Вопрос-ответ по внедрению технологий RFID

Центр систем идентификации выполняет разработку и внедрение программного обеспечения и автоматизированных информационных систем, построенных на основе технологий автоматической идентификации. Центр располагает готовыми решениями, позволяющими внедрить технологии автоматической идентификации в производственных процессах предприятия с минимальными затратами.

На первоначальной стадии выполняется обследование объекта автоматизации (изучение бизнес-процессов заказчика). На основании полученных данных и с учетом требований заказчика к разрабатываемым решениям, составляется калькуляция стоимости работ и необходимого оборудования. Работы выполняются на договорной основе на различных условиях: от разработки и внедрения систем «под ключ» до оказания консалтинговых услуг по разработке, внедрению и модернизации автоматизированных информационных систем.

Являясь динамично развивающейся организацией, Центр активно сотрудничает с ведущими научными и производственными организациями Беларуси и располагает развитой информационно-технической инфраструктурой, и профессиональным кадровым составом, что в целом позволят выполнять научно-практические работы на высоком профессиональном уровне.

Наиболее крупные проекты Центра внедрены в:

• Министерстве иностранных дел Республики Беларусь и его представительствах в других странах.
• Министерстве торговли Республики Беларусь.
• Министерстве сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь.
• Департаменте государственных знаков Министерства финансов Республики Беларусь.
• Национальной академии наук Беларуси.
• Ассоциации автоматической идентификации GS1 Belarus.
• и др.

Радиотехническое устройство, называемое меткой (tag), прикрепляется к объекту, который необходимо идентифицировать. В данной метке хранятся уникальные идентификационные данные об объекте, к которому она прикрепляется. Когда такой отмеченный объект подносится к соответствующему считывающему устройству — ридеру RFID, метка передаст эти данные в ридер (через антенну ридера). Затем ридер читает данные и может ретранслировать их прикладной программе, выполняющейся на компьютере, через подходящие для этого каналы связи, например сетевое или последовательное соединение. После этого данная программа может использовать такие данные для идентификации объекта, поднесенного к ридеру. Она может затем выполнить самые различные действия, например обновление информации в базе данных о местоположении данного объекта, посылку сигнала тревоги персоналу торгового зала или полностью игнорировать данные (например, при повторном их считывании).

Как следует из описания, RFID является технологией сбора данных. Однако у этой технологии есть ряд уникальных характеристик, позволяющих использовать ее в более широких областях по сравнению с традиционными технологиями сбора данных, таких, как штрих коды.

RFID-технология практически применяется с помощью RFID-систем

Радиочастотная идентификация (RFID) – это современная технология, используя которую, информация необходимая для уникальной идентификации конкретного объекта, дистанционно записывается или считываются с наклеенной или встроенной в объект метки, с помощью радиоволн.

Технология

В технологии радиочастотной идентификации (radio frequency identification — RFID) используются радиоволны для автоматической идентификации физических объектов (как живых существ, так и неодушевленных предметов). Следовательно, диапазон объектов, которые могут идентифицироваться с помощью RFID, охватывает практи­чески все на планете (и за ее пределами). Таким образом, RFID является примером технологии автоматической идентификации (automatic identification — Auto-ID), с помо­щью которой можно идентифицировать физический объект. Другие примеры Auto-ID — это штрих коды, биометрические методы (например, использование отпечатков пальцев и сканирование сетчатки глаза), идентификация голоса и системы оптического распознавания символов (optical character recognition — OCR).

Классификация радиочастот, используемых RFID

Классификация типов частот RFID выглядит следующим образом:

• низкие частоты (НЧ),
• высокие частоты (ВЧ),
• ультравысокие частоты (УВЧ),
• микроволновые частоты.

Низкие частоты

• Низкими считаются частоты между 30 и 300 кГц, и в системах RFID обычно исполь­зуются частоты в диапазоне от 125 до 134 кГц. Типичная НЧ RFID-система работает на частоте 125 кГц. В RFID-системах, работающих на низких частотах, обычно используются пассивные метки.
• Данные от метки к ридеру передаются с низкими скоростями, и они особенно хорошо подходят для рабочей среды, содержащей металлы, жидкости, различные виды загрязнений и снег (это очень важная характеристика НЧ-систем).
• Изготовителями также поставляются активные НЧ-метки.
• Вследствие того, что эти частоты использовались для RFID с самого начала внедрения технологии, системы с НЧ-метками, возможно, имеют самое большое ко­личество внедренных реализаций.
• НЧ-диапазон принят во всемирном масштабе.

ВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ (ВЧ)

• ВЧ находятся в диапазоне от 3 до 30 МГц, и типичной частотой, используемой в ВЧ RFID-системах, является 13,56 МГц.
• В типичной ВЧ RFID-системе используются пассивные метки.
• Данные от метки к ридеру передаются с низкой скоростью и обеспе­чиваются хорошие рабочие характеристики в присутствии металлов и жидкостей.
• ВЧ-системы применяются также широко, особенно в больницах (где они не взаимодействуют с уже существующим оборудованием).
• ВЧ-диапазон принят во всемирном масштабе.
  
  

УЛЬТРАВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ (УВЧ)

• УВЧ находятся в диапазоне от 300 МГц до 1 ГГц.
• Типичная пассивная УВЧ RFID-система работает на частотах 915 МГц в Соединенных Штатах и 868 МГц в Европе.
• Типичная активная УВЧ RFID-система работает на частотах 315 и 433 МГц.
• Следовательно, в УВЧ-системе могут использоваться как активные, так и пассивные метки.
• Данные между меткой и ридером передаются с высокой скоростью, но не обеспечиваются высокие характеристики в присутствии металлов и жидкостей (правда, не на нижних частотах УВЧ-диапазона 315 и 433 МГц).
• Развертывание УВЧ RFID-систем начало широко распространяться на основе недавних заказов на них от нескольких крупных частных и государственных предприятий, таких, как международные и национальные компании розничной торговли. Министерство обороны США и т. д.
• УВЧ-диапазон не принят во всемирном масштабе.

МИКРОВОЛНОВЫЕ ЧАСТОТЫ

• Микроволновые частоты находятся в диапазоне свыше 1 ГГц.
• Типичная микроволновая RFID-система работает либо на 2,45, либо на 5,8 ГГц, (хотя первая из частот более распространена).
• В ней могут использоваться как активные, так и полуактивные метки.
• Данные между меткой и ридером передаются с самой высокой скоростью и обеспечи­ваются самые низкие рабочие характеристики в присутствии металлов и жидкостей.
• Вследствие того что длина антенны обратно пропорциональна частоте, антенна пассивной метки, работающей в микроволновом диапазо­не, имеет самую малую длину (что ведет к малому размеру метки, поскольку микрочип метки также может изготовляться очень малого размера).
• Частотный диапазон 2,4 ГГц называется промышленным, научным и медицинским диапазоном (Industry Sci­entific and Medical — ISM) и принят во всемирном масштабе.
• На частоты, которые используются для RFID, накладываются как международные, так и внутригосударственные ограничения. Поэтому некоторые из ранее обсуждавшихся частот могут не действовать во всемирном масштабе.

Источники помех для радиоволн

Радиоволны подвержены помехам от различных источников, таких, как перечислен­ные ниже:

• Погодные условия — дождь, снег и другие виды осадков. Хотя они не создают проблем для НЧ и ВЧ.
• Присутствие других источников радиоизлучения — сотовых телефонов, мобильных радиостанций и т.д.
• Электростатические разряды. Они представляют собой внезапный электрический ток в материале, являющемся изолятором в нормальных условиях.
• Размещение под металлическими и экранирующими поверхностями.

RFID-система — это составляющий единое целое набор компонентов, реализующий какое-либо RFID-решение.

RFID-система состоит из следующих компонентов:

• Метки (обязательный компонент любой RFID-системы).
• Ридер (также обязательный компонент).
  • Антенны ридера (еще один обязательный компонент). Некоторые ридеры, выпускаемые в настоящее время, имеют встроенную антенну.
  • Контроллер (обязательный компонент, встраивается в большинство ридеров нового поколения).
  • Датчика, исполнительного и оповещающего устройства. Эти дополнительные устройства используются для ввода и вывода внешних сигналов.
  • Системы хост-компьютера и программного обеспечения (ПО). Теоретически RFID-система может функционировать независимо от данного компонента. На практике, без него RFID-система становится почти бесполезной.
  • Коммуникационная инфраструктура. Этот обязательный компонент объединяет в себе как проводную, так и беспроводную сеть и инфраструктуру последовательных соединений, которые нужны для взаимной связи ранее перечисленных компонентов и эффективного информационного обмена между собой.

Метки

Метка (tag) RFID — это устройство, способное хранить данные и передавать их ридеру бесконтактным способом с помощью радиоволн.

Классификация RFID-меток

по наличию в метке встроенного источника питания и/или возможности поддержки специализированных задач:

• Пассивные.
• Активные.
• Полуактивные (также называемые полупассивными).

ПАССИВНЫЕ МЕТКИ

RFID-метка этого типа не содержит встроенного источника питания (например, батарею) и вместо этого для своего питания и передачи данных ридеру использует энер­гию, излучаемую ридером. Пассивная метка конструктивно проста и не содержит движущихся частей. В результате такая метка имеет большой срок службы и в общем случае хорошо выдерживает жесткие условия окружающей среды. Например, некоторые пассивные метки могут сопротивляться таким коррозионным химическим веществам, как кислоты, и нагреву свыше 200 °C.

При обмене информацией в направлении от метки к ридеру первым инициирует связь ридер, а затем обмен осуществляет метка. Для передачи данных такими метками обязательно наличие ридера.

Пассивная метка, как правило, меньше активной или полуактивной метки. Значение расстояния считывания у нее может быть самым различным — от нескольких сантиметров до 10 метров.

Стоимость пассивной метки также в общем случае меньше, чем у активной или полуактивной метки.

Бесконтактная смарт-карта является особым типом пассивной RFID-метки и используется сегодня в различных областях (например, в качестве жетонов-удостоверений в системах безопасности и карточек покупателей в системах розничной торговли). Данные, хранящиеся на такой карте, считываются в непосредственной близости от ридера. Для считывания не нужно, чтобы карта была в физическом контакте с ридером.

Пассивная метка состоит из следующих основных компонентов:

• микрочип
• антенна

Микрочип

Устройство управления питанием преобразует напряжение переменного тока, получаемое от сигнала с антенны ридера, в питающее напряжение постоянного тока. Это устройство подает питание на остальные компоненты микрочипа. Выделитель тактовой частоты извлекает тактовый сигнал из сигнала, получаемого от антенны ридера. Модулятор модулирует получаемый от ридера сигнал. В модуАнлированный сигнал вводится ответ метки, и этот сигнал затем передается обратно ридеру. Логическая схема отвечает за реализацию протокола информационного обмена между меткой и ридером. Для хранения данных используется память микрочипа.

В общем случае память разбита на сегменты (т. е. состоит из нескольких блоков или полей). Адресуемость означает способность обратиться (т. е. прочитать или записать информацию) к отдельным участкам памяти микрочипа. Блок памяти метки может содержать данные различных типов, например порцию идентификационных данных отмеченного объекта, разряды контрольной суммы (например, циклический избы­точный код — CRC) для проверки точности передаваемых данных и т. д. Последние технические достижения позволяют сделать микрочипы размером с песчинку. Но физические размеры метки определяются не величиной микрочипа, а расположением и размером ее антенны.

Антенна метки

Антенна метки используется для извлечения энергии, питающей метку, из сигнала ридера и приема-передачи данных между меткой и ридером. Эта антенна физически прикреплена к микрочипу. Центральным для работы метки параметром является геометрия антенны. Возможны бесчисленные конструкции антенн, особенно для УВЧ-диапазона, и их проектирование является настолько же искусством, как и наукой. Длина антенны прямо пропорциональна рабочей длине волны метки. Дипольная антенна состоит из прямолинейного отрезка проводника (например, из меди) с разрывом посередине. Общая длина дипольной антенны, оптимально передающей энергию сигнала, получаемого с антенны ридера, равна половине длины волны используемой частоты. Двойная дипольная антенна состоит из двух диполей и значительно уменьшает чувствительность метки к ориентации. В результате этого ридер может читать такую метку под различными углами. Петлевой диполь состоит из двух и более параллельно соединенных прямолинейных проводников, каждый длиной в половину волны (ис­пользуемой частоты). Если он содержит два проводника, то получается 2- проводной петлевой диполь; 3- проводной петлевой диполь состоит из трех параллельно соединенных проводников.

Размеры антенны метки значительно превышает размеры микрочипа метки и, следовательно, является главным параметром, определяющим физические характеристики метки.

На выбор конструкции антенны оказывают влияние следующие факторы:

• расстояние считывания между меткой и ридером;
• известная ориентация метки относительно ридера;
• произвольная ориентация метки относительно ридера;
• размер и материал маркируемой продукции;
• скорость движения маркируемого объекта;
• особые условия работы (окружающей среды);
• поляризация антенны ридера.

Точки соединения микрочипа метки и ее антенны являются самыми слабыми места­ми метки. Если повреждается любая из этих точек соединения, то метка перестает работать или значительно ухудшает свои рабочие характеристики. Антенна, предназначенная для конкретной задачи (например, отметка упаковочного ящика), может плохо выполнять другую задачу (например, отметка отдельного предмета в ящике). Произвольное изменение геометрии антенны, как правило, приводит к плохим результатам, так как метка теряет настройку и оптимальные рабочие характеристики.

В настоящее время большинство антенн меток изготовляется из тонкой металлической полоски (например, медной, серебряной или алюминиевой). Однако в будущем, возможно, антенны будут печатать непосредственно на поверхности метки или на упаковочной таре токопроводящими чернилами, содержащими медь, углерод или никель.

Также предпринимаются попытки определить возможность печатания микрочипа с помощью подобных чернил. Такие усовершенствования в будущем могут позволить вам печатать RFID-метку, как это делается со штрих кодом на ящике или упаковке отдельных предметов. В результате этого стоимость RFID-метки может стать значительно ниже намеченных 5 центов США за метку.

Даже в отсутствие возможности печатать микрочип наносимая печатным способом антенна может присоединяться к микрочипу для получения полной RFID-метки значительно быстрее, чем металлическая антенна.

Возможности применения технологии RFID ограничены только воображением чело­века. Хотя существует мнение, что RFID лучше всего подходит для управления сетью сбыта или для отраслей, использующих товары в потребительской упаковке, диапазон прикладных RFID-систем выходит далеко за грани­цы этих областей применения. И действительно, в реальном мире уже успешно запу­щено в эксплуатацию множество самых различных типов RFID-систем. К одному ти­пу прикладной системы можно отнести несколько разных прикладных систем с одинако­выми характеристиками для данного типа.

Весь спектр потенциальных возможностей RFID не ограничивается только преобла­дающими типами прикладных систем. RFID является зарождающейся технологией, и поэтому впереди предстоит освоение огромного прикладного потенциала в областях, где можно использовать ее преимущества.

В настоящее время некоторые из этих об­ластей находятся на стадии создания прототипов и планирования, некоторые только начали исследоваться, а остальные еще не получили достаточного внимания отрасли и изготовителей. Короче говоря, эти типы прикладных систем должны «дорасти» до получения общего признания (как с технологической стороны, так и с позиции при­годности для бизнес-процессов) перед тем, как они будут запущены в производство. Возможно, большинству таких типов еще предстоит стать при­кладными системами преобладающего типа.

В то время как в целом определенный тип прикладных систем может быть назван зарождающимся, некоторые представители преобладающего типа прикладных систем могут быть одновременно и зарождающимися (например, отслеживание перемещения объектов и наблюдение-контроль в системах инвентарного учета). Когда RFID начнет использоваться в таких типах прикладных систем, то может раскрыться целый новый комплекс еще неизвестных видов систем.

Благодаря быстрым темпам развития RFID-технологии и связанных с ней изделий, поступающих на рынок, список типов прикладных RFID-систем непрерывно растет. Некоторые типы таких систем уже являются зрелыми и выпускаются серийно. Другие перспективные типы сегодня находятся на стадии создания прототипов. Несколько из таких типов могут выпускаться серийно в будущем, в зависимости от результатов ис­пытаний их прототипов, готовности делового сообщества вкладывать в них средства и идти на риск для принятия их потребителями и пользователями.

Преобладающие типы прикладных систем:

• отслеживание перемещения объектов;
• наблюдение и контроль в системах инвентарного учета;
• наблюдение за имуществом;
• защита от краж;
• электронные платежи;
• контроль доступа;
• защита от несанкционированного вскрытия.

Преимущества RFID в широком смысле могут быть разделены на следующие два типа:

• Существующие. Эти преимущества реализуются уже сейчас, с помощью создан­ных в настоящее время продуктов данной технологии.
• Будущие. Эти преимущества либо имеются в некотором виде уже сегодня, либо будут получены как усовершенствованные функции в будущем по мере развития технологии.

Существующие преимущества:

• Бесконтактная работа — RFID-метка может быть прочитана без какого-либо физического контакта между меткой и ридером.
• Перезапись данных — данные RFID-метки с перезаписью (RW-метки) могут быть перезаписаны большое число раз.
• Работа вне прямой видимости — чтобы RFID-метка была прочитана RFID-ридером, в общем случае не требуется ее нахождения в зоне прямой видимости ридера.
• Разнообразие диапазонов чтения — диапазон чтения RFID-метки может со­ставлять от нескольких сантиметров до 30 метров и более.
• Широкие возможности хранения данных — RFID-метка может хранить ин­формацию объемом от нескольких байтов до практически неограниченного количества данных.
• Поддержка чтения нескольких меток — RFID-ридер может автоматически читать несколько RFID-меток в своей зоне чтения за очень короткий период времени.
• Прочность — RFID-метки могут в значительной мере противостоять жестким условиям окружающей среды.
• Выполнение интеллектуальных задач — кроме хранения и передачи данных, RFID-метка может предназначаться для выполнения других задач (например, для измерения таких условий окружающей среды, как температура и давле­ние).
• Высокая точность чтения — RFID является точной на 100%.