RFID超高频标签阅读器分类

  超高频RFID阅读器的核心部件是阅读器模块,它是整个阅读器的心脏,负责与标签通信的所有功能。阅读器根据功能和应用不同有多种表现形式,分为固定式阅读器、手持式阅读器(手持机)、一体式阅读器(一体机),这3类阅读器的共同点是都具有阅读器模块(简称：模块)。

***阅读器的分类

之前介绍了阅读器固件(Reader Firmware)和射频硬件(RF Hardware)这两部分合在一起叫作阅读器核心模块,又叫作阅读器模块或模块。阅读器模块是构成阅读器 的关键部件阅读器功能和性能主要通过模块体现,而模块最关键的部分是射频硬件性能。

***射频收发芯片选型

目前超高频RFID模块主要有3种:采用专用超高频RFID阅读器芯片、采用集成无线 收发芯片、采用分立元件集成。

(1) 采用专用超高频RFID阅读器芯片。现在用于超高频RFID模块的专用芯片有 Impinj公司的R10o0/R500/ R2000系列、奥地利微电子公司的 AS3990/As3991/AS39921 AS3993系列(已被ST公司收购)、Phychips公司的 PR900o/PR9200系列,其中Impinj的 RI00o芯片是最早出现的集成专用超高频RFID阅读器芯片,是由 Intel公司开发的,后卖 给了 lmpinj公司,具有良好的性能,是早期阅读器模块的首选方案。Impinj的R200o芯片 在R100o的产品上做了较大提升,增加了载波抵消功能,现阶段该芯片是市场上性能最好 的专用阅读器芯片,中高端阅读器模块95%以上都采用该方案。采用Impinj系列专用芯片 开发模块时,需要配套McU工作,这个MCU工作为对专用芯片的寄存器进行操作,从而 实现对协议和射频收发的控制,一般高端采用 ARM7及以上规格的 MCu, Phychips的 PR9200芯片是一款小型化内置MCU的高集成度的阅读器芯片,具有低成本、低功耗、小尺 寸的优点,在中低端的阅读器中占有较大市场份额。国内的一些阅读器芯片开发公司也开 发了自主知识产权的阅读器芯片,如上海智坤半导体推出对标Impinj R200o的带有载波自 抵消功能的IBAT—2000,无锡旗连电子开发了对标Phychips PR9000/ PR920o的系列芯片。 果用专用阅读器芯片的优点为:系统内嵌Iso/IECI8000—6协议、外围电路简单、易于调试 和开发周期短。其缺点为:资料透明度低、扩展开发困难、成本相对集成无线收发芯片方案 较高、核心芯片无法替换导致供应链风险较大。

(2) 采用集成无线收发芯片。由于超高频RFID的工作频率为840~96OMHz,与手机 和许多小无线设备的工作频率重复,可以在市场上找到廉价的集成无线收发芯片,目前在 超高频RFID模块中得到广泛应用的有ADI公司推出的 ADF7020、T公司的CCIoocCI1、 Semtech公司的SXI230等。由于上述芯片在市场上有很大的销售数量,其单价成本相对 于专用超高频阅读器芯片低很多。这是由于专用阅读器芯片只能用于超高频RFID阅读 器,其芯片销量很少,一般一年只有几十万颗(或更少),而芯片开发的前期成本很高,就需要 通过这每年的几十万颗专用芯片分担,因此单价很高,而这些集无线收发芯片年销售量在 千万颗左右,其开发成本早已经被分担。一般情况下,集成无线收发芯片的成本仅为专用阅 读器芯片的不到10%。采用集成无线收发芯片的模块外围电路不太复杂,但需要工程师独 立开发协议栈部分,一般因为成本因素会选择一个单片机来实现Gen2 协议和集成无线收 发芯片的控制,这样会给工程师提供很大的开发空间,开发具有自己知识产权的产品。采 用集成无线收发芯片的模块成本很低,性能很差,常用于康价的一体机和桌面机。

(3) 采用分立元件集成。即通过使用调制解调器、PA, Balun, ADC,DAC等射频器件 集成实现。由于采用分立元件,因此每一个部件都可以选择性能最好的,分立元件的性能优 于集成芯片、由于采用分立元件集成的方案是针对高端应用,其协议和数据处理的要求很高,一般采用 FPGA或 DSP实现协议处理,采用 ARM9及以上规格的MCU作为系统主 控。如此开发的阅读器模块具有高性能的特点,其缺点是开发难度大周期长,尺寸大,产品 成本也非常高,现阶段只有Impinj和 Alien Technology等公司的高端阅读器会采用分元 件的方案、一般分立元件集成实现的阅读器模块不在市场上销售,都会以整机的形式出现。

2)阅读器模块的选择依据 阅读器模块选择的重要依据包括:符合产品标准要求、成本、体积、功耗、输出功率、抗 干扰能力、接收灵敏度、外围元件的多少、数据传输速率和开发难易等等。下面重点介绍 几点.

***符合协议要求:这是设计中的重点,如果这一点不符合,系统则无法工作。

***输出功率:发射功率越大,信号不仅覆盖面积广而且传输距离远。因此在同等条件 下、应选择输出功率高的产品(符合当地无线电规范)。

***抗干扰能力:同等发射功率和接收灵敏度的情况下,系统的抗干扰能力越强则实际 的通信距离就会越远 。

***接收灵敏度:接收灵敏度反映接收机捕获微弱信号的能力。超高频RFID阅读器模 块的接收灵敏度越高,识别误码率和识别距离都会有很大改善。

***系统体积大小:可以有效减小PCB的空间,降低成本,利于超高频RFID阅读器的 小型化开发。

***识别速率:与处理器和算法相关,尤其是在仓库、智能零售等应用中,需要快速识别 几百个标签,对处理和计算要求很高。采用集成无线收发芯片方案的模块多标签算 法较差,很难支持超过 50个标签的同时读取。

***成本考虑:实际上中国的超高频RFID项目中,成本是非常关键的因素之一,许多时 候选型是由成本决定的。

3)阅读器模块案例分析 如图下所示为ThingMagic公司的Mercury6e (M6e)嵌人式超高频RFID阅读器模块,其内部采用 了 Impinj的 R2000芯片,搭配 ARM7作为处理器。 该器件按照全尺寸阅读器的性能标准设计,其体积 小、能效高,足以满足移动应用要求。M6e 支持4 端口,并能提供最大+31,5dBm输出功率。M6e提 供串行接口和 USB接口,以支持板到板和板到主

机连接。

M6e模块的特性有: 支持多协议,包括EPCglobal Gen 2(ISO 18000-6C),含DRM、ISo 18000-6B(可选) 和IP—X(可选)。

***4个50n MMCX连接器,支持4个单静态天线。 。独立的读取和写人电平,命令调节范围为5~31.5dBm(1.4W),且高于+15dBm时精度为士0.5dBm。

***支持860~960MHz超高频RFID全载波频率范围◇以满足全球规范要求。 。可在采用 FCC、ETSI、MIC(韩国)和 SRRC—MlI(中国)监管规范的国家获得使用认证。

***TTL电平异步数据接口支持高达921.6kbps的速率。

***USB2.0全速设备端口(高达 12Mbps)。

***工作温度范围为一40℃~十60℃.

***采用高性能设置,标签读取速度每秒 750个标签。

***在使用 6dBi天线的情况下,标签最大读取距离超过 30英尺(9米)。

***4个 GPIO线路通过数据接口控制。

Thingmagic 公司的M5e/M6e等系列模块,一直是超高频RFID 市场上高性能模块的 典范。不过随着中国市场的发展以及越来越多的人才进人超高频 RFID阅读器领域,国产 阅读器模块的性能越来越好,加上中国制造的低成本优势,现在中国的中高端模块市场中也 有大量的国产品牌。

2.固定式阅读器 固定式阅读器一般应用于工业场景中,具有高性能、高可靠性等优点。其核心模块一般 采用分立元器件集成方案或 R2000的专用芯片方案,前面介绍过的 M6e 模块就是为固定式 阅读器设计的。固定式阅读器一般具有4个射频端口(也有2端口和8端口等不同端口的 固定式阅读器),同时具有多种外部接口。

如上图所示为 Impinj R700阅读器,是市场上性能最优的固定式阅读器之一,其具有如下特点。

***企业级可靠性和安全性:具有安全防护功能并支持现场升级。

***专为企业级部署而设计:高速处理能力和优越的接收灵敏度,适用于企业级物联网 解决方案。

***开发简单:通过 AP轻松地连接到 loT应用程序,并支持主流的 loT数据传输

技术。

***系统构建强大的、支持自定义的解决方案:具有强大的嵌人式系统,支持自定义的 阅读器应用程序。

***快速连接到 IoT应用程序:阅读器支持千兆以太网连接防止了数据阻塞并降低了延迟。

***可在恶劣的环境下工作:阅读器具有坚固、抗冲击的铸铝外壳。 R700的超高频RFID特性非常优越,体现在输出功率、标签识别速率、阅读器的灵敏度 以及支持多种阅读器场景等几个方面。

***输出功率:最大输出功率可达33dBm( PoE+供电)。在普通PoE供电模式下由于 供电能力不足无法支持最大功率输出,因此只支持30dBm的输出功率。现阶段市 场上超高频RFID阅读器的最大输出功率一般设置为33dBm,其主要原因是大功率 可以获得更好的工作距离。并不是输出功率一味放大就可以增加工作距离,如果输 出功率再增大,阅读器接收机中的载波信号会加强以至于系统的灵敏度下降,反而 使系统的工作距离减小。

***标签识别速率:可以达到最快每秒1100个标签,这是市场上速率最快的工业级固定 式阅读器之一。R700采用的多标签算法在3.3.2节中有详细介绍。

***阅读器的灵敏度:阅读器在误码率千分之一的条件下实现了—92dBm的灵敏度,可 以说是市场上灵敏度最好的阅读器,领先行业其他竞争对手。

***支持多种阅读器场景,如多阅读器场景(Dense Reader Mode),或干扰较大的场景, 阅读器可以根据环境的干扰情况调整工作方式。

从市场的反馈看,R700阅读器在主流固定阅读器中的性能第一,这与二十多年来 Impinj公司的努力分不开,加上 Impinj公司既有标签芯片,又有阅读器芯片,对整个系统的 积累非常深,他们开发的 R700阅读器无论在性能还是在稳定性上都有卓越的表现。

3. 手持式阅读器

手持式阅读器是超高频 RFID应用中常见的阅读器设备,它不仅包含阅读器模块,还包 含了操作系统、人机输人输出系统(按键、显示屏)、天线模块,可以说包含了一个超高频RFID系统中除了标签之外的所有元素。手持式阅读器体积小,操作方便,可以不依赖外界 设备单独工作,广泛适用于资产管理、服装盘点、车辆管理、高速收费、仓储管理、金融管理等 领域。

手持式阅读器根据是否带有操作系统和屏幕分为超高频RFID手持终端和超高频RFID蓝牙阅读器(也叫 SLED)。

1) 超高频RFID手持终端

超高频RFID手持终端从出现至今也有十几年的历史了,其最早是通过手持条形码扫 描枪改造而来的,只是在手持条形码扫描枪的前端放置了阅读器模块和天线。随着智能手 机的发展,安卓系统的手机功能越来越强大且成本逐渐降低,因而手持终端的开发变为将安 卓系统的手机增加握柄、阅读器模块和天线。如图上所示为 Alien Technology的 H450手持机是一款具有按键的工业级手持机,具有如下特点:

***支持一维条形码和二维码。

***支持蓝牙、Wi—Fi、GPS和 3G通信,还支持与智能手机相同的摄像头、麦克风、光亮及重力传感器等。

***支持触摸屏和实体按键。实体按键的加人是许多工业用户的要求,因为一些应用场

景中操作员需要带着厚重的手套,无法使用触摸屏。

***有两块电池,一块3200mAh的电池在键盘的背面,一块5200mAh的电池在握柄内。

***防护等级为 IP64。 支持1.2m跌落防护。

***其超高频RFID模块为 R2000的单端口模块,配合一个 5dBi圆极化天线放置在手 持机顶部的方形塑料盒中。支持5~30dBm的射频功率输出。

在一般的超高频RFID项目中,都会配套手持终端,用于人工盘点和管理,尤其是在服装应用中,每个门店都会有2或3台手持终端。

2) 超高频 RFID蓝牙阅读器

蓝牙阅读器,顾名思义就是通过蓝牙通信作为与外界数据交互的阅读器。蓝牙阅读器 构造非常简单,包括一个阅读器模块、天线以及蓝牙接口,与手持终端相比只是缺少了安卓 系统的硬件设备。蓝牙阅读器必须配合手机等带有蓝牙通信功能的设备才能工作,同样具 有简单灵活的优点。与手持终端相似,蓝牙阅读器的前端也有一个方形塑料盒子,里面是阅 读器模块、天线、扫描头等,如图下所示为该前端的装配图。

如图下所示为一款带有手机夹子的蓝牙阅读器。该蓝牙阅读器可以配套 Android/i0S手机工作,直接从一台简易的蓝牙阅读器变为手持终端。该设备的特点如下:

***尺寸为143mmX76mm X140mm(仅主体);重量为483g。

***电池规格:5200mAh;待机时间>70小时(蓝牙连接状态);工作时间6小时左右 (超高频群读)。

***具有3个指示灯,分别是电源电量灯、工作灯、蓝牙连接灯。

***支持蓝牙4.0和蓝牙 BLE。

***连续滚动1000次0.5m.6个面接触面滚动后依然稳定运行,达到 IEC滚动规格。

***IP54,达到IEC密封标准。

***士15kV空气放电,土8kV接触放电。

***支持一维条形码和二维条形码。

***其超高频RFID模块为R2000的单端口模块,配合 一个3dBi圆极化天线放置在手持机顶部的方形塑 料盒中。支持最大33dBm(2W)输出。 如图下所示为一个类似球拍形状的蓝牙阅读器,同 样需要必须配合手机等带有蓝牙通信功能的设备才能工 作。该蓝牙阅读器的特点是与手机完全分立,操作更方便, 特别适合于服装盘点的应用。

4.一体式阅读器 一体式阅读器应用场景与固定式阅读器相同,都不需要人为改变阅读器的位置,不同点在于—体式阅读器内部集成了天线,常见的一体式阅读器为桌面读卡器和带有定位、数据 处理等功能的网关(Gateway)设备。

1)桌面机

超高频RFID桌面机的产生是借鉴了 HF RFID读卡器的应用场景。早期的公交卡、各 种会员卡都是使用 HF RFID技术,且需要大量的读卡器对 HF标签进行初始化读取数据。 因此超高频 RFID桌面机只需要将原有的 HF RFID读卡器内的模块和天线进行更换即可。

如图下所示为一款简易的超高频RFID桌面 机,其特点为:

***超高频 RFID桌面阅读器采用 Impinj R500 模块方案,最大输出功率30dBm(对工作距离 要求不高时可以采用成本更低的模块)。

***内置 3dBi圆极化天线,读取标签距离可达 0~lm(可调)。

***可实现100tags/s的标签识别率。

***可单独使用 USB口实现供电以及通信功能,实现最简化的连接。

***内置LED灯和蜂鸣器,可根据需求对LED以及蜂鸣器进行控制。单 USB供电时 最大输出功率为15dBm,如需要输出 30dBm,则需要采用双 USB供电。

***写人性能极佳,特别适用于桌而发卡器或高性能工业应用中的标签识别设备。

2）网关设备

网关设计其实是高性能阅读器或模块与天线的结合,其表现形式有很多种,如作为物流 使用放置在仓库门口的网关,或作为图书馆出人口的防盗门、或作为仓库顶悬挂的可以实现 定位功能的网关,

这些设备的特点为根据具体的应用场景不同,将原来的固定式阅读器进行了一体化处 理,配合更专业的天线实现良好的解决方案,许多网关设备内还带有强大的计算能力。这类 网关设备的优点是专业性强,缺点是灵活度差,只能适合一类应用。 图5—11(a)为一个图书馆防盗门网关,一般是由两扇门组成。该系统中有4个天线和一个四端口模块或阅读器。如果采用固定式阅读器内置,则可以通过 I/O口直接管理红外触 停止,并完成数据处理和传输。