Zusammenfassung : Basierend auf der Analyse der Anwendungsbereiche von RFID in der Logistik und Lagerverwaltung beschreibt dieser Artikel kurz die verwendeten Tags und schlägt ein Designkonzept für RFID-Lese-/Schreibgeräte vor. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung der Hardware- und Softwaremodule. Das Hardware-Modul umfasst im Wesentlichen ein Sende-/Empfangsmodul, ein externes Schnittstellenmodul, ein Steuermodul und ein Energiemanagementmodul. Das Software-Modul beinhaltet das Hauptprogramm und das Antikollisionsprogramm. Schlüsselwörter : Logistik und Lagerverwaltung, RFID-Lese-/Schreibgerät, Tag. RFID (Radio Frequency Identification) ist eine berührungslose, automatische Identifikationstechnologie, die drahtlose Funkkommunikation zur Identifizierung über große Entfernungen nutzt. Im Vergleich zur in der modernen Logistik weit verbreiteten Barcode-Technologie bietet sie signifikante Vorteile hinsichtlich Lesereichweite, Vertraulichkeit, Intelligenz, Umweltverträglichkeit und Lebensdauer. Weltweit existieren derzeit zwei Codierungssysteme für RFID-Logistikanwendungen: das UID-Codierungssystem des japanischen UID-Zentrums (Ubiquitous ID) und der EPC-Standard (Electronic Production Code) der US-amerikanischen EPC Global Association. Diese beiden Standards unterscheiden sich in den verwendeten Funkfrequenzbändern, der Anzahl der Informationsbits und den Anwendungsbereichen. Obwohl in meinem Land keine eigenen formalen Standards existieren, sind elektromagnetische Prüfungen für RFID-Anwendungen im 900-MHz-Band weitgehend abgeschlossen. Mein Land orientiert sich hauptsächlich an der Norm ISO 18000-6. Grundsätzlich widersprechen sich die EPC- und ISO 18000-Norm nicht; für Logistikanwendungen ist die EPC-Norm jedoch umfassender. Darüber hinaus spielen die Kosten bei Logistikanwendungen eine entscheidende Rolle. Die Wahl der kostengünstigsten Option, die alle Anforderungen erfüllt, ist daher von größter Bedeutung. UHF-Funk (915 MHz) bietet eine Reichweite von ca. 10 m, was für Logistikanwendungen ausreichend ist, und ist deutlich kostengünstiger als Mikrowellentechnik. Insbesondere ermöglicht die UHF-Funkfrequenz den Einsatz relativ kleiner Richtantennen, die den Strahlungsstrahl des Lesegeräts auf einen bestimmten Bereich lenken. Diese Eigenschaft macht das Lesegerät unempfindlich gegenüber potenziellen Störungen durch andere Lesegeräte oder Sender. Um die großflächige Anwendung von RFID-Systemen im Bereich Logistik und Lagerverwaltung in meinem Land zu fördern, schlägt diese Arbeit eine Lesegerät-Designmethode vor, die auf Anwendungen in diesem Bereich basiert. Das Lesegerät ist gemäß dem EPC-Standard konzipiert und arbeitet mit einer Frequenz von 915 MHz. Es dient zum Lesen und Beschreiben von RFID-Tag-Chips eines bestimmten Unternehmens. Die Schaltung ist einfach aufgebaut, die Anwendung flexibel und die Produktionskosten niedrig. 1. Einführung in die Tag-Funktion: Der in diesem Design verwendete Tag ist ein passiver Langstrecken-Tag, der im Frequenzbereich von 860 MHz bis 960 MHz arbeitet. Er entspricht dem ISO-18000-6-Standard und hat eine Reichweite von bis zu 8,4 m (abhängig von der Antenne). Er eignet sich besonders für das US-amerikanische Logistik-Supply-Chain-Management und Logistikunterstützungssysteme. Der Tag verfügt über folgende Hauptmerkmale: (1) Die von der Antenne empfangene Energie wird über die analoge Schaltung des HF-Frontends in elektrische Energie umgewandelt, um die interne Schaltung zu versorgen. (2) Er enthält einen 16-Bit-CRC-Code (Cyclic Redundancy Check), der eine hohe Datenintegrität gewährleistet. (3) Er besitzt einen schnellen Antikollisionsmechanismus und verwendet einen eigenen Antikollisionsalgorithmus, um eine zuverlässige interne Kollisionserkennung und -vermeidung zu realisieren. (4) Er verwendet einen 64-Bit-EPC-Code und verfügt über 216 Byte benutzerdefinierten Speicherplatz. Sobald der Tag in den HF-Bereich gelangt, wird er aktiviert. Erreicht die HF-Signalstärke die erforderliche Betriebsenergie des Tags, wechselt der Tag in den Bereitschaftszustand und wartet auf Anweisungen vom Lesegerät. Sowohl empfangene als auch gesendete Daten werden einer CRC-Fehlerprüfung unterzogen. Zusätzlich werden Manchester- und FMO-Codierung zum Schutz der Daten verwendet. Das Lesegerät nutzt externe Befehle in Kombination mit dem internen Antikollisionsalgorithmus des Tags, um gleichzeitig Daten von mehreren Tags zu lesen und zu schreiben. 2 RFID-Lesegerät-Design 2.1 Hardware-Design In der Lagerverwaltung müssen RFID-Lesegeräte neben der einfachen Übertragung und dem Empfang von Funksignalen mit dem übergeordneten Lagerverwaltungssystem (WMS) verbunden sein, um die empfangenen Tag-Informationen an das WMS zu übertragen. Dies ermöglicht dem System die Durchführung von Wareneingangs-, Bestands- und Warenausgangsverwaltungsvorgängen. Gleichzeitig werden Informationen wie der Lagerort der Waren über das WMS auf die Artikel-Tags geschrieben. Daher besteht das Lesegerät aus vier Modulen: einem Sende-/Empfangsmodul, einem Steuermodul, einem externen Schnittstellenmodul und einem Energiemanagementmodul. Die Sende- und Empfangsmodule der HF-Schaltung bestehen jeweils aus zwei Einheiten: der HF-Signalerzeugung und der Signalverarbeitung. Der HF-Leistungsverstärker verstärkt das erzeugte HF-Signal, und der Linearverstärker verstärkt das empfangene HF-Signal. Die ausgewählten Chips sind in Tabelle 1 dargestellt. [align=centeroadpic/THESIS/2007/4/20070418112626488345.jpg[/IMG][/align] Bei der Entwicklung von HF-Schaltungen sind die Vermeidung und Unterdrückung elektromagnetischer Störungen sowie die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit entscheidende Aspekte. Es sollte ein Substrat mit geringer Toleranz der Dielektrizitätskonstante gewählt und die HF- und Digitalteile der Schaltung in Blöcke unterteilt werden. Im HF-Teil sollten möglichst SMD-Bauteile (Surface Mount) verwendet, Durchkontaktierungen minimiert und eine geerdete Metallabschirmung auf der Oberfläche angebracht werden. Die spezifische Auslegung der einzelnen Module wird im Folgenden beschrieben. 2.1.1 Sende-/Empfangsmodul Das Funktionsblockdiagramm des Sende-/Empfangsmoduls ist in Abbildung 1 dargestellt. Als Transceiver- und Modemchip wird der TRF6901 von TI, als Leistungsverstärker der MW4IC915GMBR1 von Freescale Semiconductor und als linearer Signalverstärker der RF2132 von RF Microdevices verwendet. Der TRF6901 integriert die komplette HF-Sende- und Empfangsschaltung und bildet so einen Halbduplex-HF-Transceiver. Seine Betriebsfrequenz lässt sich durch Programmierung präzise im Bereich von 860 MHz bis 930 MHz einstellen. Der MW4IC915 ist ein Breitband-Leistungsverstärker für GSM-Anwendungen. Er nutzt die neueste Hochvolt-LDMOSIC-Technologie von Freescale und arbeitet im Frequenzband von 750 MHz bis 1000 MHz. Sein lineares Verhalten deckt nahezu den gesamten Anwendungsfrequenzbereich ab. Der RF2132 ist ein Galliumarsenid-Heteroübergangsbauelement (HBT), das die Anforderungen von HF-Schaltungen hinsichtlich Verstärkungsleistung, Wirkungsgrad und Versorgungsspannung erfüllt. In dieser Schaltung arbeiten alle Chips mit 915 MHz. Der TRF6901 verwendet OOK-Modulation, die durch Setzen des vierten Bits des internen B-Registers auf Null erreicht wird. Der TRF6901 sendet das benötigte Sendesignal über den PA-Pin an den REIN-Pin des MW4IC915. Nach der Leistungsverstärkung wird das Signal von der Antenne ausgesendet. Das von der Antenne empfangene Signal wird vom RF2132 linear verstärkt und anschließend an den LNA-Pin des TRF6901 weitergeleitet. Der TRF6901 verarbeitet das empfangene Signal, um den Datenaustausch des Lesegeräts abzuschließen. 2.1.2 Externes Schnittstellenmodul Das in Abbildung 2 dargestellte externe Schnittstellenmodul ist eine Pegelwandlungsschaltung mit dem ICL232 als Hauptkomponente. Der ICL232-Chip übernimmt die Pegelwandlung zwischen dem internen TTL-Pegel und dem RS-232-Pegel des Lesegeräts und stellt die Verbindung zu einem externen Computer über eine standardmäßige 9-polige serielle Schnittstelle her. Es handelt sich um einen bidirektionalen RS-232-Sende- und Empfangs-Chip, der dem EIA-RS-232-Standard und der Spezifikation V28 entspricht. Er wandelt den TTL/CMOS-Pegel der Schaltung in den Standardpegel der seriellen Schnittstelle um und verbessert die Rauschunterdrückung beim Datenempfang durch Hysterese. Zwischen den Pins 1 und 3 ist ein 1-µF-Kondensator angeschlossen, und Pin 2 ist über einen weiteren 1-µF-Kondensator mit einer 5-V-Spannungsversorgung verbunden. Diese drei Pins bilden eine Pegelwandlungsschaltung von +5 V auf +10 V. Zwischen den Pins 4 und 5 ist jeweils ein 1-µF-Kondensator angeschlossen, und Pin 6 ist über einen weiteren 1-µF-Kondensator geerdet. Diese drei Pins bilden eine Pegelwandlungsschaltung von +10 V auf -10 V. 2.1.3 Steuermodul Der Aufbau des Steuermoduls ist in Abbildung 3 dargestellt. Die internen Steuerungsaufgaben des Lesegeräts werden hauptsächlich vom W77E58-Chip übernommen, einem schnellen 8-Bit-CMOS-Mikrocontroller, der mit dem 8051 kompatibel ist. Im Vergleich zum 8051 reduziert er die Ausführungszeit von Maschinenbefehlen und die Speicherzyklen, wodurch der Stromverbrauch gesenkt wird. Er verfügt über 32 KB Flash-EPROM und unterstützt 1 KB On-Chip-RAM ohne externe Speicherkomponenten, wodurch I/O-Pins eingespart werden. Er besitzt vier 8-Bit-I/O-Ports und einen zusätzlichen 4-Bit-I/O-Port sowie Wartezustands-Steuersignale, drei 16-Bit-Timer/Zähler, zwölf Interruptquellen mit zwei Interruptprioritäten, zwei erweiterte serielle Vollduplex-Schnittstellen und einen programmierbaren Watchdog-Timer. Es werden lediglich externe Reset-, Quarz- und Stromversorgungsschaltungen benötigt. In dieser Ausführung arbeitet der W77E58 mit einer Frequenz von 40 MHz. Der P1-Port ist mit den verschiedenen Steuerpins des TRF6901 verbunden und steuert so den Transceiver-Chip. Außerdem liefert er die für die Datenübertragung benötigten Taktsignale. Der serielle Port 1 ist mit dem Datentransceiver des TRF6901 verbunden und ermöglicht die serielle Kommunikation. Der serielle MCU-Port 0 ist mit dem ICL232-Chip verbunden und ermöglicht die asynchrone Datenübertragung. Es genügt, den seriellen Port 1 des W77E58 auf Modus 1 einzustellen und die gleiche Baudrate wie den Computer zu wählen. Dieser Teil des Designs konzentriert sich hauptsächlich auf die Programmierung; der P1-Port kann als allgemeiner I/O-Port verwendet werden. 2.1.4 Energiemanagementmodul: Das Schaltbild des Energiemanagementmoduls ist in Abbildung 4 dargestellt. Der LM317T ist ein Dreipol-Spannungsregler, der durch Ändern des Werts des variablen Widerstands R6 eine Versorgungsspannung von 1,2 V bis 37 V bereitstellen kann. Er bietet außerdem einen Überstromschutz für die IC-Last. Die Schaltung des Energiemanagementmoduls verfügt über einen Tantalkondensator zur Filterung niederfrequenter Störungen und einen monolithischen Kondensator zur Filterung hochfrequenter Störungen, die parallel an den Ein- und Ausgängen geschaltet sind, um die Stromqualität zu verbessern. 2.2 Software-Design Das Software-Design des Lesegeräts besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: dem Hauptprogramm und dem Antikollisionsprogramm für das Lesen und Schreiben von Tags. 2.2.1 Hauptprogramm Das Lesegerät wird in der Logistik- und Lagerverwaltung eingesetzt und muss mit dem übergeordneten WMS-System verbunden werden. Daher wird das Lesegerät von einem PC überwacht, und PC und Lesegerät kommunizieren im Master-Slave-Modus. Wie in Abbildung 5 dargestellt, wird der interne Betriebsmodus des Transceiver-Chips durch Programmierung der internen Register über einen externen, mit dem Mikrocontroller (MCU) verbundenen Pin gesteuert. Das Hauptprogramm enthält daher auch ein Programm zur Änderung des Betriebsmodus, was die Flexibilität der Lesegeräteanwendung erhöht. Es beinhaltet außerdem eine RSSI-Signalstärkemessung (Signal Strength Detection), die die Genauigkeit des Datenlesens deutlich verbessert. Nachdem der Mikrocontroller (MCU) den normalen Einschalt-Reset und die Initialisierung abgeschlossen hat, fragt der PC den Benutzer, ob der interne Betriebsmodus festgelegt oder geändert werden soll. Falls ja, führt der MCU das Programm zur Änderung des Betriebsmodus aus; andernfalls wechselt er in den Vorbereitungsmodus und ist bereit, entsprechende Ausführungsbefehle vom PC zu empfangen. Nach Empfang des Befehls führt der MCU das entsprechende Programm aus. Anschließend gibt er die Ergebnisinformationen zurück und wechselt wieder in den Wartezustand. 2.2.2 Antikollisionsprogramm – Entwurf: Der Entwurf des Antikollisionsprogramms ist ein wichtiger Bestandteil des Lesegerätprogramms. Sobald das Lesegerät in den Betriebszustand wechselt, werden alle Tags innerhalb seiner Antennenreichweite aktiviert und befinden sich im Wartezustand, um jederzeit auf Lesebefehle zu reagieren. Dies kann zu Lese-/Schreibkonflikten der Tags führen. Um dieses Problem zu lösen, verfügt der Tag über einen integrierten Antikollisionsmechanismus. Hierfür muss lediglich ein Antikollisionsprogramm mit den entsprechenden Befehlssätzen entworfen werden. Das Ablaufdiagramm des Antikollisionsprogramms ist in Abbildung 6 dargestellt. Sobald ein Tag im aktivierten Zustand den SELECT-Befehl des Lesegeräts empfängt, sendet er seine eigene UID an das Lesegerät. Senden mehrere Tags gleichzeitig ihre UID, erkennt das Lesegerät eine Kollision und sendet einen FAIL-Befehl an den Tag. Dieser passt daraufhin seine relevanten Parameterwerte mithilfe seines internen Antikollisionsalgorithmus an. Anschließend senden die Tags, die die Kriterien erfüllen, ihre UIDs erneut an das Lesegerät. Dieses prüft dann, ob ein Konflikt vorliegt, und wiederholt den Vorgang, bis nur noch ein Tag die Kriterien erfüllt. Dann wird die Antikollisionsprozedur beendet und die weitere Verarbeitung des Tags beginnt. Gleichzeitig passen die verbleibenden Tags automatisch ihre relevanten Werte an, um sich auf den nächsten Lesevorgang vorzubereiten. Erfüllt zu diesem Zeitpunkt kein Tag die Kriterien, sendet das Lesegerät einen SUCCESS-Befehl. Der Tag passt daraufhin seine Parameter an und wartet auf den Erkennungsbefehl des Lesegeräts. Diese Arbeit, basierend auf einer eingehenden Analyse des aktuellen Anwendungsbereichs von RFID-Systemen in der Logistik und Lagerverwaltung, schlägt eine Lesegeräte-Designmethode speziell für diese Bereiche vor. Das Lesegerät zeichnet sich durch einfache Handhabung, flexible Anwendungsmöglichkeiten und geringe Produktionskosten aus. Zukünftig soll es in der realen Logistik und Lagerverwaltung eingesetzt werden. Um Herausforderungen in der Praxis wie Lesegeschwindigkeit, Reichweite und Sicherheit zu begegnen, werden weitere Verbesserungen am Lesegerät vorgenommen. Ziel ist es, die Gesamtleistung deutlich zu steigern und die breite Anwendung von RFID-Systemen in der Logistik und Lagerverwaltung meines Landes zu fördern.