A novel can based antenna multiplexing system for UHF RFID applications

Abstract

UHF pasif RFID teknolojisi, kimliklendirme ve takip amacıyla endüstrinin birçok alanında artan bir kullanıma sahiptir. Etiket okuma menzilinin arttırılması bu teknolojideki en önemli kriterlerden birisidir. Menzili genişletmek için kullanılan en yaygın metod ise farklı yerlerde konumlandırılmış birden fazla antenin kullanımıdır. Kullanılması gereken anten sayısının okuyucunun desteklediği anten sayısından fazla olması, UHF RFID okuyucunun anten çıkışı sayısını arttıran çoklayıcılar ile bir sistem kurulumunu gerektirmektedir. Fakat, bu tekniğin sınırlı sayıda anten çıkışı ve iletilen sinyal gücünü düşüren geri dönüş kaybı gibi dezavantajları bulunmaktadır.Bu tez çalışmasında, UHF RFID uygulamalarında, tek bir okuyucu ile kullanılabilecek anten sayısını arttıran ve geri dönüş kayıplarından dolayı iletilen sinyal gücündeki zayıflamanın sistemin performansına etkisini halihazırdaki sistemlere göre en aza indiren CAN tabanlı bir anten çoklayıcı sistemi tasarımı, uygulaması gerçekleştirilmiş, test sonuçları sunulmuştur. Tasarlanan sistem, kullanılacağı uygulamanın gereksinimlerine göre esnek bir şekilde kullanılabilmektedir. Ayrıca, çoklayıcıların üç kata kadar kaskad bağlanabilmesi ve çoklayıcılar arası düşük kablolama maliyetli güvenilir bir haberleşme protokolü gibi özelliklerini de sunmaktadır. Sistem, üç temel altsistemden oluşmaktadır. Bunlar; dijital giriş sinyallerini CAN mesajlarına çeviren ve diğer CAN düğümlerini kontrol eden ana kontrol düğümü, anten kanallarının anahtarlanması işlemini gerçekleştiren çoklayıcı düğümü ve anten kanallarını çoklayan anten çoklayıcı ünitesidir.Tasarlanan gömülü sistemin performans sonuçları, CAN ağına bağlı herbir çoklayıcı düğümünün eş zamanlı olarak kontrol edilebildiğini ve komut işleme sürelerinden kaynaklanan gecikmelerin sistemin hatasız çalışmasını engellemeyecek düzeyde düşük olduğunu göstermektedir. RF çoklayıcı ünitesinin geri dönüş kaybı 865MHz frekansında -1.342 dB olarak ölçülmüş ve beklenenden daha iyi bir sonuç elde edilmiştir. Ayrıca, sistem, RFID okuyucu ile test edilerek, anten anahtarma, kaskad bağlantı ve etiket okuma performansı gibi özellikler de test edilmiştir.Bu tez çalışması, Türkiye Bilim, Teknik ve Araştırma Kurumu tarafından desteklenen Akıllı Raf Tasarımı projesinin bir parçasıdır. Bu kapsamda, projenin anten çoklayıcı sistemi tasarımı kısmı başarılı bir şekilde tamamlanmıştır. Proje kapsamında, tasarlanan sistemin daha fazla sayıda anten (yakın alan) ile geniş kapsamda test edilmesinin 2014 yılı sonuna kadar tamamlanması planlanmaktadır.

UHF passive RFID is an emerging technology that is increasingly being used in many fields of industry where the identification and tracking is required. One of the major challenges in passive RFID is to increasing the tag reading zone. The most common method for increasing the tag reading zone is to use multi antenna systems which are placed at different locations. This method requires setting up a system with antenna multiplexers to increase the number of antenna outputs of UHF RFID reader. However, there are certain limitations when multiple antennas connected to a single RFID reader by using multiplexers such as insertion losses of ICs and number of antenna outputs.In this thesis, design, implementation, and test results of a CAN based antenna multiplexing system for UHF RFID applications has been presented. Designed system has novel features that provide flexible configuration based on application requirements such as cascade connection up to three stages and reliable communication between multiplexers with reduced number of wires. The system is implemented with three major subsystems; the main controller node, which converts digital input signals to CAN messages and controls other CAN nodes, the multiplexer node which is responsible for switching the antenna channels and the RF switching unit that consists RF switch ICs that multiplex antenna channels.Performance results of the embedded system showed that each of the CAN based multiplexer node could be controlled simultaneously and the time delay due to the command processing operations is insignificantly low. Insertion loss of the RF switching unit is measured as -1.342 dB at 865MHz, which is better than expected. The system was also tested with an RFID reader and antennas to demostrate antenna switching, cascade connection and tag reading performance. This thesis is a part of Smart Shelf Design project funded by the Scientific and Technological Research Council of Turkey. Within the scope of this thesis, antenna multiplexing system of this project has been succesfully prototyped. Currently, the project is still under development and the large-scale testing with more antennas (near field) is scheduled in winter 2015.