Design And Implementation Of A Low-cost, Compact And Long Range Monostatic Uhf Rfid Reader With Read Point Extension

Abstract

RFiD sistemlerinin çeşitli uygulama alanlarında artan popülerliği neticesinde, özelikle UHF bandında çalışacak olan RFiD okuyucu üretimine dair ihtiyaçlar gittikçe artan bir eğilim göstermektedir. Bahsedilen ihtiyaçlar göz önüne alınarak, bu tez kapsamında yeni bir okuyucu tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan okuyucu, endüstriyel RFiD uygulamaları için gerekli görülen birçok ilgi çekici özelliği bünyesinde barındırmaktadır. RFiD sistemleri, kısaca radyo frekanslı kimliklendirme diye tanımlanabilmektedir. Elektromanyetik dalgaları kullanarak (kablosuz iletişim), üzerlerine RFiD etiketleri iliştirilmiş olan nesne, hayvan ve insanlardan verilerin transfer edilmesini sağlarlar. Takip, gözlem, kontrol vb. amaçlı kullanılabilmektedir. Genel itibari ile barkod sistemi gibi otomatik tanımlama teknolojileri ailesinin bir üyesidir. Tez kapsamındaki ilk iki bölümde, RFiD sisteminin detaylarına ve temel standartlarına dair bilgilere yer verilmiştir. Üçüncü bölümde, donanım sistem tasarımına ait süreçler detaylı bir şekilde ele alınmış ve simülasyon ile ölçüm sonuçlarına yer verilmiştir. Tasarlanan okuyucu; okuma noktası artırılmış, düşük maliyetli, kompakt, uzun menzilli ve Gen2 uyumlu olacak şekilde UHF bandında geliştirilmiştir. Aynı zamanda, birden fazla okuyucunun aynı anda çalıştığı yoğun ortamlarda çalışabilme özelliğine sahiptir. Okuyucu, anten çıkış gücü 30-dBm olan iki adet anten çıkış portu barındırmaktadır. Ayrıca, yenilikçi bir özellik olarak, geri yansıyan RF gücünü azaltmak için anten uydurma devresi tasarlanmıştır. Bu işlem, okuyucunun çıkış empedansının antenin empedansına uydurulması ile gerçekleştirilmektedir. Bununla birlikte, okuyucu, işlem anında antenin empedansını olası çevresel faktörlere karşı kararlı bir yapıda tutabilme kabiliyetine de sahiptir. Bunların yanı sıra, bir güç algılayıcı devresi vasıtasıyla, okuyucu için var olan yasal koşulları sağlamak adına, çıkış gücünü sınırlandırma ve kontrol etme özellikleri de mevcuttur. Donanım tasarımı esnasında, yüksek frekansta PCB tasarım teknikleri, radyo frekansı ve fizik temelleri, dijital ve analog devre tasarım teknikleri gibi farklı disiplinlerden çeşitli teknik bilgiler ve kabiliyetler kullanılmıştır. Artırılmış okuma noktası özelliği, tasarlanan bir başka donanım, RF çoklayıcı devresi, vasıtası ile sağlanmaktadır. Bu ürün sayesinde, UHF RFiD okuyucunun anten çıkışları artırılarak sistem kurulum maliyeti azaltılmaktadır. Bu cihazın amacı, çoklu anten ihtiyacı olan uygulamalarda okuyucu sayısını sabit tutarak, anten çıkış sayısını artırmaktır. Bu sayede sistemin uygulanma maliyetinde avantaj sağlanmaktadır. Ürün dahilindeki anahtarlama entegrelerinin araya girme kayıplarının az olması ve entegrelerin kontrolünü sağlayan denetleyici yapısı, okuyucuların marka modelinden bağımsız tak-çalıştır sistem modeli ürüne ait katma değerli nitelikleridir. Bu tez dahilinde tasarımı gerçekleştirilen UHF RFiD okuyucu, aynı zamanda Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’nın sağlamış olduğu Ar-Ge proje destekleri kapsamında desteklenmiştir. Bu proje ve tez neticesinde, imalat masraflarını düşürmek adına okuyucu tasarımı ve üretimi yerli olarak gerçekleştirilmiş ve yurt içinde milli bir cihaz geliştirilmiştir. Proje sonucunda, başlangıçta belirlenen tüm kıstaslar başarıyla sağlanmış ve birer adet RF çoklayıcı devresi ve UHF RFiD okuyucu devresi, kontrol ünitesi ve grafiksel arayüz yazılımı ile birlikte, istenen herhangi bir RFiD uygulamasında kullanılmak üzere prototip olarak üretilmiştir.

RFiD systems have an increasing popularity in various kinds of applications. Necessities are rising for the manufacture of new RFiD readers in industry especially at UHF band. Based on this concept, a new UHF RFiD reader design with extended read point capability has been presented within the scope of this thesis. Designed reader has attractive features required by some industrial RFiD applications. Before the hardware design part of the study, first, the background of RFiD and its key standards have been introduced in the first two chapters. In the third chapter, the hardware design process has been covered in detail and simulation and measurement results have been presented. The designed hardware is a low-cost, compact and long-range Gen2 compliant UHF RFiD reader with extended read point capability. The reader has up to 30 dBm (1 Watt) output RF power at two selectable antenna ports. The reader has an antenna tuning circuit, a novel feature, to reduce reflected RF power from antennas. This is achieved by tuning output impedance of the reader to the impedance of antenna. The reader can also tune the antenna impedance during operation in case the environment of the antenna changes. A power detector is used to control and limit the output power to regulatory requirements. While designing the hardware, several technical skills within a wide spectrum of disciplines were used like PCB design in high frequency, radio frequency, physics of RF, digital and analog design. Extended read point capability is provided with another hardware design called RF multiplexer circuit. This product has been designed in order to increase the number of antenna output ports of UHF RFiD reader to reduce the system implementation cost in dense antenna applications. This hardware design is also a part of another Research & Development project funded by the Ministry of Science, Industry and Technology of Turkey. As a part of this project and this thesis, the UHF RFiD reader has been designed as a domestic product to lower the cost of manufacture. As a result of this project, all the objectives have been achieved and a prototype of UHF RFiD reader, which has a control unit and a graphical user interface, and an RF multiplexer have been manufactured to be used in any desired UHF RFiD application.