Technologie RFID i EPC

Artykuł ma na celu przybliżenie czytelnikom wiedzy na temat technologii RFID. Opisano w nim budowę podstawowych elementów RFID i ich sposób działania. Przedstawiona technologia jest aktualnie powszechnie stosowana w wielu dziedzinach przemysłu, a także w życiu codziennym.

I. Wprowadzenie

Zasadniczymi elementami systemu identyfikacji są identyfikatory (tagi, transpondery, etykiety samoprzylepne, etykiety RFID) oraz czytniki. Identyfikator składa się z mikrochipa i anteny. W przypadku identyfikatorów aktywnych – w skład urządzenia wchodzi również bateria. Istotą działania tagów RFID jest, na żądanie czytnika, wysłanie danych identyfikacyjnych drogą radiową. Stosowane są też bezchipowe RFID, w których rolę chipu odgrywa dedykowany obwód modulująco-demodulujący, co pozwala na znaczną redukcję kosztów układu.

Drugi element systemu to czytnik. Jego podstawową funkcją jest pobieranie informacji z identyfikatorów. Komunikacja przebiega dwustopniowo. Najpierw wysyłane jest przez czytnik żądanie identyfikacji. W przypadku tagów pasywnych służy ono równocześnie naładowaniu kondensatorów identyfikatora. Następnie wysyłana jest informacja zwrotna przez wszystkie identyfikatory wzbudzone przez czytnik.

II. RFID - technologia, budowa tagów i czytników, sposób działania, przykładowe czytniki

1. Wprowadzenie do RFID
1.1 Co to jest . . . ?

Technologia RFID została wynaleziona w 1948 roku, jednak zaczęła być wykorzystywana komercyjnie dopiero po 1980 roku.

Jest to technologia podobna do kodów paskowych używana do udostępniania informacji o produkcie, do którego jest przyczepiony tag RFID. Informacje mogą być odczytywane na odległość. Transmisja danych nie wymaga aby tag był widoczny, tak jak to ma miejsce w przypadku kodów paskowych.

RFID jest technologią opartą o wykorzystanie fal radiowych, stanowiących medium transmisji.  Informacje o identyfikowanym obiekcie zapisywane są na specjalnych nośnikach nazywanych najczęściej tagami. RFID ma wiele różnych zastosowań, takich jak telewizja, radio, telefonia komórkowa, radary i systemy automatycznej identyfikacji.

1.2 Opis technologii

RFID jest technologią optymalizującą takie rozwiązania jak kody paskowe, czy ręczne wprowadzanie danych. Mimo że istnieje ona na rynku już od dłuższego czasu – nie upowszechniła się z powodu braku przekonania ze strony podmiotów rynkowych. Jednym z powodów był brak ustaleń, co do optymalnego interfejsu umożliwiającego komunikację z tagiem (inaczej transponderem) RFID. Problematyczne okazały się również częstotliwości odczytu z etykiety. Dodatkowymi nie ustalonymi jeszcze zagadnieniami są rozważania na temat, gdzie należy umieszczać etykiety, w jaki sposób czytniki mają je odczytywać, oraz jaki rodzaj anteny powinien zostać użyty, by uzyskać najwyższe tempo odczytu. Kluczowym pytaniem jest, czy technologia RFID zwraca inwestycję.

Ilustracja 1: Schemat działania RFID

1.3 Zastosowanie technologii

Zastosowanie technologii RFID jest wszechstronne. Jest ona przydatna szczególnie do śledzenia drogich materiałów, części lub gotowych produktów. Zapewnia przejrzystość przepływu towarów w przedsiębiorstwie oraz łatwa ich lokalizację. Jest pomocna przy inwentaryzacji dużych partii materiału. Podnosi efektywność produkcji, zmniejsza groźby kradzieży produktów, pomaga tropić podróbki.

Do konkretnych zastosowań systemu RFID należą paszporty, opłaty transportowe, identyfikacja zwierząt, identyfikacja książek w bibliotece, identyfikacja osób w systemach kontroli dostępu, rejestracja czasu pracy.

2. Tagi
2.1 Co to są i jak działają tagi?

Tagi RFID (inaczej znaczniki, etykiety transpondery) są zaawansowanymi technologicznie etykietami zawierającymi elektroniczny mikrochip z pamięcią oraz antenę. W zależności od rodzaju zastosowania tagi RFID różnią się rozmiarem i tworzywem, z którego są wykonane. Mogą być zadrukowane przez specjalne drukarki termotransferowe, posiadające wbudowany dekoder RFID. Dzięki dekoderowi podczas drukowania możliwe jest zapisywanie danych w pamięci identyfikatora.  Dzięki temu dane zapisane w etykiecie RFID są jednocześnie czytelne jako tekst i jako kod paskowy.

Najczęstszym zastosowaniem tagów, jest zastosowanie jednorazowe.  Na przykład wszelkiego rodzaju produktów, palet, kartonów.

Szczególny rodzaj tagów RFID stanowią tak zwane inlaye. Są to półprodukty, z których wytwarza się tagi. Mogą być umieszczone w produkcie lub w opakowaniu. Stosowane są tam, gdzie nie jest konieczne dodatkowe oznakowanie kodem kreskowym lub opisem tekstowym.

Tagi są zbudowane w taki sposób, aby było możliwie przymocowanie ich do określonych przedmiotów. W zależności od potrzeb mogą przybierać różnorodne formy. Mogą wyglądać jak naklejki z kodem paskowym, mogą być po prostu włożone do opakowania, lub być zalane plastikiem.

Tag odbiera sygnały i wysyła je z powrotem do czytnika. Transmisja danych jest obustronna w przeciwieństwie do zasilania i taktowania, które odbywają się tylko od czytnika do nośnika danych czyli taga.
Każdy z nich posiada unikalny numer seryjny.

2.2 Rodzaje tagów

Tagi można podzielić według dwóch kategorii. Pierwsza z nich to podział ze względu na sposób zasilania lub zapewnienie realizacji dodatkowych funkcji. Dzielimy je na tagi pasywne, aktywne i pół-pasywne.

Druga kategoria, to podział ze względu na możliwość zapisu danych w znaczniku. W tym przypadku wyróżniamy tagi tylko do odczytu, tagi jednokrotnego zapisu i wielokrotnego odczytu oraz tagi wielokrotnego odczytu i zapisu. W przypadku tagów tylko do odczytu (read-only – RO) informacje są zapisywane w tagu w fazie produkcji. Tagi jednokrotnego zapisu i wielokrotnego odczytu (Write Once, Read Many – WORM) pozwalają na jednorazowe ustawienie informacji identyfikacyjnej. Tagi wielokrotnego odczytu i zapisu (RW) umożliwiają użytkownikowi zarówno odczytywać jak i zapisywać dane.

2.3 Budowa tagów

Znacznik RFID zbudowany jest z pamięci (tagi pamięciowe) lub z pamięci i procesora (tagi procesorowe), oraz z anteny pośredniczącej w transmisji danych. Całość jest umieszczona w kompaktowej obudowie. Obudowy mogą być wykonane zarówno z papieru jak i z tworzywa sztucznego. Gdy mamy do czynienia z etykietą, chip i antena zatopione są na cienkiej folii połączonej z wierzchnią warstwą etykiety.

Ilustracja 2: Przykład taga RFID

Parametry i zasięg transmisji pomiędzy tagiem a czytnikiem zależą od wykorzystywanej częstotliwości, wielkości anteny, mocy promieniowania, typu urządzenia i stopnia zakłóceń sygnału.

Tagi mogą przybierać różne kształty. Do najpopularniejszych należą plastikowe karty, breloczki, szklane ampułki, krążki z tworzyw sztucznych.

Ilustracja 3: Tagi w formie szklanych ampułek

Identyfikator jest zaopatrzony w pamięć od 64 do 128 bitów.  Nic nie stoi na przeszkodzie, aby były to większe wartości. Istnieją identyfikatory o większej pojemności przekraczającej 64 kB, jednak kilkaset bitów to jest maksimum potrzeb do standardowych zastosowań.

Istnieją znaczniki (tagi) nie posiadające układów scalonych. Wtedy ich działanie polega na odbijaniu części fali radiowej emitowanej przez czytnik.

Dodatkowo identyfikatory aktywne posiadają wewnętrzne źródło energii, jakim jest bateria. Dzięki temu osiągalna moc sygnału transmitowanego z identyfikatora jest większa, natomiast czas transmisji jest krótszy. Baterie mogą być wymienne lub trwale połączone z etykietą. Występują także tagi możliwe do podłączenia do zewnętrznego źródła zasilania.

Identyfikatory pasywne są zasilane polem elektromagnetycznej emitowanym przez czytnik. Gdy znacznik znajdzie się w zasięgu czytnika, w antenie zostaje wzbudzony prąd elektryczny zasilający tag. Równocześnie następuje przekazanie taktowania wytworzonego w czytniku. Pozwala to na inicjację mikrochipu znajdującego się w etykiecie i przetworzenie przez niego danych wysłanych przez czytnik lub zapisanych w pamięci znacznika. Ostatecznie wygenerowana odpowiedź zostaje wysłana z powrotem do czytnika.

Ilustracja 4: Tagi typu Smart Label

Tagi typu smart label występują w postaci etykiety papierowej z możliwością zadrukowania. Układ elektroniczny jest programowany podczas drukowania. Nanoszone są również wizualne informacje na etykiecie.

Anteny w systemie RFID mogą być zarówno częścią tagów jak i czytników. W obydwu przypadkach służą one do odbierania i wysyłania informacji przekazywanych drogą radiową. Różnice pojawiają się na poziomie hardware'u. Anteny stosowane w znacznikach są zwykle kilku- centymetrowe. Są bezpośrednio połączone z mikroukładem znajdującym się w znaczniku.

Antena znacznika odbiera sygnały z czytnika RFID a następnie, zwraca sygnał, zazwyczaj z kilkoma dodatkowymi danymi (np. unikalny numer seryjny lub inne  żądane informacje).

Znaczniki RFID mogą osiągać bardzo małe rozmiary – np. wielkości dużego ziarna ryżu.


3. Czytniki
3.1 Budowa czytników

Czytnik RFID jest urządzeniem elektronicznym wyposażonym w jedną lub więcej anten nadawczo-odbiorczych, nadajnik i dekoder. Jego zadaniem jest odczyt z pewniej odległości informacji zapisanych w tagach. Za pomocą nadajnika wysyła lub odbiera wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, zapisując lub odczytując sygnały ze znaczników. Następnie dzięki zainstalowanemu dekoderowi przetwarza otrzymane dane na formę cyfrową i przesyła dalej do komputera. Większość urządzeń tego typu zapewnia już komunikację bezprzewodową dzięki wbudowanemu Bluetooth lub Wi-Fi.

3.2 Zasada działania czytników

Zadaniem czytnika jest wytworzenie zmiennego pola elektromagnetycznego wokół anteny, detekcja jego zaburzeń wywołanych przez transmisję sygnału z transpondera i dekodowanie uzyskanego sygnału. Gdy transponder znajdzie się w polu elektromagnetycznym czytnika, w jego antenie indukowane jest napięcie. W chwili, gdy zgromadzony ładunek jest na tyle duży by stanowić źródło zasilania dla układów elektronicznych transpondera, rozpoczyna się wysyłanie informacji. Za pomocą modulacji pola elektromagnetycznego wywołanego przez zwieranie i rozwieranie się cewki transportera, co powoduje chwilowe wzrosty tłumienia sygnału emitowanego przez antenę czytnika, następuje transmisja danych. Zmiany te wykrywane są za pomocą dekodera współpracującego z nadajnikiem, a następnie kilkudziesięciu kilkusetbitowy strumień cyfrowych danych jest dekodowany.

3.3 Rodzaje i przykłady czytników

Można wyróżnić trzy główne typy czytników: stacjonarne, przenośne i zintegrowane.

Stacjonarne
Czytniki przeznaczone zabudowy na liniach produkcyjnych, halach, magazynach, bramach wjazdowych i wózkach widłowych.

Urządzenie działa w trybie wysokiej gęstości odczytu, (co charakteryzuje czytniki RFID drugiej generacji) i jest zgodne ze standardem EPC. Jest czytnik typu (EPC), który działa pod kontrolą systemu operacyjnego Windows CE. Zastosowanie systemu Windows CE umożliwia integrację i współpracę czytnika XR480 EU z dotychczasowymi infrastrukturami informatycznymi.

Ilustracja 5: Czytnik XR480

Czytnik XR480 jest wyposażony w interfejs sieciowy Ethernet 10/100 (złącze fizyczne RJ-45) oraz w porty RS485 i USB, co pozwala na współpracę z różnymi urządzeniami, m.in. z czujnikami ruchu, oświetleniem, modułami pamięci i zewnętrznymi ekranami. Pozwala to firmom wykorzystywać technologię RFID do uruchamiania różnego rodzaju procesów, takich jak: automatyczne linie montażowe, rekonfigurowane w zależności od produktów znajdujących się na przenośniku taśmowym oraz powiadomienia w czasie rzeczywistym o pilnej zmianie miejsca dostawy towarów.

Przenośne
Czytniki zintegrowane z przenośnym terminalem (kolektorem danych).

Ilustracja 6: Czytnik IP4

IP4 pozwala użytkownikom wykorzystać w pełni zalety technologii RFID, umożliwiając na bieżąco sprawdzenie i aktualizację danych opisujących obiekt (np. pochodzenie, przeznaczenie, data przydatności, gwarancja, historia serwisu lub napraw itp.) w bazie danych oprogramowania aplikacyjnego lub bezpośrednio w identyfikatorze bez konieczności opuszczania stanowiska czy przenoszenia obiektu.

Dodatkowe właściwości:
- Obsługuje wiele protokołów UHF
- Dostępny w wersjach pracujących w pasmach UHF stosowanych na całym świecie
- Idealny do aplikacji gdzie nie jest możliwe lub opłacalne zastosowanie czytników stacjonarnych
- Wbudowana antena o polaryzacji kołowej odczytuje znaczniki w dowolnej orientacji
- Opcjonalna antena o polaryzacji liniowej - maksymalizuje zakres odczytu

Zintegrowane
Czytniki wbudowane np. w drukarki.

Ilustracja 7: Datamax H-class

Drukarki serii H-class są wyposażone w 3 porty komunikacyjne (RS232, Centronics, USB) oraz kartę sieciową Ethernet oraz karta radiowa Wi-Fi. Drukarki Datamax maja możliwość wbudowania skanera kodów kreskowych do weryfikacji poprawności wydrukowanego kodu kreskowego. Jak przystało na produkt tej klasy, drukarkę wyposażono w opcję RFID - wersja dekodująca etykiety RFID w standardzie UHF Gen 2, jak również opcja pracy w standardzie HF ISO 15693.

3.5 Zastosowanie czytników

Ilustracja 8: Zastosowanie RFID w magazynach

RFID jest narzedziem coraz szerzej wykorzystywanym w systemach automatycznej identyfikacji, które stosowane w magazynach w znacznym stopniu usprawniaja ich prace. Dzięki nim operacje magazynowe, takie jak: przyjęcie i wydanie towaru, inwentaryzacja czy kompletacja towarów do wysyłki wykonywane są szybciej, bez błędów i pomyłek, praca w magazynie jest wygodniejsza, a informacja, która jest potrzebna do dobrego funkcjonowania przedsiębiorstwa jest dostępna, precyzyjna i aktualna.

4. Literatura
[1] Patrick J. Sweeney II „RFID for Dummies” Wiley Publishing 2005
[2] http://www.aimglobal.org/technologies/rfid
[3] http://www.technovelgy.com/ct/Technology-Article.asp?ArtNum=1
[4] http://www.rfid-info.pl
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Radio-frequency_identification
[6] http://www.optidata.pl/technologie/rf_id.html
[7] http://www.aspekt.net.pl/aktualnosci/rfid
[8] http://trigona.pl/rozwiazania_rfid/
[9] http://www.acmqueue.com/
[9] http://www.skk.com.pl
[10] http://www.zabezpieczenia.com.pl
[11] http://www.hdf.com.pl
[12] http://www.portalrfid.pl

[13] http://www.lenz.pl

[14] www.koncept-l.pl