嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中RFID技術(shù)的應(yīng)用

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(kù)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(kù)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(gòu)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(gòu)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134kHz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～960MHzUHF(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3m～5m，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/IEC14443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/IEC18000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-itHF-1加轉(zhuǎn)發(fā)器IC產(chǎn)品線，符合ISO/IEC15693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/IEC15693，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(kù)存，以便自動(dòng)訂購(gòu)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GrandIdeaStudio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(kù)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，GAORFID公司提供一種UHFRFID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(cāng)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。

　　嵌入式RFID技術(shù)還非常適合于快速桌面賭博，其中的作弊和手法是難以檢測(cè)的。借助適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)記錄工具，賭場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者就能監(jiān)視參賭者的行動(dòng)，以便檢測(cè)*牌的計(jì)數(shù)，調(diào)整獎(jiǎng)勵(lì)，并盡量減少發(fā)牌者的錯(cuò)誤。例如，InternationalGameTechnology公司和ProgressiveGamingInternational公司聯(lián)合開發(fā)了TableiD桌面賭博自動(dòng)化系統(tǒng)，它結(jié)合了一個(gè)基于軟件的桌面管理器和一系列RFID芯片掃描模塊。最新的RFID賭博芯片工作于13.56MHz，存儲(chǔ)容量超過10kbit。在賭博期間，每個(gè)位置的芯片閱讀器識(shí)別并記錄每個(gè)參賭者的賭注。TableiD系統(tǒng)計(jì)算參賭者的下注模式，總結(jié)發(fā)牌者的活動(dòng)，并且每小時(shí)記錄一次參賭者所做的決定。該系統(tǒng)無需用戶干預(yù)就能自動(dòng)更新平均賭注和輸贏記錄等信息。有幾家供應(yīng)商在制造適合于賭桌自動(dòng)化并基于RFID的賭幣。例如，GamingPartnersInternational公司在生產(chǎn)SafechipbyBourgogneetGrasset(圖4)。

　　RFID技術(shù)正開始在許多應(yīng)用中取代傳統(tǒng)條碼。例如，一些圖書館已開始應(yīng)用RFID標(biāo)簽代替條碼，來識(shí)別書名、摘要、數(shù)據(jù)庫(kù)信息等等信息。在過渡期間，組合系統(tǒng)在讀者離館時(shí)能閱讀條碼或RFID標(biāo)簽。與條碼相比，RFID系統(tǒng)提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，比如取消了視線要求、允許同時(shí)閱讀多個(gè)標(biāo)簽、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量更大。RFID標(biāo)簽還能充當(dāng)保安器件，來確保所有借出的書在離開圖書館之前均已被恰當(dāng)記錄。圖書館卡片可應(yīng)用RFID標(biāo)簽使讀者自助辦理離館手續(xù)，由此進(jìn)一步簡(jiǎn)化借閱。

　　無芯片RFID

　　制造商已經(jīng)演示了幾種無需轉(zhuǎn)發(fā)器IC的RFID系統(tǒng)。例如，制造商可以用特定方式把鋁纖維嵌入到印刷文檔或包裝材料中，使得這些纖維能反射帶有識(shí)別數(shù)據(jù)的射頻信號(hào)。另一種無芯片系統(tǒng)需要使用具有不同磁性的微小化學(xué)顆粒。這些化學(xué)顆粒在暴露于閱讀器的電磁波時(shí)變得活躍，并發(fā)射一種獨(dú)特信號(hào)，閱讀器把它解釋為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。憑借多達(dá)70種可供使用的化學(xué)物質(zhì)，閱讀器就能根據(jù)物品嵌入的化學(xué)混合物來解釋它的獨(dú)特二進(jìn)制數(shù)。印刷電子技術(shù)也能把轉(zhuǎn)發(fā)電路和天線從專門的噴墨或高速打印機(jī)中直接沉積到生產(chǎn)物品或其包裝上，來創(chuàng)建與RFID和條碼閱讀器配合的標(biāo)簽。

　　當(dāng)RFID應(yīng)用延伸到消費(fèi)層面時(shí)，設(shè)計(jì)者必須考慮隱私問題。例如，位于關(guān)鍵地點(diǎn)的閱讀器能暗中詢問多種使用RFID技術(shù)的智能卡、密鑰卡、護(hù)照、轉(zhuǎn)發(fā)器標(biāo)簽。同樣，當(dāng)服裝和飾品等常用物品變得可追溯時(shí)，營(yíng)銷專家就能輕松地在商店安裝低成本閱讀器，來閱讀服裝標(biāo)簽，并更多地了解顧客的購(gòu)物習(xí)慣。借助物品級(jí)序列化，軟件分析就能確定某位顧客多久以前在何處購(gòu)買(或者偷竊)了某件物品。零售商把RFID數(shù)據(jù)與存檔的匹配顧客信息結(jié)合起來，就能輕松地設(shè)計(jì)侵入式的營(yíng)銷活動(dòng)。

　　雖然RFID技術(shù)的使用很普遍，但它尚未接近其所有潛力。該技術(shù)的支持者經(jīng)常預(yù)言如下情景：人們走進(jìn)零售店或雜貨店，把購(gòu)物袋裝滿各種商品，然后不結(jié)賬就走出商店。RFID閱讀器會(huì)掃描購(gòu)物袋中的物品，并自動(dòng)向人們口袋里的RFID*收取這些物品的費(fèi)用。現(xiàn)在，由于有多種新型工具和元件供嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者利用，上述類型的RFID應(yīng)用也許比人們想象的更接近現(xiàn)實(shí)。謹(jǐn)請(qǐng)留意。