PoE供電網(wǎng)絡(luò)超高頻讀卡器設(shè)計(jì)

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(guò)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(wèn)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(guò)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(wú)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)能在確保現(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)的命令；控制與射頻卡的通信過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)，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(guò)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(guò)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(jiàn)，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。

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