基于RFID技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)怎樣來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

借助內(nèi)置RFID閱讀器，嵌入式系統(tǒng)就能與帶標(biāo)簽的物品交換數(shù)據(jù)，來創(chuàng)造與環(huán)境合拍的一類新應(yīng)用。

要點(diǎn)

* 雖然RFID可追溯至20世紀(jì)40年代，但由于專有產(chǎn)品無法互操作，并且缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致該技術(shù)無法發(fā)揮其潛力。

* 無源RFID轉(zhuǎn)發(fā)器不含電源，依靠進(jìn)入的射頻信號(hào)在天線中感生出足以發(fā)射響應(yīng)信號(hào)的小電流。

* 嵌入式RFID閱讀器能詢問高速運(yùn)動(dòng)并且距離超過30m的轉(zhuǎn)發(fā)器，這取決于天線尺寸和發(fā)射功率。

* 全球標(biāo)準(zhǔn)以及政府部門和企業(yè)的指令已經(jīng)擴(kuò)大了RFID的使用范圍，但是，隱私和安全擔(dān)憂依然在妨礙全面接受。

RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)有潛力成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一種常見的重要組成部分。除了在庫存管理領(lǐng)域的傳統(tǒng)作用以外，RFID標(biāo)簽和高速長(zhǎng)距離閱讀器的新進(jìn)展使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能輕松納入多種特性，比如門禁、防偽、簡(jiǎn)便支付、醫(yī)學(xué)鑒定、動(dòng)態(tài)定價(jià)、產(chǎn)品歷史、遠(yuǎn)程資產(chǎn)跟蹤。嵌入式RFID應(yīng)用一般是把閱讀器包含在產(chǎn)品或系統(tǒng)中，以便添加本地?cái)?shù)據(jù)收集特性，它們?cè)鰪?qiáng)了產(chǎn)品的基本功能。如今，人們會(huì)在酒店、監(jiān)獄、醫(yī)院、零售網(wǎng)點(diǎn)、農(nóng)場(chǎng)、賭場(chǎng)、收費(fèi)公路、工廠以及多種商用和軍用車輛中發(fā)現(xiàn)嵌入式RFID應(yīng)用。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)的價(jià)值，并且在新設(shè)計(jì)中采用它，這些非傳統(tǒng)RFID應(yīng)用將成為家常便飯。

關(guān)于RFID的構(gòu)想出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，而如今，它即將成為下一項(xiàng)重大技術(shù)。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)軍方就在使用早期形式的RFID，用來區(qū)分?jǐn)澄业娘w機(jī)。首批商用RFID應(yīng)用是在20世紀(jì)70、80年代出現(xiàn)的，用于跟蹤和識(shí)別單一地點(diǎn)內(nèi)的物品。但是，在早期部署的RFID當(dāng)中，許多RFID應(yīng)用的開發(fā)者都把專有技術(shù)作為它們的基礎(chǔ)，每一種都使用獨(dú)特的通信方法，并且要求由生產(chǎn)標(biāo)簽的公司提供專門的閱讀器硬件。標(biāo)準(zhǔn)化的缺乏導(dǎo)致行業(yè)分散、采用速度緩慢，并且實(shí)際表現(xiàn)落后于對(duì)RFID技術(shù)的大肆宣傳。如今，開發(fā)者正在糾正大多數(shù)早期問題， RFID也成為成長(zhǎng)中的行業(yè)，在物流、門禁、防偽、物品級(jí)（item-level）庫存、非接觸支付和多種新型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中有專用系統(tǒng)。

RFID技術(shù)最基本而又最普遍的用途之一就是EAS（商品電子防盜）系統(tǒng)，零售商用它來發(fā)起一場(chǎng)針對(duì)入店行竊犯罪的高科技“戰(zhàn)爭(zhēng)”。這類犯罪使該行業(yè)每年損失數(shù)十億美元，損失如此之大，零售商很容易找到理由購買昂貴的電子系統(tǒng)來遏制盜竊。EAS系統(tǒng)采用了大型天線板和各種尺寸的保安標(biāo)簽，前者安裝于商店出口，后者掛在高風(fēng)險(xiǎn)商品上。所有EAS系統(tǒng)的基本原理均包括使用發(fā)射器和接收器，前者在商店出口區(qū)創(chuàng)建電磁場(chǎng)，后者則能檢測(cè)電磁場(chǎng)里的變化。在經(jīng)過出口時(shí)，保安標(biāo)簽內(nèi)的小型調(diào)諧電路或磁性材料會(huì)使電磁場(chǎng)發(fā)生足夠大的變化，使接收器能檢測(cè)到變化并啟動(dòng)警報(bào)。當(dāng)顧客購買物品后，店員必須取下保安標(biāo)簽或使其失效，防止在顧客離開商店時(shí)響起報(bào)警聲。

反射數(shù)據(jù)

多數(shù)較新型RFID體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)者都把低成本轉(zhuǎn)發(fā)器（或稱標(biāo)簽）作為體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它們由一塊用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與通信的IC以及一根外部天線組成。標(biāo)簽有兩個(gè)基本類型：無源型和有源型。無源標(biāo)簽不含電源，并依靠來自閱讀器的射頻信號(hào)在天線中感生小電流，該電流足以發(fā)射響應(yīng)信號(hào)。RFID標(biāo)簽通過改變來自閱讀器的射頻信號(hào)的反射能量大小來發(fā)射數(shù)據(jù)。無源標(biāo)簽的工作距離可達(dá)30英尺，這取決于閱讀器的功率輸出、天線結(jié)構(gòu)、工作頻率。BielomaTIk公司的RF-LoopTag是一種可擴(kuò)充的天線裝置，同時(shí)提供短距離和中距離無源RFID標(biāo)簽（圖1）。

可以用自帶電源（如內(nèi)部電池）的有源RFID標(biāo)簽來顯著延長(zhǎng)距離。有源標(biāo)簽?zāi)芤愿叩墓β始?jí)別發(fā)射數(shù)據(jù)，并且一般比無源類型更準(zhǔn)確。有源標(biāo)簽一般用于軍用車輛或者集裝箱等高價(jià)物品。RFID系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)取決于應(yīng)用、閱讀期間的環(huán)境、工作頻率。

政府部門已為RFID分配了幾個(gè)頻帶，但在全球并不統(tǒng)一。LF（低頻）器件工作于125kHz至134 kHz范圍，并用于門禁、動(dòng)物識(shí)別、資產(chǎn)跟蹤、汽車安全密鑰卡等應(yīng)用。HF（高頻）13.56MHz標(biāo)簽用于閱讀距離小于3英尺的應(yīng)用。與其它頻帶不同的是，HF標(biāo)簽在金屬或水附近發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，不易受干擾。860MHz～960MHz UHF（超高頻）頻帶在新應(yīng)用中很流行，這是因?yàn)樗拈喿x距離為3 m～5 m，數(shù)據(jù)交換速率更高。典型的UHF應(yīng)用包括某些資產(chǎn)跟蹤，其中的標(biāo)簽掛于托盤和集裝箱，在它們經(jīng)過裝有閱讀器的入口時(shí)，操作工能發(fā)現(xiàn)它們并做記錄。

過去幾年，人們集中精力來為每個(gè)頻帶的標(biāo)簽和閱讀器創(chuàng)建一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。ISO和IEC已創(chuàng)建了若干包含頻率、數(shù)據(jù)編碼方法、RFID技術(shù)使用等多個(gè)方面的RFID標(biāo)準(zhǔn)。例如，ISO/IEC 14443和15693標(biāo)準(zhǔn)為支付系統(tǒng)、非接觸智能卡、 近程卡中使用的RFID標(biāo)簽定義了通信接口協(xié)議。ISO還為RFID標(biāo)簽和閱讀器的性能測(cè)試創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)。另外，ISO/IEC 18000系列包含了用于跟蹤供應(yīng)鏈貨物的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與物品管理系統(tǒng)專用的空中接口協(xié)議。

轉(zhuǎn)發(fā)器

有幾家制造商生產(chǎn)標(biāo)簽中使用的RFID轉(zhuǎn)發(fā)芯片。例如，德州儀器公司（TI）提供一個(gè)Tag-it HF-1加轉(zhuǎn)發(fā)器IC產(chǎn)品線，符合ISO/IEC 15693全球標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)面向產(chǎn)品驗(yàn)證、門禁、資產(chǎn)標(biāo)簽、供應(yīng)鏈管理、票務(wù)應(yīng)用。這些產(chǎn)品提供用戶可訪問的存儲(chǔ)器和一個(gè)內(nèi)容廣泛的命令集，前者容量達(dá)2048bit，由64個(gè)塊組成，后者用于選擇標(biāo)簽并閱讀、寫入或鎖定存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。這些器件通過一個(gè)工廠編程和鎖定的唯一識(shí)別碼來識(shí)別出現(xiàn)在閱讀器的射頻場(chǎng)中的多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。依照ISO/IEC 15693，使用工作于高數(shù)據(jù)速率或低數(shù)據(jù)速率的ASK或FSK調(diào)制來完成閱讀器與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的通信或下行鏈路通信。轉(zhuǎn)發(fā)器的回答方式與閱讀器用來詢問它的方式相同。該技術(shù)對(duì)上行鏈路通信和下行鏈路通信執(zhí)行幀同步，并用CRC校驗(yàn)來保證它們的安全。

多數(shù)嵌入式RFID應(yīng)用都需要一種專用閱讀器作為設(shè)計(jì)的一部分，以便解釋本地標(biāo)簽。自動(dòng)售貨機(jī)很好地說明了嵌入式RFID應(yīng)用。這種機(jī)器能借助內(nèi)置閱讀器來接受RFID卡的非接觸支付。另外，如果發(fā)售的物品有標(biāo)簽，則機(jī)器還能了解其庫存，以便自動(dòng)訂購補(bǔ)貨。小型低成本嵌入式閱讀器對(duì)于這些應(yīng)用很關(guān)鍵，TI、SkyeTek、Parallax等公司供應(yīng)此類閱讀器。例如，Parallax公司與Grand Idea Studio公司合作開發(fā)的一種低成本RFID閱讀器模塊在無源轉(zhuǎn)發(fā)器標(biāo)簽中工作，用于門禁、自動(dòng)識(shí)別、機(jī)器人、導(dǎo)航、庫存跟蹤、支付系統(tǒng)、轎車發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖等應(yīng)用 （圖2）。該模塊具有2400bps串口，并需要5V直流電源。Parallax閱讀器起價(jià)低于40美元。

對(duì)于更耐久的應(yīng)用或工業(yè)應(yīng)用，GAO RFID公司提供一種UHF RFID讀寫器，它支持兩根外部天線（圖3）。236002型工作于902MHz～928MHz頻帶，面向高速倉儲(chǔ)、分銷、制造應(yīng)用。該模塊能在7m距離識(shí)別以10m/s速度運(yùn)動(dòng)的物體。該模塊需要12V直流電壓，并通過串行RS232或以太網(wǎng)接口通信。

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