經過20多年的努力發展，超高頻RFID技術已經成為物聯網的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國，在對物聯網發展的大力支持下，行業應用和整個生態的發展十分迅猛。

5.1.1超高頻RFID閱讀器的功能和架構

1.超高頻RFID閱讀器功能

閱讀器又名讀寫器，是超高頻RFID系統中的重要組成部分。雖然名字叫閱讀器，但它的功能不只是簡單的讀取標簽信息那么簡單，閱讀器包含有許多輔助功能，如主機通信、IO控制等。如圖5-1所示，為一個超高頻RFID系統組成。閱讀器通過天線輻射的電磁波給標簽供電，同時發送同步時鐘及Gen2的空中接口命令，同時接收標簽的返回數據。閱讀器與標簽之間的通信方式為半雙工，即閱讀器向標簽發送數據時無法接收標簽返回閱讀器的數據，閱讀器的發射和接收是時分的。但是由于標簽為無源器件且無法儲能，需要閱讀器實時供電，當標簽向閱讀器發送數據的時候，閱讀器必須發送載波給標簽提供能量，這就是超高頻RFID系統所特有的半雙工通信方式。這種特殊半雙工通信方式帶來不少閱讀器的技術難題，如自身干擾問題、接收鏈路（RX）的線性度（Linearity）問題等。

圖5-1RFID系統組成圖

雖然閱讀器在與標簽的通信過程中一直是主機模式，標簽為從機模式，但其實閱讀器一直是配合標簽工作的。當標簽功能升級后，閱讀器需要配套具備該功能的操作命令實現新應用。當標簽的靈敏度提升后，閱讀器的接收靈敏度需要加倍提升才能實現系統的穩定通信，如標簽靈敏度提升了3dB，在標簽的反向散射能力（反射系數）不變時，閱讀器需要相應的增加6dB的靈敏度才能保證正向與反向鏈路預算相等。當然還有許多閱讀器問題等著我們去解決，如在許多應用中需要一臺閱讀器盤點幾千張標簽，此時系統對閱讀器的靈敏度、抗干擾、多標簽算法等提出很高要求，閱讀器也在針對不同的應用場景不斷改善和進步。

在圖5-1中，閱讀器的另外一端與電腦連接，可以理解為與數據終端或處理器終端連接。只有將閱讀器與系統連接才能實現控制操作命令與數據的傳輸，從而獲得標簽數據信息，組成物聯網的數據采集節點。閱讀器不僅是標簽的采集節點，同時可以當作傳感器的采集節點或傳感器的控制節點。隨著技術的進步和行業的發展，閱讀器的功能會越來越強大，在物聯網中的地位也會越來越重要。

2.超高頻RFID閱讀器架構

一個標準的閱讀器系統，包括閱讀器的硬件本身、閱讀器天線和其它外圍設備。其它外圍設備包括電源部分、主機通信部分等。許多閱讀器內部有操作系統可以獨自執行任務，不過最終還是要與數據庫進行數據通信。

如圖5-2所示為閱讀器的硬件架構圖，圖中閱讀器內部分為兩大部分：面向電腦終端和面向射頻標簽。在面向射頻部分主要是收發電路，面向電腦部分為邏輯（Logic）、電源（Power）、輸入輸出（I/OInterface）、主機接口（Host Interface）。其外圍設備中供電設備常有兩種形式，一種是AC適配器轉換為DC給閱讀器供電，另外一種為以太網供電POE（Power over Ethernet）。同時閱讀器可以通過外圍設備以太網（Ethernet）或串口（RS-232）與主機或服務器通信，也可以通過I/O與外圍的傳感器和指示燈等連接。

圖5-2閱讀器硬件架構圖

在服務層閱讀器的架構如圖5-3所示，圖中與超高頻RFID相關且最重要的是閱讀器固件（Reader Firmware）和射頻硬件（RF Hardware），這兩部分合在一起叫做閱讀器核心模塊，簡稱閱讀器模塊，5.1.2節會對模塊做深入講解。在項目中最常見的是通過人機界面和應用程序（Humans / Applications）控制閱讀器工作。在其底層的閱讀器固件之上為閱讀器的主機協議（Reader-Host Protocol），在項目和軟件開發中經常談到的通信協議就是指的這個主機協議。一般情況下每一家廠商都有自己特有的主機協議，且互不兼容，所以在比較大的項目中選擇中間件或低級閱讀器協議（Low Level ReaderProtocol，LLRP）。LLRP是由EPCGlobal創始的基于超高頻RFID的統一閱讀器協議，5.1.4有關于LLRP的協議詳解。閱讀器注冊服務（Reader Registration Services）為閱讀器的心跳包服務，閱讀器每過一個時間段，則向閱讀器注冊服務器發送一個UDP心跳報文（ReaderHeartbeat），這樣即使是空閑情況，服務器端也知道閱讀器是否正常工作。動態主機配置協議（Dynamic HostConfiguration Protocol，DHCP）是一個局域網的網絡協議，使用UDP協議工作，主要有兩個用途：給內部網絡或網絡服務供應商自動分配IP地址，是用戶或者內部網絡管理員對所有計算機作中央管理的手段。時間服務主要是與系統時間同步，保證數據的時間戳正確，以及在準確的時間啟動或停止響應的操作和I/O控制。

圖5-3閱讀器服務層架構圖

上述所有的服務層架構為最全面的閱讀器的架構，最簡單的閱讀器只要具有射頻硬件、閱讀器固件、主機協議和RS232即可。評價一個閱讀器是否全面主要看是否支持時間服務、DHCP、心跳信號這幾個功能（其他功能都為標配）。如果是全球型的大項目也必須支持LLRP功能。

5.1.2 閱讀器的分類

超高頻RFID閱讀器的核心部件是閱讀器模塊，它是整個閱讀器的心臟，負責與標簽通信的所有功能。閱讀器根據功能和應用不同有多種表現形式，分為固定式閱讀器、手持式閱讀器（手持機）、一體式閱讀器（一體機），這三類閱讀器的共同點是都具有閱讀器模塊（簡稱模塊）。

1.閱讀器核心模塊

在5.1.1節中介紹了，閱讀器固件（ReaderFirmware）和射頻硬件（RF Hardware）這兩部分合在一起叫做閱讀器核心模塊，又叫做閱讀器模塊或模塊。閱讀器模塊是構成閱讀器的關鍵部件，閱讀器功能和性能主要通過模塊體現，而模塊最關鍵的部分是射頻硬件性能。

（1）射頻收發芯片選型

目前超高頻RFID模塊主要有三種：采用專用超高頻RFID閱讀器芯片、采用集成無線收發芯片、采用分立元件集成。

采用專用超高頻RFID閱讀器芯片?，F在用于超高頻RFID模塊的專用芯片有Impinj公司的R1000/R500/R2000系列、奧地利微電子公司的AS3990/AS3991/AS3992/AS3993系列（已被ST公司收購）、Phychips公司的PR9000/PR9200系列。其中Impinj的R1000芯片是最早出現的集成專用超高頻RFID閱讀器芯片，是由Intel公司開發的，后賣給了Impinj公司，具有良好的性能，是早期閱讀器模塊的方案。Impinj的R2000芯片在R1000的產品上做了較大提升，增加了載波抵消功能，現階段該芯片是市場上性能更好的專用閱讀器芯片，中高端閱讀器模塊95%以上都采用該方案。采用Impinj系列專用芯片開發模塊時，需要配套MCU工作，這個MCU工作為對專用芯片的寄存器進行操作，從而實現對協議和射頻收發的控制，一般高端采用ARM7及以上規格的MCU。Phychips的PR9200芯片是一款小型化內置MCU的高集成度的閱讀器芯片，具有低成本、低功耗、小尺寸的優點，在中低端的閱讀器中占有較大市場份額。國內的一些閱讀器芯片開發公司也開發了國有自主知識產權的閱讀器芯片，如上海智坤半導體推出對標Impinj R2000的帶有載波自抵消功能的IBAT-2000，無錫旗連電子開發了對標PhychipsPR9000/ PR9200的系列芯片。采用專用閱讀器芯片的優點為：系統內嵌ISO/IEC18000-6協議、外圍電路簡單、易于調試和開發周期短。其缺點為：資料透明度低、擴展開發困難、成本相對集成無線收發芯片方案較高、核心芯片無法替換導致供應鏈風險較大。

采用集成無線收發芯片。由于超高頻RFID的工作頻率為840MHz-960MHz，與手機和許多小無線設備的工作頻率重復，可以在市場上找到廉價的集成無線收發芯片。目前在超高頻RFID模塊中得到廣泛應用的有ADI公司推出的ADF7020、TI公司的CC100CC11、Semtech公司的SX1230等。由于上述芯片在市場上的其它應用有很大的銷售數量，其單價成本相對于專用超高頻閱讀器芯片低很多。這是由于專用閱讀器芯片只能用于超高頻RFID閱讀器，其芯片銷量很少，一般一年只有幾十萬顆（或更少），而芯片開發的前期成本很高，就需要通過這每年的幾十萬顆專用芯片分擔，因此單價很高。而這些集無線收發芯片年銷售量在千萬顆左右，其開發成本早已經被分擔。一般情況下集成無線收發芯片的成本僅為專用閱讀器芯片的10%不到。采用集成無線收發芯片的模塊外圍電路不太復雜，但需要工程師獨立開發協議棧部分，一般因為成本因素會選擇一個單片機來實現Gen2協議和集成無線收發芯片的控制。這樣會給工程師很大的開發空間，開發具有自己知識產權的產品。采用集成無線收發芯片的模塊成本很低，性能很差，常用于廉價的一體機和桌面機。

采用分立元器件集成。即通過使用調制解調器，PA，Balun，ADC，DAC等射頻器件集成實現。由于采用分立元器件，因此每一個部件都可以選擇性能更好的，分立元器件的性能優于集成芯片。由于采用分立元器件集成的方案是針對高端應用，其協議和數據處理的要求很高，一般采用FPGA或DSP實現協議處理，采用ARM9及以上規格的MCU作為系統主控。如此開發的閱讀器模塊具有高性能的特點，其缺點是開發難度大周期長，尺寸大，產品成本也非常高?，F階段只有Impinj和Alien等公司的高端閱讀器會采用分立器件的方案，一般分立元器件集成實現的閱讀器模塊不在市場上銷售，都會以整機的形式出現。

（2）閱讀器模塊的選擇依據

閱讀器模塊選擇的重要依據包括：符合產品標準要求、成本、體積、功耗、輸出功率、抗干擾能力、接收靈敏度、外圍元件的多少、數據傳輸速率和開發難易等等。下面重點介紹幾點：

符合協議要求：這是設計中的重點，如果這一點不符合那么系統則無法工作。

輸出功率：發射功率越大，信號不僅覆蓋面積廣而且傳輸距離遠。因此同等條件下，選擇輸出功率高的產品（符合當地無線電規范）。

抗干擾能力：同等發射功率和接收靈敏度的情況下，系統的抗干擾能力越強則實際的通信距離就會越遠。

接收靈敏度：接收靈敏度反映接收機捕獲微弱信號的能力。超高頻RFID閱讀器模塊的接收靈敏度越高，識別誤碼率和識別距離都會有很大改善。

系統體積大?。嚎梢杂行p小PCB的空間，降低成本，利于超高頻RFID閱讀器的小型化開發。

識別速率：與處理器和算法相關，尤其是在倉庫、智能零售等應用中，需要快速識別幾百個標簽，對處理和計算要求很高。采用集成無線收發芯片方案的模塊多標簽算法較差，很難支持超過50個標簽的同時讀取。

成本考慮：實際上中國的超高頻RFID項目中，成本是非常關鍵的因素之一，許多時候選型是由成本決定的。

低功耗考慮：尤其是手持機應用中對功耗要求較高。

（3）閱讀器模塊案例分析

如圖5-4所示為ThingMagic公司的Mercury6e（M6e）嵌入式超高頻RFID閱讀器模塊，其內部采用了Impinj的R2000芯片，搭配ARM7作為處理器。該器件按照全尺寸讀寫器的性能標準設計，其體積小、能效高，足以滿足移動應用要求。M6e支持4端口，并能提供更大+31.5dBm輸出功率。M6e提供串行接口和USB接口，以支持板到板和板到主機連接。

圖5-4Mercury6e（M6e）嵌入式超高頻RFID閱讀器模塊

M6e模塊的特性有：

支持多協議，包括EPCglobalGen 2（ISO 18000-6C），含DRM、ISO18000-6B（可選）和IP-X（可選）。

四個50歐姆MMCX連接器，支持四個單靜態天線。

獨立的讀取和寫入電平，指令調節范圍為5dBm至31.5dBm（1.4W），且高于+15dBm時精度為+/0.5 dBm。

支持860MHz至960MHz超高頻RFID全載波頻率范圍，以滿足全球規范要求。

可在采用FCC、ETSI、MIC（韓國）和SRRC-MII（中國）監管規范的獲得使用認證。

TTL電平異步數據接口支持高達921.6kbps的速率。

USB 2.0全速設備端口（高達12Mbps）。

工作溫度范圍為-40°C至+60°C。

采用高性能設置，標簽讀取速度為每秒750個標簽。

在使用6dBi天線的情況下，標簽更大讀取距離超過30英尺（9米）。

4個GPIO線路通過數據接口控制。

Thingmagic公司的M5e/M6e等系列模塊，一直是超高頻RFID市場上高性能模塊的典范。不過隨著中國市場的發展以及越來越多的人才進入超高頻RFID閱讀器的市場中，國產閱讀器模塊的性能越來越好，加上中國制造的低成本優勢，現在中國的中高端模塊市場中也有大量的國產品牌。

2.固定式閱讀器

固定式閱讀器一般應用于工業場景中，具有高性能，高可靠性等優點。其核心模塊一般采用分立元器件集成方案或R2000的專用芯片方案，前文介紹過的M6e模塊就是為固定式閱讀器設計的。固定式閱讀器一般具有四個射頻端口（也有2端口和8端口等不同端口的固定式閱讀器），同時具有多種外部接口。

如圖5-5所示為ImpinjR700閱讀器，是市場上性能更優的固定式閱讀器之一，其具有如下特點：

企業級可靠性和安全性：具有安全防護功能并支持現場升級。

專為企業級部署而設計：高速處理能力和優越的接收靈敏度，適用于企業級物聯網解決方案。

開發簡單：通過API輕松地連接到loT應用程序，并支持主流的loT數據傳輸技術。

系統構建強大的，支持自定義的解決方案：具有強大的嵌入式系統，支持自定義的閱讀器應用程序。

快速連接到loT應用程序：閱讀器支持千兆以太網連接防止了數據阻塞并降低了延遲。

可在惡劣的環境下工作：閱讀器具有堅固、抗沖擊的鑄鋁外殼。

圖5-5Impinj R700閱讀器

M700的超高頻RFID特性非常優越，體現在：輸出功率、標簽識別速率、閱讀器的靈敏度以及支持多種閱讀器場景等幾個方面。

輸出功率：更大輸出功率可達33dBm（PoE+供電）。在普通PoE供電模式下由于供電能力不足無法支持更大功率輸出，因此只支持30dBm的輸出功率?，F階段市場上超高頻RFID閱讀器的更大輸出功率一般設置為33dBm，其主要原因是大功率可以獲得更好的工作距離。并不是輸出功率一味放大就可以增加工作距離，如果輸出功率再增大，閱讀器接收機中的載波信號會加強以至于系統的靈敏度下降，反而使系統的工作距離減小。

標簽識別速率：可以達到最快1100個標簽每秒，這是市場上速率最快的工業級固定式閱讀器之一。M700采用的多標簽算法在3.3.2節中有詳細介紹。

閱讀器的靈敏度：閱讀器在誤碼率千分之一的條件下實現了-92dBm的靈敏度，可以說是市場上靈敏度更好的閱讀器，領先行業其他競爭對手。

支持多種閱讀器場景，如多閱讀器場景（Dense Reader Mode），或干擾較大的場景，閱讀器可以根據環境的干擾情況調整工作方式。

從市場的反饋看，M700閱讀器在主流固定閱讀器中的性能，這與二十多年來Impinj公司的努力分不開，加上Impinj公司既有標簽芯片，又有閱讀器芯片，對整個系統的積累非常深，他們開發的M700閱讀器無論在性能還是在穩定性上都有卓越的表現。

3.手持式閱讀器

手持式閱讀器是超高頻RFID應用中常見的閱讀器設備，它不僅包含閱讀器模塊，還包含了操作系統、人機輸入輸出系統（按鍵、顯示屏）、天線模塊，可以說包含了一個超高頻RFID系統中除了標簽之外的所有元素。手持式閱讀器體積小，操作方便，可以不依賴外界設備單獨工作，廣泛適用于資產管理、服裝盤點、車輛管理、高速收費、倉儲管理、金融管理等領域。

手持式閱讀器根據是否帶有操作系統和屏幕分為超高頻RFID手持終端和超高頻RFID藍牙閱讀器（也叫SLED）。

（1）超高頻RFID手持終端

超高頻RFID手持終端從出現至今也有十幾年的歷史了，其最早是通過手持條碼掃描槍改造而來的，只是在手持條碼槍的前端放置了閱讀器模塊和天線。隨著智能手機的發展，安卓系統的手機功能越來越強大且成本逐漸降低，因而手持終端的開發變為將安卓系統的手機增加握柄、閱讀器模塊和天線。如圖5-6所示為Alien的H450手持機，該手持機是筆者主導開發的產品。

（a）H450手持機（b）H450內部天線

圖5-6Alien的H450手持

H450手持機是一款具有按鍵的工業級手持機，具有如下特點：

支持一維條碼和二維碼。

支持藍牙、Wi-Fi、GPS和3G通信，還支持與智能手機相同的攝像頭、麥克風、光亮及重力傳感器等。

支持觸摸屏和實體按鍵。實體按鍵的加入是許多工業用戶的要求，因為一些應用場景中操作員需要帶著厚重的手套，無法使用觸摸屏。

有兩塊電池，一塊3200mAh的電池在鍵盤的背面，一塊5200mAh的電池在握柄內。

防護等級為IP64。

支持1.2m跌落防護。

其超高頻RFID模塊為R2000的單端口模塊，配合一個5dBi圓極化天線放置在手持機頂部的方形塑料盒中。支持5dBm-30dBm的射頻功率輸出。

在一般的超高頻RFID項目中，都會配套手持終端，用于人工盤點和管理，尤其是在服裝應用中，每個門店都會有2-3臺左右的手持終端。

（2）藍牙閱讀器

藍牙閱讀器，顧名思義就是通過藍牙通信作為與外界數據交互的閱讀器。藍牙閱讀器構造非常簡單，包括一個閱讀器模塊、天線以及藍牙接口，與手持終端相比只是缺少了安卓系統的硬件設備。藍牙閱讀器必須配合手機等帶有藍牙通信功能的設備才能工作，同樣具有簡單靈活的優點。與手持終端相似，藍牙閱讀器的前端也有一個方形塑料盒子，里面是閱讀器模塊、天線、掃描頭等，如圖5-7所示為該前端的裝配圖。

圖5-7天線盒子裝配圖

如圖5-8所示，為一款帶有手機夾子的藍牙閱讀器。該藍牙閱讀器可以配套Android/iOS手機工作，直接從一臺簡易的藍牙閱讀器變為手持終端。該設備的特點如下：

尺寸為143×76×140mm（僅主體）；重量為483g。

電池規格：5200mAh；待機時間>70小時（藍牙連接狀態）；工作時間6小時左右（超高頻群讀）。

具有三個指示燈，分別是電源電量燈，工作燈，藍牙連接燈。

支持支持藍牙4.0和藍牙BLE。

連續滾動1000次0.5米，6個面接觸面滾動后依然穩定運行，達到IEC滾動規格。

IP54，達到IEC密封標準。

±15KV空氣放電，±8KV接觸放電。

支持一維條碼和二維條碼。

其超高頻RFID模塊為R2000的單端口模塊，配合一個3dBi圓極化天線放置在手持機頂部的方形塑料盒中。支持更大33dBm（2W）輸出。

圖5-8帶有手機夾子的藍牙閱讀器

如圖5-9所示為一個類似球拍形狀的藍牙閱讀器，同樣需要必須配合手機等帶有藍牙通信功能的設備才能工作。該藍牙閱讀器的特點是與手機完全分立，操作更方便，特別適合于服裝盤點的應用。

（a）正面圖（b）背面圖

圖5-9球拍形狀的藍牙閱讀器

4.一體式閱讀器

一體式閱讀器應用場景與固定式閱讀器相同，都不需要人為改變閱讀器的位置，不同點在于一體式閱讀器內部集成了天線。常見的一體式閱讀器為桌面讀卡器和帶有定位、數據處理等功能的網關（Gateway）設備。

（1）桌面機

超高頻RFID桌面機的產生是借鑒了HFRFID讀卡器的應用場景。早期的公交卡、各種會員卡都是使用HF RFID技術，且需要大量的讀卡器對HF標簽進行初始化讀取數據。因此超高頻RFID桌面機只需要將原有的HFRFID讀卡器內的模塊和天線進行更換即可。

如圖5-10所示為一款簡易的超高頻RFID桌面機，其特點為：

超高頻RFID桌面閱讀器采用ImpinjR500模塊方案，更大輸出功率30dBm（對工作距離要求不高時可以采用成本更低的模塊）。

內置3dBi圓極化天線，讀取標簽距離可達0到1m可調。

可實現100tags/s的標簽識別率。

可單獨使用USB口實現供電以及通信功能，實現最簡化的連接。

內置LED燈和蜂鳴器，可根據需求對LED以及蜂鳴器進行控制。單USB供電時更大輸出功率為15dBm，如需要輸出30dBm需要采用雙USB供電。

寫入性能，特別適用于桌面發卡器或高性能工業應用中的標簽識別設備。

圖5-10超高頻RFID桌面機

（2）網關設備

網關設計其實是高性能閱讀器或模塊與天線的結合，其表現形式有很多種，如作為物流使用放置在倉庫門口的網關，或作為圖書館出入口的防盜門，再或者倉庫頂懸掛的可以實現定位功能的網關，如圖5-11所示。

這些設備的特點為根據具體的應用場景不同，將原來的固定式閱讀器進行了一體化處理，配合更專業的天線實現良好的解決方案，許多網關設備內還帶有強大的計算能力。這類網關設備的優點是專業性強，缺點是靈活度差，只能適合一類應用。

圖5-11（a）為一個圖書館防盜門網關，一般是有兩扇門組成。該系統中有4個天線和一個四端口模塊或閱讀器。如果采用固定式閱讀器內置，則可以通過I/O口直接管理紅外觸發傳感器；當采用閱讀器模塊時，則需要增加工控模塊，管理I/O口和閱讀器模塊的工作和停止，并做數據處理和傳輸。

圖5-11（b）為一個雙天線網關，通過兩個天線的切換，可以實現更好的覆蓋，并減小盲點。

圖5-11（c）為一款帶有定位功能的超高頻RFID網關，當懸掛在房間頂部時，可以通過相位列陣天線的輻射角度變換判斷房間內的標簽分布位置。

（a）圖書館防盜門（b）雙天線網關（c）有定位功能網關

圖5-11網關設備