基于RFID技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)方案分析

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

　　要點

　　* 雖然RFID可追溯至20世紀40年代，但由于專有產(chǎn)品無法互操作，并且缺乏相關(guān)標準，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，依靠進入的射頻信號在天線中感生出足以發(fā)射響應(yīng)信號的小電流。

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

　　* 全球標準以及政府部門和企業(yè)的指令已經(jīng)擴大了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(射頻識別)技術(shù)有潛力成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計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標簽和高速長距離閱讀器的新進展使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者能輕松納入多種特性，比如門禁、防偽、簡便支付、醫(yī)學(xué)鑒定、動態(tài)定價、產(chǎn)品歷史、遠程資產(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，以便添加本地數(shù)據(jù)收集特性，它們增強了產(chǎn)品的基本功能。如今，人們會在酒店、監(jiān)獄、醫(yī)院、零售網(wǎng)點、農(nóng)場、賭場、收費公路、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)者認識到這種技術(shù)的價值，并且在新設(shè)計中采用它，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世紀中期，而如今，它即將成為下一項重大技術(shù)。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍方就在使用早期形式的RFID，用來區(qū)分敵我的飛機。首批商用RFID應(yīng)用是在20世紀70、80年代出現(xiàn)的，用于跟蹤和識別單一地點內(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)，每一種都使用獨特的通信方法，并且要求由生產(chǎn)標簽的公司提供專門的閱讀器硬件。標準化的缺乏導(dǎo)致行業(yè)分散、采用速度緩慢，并且實際表現(xiàn)落后于對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也成為成長中的行業(yè)，在物流、門禁、防偽、物品級(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)起一場針對入店行竊犯罪的高科技“戰(zhàn)爭”。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簽，前者安裝于商店出口，后者掛在高風(fēng)險商品上。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，后者則能檢測電磁場里的變化。在經(jīng)過出口時，保安標簽內(nèi)的小型調(diào)諧電路或磁性材料會使電磁場發(fā)生足夠大的變化，使接收器能檢測到變化并啟動警報。當(dāng)顧客購買物品后，店員必須取下保安標簽或使其失效，防止在顧客離開商店時響起報警聲。

　　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)存儲與通信的IC以及一根外部天線組成。標簽有兩個基本類型：無源型和有源型。無源標簽不含電源，并依靠來自閱讀器的射頻信號在天線中感生小電流，該電流足以發(fā)射響應(yīng)信號。RFID標簽通過改變來自閱讀器的射頻信號的反射能量大小來發(fā)射數(shù)據(jù)。無源標簽的工作距離可達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是一種可擴充的天線裝置，同時提供短距離和中距離無源RFID標簽(圖1)。

　　可以用自帶電源(如內(nèi)部電池)的有源RFID標簽來顯著延長距離。有源標簽?zāi)芤愿叩墓β始墑e發(fā)射數(shù)據(jù)，并且一般比無源類型更準確。有源標簽一般用于軍用車輛或者集裝箱等高價物品。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、動物識別、資產(chǎn)跟蹤、汽車安全密鑰卡等應(yīng)用。HF(高頻)13.56MHz標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標簽在金屬或水附近發(fā)射數(shù)據(jù)時，不易受干擾。860MHz～960MHz UHF(超高頻)頻帶在新應(yīng)用中很流行，這是因為它的閱讀距離為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，其中的標簽掛于托盤和集裝箱，在它們經(jīng)過裝有閱讀器的入口時，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頻帶的標簽和閱讀器創(chuàng)建一套統(tǒng)一的標準。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)使用等多個方面的RFID標準。例如，ISO/IEC 14443和15693標準為支付系統(tǒng)、非接觸智能卡、 近程卡中使用的RFID標簽定義了通信接口協(xié)議。ISO還為RFID標簽和閱讀器的性能測試創(chuàng)建了標準。另外，ISO/IEC 18000系列包含了用于跟蹤供應(yīng)鏈貨物的自動識別系統(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Tag-it HF-1加轉(zhuǎn)發(fā)器IC產(chǎn)品線，符合ISO/IEC 15693全球標準，該標準面向產(chǎn)品驗證、門禁、資產(chǎn)標簽、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器和一個內(nèi)容廣泛的命令集，前者容量達2048bit，由64個塊組成，后者用于選擇標簽并閱讀、寫入或鎖定存儲的數(shù)據(jù)。這些器件通過一個工廠編程和鎖定的唯一識別碼來識別出現(xiàn)在閱讀器的射頻場中的多個轉(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)對上行鏈路通信和下行鏈路通信執(zhí)行幀同步，并用CRC校驗來保證它們的安全。

　　多數(shù)嵌入式RFID應(yīng)用都需要一種專用閱讀器作為設(shè)計的一部分，以便解釋本地標簽。自動售貨機很好地說明了嵌入式RFID應(yīng)用。這種機器能借助內(nèi)置閱讀器來接受RFID卡的非接觸支付。另外，如果發(fā)售的物品有標簽，則機器還能了解其庫存，以便自動訂購補貨。小型低成本嵌入式閱讀器對于這些應(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)器標簽中工作，用于門禁、自動識別、機器人、導(dǎo)航、庫存跟蹤、支付系統(tǒng)、轎車發(fā)動機防盜鎖等應(yīng)用 (圖2)。該模塊具有2400bps串口，并需要5V直流電源。Parallax閱讀器起價低于40美元。

　　對于更耐久的應(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、分銷、制造應(yīng)用。該模塊能在7m距離識別以10m/s速度運動的物體。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。