Zakład Systemów Radiowych (Z-1) Analiza tendencji rozwoju technik RFID oraz laboratorium badawcze technik RFID

Transkrypt

1 Zakład Systemów Radiowych (Z-1) Analiza tendencji rozwoju technik RFID oraz laboratorium badawcze technik RFID Praca nr: Warszawa, grudzień 2008

2 str. 2 z 187 Tytuł pracy: Analiza tendencji rozwoju technik RFID oraz laboratorium badawcze technik RFID Numer pracy: Zleceniodawca: Praca statutowa Słowa kluczowe: system RFID; transponder; czytnik; normalizacja; badania; laboratorium badawcze Kierownik pracy: mgr inż. Aleksander Orłowski Wykonawcy pracy: mgr inż. Aleksander Orłowski inż. Krzysztof Kaczan inż. Arkadiusz Staszak mgr inż. Elżbieta Tomaszuk Praca wykonana w Zakładzie Systemów Radiowych (Z-1) Instytutu Łączności PIB. Kierownik Zakładu Systemów Radiowych (Z-1): mgr inż. Aleksander Orłowski Niniejsze opracowanie może być powielane i publikowane wyłącznie w całości. Powielanie i publikowanie fragmentów wymaga uzyskaniu zgody Instytutu Łączności PIB. Copyright by Instytut Łączności PIB, Warszawa 2008

3 str. 3 z 187 SPIS TREŚCI Wstęp... 8 Spis literatury Zagadnienia ogólne Elementy systemu RFID Transponder Czytnik Właściwości systemów RFID Zasada działania Sprzężenie indukcyjne Sprzężenie propagacyjne Cechy użytkowe Transpondery LF Transpondery HF Transpondery UHF Zastosowania Standardy RFID Inne zagadnienia Odniesienie do modelu OSI Bezpieczeństwo Ochrona środowiska Ochrona zdrowia Definicje Wykaz akronimów użytych w rozdz Spis literatury do rozdz Systemy RFID w pasmach LF Wprowadzenie Norma ISO/IEC Warstwa fizyczna systemu typu A (FDX) Warstwa fizyczna systemu typu B (HDX) Porównanie systemów typu A (FDX) i typu B (HDX) Klasyfikacja poleceń systemowych Protokół transmisji Sekwencja antykolizyjna Organizacja pamięci użytkownika w transponderach Systemy RFID do identyfikacji zwierząt Koncepcja systemu Wymagania dotyczące czytników Wymagania dotyczące transpondera FDX Wymagania dotyczące transpondera HDX Inne właściwości systemu... 48

4 str. 4 z Kod identyfikacji transpondera Udoskonalone transpondery do identyfikacji zwierząt Odczyt transponderów udoskonalonych Transponder typu FDX-B Transponder typu FDX-B Transponder HDX ADV Aspekty techniczne i regulacyjne identyfikacji zwierząt Badania urządzeń RFID pracujących w pasmach LF Ogólne warunki wykonywania badań Badanie transponderów LF Minimalne natężenie pola Poziom odpowiedzi transpondera: Wytwarzanie pomiarowego pola magnetycznego Odbiór sygnału transpondera Procedura badania transponderów FDX Procedura badania transponderów w trybie HDX Pomiary minimalnej wartości natężenia pola aktywacji Inne parametry transponderów Wyposażenie do badania czytników Emulator transponderów Indeks modulacji amplitudy i kształt przebiegu Badanie mocy generowanej w trybie FDX Badanie mocy generowanej w trybie HDX Detekcja odpowiedzi transpondera FDX Detekcja odpowiedzi transpondera HDX Opis emulatorów transponderów Wykaz akronimów do rozdz Spis literatury do rozdz Systemy RFID w paśmie 13,56 MHz Wprowadzenie Norma ISO/IEC Charakterystyka systemu MODE Charakterystyka systemu MODE Charakterystyka interfejsu radiowego czytnika Modulacja jittera fazy (PJM) Kodowanie danych czytnika Komunikacja transponderów z czytnikiem Unikanie kolizji Karty bezstykowe Karty dystansowe norma ISO/IEC Parametry interfejsu radiowego Komunikacja VCD z VICC Komunikacja VICC z VCD Badania zgodności z normą ISO/IEC Cewka kalibracyjna Testowe urządzenie sprzęgające Wzorcowe karty dystansowe Cyfrowy oscyloskop próbkujący

5 str. 5 z Badania funkcjonalne karty dystansowej Badania natężenia pola i zdolności do zasilania kart Indeks modulacji i kształt przebiegu Odbiór modulacji obciążenia Karty zbliżeniowe norma ISO/IEC Parametry interfejsu radiowego Interfejsy komunikacyjne Interfejs typu A Interfejs typu B Minimalna strefa odczytu karty zbliżeniowej Protokóły detekcji kolizji i komunikacyjne Badania zgodności z normą ISO/IEC Cewka kalibracyjna Testowe urządzenie sprzęgające Wzorcowe karty zbliżeniowe Cyfrowy oscyloskop próbkujący Pomiary natężenie pola PCD Badania zdolności do zasilania kart Indeks modulacji i kształt przebiegu Odbiór modulacji obciążenia Badania funkcjonalne karty zbliżeniowej Komunikacja w polu bliskim (NFC) Wymagania zasadnicze i inne regulacje Europejskie Wykaz akronimów do rozdz Spis literatury do rozdz Systemy RFID w pasmach UHF Wstęp Zakres 860 MHz do 960 MHz norma ISO/IEC Typ A Transmisja danych z czytnika do transpondera Typ B Transmisja danych z czytnika do transpondera Transmisja danych z czytnika do transpondera Detekcja błędu transmisji Badanie zgodności z normą ISO/IEC TR Badania funkcjonalne czytnika Wyposażenie do badania czytników Badanie modulacji Badanie demodulatora Badanie funkcjonalne transponderów Stanowisko do badania transponderów Badanie demodulacji Badanie rozproszenia wstecznego Czas odpowiedzi transpondera Szybkość transmisji transpondera Czas podtrzymywania stanu przez transponder Wymagania dotyczące stanowiska pomiarowego Oscyloskop

6 str. 6 z Analizator widma Emulator transpondera Generator RF Antena odniesienia Zakres MHz wymagania krajowe Podstawy regulacji Zestawienie wymagań Wykorzystanie pasma 2,45 GHz norma ISO/IEC Wprowadzenie Charakterystyka zakresu normy ISO/IEC System MODE Łącze czytnik do transpondera Łącze transponder do czytnika Unikanie kolizji Komunikacja transpondera z czytnikiem FM System MODE Łącze czytnik do transpondera Łącze transponder do czytnika Charakterystyka protokółu Opis interfejsu radiowego Badanie zgodności z normą ISO/IEC Badania czytników Badania transpondera Aparatura pomiarowa Pasmo 2,45 GHz wymagania krajowe Podstawy regulacji Zestawienie wymagań Wykorzystanie pasma 433 MHz norma ISO/IEC Wprowadzenie Charakterystyka zakresu normy ISO/IEC Unikanie kolizji Parametry emisji czytnika Parametry emisji transpondera Protokół identyfikacji i transmisji podstawowe parametry Protokół antykolizyjny Badanie zgodności z normą ISO/IEC Pasmo 433,92 MHz wymagania krajowe Wykaz akronimów użytych w rozdz Spis literatury do rozdz Ogólne metody badania właściwości użytkowych urządzeń RFID Identyfikacja, odczyt i zapis Identyfikacja Odczyt Zapis Strefa działania systemu zasięg systemu Szybkość transakcji Niezawodność

7 str. 7 z Wymagania Metody badania Zasięg identyfikacji pojedynczy transponder Zasięg identyfikacji wiele transponderów Szybkość identyfikacji Zasięg odczytu i zasięg zapisu Wykaz akronimów użytych w rozdz Spis literatury do rozdz Projekt czytnika RFID Cel i założenia projektu Część nadawcza Część odbiorcza Opis projektu Układ U2270B Opis wyprowadzeń układu Generator Sterowanie prądem anteny Filtr wejściowy Wzmacniacz Przerzutnik Schmitta Zalecany układ pracy Układ RI-RFM Opis wyprowadzeń układu Opis działania układu Zalecany układ pracy Mikrokontroler ATmega Opis zaprojektowanego układu Wykaz akronimów użytych w rozdz Spis literatury do rozdz Wykorzystanie wyników pracy

8 str. 8 z 187 Wstęp Niniejszy dokument przygotowano w ramach realizacji zadania finansowanego ze środków przeznaczonych na działalność statutową Instytutu Łączności. Zgodnie z założeniami sformułowanymi we wniosku o finansowanie pracy, przygotowane opracowanie obejmuje analizę stanu techniki, w tym metod badania oraz opis procedur badania urządzeń RFID. Rozdz. 1 zawiera ogólną charakterystykę technik RFID. Jego częścią jest zbiór definicji przyjętych w niniejszym opracowaniu. W rozdz. 2 opisano systemy RFID stosowane w zakresach częstotliwości do 135 khz oraz podstawy metod badania parametrów interfejsu radiowego urządzeń tych systemów. W rozdz. 3 opisano systemy RFID wykorzystujące pasmo 13,56 MHz, w tym także bezstykowe karty identyfikacyjne i systemy NFC, oraz podstawy metod badania parametrów interfejsu radiowego urządzeń tych systemów. W rozdz. 4 opisano systemy RFID stosowane w różnych zakresach częstotliwości UHF: MHz, ok. 2,45 GHz i 433 MHz, oraz podstawy metod badania parametrów interfejsu radiowego urządzeń tych systemów. W rozdz. 5 przedstawiono ogólną metodę badania parametrów systemu RFID istotnych z punktu widzenia użytkownika systemu, takich jak zasięg identyfikacji / odczytu / zapisu, szybkość odczytu. W ww. rozdziałach niniejszego dokumentu nie opisywano szczegółowo protokółów i składni poleceń, ponieważ wymagałoby to po prostu przetłumaczenia kilkunastu norm. W rozdz. 6 opisano założenia projektu i realizację układu czytnika, przygotowywanego jako fragment wyposażenia laboratorium technik RFID. Podjecie tej tematyki w ramach działalności statutowej wynika z analiz tendencji rozwoju technik radiowych. Rozwój i upowszechnienie technik RFID jest jednym z priorytetów polityki Komisji Europejskiej w zakresie technik ICT. Decyzje Komisji [1, 2] mają na celu wdrożenie RFID w wielu dziedzinach gospodarki. Analogiczne działania wspierające prace nad RFID są podejmowane przez administracje USA, Japonii, Chin i innych krajów. Wraz z wdrożeniem RFID w gospodarce pojawia się potrzeba utworzenia krajowego ośrodka mającego kompetentny personel i podstawowe wyposażenie umożliwiające wykonywanie ekspertyz i ocen technicznych urządzeń i systemów RFID w zakresie zgodności parametrów i protokółów komunikacyjnych z normami, bezpieczeństwa informacji, autentyczności. Ze względu na wykorzystywanie transmisji radiowej bliskiego zasięgu dziedzina ta jest bliska kompetencjom laboratorium badawczego, które działa w strukturze Zakładu Systemów Radiowych Instytutu Łączności. Spis literatury [1] Commission Decision (2006/804/EC) of 23 November 2006 on harmonisation of the radio spectrum for radio frequency identification (RFID) devices operating in the ultra high frequency (UHF) band. OJ L [2] Commission Decision (2006/771/EC) of 9 November 2006 on harmonisation of the radio spectrum for use by short-range devices. OJ L

9 str. 9 z Zagadnienia ogólne 1.1 Elementy systemu RFID Określenie identyfikacja radiowa, "RFID", ang. Radio Frequency Identification, jest używane w odniesieniu do różnych technik komunikacji radiowej między urządzeniem służącym tylko do odczytu danych lub do odczytu i zapisu danych, nazywanym czytnikiem a urządzeniem przechowującym unikalne dane, nazywanym transponderem. System RFID, rys. 1-1, składa się z systemu komputerowego (z bazą danych) i dwóch rodzajów urządzeń identyfikacji radiowej: czytników i transponderów. System komputerowy obsługuje aplikacja, która steruje urządzeniami RFID. Transponder jest przeznaczony do umocowania do obiektu, który ma być identyfikowany. Może przechowywać i po uaktywnieniu wysyłać tylko swój indywidualny niepowtarzalny numer identyfikacyjny (ID), albo także inne dane odnoszące się do samego transpondera (np. kod wytwórcy) lub dane odnoszące się do obiektu, z którym transponder jest skojarzony. W niektórych systemach te dodatkowe dane mogą być wielokrotnie modyfikowane. Czytnik jest urządzeniem, które komunikuje się z transponderami znajdującymi się w zasięgu jego komunikacji radiowej. Czytnik nadzoruje protokół transmisji, odczytuje informacje z transponderów, może polecać transponderom przechowywanie informacji. Czytnik Antena Transponder Interfejs radiowy Komputer systemu Rys. 1-1: Główne elementy systemu RFID Uwaga. Jako interfejs radiowy pomiędzy antenami czytnika i transpondera stosuje się albo sprzężenie indukcyjne (przez pole magnetyczne), albo fale elektromagnetyczne. Transmisja od czytnika w kierunku transpondera jest traktowana jako łącze "w dół" (forward link, down link), natomiast transmisja od transpondera do czytnika jako łącze "w górę" (return link, up link). Działanie systemów RFID polega na komunikacji w zakresie częstotliwości radiowych pomiędzy transponderem RFID /* i czytnikiem RFID /*. /* Szerszą interpretację określeń "transponder" i "czytnik" przedstawiono w p Transponder Transponder RFID jest radiowym urządzeniem nadawczym lub nadawczo-odbiorczym, wysyłającym sygnał zawierający kodowane dane identyfikacyjne tylko w odpowiedzi na pobudzenie sygnałem radiowym o określonej częstotliwości. Każdy transponder jest zbudowany z układu scalonego i anteny umieszczonych na odpowiednim podłożu lub w odpowiedniej obudowie. Układ scalony transpondera zawiera procesor, pamięć i nadajnik radiowy. W obudowie transpondera mogą znajdować się również dodatkowe elementy, takie jak np. czujnik temperatury i bateria stanowiąca źródło zasilania.

10 str. 10 z 187 Ze względu na różne obszary zastosowań transpondery są produkowane w różnych obudowach (osłonach), np. zaprasowane wewnątrz plastikowych kart identyfikacyjnych osób, w postaci kolczyków dla zwierząt gospodarskich, w formie elastycznej, samoprzylepnej etykiety z kodem kreskowym, jako bryła wykonana z materiału o dużej wytrzymałości mechanicznej i innych. Zależnie od potrzeb transpondery mogą być mocowane do przedmiotu (obiektu), który ma być identyfikowany, albo na jego opakowaniu, albo do palety, na której znajduje się wiele opakowań. Zależnie od zastosowania pamięć transpondera może być pamięcią tylko do odczytu lub pamięcią do zapisu i odczytu. Pamięci tylko do odczytu programowane podczas produkcji zawierają numer seryjny lub inne niezmienne dane. Dane w transponderach z pamięcią do zapisu / odczytu mogą być wiele razy modyfikowane. Często pamięć dzielona jest na część, która jest tylko do odczytu i część, w której użytkownik może zmieniać dane. We wszystkich przypadkach dane z transpondera RFID mogą być wielokrotnie odczytywane w sposób nieniszczący zapisanej informacji. Transponder może przechowywać różne dane i wskutek pobudzenia przesyłać je, np. w najprostszym przypadku tylko wpisany na stałe numer seryjny. Transpondery mogą być również klasyfikowane jako: bierne (passive), tj. takie, które uzyskują energię tylko z pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez czytnik; aktywne (active), tj. takie, których nadajnik RF jest zasilany z baterii; półaktywne (semi-active), tj. takie, w których wbudowana bateria służy do ciągłego zasilania czujnika (np. temperatury) zintegrowanego z transponderem, ale nie jest wykorzystywana do zasilania nadajnika RF. Tab. 1-1: Klasyfikacja transponderów Sposób komunikacji Bierny (przesyłanie danych przez modulację pola RF) Aktywny (własny nadajnik) Źródło energii zasilania transpondera Bateria (aktywny) Transpondery nazywane również półaktywnymi /* Transpondery o dużym zasięgu Pole RF czytnika (bierny) Prawie wszystkie transpondery powszechnie stosowane Nie istnieją /* W tzw. transponderach półaktywnych (semiaktiv), łączących funkcje RFID z czujnikiem, bateria służy do zasilania układu pomiarowego i pamięci. Nie jest wykorzystywana do zasilania nadajnika RF Czytnik Czytnik RFID jest radiowym urządzeniem nadawczo-odbiorczym. Jego nadajnik za pośrednictwem anteny emituje energię wykorzystywaną do uaktywniania transponderów, a w niektórych systemach również sygnały poleceń sterujących transponderami i/lub modyfikujących dane zapisane w pamięci transponderów. Jego odbiornik demoduluje i dekoduje dane nadawane przez transponder. Czytnik odbierający sygnał transpondera dekoduje dane i może je przesyłać do komputera systemowego za pośrednictwem łącza kablowego (tylko czytniki stacjonarne) lub radiowego. Czytniki mogą być jednostkami samodzielnymi i działać bez obsługi np. nadzorując bramę magazynu lub taśmę transportową. Mogą być urządzeniami ruchomymi, zainstalowanymi np.

11 str. 11 z 187 na wózku widłowym używanym do przewozu palet i opakowań, albo być aparatami noszonymi przez użytkownika zintegrowanymi z komputerem. Czytnik nadaje sygnał RF, który jest odbierany przez wszystkie transpondery znajdujące się w pobliżu, których obwody antenowe są dostrajane do częstotliwości tego sygnału. Czytniki stacjonarne są stosowane w przypadku konieczności tworzenia stref odczytu, np. w bramie magazynu w celu inwentaryzacji przyjmowanych i wydawanych produktów. Są stale w trybie czuwania, aby wykryć każdy transponder, który znajdzie się w ich strefie odczytu. Strefa odczytu w przypadku systemu z transponderami biernymi może sięgać od 3 m do 6 m. Czytnik stacjonarny wymaga dołączenia przewodów zasilania i połączenia z siecią komputerową. Jego anteny powinny być chronione przed wpływami środowiska (kurz, zawilgocenie, wibracje) i uszkodzeniami mechanicznymi. Czytniki ruchome są montowane np. na wózkach widłowych służących do przewozu produktów, zwłaszcza palet. Czytniki tego rodzaju są zasilane z baterii pojazdu. Ich anteny są szczególnie narażone na uszkodzenia mechaniczne i środowiskowe. Czytniki noszone są zasilane z wbudowanej baterii i zwykle są zintegrowane z anteną. Często noszony czytnik RFID jest skojarzony z czytnikiem kodów kreskowych. Połączenie z komputerem systemu identyfikacji jest realizowane drogą radiową np. w radiowej sieci lokalnej (WLAN). W tym przypadku czytnik jest zabierany do miejsca, gdzie znajdują się oznakowane obiekty, jest uaktywniany tylko na czas pojedynczego odczytu. Zatem użytkownik czytnika noszonego w pełni kontroluje gdzie, kiedy i jak czytnik będzie wykorzystany. Tego rodzaju czytniki są narażone na uszkodzenia wskutek upadku. Należy podkreślić, że każda z tych grup ma specyficzne cechy. Czytniki stacjonarne mogą tworzyć rozległe strefy do automatycznie identyfikacji wszystkich znajdujących się w nich transponderów. Natomiast czytnik np. montowany na wózku powinien identyfikować automatycznie tylko określoną paletę. Identyfikacja za pomocą noszonego czytnika jest inicjowana i kontrolowana przez użytkownika. Istotną częścią każdego czytnika jest jego antena, której charakterystyki należy optymalizować do specyficznych zastosowań. Antenę o szerokiej charakterystyce kierunkowej należy zastosować, aby identyfikować ładunek składający się z wielu osobno oznakowanych pudełek, a inną, o wąskiej charakterystyce, do wyszukania jednego oznakowanego opakowania spośród składowanych na półce magazynu. Ze względu na konieczność uzyskania małej impedancji połączenia nadajnika z anteną analogowa część czytnika powinna znajdować się jak najbliżej anteny. Systemy RFID różnią się pod wieloma względami: częstotliwością pracy i zasięgiem odczytu; rodzajem pamięci i pojemnością pamięci transponderów; przeznaczeniem danych; bezpieczeństwem. Częstotliwość pracy jest podstawowym parametrem wpływającym na właściwości systemu, takie jak zasięg, szybkość transmisji, odporność na zakłócenia. Większość systemów używanych komercyjnie wykorzystuje albo częstotliwości w zakresie MHz (zależnie od regionu), albo częstotliwość 13,56 MHz pasmo HF. Oprócz wymienionych wykorzystywane są również częstotliwości w zakresie do 135 khz w paśmie LF oraz 433 MHz i 2,45 GHz w paśmie UHF.

12 str. 12 z Właściwości systemów RFID Zasada działania Sprzężenie indukcyjne W pasmach LF i HF wykorzystuje się zasadę sprzężenia indukcyjnego, rys Energia jest przekazywana pomiędzy czytnikiem a transponderem za pośrednictwem pola magnetycznego. Wielkość przekazywanej energii jest proporcjonalna do powierzchni anteny nadawczej i powierzchni anteny odbiorczej, zależy od wzajemnego ustawienia tych anten i możliwości pobudzenia obwodu antenowego transpondera przebiegiem o częstotliwości rezonansowej, ponieważ w stanie rezonansu w obwodzie antenowym płynie maksymalny prąd. Czytnik Antena Transponder Układ scalony (chip) Pole magnetyczne Rys. 1-2: Ilustracja zasady działania systemu ze sprzężeniem indukcyjnym Zatem im większa dobroć obwodu antenowego, tym większy prąd, który płynie w rezonansie i większa energia wzbudzanego pola magnetycznego. Jednakże wraz ze wzrostem dobroci obwodu zmniejsza się szerokość pasma obwodu, co ogranicza maksymalną szybkość komunikacji danych w systemie. Jednocześnie obwód antenowy o dużej dobroci jest bardziej podatny na rozstrojenie spowodowane bliskością metali oraz zmianami indukcyjności i pojemności obwodu wskutek zmian temperatury otoczenia. W pasmach LF i HF stosuje się transpondery bierne. W prostych systemach identyfikacji każdy transponder, który znajdzie się w polu aktywującym wytworzonym przez czytnik, o odpowiedniej częstotliwości i dostatecznym natężeniu, wysyła swój kodowany numer identyfikacyjny tak długo, jak znajduje się w polu. System działa poprawnie tylko wtedy, gdy w strefie identyfikacji znajduje się jeden transponder. W zaawansowanych systemach, w których czytnik może wydawać polecenia zidentyfikowanym transponderem, są stosowane protokóły komunikacji z arbitrażem kolizji, umożliwiające po wykonaniu sekwencji procedur identyfikację, a następnie odczyt wielu transponderów znajdujących się jednocześnie w strefie kontrolowanej przez czytnik. Wśród czynników ograniczających uzyskiwany zasięg najistotniejsze są administracyjne ograniczenia określające maksymalne natężenie pola magnetycznego wytwarzanego przez antenę czytnika. W systemach indukcyjnych przesyłanie informacji z transpondera do czytnika zwykle polega na binarnej modulacji amplitudy (ASK) pola aktywującego wskutek zmian obciążenia obwodu antenowego transpondera wymuszanych przez układ elektroniczny transpondera. W tym przypadku w czasie przeznaczonym na odbiór sygnałów transponderów czytnik wytwarza pole o stałej amplitudzie.

13 str. 13 z 187 Istnieją również systemy, w których transponder wysyła sygnał z przełączaniem częstotliwości (FSK) lub moduluje fazę. Dla potrzeb komunikacji między czytnikiem a transponderami, w celu przesyłania poleceń lub danych do zapisu w pamięci transponderów, zwykle stosowana jest modulacja amplitudy, rzadziej fazy fali nośnej. Zasięg odczytu zależy od usytuowania (kierunku) anteny transpondera względem anteny czytnika. W przypadku sprzężenia indukcyjnego maksymalny zasięg uzyskuje się, gdy linie pola magnetycznego wytwarzanego przez antenę czytnika są prostopadłe do płaszczyzny zwojów cewki antenowej transpondera, czyli gdy antena transpondera jest w płaszczyźnie równoległej do anteny czytnika. Jeżeli linie pola są równoległe do cewki transpondera, to nie ma sprzężenia między cewkami i transponder nie może być odczytywany. Z tych względów w rzeczywistych rozwiązaniach stosuje się systemy antenowe, por. szkice na rys D Transponder równolegle do anteny D Pojedyncza antena Dwie anteny (bramka) Cztery anteny (tunel) Rys. 1-3: Anteny czytników pasmach LF i HF W przypadku dwóch lub więcej anten prądy wzbudzające pole magnetyczne muszą mieć odpowiednio dobrane fazy Sprzężenie propagacyjne W pasmach UHF komunikacja pomiędzy biernym transponderem i czytnikiem polega na modulacji współczynnika odbicia fali radiowej (tzw. rozproszeniu wstecznym, ang. backscatter), rys W tym przypadku część energii fali wytwarzanej przez antenę czytnika jest odbita w kierunku przeciwnym niż kierunek fali wytwarzanej przez czytnik. Transponder może przesyłać informację zmieniając obciążenie obwodu odbierającego falę, a wskutek tego współczynnik odbicia fali. Czytnik odbierając zmiany natężenia pola może demodulować sygnał i odtwarzać dane. Nadajnik Odbiornik Czytnik Antena dipolowa Transponder Układ scalony (chip) Fala promieniowana przez czytrnik Fala promieniowana przez transponder Rys. 1-4: Ilustracja zasady działania systemu z rozproszeniem

14 str. 14 z Cechy użytkowe W tym punkcie zebrano informacje na temat cech użytkowych systemów RFID pracujących w różnych zakresach częstotliwości. Celem tej prezentacji jest wykazanie, że nie istnieje idealny system RFID przydatny do wszystkich zastosowań i nie można wskazać "najlepszego" pasma częstotliwości RFID. Ze względu na różne właściwości fizyczne częstotliwości pracy systemu są dobierane do zastosowań Transpondery LF Jedną z zasadniczych cech transponderów LF (w zakresie częstotliwości do 135 khz) w porównaniu z transponderami działającymi w innych pasmach częstotliwości jest względnie mały wpływ metali w otoczeniu transpondera na jego charakterystyki. Z tego powodu te transpondery mogą być mocowane jako identyfikatory do obiektów metalowych, takich jak narzędzia, części maszyn, pojazdów lub metalowe kontenery. Pole LF przenika przez różne materiały, w tym przez wodę i tkanki ciała, z tych względów systemy RFID w paśmie LF są wykorzystywane również do znakowania i identyfikacji zwierząt. Przydatność transponderów LF w środowisku przemysłowym może być ograniczona ze względu na poziom zakłóceń wytwarzanych przez maszyny i urządzenia elektryczne. Transpondery LF charakteryzują się stosunkowo małą szybkością odczytu danych. W większości oferowanych obecnie systemów w danym momencie możliwy jest odczyt tylko jednego transpondera (nie jest możliwy jednoczesny odczyt wielu transponderów). Najczęściej wykorzystywane w systemach LF częstotliwości fali nośnej 125 khz i 134,2 khz są udostępniane do zastosowań RFID na całym świecie, również w Polsce, por. Aneks nr 9: Urządzenia do zastosowań indukcyjnych, do rozporządzenia Ministra Transportu z dn. 3 lipca 2007 r. [1]. Podstawowym warunkiem, który musi spełniać system RFID działający w zakresie częstotliwości khz jest ograniczenie natężenia pola magnetycznego w odległości 10 m od anteny do 66 dbµa/m. Postać transpondera LF zależy od zastosowania. W systemach kontroli dostępu jest to transponder wykonany jako bezstykowa karta identyfikacyjna tylko do odczytu. Duży udział w rynku transponderów LF ma przemysł samochodowy, gdzie transpondery są używane w systemach zabezpieczeń przed nieuprawnionym użyciem pojazdu (immobilizery). W tego rodzaju systemach transponder jest np. zaprasowany w główce kluczyka, a cewka anteny czytnika RFID jest umieszczana współosiowo w stacyjce pojazdu, por. rys. 1-5 a) i b). Rys. 1-5 a): Widok stacyjki (czytnik RFID) z kluczykiem (transponder RFID)

15 str. 15 z 187 Rys. 1-5 b): Widoki obwodu antenowego (cewki) immobilizera samochodowego Transpondery LF są również stosowane do identyfikacji zwierząt, zarówno domowych, takich jak psy i koty, jak też hodowlanych np. owiec i bydła. W wielu krajach stosowanie RFID do znakowania zwierząt jest obowiązkowe, por. rys. 1-6, 1-7, 1-8. Rys. 1-6: Przykład konstrukcji transpondera wstrzykiwanego

16 str. 16 z 187 Rys. 1-7: Przykłady konstrukcji transpondera w kolczyku Rys. 1-8: Przykład konstrukcji transpondera w formie piguły Transpondery HF Pasywne transpondery HF pracują w paśmie 13,56 MHz. Zakres 13,553-13,567 MHz udostępniony jest na świecie, również w Polsce, jako pasmo do zastosowań ISM. Powszechna dostępność częstotliwości jest jednym z powodów popularności systemów RFID wykorzystujących pasmo 13,56 MHz. Jednakże w różnych regionach świata dopuszczalne wartości mocy promieniowanej lub natężenia pola mogą się różnić. Pole o częstotliwości 13,56 MHz przenika przez różne materiały, w tym przez wodę i tkanki ciała. Ale transpondery pracujące w tym paśmie są bardziej wrażliwe na oddziaływanie metali w otoczeniu niż transpondery LF. Systemy HF są mniej podatne na zakłócenia wytwarzane przez urządzenia elektryczne niż systemy LF. Podstawowymi zaletami systemów HF w porównaniu z systemami LF jest mniejszy koszt transponderów oraz większa szybkość komunikacji i zdolność odczytu wielu transponderów jednocześnie, co umożliwia ich stosowanie do automatycznej ewidencji obiektów. Niższy koszt ma związek z wykonaniem anteny transpondera. W tym zakresie częstotliwości wystarcza kilka zwojów anteny, więc możliwe jest jej wykonanie przy użyciu przewodzącego lakieru jako nadruku na dielektrycznym podłożu. Koszt transponderów HF wykonanych tą techniką, nazywanych "inlays", może wynosić 0,5 USD. Grubość transpondera łącznie z układem scalonym jest mniejsza niż 0,1 mm. Z tych względów tego rodzaju transpondery mogą być zaprasowane w dokumentach, np. są stosowane w elektronicznych paszportach, są używane do naklejania na dokumentach papierowych lub jako etykiety na produktach. Rozmiary transponderów HF są różne. Ogólnie im większa powierzchnia anteny, tym większą energię pola wytworzonego przez czytnik przejmuje transponder i tym większy zasięg odczytu.

17 str. 17 z 187 Należy podkreślić, że możliwość wielokrotnego zapisu danych umożliwia takie zastosowania, jak elektroniczny bilet komunikacji publicznej, karta biblioteczna i inne. W praktyce ze względu na ograniczenia administracyjne dotyczące natężenia pola wytwarzanego przez czytniki zasięg systemów HF jest ograniczony do nie więcej niż 1 m. W Polsce podstawowym warunkiem, który musi spełniać system RFID działający w paśmie częstotliwości 13,56 MHz jest ograniczenie natężenia pola magnetycznego w odległości 10 m od anteny do 66 dbµa/m, por. Aneks nr 9: Urządzenia do zastosowań indukcyjnych, do rozporządzenia Ministra Transportu z dn. 3 lipca 2007 r. [1]. Należy zauważyć, że orientacja transpondera względem anteny czytnika ma istotny wpływ na zasięg komunikacji. W przypadku transpondera, którego antena jest wykonana w postaci płaskiej cewki, optymalne ze względu na wielkość sprzężenia indukcyjnego jest umieszczenie anteny transpondera równolegle do płaszczyzny anteny czytnika. Jeżeli antena takiego transpondera jest prostopadła, zasięg jest redukowany praktycznie do zera. Ze względu na szybkość transmisji możliwe jest odczytywanie do 50 transponderów w jednym cyklu odczytu (odczyt bezkolizyjny), tj. w okresie 20 ms. Dodatkowa pamięć transpondera, w której mogą być zapisane np. dane biometryczne, umożliwia zwiększenie bezpieczeństwa w systemach kontroli dostępu. Bezstykowe inteligentne karty RFID, zgodne z normą ISO 14443, stają się kartami płatniczymi i kredytowymi następnej generacji. Są wykorzystywane jako różnego rodzaju karty wstępu i bilety elektroniczne. Jednym z podstawowych powodów wprowadzenia kart bezstykowych jest ochrona informacji. Systemy HF do identyfikacji produktów, opakowań i palet są stosowane, gdy nie wymaga się zasięgu większego niż 1 m. W niektórych zastosowaniach, np. karta płatnicza, duży zasięg jest niepożądany (ze względów bezpieczeństwa). Stosunkowo nową klasą zastosowań RFID w paśmie HF są techniki komunikacji w polu bliskim (Near Field Communication, NFC) promowane jako wygodny i bezpieczny sposób przeprowadzania różnych transakcji i wnoszenia opłat za pomocą osobistego terminala. Przykłady konstrukcji biernego transpondera pracującego w paśmie 13,56 MHz, wykonanego w formie etykiety przeznaczonej do naklejania na tekturze, papierze lub plastiku, przedstawiono na rys Rys. 1-9: Przykład konstrukcji transpondera Transpondery UHF Zakres UHF obejmuje radiowe częstotliwości od 300 MHz do 3 GHz. Dla potrzeb RFID są wykorzystywane trzy podzakresy: pasmo 433 MHz, różne częstotliwości w podzakresie

18 str. 18 z MHz i pasmo ISM 2,45 GHz. Spośród trzech wymienionych największe znaczenie ma podzakres MHz. Jednakże istotnym mankamentem systemów w podzakresie MHz jest brak wspólnego, światowego zakresu częstotliwości (w odróżnieniu od pasma LF i HF, co do których wymagania obowiązujące w Europie i Ameryce Płn. nie różnią się zasadniczo). W Ameryce systemy UHF pracują w zakresie MHz, w Europie w zakresie MHz, a w Japonii MHz. Komunikacja pomiędzy biernymi transponderami UHF i czytnikiem jest realizowana z wykorzystaniem techniki rozproszenia wstecznego. Elektrolity i metale znajdujące się w polu czytnika UHF zaburzają działanie systemu. Transponder odbiera sygnał radiowy z czytnika, moduluje go i promieniuje z powrotem w kierunku czytnika. Systemy RFID pracujące w pasmach UHF w porównaniu z systemami HF mają większy zasięg i szybkość działania. Protokóły unikania kolizji stosowane w paśmie UHF różnią się od stosowanych w paśmie HF. Wskutek tego liczba transponderów, które mogą być odczytane "jednocześnie" (w jednym cyklu odczytu) w praktyce może wynosić do 200, w porównaniu z maks. 50 w paśmie HF. Właściwości systemów RFID i transponderów UHF: zasięg odczytu typowy 3 6 m; transpondery mogą być umieszczone w różnych niemetalowych obudowach, np. w postaci etykiet, kart itp.; duża szybkość przesyłania danych i szybki protokół antykolizyjny pozwalają na odczyt do 200 transponderów; w najprostszym wykonaniu (etykiety) mają tylko 96 bitów pamięci dla numeru seryjnego. Przykłady konstrukcji biernych transponderów UHF, wykonanych w formie etykiet, przeznaczonych do naklejania na tekturze, papierze lub plastiku przedstawiono na rys (wymiary 4 1 cal)

19 str. 19 z 187 (wymiary 4 1 cal) Rys. 1-10: Przykład konstrukcji transponderów UHF 1.3 Zastosowania Identyfikacja z wykorzystaniem częstotliwości radiowych, RFID, jest jedną z najszybciej rozwijających się i przynoszących największe korzyści technik automatycznego gromadzenia danych (Automatic Data Collection, ADC). Do popularyzacji technik RFID przyczyniło się opracowanie standardów, usprawnienia właściwości oferowanych systemów i obniżenie kosztów wdrożenia. Identyfikacja z wykorzystaniem częstotliwości radiowych ma kilka istotnych zalet w porównaniu z innymi rodzajami gromadzenia danych: czytnik nie musi bezpośrednio "widzieć" transpondera, co umożliwia stosowanie RFID tam, gdzie np. identyfikacja za pomocą kodów paskowych jest nieprzydatna; szybkość działania do kilkuset odczytów w czasie sekundy; może być stosowana w środowisku nieprzyjaznym dla ludzi. Poniżej wymieniono wybrane przykłady zastosowań RFID: Oznakowanie wartościowych obiektów, takich jak obrazy w muzeach, książki w bibliotekach. Inwentaryzacja obiektów nie wymaga zdejmowania ich z półek. 100% poprawnych odczytów. Szybkie i automatyczne sprawdzenie zawartości zbiorów. Łańcuch dostaw, logistyka, od momentu wytworzenia do dostarczenia produktu do punktu sprzedaży. Zalety możliwość automatyzacji, dokładność. Zwiększenie przepustowości skanowanie wielu transponderów w krótkim czasie (praktycznie "jednocześnie") do 400 w zaawansowanych systemach UHF, co oznacza, że np. cała paleta może być skanowana w punkcie kontrolnym np. w bramie magazynu, bez udziału człowieka.

20 str. 20 z 187 Objęcie systemem RFID łańcucha dostaw umożliwia producentom, dystrybutorom i sprzedawcom zmniejszenie zapasów, ponieważ system dostaw staje się bardziej elastyczny, ma mniejszą inercję. Śledzenie i inwentaryzacja składników majątku, takich jak narzędzia i maszyny. System pozwala lokalizować oznakowane obiekty i zgłasza alarm w przypadku próby wynoszenia / wywiezienia ich poza dozorowaną strefę. Śledzenie dokumentów, zwłaszcza tych, których utrata lub zagubienie powoduje negatywne skutki, np. dokumenty rządowe, karty zdrowia w szpitalach i przychodniach, akta spraw sądowych. Oznakowanie za pomocą samoprzylepnej etykiety RFID ułatwia szybkie odszukanie zgubionego dokumentu w stertach innych, pozwala uniknąć strat wynikających z zagubienia dokumentu. Można skojarzyć system oznakowania z czytnikiem sygnalizującym wynoszenie akt poza określone pomieszczenie. Współczesne systemy tego rodzaju pozwalają przeszukać ok. 2 m półkę z aktami w ciągu sekundy. Kontrola dostępu do pomieszczeń i budynków jest jednym z najstarszych zastosowań RFID. W systemach o zaostrzonych wymaganiach techniki RFID są łączone z metodami identyfikacji biometrycznej. W tych zastosowaniach RFID wyparł z rynku karty z paskiem magnetycznym (szybszy i łatwiejszy odczyt, nie ma potrzeby wkładania karty do czytnika). Dla potrzeb kontroli dostępu używane są głównie transpondery pasywne (np. zgodne z normami ISO [2 5] i ISO [6 8]), rzadziej aktywne. W przypadku transponderów pasywnych konieczne jest zbliżenie transpondera do czytnika. Transpondery aktywne mogą być mocowane do pojazdu i umożliwiają automatyczną bezobsługową kontrolę. Kontrola procesu produkcji (Work-in-Progress, WIP). Producent może wykorzystać transpondery RFID przymocowane do produkowanego obiektu do dokumentowania przebiegu procesu produkcji, np. montażu pojazdu na taśmie produkcyjnej. Każda operacja jest dopisywana do "historii" przechowywanej w pamięci transpondera, w ten sposób łatwo można stwierdzić, kto, gdzie i kiedy ją wykonał. Istnieją wykonania transponderów, które tolerują ekstremalnie trudne warunki środowiska: wysoką temperaturę, atmosfery korozyjne, wibracje. Niektóre działające w paśmie LF tolerują montaż na powierzchni metalowej. Wywóz odpadów. Władze municypalne mogą oznakować pojemniki na śmieci transponderami. Samochód do wywozu śmieci wyposażony w czytnik gromadzi informacje o częstości opróżniania pojemników, w ten sposób łatwo można kontrolować wypełnianie obowiązków przez firmę zobowiązaną do sprzątania. Dla potrzeb automatycznej identyfikacji i gromadzenia danych (Automatic Identification and Data Collection, AIDC) funkcje oferowane w systemach RFID, zwłaszcza w odniesieniu do logistyki i zaopatrzenia, częściowo pokrywają się z uzyskiwanymi z wykorzystaniem technik kodów kreskowych, nazywanych też kodami paskowymi (bar code). W tab. 1-2 przedstawiono porównanie właściwości tych dwóch technik [