- Optical character recognition (OCR) - Voice identification - Fingerprinting - Smart cards - Memory cards - Microprocessor cards - Kody kreskowe - Systemy RFID Optical character recognition (OCR) Optyczne rozpoznawanie znaków/tekstu po raz pierwszy zostało użyte w 1960r. W tym celu stworzono specjalną czcionkę, która mogła być rozpoznawana przez ówczesne czytniki i komputery. Ważną zaletą tego systemu jest znaczne upakowanie informacji. Optyczne rozpoznawanie tekstu nie przyjęło się szeroko ze względu na wysoką cenę wynikającą ze skomplikowanego czytnika. 1 2 Voice identification Rozpoznawanie głosu (poleceń głosowych) stało się możliwe dzięki procesorom sygnałowym. Wypowiedziane słowa są konwertowane na postać cyfrową, a następnie poddawane algorytmowi identyfikacyjnemu. Systemy te służą zarówno do kontroli dostępu poprzez identyfikację głosu, jak i realizacji komend wydawanych głosem. Fingerprinting Rozpoznawanie odcisków palców jest głównie używane do identyfikacji osób w systemach dostępu. Zeskanowany odcisk palca jest poddawany obróbce cyfrowej i porównywany z wzorcami zapisanymi w bazie. Obecne systemy dostępu oparte na odciskach palców potrzebują mniej niż 0,5s na zeskanowanie i interpretację obrazu. Nowe systemy są w stanie sprawdzić czy skanowany palec należy do żywej osoby. 3 4 Smart cards Karty typu smart cards są urządzeniami do przechowywania danych często wyposażonymi w mikrontroler lub system ochrony danych. Pierwsze tego typu karty zostały wprowadzone w 1984r. jako karty telefoniczne. Karty typu smart cards są odczytywane poprzez włożenie ich do czytnika gdzie następuje galwaniczne połączenie pomiędzy stykami czytnika a polami kontaktowymi karty. Zarówno zasilanie karty jak i przesył danych odbywa się za pomocą tych złącz. Zaletą tych kart jest dane zebrane na karcie są zabezpieczone dzięki czemu mogą być używane jako karty płatnicze/bankomatowe. Wadą jest konieczność kontaktu galwanicznego - wrażliwość na korozję i zanieczyszczenia, a także problemy z zabezpieczeniem czytników przed aktami wandalizmu. Memory cards Karty typu memory cards są urządzeniami do przechowywania danych (najczęściej w pamięci EEPROM). Funkcjonalność tych kart jest często optymalizowana pod kątem zastosowań. Elastyczność aplikacji jest znacznie ograniczona. Swoją popularność zawdzięczają niskiej cenie. 5 6 1
Microprocessor cards Karty typu microprocessor cards są kartami w których strukturze znajduje się mikroprocesor (zależny od producenta karty). Karty tego typu charakteryzują się dużą elastycznością zastosowań. Mogą służyć do przenoszenia/przechowywania danych, zabezpieczania i kodowania ich. Obecnie najczęściej stosowane są w kartach GSM. Kody kreskowe Kody kreskowe zostały rozpowszechnione w latach 80 XX w. Kod kreskowy jest binarnym kodem reprezentowanym przez ciąg pasków (najczęściej czarnych i białych) o różnej szerokości. Odczytu dokonuje się poprzez skanowanie optyczne (czarne i białe paski odbijają światło lasera w różnym stopniu). Obecnie istnieje około 50 systemów kodów kreskowych szeroko stosowanych w systemach identyfikacji. Najbardziej popularnym jest system EAN (European Article Number) który został wprowadzony w 1976r. głównie dla przemysłu spożywczego. Kody EAN składają się z 13 cyfr: - identyfikator kraju, - identyfikator producenta, - identyfikator produktu, - cyfra kontrolna. 7 8 Zalety stosowanych głównie w handlu detalicznym kodów kreskowych zostały prędko zauważone także przez inne gałęzie gospodarki. Kody umieszczane są na opakowaniach zbiorczych towarów, znakowane nimi są elementy na liniach produkcyjnych, książki w bibliotekach, dokumenty w archiwach itp. Obecnie istnieje około 270 różnych symbolik kodów kreskowych, przy czym około 50 jest szeroko rozpowszechnionych. Każdą z symbolik można przypisać do jednej z trzech kategorii: Liniowe - symboliki tego rodzaju składają się z pionowych linii różnej szerokości, rozdzielonych białymi przestrzeniami, Dwuwymiarowe - mają one dużo większą pojemność danych, jeden kod dwuwymiarowy może pomieścić do 3,5 tys. znaków, gdy kod liniowy do 50 znaków, Trójwymiarowe (wypukłe) - jest to tak naprawdę kod liniowy, tylko zamiast czarnych i białych linii wykorzystuje wgłębienia i wypukłości. 9 10 UPC (Universal Produkt Code), w odmianach UPC-A (składa się z 12 cyfr) oraz UCP-E (składa się z 7 cyfr). EAN (European Article Numbering) - europejska wersja wykorzystywanego w Stanach Zjednoczonych kodu UPC. Również posiada 2 odmiany EAN-13 i EAN-8. Kod EAN-13 zawiera 13 cyfr. Pierwsze trzy cyfry są numerem kraju. Polska przystępując do EAN International (obecnie GS1) otrzymała numer 590, zatem towary wytworzone przez producentów zarejestrowanych w Polsce będą miały prefiks 590. Kolejne cztery do siedmiu cyfr oznaczają numer producenta lub dystrybutora i przydzielane są przez organizację krajową podczas rejestracji. Następne dwie do pięciu cyfr stanowią numer produktu, który przydzielany jest przez samego producenta (jednostkę kodującą) dla asortymentu wyrobów o tej samej nazwie, cenie, wadze, pojemności, kolorze, wielkości, składzie, itp. Jeżeli inna seria towarów różni się którąkolwiek z tych cech konieczne jest nadanie innego numeru. Do obowiązków producenta należy pilnowanie, by ten sam numer produktu nie został przydzielony dwóm różnym produktom. Ostatnia cyfra jest cyfrą kontrolną wyliczaną według specjalnego algorytmu i służy do kontroli poprawności odczytu. 11 12 2
Code 39 - pozwala na zakodowanie 43 znaków w tym wszystkich dużych liter alfabetu i cyfr. PDF417 (Portale Data Format) - opracowany przez Symbol Technologies, składa się z wielu kodów liniowych poukładanych jeden na drugim. Symbolika ta pozwala na kompresję i szyfrowanie danych, zawiera również mechanizmy wyszukiwania i korekcji błędów. Code 128 - pozwala na zakodowanie 128 znaków ASCII. Data Matrix - jest to dwuwymiarowa symbolika macierzowa, pozwala na zapisanie do 3116 znaków ASCII w jednym kodzie. 13 14 QR Code - umożliwia zapisanie w jednym kodzie do 7089 cyfr, 4296 znaków alfanumerycznych lub 2953 bajtów danych. MaxiCode - symbolika o stałym rozmiarze, składa się z 884 sześciennych modułów i pozwala na zapisanie maksimum 93 znaków alfanumerycznych lub 138 cyfr. Technologia RFID ma wiele zalet, których brakuje kodom kreskowym, między innymi: Możliwość zmiany danych zawartych w znaczniku, Znacznik nie musi być widoczny w trakcie odczytu, Większy zasięg odczytu (zależnie od rodzaju znacznika), Możliwość zapisania większej ilości danych, Możliwość równoczesnego odczytu wielu znaczników, Większa odporność na zabrudzenie i uszkodzenia, Możliwość innych zastosowań poza przechowywaniem danych. 15 16 Mimo tak wielu zalet znaczników RFID, kody kreskowe prawdopodobnie nie wyjdą nigdy z użycia, z takich przyczyn jak: Niższy koszt jednostkowy, Zbliżona a nawet wyższa dokładność odczytu, Neutralny wpływ materiału, na którym znajduje się kod kreskowy na jego odczyt, Brak międzynarodowych ograniczeń związanych z częstotliwościami pracy urządzeń RFID, Brak zastrzeżeń ze strony obrońców prywatności, Dojrzała i powszechnie używana technologia. Systemy RFID Systemy RFID są podobne do kart smart cards z tym że nie wymagają one kontaktu galwanicznego. Zarówno przesył energii do karty jak i przesył danych następuje w sposób bezprzewodowy. 17 18 3
RFID jest systemem identyfikacji radiowej. Przedmiotem jakiegokolwiek systemu identyfikacji radiowej jest przechowywanie pewnej ilości danych w wygodnych urządzeniach nadawczo-odbiorczych, których ogólną nazwą angielską jest tag (my będziemy to urządzenie określać w języku polskim jako znacznik), następnie odczytanie tych danych w sposób zautomatyzowany w odpowiednim (dogodnym) czasie i miejscu tak, aby uzyskać pożądany skutek dla danej aplikacji. Zawarte w znaczniku informacje mogą opisywać poszczególne części na linii produkcyjnej, towary w czasie transportu, położenie przedmiotów, identyfikować pojazdy, zwierzęta lub osoby. Poprzez dołączenie do znacznika dodatkowych informacji można wzbogacić aplikacje o możliwości wspomagające jej działanie z uwzględnieniem specyficznych informacji o przedmiocie, do którego przynależy znacznik. Generalnie system RFID składa się zawsze z dwóch komponentów: - znacznika umieszczonego na obiekcie identyfikowanym, - czytnika, którego rolą jest odczytanie zawartych w znaczniku danych. Czytnik zawiera moduł transmisji radiowej (jest to zarówno nadajnik i odbiornik), oraz układ sterowania. Dodatkowo wiele czytników zawiera interfejs łączący z komputerem PC, pozwalający na przesyłanie z i do PC wszelakich danych aplikacyjnych i systemowych. Znacznik jest nośnikiem danych systemu RFID. Jest on generalnie urządzeniem pasywnym, gdy znajduje się poza strefą oddziaływania czytnika. Aktywacja znacznika następuje z chwilą umieszczenia go w strefie oddziaływania czytnika. Energia wymagana do zasilenia znacznika jest przekazywana bezprzewodowo z czytnika poprzez element łącznikowy, antenę. W ten sam sposób przekazywany jest sygnał zegarowy oraz dane. 19 20 Budowa systemów RFID może się znacząco różnić w zależności od przeznaczenia danego systemu. Większość rozwiązań z RFID składa się z czterech podstawowych elementów: - znacznika, - anteny, - czytnika, - oprogramowania warstwy pośredniej. 21 Znacznik RFID to element, który przechowuje dane umożliwiające identyfikację oznakowanego przedmiotu oraz przesyła je do czytnika za pomocą fal radiowych. Znaczniki mogą być klasyfikowane na dwa sposoby. Pierwszy sposób różnicuje znaczniki w zależności od tego, czy posiadają one zasilanie lub czy zapewniają realizacje dodatkowych funkcji: - znaczniki pasywne, - znaczniki aktywne, - znaczniki pół-pasywne. Drugi sposób podziału opiera się na kryterium możliwości zapisu danych w znaczniku: Tylko do odczytu (ang. Read-Only - RO), Jednokrotny zapis, wielokrotny odczyt (Write Once, Read Many - WORM), Wielokrotny zapis, wielokrotny odczyt (Read - Write - RW). W zależności od rodzaju znacznik może mieć mniej lub bardziej skomplikowana budowę, na którą składają się następujące elementy: - mikroukład, - antena, - układ zasilający (nie występuje w znacznikach pasywnych), - dodatkowe układy elektroniczne (nie występują w znacznikach pasywnych). 22 http://www.portalrfid.pl W anteny wyposażone są zarówno znaczniki jak i czytniki RFID. W obydwu typach urządzeń anteny służą do odbierania oraz wysyłania informacji przenoszonych za pomocą fal radiowych, różnią się jednak między sobą budową. Te spotykane w znacznikach mają najczęściej kilka centymetrów i są bezpośrednio połączone z mikroukładem znajdującym się w znaczniku. Natomiast w przypadku czytników jest to najczęściej osobno podłączane urządzenie. Zdarzają się także czytniki z wbudowaną anteną. Długość przewodu połączeniowego jest ograniczona od ok. 2 do ok. 8 metrów. Pojedynczy czytnik może wspierać maksymalnie do czterech anten. Z reguły anteny czytników RFID mają kształt kwadratowy lub prostokątny. W systemach UHF anteny dzielone są według kryterium polaryzacji. Można spotkać dwa rodzaje anten: - liniowo spolaryzowane, - kołowo spolaryzowane. Moc sygnału emitowanego przez antenę jest mierzona w jednostkach ERP (Effective Radiated Power), używanych w Europie, natomiast w Stanach Zjednoczonych w jednostkach EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). Maksymalna moc anteny jest regulowana odpowiednimi przepisami prawnymi. Czytnik RFID jest urządzeniem, które może odczytywać oraz wysyłać dane do kompatybilnych znaczników RFID. Czytnik RFID najczęściej jest zbudowany z następujących składników: - nadajnik, - odbiornik, - kontroler, - kanały wejścia/wyjścia dla opcjonalnych czujników, elementów wykonawczych i powiadamiaczy, - interfejs komunikacyjny, - zasilanie. Czytniki mogą być dzielone według kryterium mobilności czytnika: - stacjonarny, - ręczny. Do stacjonarnych czytników zaliczane są również czytniki umieszczane na ruchomych elementach lub pojazdach (np. czytniki instalowane na wózkach widłowych). 23 24 4
Czytnik stacjonarny może pracować w następujących trybach: - autonomiczny, - interaktywny. W trybie autonomicznym czytnik stale odczytuje znaczniki znajdujące się w jego zasięgu. Natomiast w trybie interaktywnym czytnik otrzymuje i wykonuje polecenia aplikacji pracującej na serwerze lub aplikacji klienckiej. 25 Warstwa pośrednia (oprogramowanie warstwy pośredniej) może być ogólnie określona jako wszystko, co znajduję się pomiędzy czytnikami a innymi systemami informatycznymi. Do funkcji oprogramowania warstwy pośredniej zaliczają się: - zarządzanie czytnikami i urządzeniami, - zarządzanie danymi, - integracja aplikacji, - integracja z partnerami. Zarządzanie czytnikami i urządzeniami - warstwa pośrednia RFID pozwala użytkownikom na konfigurowanie, monitorowanie, uruchamianie oraz wysyłania rozkazów bezpośrednio do czytników poprzez uniwersalny interfejs. Zarządzanie danymi - warstwa pośrednia RFID pobiera dane z czytników. Może inteligentnie filtrować i kierować je do odpowiednich miejsc docelowych. Integracja aplikacji - rozwiązania warstwy pośredniej RFID zapewniają możliwości przesyłania komunikatów, routingu i komunikacji, wymagane do integracji danych RFID z istniejącymi systemami zarządzania łańcuchem dostaw (SCM), ERP, zarządzania magazynem (WMS) oraz zarządzania relacjami z klientami (CRM). Integracja z partnerami - warstwa pośrednia zapewnia rozwiązanie pozwalające na współpracę, takie jak integracja business-to-business (B2B) pomiędzy 26 partnerami handlowymi. Systemy RFID są systemami generującymi i wypromieniowującymi fale elektromagnetyczne, dlatego prawnie są klasyfikowane jako systemy radiowe. W związku z tym ich działanie nie może pod żadnym pozorem wpływać na ani zakłócać działania innych systemów radiowych. Wymaga to ścisłego przestrzegania tylko dozwolonych zakresów częstotliwości. Zazwyczaj sprowadza się to do wykorzystywania w systemach RFID zakresów częstotliwości ustandaryzowanych na całym świecie pod nazwą ISM (Industrial-Scientific- Medical), czyli zakresy do zastosowań w przemyśle, nauce (badaniach) i medycynie. Dodatkowo zakres częstotliwości poniżej 135 khz jest również dostępny. Dostępnymi dla systemów RFID zakresami częstotliwości są więc: 0-135 khz, częstotliwości ISM w obrębie 6,78 MHz, 13,56 MHz, 27,125 MHz, 40,68 MHz, 433,92 MHz, 869,0 MHz, 915,0 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz i 24,125 GHz. 1. Zakres częstotliwości 0-135 khz. Zakres ten jest szeroko wykorzystywany przez wielu użytkowników, ponieważ nie został zastrzeżony jako pasmo ISM. Warunki propagacji fali elektromagnetycznej w tym zakresie określanej jako fale długie pozwalają na transmisję sygnałów w obszarze o promieniu ponad 1000 km przy niskich nakładach finansowych. W zakresie tym pracują również systemy wykorzystujące oprócz przestrzeni radiowej także linie energetyczne niskiego napięcia. 2. Zakres częstotliwości 6,78 MHz. Zakres 6,765-6,795 MHz zaliczany jest do częstotliwości fal krótkich. Warunki propagacji fali elektromagnetycznej w tym zakresie pozwalają na transmisję sygnałów w obszarze o promieniu kilkuset kilometrów podczas dnia. W godzinach nocnych możliwy jest do uzyskania przekaz transkontynentalny. Zakresy tych częstotliwości wykorzystuje się szeroko do nadawania audycji radiowych, przekazu prognozy pogody, warunków panujących na morzu, informacji przekazywanych przez agencje informacyjne. 27 28 3. Zakres częstotliwości 13,56 MHz. Zakres 13,553-13,567 MHz znajduje się w środku przedziału określanego jako fale krótkie. Warunki propagacji dla tego zakresu pozwalają na transmisję transkontynentalną podczas dnia. Zakres przeważnie wykorzystywany do świadczenia różnego rodzaju usług radiowych, przekaz informacji pomiędzy agencjami prasowymi i w telekomunikacji. Innymi systemami pracującymi w tym zakresie to (oprócz RFID) systemy zdalnego sterowania, zdalnie sterowane modele, pagery itp. 4. Zakres częstotliwości 27,125 MHz. Zakres 26,565-27,405 MHz jest przydzielony dla radia CB w całej Europie, USA i Kanadzie. Niezarejestrowane i nieopłacone systemy radiowe mogą nadawać z mocą do 4 Watów i tym samym uzyskiwać połączenie na odległość ponad 30km. Zakres ISM pomiędzy 26,957 a 27,283 MHz jest ulokowany w środku pasma CB. Oprócz zastosowania do celów RFID, zakres ten jest używany przez aplikacje medyczne, spawalnictwo wysokoczęstotliwościowe, zdalnie sterowane modele oraz pagery. Przy wdrażaniu systemu RFID o częstotliwości 27 MHz w aplikacjach przemysłowych, należy zwrócić szczególną uwagę na stosowany w tym przemyśle sprzęt spawalniczy w celu uniknięcia interakcji i wzajemnego zakłócania się. Podobnie dotyczy to systemów wdrażanych w szpitalach, gdzie 29 może wystąpić interakcja z systemami medycznymi. 5. Zakres częstotliwości 40,680 MHz. Zakres 40,660-40,700 MHz jest ulokowany przy dolnym końcu zakresu bardzo wysokich częstotliwości (VHF). Fale w tym zakresie są propagowane po ziemi, więc ich tłumienie przez budynki i inne obiekty nie odgrywa istotnego znaczenia. Wykorzystanie tego pasma oprócz systemów RFID to komercyjne systemy radiowe, np. w leśnictwie, utrzymaniu dróg i autostrad oraz telewizji. Zakres wykorzystywany jest również do przesyłania danych w systemach telemetrycznych oraz systemach zdalnie sterowanych. Nie jest najodpowiedniejszy do systemów RFID z transmisją z rozpraszaniem wstecznym (backscatter) ze względu na brak możliwości zbudowania małego i taniego transpondera. 30 5
6. Zakres częstotliwości 433,920 MHz. Zakres 430,000-440,000 MHz przeznaczony jest do usług radia amatorskiego. Amatorzy radiowi wykorzystują ten zakres do transmisji głosu i danych oraz do przekazywania audycji przez stacje przekaźnikowe. Przekaz jest silnie tłumiony, jeżeli nadawane fale elektromagnetyczne w tym zakresie natrafią na budynki i inne przeszkody. Występują wtedy również odbicia. W zależności od stosowanej mocy, możliwy jest przekaz na odległość od 30 do 300 kilometrów. Podzakres 433,050-434,790 MHz zawiera się pośrodku pasma radia amatorskiego i jest wyjątkowo mocno eksploatowany przez urządzenia ISM. Oprócz urządzeń RFID z rozpraszaniem wstecznym znajdują się w tym zakresie nadajniki telemetryczne (np. bezprzewodowe termometry), interkomy głosowe, słuchawki bezprzewodowe, walkie-talkie krótkiego zasięgu, systemy zdalnego dostępu (np. centralne blokowanie zamków i zapłonu w pojazdach) i wiele innych aplikacji zostało wtłoczonych w przedstawiane pasmo. Niestety nie pozostaje to obojętne na wzajemne interferencje pomiędzy urządzeniami wykorzystującymi to pasmo. 7. Zakres częstotliwości 869,9 MHz. Zakres 868-870 MHz został przekazany w Europie w roku 1997 do wykorzystywania przez urządzenia SRD (Short Range Devices) - urządzenia krótkiego zasięgu, i od tego czasu może być stosowany w systemach RFID. 8. Zakres częstotliwości 915,0 MHz. Zakres ten nie jest dostępny dla urządzeń ISM w Europie. Stosowany w USA i w Australii. 9. Zakres częstotliwości 2,45 GHz. Zakres 2,400-2,4835 GHz częściowo pokrywa się z zakresami radia amatorskiego oraz systemów radiolokacyjnych. Warunki propagacji tego zakresu powodują, że jakiekolwiek przeszkody, np. budynki powodują silne odbicia i tłumienia propagowanych fal. Zakres tych częstotliwości jest również wykorzystywany w telemetrii oraz bezprzewodowych sieciach komputerowych. 31 32 RFID - podział 10. Zakres częstotliwości 5,8 GHz. Zakres 5,725-5,875 GHz częściowo pokrywa się z zakresami radia amatorskiego oraz systemów radiolokacyjnych. Typowymi aplikacjami wykorzystującymi te częstotliwości są czujniki ruchu, stosowane przed drzwiami (w sklepach i marketach), lub automatyczne spłukiwanie toalet. 11. Zakres częstotliwości 24,125 GHz. Zakres 24,00-24,25 GHz częściowo pokrywa się z zakresami radia amatorskiego oraz systemów radiolokacyjnych, jak również z naziemnymi usługami dostarczania danych poprzez satelitę. Typowymi aplikacjami wykorzystującymi te częstotliwości są czujniki ruchu, ale także kierunkowe systemy radiowej transmisji danych. 33 34 6