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RFID干货专栏|29 阅读器功能和架构、分类

发布时间:2022-04-16 18:07:14 所属栏目:物联网 阅读:

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展,超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一,每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中,中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国,在国家对物联网发展的大力支持下,行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而,至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

为了填补这方面的空缺,甘泉老师花费数年之功,撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布,本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述,干货满满!RFID世界网得到了甘泉老师独家授权,在RFID世界网公众号特设专栏,陆续发布本书内容。

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5.1.1超高频RFID阅读器的功能和架构

1.超高频RFID阅读器功能

阅读器又名读写器,是超高频RFID系统中的重要组成部分。虽然名字叫阅读器,但它的功能不只是简单的读取标签信息那么简单,阅读器包含有许多辅助功能,如主机通信、IO控制等。如图5-1所示,为一个超高频RFID系统组成。阅读器通过天线辐射的电磁波给标签供电,同时发送同步时钟及Gen2的空中接口命令,同时接收标签的返回数据。阅读器与标签之间的通信方式为半双工,即阅读器向标签发送数据时无法接收标签返回阅读器的数据,阅读器的发射和接收是时分的。但是由于标签为无源器件且无法储能,需要阅读器实时供电,当标签向阅读器发送数据的时候,阅读器必须发送载波给标签提供能量,这就是超高频RFID系统所特有的半双工通信方式。这种特殊半双工通信方式带来不少阅读器的技术难题,如自身干扰问题、接收链路(RX)的线性度(Linearity)问题等。

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图5-1RFID系统组成图

虽然阅读器在与标签的通信过程中一直是主机模式,标签为从机模式,但其实阅读器一直是配合标签工作的。当标签功能升级后,阅读器需要配套具备该功能的操作命令实现新应用。当标签的灵敏度提升后,阅读器的接收灵敏度需要加倍提升才能实现系统的稳定通信,如标签灵敏度提升了3dB,在标签的反向散射能力(反射系数)不变时,阅读器需要相应的增加6dB的灵敏度才能保证正向与反向链路预算相等。当然还有许多阅读器问题等着我们去解决,如在许多应用中需要一台阅读器盘点几千张标签,此时系统对阅读器的灵敏度、抗干扰、多标签算法等提出很高要求,阅读器也在针对不同的应用场景不断改善和进步。

在图5-1中,阅读器的另外一端与电脑连接,可以理解为与数据终端或处理器终端连接。只有将阅读器与系统连接才能实现控制操作命令与数据的传输,从而获得标签数据信息,组成物联网的数据采集节点。阅读器不仅是标签的采集节点,同时可以当作传感器的采集节点或传感器的控制节点。随着技术的进步和行业的发展,阅读器的功能会越来越强大,在物联网中的地位也会越来越重要。

2.超高频RFID阅读器架构

一个标准的阅读器系统,包括阅读器的硬件本身、阅读器天线和其它外围设备。其它外围设备包括电源部分、主机通信部分等。许多阅读器内部有操作系统可以独自执行任务,不过最终还是要与数据库进行数据通信。

如图5-2所示为阅读器的硬件架构图,图中阅读器内部分为两大部分:面向电脑终端和面向射频标签。在面向射频部分主要是收发电路,面向电脑部分为逻辑(Logic)、电源(Power)、输入输出(I/OInterface)、主机接口(Host Interface)。其外围设备中供电设备常有两种形式,一种是AC适配器转换为DC给阅读器供电,另外一种为以太网供电POE(Power over Ethernet)。同时阅读器可以通过外围设备以太网(Ethernet)或串口(RS-232)与主机或服务器通信,也可以通过I/O与外围的传感器和指示灯等连接。

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图5-2阅读器硬件架构图

在服务层阅读器的架构如图5-3所示,图中与超高频RFID相关且最重要的是阅读器固件(Reader Firmware)和射频硬件(RF Hardware),这两部分合在一起叫做阅读器核心模块,简称阅读器模块,5.1.2节会对模块做深入讲解。在项目中最常见的是通过人机界面和应用程序(Humans / Applications)控制阅读器工作。在其底层的阅读器固件之上为阅读器的主机协议(Reader-Host Protocol),在项目和软件开发中经常谈到的通信协议就是指的这个主机协议。一般情况下每一家厂商都有自己特有的主机协议,且互不兼容,所以在比较大的项目中选择中间件或低级阅读器协议(Low Level ReaderProtocol,LLRP)。LLRP是由EPCGlobal创始的基于超高频RFID的统一阅读器协议,5.1.4有关于LLRP的协议详解。阅读器注册服务(Reader Registration Services)为阅读器的心跳包服务,阅读器每过一个时间段,则向阅读器注册服务器发送一个UDP心跳报文(ReaderHeartbeat),这样即使是空闲情况,服务器端也知道阅读器是否正常工作。动态主机配置协议(Dynamic HostConfiguration Protocol,DHCP)是一个局域网的网络协议,使用UDP协议工作,主要有两个用途:给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址,是用户或者内部网络管理员对所有计算机作中央管理的手段。时间服务主要是与系统时间同步,保证数据的时间戳正确,以及在准确的时间启动或停止响应的操作和I/O控制。

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图5-3阅读器服务层架构图