RFID технологията

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2009

Компоненти, модули и системи за радиочестотна идентификация

     Появила се в периода 1969-1973 г. и с ограничено приложение в началото, днес радиочестотната идентификация (Radio Frequency Identification) RFID се развива интензивно. Една от основните причини за това е необходимостта от бърз и ефективен контрол на преминаването на стоки и изделия (през митници, през входове и изходи на складове и магазини, през технологични етапи в производствени предприятия) и на установяване тяхната наличност, съчетани с определяне на основните им характеристики. Масовите приложения са вече възможни благодарение на създаването на достатъчно малки, евтини и надеждни специализирани интегрални схеми (ИС). В статията се разглеждат принципът на RFID, приборите и устройствата за нейната реализация заедно със сведения за системите и приложенията й.

Принцип на действие на RFID
Върху предвидения за контрол обект се поставя идентификатор, наричан също таг, транспондер или етикет (фиг. 1), съдържащ антена и ИС с памет. Четецът (Reader), наричан и контролер, периодично излъчва в кратки интервали от време (обикновено 50 ms) електромагнитни вълни с фиксирана честота, които достигат до антената на идентификатора. Те го задействат за определено време (типично 20 ms), през което той връща обратно модулиран сигнал с необходимите данни за обекта, а те от своя страна могат да се предават към близък или отдалечен компютър. За простота идентификаторите най-често използват амплитудноимпулсна модулация (ASK), т.е. на нулите на данните съответства малка или никаква (предавателят на идентификатора се изключва) мощност, а на единиците – максимално възможната мощност.
Поради значителната уязвимост на ASK към смущения се използват още честотноимпулсна модулация (FSK), при която на “0” и “1” съответстват синусоидални напрежения с различна честота, двуфазна импулсна модулация (ВPSK) с фази 0° и 180° на единственото синусоидално напрежение и квадратурна модулация (IQ Modulation). Според стандарта ISO14443 данните към идентификаторите се предават с ASK, а тези към четеца - с BPSK. На фиг. 1 са показани примерни стойности на мощностите, отнасящи се за разстояние d = 6 m между четеца и идентификатора. Не трябва да се забравя, че мощността на електромагнитната вълна намалява пропорционално на d3.
В сравнение с баркодовете, които съдържат 20-разредно число, тук то може да е с много повече разреди и  да съдържа повече данни. Неговата структура е определена от разработения електронен продуктов код  (Electronic Product Code) EPC. Друго предимство на RFID е възможността за четене на данните от разстояние, достигащо стотина метра. Чрез създадените програмни продукти могат да се събират данните от много идентификатори, например предметите в една палета или на стелаж без да е необходимо свалянето им. За количеството на данните, които се съхраняват в компютъра, няма принципни ограничения, а освен това голяма част от RFID позволяват чрез компютър многократно да се променят данните в идентификатора. Вече има комбинации на идентификатори и сензори, позволяващи следене по описания начин на различни неелектрически величини, полезността на което предполага значително бъдещо развитие.

Честотни обхвати
В съответствие с международни стандарти съществуват 4 обхвата за RFID, като не трябва да се забравя, че поглъщането на електромагнитните вълни от метали и течности нараства с увеличаване на честотата им. Това затруднява установяването на стабилна връзка четец-идентификатор, когато последният е в близост до метали, течности, сняг и др. или е монтиран върху обекти с голямо съдържание на течности (имплантиране в животни). Същевременно с увеличаване на честотата нараства максималната скорост на обмен на данни между четеца и идентификатора.
Нискочестотният обхват (LF Range) използва най-често 125 kHz и по-рядко 134,2 kHz, като за него практически не съществува споменатото влияние на течности и метали. Максималното разстояние между идентификаторите и четците в този обхват е около 35 cm. Високочестотният обхват (HF) е за честота 13,56 MHz, като регламентирането на характеристиките на ползващите го системи от международните стандарти ISO14443 и ISO15693 определя голямото му приложение. При него влиянието на течности и метали е твърде слабо, а максималното разстояние достига 1 m. Предимство на двата обхвата е използването им в целия свят.
Свръхвисокочестотният обхват (UHF) е от 840,5 до 954 MHz, като различни държави или групи от държави използват отделни негови части. Например в Европа честотите са 865,7 – 867,6 MHz, в САЩ – от 902 до 928 MHz и в Япония – между 952 и 954 MHz. Максималното разстояние е от 1 до 100 m, но често е необходима пряка видимост между идентификатора и антената на четеца. Не се препоръчва обхватът да бъде използван при наличие наблизо на метали и течности, тъй като електромагнитните вълни с тези честоти се отразяват лесно от тях и могат да попречат на работата на устройствата. Четците за този обхват  в Европа задължително трябва да проверяват дали каналът е свободен преди да изпратят съобщения към идентификатора (т.нар. режим Listen Before Talk), което създава ограничения при ползването на RFID системи. Последният микровълнов обхват (Microwave Range) също има две части – от 2446 до 2454 MHz (за Европа) и 5725-5875 MHz, като приложението му засега е ограничено.

Същност на идентификаторите
Двата задължителни елементи в тяхната структура са ИС и антена, като в обхватите до 13,56 MHz включително последната реагира на магнитната съставка на електромагнитната вълна. Успоредно на антената се свързва кондензатор за получаване на трептящ кръг с резонансна честота, равна на тази на обхвата с цел да се осигури максимално голямо входно напрежение на ИС и съответно максимално голямо разстояние между идентификатора и четеца. В някои случаи кондензаторът е част от ИС, а в други се свързва външно към нея. За обхвати 125 и 134,2 kHz антената представлява бобина със стотина навивки и индуктивност до десетина mH, докато за 13,56 MHz е необходима индуктивност няколко само mH. Последната обикновено се реализира чрез тънък спирален слой от мед или алуминий, нанесен върху изолационната подложка на идентификатора (фиг. 2).
Антените за двата високочестотни обхвата представляват дипол, който реагира на електрическата съставка на електромагнитната вълна и е с  дължина 1/2 от нейната, при което кондензатор не е необходим. Обикновено се изработват като тънък метален слой, нанесен върху пластмасова лента (Inlay), често с възможност за залепването й. С по-ниска цена са антените с проводящо мастило като проводник, но по-голямото му съпротивление влошава техните качества. Антените са насочени, поради което за получаване на максимално голямо напрежение върху тях трябва да са успоредни на антената на четеца. Когато са под ъгъл напрежението намалява и става 0 при негова стойност 90°. За избягване на това съществуват идентификатори с две перпендикулярни една на друга антени, чиито напрежения се сумират от ИС.
С най-голямо приложение са пасивните идентификатори (Passive Tag), които работят без батерия, а идея за структурата на тяхната ИС е дадена на фиг. 3.
Постъпващото на входа напрежение от антената се превръща в постоянно от токоизправителя, в някои случаи допълнително се стабилизира и върху кондензатора С се получава захранващото напрежение U0 за останалите блокове. Аналоговият блок демодулира приемания сигнал и модулира излъчвания от идентификатора. Основната част на цифровия блок е памет, като в идентификаторите само за четене (Read-Only Tag) R/O тя е с еднократен запис, който се прави по време на производството и не може да се променя. Идентификаторите за четене и запис (Read/Write Tad) R/W използват EEPROM, чието съдържание може да се променя в процеса на експлоатация (време за запис няколко ms), и работят с четци, наричани Interrogator. Причината за това наименовие се дължи на изпращането от устройството към идентификатора на “покана” за установяване на връзка (режим Interrogator-Talks-First, ITF). При получаването й той връща към устройството записания в паметта си идентификационен номер (обикновено с дължина 56b или 64b), с което връзката е установена. Сега устройството подава команда към идентификатора да бъдат изпратени данни и след получаването им следва команда за прекратяване на връзката, с което той се поставя в режим "очакване" (sleep). Съществуват идентификатори с допълнителна възможност те да установят връзката с четеца (Tag-Talks-First, TTF). Сравнително по-рядко се използват идентификатори за четене и еднократен запис (Write Once, Read Many) WORM, в чиято OTP памет само веднъж по време на експлоатацията им или преди започването й се прибавят данни, след което работата е като на идентификатори само за четене. Съществуват идентификатори R/W с малка ОТР памет, съчетаващи възможностите на двата последни вида.
Когато излъчваният сигнал от четеца към пасивен идентификатор индуцира в антената му достатъчно напрежение за получаване на необходимата стойност на U0, цифровият блок прехвърля данните от паметта си в аналоговия, той ги модулира и излъчва. Предимствата на пасивните идентификатори са ниската им цена, дългият експлоатационен срок (типично 20 г.) и малките размери (например като оризово зърно).
Активните идентификатори (Active Tag) притежават батерия, която може да е сменяема или не в зависимост от модела. Тя осигурява работата при приемане и предаване (максималното разстояние на връзка може да достигне 100 m) както и по-сигурна връзка в условията на значителни електромагнитни смущения. Към тези предимства се прибавя по-голямата скорост на обмен на данни и възможността идентификаторът да се обърне към четеца или друг идентификатор за установяване на връзка. Сравнително по-ограниченото приложение на тези идентификатори се дължи на цената им, значително по-големите размери от пасивните и по-късия експлоатационен срок на тези с вградена батерия. Например един контейнер може да е снабден с активен идентификатор, докато всяка от стоките в него е с пасивен.
Съществуват и полупасивни идентификатори (Semi-Passive Tag, Battery-Assisted Passive Tag), които при приемане ползват енергията на сигнала в антената, а батерията се включва само за предаване.
За отстраняване на евентуални грешки в приеманите данни системите с идентификатор R/W използват 16-разреден коригиращ код CRC (Сyclic Redundancy Code), който гарантира практически 100% достоверност.
В табл. 1 са дадени примери за ИС и модули на идентификатори. Сред тях са най-малките по размери ИС, например тази в ред 5 е 0,4x0,4x0,15 mm. Специфична особеност на ИС в ред 4 е съхраняването на данните във феромагнитна памет (FRAM), която обуславя много по-големия брой цикли запис/четене. Дадената на ред 11 може да бъде монтирана и върху метални повърхности, докато тази на ред 13 има вграден сензор за температура и часовник. Температурата заедно с точното време на измерването й се записват в паметта и се изпращат при поискване към четец. Извън таблицата за реализация на активни идентификатори е предвиден модулът RA01L8693MA на Mitsubishi Electric Semiconductor, който представлява усилвател за обхвата 865-928 MHz с изходна мощност 1,4 W и размери 9,2x9,1x1,8 mm.
Нарастват приложенията, изискващи все по-голям обем памет, което налага създаване на подходящи ИС. Пример е фамилията SmartMX на NXP, която има EEPROM с обем между 12 и 144 kB, ROM с обем 200 kB за ползване от клиента и RAM с обем 6144 B.

Конструкции на идентификаторите
Те са твърде разнообразни като често с един корпус се предлагат няколко разновидности с различни ИС и съответно параметри. Примери за характерни видове са дадени в табл. 2, като тези в редове 1-5 са с общо предназначение, т.е. могат да се използват в широк кръг приложения. Особеност на идентификатора на ред 2 е съхраняването му при температури до 160°С, докато този в ред 3 може да работи в продължение на 2000 часа при температура 200°С. В зависимост от модела закрепването върху обекта се извършва чрез залепване или по механичен път.
Вероятно с най-голямо приложение са картите, няколко примера за които са в редове 6-8. Особеност на значителна част от тях е, че при едно външно оформление има разновидности с различни ИС и съответно параметри (напр. картата на ред 6). С обхват между 30 и 80 cm е картата на ред 7 (широкообхватна), тъй като съдържа активен идентификатор с батерия, която може да работи 5 г. Дадената на ред 8 е представител на категорията Smart Ticket, използвана основно за таксуване в градския транспорт, но има и други приложения.
Голямо е разнообразието на залепващи се етикети (RFID Inlay), чието наименование определя големината и начина на закрепването им. Примери за тях са в редове 9-12, като даденият в ред 9 е предназначен за ламиниране в хартия. Специфично приложение на тези идентификатори е за следене на мястото на книги в книжарници и библиотеки. Разновидност са стикерите с отпечатан върху тях баркод (Smart Label), като четецът следи за съвпадение между него и записаното число в паметта на идентификатора.
Освен тези две групи има много други разновидности за специфични цели. Дадените на редове 13-14 ключодържатели (Keyfob) често намират приложение като ключ за електромагнитни брави и съответно контрол на достъпа до помещение и за регистриране на присъстие. Специфични са идентификаторите в часовник, използвани главно за контрол на достъпа. За следене на животни се изработват идентификатори в стъклени ампули, които се имплантират под кожата (обикновено зад главата). Независимо от противоречивите мнения се правят опити за имплантиране на идентификатори и на хора (обикновено между палеца и показалеца на лявата ръка), но с много по-малки размери. Основните цели са контрол на достъпа до секретни помещения и експресно снемане от идентификатора на паспортните данни и здравния статус на хора с рискови заболявания, при които бързата и правилна реакция на лекарския екип е жизнено важна. С подобно предназначение, но без имплантиране, са добиващите все по-голяма популярност гривни.
За закрепване върху контейнери и превозни средства се правят идентификатори с цилиндрична форма, а за поставяне в дърво, пластмаси и цимент има водонепропускливи разновидности с формата на пирон. Независимо от наименованието на последните те трябва да се поставят в предварително пробит отвор и не могат да се вадят за повторна употреба.
Съществуват идентификатори без ИС (Chipless RFID) с много ниска цена и реализирани главно по два начина. Първият използва документи и опаковки с вградени алуминиеви нишки за отразяване на електромагнитните вълни от четеца, съдържащи неговия код. При втория начин в немагнитен материал се вграждат фини частици от магнитни елементи. При облъчването им от четеца те връщат към него електромагнитна вълна с параметри, зависещи от магнитните им свойства. Наличието на около 70 вида елементи означава възможност четецът да разпознава вълната на всеки от тях като специфичен код. Това се използва за предпазване от кражби, а показаният на фиг. 1 компютър е излишен.

Протоколи
Връзката между идентификаторите и четеца се извършва в съответствие с точно определени правила, определяни от т. нар. протоколи. С най-голямо приложение е създаденият през 2005 г. стандарт EPCglobal Class1 Generation 2 и възприет от Международната организация за стандарти като ISO18000-6С. Според него скоростта на предаване на данни от четеца може да е между 27 и 128 kbps. За осигуряване на достатъчно енергия на идентификаторите логическата 0 се предава към тях във вида на фиг. 5а горе и има продължителност между 25 и 6,5 ms, а логическата 1 е според времедиаграмата долу. Двата начина за предаване на лог.0 и лог.1 от идентификаторите са показани на фиг. 5б.
За да се осигури работата на четеца с повече идентификатори всеки протокол определя начина, чрез който във всеки момент четецът да може да обменя данни само с един идентификатор (anticollision), както и редът на установяване на връзката. В споменатия стандарт всеки идентификатор има номер и съдържа брояч, а връзката се установява само с този, чийто брояч е 0. В началото на връзката всички идентификатори зареждат в брояча си своя номер, а първата установена връзка е с този с номер 0. След приключването й съдържанието на всички броячи се намалява с 1 и следващата връзка е с идентификатора с номер 1.

Четци
Типичната им структура е показана на фиг. 6. Честотата на излъчваните от антената електромагнитни вълни се определя от генератора (практически винаги кварцов), а мощността им – от предавателя. В зависимост от модела последната обикновено е между няколко десети от W и няколко W. С увеличаването й нараства максималното разстояние d до идентификаторите. Приемникът усилва и демодулира сигналите от антената, като за последното е необходимо показаното свързване към генератора. На изхода на приемника се получават данните, изпратени от идентификатора, които могат да се запишат в цифровия блок, а в много случаи той ги изпраща по жичен или безжичен път чрез някой стандартен интерфейс. Често четците са с два или повече интерфейса, а някои притежават и операционна система. По аналогичен начин те могат да приемат данни отвън, да ги модулират и изпращат към идентификаторите.
Структурата на фиг. 6 се отнася за т.нар. Monostatic Reader, в който антената е и приемна. Това определя по-ниска цена и размери на четеца, но може да създаде проблеми с приемането, които не съществуват в четците с отделни антени за предаване и приемане (Bistatic Reader). И в двата вида разстоянието d е право пропорционално на размерите на антената.
В зависимост от начина на излъчване се използват два вида антени. Тези с линейна поляризация излъчват само в една равнина и се предпочитат при фиксирани положения на идентификаторите и четеца, докато кръговата поляризация най-просто означава излъчване в цялото пространство пред антената. При това последната може да е вградена в четеца ила да се свързва външно към него. Захранването на част от четците е от електрическата мрежа, на други от батерия или акумулатор, а на трети чрез Ethernet.
За реализацията на четци съществуват специализирани ИС, които обикновено съдържат блоковете на фиг. 6 без антената. Използват няколко захранващи напрежения, например едно за предавателя и едно или две за цифровия блок, осигурявани от вграден стабилизатор. Има и набори (chipset) от две ИС – едната (RF Chip) съдържа предавателя, приемника и генератора, а другата (controller) е цифровия блок. Примери за основните им характеристики са дадени в табл. 3, като скоростта е на обмен с идентификаторите, а за консумирания ток е дадена най-голямата стойност в режим предаване. В някои случаи  коефициентът на усилване на приемника може да се променя и той да има два входа за сигнали с различна модулация (ИС в ред 2). Специфичен е наборът в ред 3, който може да се ползва и за работа с контактни карти.
Самите четци са 4 разновидности, като обхватът им зависи и от идентификатора, поради което в някои  каталози не се дава като параметър, а в други са стойностите му за всеки от индикаторите, с които четецът работи. Първият вид са стационарните четци, които се монтират неподвижно на места, покрай които преминават контролираните обекти. Примери за тях са дадени в редове 1-7 на табл. 4, а външният вид на този от ред 1 е на фиг. 7а. Даденият на ред 2 е предназначен за асансьори и може да ползва до 500 идентификатора, при доближаване на всеки от които той подава захранване на таблото с бутоните и съответно позволява ползването на асансьора.
По подобен начин работят и четците за електромагнитни брави (ред 3), но те чрез механичен контакт подават напрежение за задействане на бравата. Използват се и за задействане на други изпълнителни механизми. Специално за индустриални приложения е четецът в ред 4. Даденият на ред 5 (фиг. 7б) реално е серия от 7 четци, всеки за фиксиран честотен обхват, захранвани през кабела за връзка. Специфична особеност на този в ред 6 е, че може да работи с ОС Windows CЕ 5.0 и че се захранва от стандартен токоизправител и чрез PoE (Power over Ethernet). Някои от предназначените за контрол на достъпа са снабдени с отчитане на времето на снемане на данните и са снабдени с дисплей за неговото изписване.
Вторият вид са преносимите четци (Desktop Reader), които при използването им се поставят на определено място и работят като стационарни. Пример за тях са дадени в редове 8-12 на табл. 4.
Ръчните четци (Hand Held Reader) се използват за снемане на данните от идентификатори, монтирани върху неподвижни обекти. Захранват се с батерия и често имат дисплей за изписване на текущите данни от идентификатора. Примери за тях има в редове 13-15 на табл. 4. Даденият в ред 13 (фиг. 7д) е съчетан с четец за баркод.
Последният вид са модулите на четци с конструктивно оформление, позволяващо вграждането им в други апаратури. Основните параметри на такъв са в ред 16 на табл. 4, а на фиг. 7e е външният му вид.

Системи и приложения
Системите за RFID освен идентификатори и четци задължително съдържат компютър или сървър за събиране и обработка на данните. Връзката към тях е директна или чрез спомагателни устройства, действащи подобно на хъбовете в компютърните мрежи. За всяка система се създава или адаптира специализиран програмен продукт в зависимост от предназначението й и извършваните дейности.
Сред ключовите приложения на RFID са системите за планиране на фирмените ресурси (ERP) и системите за управление на складове и логистика Warehouse Management System (WMS). RFID технологията осигурява контрол на продукти по време на производството, при влизането и излизането им от складове, преразместване в тях и инвентаризация. Освен това системите в складове обикновено могат автоматично и да оформят необходимите счетоводни документи. Сред новостите в тази област са системите за мобилна търговия, при които чрез безжични връзки се осъществява договаряне и приемане на поръчки в магазина на клиента, тяхното зареждане във фирмения сървър и издаване на фактури.
Чрез замяна на баркодовете с RFID идентификатори отпада необходимостта от визуален контакт на четеца с обекта, което ускорява процеса на обработка на товари от спедиторски и транспортни фирми (напр. системата Moby E на Siemens), както и в касите на магазини. Същевременно четенето от идентификаторите е по-сигурно (не се зацапват и късат както етикетите с баркод) и те могат да се използват по-дълго време и многократно. Същото се отнася и за контрол на произвеждани изделия върху конвейер. За последния и подобни случаи има специализирани системи за индустриални приложения, типични примери за каквито са създаваните от компании като Datalogic (HF Serie), Hans Turck (BL ident system, регистрираща данните на обекти със скорост на движение до 10 m/s), Omron (V680 Series), Rockwell Automation (54RF Industrial RFID System за метални обекти и такива с масла и вода) и Siemens (SIMATIC RF300).
За предпазване от кражби нарастващо приложение имат прости и ефективни Electronic Article Surveillance (EAS) системи, използващи евтини етикети с RFID идентификатори, например такива показващи само наличието на стока без данни за нея.
Друга област са системите за електронни разплащания, като с най-масово приложение засега са тези за места на преминаване на хора или превозни средства срещу заплащане (градски транспорт, лифтове, платени магистрали). Достатъчно е преминаване покрай четеца (идентификаторът е в джоб или закрепен на стъкло на превозното средство) за да се извади таксата от заредената сума в идентификатора. Все повече стават издаваните от банки кредитни карти с RFID идентификатори, работещи на същия принцип и използвани за плащане в магазини.
Разширява се ползването на електронни паспорти, които съдържат идентификатор RFID тип R/O с необходимите данни за притежателя, вкл. биометрични или негова снимка, и са в процес на въвеждане в цял свят. За намаляване на риска от прочитане на данните от неоторизирани лица се взимат различни мерки. Например едната страница на някои паспорти съдържа метално фолио и при затварянето й не е възможно четене. Данните от други паспорти могат да бъдет свалени само при поставянето им в четеца и набиране на него личния идентификационен номер на притежателя.
За достъп до определено помещение (офис, хотелска стая) или място (паркинг) също се използват RFID системи. Техните четци могат да регистрират кога се влиза и излиза и да задават разрешените времена за достъп, а идентификаторите освен карта могат да бъдат стикери за залепване на постоянно носен предмет, например мобилен телефон.




Top