RFID干貨專欄｜30 外部接口、LLRP協議

RFID干貨專欄概述

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5.1.3 閱讀器外部接口詳解

由于手持式閱讀器和一體式閱讀器的外部接口較為簡單，本節(jié)將主要針對固定式閱讀器的外部接口展開講解，主要通過Impinj的SpeedwayRevolution R420和Alien的ALR-9900這兩款經典的閱讀器設備作為案例進行詳解。

01、ImpinjR420閱讀器接口分析

如圖5-12所示，為ImpinjR420的端口連接圖。圖中從左到右依次是帶有鎖扣的外部直流24V供電接口、POE網口、默認自恢復按鍵（DefaultRestore button）、USB Type B接口（作為設備從機）、USB接口（作為主機）、RJ-45接口的操作臺串口RS232（Console）、DE-15口內部為GPIO和RS-232。

圖5-12Speedway Revolution R420端口連接圖

如圖5-13所示，為R420閱讀器天線接口及狀態(tài)燈，4個TNC天線接頭和天線工作指示燈以及電源和狀態(tài)指示燈。

圖5-13Speedway Revolution R420天線接口及狀態(tài)燈

從上述Speedway Revolution R420的資料進行分析，可以得出以下結論：

R420的供電方式有兩種，分別是外部直接供電和POE供電，其中外部供電插頭也為普通插頭，在工業(yè)級應用中設備必須裝在保護箱中。多數閱讀器的供電為24V，只有少數的工業(yè)級閱讀器或小型設備使用不同的供電電壓。

具有從機USB接頭，電腦可以通過USB接口控制閱讀器并與之通信。實際案例中很少用USB與閱讀器直接通信，因為穩(wěn)定性不高。一般情況下使用網口作為通信手段，少數使用RS232串口。只有小型閱讀器設備會使用USB接口通信，如小型桌面機。R420預留USB從機接口是為了方便開發(fā)者調試。

具有主機的USB接口，當設備的存儲空間有限時，可以直接外接USB存儲設備，擴大存儲空間，可以理解為給電腦加了一個移動硬盤。此主機USB接口可以實現掉電保存功能，該方法被許多設備所采納。

控制臺RJ-45口，外形如網口，是類似思科設備的控制臺串口，一般在閱讀器內部配置參數時使用。

GPIO的DE-15接口其實是一個普通電腦接頭，需要再接其他轉換頭才可以把GPIO的4進4出和RS232轉換出來。當然這樣設置也有它的好處，如果系統(tǒng)是通過串口或GPIO觸發(fā)工作時（觸發(fā)工作模式）只需要拉一根通信線。R420的GPIO接口有兩個缺點：一個是使用不方便需要轉接，另一個是GPIO的接口非工業(yè)級。

射頻天線口為4個，并附有指示燈。一般的固定式閱讀器輸出天線口為4個，有的閱讀器有2個或者1個，還有比較少的閱讀器有8個射頻天線接口，如MOTO的閱讀器。如果需要閱讀器連接更多的天線最好的方法是使用天線分配器。

02、ALR-9900閱讀器接口分析

如圖5-14所示為Alien的ALR-9900閱讀器外部接口圖，對比Impinj的R420，其外部接口比較簡單，包括多芯電源接口、9 Pin的RS-232串口、網線口、GPIO口。

圖5-14 ALR-9900閱讀器外部接口圖

如圖5-15所示，ALR-9900閱讀器同樣有4個TNC天線接頭，指示燈為：電源（Power）、連接（Link）、天線0到天線3（ANT0 –ANT 3）、CUP、發(fā)現（Sniff）、錯誤（Fault）。其中Power表示是否有供電；Link表明是否連接網絡；Active表明是否有數據在網絡中傳輸；ANT 0 –ANT 3表示各個天線是否在工作；CPU表示系統(tǒng)是否Boost成功并在運轉中；Sniff表示有標簽被閱讀器發(fā)現；Fault表示閱讀器是否出現錯誤。

圖5-15 ALR-9900閱讀器天線接口及狀態(tài)燈

從上述ALR-9900的資料進行分析，可以得出以下結論：

采用工業(yè)級的電源適配器供電，多芯多電壓輸入，減少閱讀器內部電源管理壓力，EMC和EMI的穩(wěn)定性提高。是非常好的選擇，只有在工業(yè)級閱讀器中使用。但是該設備沒有POE供電，正常工作至少需要兩根線纜。

串口采用標準RS-232，使用9-PinD female管腳，方便開發(fā)調試。

I/O接頭使用了工業(yè)的標準接頭，4進8出1電源1地共14-Pin，是非常專業(yè)的I/O接口。

指示燈非常齊全，開發(fā)和現場故障處理非常方便。

03、GPIO接口對比

在做GPIO接口對比之前，先通過一個案例介紹下GPIO的作用。如圖5-16所示為ALR-9900閱讀器給出的一個GPIO應用實例圖，圖中一個叉車載著帶有標簽的物品通過一個區(qū)域，被區(qū)域內的紅外傳感器所感應，紅外傳感器通過GPIO的輸入口將信息傳遞到閱讀器。閱讀器被紅外信號所觸發(fā)啟動盤點功能，發(fā)現正確的標簽后通過GPIO的輸出口點亮綠色指示燈，同時把標簽的數據記錄在閱讀器的存儲區(qū)。在整個叉車出/入庫過程中，閱讀器并未連接網絡和電腦，只是通過自身的操作系統(tǒng)進行觸發(fā)工作，不僅效率高而且節(jié)省成本。許多智能倉庫都是通過這樣的方案實現的。

圖5-16 GPIO應用實例圖

如圖5-17（a）為R420GPIO的輸入輸出示意圖，圖5-17（b）為ALR-9900GPIO的輸入輸出示意圖，兩者的差異體現在電氣隔離方式與供電方式的不同：

R420的GPIO與內部電路之間是通過電子管直連的；ALR-9900的GPIO與內部電路通過光電耦合隔離，這樣的好處是當外界設備出現故障時不會損毀閱讀器內部電路，也不會帶來不必要的干擾。

ALR-9900的GPIO的輸出OUT需要連接額外的電源供電VDD，如圖GPIO應用實例圖中有一個很大的24VDC適配器供電，其輸出電壓可以達到24V 0.5A。這個輸出的驅動能力很強，可以直接驅動燈柱等外圍設備；相比之下R420的輸出驅動能力非常弱，只夠實現簡單的觸發(fā)功能。

（a） R420的GPIO輸入輸出示意圖（b）ALR-9900 GPIO的輸入輸出示意圖

圖5-17R420與ALR-9900 GPIO接口對比

對比兩個閱讀器的GPIO，ALR-9900的要復雜很多，優(yōu)點為工業(yè)級穩(wěn)定性高，而R420更加簡單，可以直接與許多觸發(fā)設備連接，使用簡單方便。市場上大多數閱讀器的GPIO都是采用R420的方式。

5.1.4 閱讀器協議——LLRP協議詳解

初級閱讀器協議（LowLevel Reader Protocol）簡稱為LLRP，也稱為低級別閱讀器協議，是市場上主流超高頻RFID閱讀器都兼容的一套閱讀器協議。

01、LLRP協議介紹

市場上每個超高頻RFID閱讀器廠商都有自己特有的閱讀器硬件和配套的通信協議，但相互之間不兼容。當有一個大的項目需要同時使用多家供應商的閱讀器時，就需要開發(fā)多套通信協議，管理十分不便。因此在EPCglobal的組織下，開發(fā)了LLRP協議。LLRP協議中低級別的含義是將原來閱讀器的所有功能和操作都分解成最小的單元，每一步只完成最簡單的一部，如采用閱讀器廠商的私有協議一個盤點的命令，LLRP需要多個命令才能實現。一個大項目開發(fā)時可以完全針對LLRP協議，閱讀器的選擇也很寬泛，項目的代碼復制也很簡單。

在一個超高頻RFID系統(tǒng)中，LLRP協議為上層應用層（Clinent）與底層物理層（閱讀器設備）之間的中間接口，底層物理層因廠商不同而有差異，LLRP 協議將底層物理層的差異屏蔽掉，為上層應用提供統(tǒng)一的協議接口，使得上層應用可以無差別的對下層的閱讀器進行控制和管理。

LLRP協定定義了客戶端與閱讀器之間通信的格式與過程，LLRP 協議通信格式單元為數據協議單位（PDU），即報文（Messages）。

LLRP協議有三個作用：標簽數據的處理、閱讀器裝置的管理以及閱讀器之間的協調與同步。LLRP的主要操作為盤點（Inventory）操作和存取操作，Inventory為閱讀器在其讀取范圍內辨識標簽中的EPC的動作，而Access則是對標簽數據進行存取的動作，包含了讀?。≧ead）、寫入（Write）、鎖定（Lock）及滅活（Kill）等操作。

02、LLRP操作與數據模式

從閱讀器端傳送給客戶端的報文包含閱讀器的狀態(tài)回報、RF（Radio Frequency）調查以及EPC盤點（Inventory）和標簽存取結果回報等，從客戶端傳給閱讀器端的報文包含閱讀器配置檔的獲取與設置、閱讀器的讀取能力、管理Inventory參數設定以及標簽的存取操作等。

（1）LLRP 報文操作模式

客戶端與閱讀器之間典型LLRP報文序列會有以下過程：

客戶端在操作閱讀器之前需先了解閱讀器的能力，第一個過程就是客戶端查詢閱讀器的能力，包含一般裝置能力、LLRP能力及監(jiān)管能力等信息，其內容可能包含天線數量、軟件版本、支持何種通信協議、讀取靈敏程度、是否支持RF調查等信息。

取得或設定閱讀器的配置內容，包含設定閱讀器事件通知模式、天線屬性、ROSpec回復報告和AccessSpec回復報告的觸發(fā)條件以及報告形態(tài)、事件和報告模式等。

發(fā)送閱讀器操作指令，也即ROSpecs，其可能包含一或多個Inventory操作細節(jié)指令。

發(fā)送閱讀器存取指令，也AccessSpecs，其功能是要求閱讀器存取標簽數據。

獲得從閱讀器回應的報告。

（2）LLRP報文與動作

LLRP指令傳輸的最小單位為報文，報文可能由一組或多組參數（parameter）和場域（field）所組合而成，在LLRP中大部分的報文是雙向的，當客戶端傳遞一組報文給閱讀器，閱讀器會回復相對應的回復報告，如當客戶端傳送一個GET_READER_CAPABILITIES報文，則閱讀器必須回復GET_READER_CAPABILITIES_RESPONSE報文，通知客戶端報文是否成功及信息回復。LLRP報文依照功能分類成下列幾組：

閱讀器裝置能力報文：用于查詢閱讀器能力的message，客戶端在下達指令前必需了解閱讀器的能力，以及閱讀器支持何種指令，以便讓客戶端清楚如何對閱讀器下達指令。

閱讀器操作控制報文：控制閱讀器通信協定中Inventory操作及RF調查動作的報文，Inventory為辨識標簽的操作，包含一連串的指令，當閱讀器下達一個Query指令時，視為一個Inventory回合的開始；當客戶端想要確認閱讀器設備的操作環(huán)境，例如閱讀器頻率等，則需要進行RF調查的動作。

閱讀器存取控制報文：客戶端控制標簽數據的存取操作的報文以及閱讀器回復的報文，如對標簽進行讀取（Read）、寫入（Write）、鎖定（Lock）及刪除（Kill）等存取操作。

閱讀器裝置配置報文：查詢及設定閱讀器裝置的配置內容以及管理關閉客戶端與閱讀器之間連線的報文。

報告報文：這類報文主要有Report、Notifications、Keepalives這三大類，當回傳報告觸發(fā)條件成立時、使用者下達取得報告指令時以及通知事件發(fā)生時，閱讀器須回傳相對應的報告到客戶端，報告可能包含閱讀器的狀態(tài)、標簽數據、RF分析報告結果等信息。Keepalives主要是由閱讀器向客戶端發(fā)送，以確保與客戶端的連線。

客戶延伸報文：這個報文可以包含版本內容，客戶需額外定義的數據格式以及數據內容等。

錯誤報文：此類報文負責定義錯誤事件或錯誤碼，此錯誤報文會由閱讀器回應給客戶端。除了報文內容錯誤之外，如果有接收到不支持的報文類型或是一個CUSTOM_MESSAGE，閱讀器也需要回應給客戶端一個錯誤報文。

當閱讀器接收到客戶端傳送的報文（message）之后，閱讀器須做相對應的回復及動作。例如當閱讀器接收到GET_READER_CAPABILITIES報文時，閱讀器此時應該回應閱讀器的能力數據，除了回應客戶端的要求之外，閱讀器還需要時常發(fā)送KEEPALIVE報文給客戶端，要求客戶端保持連線以接收報文，而此時客戶端需回應告知閱讀器，沒有回應閱讀器將視為連線中斷。客戶端最后發(fā)送CLOSE_CONNECTION報文表示結束與閱讀器的連線。

03、LLRP的優(yōu)缺

LLRP接口有以下優(yōu)點：

客戶端和讀寫器之間的LLRP接口有助于對讀寫器設備進行管理，以緩解讀寫器對標記和讀寫器對讀寫器的干擾，并最大程度地提高了分離和數據操作的效率。分離是識別多標記環(huán)境中單個標記的過程。

LLRP接口提供了一個可縮放的機制來管理對讀寫器設備的訪問操作，如讀取、寫入、刪除和鎖定。

LLRP接口幫助進行錯誤報告，并發(fā)現設備狀態(tài)和設備功能。

LLRP的缺點是操作復雜，閱讀器廠商的私有協議效率遠高于LLRP協議，一般的中小型項目中不會使用LLRP協議，只有大型的全球性項目或多閱讀器供應商的項目才會使用。