Najnowsze artykuły
Technologie RFID i EPC | Ocena i badanie systemów RFID przez szybkie prototypowanie
4260
post-template-default,single,single-post,postid-4260,single-format-standard,ajax_fade,page_not_loaded,smooth_scroll,,qode-theme-ver-1.4.1,wpb-js-composer js-comp-ver-4.3.4,vc_responsive

Ocena i badanie systemów RFID przez szybkie prototypowanie

Ocena i badanie systemów RFID przez szybkie prototypowanie

20:47 13 Luty w Inne

Streszczenie

           Dzisiejsze systemy RFID wykazują stosunkowo małą  funkcjonalność, natomiast przyszłe systemy i wszechobecna komputeryzacja aplikacji wymagają dużego zestawu funkcji ogólnego przeznaczenia, takich jak szeroki zakres komunikacji, wysokich szybkości transmisji danych, wysokiej niezawodności i wiele więcej. W celu spełnienia tych celów, muszą być spełnione następujące wyzwania: zgodność urządzeń RFID, działających zgodnie z innymi standardami w różnych dziedzinach częstotliwości; dokładne zrozumienie wpływu parametrów systemu na wydajność warstwy fizycznej; przedsięwzięcie bezprzewodowych technologii w kontekście RFID oraz poradzenie sobie ze wzrostem złożoności technologii RFID. Ten artykuł wprowadza koncepcję szybkiego prototypowania w technologii RFID i zawiera przegląd symulatorów systemu oraz demonstracji. Przedstawione są wytyczne dla instalacji takiego systemu szybkiego prototypowania, oraz udowodniona jest jego realizacja. W artykule zawarte są również niektóre przeprowadzone pomiary systemu.

 1 Wprowadzenie i motywacja

              Obecnie, identyfikacja radiowa (RFID) jest technologią bardzo szybko pojawiającą się w zastosowaniach wymagających identyfikacji i śledzenia towarów. W przeciwieństwie do innych technologii identyfikacji, takich jak pasek magnetyczny czy kod kreskowy, nie potrzebna jest do identyfikacji elementu linia wzroku, a wiele towarów można zinwentaryzować prawie jednocześnie. Możliwość różnych zastosowań w dziedzinie identyfikacji i śledzenia elementów jest bardzo obiecujące. Kilka z takich aplikacji zostało już zrealizowanych, m.in. do śledzenia i identyfikacji dokumentów (elektroniczne paszporty, zautomatyzowane systemy biblioteczne), pobierania opłat drogowych, kontroli dostępu, śledzenia zwierząt. W szczególnych sytuacjach, podczas wprowadzania RFID jest często dostosowywany do pracy. Ogólne zastosowania RFID wciąż nie są dobrze obsługiwane przez dostępny sprzęt RFID. Do zastosowań w dziedzinie logistyki należą: usługa automatycznego śledzenia paczek, automatyczny spis całych kontenerów wypełnionych różnymi towarami, identyfikacja produktów na linii produkcyjnej, automatyczna identyfikacja produktów klienta przy kasie w sklepie, śledzenie towarów na terenie całego łańcucha dostaw. Dzięki takim zastosowaniom procesy logistyczne mogą być ogromnie ułatwione i bardziej wydajne od obecnie wykorzystywanej technologii. W poniższym rozdziale zidentyfikowane są niektóre z głównych problemów i wyzwań RFID, które są wszechobecne w codziennym życiu. Potencjał do obsługi tych wyzwań przez symulatory systemu RFID omówiony jest w rozdziale 3. Sekcja 4 wprowadza koncepcję szybkiego prototypowania  i jej siłę w ocenie systemu. W rozdziale 5 zawarte są konfiguracja i wytyczne zarówno dla interfejsów cyfrowych jak i analogowego pasma. W części 6 przedstawione są wyniki dotyczące wpływu wybranych parametrów systemu RFID na wydajność całości i wzajemne zależności tych środków działania. Ostatnia sekcja podsumowuje artykuł i daje perspektywy dla przyszłych kierunków badawczych.

 2 Wyzwania dla technologii RFID

2.1 Kompatybilność ze współczesnymi systemami RFID

         W podstawowym systemie RFID, między czytnikami RFID rozróżnia się: tagi RFID i oprogramowanie pośredniczące RFID. Ponadto, rozróżnione są aktywne, pół-pasywne i pasywne systemy RFID. W pasywnych systemach RFID, tagi otrzymują energię potrzebną do obróbki od pola elektromagnetycznego, które jest zapewniane przez czytnik. Pasywne systemy RFID mają tą przewagę, że tagi mają niski koszt i nie muszą być ładowane, jeśli ich bateria jest pusta. W systemach częściowo pasywnych i pasywnych, transmisja danych ze znacznika do czytnika jest osiągnięta przez rozproszenie wsteczne lub modulację obciążenia. Te modulacje polegają na pochłanianiu lub odbijaniu mocy na znacznik RFID. Systemy RFID pracują w różnych pasmach częstotliwości: w niskiej (LF) domeny przy 125 kHz i 134,2 kHz i w wysokiej częstotliwości (HF) w domenie 13,56 MHz. Znaczniki pasywne sprzężone są z czytnikiem poprzez pole magnetyczne (głównie sprzężenie indukcyjne) i przekazuje informację do czytnika techniką modulacji obciążenia. Systemy UHF działają w paśmie 860-960 MHz, w których stosuje się modulację RFID rozproszenia wstecznego do komunikacji. RFID jest obecnie rozszerzony na pasmach 2,4 i 5,8 GHz. W każdym z tych wielu pasm częstotliwości, pojawiło się kilka różnych standardów. Różne technologie RFID, zarówno aktywne, pół-pasywne i pasywne, z różnych pasm częstotliwości i standardów RFID, doprowadzają do kompatybilności i interoperacyjności kwestii dzisiejszych systemów RFID. Obecnie, urządzenie RFID jest często opracowywane w celu wsparcia jednej konkretnej aplikacji oraz dopasowane do pewnej dziedziny częstotliwości jednej konkretnej normy. To sprawia, że urządzenia często nie nadają się do innych zastosowań RFID.

2.2 Wpływ na parametry systemu

           Dzisiejsza technologia RFID, nie jest jeszcze gotowa do urządzeń RFID ogólnego przeznaczenia, szczególnie jeśli chodzi o wyniki warstwy fizycznej. Typowymi celami dla systemu ogólnego przeznaczenia są: niezawodność, wysoka przepustowość, duża odległość odczytu, sprawna komunikacja w sytuacji wielu bramek, pełna wydajność w różnych środowiskach i pełna funkcjonalność, niezależnie od cech obiektów przyłączonych do tagów. W celu dalszego przesuwania się wydajności surowej warstwy lub technologii RFID, niezbędne jest zrozumienie celów konstrukcyjnych o różnych parametrach systemu. Takie parametry systemu obejmują: konfigurację sprzętu, moc transmisji, schematy modulacji czy parametry kodowania. Fundamentalna jest dogłębna wiedza na temat wzajemnego oddziaływania celów projektu i dostępnych kompromisów. Ważnymi kwestiami są np. kompromis między szybkością danych, odległością odczytu i niezawodnością. Wyzwaniem jest zaprojektowanie elastycznego środowiska testowego, aby doświadczalnie zbadać wpływ niektórych parametrów na system. Wyniki pomiarów na temat wybranej szybkości transmisji danych i mocy nadawania na niezawodność systemu zawarte są w rozdz. 6.

2.3 Przedsięwzięcia nowych technologii

       Nowo wprowadzone technologie bezprzewodowe, a w szczególności RFID potencjalnie mają ukryć nieprzewidziane wyzwania ze względu na brak doświadczeń w zakresie wdrażania i zachowania się w realistycznych scenariuszach. Przykładem do rozważenia jest bezprzewodowy kanał systemów identyfikacji radiowej, który dopiero niedawno został opisany dla wielu anten. Brak szczegółowych ustaleń z podstawowych procesów fizycznych takich nowatorskich technologii, utrudnia ich wprowadzenie do technologii RFID. Dlatego w instalacji doświadczalnej ważna jest dokładna ocena i szczegółowe badanie tych nowych pojęć.

2.4 Radzenie sobie z rosnącą złożonością

          W celu spełnienia wysokich wymagań dotyczących przyszłych parametrów technicznych wyposażenia RFID, przewidywane są złożone techniki przetwarzania sygnału. Wraz z rosnącą złożonością algorytmów przetwarzania sygnału, naturalnie zwiększa się również złożoność wdrożenia. Aby nadążyć za rosnącymi wyzwaniami w wdrażaniu prototypów, paradygmaty projektowania zmieniły kierunek szybkiego prototypowania w systemach bezprzewodowych. Konwencjonalne metody projektowania są często czasochłonne i nie oferują możliwości zwiedzenia nowego systemu w różnych konfiguracjach.

2.5 Wymagane konfiguracje testowe

            W celu przeciwdziałania rosnącej złożoności systemów RFID o wysokiej wydajności, naukowcy dążą do bardzo elastycznego i konfigurowalnego środowiska testowego. Aby ocenić różne warianty architektury systemu i realizacji nowych projektów RFID, w pełni zbadać właściwości fizyczne systemy RFID i ich parametry, a także zaprojektować jeden odpowiadający wszystkim urządzeniom system RFID. Symulatory mogą zaoferować wymaganą elastyczność w celu zbadania systemu w różnych konfiguracjach, jednak ważność wyników silnie zależy od realistycznych założeń i modelowania. Z drugiej strony, środowisko testowe składające się z elementów z poza półki, może umożliwić konfigurację pomiarów doświadczalnych. Jednakże dostęp do żądanych ustawień parametrów, często nie jest możliwy, system może być badany tylko w ograniczonym zakresie konfiguracji. Dodatkowo, wydajność dostępnego sprzętu musi być akceptowana. Pomiędzy tymi dwoma ekstremami szybkiego prototypowania, środowisko zapewnia wysoki stopień elastyczności i pozwala badać doświadczalnie systemy RFID w różnych aspektach. Po koncepcji szybkiego prototypowania , kod symulacji wysokiego poziomu jest stale odwzorowywany od bardziej szczegółowych opisów, a także ostatecznie realizowane na platformie sprzętowej. Platformy sprzętowe składają się na ogół z łatwo konfigurowalnych elementów, takich jak cyfrowe procesory sygnałowe (DSP), programowalne pola macierzy bramek (FPGA), analogowo-cyfrowe mikro kontrolery (ADCs) oraz cyfrowo-analogowe przetworniki (DAC). W porównaniu ze środowiskiem symulacji wadą jest dłuższy czas rozwoju i czas początkowego przygotowania docelowego sprzętu. Jednak, gdy sprzęt i związany z projektowaniem przepływ są utworzone, ocena wszystkich aspektów pożądanej innowacji systemu jest w pełni wsparta. Inne z ograniczeń sprzętowych, które mogą zawężać pełen potencjał eksperymentów to m.in.: ograniczenie szerokości pasma lub dokładności oscylatorów. Szybka konfiguracja platformy sprzętowej zależy od wsparcia elektronicznego oprogramowania projektowania automatyzacji (EDA). Bardziej szczegółowy opis koncepcji szybkiego prototypowania zawarty jest w rozdz. 4.

3 Badanie środowisk testowych RFID

      Poniżej przedstawiony jest przegląd stanu ustawień dla eksploracji systemu RFID. Porównane są symulatory testowe, środowiska testowe ze składnikami spoza półki i szybkie środowiska prototypowania.

3.1 Symulatory systemowe

W celu realizacji bardziej realistycznych scenariuszy i zweryfikowania założeń symulacji, następuje podejście do walidacji wyników symulacji przez sprzęt RFID dostępny w handlu lub w szybkich środowiskach prototypowania.

3.2 Środowisko testowe według elementów spoza półki

          Naukowcy uwierzytelniają wyniki symulacji z danymi pomiarowymi generowanymi przez elementy RFID spoza półki lub z dostępnymi na rynku komponentami RFID czy sprzętem pomiarowym. Podejście to ma jednak tę wadę, że projektanci nie mają pełnego dostępu do wszystkich parametrów w docelowych urządzeniach. Badacze nie mogą wykorzystywać nowatorskich koncepcji przetwarzania sygnałów w warstwie fizycznej. Ponadto, jedynie eksperymenty z istniejącego sprzętu mogą być przeprowadzane. W wypadku nowych koncepcji, nie można dokonać bezpośredniej oceny przez pomiar.

3.3 Szybkie prototypowanie dla środowisk RFID

       Zgodnie z koncepcją szybkiego prototypowania, kod symulacji jest konsekwentnie odwzorowywany na urządzeniach wbudowanych. Jego funkcjonalność jest badana zarówno w symulacji jak i w środowisku pomiarowym. W porównaniu z opisanym wcześniej podejściem stosującym dostępne w handlu elementy RFID, to podejście ma tę zaletę, że projektanci szybko mogą zbadać nowy system przez doświadczenia. Dostęp do poszczególnych parametrów konfiguracji jest w pełni dostępny.

4 Koncepcja szybkiego prototypowania

       Ten rozdział zawiera szczegółowy opis koncepcji szybkiego prototypowania i rozróżnienia od innych koncepcji projektowych. Ponadto zidentyfikowana jest specyfika stosowania szybkiego prototypowania w RFID.Często prototypy są wstępnymi badaniami dotyczącymi produktu końcowego. Demonstracje przeprowadzane są w celu pokazania możliwości takiego produktu, czy w celach marketingowych dla przyszłych produktów. Często takie prototypy zawierają całą specyfikację produktu końcowego,  a zatem w bardzo złożonych systemach ich rozwój może być trudny i czasochłonny. Zwłaszcza, że na wczesnym etapie projektowania eksploracja systemu nie jest obsługiwana. Szybkie wykonywanie prototypów ma na celu przyspieszenie procesu projektowania. Oto kilka sposobów aby to osiągnąć:

  1. W celu realizacji wysoce konfigurowalnych ustawień, większość zadań przetwarzania sygnałów jest realizowane w dziedzinie cyfrowej na łatwe rekonfiguracji komponenty, a nie na płytkach obwodów drukowanych na zlecenie (PCB) z analogowymi komponentami (np. filtry, modulatory i demodulatory, enkodery). Całe przetwarzanie pasma po stronie nadajnika jak i odbiornika, jest realizowane przez komponenty cyfrowe, które zdecydowanie ułatwiają szybkie i ponowne konfiguracje. Analogowa nakładka jest wymagana do dalszych zdań takich jak: konwersja częstotliwości, wzmocnienie mocy lub dopasowanie anteny.
  2. Pojęcie szybkiego prototypowania ma zawierać tylko to, co jest przedmiotem szczegółnego zainteresowania, a nie całej funkcjonalności prototypu. Mogą to być np. niektóre z algorytmów przetwarzania sygnałów, które zostały niedawno wprowadzone, jak synchronizacja i dekodowanie koncepcji.
  3. Cel nie jest skierowany w stronę bardzo efektywnej realizacji korzystającej z zasobów, ale raczej w kierunku wykazania wykonalności i funkcjonalności wdrożenia. Można określić znaczenie architektury odbiornika lub wpływ zmiennych, jednak nie jest to cel dla całego projektu.
  4. Ze względu na wykorzystanie potężnych platformie, projektanci nie muszą się martwić o niektóre szczegóły implementacji, ale mogą skoncentrować się na realizacji algorytmów. Typowe platformy składają się z zestawu DSP, FPGA, mikrokontrolerów i ADC / DAC. Platformy te nie są przeznaczone do konkretnego zastosowania, ale nadają się do szerokiej gamy różnych implementacji.
  5. Elektroniczna automatyzacja projektowania przemysłu (EDA), oferuje kilka narzędzi do automatyzacji i przyspieszenia procesu projektowania (np. Matlab / Simulink, Generator Systemu DSP, Altera Quartus i DSPBuilder, Coware lub LabVIEW). Proces przejścia z jednego poziomu do następnego poziomu bardziej szczegółowego opisu jest wysoce zautomatyzowany. Przyspiesza to proces projektowania oraz zapewnia spójność pomiędzy poszczególnymi warstwami opisu.

         Szybkie prototypowanie spełnia wymagania również w konfiguracji eksperymentalnej jeśli chodzi o poszukiwania i ocenę systemów bezprzewodowych. W porównaniu z innymi środowiskami komunikacyjnymi, różne cechy systemu RFID są identyfikowane pod względem jego prototypowania:

  1. Czytnik RFID musi dostarczyć bierny znacznik RFID, podczas rozproszenia wstecznego informacji do czytelnika. Zbyt silne dostarczenie energii do odbiornika przewoźnika powoduje wyciek. Może być do 90 dB silniejszy niż pożądane odbieranie sygnału. Zatem znaczniki pasywne żądają od czytnika do obsługi, wewnętrznego wycieku z nadajnika do odbiornika. Odnosi się to do rozwoju obu interfejsów odbiornika, analogowych jak i cyfrowych.
  2. Pasywne znaczniki w ograniczonych możliwościach są przetwarzane i stąd wymagane są skomplikowane algorytmy przetwarzania sygnału, aby mogły być realizowane na czytniki RFID. Wymagane współdziałanie między czytnikiem a znacznikiem oblicza zaawansowany system transmisji, który jednak nie jest dostępny przy niskiej złożoności tagów.

5 Konfiguracja platformy z podwójną częstotliwością RFID

5.1 Przepływ projektowy

     Koncepcja szybkiego prototypowania określa przypływ jako postać rozłożoną na trzy warstwy. Pierwsza warstwa to model łącza, druga model warstwy fizycznej oraz szybki prototyp. Symulacja warstw łącza i fizycznej służy odpowiedno do przetwarzania protokołu oraz sygnałów. Model warstw łącza kodowany jest w C++ i SystemC, co umożliwia obsługę wielu standardów. Fizyczna warstwa jest modelowana w Matlab, bądź Simulink. Służy to jako udoskonalenie modelu łącza. Dodatkowo model warstw łącza ocenia i moduluje ustawienia kanałów, efekty kanałów, a także konkretne szczegóły architektury odbiornika. Pomiary prowadzone w czasie rzeczywistym sprawdzają zarówno protokół jak i przetwarzanie sygnału. Dwie różne domeny częstotliwości, mianowicie HF 13,56 Mhz, oraz UHF 868 MHz są obsługiwane przez dwa pomiary z wymienną częstotliwością nakładki radiowej (RF). Trzecia nakładka na 2,4 Ghz jest aktualnie w przygotowaniu. Złożenia do symulacji są sprawdzane i weryfikowane, a wyniki dwóch symulacji warstw mają wpływ na warunki parametrów RFID, architekturę odbiornika, warunki środowiskowe czy konfiguracje sprzętowe. Poszczególne warstwy w projektowaniu przepływu są nie tylko samodzielne, lecz także ściśle ze sobą powiązane. Dla przykładu, wygenerowane sekwencje z modelu łącza może służyć jako wejście do nadajnika w modelu warstwy fizycznej, a próbki sekwencji znaczników, które są zrobione na prototypie pomiaru FPGA  w czasie rzeczywistym. Może to służyć jako wejście dla symulacji odbiornika modelu warstwy fizycznej. Automatyzacje projektowania przepływu uzyskuje się w następujący sposób: Kod z czytnika RFID z modelu warstwy łącza, który jest bezpośrednio osadzony na DSP oraz kod z modelu warstwy fizycznej jest automatycznie konwertowany do VHDL, a następnie osadzony na FPGA poprzez narzędzie do konwersji VHDL występujące w Simulink. Konwersje tą można zrobić poprzez narzędzie HDLCoder w Matlan lub w systemie Xilinx Generator. Narzędzia te są dobrze dostosowane do bloków danych zorientowanego przepływu (np. filtrów), ale niestety nieefektywne jest wpierania projektów o silnej kontroli zorientowanych częściach. Takie bloki są zakodowane w tradycyjnym kodzie VGDL. Generowane automatycznie bloki są następnie osadzane w obrębie VHDL. Ten spójny i zautomatyzowany proces oceny zapewnia szybką konfiguracje prototypu. Z tego podejścia, różne architektury przetwarzania sygnałów zostały przystosowane do siebie, np. za pomocą odbiorników demodulatorowych z systemem wykrywania lub synchronizacji.

x1 schemat rfid

                                                                                  Rysunek 1 Schemat przepływu prototypowania RFID

5.2 Cyfrowe pasma

          Sekcja cyfrowego pasma została zaprojektowana jako modułowy i łatwo parametryzowany. Modułowa budowa zapewnia łatwą wymianę niektórych bloków, jak na przykład, modulatory, demodulatory lub filtry. W celu zbadania wpływu niektórych parametrów systemu, konieczne jest zapewnienie dostępu z aplikacji aby zmienić te parametry. W mikrokontrolerach i DSP, parametry te są odbijane przez zmienne, podczas gdy FPGA, parametry te są przechowywane w rejestrach, które dostępne są od oprogramowania sterującego. Cyfrowe pasma przetwarzania składają się z następujących modułów:

  1. Przetwarzanie protokołów naturalnie musi być dokonane na elementach cyfrowych (tj. DSP jak w naszej realizacji lub mikrokontrolery). W celu obsłużenia szerokiego zakresu aplikacji RFID oraz w celu rozwiązania problemów z kompatybilnością. Nasz system szybkiego prototypowania wspiera wiele protokołów domenie częstotliwości HF i UHF.
  2. Generowanie sygnału: dzięki elastycznej konfiguracji, możemy wygenerować sygnał nadawania w domeny cyfrowe na FPGA. Wszystkie te parametry wpływają na kształt transmitowanego sygnału. Są też dostępne poprzez rejestr szybkości transmisji danych, kodowania, modulacji i parametrów filtrów.
  3. Modulacja: kluczowanie amplitudy przesunięcia (ASK) z regulowaną głębokością modulacji jest obsługiwane w nadajniku.
  4. Kodowanie i dekodowanie: jest kilka rodzajów kodowania znormalizowanego, takich jak Pulse Interval Encoding, one-out-of-four czy FM0. Struktura kodu FM0 zrealizowane korelatorem umożliwia maksymalną sekwencję wiarygodności dekodowania.
  5. Konwersja w górę/ w dół: Zależność cyfrowego pasma do interfejsu analogowego jest realizowane w paśmie lub częstotliwości pośredniej. Zaletą realizacji demodulacji I/Q w domeny cyfrowe wymagają tylko jednego ADC do pobierania próbek odbioru sygnału i zmniejsza zakłócenia I/Q. Nierównowaga wymaga wyższego zwrotu próbkowania.
  6. Filtrowanie: parametry filtra cyfrowego szybko zostają zrealizowane przy pomocy narzędzia do projektowania filtrów (filtr i przybornik z analizy projektu Matlab).
  7. Detekcja sygnału: Jedno z największych wyzwań w technologii RFID. Czytnik odbioru wykrywa sygnały otrzymywane ze względu na następujące fakty: po pierwsze, odbiór mocnego sygnału jest ograniczona poprzez przeciekający sygnał nośny. Z tego powodu wymaga dostaw energii pasywnych. Po drugie, odbiór sygnału ma wysoki zakres dynamiki w zależności od czytnika odległość, blaknięcie oraz wielodrogowość ma wpływ na wydajność rozproszenia wstecznego znacznika. Ostatecznie hałas może poważnie obniżyć wydajność detekcji, co jest szczególnym problemem w środowiskach przemysłowych. Dlatego też, sygnał modulacji znacznika może być w zasadzie umieszczony w dowolnym miejscu na płaszczyźnie I/Q czytnika odbiorcy.
  8. Synchronizacja: jest  głównym problemem w ogólnej komunikacji bezprzewodowej, w zakresie szerokiej częstotliwości łącza rozproszenia wstecznego, w szczególności w technologii RFID.

x2 cyfrowa archtektura

                                                                                     Rysunek 2 Cyfrowa architektura dla czytnika RFID

5.3 Płytki Analogowe

      Na ogół nakładka analogowa często jest wąskim gardłem w czasie realizacji szybkich środowisk prototypowania. Taką nakładką może być off-the-shelf nakładka lub po prostu własna konstrukcja. Oczywiście są tego plusy i minusy. Najprostszym i najszybszym sposobem uzyskania takiej nakładki jest zakupienie typu off-the-shelf. Niestety, takie urządzenia są trudno dostępne. Ponadto, analogowe fale radiowe wskazują niską elastyczność. Alternatywą jest nakładka zaprojektowana specjalnie od producenta, którą jest oferowana do rzeczywistych potrzeb. Jest to zwykle bardzo kosztowna droga dla tak małej liczby nakładek, zazwyczaj konieczne do szybkiego prototypowania środowiska. Ponadto każda adaptacja nakładek powoduje dodatkowe koszty. Produkty dostępne na rynku mogą być użyte jako czytnik nakładek off-the-shelf. Takie podejście wymaga jednak szczegółowych dokumentacji o PCB, które zwykle nie są dostępne. Kolejną wadą jest to, że nakładki są często zintegrowane w systemie on-chip, przez co realizacja tego podejścia jest niemożliwa. Wątpliwa jest także jakość tego rozwiązania w dziedzinie badań i projektów nowych technologii. Drugą możliwość polega na samodzielnej kompilacji wymagań nakładek analogowych. W tym przypadku, różne rozwiązania są możliwe:

  1.  Jedną ze strategii rozwiązania projektu jest zastosowania pojedynczego chipa. Wadą tego rozwiązania jest to, że wysoce zintegrowana nakłada częstotliwości radiowej posiada kawałki zaprojektowane tak, aby spełniły minimalne wymagania określonego produktu końcowego konsumenta. Do celów badawczych, często znaczne lepiej jest wymagana wydajność. Dodatkowe takie chipy są niedostępne dla przyszłych standardów. Specjalnie dla chipów czytnika RFID, nakładki analogowe są bezpośrednio połączone z pasmem cyfrowym co uniemożliwia modyfikacje ich.
  2.  Realizacja projektu tylko z dyskretnych elementów, takich jak tranzystory i diody wymaga bardzo wysokiej częstotliwości radiowej i powoduje opóźnienie w rozwoju. Ponadto ogólny projekt obwodu będzie bardzo złożony.
  3.  Dlatego nakładek częstotliwości radiowej z szybkim środowiskiem prototypowania należy opracować w dostępności state-of-the-art, w której komponenty są z niższym poziomem integracji (np. mikser, wzmacniacze, filtry), ale z dużo lepszą wydajnością niż pojedyncze rozwiązania chipowe. Projektowanie częstotliwości radiowej nakładek jest wtedy znacznie niższe niż w porównaniu z realizacją z elementów dyskretnych.  Wyzwaniem jest wdrożenie i ewentualnie późniejsze dostosowanie wysokiej jakości częstotliwości nakładek radiowych, które będą wsparciem przyszłych norm z dzisiejszą technologią. Niemniej dostępność składników, zwłaszcza częstotliwość selektywnych części, ma kluczowe znaczenie w procesie projektowania, ponieważ systemy te zwykle wdrażane będą w  następnych latach.

      Architektura własnej konstrukcji szybkiego prototypu nakładek musi zapewnić maksymalną elastyczność oraz najlepszą wydajność w krótkim okresie rozwoju. Oczywiście, kompromis pomiędzy elastycznością, wydajnością, a rozwojem musi być na czas znaleziony. W przeciwieństwie do interfejsów dla komunikacji zoptymalizowanych systemów szybkiego  prototypowania wymaga trzech głównych funkcji takich jak konwersja częstotliwości, wzmocnienie i filtrowanie. Zwłaszcza w pasywnych i pół-pasywnych systemach RFID, izolacja między nadajnikiem, a odbiornikiem jest kluczowym zagadnieniem dla nakładki czytnika. Najlepszą izolacją uzyskuje się stosując albo cyrkulator lub sprzęgacz kierunkowy pojedynczej anteny czytnika. Rysunek 3 przedstawia koncepcję nakładek dla czytnika RFID w dziedzinie częstotliwości UHF. Zarówno nadajnik jak i odbiornik oparte są na niskiej częstotliwości pośredniej (IF) do pojęcia RF w połączeniu dwustopniowym przemian częstotliwości. Dlatego dwa lokalne oscylatory sygnałów są wymagane, by zapewnić standardowych generatorów sygnału. Na poprawę izolacji nadajnik- odbiornik stosuje się dodatkowy moduł, urządzenie kompensacji przewoźnik (CCU), który dodaje się do anulowania zakłócenia lub bezpośredni sprzężenie w odbiorniku. Mikrokontroler jest częścią jednostki koncepcją systemu do celów monitorowania i kontroli jak również do ewentualnej komunikacji z szybkiego prototypu.  Statystyczny scenariusz z drobnymi zmianami środowiskowymi mikrokontrolera nie jest wymagane by nie zmienić znacząco nieszczelność komponentów wielościeżkowych. Sprawa ta jest wystarczająca do kalibrowania CCU dla prawidłowej izolacji. Nakładka UHF może być bezpośrednio powiązana z pokładem cyfrowego pasma w pośrednią częstotliwością nośną, która jest dobrze obsługiwane przez próbkowanie ADC częstotliwości (13,33 Mhz). Występująca jako nakładka transpondera i jest liniowym nie ograniczającym do schematów modulacji, które są obecnie standaryzowane na RFID. Nakładka może być używana we wspólnym nadawaniu i odbiorze sygnału anteny jak również w oddzielnym nadawaniu i odbieraniu sygnału anteny. W pojedynczej antenie czytnika RFID, sprzęgacz kierunkowy może być stosowany w celu zapewnienia oddzielenia między nadajnikiem, a odbiornikiem. CCU jest przeznaczone do dalszej poprawy izolacji nadajnik – odbiornik zarówno wspólne lub oddzielne konfiguracje anten.

x3 uproszczony schemat

                                                                                     Rysunek 3 – Uproszczony schemat blokowy czytnika UHF

6 Badanie parametrów systemu RFID

     Dogłębne zrozumienie oddziaływania parametrów wpływających na cele wydajności (takich jak wysokiej niezawodności i wysokiej szybkości transmisji danych), jak również dostępne kompromisy jest to niezbędne w celu dalszej poprawy technologii RFID. Przykładowy znak jest wpływ mocy nadawania (PTX) i częstotliwość rozproszenia wstecznego (BLF, proporcjonalna do szybkości transmisji danych), odzwierciedlone przez otrzymanej energii do szumu gęstości widmowej mocy w stosunku Eb/N0 czytnik RFID z jednej strony, a z drugiej błędów w komunikacji. Eb/No wychodzi ze wzoru:

x3a wzor

          Jest to proporcjonalna do PTX i odwrotnie proporcjonalna do BLF, jak wraz okresu (proporcjonalnym do 1/BLF) czasu do akumulacji energii dla jednego wzrostu bitów, przy założeniu stałej mocy otrzymanych w systemach komunikacji rozproszenia wstecznego (EB=PRX/BLF PRX oznaczająca otrzymaną moc sygnału). Stała proporcjonalność „c” obejmuje wszystkie straty systemu, takie jak tłumienie kanału. Dobór parametrów oraz PTX BLF stanowi tylko przykład. Wyniki tego pomiaru są typowe, ale oczekuje się, że zestaw znaczników powoduje nieznaczną  różnice w pomiarach. Odbiornik cyfrowy oblicza szacunkową Eb/N0 i oblicza współczynnik błędu pakietów (PER) otrzymana sekwencja, jest to stosunek udanych odczytów do całkowitej próby odczytu. Znacznik okresowo odtwarza tą samą sekwencje do 104 razy dla każdego punktu pomiarowego, przed wejściem parametry są uaktualniane.

x4 konfiguracja

Rysunek 4 Konfiguracja pomiaru wpływu testowania pewnych parametrów

x5 kolejnosc

Rysunek 5 Kolejność przesłuchań w pomiarach

                   Rysunek 5 przedstawia sekwencję stosownych zapytań. To wymaga unikalnego identyfikatora (elektroniczny kod produktu (EPC)) z Class 1 Generation 2 UHF RFID po okresie rest. Błędny pakiet liczy, jeśli wystąpi jakiś podczas odczytywania z kodu EPC. Komunikat ten zawiera dwa pakiety przesłane z czytnika do znacznika (bit 22 i 16) jak również przyjmowania dwóch odpowiedzi znacznika (16 i 128 bitów). Odzwierciedla to surową wydajność warstwy fizycznej jak retransmisje są wykonywane, jeśli cykliczna kontrola (CRC) kodu EPC nie powiedzie się. Wynik oceny ma związek z wydajnością czytnika i znacznika, co oznacza, że składniki nie zostały zweryfikowane indywidualnie, ale ogólnie działania na system.

6.1 Wyniki

          Rysunki 6 i 7 wskazują zależność Eb/N0 i PER na częstotliwości łącza rozproszenia wstecznego i moc nadawczą jako parametr. Odbiornik Eb rozpada się przy wzroście BLF, z powodu następujących przyczyn: wraz ze wzrostem szybkości transmisji danych energii bit naturalnie zmniejsza się. Wyższe szybkości transmisji łącza również prowadzą do wyższych tolerancji w częstotliwości łącza rozproszenia wstecznego, utrudnia to akumulację energii na bit i synchronizacje w odbiorniku cyfrowym. Ze względu na spadek Eb/N0, PER konsekwentnie wzrasta wraz ze wzrostem BLF (Rys.7). Obserwuje się nasycenie PER w temperaturze około 10^3. Biorąc pod uwagę, że prawidłowy odczyt kodu EPC zawiera poprawny odbiór 16+ do 128 bitów w czytniku RFID oraz oczekiwanej funkcjonalności w znaczniku, to nasycenie jest rozsądne. Różne krzywe na wykresach odpowiadają różnym poziomom mocy nadawania. Obserwuje się, że przy małych poziomach mocy transmisji znacznik ma tylko ustalić łączność przy niskich szybkościach transmisji danych. Przyczyną tego zachowania jest wyższe zużycie energii znacznika przy wyższych szybkościach transmisji danych, ze względu na wyższe częstotliwości przełączania. Z obserwacji sygnałów otrzymanych z czytnika na oscyloskopie wskazuje takie wyjaśnienie, jako znacznik nie otrzyma wystarczającej siły do rozproszenia wstecznego sekwencji reakcji. Odpowiedź jest nadawana tylko w niektórych frakcjach, pokazujący tag jest na wyczerpaniu energii oraz komunikacja jest przerywana. Ponadto wraz ze wzrostem mocy nadawczej nie Eb/N0 ani PER nie zwiększy się.  W pewnym momencie, w którym znacznik otrzymuje wystarczająca ilość energii do przetwarzania, komunikacja działa bez prawie żadnego błędu. Dodatkowo dostarczona energia nie prowadzi do wzrostu Eb/N0 w odbiorniku czytnika, więc zachowanie wynika z następujących powodów:  na pewnym poziomie dostarczanie energii, tag nie może przechować dodatkowej energii swoich kondensatorów i trzeba ją obniżyć, nawet jeśli jest w stanie wchłonąć. Zatem wraz ze wzrostem dostarczonej energii powyżej nasycenia elementu, efektywność modulacji znacznika ulega zmniejszeniu.

x6 zależność

Rysunek 6 Zależność Eb/N0 w odbiorniku na częstotliwości łącza rozproszenia wstecznego i mocy nadawania

x6 zależność

Rysunek 7 Zależność współczynnika błędu pakietów na częstotliwości łącza rozproszenia wstecznego i mocy nadawania

7. Wnioski

         W artykule przedstawione potencjalne zastosowania oraz przyszłe systemów RFID. Aplikacje te wymagają celów wyczynowych, takich jak wysoko przepustowość danych, duże odległości odczytu, wysokie stawki dostępu w środowisku multi-tag i wysokiej niezawodności. W celu spełnienia tych wymagań, wymagane są zaawansowane algorytmy zarówno na warstwie fizycznej i logicznej. Takie algorytmy przetwarzania sygnałów na przykład obejmują systemy RFID MIMO. Na warstwie logicznej złożone algorytmy przetwarzają do  obsługi anty-kolizji lub oszacowanie populacji znacznika są to obecnie poważne tematy badawcze. Ponadto urządzenie RFID wspiera kilka domen częstotliwości czytników i tagów. Zdając sobie sprawę, że wizja rozwiązania jednego RFID odpowiadające wszystkim ma ogromne znaczenie dla przyszłych zastosowań RFID. W celu opracowania takiego systemu RFID do celów ogólnych i wysokowydajnych, naukowcy i inżynierowie muszą przetestować środowisko pomiarowe. Takie środowisko musi pozwalać na szybka realizację badań i koncepcji projektowych. Ponadto, projektanci systemów szybkiego prototypownia w środowisku muszą ocenić kilka wariantów realizacji. Kilka różnych parametrów na warstwach fizycznych i protokołach wpływa na ogólne zachowanie systemu. Dla dalszego zwiększenia wydajności technologii RFID, szczegółowe zrozumienie tych zależności jest niezbędna, a także niezbędne do zrozumienia wzajemnego połączenia parametrów system z celami projektu. Przykładowe wyniki pomiarów pokazują, że uproszczone modelowanie i symulacja założeń może prowadzić do błędnych wniosków, a prototyp gwarantuje realistyczne środowisko testowe.

Kaliciński Michał , Barecka Agnieszka

OPRACOWANO NA PODSTAWIE

„Evaluation and exploration of RFID systems by rapid prototyping”  – Ch. Angerer, R. Langwieser, M. Rupp rok 2011 (tłumaczenie własne)

Oceń ten artykuł