Подробное объяснение RFID-систем и кейс-стади

　　Мы всё чаще сталкиваемся с системами радиочастотной идентификации (RFID) в повседневной жизни и на работе. От контроля запасов до быстрой кассы в супермаркетах — эта технология трансформирует многие существующие приложения и открывает новые варианты. На фронтенде «сигнальная цепочка» начинается с небольших меток, прикреплённых к интересующих единицам; Теги передают информацию в виде битового потока к RFID-считывателям, которые определяют, когда метки присутствуют в определённых областях, и считывают передаваемую ими информацию. На серверных системах поддерживают и обновляют базу данных тегов, генерируют оповещения внутри предприятия или запускают другие информационные процессы.

　　Большинство RFID-считывателей в настоящее время используют несколько процессоров для удовлетворения требований приложений. Обычно процессор сигнала подключён к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП) и цифрово-аналоговому преобразователю (ЦАП). Затем сетевой процессор взаимодействует с локальными или удалёными серверами для хранения и извлечения информации. В этой статье показано, как эти, казалось бы, совершенно разные функции — преобразование сигнала и сетевая связь — управляются через один процессор в серии процессоров Blackfin от ADI.

　　Сначала мы кратко представим RFID-технологию и обсудим её потенциал для текущих и будущих применений. Далее мы сосредотачиваемся на функциональности RFID-считывателя, изучая базовые программные компоненты и серверные соединения, которые должны работать на RFID-считывателях. Наконец, некоторые блок-схемы дают рекомендации по конфигурации системы.

　　Современные приложения и новые применения

　　RFID-технология открывает множество новых типов приложений, позволяя одновременно отслеживать несколько проектов без необходимости «касаться» каждого предмета (например, портативные сканеры штрих-кодов). Приложения, которые могут использовать такую автоматическую идентификацию, включают различные области, такие как контроль запасов, управление логистикой, мониторинг и выставление счетов.

　　Сегодня универсальные коды товаров — такие как '/em' (UPC) — доступны в виде одномерных (1D) штрихкодов, которые могут удовлетворить практически все потребности в государственных закупках. Штрихкоды содержат релевантную информацию о товарах, с которыми они связаны, включая рекомендуемую розничную цену проекта и/или место и дату производства. 1D и 2D штрихкоды также могут использоваться для отслеживания подробных данных о доставке товаров.

　　Штрихкоды работают для отдельных товаров, но когда нужно сканировать много товаров, эффективность рабочего процесса снижается. Например, открывать и сканировать каждый товар отдельно на паллете, содержащем сотни или тысячи готовых продуктов, непрактично. Но даже если отсканированные товары относительно небольшие, например, продукты на кассе супермаркета, необходимо установить правильное выравнивание между сканером и отсканированной этикеткой. Что ещё важнее, манипулировать крупным проектом для поиска штрихкодов бывает непросто.

　　RFID-технология заменяет UPC на EPC (Электронный код продукта) в виде битовых потоков. По крайней мере, EPC позволяет автоматически собирать тот же тип информации, содержащейся в штрих-кодах, и удалённом доступе, с минимальным вмешательством человека. Более того, даже если существует много одинаковых элементов, EPC может включать дополнительную информацию, связанную с уникальными идентификаторами отмеченных предметов. Более того, в отличие от традиционных штрихкодов, ориентация товара или условия окружающего освещения не имеют значения — устройство всё равно может обнаруживать и отслеживать товар. Туман, тьма и даже складская земля больше не имели значения.

　　Вот ещё способы использования RFID-систем:

　　В лотках и коробках с продуктами супермаркетов они позволяют отслеживать активы и лучше объединять активы. Пишя этикетки, можно добавить дополнительную информацию (например, даты продаж). Кроме того, можно реализовать автоматическое перезаказывание для поддержания правильного запаса на полках.

　　В библиотеке они могут использоваться для автоматической публикации и возврата материалов, которые ранее были индивидуально маркированы штрихкодами для идентификации сканеров.

　　На этикетках одежды можно указать истинное происхождение предмета. Используя идентификационный номер этикетки, предмет можно подтвердить или проверить как подделку.

　　В фармацевтической промышленности их можно использовать для предотвращения появления подделок и некачественных товаров.

　　В спортивных соревнованиях они могут точно отслеживать прогресс бегунов во время длинных пробежек.

　　Обзор RFID-систем

　　RFID использует радиочастотную передачу битового потока (RF) для связи, идентификации, классификации и/или отслеживания объектов. У каждого объекта есть собственная RFID-метка (также известная как ретранслятор). Вся система использует считыватель меток — подсистему, которая получает радиочастотную энергию от каждого мега. В считывателе встроено программное обеспечение для управления запросом, декодированием и обработкой полученной информации о теге; Он взаимодействует с системами хранения, которые хранят базы данных тегов и другую связанную информацию. На рисунке 1 показана концептуальная схема RFID-системы.

　　RFID-ридеры

　　RFID-считыватели обеспечивают соединения между каждым метком и системой отслеживания/управления. Он бывает разных форм и размеров, обычно достаточно маленьких, чтобы его можно было крепить на столешницы, штативы или стены. В зависимости от применения и операционных условий может быть несколько ридеров, которые могут полностью обслуживать определённые районы. Например, на складах сети считывателей могут гарантировать, что 100% паллетов будут запрошены и записаны от точки А до точки Б.

　　В целом, ридеры выполняют три основные функции: двустороннюю коммуникацию с тегами для выделения отдельных тегов; Первичная обработка полученной информации; и подключаются к серверам, которые связывают информацию с предприятием.

　　RFID-ридеры должны работать с несколькими метками в интересующей области — что является ключевым фактором в приложениях с большим количеством меток в ограниченном пространстве (например, для множества маркированных продуктов на множестве заводских поддонов). )

　　Основная проблема в сценариях с несколькими читателями/тегами заключается в том, что конфликты возникают, когда многие читатели отправляют запросы, а несколько тегов отвечают одновременно. Самый распространённый способ избежать этой проблемы — использовать какую-либо форму алгоритма мультиплексирования с временным делением. Вы можете настроить считыватель на запрос в разное время, а тег можно настроить так, чтобы он отвечал с разными интервалами. Очевидно, что внедрение этой функции в встроенном программном обеспечении обеспечивает дополнительную гибкость.

　　RFID-транспондер («метка»)

　　RFID-метки состоят из интегрированного чипа (IC), который хранит уникальную информацию о помеченном объекте (например, данные EPC), антенны (обычно печатные схемы), радиочастотной энергии, получаемой от считывателя и передающей информацию, и корпуса, содержащего компоненты метки. Стоит помнить, что вышеуказанный термин «объект» может применяться к множеству различных вещей — от фабричных товаров до животных и людей. Расстояние от метки до считывателя является важной системной переменной и напрямую зависит от технологии маркировки. Метки могут быть пассивными, активными или полуактивными.

　　Пассивные теги

　　Пассивные теги — самый простой тип. Радиочастотная энергия, передаваемая считывателем, питается специально; у них нет встроенных батарей, поэтому они могут быть недорогими, механически надёжными и очень маленькими (например, размером примерно с миниатюру). Однако пассивные метки имеют ограниченный диапазон между считывателями и метками, поскольку принимаемая мощность зависит от их физической близости к RFID-ридеру.

　　Дальность соединения также зависит от выбранной радиочастоты. Метки низкочастотных (LF) обычно используют часть спектра от 125 кГц до 135 кГц; Из-за ограниченного ареала их в основном используют для контроля доступа и маркировки животных. Высокочастотные (HF) метки в основном работают в диапазоне 13,56 МГц с допустимым диапазоном в несколько футов. Они обычно используются для простого индивидуального чтения предметов, таких как контроль доступа, зарядка и отслеживание портативных предметов, таких как библиотечные книги.

　　С другой стороны, UHF-метки работают на частотах от 850 МГц до 950 МГц и имеют довольно большой радиус действия — 10 футов и более. Кроме того, поскольку доступная пропускная способность может быть шире, читатели могут одновременно задавать запросы к многим меткам, вместо того чтобы выполнять индивидуальные считывания тегов на низких частотах. Эта функция помогает минимизировать необходимость использования нескольких считывателей в определённой зоне, делая UHF-метки очень популярными в промышленных приложениях для отслеживания и контроля запасов. Однако UHF-метки не могут эффективно проникать в жидкости, что является серьёзным недостатком, делая их менее полезными для предметов, наполненных жидкостью, таких как напитки и люди. Для отслеживания этих товаров часто используются HF-метки.

　　В опросе поставщиков пассивных этикеток 2004 года ожидалось, что цена на этикетки UHF достигнет 16 центов за этикетку в 2008 году, по сравнению с 57 центами в 2003 году — что продолжает делать маркировку товаров экономически эффективным способом отслеживания активов и запасов.

　　Полуактивные метки

　　Как и пассивные метки, полуактивные метки отражают радиочастотную энергию (а не передают) её обратно на считыватель для передачи идентификационной информации. Однако эти метки также содержат батарейки, питающие их микросхемы. Это позволяет применять интересные применения, например, когда метка содержит датчики. Помимо статических данных распознавания, каждый транспондер может также передавать параметры в реальном времени, такие как температура, влажность и временные метки. Питая простые микросхемы и датчики только на батареях — без включения эмиттера — полуактивные метки достигают компромисса между стоимостью, размером и дальностью.

　　Активные теги

　　Используя встроенные батарейки для питания ИС (а также датчиков) и радиочастотных передатчиков, активные метки идут дальше. Поскольку они самоуправляемые, они могут работать на более широком диапазоне считывателя до метки (до 100 метров и более), что также означает, что товары могут проходить через считыватель быстрее, чем пассивные или полуактивные метки. Система. Кроме того, активные метки могут содержать больше информации о продукте, чем коды EPC.

　　С другой стороны, батареи сокращают срок службы активных меток и увеличивают их стоимость и размер. Активные метки обычно работают в промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонах 433 МГц и 2,4 ГГц, которые доступны в большинстве регионов мира. Таким образом, по мере появления большего числа беспроводных потребительских продуктов в модулях 802.11 ® и Bluetooth на базе 2,4 ГГц, сосуществование активных тегов с этими устройствами стало серьёзной проблемой.

　　Архитектура программного обеспечения для RFID-считывателей

　　После введения основных функций RFID-считывателей теперь рассматриваем, как реализовать считыватель с помощью процессора сходящегося Blackfin. Три элемента архитектуры программного обеспечения для считывателей RFID: интерфейс сервера бэкенда, промежуточное программное обеспечение и алгоритмы считывания тегов фронтенда. Хотя они различаются, все эти элементы архитектуры программного обеспечения могут работать одновременно на одном процессоре Blackfin.

　　Серверы и подключения

　　Обычно RFID-считыватели включают сетевой компонент — например, проводной Ethernet (IEEE 802.3), беспроводной Ethernet (IEEE 802.11a/b/g) или ZigBee ™ (IEEE 802.15.4) — который подключает одно событие чтения RFID к центральному серверу. Центральный сервер запускает приложения баз данных с функциями, такими как сопоставление, отслеживание и хранение. Во многих приложениях также есть функции «оповещения» (триггеры для повторного заказа систем управления цепочками поставок и запасов, или сигнальные оповещения для приложений безопасности).

　　Кстати, читатели строят вокруг высокопроизводительных встроенных процессоров с помощью μClinux (также uClinux), которые имеют явные преимущества по сравнению с теми, которых нет при взаимодействии с серверами. Наличие мощного стека TCP/IP и наличие движков SQL-баз данных значительно снижает основную нагрузку на интеграцию во время разработки.

　　Промежуточное программное обеспечение

　　Термин middleware, используемый в RFID, имеет некоторые иные определения по сравнению с другими встроенными системами. С точки зрения RFID, промежуточное ПО выступает в роли слоя преобразования программного обеспечения между фронтенд-считывателем RFID и корпоративной системой. Промежуточное ПО фильтрует данные с считывателя и гарантирует, что он не считывает многократные или не ошибается с ошибками. В ранних RFID-системах промежуточное ПО работало на серверах, но сейчас фильтрация RFID-данных обычно происходит на считывателях перед отправкой через корпоративную сеть. Эта дополнительная функциональность — ещё одно преимущество, которое встраиваемые процессоры приносят в это пространство приложений.

　　Передняя часть считывателя

　　Обработка сигналов, интенсивная с фильтрацией и преобразованием, осуществляется на конце фронтального считывателя, требуя устройств с высокой производительностью обработки сигнала, обычно характерной для процессоров Blackfin.

　　Преобразователи A/D и D/A: Теперь, когда мы узнаём общее значение компонентов RFID-системы, давайте сосредоточимся на связности с точки зрения RFID-считывателей. Для связи с тегами интерфейс образуют интерфейс со смешанным сигналом (MxFE ®).

　　Устройство MxFE представляет собой универсальную подсистему среднего диапазона, включающую преобразователи A/D и D/A, усилители с низким уровнем шума, микшеры, схемы AGC и программируемые фильтры. Выходной поток I&Q-данных напрямую подключён к параллельному порту процессора. Продукты серии IC MxFE от ADI составляют самые высокопроизводительные узкополосные приёмники, что делает их идеальными для RFID и других приложений.

　　На рисунке 2 показана блок-схема типичного устройства MxFE.

　　Процессоры Blackfin для RFID-приложений

　　Процессоры Blackfin обеспечивают подключение как к проводным, так и к беспроводным сетям. Некоторые процессоры (такие как ADSP-BF536 и ADSP-BF537) имеют на чипе 10 Base-T / 100-Base-T Ethernet-MAC. На беспроводной стороне все процессоры Blackfin могут напрямую подключаться к чипсетам 802.15.4 ZigBee и IEEE 802.11 через периферийные устройства SPI ® и SPORT. Он может обеспечивать передачу на линейной скорости, не расходуя всю пропускную способность процессора.

　　Кроме того, процессоры Blackfin включают параллельные периферийные интерфейсы (PPI), которые могут быть напрямую подключены к АЦП и ЦАПам, как упоминалось выше. Некоторые процессоры Blackfin включают два PPI, которые могут дополнительно расширять функции системы — например, позволяют подключать камеры к RFID-считывателям. Помимо RFID-приложений, эти функции Blackfin особенно привлекательны для 1D и 2D штрих-кодов, поскольку Blackfin может выполнять системное управление, сетевую работу и обработку изображений на одном устройстве.

　　Для RFID-приложений односторонний запрос к метке обычно достаточен для PPI. Во-первых, PPI настроен в режиме передачи, при этом процессор отправляет цифровую последовательность на ЦАП. Передаваемая последовательность преобразуется в аналоговый сигнал, затем преобразуется вверх и отправляется для возбуждения/пробуждения локального RFID-мега, после чего следует ответ. Тем временем PPI перенастраивается в приёмник в небольшом числе импульсов тактовой системы процессора (см. EE-Note 236), как показано на рисунке 3. Таким образом, АЦП может дискретизировать радиочастотный сигнал с понижающим преобразованием и напрямую в Blackfin. На этой диаграмме время между интервалами приёма (Rx) и отправки (Tx) измеряется в тактовом такте системы. Прошедшее время позволяет передаваемому сигналу достигать метки, а метке — ответ.

　　В некоторых RFID-приложениях сам процессор Blackfin может служить сервером — например, когда не требуется хранение больших данных и работы с базой данных. Например, представьте пожилого родителя с браслетом с биркой, который можно наблюдать внутри дома. Если в указанные интервалы не обнаружено признаков активности, мониторинговые агентства могут уведомить зарегистрированных друзей или родственников.

　　Программные компоненты, составляющие инфраструктуру RFID-считывателя Blackfin, можно найти на сайте Blackfin.uClinux.org. Продукт включает драйверы, необходимые для интерфейсов с переменными интегральными схемами смешанного сигнала, а также драйверы DMA, которые очень полезны при перемещении данных по системе. Также доступны сетевой стек на базе μClinux и движок баз данных SQL. С точки зрения системы, другие функции (такие как Wi-Fi карта 802.11, USB-флешка и интерфейс CompactFlash) могут очень быстро интегрироваться с устройствами Blackfin. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к http://blackfin.uclinux.org.

　　Пример RFID-системы

　　Проводная RFID-система

　　Самое распространённое применение RFID — управление активами, которое позволяет отслеживать перемещение паллет внутри складов, снижая потери запасов, устраняя ошибки при доставке, улучшая логистику распределения и минимизируя нехватку запасов. RFID-системы на крупных складах могут отслеживать перемещение паллет, загруженных товарами, от входа на склад до выхода. Такие системы используют фиксированные RFID-считыватели по всему складу и на входных/исходящих транспортных точках.

　　Для упрощения проводной инфраструктуры идеально подходят сети Power over Ethernet (PoE) для таких приложений. IEEE 802.3a/f PoE обслуживает сетевые системы в приложениях с низким энергопотреблением. Система PoE (как показано на рисунке 4) состоит из оборудования для питания (PSE) и оборудования для питания (PD). PSE подает питание на линии Ethernet, в то время как PD (для этой цели) объединяет сетевой процессор и окружающие его компоненты. PoE рекомендует максимальную длину кабеля 100 метров, что подходит для многих встроенных RFID-приложений благодаря своей относительной мобильности и снижению затрат на установку традиционных кабелей и розеток переменного тока.

　　Помимо программного обеспечения для получения RFID, сетевые процессоры, поддерживающие встроенные RFID-приложения, также требуют достаточной производительности и интеграции для работы со сложными многоуровневыми IP-стеками. Процессор ADSP-BF537 Blackfin — включая 10-Base-T / 100-Base-T Ethernet MAC — является отличным примером такой интеграции. Например, многие устройства Ethernet PHY предоставляют контакты состояния с возможностью прерывать работу при изменении состояния. Эта функция бесшовно интегрирована с функцией прерывания Blackfin, создавая мощную, энергопотреблённую систему.

　　Недорогой беспроводной RFID

　　Портативные сканеры, подходящие для приложений, таких как сканеры погрузчиков или портативные устройства, не могут выполнять проводные или PoE-операции. Беспроводные протоколы, такие как IEEE 802.11b/g, позволяют RFID-считывателям подключаться к точкам беспроводного доступа, как показано на рисунке 5. Процессоры Blackfin могут быть подключены к чипсету 802.11 через последовательные или параллельные интерфейсы. Кроме того, благодаря своей вычислительной мощности, эти процессоры поддерживают как отдельные MAC-версии, так и полноценные реализации MAC 802.11a/b/g. Например, системная интеграция карты CompactFlash 802.11b может потребовать полного MAC-интерфейса через асинхронный порт памяти Blackfin. Реализации разделённых MAC обычно используют интерфейсы SPORT или SPI — нижний MAC находится на беспроводном чипсете, а верхний — в программном обеспечении Blackfin.

　　Хотя его стек и требования к обработке легко обрабатываются на одноядерных процессорах, беспроводные приложения испытывают границы между производительностью и энергопотреблением. Функции динамического управления питанием с использованием недорогих процессоров сходимости (таких как ADSP-BF531) обеспечивают управление питанием и обеспечивают масштабируемую производительность в соответствии с требованиями приложения. Эти динамические режимы энергопотребления разработаны для обеспечения гибких конфигураций производительности и мощности практически для любой сетевой системы.

　　Высокопроизводительные системы

　　В новых приложениях RFID-технология сочетается с другими устройствами, такими как биометрические сенсоры или CMOS-сенсоры изображения. Как показано на рисунке 6, в продвинутых приложениях авторизации безопасности и контроля доступа персонала RFID сочетается с анализом изображений, чтобы гарантировать, что в безопасной среде в комнате находится не только N человек, но и все они являются «уполномоченными сотрудниками».

　　Вычислительные требования этих приложений очень подходят для работы с процессорами синтеза с двумя ядерами, такими как ADSP-BF561. Дополнительные процессорные ядра не только эффективно удваивают вычислительную нагрузку, которую устройство может выдержать; Он также предлагает некоторые неожиданные конструктивные преимущества, которые не слишком очевидны.

　　Традиционно двухъядерные процессоры используют дискретные и часто разные задачи, выполняемые на каждом ядре. Например, одно ядро может выполнять все задачи, связанные с управлением — такие как сетевая связь, интерфейсы с большой ёмкостью хранения, RFID-приём и общее управление потоком. Это ядро также является местом, где может находиться операционная система или ядро. В то же время второе ядро может быть выделено для высокоинтенсивных возможностей обработки приложения. Например, видеообработка в алгоритме распознавания человека может работать на втором ядре, а полученные пакеты могут передаваться первому ядру для передачи через сетевые интерфейсы.

　　Двухъядерный ADSP-BF561 включает две высокоскоростные L1-инструкции и память данных (каждая локальная), а также общую L2-память между двумя ядрами. Каждое ядро может одинаково получать доступ к различным периферийным устройствам — видеопортам, последовательным портам, таймерам и так далее. Как упоминалось выше, одно ядро ADSP-BF561 управляет RFID-получением и сетевыми компонентами, а другое ядро может быть выделено для системы классификации изображений, способной к обнаружению, классификации и отслеживанию объектов в реальном времени.

　　μClinux

　　Операционная система μClinux — популярный выбор, который облегчает сетевое подключение — крупнейший программный компонент в считывателях карт — а также выполняет ключевые требования к надёжности и соответствию стандартам. При чтении RFID-меток крайне важно соблюдать требования в реальном времени. Поскольку планировщик μClinix не работает строго в реальном времени, его можно заменить планировщиком реального времени ADEOS, который может надёжно блокировать прерывания μClinux до завершения критической обработки в реальном времени. Это означает, что программное обеспечение для фронтенд-считывателя карт может работать в реальном времени из области ADEOS, а интерфейсы промежуточного ПО и сервера бэкенда могут работать в традиционных средах μClinux. Это подразделение предоставляет пользователям жёсткий контроль в реальном времени над их приложениями, одновременно предоставляя доступ ко всем преимуществам программного обеспечения с открытым исходным кодом. Для получения дополнительной информации о μClinux или ADEOS, пожалуйста, обратитесь к BlackfinμClinuxWiki.

　　На рисунке 7 показана плата оценки ADI MxFE, подключённая к платформе разработки Blackfin ADSP-BF537 STAMP, которая запускает код драйверов MxFE, операционную систему μClinux и сетевой стек TCP/IP.

　　Заключение

　　Как мы уже показали, RFID-приложения больше не требуют выделенных процессоров сигнала для интерфейсов АЦП/ЦАП и микроконтроллеров для сетей. Термоядерные процессоры серии Blackfin могут справляться с сетевым управлением и управлением, обеспечивая достаточную производительность для интерфейсов преобразователей и алгоритмов сопоставления шаблонов. В свою очередь, это может привести к более низким затратам на материалы и более быстрому выходу на рынок для следующей волны RFID-приложений.