Moduły czytników kodów kreskowych i RFID

Moduły czytników kodów kreskowych i RFID

W artykule poświęconym identyfikacji radiowej i optycznej zamieściliśmy najważniejsze informacje na temat rodzajów kodów kreskowych oraz tagów RFID, a także metod ich odczytywania. Znaczna część urządzeń dostępnych na rynku ma postać gotowych czytników ręcznych lub stacjonarnych, ale na szczęście producenci systemów wbudowanych (np. infokiosków, komputerów mobilnych czy automatów paczkowych) nie muszą konstruować czytników od zera. Mogą bowiem skorzystać z szerokiej gamy kompaktowych modułów OEM, które – dzięki silnej integracji wszystkich niezbędnych komponentów – umożliwiają prostą i skuteczną implementację funkcjonalności odczytu tagów i/lub kodów kreskowych w dowolnym urządzeniu. W artykule omówimy wybrane, godne uwagi przykłady tego typu rozwiązań.

Modularne podejście do projektowania urządzeń i systemów elektronicznych ma niewątpliwe zalety – łatwość integracji rozmaitych funkcjonalności, skrócenie czasu opracowania produktu i wprowadzenia go na ścieżkę produkcji, uproszczenie pracy projektantów sprzętu i programistów to tylko niektóre z dobrodziejstw stosowania modułów OEM. Podobnie jak w przypadku wszechobecnych modułów komunikacyjnych (np. GSM, Bluetooth czy Wi-Fi), także w świecie identyfikacji radiowej i optycznej mamy do wyboru rozmaite modele gotowych do użycia bloków funkcjonalnych, wspierających szerokie spektrum protokołów transmisji (w przypadku RFID) lub kodów kreskowych 1D i 2D.

Optyczne czytniki kodów

W pierwszej kolejności zaprezentujemy kilka interesujących modułów optycznych silników skanujących OEM, potem natomiast zajmiemy się czytnikami tagów.

EM1300 – podstawowy model czytnika kodów 1D marki Newland

Moduł EM1300 (fotografia 1) stanowi doskonały przykład niewielkiego, ale bardzo wydajnego zastosowania technologii skanowania statycznego, zawierającego matrycę CCD i oświetlacz LED. W obudowie o wymiarach 28,2×23,4×11,2 mm znalazł się – oprócz matrycy i diod elektroluminescencyjnych z odpowiednimi kolimatorami – także szybki procesor, umożliwiający uzyskanie prędkości aż 300 skanów i 200 dekodowań na sekundę (!). Tak duże osiągi pozwalają na wygodną obsługę czytnika z praktycznie niewyczuwalnymi przez użytkownika opóźnieniami – a to doskonale wpływa na wynikową efektywność pracy. Moduł komunikuje się z procesorem nadrzędnym za pomocą dwuliniowego interfejsu UART, jest zasilany napięciem 3,3 V, przy którym pobiera prąd o natężeniu nieprzekraczającym 150 mA. Urządzenie – z uwagi na konstrukcję pozbawioną lasera i wyposażoną w liniał CCD – może pracować zarówno z kodami kreskowymi wydrukowanymi na papierze (bądź innym nośniku), jak i wyświetlanymi na ekranach urządzeń mobilnych.

Fotografia 1. Czytnik kodów kreskowych 1D – EM1300 marki Newland (https://bit.ly/3AcAw9L)

N1 – ultrakompaktowy moduł czytnika 1D/2D

Moduł N1 (fotografia 2) to kolejna propozycja firmy Newland, skierowana przede wszystkim do producentów urządzeń przenośnych. Dzięki niezwykle małym wymiarom (21,5×9×7 mm) możliwa jest integracja czytnika w komputerach mobilnych (stosowanych m.in. jako terminale kurierskie), czytnikach naręcznych czy kompaktowych, przemysłowych instalacjach stacjonarnych. Czytnik komunikuje się poprzez UART lub USB – obydwa interfejsy są dostępne na 13-wyprowadzeniowym złączu FPC. W obudowie modułu znalazła się kamera CMOS z matrycą o rozdzielczości 640×480 px i obiektywem o kącie widzenia 42° (H)×31,5° (V), oświetlacz w postaci białej diody LED oraz czerwony celownik, także bazujący na konwencjonalnej diodzie (zamiast lasera półprzewodnikowego). W typowych warunkach pracy moduł pobiera prąd zasilania o wartości około 138 mA (przy napięciu 3,3 V), zaś w trybie standby natężenie spada do niecałych 12 mA.

Fotografia 2. Czytnik N1 marki Newland (https://bit.ly/3cc0SRj)

CR8000 – zaawansowany czytnik z podwójną optyką

Moduł CR8000 marki Code Corporation (fotografia 3) korzysta z opatentowanej technologii podwójnego pola widzenia – dzięki zdublowanemu obiektywowi może z równą skutecznością obsługiwać zarówno niewielkie kody o gęstym upakowaniu linii lub punktów, jak i obszerne oznakowania o dużej długości. Podczas gdy pierwsze z nich są odczytywane z użyciem obiektywu o polu widzenia 30° (H)×20° (V), to w przypadku drugich zastosowanie znajduje optyka szerokokątna 50° (H)×33,5° (V).

Fotografia 3. Czytnik CR8000 marki Code Corporation, wyposażony w podwójną optykę (https://bit.ly/3wm0Tcp)

Do konstrukcji czytnika producent wykorzystał monochromatyczną matrycę CMOS o rozdzielczości aż 1280×960 px. Warto dodać, że istotną zaletą prezentowanego modułu okazuje się odporność na silne odblaski, zapewniana przez zastosowanie (także opatentowanej przez producenta) technologii, korzystającej z adaptacyjnego sterowania poszczególnymi diodami LED oświetlacza. Model CR8000 doczekał się zresztą swojego godnego następcy – CR8200 (fotografia 4). Oprócz ulepszonej konstrukcji oferuje on także nieznacznie mniejsze wymiary (20,50×13,39×11,90 mm w porównaniu do 20,58×13,46×11,94 mm).

Fotografia 4. Czytnik CR8200 – nowsza wersja modelu CR8000 (https://bit.ly/3wonogB)

EM20-85 – zintegrowany czytnik 1D/2D z opcją NFC

Silnik skanujący EM20-85 to rozwiązanie idealne do wszystkich aplikacji stacjonarnych, w których – oprócz możliwości samodzielnego odczytu kodów kreskowych przez użytkowników – wymagana jest także współpraca z tagami HF RFID bądź urządzeniami mobilnymi pracującymi w trybie emulacji karty NFC. Dzięki zwiększonej powierzchni oświetlacza umieszczonego dookólnie wobec kamery oraz wyposażeniu go w matówkę rozpraszającą (fotografia 5) moduł generuje miękkie światło, które nie tylko zwiększa komfort użytkownika, ale ułatwia także redukcję odblasków.

Fotografia 5. Moduł silnika skanującego EM20-85 – widok z przodu (https://bit.ly/3CMIx8v)

Niskoprofilowa konstrukcja (moduł ma głębokość 18,3 mm i wymiary czoła 61,5×65,5 mm) ułatwia instalację w kompaktowych obudowach urządzeń, np. nowoczesnych infokioskach, bramkach biletowych, automatach parkingowych, itd. Czytnik jest dostosowany do pracy z kodami prezentowanymi na stosunkowo niewielkiej odległości (od 15 do 85 mm, w zależności od rodzaju i rozdzielczości kodu). Moduł został wyposażony w trzy interfejsy komunikacyjne (UART, RS-232 oraz USB), dostępne na dwóch złączach systemowych – 12-pinowym FPC (USB, UART) oraz 8-pinowym rastrowym (USB, RS-232) – fotografia 6.

Fotografia 6. Moduł silnika skanującego EM20-85 – widok z tyłu (https://bit.ly/3CMIx8v)

Moduły RFID

Drugą część artykułu poświęcimy wybranym modułom OEM czytników RFID 125 kHz i 13,56 MHz (NFC) – tym razem przyjrzymy się produktom z oferty firmy Netronix.

NANO-US – miniaturowy czytnik transponderów 125 kHz

Moduły NANO-US (fotografia 7) z serii NANO marki Netronix są przeznaczone do integracji bezpośrednio na płycie drukowanej docelowego urządzenia – dzięki krawędziowym padom lutowniczym pozwalają na montaż rozpływowy (dotyczy to także innych modeli z końcówką S w oznaczeniu). Z oczywistych przyczyn produkty nie są wyposażone we wbudowaną antenę (wymiary całości to zaledwie 17,5×17,5×3,0 mm), bez problemu jednak współpracują z antenami zewnętrznymi – w przypadku NANO-US zalecane są cewki o indukcyjności 500...1000 µH, wyposażone w zaledwie dwa dodatkowe elementy pasywne: kondensator (obliczony na częstotliwość rezonansową 125 kHz) oraz rezystor redukujący dobroć anteny (o wartości ok. 100 Ω).

Fotografia 7. Moduł LF RFID (125 kHz) – model NANO-US marki Netronix (https://bit.ly/3wwrcfP)

Przykładowy schemat aplikacyjny w konfiguracji dla interfejsu I²C został pokazany na rysunku 1. Warto dodać, że oprócz I²C moduł wspiera także dwukierunkową komunikację poprzez SPI i UART – ten ostatni może pracować w trybie RS232 (TTL) oraz RS485 (poprzez zastosowanie zewnętrznego nadajnika/odbiornika linii o kierunku transmisji sterowanym za pomocą wyprowadzenia T485), a także jednokierunkową transmisję 1-Wire (emulacja DS1990) oraz WIEGAND. Moduł obsługuje transpondery w standardach HID, HITAG 1, HITAG 2 (w ograniczonym zakresie), HITAG S, Q5 oraz Unique.

Rysunek 1. Schemat aplikacyjny modułu NANO-US marki Netronix (https://bit.ly/3wwrcfP)

NANO-RS – kompaktowy moduł HF RFID do montażu SMT

Moduł NANO-RS (fotografia 8) jest swego rodzaju odpowiednikiem opisanego wcześniej NANO-US, przystosowanym jednak do pracy z tagami MIFARE Classic, MIFARE DESFire, MIFARE Plus oraz MIFARE® Ultralight. W przypadku tych pierwszych zasięg odczytu dochodzi do 6 cm, zaś dla MIFARE Plus – do około 4 cm. Warto także dodać, że moduł obsługuje odczyt i zapis szyfrowanych obszarów pamięci transponderów MIFARE DESFire oraz MIFARE Plus. Wymiary płytki są identyczne, jak w przypadku NANO-US, ta sama jest także filozofia konstrukcji – moduł został przystosowany do montażu powierzchniowego i współpracuje z zewnętrzną anteną, co pozwala na zastosowanie produktu zarówno w aplikacjach silnie zintegrowanych (np. przenośnych), jak i urządzeniach stacjonarnych. Napięcie zasilania modułu to 3,3 V, zaś zakres temperatur pracy – od –20°C do +70°C.

Fotografia 8. Moduł NANO-RS marki Netronix (https://bit.ly/3CyFRew)

CTU-R5RM – czytnik OEM dla transponderów na pasmo 13,56 MHz

Seria CTU obejmuje moduły zintegrowane z anteną spiralną umieszczoną na obwodzie płytki PCB, oferujące wiele interfejsów komunikacyjnych, wbudowany przekaźnik elektromagnetyczny oraz pamięć zdarzeń. Moduły mogą pracować autonomicznie w rozmaitych systemach kontroli dostępu, a to dzięki wbudowanej pamięci tagów. CTU-R5RM (fotografia 9) obsługuje tagi HF RFID typu ICODE SLI, MIFARE Classic/DESFire/Plus/Ultralight, a także iCLASS. Urządzenie współpracuje z układami nadrzędnymi za pośrednictwem interfejsów 1-Wire, I²C, RS485, SPI, UART oraz WIEGAND, oferuje zasięg odczytu do 10 cm i może być zasilane napięciem od 5 do 16 V. Wbudowany buzzer ułatwia integrację w systemach autonomicznych, zwalniając użytkownika z konieczności podłączania zewnętrznego sygnalizatora akustycznego. Wymiary modułu to 79,5×79,5×12 mm.

Fotografia 9. Moduł CTU-R5RM marki Netronix (https://bit.ly/3Ak0s3n)

NP11 – czytnik RFID 13,56 MHz do aplikacji o najwyższych wymogach bezpieczeństwa

Moduł NP11 (fotografia 10) został zaprojektowany z myślą o najbardziej zaawansowanych aplikacjach kontroli dostępu oraz identyfikacji. Obsługuje do 4 kart SAM (Secure Access Module), których celem jest przechowywanie kluczy szyfrujących oraz algorytmów transmisji danych – dla kart przewidziane zostały sloty, znajdujące się na dolnej stronie płytki drukowanej. Moduł korzysta z klasycznego interfejsu RS232, jest zasilany napięciem od 7 do 16 V i pobiera prąd o natężeniu nie większym, niż 200 mA. Urządzenie współpracuje z tagami MIFARE DESFire oraz MIFARE Plus.

Fotografia 10. Moduł RFID typu NP11 marki Netronix (https://bit.ly/3CC3Fy9)

Podsumowanie

Zaprezentowany ekspresowy przegląd wybranych rozwiązań z zakresu modułów OEM, przeznaczonych do pracy w roli czytników RFID oraz kodów kreskowych, doskonale pokazuje różnorodność gotowych rozwiązań w branży identyfikacji radiowej i optycznej. Nie da się ukryć, że nawet w przypadku najprostszych czytników projektant zawsze musi zmierzyć się z szeregiem niełatwych zadań konstrukcyjnych – widać to szczególnie w świecie kodów kreskowych, które wymagają zastosowania precyzyjnie ustawionej optyki, niewielkich kamer oraz bardzo wydajnych procesorów wizyjnych, zwłaszcza w przypadku czytników 2D. Projektowanie zespołu optoelektronicznego od początku do końca nie ma jednak większego sensu podczas opracowywania urządzeń, dla których identyfikacja optyczna kodów prezentowanych np. na opakowaniu, etykiecie czy też ekranie urządzenia mobilnego jest zaledwie jedną z wielu różnych funkcjonalności. Zastosowanie gotowego, doskonale przetestowanego i silnie zminiaturyzowanego modułu wydaje się zatem rozwiązaniem optymalnym, znacznie zmniejszającym nakład pracy i skracającym czas wdrożenia produktu.

Z podobną sytuacją mamy do czynienia w kwestii czytników RFID. Choć istnieją wysoce zaawansowane, scalone transceivery pozwalające na integrację funkcji odczytu tagów RFID w niemal dowolnym urządzeniu, to w codziennej praktyce zdecydowanie łatwiej jest sięgnąć po rozwiązanie modułowe, zwalniające konstruktora z konieczności precyzyjnego strojenia obwodu dopasowania anteny, testowania zasięgu odczytu i optymalizacji projektu anteny. A to dopiero początek wyzwań projektowych, z jakimi zmierzyli się już twórcy czytników modułowych – ważne jest przecież także zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa czy też sporej uniwersalności w doborze najkorzystniejszego do danej aplikacji interfejsu lokalnego (RS232, RS485, UART, SPI, itd.). Jak zwykle wybór odpowiedniego rozwiązania modułowego może znacząco skrócić czas opracowania finalnego produktu, co bezpośrednio przekłada się na istotne oszczędności finansowe.

inż. Przemysław Musz, EP

Autor pragnie podziękować p. Michałowi Przybylskiemu z firmy Netronix oraz p. Michałowi Hopferowi z firmy CompArt International za przekazanie materiałów, na bazie których powstał niniejszy artykuł.
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów