alto desempenho

　　Em aplicações emergentes, a tecnologia RFID se combina com outros dispositivos, como sensores biométricos ou sensores de imagem CMOS. Como mostrado na Figura 6, em aplicações avançadas de autorização de segurança e controle de acesso de pessoal, o RFID é combinado com análise de imagem para garantir que, em um ambiente seguro, não apenas haja N pessoas na sala, mas todos sejam "funcionários autorizados".

　　As demandas computacionais dessas aplicações são muito adequadas para lidar com processadores de fusão de dois núcleos, como o ADSP-BF561. Núcleos adicionais de processador não apenas dobram efetivamente a carga de computação que o dispositivo pode suportar; Também oferece algumas vantagens estruturais surpreendentes, que não são muito evidentes.

　　Tradicionalmente, processadores dual-core usam tarefas discretas e frequentemente distintas rodando em cada núcleo. Por exemplo, um único núcleo pode realizar todas as tarefas relacionadas ao controle — como rede, interfaces com armazenamento de grande capacidade, aquisição de RFID e controle geral de fluxo. Esse núcleo também é onde o sistema operacional ou kernel pode estar. Enquanto isso, o segundo núcleo pode ser dedicado às capacidades de processamento de alta intensidade da aplicação. Por exemplo, a parte de processamento de vídeo de um algoritmo de reconhecimento humano pode rodar no segundo núcleo, e os pacotes resultantes podem ser passados para o primeiro núcleo para transmissão via interfaces de rede.

　　O ADSP-BF561 de dois núcleos inclui memórias duplas de instrução e dados L1 de alta velocidade (ambas locais), além de memória L2 compartilhada entre os dois núcleos. Cada núcleo pode acessar igualmente vários periféricos — portas de vídeo, portas seriais, temporizadores e assim por diante. Como mencionado acima, um núcleo do ADSP-BF561 gerencia aquisição de RFID e componentes de rede, enquanto o outro núcleo pode ser dedicado a um sistema de classificação de imagens capaz de detecção, classificação e rastreamento em tempo real de objetos.

　　μClinux

　　O sistema operacional μClinux é uma escolha popular que facilita a conectividade de rede — o maior componente de software em leitores de cartão — bem como os principais requisitos para robustez e conformidade com padrões. Ao ler etiquetas RFID, é essencial garantir que os requisitos em tempo real sejam atendidos. Como o agendador μClinix não é estritamente em tempo real, ele pode ser substituído pelo agendador em tempo real ADEOS, que pode bloquear com segurança interrupções μClinux até que o processamento crítico em tempo real seja concluído. Isso significa que softwares leitores de placas front-end podem ser executados em tempo real a partir do domínio ADEOS, enquanto interfaces middleware e backend para servidores podem rodar em ambientes tradicionais μClinux. Essa divisão oferece aos usuários controle rígido em tempo real sobre suas aplicações, ao mesmo tempo em que permite acesso a todos os benefícios do software de código aberto. Para mais informações sobre μClinux ou ADEOS, consulte a BlackfinμClinuxWiki.

　　A Figura 7 mostra uma placa de avaliação ADI MxFE conectada à plataforma de desenvolvimento Blackfin ADSP-BF537 STAMP, que executa código de driver MxFE, sistema operacional μClinux e pilha de rede TCP/IP.

　　Conclusão

　　Como já demonstramos, aplicações RFID não requerem mais processadores de sinal dedicados para interfaces ADC/DAC nem microcontroladores para redes. Os processadores de fusão da série Blackfin podem gerenciar redes e controle, oferecendo desempenho suficiente para interfaces de conversores e algoritmos de correspondência de padrões. Isso, por sua vez, pode trazer listas de materiais de menor custo e um tempo de lançamento no mercado mais rápido para a próxima onda de aplicações de RFID.