Аналоги реле Phoenix Contact, Finder, Omron, ABB, Schneider
РадиоЛоцман - Все об электронике

Снижение энергопотребления активных систем RFID

AMS

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2013

Shawn Rezaei, ams

ECN

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Как известно, существует два основных типа систем радиочастотной идентификации (RFID): активные и пассивные. Такая классификация определяется типом применяемых в системе RFID меток. Пассивные RFID метки не имеют встроенного источника питания. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования размещенного в метке микроконтроллера и передачи ответного сигнала. Активные RFID метки содержат собственный источник питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего читаются на значительном расстоянии, имеют большие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако такие метки дороги, а у батарей ограничено время работы.

Активные RFID системы, как правило, работают на частотах 455 МГц, 850 МГц, 900 МГц, 2.4 ГГц или 5.8 ГГц. Они используются для отслеживания перемещения людей, контроля доступа в помещения и здания, применяются в охранных системах автомобилей, в парковочных системах и системах мониторинга температуры. В статье мы рассмотрим вопросы снижения энергопотребления активных RFID меток.

Активные RFID метки имеют более высокую мощность передачи, чем пассивные. Благодаря собственному источнику питания активная RFID метка может постоянно и с заданной скоростью передавать считывателю или базовой станции свой идентификатор и другие данные. Интервал передачи данных, как правило, конфигурируется в диапазоне 1 – 2 секунды. Такой режим работы, однако, влечет за собой относительно высокий расход энергии, поскольку мощный СВЧ передатчик используется при каждом сеансе обмена данными.

Альтернативный подход при конструировании активных RFID систем позволит активной RFID метке почти постоянно находиться в режиме пониженного энергопотребления. Чтобы достичь этого, необходимо в систему ввести низкочастотный (НЧ) приемник для «пробуждения» RFID метки, который будет ожидать приема входящего сигнала от считывающего устройства до начала передачи ответа. Далее мы рассмотрим интересный вариант решения задачи снижения энергопотребления активных RFID систем, представленный компанией AMS (ранее austriamicrosystems AG).

Компания AMS занимается разработкой инновационных аналоговых решений, прецизионных датчиков, специализированных микросхем управления питанием и микросхем беспроводных интерфейсов для применения в приложениях бытовой, индустриальной и медицинской сферы.

Архитектура типового проекта: базовая станция (считывающее устройство)

В состав базовой станции входят следующие основные компоненты: НЧ передатчик для подачи сигналов пробуждения RFID метки, приемопередатчик диапазона 2.4 ГГц (микросхема AS3940 производства компании ams) и микроконтроллер (Рисунок 1). Питание для системы поступает от интерфейса USB. С целью достижения максимальной мощности НЧ передатчика используется специальная микросхема управления питанием, которая обеспечивает повышенное входное напряжение для НЧ антенны.

Снижение энергопотребления активных систем RFID
Рисунок 1. Типовой проект активной RFID системы: блок-схема базовой станции.

Микроконтроллер с ультранизким энергопотреблением обеспечивает полное управление выполнением НЧ и СВЧ протоколов. НЧ передатчик сделан на дискретных транзисторах и имеет в своем составе цепь согласования и специальную антенну типа KGEA (Keyless Go Emitter Antenna). Приемопередатчик 2.4 ГГц также имеет собственную цепь согласования и печатную антенну. Светодиоды предназначены для индикации текущего статуса системы.

Архитектура типового проекта: активная RFID метка

Основными компонентами RFID метки являются (Рисунок 2):

  • «дежурный» приемник НЧ диапазона 15 – 150 кГц для активации RFID метки – специализированная микросхема AS3933;
  • СВЧ приемопередатчик диапазона 2.4 ГГц с частотной модуляцией – микросхема AS3940; 
  •  микроконтроллер с ультранизким энергопотреблением.
Снижение энергопотребления активных систем RFID
Рисунок 2. Типовой проект активной RFID системы: блок-схема активной RFID метки.

Чувствительность «дежурного» НЧ приемника является решающим фактором , определяющим эффективности всей системы. Этот вопрос решается глубоко продуманным проектом программируемой микросхемы НЧ приемника AS3933 с трехканальным входом (Рисунок 3). В сложных приложениях, к которым относятся активные RFID системы, ориентация активной RFID метки относительно базовой станции (считывателя), как правило, не фиксирована. Поэтому в типовом проекте используется трехмерная антенна (так называемая 3D антенна), которая представляет собой три отдельные антенны в одном корпусе, ориентированные по осям X, Y и Z. Каждая антенна подключается к соответствующему входному каналу микросхемы.

Снижение энергопотребления активных систем RFID
Рисунок 3. Блок-схема программируемой микросхемы НЧ приемника AS3933.

Передающая часть RFID метки выполнена на микросхеме AS3940 с соответствующей схемой согласования и печатной антенной. Светодиоды служат для индикации статуса. В представленном типовом проекте активной RFID системы расчетное типовое время работы активной RFID метки от одного элемента питания типа CR2032 составляет три года.

Работа системы

Рассмотрим сначала порядок работы базовой станции. В начальный момент времени микроконтроллер инициализирует НЧ передатчик и СВЧ приемопередатчик, обновляя значения регистров, затем НЧ передатчик транслирует специальный сигнал «пробуждения», после чего СВЧ приемопередатчик переключается в режим приема, ожидая ответа активных RFID меток.

После ответа RFID метки выполняется временное соединение ее с базовой станцией для дальнейшего обмена данными. Как только соединение произошло, ожидается передача пакета данных, содержащего идентификационный номер RFID метки и информацию об уровне мощности принятого сигнала (RSSI – Received Signal Strength Indicator). Если соединения метки и базовой станции не произошло, базовая станция через некоторое время выдаст вторую команду соединения. После того как был принят пакет данных от одной RFID метки, базовая станция переходит в режим приема ответа следующей RFID метки.

Активная RFID метка работает в обратной последовательности. После подачи питания микроконтроллер инициализирует НЧ приемник и СВЧ приемопередатчик. Встроенный RC-генератор НЧ приемника AS3933 откалиброван в заводских условиях, а трехмерная антенна автоматически калибруется внутренними схемами микросхемы. После этого RFID метка переход в режим ультранизкого энергопотребления (режим «deep sleep»), ожидая приема сигнала «пробуждения» от НЧ приемника.

Высокой чувствительностью микросхемы НЧ приемника обеспечивается очень низкая вероятность ложного срабатывания. Микросхема поддерживает алгоритм декодирования манчестерского кода с восстановлением тактовой частоты. После получения сигнала пробуждения устройство проверяет соответствие переданного сигнала эталонному значению, и только после этого генерирует сигнал внешнего прерывания для микроконтроллера, по которому он выходит из спящего режима. Микроконтроллер выполняет считывание содержащегося в НЧ сигнале идентификационного номера базовой станции и информации об уровне принятого сигнала.

Для каждой активной RFID метки, а точнее для каждого отдельного идентификатора RFID метки, в базовой станции или считывателе определены тайм-слоты передачи данных СВЧ приемопередатчиком. С целью экономии электроэнергии RFID метка пребывает в режиме пониженного энергопотребления до момента разрешения передачи данных. В зарезервированном временном интервале (тайм-слоте) RFID метка устанавливает связь с базовой станцией в диапазоне 2.4 ГГц, выполняет соединение с ней и передает потоковый пакет данных, после чего вновь переходит в режим пониженного энергопотребления, когда активным остатся лишь НЧ приемник сигнала «пробуждения».

Преимущества технологии снижения энергопотребления активных RFID систем

Преимуществом рассмотренной в статье архитектуры является ультранизкое энергопотребление, достигнутое благодаря почти постоянному удержанию СВЧ передатчика активной RFID метки в энергосберегающем режиме работы. Для этого в систему вводится специальный НЧ приемник на микросхеме AS3933, который, помимо переключения микроконтроллера в активный режим работы при обнаружении базовой станции, может выполнять декодирование манчестерского кода. Это позволяет реализовать функцию распознавания базовой станции и предотвратить ложные переключения RFID метки в режим передачи данных, которые могут быть вызваны шумами или помехами. Таким образом, СВЧ приемопередатчик RFID метки работает только находясь в зоне действия базовой станции. Все остальное время он потребляет ток не более нескольких микроампер.

Активные RFID системы компании AMS успешно применяются в ряде конечных продуктов, включая системы разграничения доступа, локационные системы реального времени и системы пассивного доступа. Типовой аппаратно-программный проект активной RFID системы (Рисунок 4) позволит полностью оценить возможности упомянутых в статье специализированных микросхем НЧ приемника и СВЧ приемопередатчика, а также позволит ускорить разработку и продвижение на рынок новых устройств и приложений.

Снижение энергопотребления активных систем RFID
Рисунок 4. Типовой проект активной RFID системы компании AMS.

В состав типового проекта входит базовая станция, две активные RFID метки, два элемента питания и вся необходимая документация и ПО. Стоит отметить, что базовая станция и активные метки выполнены на микроконтроллерах с ультранизким энергопотреблением серии PIC24 производства компании Microchip.

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Solve high power consumption challenges in active RFID systems

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя