Návrh řešení UHF RFID čtečky

Úvod

V současné době je již na trhu relativně vysoký počet stacionárních i mobilních RFID čteček pracujících v pásmu UHF (cca 860–960 MHz). Některé specifické podmínky implementace RFID (jako je cena, nevyužití vysokovýkonných čteček nebo režijní náklady s tímto výkonem spjaté), technologie či požadavky na integraci čteček do jiných zařízení však vedou k potřebě vytvoření vlastního čtecího zařízení.

Obr. 1 Blokové schéma UHF RFID čipu Indy R2000

Návrh UHF čtečky je vcelku komplexním úkolem, a proto je nejdříve nutno zvážit hloubku rozlišovací úrovně komponent, které hodlá návrhář využít, a určit, která z možností konstrukce čtečky pro něj bude vzhledem k vývoji, vynaloženému času a prostředkům optimální.

V dnešní době je možno pro tvorbu RFID čtečky využít buď přímo jednotlivých základních součástek, integrovaného obvodu obsahujícího většinu funkcionality čtečky, nebo rovnou UHF RFID modulu, který je de facto hotovou čtečkou bez vnějšího opláštění, vnitřní kabeláže či signalizačních LED.

Obr. 2 Blokové schéma UHF RFID čipu AS3992

Vývoj čtečky na základě jednotlivých součástek

K vytvoření použitelné UHF RFID čtečky je zapotřebí stovek až tisíců součástek velmi vysoké kvality a vysokovýkonných součástek. Suma materiálových nákladů nemusí být vzhledem k malému objemu výroby takových součástek nízká. Součástky se zpočátku výroby čtečky nakupují v relativně malém množství a od různých producentů, což může negativně ovlivnit i nákladovou cenu konečného produktu.

Pochopení principu a funkcí vytvořené čtečky si v případě pozdějších úprav žádá nastudování obsáhlé dokumentace, kterou je samozřejmě v tomto případě nesmírně nutné vést obzvlášť pečlivě. Tuto metodu zvolí pravděpodobně jen společnosti běžně vyrábějící radiová komunikační zařízení a společnosti, které mají dostatečnou kapacitu odborníků v oblasti tvorby HW na základním levelu. I přesto však vývoj čtečky tímto způsobem bude trvat pravděpodobně daleko déle než při využití ostatních možností.

Obr. 3 Blokové schéma zapojení čipu

Je zapotřebí také navrhnout a implementovat firmware řídící činnost čtečky a naprogramovat komunikační rozhraní čtečky. K tomu je zapotřebí velmi důkladné porozumění komunikačním protokolům specifikovaným mnohasetstránkovými standardy fungujícími rozdílně v mnoha modifikacích. Tyto standardy protokolů musí být vývojářem implementovány do kontroléru navrhovaného zařízení tak, aby se mohlo těchto protokolů využít k přenášení získávaných dat. Standardy popisující radiovou stránku komunikace čtečky se navíc dynamicky mění, a je tedy nutno sledovat změny v legislativě a standardech a průběžně tyto změny zapracovávat do nových výrobků a upravovat výrobky již dokončené tak, aby odpovídaly aktuálním požadavkům.

Využití dostupných integrovaných obvodů

Současný trh nabízí několik modelů čipů běžně využívaných pro stavbu dnešních UHF čteček. Tyto součástky eliminují potřebu návrhu a realizace subsystémů pro generování RF energie, jejího vysílání, přijímání odpovědi z tagů a převádění analogové odpovědi na data. Stále je ale zapotřebí pochopit a implementovat protokoly pro komunikaci, antikolizní protokoly a další protokoly. Také způsob vnější komunikace integrované čipy často neřeší, i když ani to není v budoucnu vyloučeno. Základní implementace protokolů nemusí být v případě využití čipů složitá. Pro maximalizaci možností využití navrhovaného zařízení je však zapotřebí hlubších znalostí těchto standardů, což zvyšuje nároky a čas potřebný k výrobě zařízení. Vzhledem k tomu, že pro celou RF část zařízení není zapotřebí nakupovat stovky či tisíce komponent, ale pouze jednu, zjednoduší se i celá výrobní logistika produkce čtečky.

Obr. 4 Mercury6e UHF RFID modul

Externím způsobem je však stále zapotřebí řešit situace, kdy je najednou čteno větší množství tagů či když je problém ve spojení čtečky s vyšším systémem zpracování dat. Je vhodné, aby data nebyla ani v takovém případě ztracena, ale uchována ve vyrovnávacích subsystémech čtečky do okamžiku možného odeslání tak, jak to dělají průmyslově vyráběná zařízení. Mnohé RFID tagy mají také speciální příkazy a paměťové oblasti, ke kterým se nedá standardními způsoby přistupovat, a proto se musí implementovat do čtečky nestandardní algoritmy umožňující využití právě takových nadstandardních služeb tagů. Pro tento účel je nutné do čtečky implementovat programovatelný kontrolér, který tento a další problémy umožní operativně řešit.

V dnešní době patří mezi nejznámější čipy využívané v UHF čtečkách výrobky s integrovaným analogovým frontendem Impinj (nejnovější Indy R2000), Austria Microsystems (aktuální novinka AS3993) či EM MICROELECTRONIC (aktuálně EM4298).

Pokud se výrobce čtečky či přímo nějakého RFID enabled zařízení rozhodne pro využití předpřipraveného modulu, má často výrazně usnadněnou práci. Obvody jsou již navrženy a realizovány většinou s využitím zmíněných čipů. O implementaci komunikačních standardů na všech úrovních se již postaral výrobce modulu. Součástí modulu bývá také kontrolér, zabezpečující nadstandardní funkce a zajištující předzpracování identifikačních dat získaných procesem čtení tagů. UHF RFID moduly bývají dnes miniaturní, a tedy snadno integrovatelné do libovolného zařízení stabilního i mobilního charakteru. Cena development kitu takových modulů je však bohužel často srovnatelná s cenou sériově vyráběné čtečky.

Závěr

Otázkou volby vhodného řešení UHF RFID čtečky a dalšími zajímavými otázkami spjatými s využitím technologie radiofrekvenční identifikace se zabýváme v mezinárodní laboratoři ILAB RFID na VŠB-TU Ostrava.

V některém z navazujících článků bychom rádi srovnali vlastnosti nejpoužívanějších modulů různých výrobců či jednotlivých čipů používaných ve čtečkách tohoto frekvenčního pásma.