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        PoE供電網(wǎng)絡(luò)超高頻讀卡器設(shè)計(jì)

        2013-03-11 10:50:04邱旭華
        關(guān)鍵詞:射頻卡閱讀器端點(diǎn)

        邱旭華

        (公安部第一研究所,北京100048)

        隨著WLAN、VoIP、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展,大量的Wireless LAN AP、IP Phone、IP Camera等基于IP的終端出現(xiàn)在人們生活周圍。這些設(shè)備通常數(shù)量眾多、位置特殊、數(shù)據(jù)電源線布線復(fù)雜、設(shè)備取電困難,其實(shí)施部署不僅消耗人力物力,增加建網(wǎng)成本,而且拖延了建設(shè)時(shí)間。

        以太網(wǎng)供電PoE(Power over Ethernet)技術(shù)則通過在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線纜上對(duì)所連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如Wireless LAN AP、IP Phone、Bluetooth AP、IP Camera等)進(jìn)行遠(yuǎn)程供電的方法,避免了在每一臺(tái)IP網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備上都安裝單獨(dú)的電源設(shè)備的問題,不必在使用現(xiàn)場(chǎng)為設(shè)備部署單獨(dú)的電源系統(tǒng),能夠極大地減少部署終端設(shè)備的布線和管理成本,推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

        科地通信推出PoE技術(shù)符合已大規(guī)模使用的IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)及最新的IEEE 802.3AF方案,供電設(shè)備方PSE(Power Sourcing Equipment)設(shè)備通過以太網(wǎng)電口對(duì)外供電,采用數(shù)據(jù)線提供DC48 V直流電源。當(dāng)受電設(shè)備方PD(Powered Device)設(shè)備插到端口上后,交換機(jī)將自動(dòng)對(duì)PD設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)及功率分類,并根據(jù)當(dāng)前剩余電源、端口供電優(yōu)先級(jí)的配置、端口功率配置等參數(shù),決定是否對(duì)此設(shè)備供電以及分配優(yōu)先級(jí)。

        1 PoE系統(tǒng)

        PoE指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動(dòng)的情況下,在為一些基于IP的終端(如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí),還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。PoE也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)PoL(Power over LAN)或有源以太網(wǎng)(Active Ethernet),有時(shí)也被簡(jiǎn)稱為以太網(wǎng)供電,這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。

        PoE相關(guān)特點(diǎn):PoE技術(shù)能在確?,F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時(shí),保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作,最大限度地降低成本。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)PoE的新標(biāo)準(zhǔn)[1],它在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展,也是第一個(gè)關(guān)于電源分配的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

        1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

        一個(gè)完整的PoE系統(tǒng)由供電端設(shè)備PSE(Power Sourcing Equipment)和受電端設(shè)備PD(Powered Device)兩部分構(gòu)成如圖1所示。

        圖1 PoE系統(tǒng)構(gòu)成框圖

        PSE設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備,同時(shí)也是整個(gè)PoE以太網(wǎng)供電過程的管理者。而PD設(shè)備是接受供電的PSE負(fù)載,即PoE系統(tǒng)的客戶端設(shè)備,如IP電話、網(wǎng)絡(luò)安全攝像機(jī)、AP及掌上電腦(PDA)或移動(dòng)電話充電器等其他以太網(wǎng)設(shè)備(實(shí)際上,任何功率不超過13 W的設(shè)備都可以從RJ45插座獲取相應(yīng)的電力)。兩者基于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)建立有關(guān)受電端設(shè)備PD的連接情況、設(shè)備類型、功耗級(jí)別等方面的信息聯(lián)系,并以此為根據(jù)PSE通過以太網(wǎng)向PD供電。

        1.2 端點(diǎn)PSE(供電設(shè)備)

        端點(diǎn)PSE在同一設(shè)備內(nèi)集成了以太網(wǎng)交換機(jī)和電源,即PSE結(jié)合了IEEE 802.3af電源供電功能與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)功能,或目前以太網(wǎng)交換機(jī)和集線器的轉(zhuǎn)發(fā)器功能。這些PSE位于以太網(wǎng)連線的另一個(gè)端點(diǎn)(即網(wǎng)絡(luò)連接的終端)上,并稱為端點(diǎn)(endpoint)。這些端點(diǎn)一般通過數(shù)據(jù)線對(duì)(信號(hào)線對(duì))輸送電源,因?yàn)檫@些線對(duì)肯定連在PD上。這種以太網(wǎng)交換機(jī)有時(shí)被稱為具有“在線電源”,如圖2所示。端點(diǎn)PSE最適合于新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部署。

        1.3 中間PSE(供電設(shè)備)

        中間PSE安裝在數(shù)據(jù)交換機(jī)和PD之間的連線上,這類PSE稱為中間(midspan)或稱中跨,電源可利用中間PSE方式注入網(wǎng)線。中間PSE通過CAT-5電纜中的“空閑線對(duì)”提供電源。而數(shù)據(jù)線對(duì)則直接通過,即對(duì)于基于中間的網(wǎng)絡(luò)而言,PD從一個(gè)已有的非802.3af交換機(jī)接收數(shù)據(jù)而從中間獲得電源[2-3]。

        圖2 電源通過信號(hào)線對(duì)傳送圖

        此類中間PSE,對(duì)于只有少數(shù)以太網(wǎng)設(shè)備需要電源的情況適用,這種方法更具成本效益。這樣的典例通常是在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)有4到24個(gè)端口,而它又是一個(gè)更大的多端口網(wǎng)絡(luò)的一部分,如圖3所示。

        圖3為采用MAx5935 PSE控和制器和MAX5940 PD接口的PoE供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化方框圖,該P(yáng)oE供電系統(tǒng)可工作于千兆位以太網(wǎng)的PD,必須向后兼容于PSE應(yīng)用,因此要從一個(gè)端點(diǎn)PSE交換機(jī)接收電源。

        2 超高頻讀卡器

        鑒于射頻識(shí)別技術(shù),即RFID技術(shù)的速發(fā)展和應(yīng)用,該系統(tǒng)的超高頻讀卡器選擇Impinj的R2000讀寫器。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成:

        (1)標(biāo)簽Tag(即射頻卡):由耦合元件及芯片組成,標(biāo)簽含有內(nèi)置天線,用于和射頻天線間進(jìn)行通信。

        (2)閱讀器:讀?。ㄔ谧x寫卡中還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備。

        (3)天線:在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。

        有些系統(tǒng)還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計(jì)算機(jī)(上位機(jī)主系統(tǒng))連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

        系統(tǒng)的基本工作流程是:閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)。當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流,射頻卡獲得能量被激活;射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號(hào),經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器,閱讀器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性,針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

        圖3 PoE供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化方框圖

        在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負(fù)載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面,不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別,但所有的閱讀器在功能原理上,以及由此決定的設(shè)計(jì)構(gòu)造上都很相似,所有閱讀器均可簡(jiǎn)化為高頻接口和控制單元兩個(gè)基本模塊[4]。高頻接口包含發(fā)送器和接收器,其功能包括:產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動(dòng)射頻卡并提供能量;對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡;接收并解調(diào)來自射頻卡的高頻信號(hào)。不同射頻識(shí)別系統(tǒng)的高頻接口設(shè)計(jì)具有一些差異,電感耦合系統(tǒng)的高頻接口原理圖如圖4所示。

        圖4 高頻接口原理圖

        閱讀器控制單元的功能包括:與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信,并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令;控制與射頻卡的通信過程(主-從原則);信號(hào)的編解碼。對(duì)一些特殊的系統(tǒng)執(zhí)行反碰撞算法,對(duì)射頻卡與閱讀器間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密,以及進(jìn)行射頻卡和閱讀器間的身份驗(yàn)證等附加功能。射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫距離是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。

        目前,長(zhǎng)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)的價(jià)格很高,因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的RF輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和射頻卡的耦合度,以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的,寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。

        以Impinj的R2000讀寫器為基礎(chǔ),讀寫器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        其中AP Module和R2000 Module為已經(jīng)做好的模塊,它們之間用34P排線連接。硬件PCB設(shè)計(jì)的主要功能詳細(xì)如下:

        (1)Console接口

        該接口采用思科RJ-45轉(zhuǎn)DB9的技術(shù),功能為AP模塊的調(diào)試串口(UART3),控制臺(tái)端口(DTE),RJ45-RJ45翻轉(zhuǎn)電纜,RJ-45到DB-9端子適配器,控制臺(tái)設(shè)備,詳細(xì)定義如表1所示。

        (2)USB-B

        使用AP Module的USB-OTG接口轉(zhuǎn)換成USB-B接口,USB 2.0 Devies。

        圖5 讀卡器設(shè)計(jì)圖

        表1 硬件PCB主要功能

        (3)RESET

        系統(tǒng)復(fù)位,通過復(fù)位鍵或者處理器自帶的看門狗給AP Module復(fù)位,AP Module再給外圍設(shè)備復(fù)位,其中用GPIO_43給R2000模塊復(fù)位,GPIO_39給USB3320復(fù)位,GPIO_40給LAN9514復(fù) 位。

        (4)DB15接口

        該接口用于外部擴(kuò)展,內(nèi)含一路串口,4路通用I/O輸入,4路通用I/O輸出,5V電源和地輸出,0-30 V電源輸入,具體定義如表2所示。

        (5)天線接口

        2路900M天線接口,TNC接頭;1路2.45G天線接口,TNC接頭。

        (6)USB-HOST

        USB-A接口,USB2.0 HOST,AP Module通過USB3320和LAN9514擴(kuò)展的4路USB之一。

        (7)R2000與AP Module的USB通信

        AP Module通過USB3320和LAN9514擴(kuò)展的4路USB之一,用于與R2000模塊上的ARM7通信。

        表2 DB15接口引腳定義

        (8)NET

        LAN9514通過AP Module的USB擴(kuò)展,LAN9514內(nèi)部帶10/100M Ethernet Controller。

        (9)POE

        符合802.3at標(biāo)準(zhǔn),5 V輸出,最大功率25 W,采用TI的TPS23754芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        (10)WIFI

        采用JORJIN的WG7310模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),符合IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)。

        802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在每個(gè)RJ45端口上,供電設(shè)備可以通過以太網(wǎng)雙絞線向用電設(shè)備提供的最大功率約為13 W。如果超過這一功率,便可能會(huì)干擾以太網(wǎng)雙絞線中數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸,所以有限的可用功率阻礙著PoE技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展。在市場(chǎng)的推動(dòng)下,IEEE于2004年9月成立了研究小組(PoE Plus)來討論如何增加供電設(shè)備PSE輸出的最大功率(高功率的PSE),以滿足受電設(shè)備不斷增加的功率需求。由PoE Plus研究組建立的新標(biāo)準(zhǔn)可能允許供電設(shè)備PSE輸出30~40 W的功率,同時(shí)保證PoE系統(tǒng)的安全性和可靠性。在不久的將來,高功率PoE技術(shù)可以支持高功率的受電設(shè)備(HPD)直接通過以太網(wǎng)雙絞線獲得電源(如筆記本計(jì)算機(jī)等)。

        PoE技術(shù)允許受電設(shè)備PD通過以太網(wǎng)線同時(shí)接收電能和收發(fā)數(shù)據(jù),所以當(dāng)設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或升級(jí)一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí),采用PoE構(gòu)架可以有效地減少投資成本,同時(shí)可以使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠,安裝和維護(hù)更加便捷。目前,盡管支持PoE技術(shù)的前端供電設(shè)備和終端受電設(shè)備還不多見,但是由于PoE系統(tǒng)的低成本、高可靠性和易用性等特點(diǎn),PoE技術(shù)必將很快被設(shè)備制造商和用戶所接受。

        [1]胡志華,郭其一.基于IEEE802.3af的以太網(wǎng)供電技術(shù)(PoE)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

        [2]陳英梅,段景漢,張家榮.以太網(wǎng)供電的關(guān)鍵技術(shù)解析[J].今日電子,2006(2):45-47.

        [3]殷君,薛吉.以太網(wǎng)供電技術(shù)的分析與設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2007(20):39-43.

        [4]宋靜宇.超高頻RFID讀卡器設(shè)計(jì)與研究[J].硅谷,2010(24).

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