Základy RFID technologií

Transkript

1 VŠB-TUO Hornicko-geologická fakulta Institut ekonomiky a systémů řízení Základy RFID technologií Výukový materiál pro Logistickou akademii vypracovala Ing. Martina Sommerová

2 Obsah Obsah Úvod Systém RFID Kmitočtová pásma RFID Výkonnost RFID systémů RFID tag Dělení podle výrobní technologie Dělení podle zdroje energie Dělení podle typu paměti RFID čtečka (reader) Middleware Standardy v technologii RFID Aplikační oblasti RFID systémů EAS (Electronic Article Surveillance) systémy Portable Data Capture systémy Real-time Location System Závěr Seznam použité literatury Seznam obrázků

3 1 Úvod RFID neboli Radio Frekvenční Identifikace je bezkontaktní automatická identifikace sloužící k přenosu a ukládání dat pomocí elektromagnetických vln. Systémy radiofrekvenční identifikace (RFID) jsou schopny: zaznamenávat, uchovávat, poskytovat objektivní informace o objektech v reálném čase. Tuto technologii lze najít v různých odvětvích průmyslu jako je kontrola výrobních procesů, logistika, dodávky a expedice, v obchodních řetězcích, ale i v identifikaci zvířat, ať už jde o jednotlivé domácí mazlíčky, tak i velké stáda dobytku. RFID systémy najdete rovněž i v automobilovém průmyslu, pivovarnictví (sledování KEG sudů) ve zdravotnictví. Dá se říci, že RFID zvyšuje kvalitu, rozšiřuje možnosti procesu identifikace ve všech oblastech a odvětvích průmyslu, bezpečnosti, dopravy atd. Samotná technologie vychází z principu radaru a její historie zasahuje až do 20. let minulého století, kdy se k navigaci letadel se začaly používat rádiové vysílače, tzv. radiomajáky. V roce 1935 skotský elektrotechnik sir R. Watson-Watt zkonstruoval první prakticky použitelný přístroj pro rádiovou detekci letadel pomocí mikrovln. Stal se tak skutečným vynálezcem radaru. Z roku 1939 pochází technologie podobná RFID tzv. IFF (Identification, Friend and Foe), používaná za války k odlišení vlastních a nepřátelských letadel. Vývoj radaru a rádiových komunikačních systémů pokračoval v letech 1950 až 1960, kdy probíhalo testování, a vyvíjely se aplikace, které by mohly být využity v praxi. První aplikace, které byly uvedeny do praxe, byly založeny na jednobitových čipech, které signalizovaly, zda jsou či funkční. Toto řešení slouží například jako systém proti krádežím v obchodech. Roku 1970 si nechal Mario Cardullo patentovat vysílací zařízení s pamětí a dalšími funkcemi RFID čipu. První skutečný RFID čip předvedla americká Los Alamos Scientific Laboratory roku V sedmdesátých letech se na vývoji podílela řada firem, mimo jiné IBM, ComServ a FairChild. Od roku 1980 až 1990 začaly vznikat komerční aplikace (např. bezkontaktní karty, sloužící k identifikaci vstupů do budov, lyžařských vleků, mýtné brány 3

4 atd.). V devadesátých letech, s vytvořením prvních standardů, nastaly podmínky pro mezinárodní využívání RFID. Mezi hlavní výhody RFID patří: bezkontaktní povaha technologie, která nevyžaduje pro identifikaci objektu jeho přímou viditelnost, ani přesné polohování, přenosu dat z čipu nebrání ani špatné optické či atmosférické podmínky, rychlost čtení, aktivní technologie pak přinášejí nové možnosti funkcionality identifikačního procesu. Tento materiál je úvodem do technické specifikace radiofrekvenční identifikace RFID. Popisuje typy RFID systémů a jejich aplikace a rovněž se zabývá strukturou RFID systémů, která zahrnuje popis typů nosičů informace (tagů) a čtecích zařízení. 2 Systém RFID Mezi základní komponenty RFID systému patří: transpondér tzv. RFID tag, který je tvořen čipem, což je elektronický paměťový obvod, cívkou či anténou a v případě aktivních nebo semipasivních tagů, je vybaven i vlastním zdrojem energie (baterií). Všechny tyto součásti jsou pak umístěny na vhodně konstruované podložce z plastu nebo papíru, čtecí zařízení tzv. RFID reader (nebo také čtečka), který je tvořen vysílacím/přijímacím obvodem s dekodérem, anténou. V některých případem může být čtečka vybavena i vlastním operačním systémem se základní softwarovou funkcionalitou. řídící software (middleware), díla podpůrné systémy (řídící počítače, databáze, telekomunikační sítě) a systémy na strategické úrovni řízení. RFID tagy můžeme děli na základě používaných rádiových frekvencí nebo podle technického provedení. Obecný princip činnosti RFID tagu (pro zjednodušení bedeme mluvit o pasivním tagu) viz. Obrázek 1, je následující: 4

5 Čtecí zařízení prostřednictvím antény vysílá periodicky na svém nosném kmitočtu elektromagnetickou vlnu (rádiovou vlnu) do okolí. Objeví-li se ve vhodné vzdálenosti od antény tag, který je naladěn na stejnou frekvenci, je tato vlna přijata anténou tagu. Indukované napětí na anténě tagu, vyvolá střídavý elektrický proud, který je usměrněn a nabíjí kondenzátor v tagu. Uložená energie je použita pro napájení logických a rádiových obvodů tagu.když napětí na kondenzátoru dosáhne minimální potřebné úrovně, spustí řídící obvody uvnitř tagu a ten začne odesílat odpověď čtecímu zařízení. Vysílání tagu je realizováno zpravidla pomocí dvoustavové ASK (Amplitude Shifting Key) modulace, která je realizována změnou zakončovací impedance antény transpondéru (anténa je buď přizpůsobena, nebo zakončena nakrátko). Modulace představuje důkladné ovlivňování tří parametrů signálu, a to je výška, frekvence a fáze amplitudy. Pomocí modulace vlny vysílané ze čtečky lze do tagu i zapisovat (pokud to umožňuje). Analýzou těchto vln kdekoliv v dosahu čtečky můžeme zpětně zrekonstruovat zprávu přijaté vlny - demodulace. Odrazy, které vznikají změnou impedance antény, jsou detekovány čtečkou a interpretovány jako logické úrovně 1 a 0. Dostatečná energie pro nabití kondenzátoru v transpondéru a schopnost detekovat přijatou odpověď transpondéru čtečkou jsou tak hlavní hardwarové podmínky fungování RFID systému. S rostoucí vzdáleností mezi čtečkou a transpondérem postupně klesá kvalita RFID signálu. Narůst šumu v základním signálu vede až k nemožnosti úspěšné detekce přijaté zprávy. Často publikované max. čtecí vzdálenosti však vyžadují optimální prostředí pro šíření rádiových vlny, nejlépe bez přítomnosti jakýchkoliv objektů. 5

6 Obrázek 1 Princip činnosti pasivního RFID [10] Pasivní RFID systémy RFID tag neobsahuje vlastní zdroj energie a je závislý na dodávce energie z antény čtecího zařízení. Čtecí zařízení šíří pomocí antény elektromagnetické pole, které slouží jako zdroj energie pro RFID tag a také jako komunikační kanál ve směru od čtecího zařízení k RFID tagu. Primárním účelem nasazení pasivního RFID je identifikace objektů. Komunikace mezi pasivním RFID tagem a čtečkou (Obrázek 2). Obrázek 2 Komunikace mezi pasivním tagem a RFID čtečkou Aktivní RFID systémy U aktivního RFID nejde pouze o identifikaci předmětů, ale i o další funkce jako například (lokalizaci, měření teploty a podobně). Aktivní RFID systém využívá aktivní RFID tagy. Na rozdíl od pasivního tagu: obsahuje vlastní zdroj napájení, jeho činnost může být nezávislá na čtecím zařízení, 6

7 může obsahovat také snímače pro měření fyzikálních veličin, často je schopen optické a akustické komunikace s uživateli. Komunikace mezi aktivním RFID tagem a transceiverem (Obrázek 3). Obrázek 3 Komunikace mezi aktivním tagem a RFID transceiverem 3 Kmitočtová pásma RFID Systémy RFID využívají rádiových vln, které pracují na různých vlnových délkách. Rádiové vlny, resp. elektromagnetické vlny jsou tvořeny pohybujícími elektrony a skládají se z oscilujících elektrických a magnetických polí, které jsou na sebe navzájem kolmé. Tyto vlny mohou nebo nemusejí projít různými druhy materiálů. Záleží na vlnové délce rádiové vlny (rádiové frekvenci) (Obrázek 4), ta je dána vztahem. Vzdálenost mezi dvěma nejvyššími, nebo nejnižšími body se nazývá vlnová délka (wavelength). Pokud dojde ke kompletní oscilaci vlnové délky jedné vlny, nazýváme to cyklus (cycle). Času potřebnému k dokončení jednoho cyklu se říká perioda oscilace (period of oscillation). Počet cyklů za jednu sekundu tak udává frekvenci vlny (frequency of a wave), která se vyjadřuje v jednotkách hertz Hz. Když máme frekvenci vlny 1 Hz, znamená to, že vlna osciluje rychlostí jednoho cyklu za sekundu. 7

8 Obrázek 4 Vyobrazení elektromagnetické vlny Pracovní kmitočet je určujícím parametrem pro čtecí dosah a interakci s okolním prostředím. Platí, že čím vyšší frekvence, tím rychlejší přenos dat, ale zároveň delší vzdálenost, ve které je RFID čtečka schopna komunikovat s RFID tagem avšak za cenu větší citlivosti na přítomnost problematických materiálů (uhlík, kovy a kapaliny), které výrazně ovlivňují šíření rádiových vln. Volba vhodné frekvence pro konkrétní aplikaci je jedna z nejdůležitějších fází návrhu řešení systému RFID. Z této volby vyplývá celá řada dalších nejen fyzikálních omezení, jako například dosah čtení, zákonná omezení vyzářené energie, rychlost snímání a zapisování, použitelnost v různém prostředí. Existují čtyři hlavní frekvenční pásma pro systémy RFID. LF (Low Frequency) pásmo khz Frekvenční pásmo LF má velmi krátkou (téměř kontaktní) čtecí vzdálenost (do cca. 20 cm) a nízkou přenosovou rychlost. Tato technologie se využívá převážně v identifikačních průkazech (evidence docházky), k identifikaci komponent v zařízení během výroby, k identifikace pivních sudů, na evidenci domácích zvířat atd. Využívá se pasivních tagů, které se skládají z kotouče měděného drátu a nepřepisovatelné paměti. HF (High Frequency) pásmo 13,56 MHz - Toto pásmo má vyšší čtecí vzdálenost než LF (do cca. 1 metru). V aktivním provedení umožňuje i metrové čtecí vzdálenosti. Tento systém využívá opět především pasivních tagů. Má nižší přenosovou rychlost a poskytuje v přítomnosti kovu a tekutin vysokou spolelivost. Anténa tagu je vyrobena z měděného drátu nebo může být vytištěna vodivým inkoustem na papírovou podložku a doplněná čipem. V této kategorii jsou čipy většinou k dispozici ve variantách RO (Read Only pouze čtení) nebo 8

9 RW(Read Write možnost zápisu) s kapacitou paměti od několika bytů až po kilobyty. Tato technologie se nejčastěji využívá pro knihovní systémy, docházkové systémy, pro identifikační karty (e-peněženky, přístupové systémy). UHF (Ultra High Frequency) pásmo MHz) - UHF pásmo umožňuje přenos informace na vzdálenosti jednotek metrů. Systémy UHF v různých zemích světa mají přiděleny různá frekvenční pásma (Obrázek 5). U této technologie se využívá standard ISO určený pro knihovní systémy, docházkové systémy, identifikace palet. Vsoučasné době představuje nerozšiřující se RFID pásmem pro identifikaci zboží a logistických jednotek a to také díky zavedení jednotného číselného standardu EPC (Electronic Product Code) elektronického kódu produktu, který spravován a přidělován světovou organizací Global Standards GS1. MW (Microwave) pásmo 2,45,8 GHz - MW pracuje v blízkosti frekvenčního pásma často používaných Wi-Fi sítí. Charakteristickým znakem této technologie je velká čtecí vzdálenost a vysoká přenosová rychlost, ale s velmi špatným výkonem v přítomnosti kovu a tekutin. Tato frekvence je spjata s aktivními tagy, protože vlastní zdroj energie tagu dokáže zvýšit čtecí vzdálenost až na desítky metrů. Využívají se např. pro identifikace vozidel a pohybujících se předmětů (Real Time Location Services). Obrázek 5 Kmitočtová pásma pro UHF RFID systémy ve světě [6] Výhodami systémů pracujících na vyšších frekvencích je jednoznačně jejich menší rozměr a proveditelnost jediným malým integrovaným obvodem doplněným poměrně malou 9

10 anténou, a s tím spojenou i nižší cenou. Jsou také rychlejší pro přenos dat, zvládnou větší datové toky. Není to zapříčiněno jen použitou frekvencí, ale způsobem použité komunikace. Rozeznáváme dva základní fyzikální způsoby komunikace: induktivní metoda odrazová metoda. Induktivní metoda dosahuje vzdálenosti čtení v řádech desítek centimetrů, což označujeme jako Low Range nebo také Near Field Comunication (komunikace v blízkém poli).tag v sobě zahrnuje čip, který v sobě uchovává data a cívku fungující jako anténa. Čtečka generuje vysokofrekvenční magnetické pole, které proniká závity cívky tagu. Induktivní metoda je založena na principu vzájemné indukce dvou cívek (tento princip je využíván v elektrických transformátorech), mezi primární cívkou ve čtečce a sekundárnív tagu. Odrazová metoda nebo také radiační metoda dosahuje vzdálenosti v řadách metrů. Označujeme ji jako Far Field, tzv. komunikace vzdáleným polem. Využívá podobného principu jako radar. Část energie vyzařována anténou čtečky dorazí k tagu ve formě vysokofrekvenčního signálu. Ten je po úpravě použit pro nabití čipu. Nabitý čip potom řídí rezistor, který mění parametry antény. Odražený signál je tedy rozdílný. To nám již stačí pro zakódování informace. 4 Výkonnost RFID systémů RFID systémy jsou náchylné k rušení od jiných rádiových systémů. RFID systémy pracující v pásmu LF jsou zvláště zranitelné, protože rádiové signály z jiných komunikačních systémů, působí na téměř stejné frekvenci. Na druhém konci spektra, mikrovlnné systémy jsou nejméně citlivé na rušivé vlivy. Výkonnost systémů RFID bude nepříznivě ovlivněna kapalinami nebo mokrým povrchem. HF signály, vzhledem k jejich relativně dlouhé vlnové délce, jsou lépe schopny proniknout do vody, než UHF a MW signály. Signály vysokých frekvenci mají větší šanci být absorbovány v kapalině. Rovněž kov je elektromagnetický reflektor, kterým rádiové signály nemohou proniknout. V důsledku toho kovy nejen brání komunikaci, nacházejí-li se mezi tagem a RFID 10

11 čtečkou, ale i samotná přítomnosti kovu může mít negativní vliv na fungování systému (dochází k nežádoucím odrazům a tím i vzniku stojatého vlnění). Vysoká frekvenční pásma jsou ovlivněna kovy víc než nižší frekvence pásma (Obrázek 6). Obrázek 6 Interakce systémů RFID se vzorovými materiály Nevhodné označení plechovky nebo plastové láhve s kapalinou, stejně jako nevhodné umístění antén může znamenat problémy se čtením. Proto se musí dbát na správnou instalaci čteček a na návrh infrastruktury sítě RFID i na způsob umístění RFID tagů (nejčastěji se používá nálepka v kombinaci RFID tagu a čárového kódu označujeme jako Smart Label). Podmínkou úspěchu je vhodný výběr druhu antén pro čtečku, zvolení jejich počtu a vzájemného rozmístění, popřípadě použití několika čteček na jednom místě pro lepší pokrytí. Mezi základní kritéria ovlivňující výkonnost systému patří: přítomnost problémových materiálů nevhodné frekvenční pásmo špatné umístění jednotlivých komponenty RFID systému rušení jiných zařízení vydávající elektromagnetické vlnění na stejném frekvenčním pásmu (elektromagnetická kompatibilita EMC) neporozumění problematice značení objektů pomocí RFID systému 11

12 5 RFID tag Nosičem informací v RFID systému nazýváme tag bnmebo jinak transpondér, jehož význam vznikl sloučením anglických slov transmit - přenos a response - odpověď. Základní funkcí RFID tagu je uložení dat do vnitřní paměti a poskytnutí tento uložených údaji RFID systému. Každý tag se skládá z mikročipu a antény (Obrázek 7). Samotný čip může být velký pouze 1 mm (dnes i méně). Velikost tagu přímo souvisí s velikostí antény, která je jeho největší součástkou (Obrázek 8). Obvykle platí, že čím větší je použitá frekvence, tím menší může být anténa. Obrázek 7 RFID tag Anténa a čip mohou být zapouzdřeny do PVC karty velikosti kreditní karty, skleněné trubičky, které se vejdou pouzdra vhodného k subdermální aplikaci (značení domácích mazlíčků), nebo nalepení na plochu etikety, ale mohou být i speciálně zapouzdřeny dle specifikace zákazníka a způsobu použití. Je tak možné dodat např. RFID tagy odolné pro teploty od -40 C do +300 C. 12

13 Obrázek 8 Ukázka antén RFID tagů [18] RFID tagy můžeme rozdělit podle výrobní technologie, druhu paměti, zdroje energie a frekvenčního pásma, ve kterém pracují. 5.1 Dělení podle výrobní technologie Provedení tagu je úzce spjato s aplikací, které bude sloužit. Některé tagy musí být provedeny tak, aby odolaly extrémním teplotám, vlhkosti, a leptavým chemickým látkám. Z hlediska výrobní technologie existují desítky typů tagů. Nejrozmanitější aplikační využití mají RFID tagy v provedení mince (Obrázek 9). Mají kruhový tvar velkosti od několika mm až po 10 cm. Výhodou těchto tagů je jejich jednoduchá implementace do jiných součástek, například jako imobilizér nebo klíčenka, která se používá v oblasti, kde jsou potřebné vysoké požadavky na bezpečnost střežené prostory, kanceláře a podobně. V jejich středu bývá otvor na uchycení. Obal je tvořený plastem, což zajistí vysokou mechanickou odolnost. 13

14 Obrázek 9 Tagy v provedení mince a klíčenky [7] Další formou tagu je Smart label tzv. chytrá etiketa (Obrázek 10). Jedná se o papírovou nebo plastovou tištěnou etiketu s integrovaným pasivním tagem. Celý komplet se nalepí jako obyčejná etiketa s libovolným potiskem. Kombinace RFID tagů a klasické tištěné etikety obsahující čárový kód se využívá k označení palet nebo kartónů. Výhodou je nízká cena a využití čárového kódu jako záložního identifikátoru a. Nevýhodou je nižší odolnost k okolním vlivům oproti tagům ve formě mince. Obrázek 10 Smart Label [6] Smart card má formát platební karty. I když rozměry karet nejsou nejmenší (jde o velkost cca 58 x 55 x 0,75 mm), je možné umístit do nich poměrně velkou anténu, která má příznivý vliv na dosah systému. Způsob výroby je vrstvení, Mezi vrstvy plastu se zataví anténa, toto probíhá při 100 C. Jinou formu představují PCB tagy, což jsou je RFID čip s PCB (Printed Circuit Board) anténou. Tento tag je vhodný pro návrh zákaznických tagů, kde jsou kladeny 14

15 specifické nároky na jejich aplikaci. Další výhodou je, že PCB tag je možné snadno osadit dodatečným kondenzátorem, který zajistí ještě lepší čtecí vzdálenost. Tyto tagy lze zabudovat do samotného objektu (obalu či přepravky) a mohou být vsazeny do obalů z laminátu, plastu, gumy nebo do speciálních obalů z materiálů, které vyhovují podmínkám provozu, ve kterých budou využity (Obrázek 11). Jejich výhodou je vysoká odolnost i v podmínkách, kde by například smart label neobstál. Příkladem použití je RFID Tag zapuštěný do přepravky a je tedy možné, po celý čas jejího putovaní, do něho ukládat potřebné informace a umožňuje tak sledovat celý výrobní koloběh. Obrázek 11 PCB tag [13] zapuštěné do přepravky Skleněné tagy jsou vyvinuté pro zavedení pod pokožku a jsou vhodné pro aplikace v lékařství, pro kontrolu zvířat apod. Jedná se o skleněnou trubičku velkosti 10 až 30 mm. Čip je zachycený na plastovém nosiči. Cívka je navinutá z drátu silného 0,04 mm. Všechny komponenty jsou potom zapuštěné v lehce přilnavém materiálu, z důvodu dosažení vyšší mechanické odolnosti (Obrázek 12). Obrázek 12 Skleněný tag [8] Pro různé aplikace jsou neustále vyvíjeny nové typy a tvary tagů tak, aby se přizpůsobily novým podmínkám jejich použití. 5.2 Dělení podle zdroje energie Aktivní RFID tagy mají vlastní zdroj energie a využívají jej k napájení integrovaného čipu anebo posílení signálu, který může být přijat RFID čtečku do vzdálenosti cca 100 metrů i více. S pomocí integrovaného napájecího zdroje jsou čipy schopné vysílat s větším vysílacím výkonem, a tudíž jsou efektivnější v případech, kdy musí vysílat ve ztíženém prostředí. Jejich 15

16 nevýhoda je složitost a tím i vyšší náklady na jejich výrobu a kratší životní cyklus, který je dán kapacitou baterie. Pasivní RFID tagy nemají baterii, energii přijímají z antény. Tyto tagy mají zanedbatelné požadavky na údržbu a velmi dlouhou životnost. Cenově jsou dostupnější. Praktická čtecí vzdálenost pasivních tagů je od 10 centimetrů do několika metrů. Vše záleží na použité frekvenci a velikosti antény tagu. Semipasivní tagy mají interní napájecí zdroj, který slouží k napáje integrovaných obvodů. Další možností je použití baterie k uchování energie vyslané čtečkou pro využití v budoucí komunikaci. Semipasivní čipy mají až 100x větší citlivost oproti pasivním čipům. Zvýšená citlivost současně dovoluje větší čtecí vzdálenost (až desetinásobek pasivního dosahu čtečky). Zvýšená citlivost klade současně vyšší požadavky na čtečku, která musí být schopna načíst slabý signál vrácený z tagu. Oproti pasivním tagům, kde selhává nejčastěji komunikace od čtečky směrem k nim, selhává častěji u semipasivních čipů směr tag čtečka. Výhodou je také vyšší životnost baterii než u čipů aktivních. Tyto semipasivní tagy bývají často vybaveny senzorikou pro měření např. teploty, tlaku nebo vlhkosti vzduchu popř. vibrací. 5.3 Dělení podle typu paměti Existují tři základní druhy tagů z hlediska uchování informací: Tagy RO (Read-Only) - jde o tagy, které mohou být pouze pro čtení. Tyto tagy jsou obdobné jako čárové kódy. Jsou naprogramovány jednou ve výrobě a pak už je nelze měnit, podobně jako CD-ROM nelze měnit po jeho vypálení. Tyto typy tagů jsou většinou naprogramovány s velmi omezeným množství dat (paměť od 40 do 512 bit). Toto číslo má být neměnné, stejně jako sériová čísla, a jsou velmi snadno integrovaná do stávajících systémů čárového kódu. Rychlost čtení 1000tagů/sec. Tagy WORM (Write Once Read Many) jsou pouze pro čtení. Tag však není naprogramovaná už při výrobě, ale teprve u prodejce nebo dodavatele. Ten do WORM tagu zapíše potřebnou informaci, kterou již nelze přepsat. Paměť od 40 do 512 bit. Rychlost čtení 200tagů/sec. Na trhu se lze setkat s WORM tagy, jejichž výrobce udává, že mohou být opakovaně přepsány, avšak bez záruky spolehlivosti (počet odhadovaných přepsání je okolo 100krát). 16

17 Tagy RW (Read Write) mohou uchovávat velké množství dat (pasivní tagy 386 až 8Kb, aktivní tagy 16Kb až 2Mb) a mají adresovatelnou paměť, která se snadno mění. Data zapsaná do tagu, lze vymazat a znovu přepsat až tisíckrát, stejně jako disketu lze vymazat a přepsat podle přání. Informace jsou dodatečně zapsány ve chvíli nutnosti nebo mohou mít již od výroby přeprogramované sériové číslo i se svým jednoznačným identifikátorem Rychlost čtení 1000tagů/sec. Kromě nich mohou některé tagy obsahovat jak RO a RW paměti současně. Například, RFID tagy připojené k paletě by mohly být označeny pořadovým číslem palety v RO části paměti, které by zůstaly statické pro celou životnost palety. RW část by pak mohla být použita k označení obsahu palety v daném okamžiku.ve chvíli kdy bylo z palety vyloženo zboží a naloženo nové,došlo k záznamu této skutečnosti do RW paměti. 6 RFID čtečka (reader) RFID reader (RFID čtečka) působí jako most mezi RFID tagem a řídícím počítačem a má jen několik základních funkcí. Dodávat energií pasivním tagům. Přečtení údajů, které obsahuje RFID tag. Zapsání dat do tagu (v případě Read-Write Tagů). Přenos dat z a do řídícího počítače. Popř. základní filtrace dat nebo ovládání integrovaných vstupně/výstupních obvodů). Kromě plnění výše uvedených základních funkcí, je schopna složitější RFID čtečka provádět další důležité funkce: provádění antikolizních opatření k zajištění RW komunikace s mnoha tagy najednou, ověřování tagů, aby se zabránilo podvodům nebo neoprávněnému přístupu k systému, 17

18 šifrování dat, ochranu integrity dat. RFID čtečky jsou v podstatě malé počítače, které se skládají se tří částí: Jedné nebo více antén, které mohou být integrované nebo externí. Rádiového rozhraní, které je zodpovědné za modulaci, demodulaci, přenos a příjem rádiového signálu. Vzhledem k vysoce citlivým požadavkům, RFID reader mají často oddělené cesty pro příjem a vysílání. RFID řídící jednotka, která je mozkem jakéhokoliv RFID čtečky. Hlavním prvkem řídící jednotky je mikroprocesor. Jeho úkolem je zpracovat data přicházející ze čtecího zařízení. K mikroprocesoru jsou připojeny pomocné obvody, díky nimž může mikroprocesor komunikovat jak se čtecím zařízením, tak s PC. Na trhu existuje trhu rozsáhlá paleta čtecích/zapisovacích jednotek ke zdokonalování systému. Konstruovány mohou být buď jako jeden přístroj nebo odděleně (samostatný řídící systém a anténa). A podle toho je členíme na stacionární a mobilní. Rozlišují se čtečky s poduškovými anténami, s bránovými anténami (jednostranné a dvoustranné) a tunelové jednotky s uspořádáním dvou horizontálních a dvou vertikálních antén. Stacionární čtečky bývají nepřenosné, jsou pevně vestavěné v určeném identifikačním bodu například vstup do skladu, začátek dopravníku, stůl na přípravu produktů (Obrázek 13). Obrázek 13 Stacionární RFID čtečka [14] Tato zařízení mají externí anténu a své použití naleznou zejména ve čtecích bránách nebo na vysokozdvižných vozících (Obrázek 14). K řadě stacionárních RFID čteček je možné připojit více antén, a tím zajistit lepší pokrytí prostoru čtecím signálem. 18

19 Obrázek 14 Znázornění využití průmyslových stacionárních RFID čteček [2] Mobilní čtečky U mobilních čteček jsou obě komponenty implementované ve společném pouzdře a jsou k dispozici jako zařízení pro držení v ruce. Mohou být použity bez kabelu s dokovací stanicí k odesílání či nahrávání údajů, (je možné je použít i pro průmyslové čtení na výrobních linkách), nebo s kabelem přes sériové datové rozhraní k osobnímu počítači. U ručních RFID čteček existují i zařízení schopná hybridního použití, která mohou jak snímat čárový kód, tak číst RFID tag a zapisovat do něho (Obrázek 15). Obrázek 15 Ruční RFID čtečka [2][15] 7 Middleware Middleware představuje software (nebo také jako specializovaný hardware) pro správu, filtraci, analýzu dat získaných z populace tagů, které jsou načteny RFID čtečkou. Má za úkol obstarat komunikaci s jednotlivými čtečkami a prvotně zpracovat získaná data. Jednou 19

20 z prvních pokusných aplikací byl program Savant v rámci projektu EPC v Auto-ID Centre. Jeho základní funkce, které jsou v podstatě stejné i ve všech současných řešeních, jsou: schopnost komunikovat s několika čtečkami několika výrobců s různými komunikačními protokoly, filtrovat získaná data, výsledek uchovávat v databázi a poskytovat je přes stanovené rozhraní dalším aplikacím. podobu: Jednotlivá řešení se však liší v tom, kam jsou primárně určeny. Mohou tak mít velkých centralizovaných serverů spravujících celou síť vzdálených čteček a poskytujících široké rozmezí služeb podnikových systémů, nebo hierarchické struktury vzájemně komunikujících objektů, schopných běžet na jednoduchých zařízeních co nejblíže čtečkám, a poskytujících co nejrychleji data primárně jen několika automatům přímo řídících výrobu. Důvodů, proč je middleware opodstatněný, je několik. I když existují standardy pro komunikaci mezi RFID tagem a RFID čtečkou, čtečky jsou vyráběny s různými vlastnostmi a chováním a na komunikaci s tagy používá vlastní komunikační protokol. Proto je výhoda, když někdo poskytne jednotné rozhraní pro několik různých čteček v kombinaci s vhodnou správou získaných dat. Dále je třeba zdůraznit potřebu filtrování a předzpracování dat, jelikož RFID čtečky obvykle generují souvislý tok dat obsahující v náhodném pořadí data ze všech tagů, které se podařilo přečíst. Většinou je nezbytné detekovat, kdy se daný tag objevil ve čtecí zóně a kdy ji opustil. Všechny ostatní výsledky čtení představují pro řídící aplikaci zpravidla nepotřebná data. Ve spojení s dalšími informacemi, např. znalostmi prostředí a dat z okolních čteček, lze tato data dobře používat na opravu chyb způsobených chybou čtení, ať už nepřečtená dat v tagu, který nebyl detekován, protože byl na chvíli zastíněn nebo naopak chybným přečtením dat z tagu z jiné zóny, který vlivem změny prostředí nebyl dostatečně odstíněn. Způsob získání a postupného zpracování dat z RFID a způsob, jakým jsou data z RFID schopny putovat mezi jednotlivými systémy, ovlivní i to, na jaké úrovni budou moci být data použita. V případě, že čtečky z celého skladu budou připojeny k jednomu serveru na úrovni 20

21 podnikového systému a data primárně zpracované jako databáze jednotlivých skladů, už těžko budou moci být využity i pro řízení fyzických dopravních systémů, vozíků a bran. 8 Standardy v technologii RFID Stejně jako v jiných odvětvích průmyslu se i výroba RFID zařízení a transpondérů řídí určitými standardy. Ty mají, mimo jiné, za úkol zaručit vzájemnou kompatibilitu řešení od různých výrobců. V následující tabulce je přehled standardů využívaných pro RFID technologie (Tabulka 1). Tabulka 1 Platné standardy pro radiofrekvenční identifikaci [16] Název ISO 7816 ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO Účel Standard pro kontaktní čipové karty. Standard popisuje elektrické a mechanické vlastnosti karet. Standard popisuje velikost, pořadí, umístění a funkčnost kontaktních oblastí karty. Standard pro bezkontaktní karty pracující na frekvenci 13,56 MHz se čtecím rozsahem do 15 cm. Standard pro bezkontaktní karty pracující na frekvenci 13,56 MHz se čtecím rozsahem od 1m do 1,5m. Standard pro použití RFID v letectví. Standard popisuje obecné parametry RFID Standard popisuje parametry pro rozhraní <135kHz. Standard popisuje parametry pro rozhraní 13,56 MHz. Standard popisujeparametry pro rozhraní 2,54 GHz. Standard popisuje parametry pro rozhraní 5,8 GHz. Standard popisuje parametry pro rozhraní 860 až 930 MHz. Standard popisuje parametry pro rozhraní 433 MHz (ve vývoji). Standard pro RFID identifikaci zvířat. Popisuje strukturu kódu v tagu. Standard pro RFID identifikaci zvířat. Popisuje přenosový protokol. 9 Aplikační oblasti RFID systémů RFID systémy lze uplatnit v mnoha odvětvích obchodu, výroby, zdravotnictví, nebo službách. V následujících odstavcích jsou popsány jedny z možných a nejčastějších aplikací RFID systémů. 9.1 EAS (Electronic Article Surveillance) systémy Elektronická ochrana zboží (EAS) proti krádeži. Tento systém používá jednoduchých RFID tagů. V podstatě mají jen dva stavy, zapnuto/vypnuto. Jsou určeny pro kontrolu zboží například při placení v supermarketech či knihovnách. Výrobky jsou označeny tagem a detekční brány, které jsou umístěny u každého východu z obchodu, odhalí neoprávněné odebrání položky (Obrázek 16). Tyto systémy nacházejí svoje využití zejména při ochraně 21

22 konfekce, prádla a dalších textilních výrobků, obuvi a kožené galanterie, potravin, alkoholických nápojů a drogerie, sportovního zboží, keramiky, skla, hraček, (Obrázek 16) apod. Pracují zpravidla na frekvenci 1,9 MHz nebo na frekvenci 8,2 MHz. Obrázek 16 EAS systém knihovny [10] Systém se skládá z: Vysílací a přijímací detekční brány jedná se o 1-anténní, 2-anténní systém či více anténní systém s integrovaným nebo externím vysílačem a přijímačem (Obrázek 17). RFID etikety jednobitové tagy, které jsou ve formě samolepících papírových etiket (knihy, spotřební zboží, elektronika, DVD) nebo pevných etiket (oděvy, obuv), (Obrázek 17). Deaktivátor samolepících etiket - slouží k deaktivaci bezpečnostní funkce samolepicích etiket. Instalují se v prostoru pokladny (Obrázek 17). 22

23 Obrázek 17 Detekční brána, deaktivátor papírových etiket, etikety [9] 9.2 Portable Data Capture systémy Vyznačují se použitím přenosných RFID čtecích zařízení, která umožňují tento systém použit v různém nastavení. V základu se jedná o mobilní čtečky nebo mobilní terminály. Přenos dat mezi těmito systémy a firemním systémem může probíhat on-line nebo dávkově, po umístění do komunikační jednotky. OFF-LINE neboli dávkové terminály slouží pro ukládání a sběr dat do vlastní paměti. Poté se přenášejí zpět z/do hostitelského systému přes různá rozhraní kde dojde ke zpracování/vyhodnocení takto pořízených dat. Typickými aplikacemi jsou sběr dat při odečítání plynoměrů/vodoměrů/elektroměrů, mobilní prodej z vozu, sledování zásilek v přepravních a kurýrních společnostech. ON-LINE v radiofrekvenčním (WiFi, Bluetooth) provedení, kde probíhá on-line komunikace přímo s aplikací běžící na řídícím serveru. Uživatel tak má na terminálu k dispozici veškeré informace v reálném čase. Typickými aplikacemi jsou řízení skladů či sledování toku výrobků ve výrobním procesu. 23

24 Mobilní terminály Pod pojmem mobilní terminál myslíme zařízení pro mobilní sběr a zpracování dat. Typický terminál je autonomní přenosné zařízení s integrovaným RFID snímačem a pamětí. Jeho napájení je obvykle zajištěno z dobíjitelných akumulátorů, funkci řídí aplikační software. Kromě toho lze z klávesnice vkládat další informace. Existují ruční přenosné terminály a terminály vhodné např. pro montáž na manipulační a vysokozdvižné vozíky. Ruční mobilní terminály - Ruční terminál (např. PDA), umožňují čtení, přenos, a zpracování dat z RFID tagu (Obrázek 18). Vkládání dat probíhá především přes dotykový displej, případně pomocí vestavěného RFID snímače či klávesnice. Obrázek 18 Ruční mobilní terminál [2] Vozíkové radiofrekvenční terminály slouží podobně jako mobilní terminály ke sběru dat. Tyto terminály jsou však fixně připevněny ke konstrukci vysokozdvižného vozíku. Vyznačují se robustní konstrukcí, velkým displejem a klávesnicí. Umožňují připojení externí RFID čtečky přes sériový port RS-232. Napájení terminálů je z palubní sítě vysokozdvižného vozíku. Při upevnění na zeď lze vozíkové terminály používat jako fixní. 24

25 Obrázek 19 Schéma propojení stacionárních terminálů k řídícímu systému Terminál pro přístupový systém (Obrázek 19) Základními stavebními prvky systému jsou elektronické RFID snímače, instalované v místech, kde je třeba monitorovat, evidovat a případně též řídit přístup osob v souladu s jejich oprávněním. Na základě načtení vnitřního kódu karty příslušným terminálem je bez ohledu na práva držitele karty vždy proveden záznam o této události do systému s potřebnými parametry (místo, čas). Poté je, na základě v systému uložených údajů, ověřováno v časových, topologických a dalších procesních souvislostech oprávnění držitele karty k povolení průchodu či vstupu do snímačem monitorované zóny. Terminál pro odvádění výroby - Tyto terminály (Obrázek 20) ve spojení s nadřízeným systémem umožňují podrobné sledování a monitorování průběhu jednotlivých výrobních operací, hlášení stavu zakázek, počtu vyrobených kusů, zmetků apod. Mohou být určeny např. pro získávání dat od obsluhy ve výrobě, ať už pro odvádění výrobních operací nebo vykonávání skladových příkazů. Např. obsluha na stacionárním terminálu zadá číslo zpracovávané zakázky a např. SAP R/3 mu přes regálový zakladač začne posílat konkrétní palety. Jejich zpracování obsluha opět potvrzuje na stacionárním terminálu. Takto je identifikován nejen pohyb materiálu a rozpracovanost zakázek, ale i produktivita jednotlivých pracovníků. Terminál pro HMI Terminál (Obrázek 20) v této verzi je určen pro ovládání různých zařízení, které vyžadují vstup lidské obsluhy (Human Machine Interface - HMI). Pomocí klávesnice nebo RFID je možno povolovat a zadávat proměnné. Vnitřní paměť 25

26 terminálu umožňuje provádět cyklické příkazy podle předem naprogramovaných sekvencí, zejména pro získávání dat od obsluhy ve výrobě, ať už pro odvádění výrobních operací nebo vykonávání skladových příkazů. Obrázek 20 Stacionární terminály pro odečet výroby a HMI [2] 9.3 Real-time Location System Názvem Real Time Location System (RTLS) jsou označovány systémy pro sledování polohy majetku, zboží, osob v reálném čase pomocí malých aktivních RFID tagů. Tato technologie je určena k určování polohy objektů hlavně uvnitř budov případně v rámci areálů. Tyto systémy typicky dosahují přesnosti v řádu jednotek metrů, některé dokonce v řádu desítek centimetrů. Využívají kombinaci bezdrátové počítačové sítě na standardu Wi-Fi a RFID technologie. RTLS se obvykle sestává z: aktivních tagů, referenčních zařízení pro lokalizaci tagů (accesspoint), datové sítě a software na serveru, a aplikačního software pro koncové uživatele. Každý RTLS systém je založen na existenci radiové bezdrátové infrastruktury, jejíž signál musí být dostupný všude tam, kde má RTLS fungovat. Aktivní RFID tag umístěný na sledovém objektu si vyměňuje informace s přístupovými body (accesspointy). Na základě odezvy a síly signálu z nejméně tří přístupových bodů je pak systém schopen stanovit polohu konkrétního RFID tagu v prostoru. Tato data o aktuální poloze, ale i o trasách pohybu tagu v čase, jsou poskytována aplikacím, které mohou využívat informací o poloze sledovaných objektů v reálném čase. Tagy mohou komunikovat v pravidelných časových intervalech, nebo když se objekt začne pohybovat, nebo když pohyb ukončí, jako reakci na stisk tlačítka nebo na popud snímače otřesů nebo tlakového spínače. Rovněž lze sledovat v reálném čase také 26

27 laptopy vybavené Wi-Fi, PDA a snímače čárových kódů a tím umožňuje provozovat v rámci podniku služby, založené na lokalizaci. Na světovém trhu je řada RTLS systémů, které můžeme rozdělit podle používané bezdrátové infrastruktury či používané frekvence Proprietální systémy vyžívající pro svou činnost speciální jednoúčelovou bezdrátovou infrastrukturu. Využívány jsou zejména frekvence 433 MHz, 860/900 MHz a 2,4 GHz. Systémy používající standardizovanou infrastrukturu: o ZigBee (2,4GHz) o UWB (Ultra Wide Band) 7,5 GHz, 3,1 10,6 GHz o WiFi ( b/g/n (2,4GHz) Nevýhody systémů, využívajících jednoúčelovou proprietální bezdrátovou infrastrukturu, vyplývají právě z té jednoúčelovosti. Je nutno vybudovat, zaplatit a v budoucnu udržovat infrastrukturu, která slouží pouze jediné aplikaci RTLS. Výhodou RTLS systémů založených na standardní bezdrátové infrastruktuře, zejména WiFi, je univerzálnost infrastruktury. WiFi síť je univerzální, je na ní možno provozovat množství aplikací, je levná a skýtá bezpečnost na potřebné úrovni. Pro stanovení polohy sledovaného objektu existuje poměrně hodně metod. Mnoho metod využívá závislosti vzdálenosti na času potřebném k překonání vzdálenosti mezi přijímačem/vysílačem, např. ToA (Time of Arrival). Nevýhodou této metody je nutnost synchronizace času na přijímači a vysílači, což má dramatický vliv na přesnost. Tuto nevýhodu odstraňuje metoda TDoA (Time Difrerece of Arrival), kdy se vychází nikoli z absolutních hodnot času, ale z rozdílů mezi sousedními vysílači. Tato metoda je používána v GPS. Metody pracující s časem jsou obecně vhodné pro venkovní prostory s minimem odrazů a s přímou viditelností z vysílače na přijímač. Další metodou je RSSI (Received Signal Strength Indication). Metoda vychází z měření síly signálu radiově viditelných přístupových bodů. Využívá se závislost síly signálu na vzdálenosti od vysílače. Tato metoda je vhodná pro systémy pracující uvnitř budov. Pro příklad uvádím systém pro určování polohy používající standardizovanou Wi-Fi infrastrukturu (Obrázek 21). 27

28 Obrázek 21 Schéma systému pro určování polohy [2] Tento systém může být využit například pro sledování zaměstnanců a návštěv ve firmách, pacientů v nemocnicích, vysokozdvižných vozíků v halách, nákupních vozíků atd. (Obrázek 22). Obrázek 22 Vizualizace personálu v 3D modelu hotelu [17] 28

29 10 Závěr Jak bylo řečeno v úvodu, technologie RFID není nová. Používá se již několik desetiletí v průmyslu a vojenství, přičemž její účinnost a spolehlivost je dobře zdokumentována. Přesto se technologie RFID stále rychle mění. Každý pokus o charakterizování jejích možností i vlastností RFID tagů bude rychle zastaralý. To je především s ohledem na vývoj celosvětových standardů. RFID systém lze úspěšně nasadit v mnoha odvětvích a oblastech, kde je kladen důraz na přesné a rychlé zpracování informací a jejich okamžitý převod k následnému zpracování. V blízké budoucnosti se počítá s prudkým rozvojem RFID a vývojem v mnoha nových aplikacích zejména v logistice a dodavatelských trzích. Vývoj je směrován k vzniku takových systémů, které by odstranily omezení vlivu kovu a vody na přenos informací a samotné RFID systémy. S postupujícím rozšířením této technologie dochází ke snižování cen RFID tagů, standardizaci bezpečnostních řešení a sjednocování legislativy a to napomáhá vývoji a nasazení RFID technologií do nových aplikačních oblastí. 29

30 11 Seznam použité literatury [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] G. ROUSSOS: Networked RFID Systems, Software and Services; 2008; Springer-Verlag London Limited; ISBN [19] V. D. HUNT; A. PUGLIA; M. PUGLIA: RFID - A guide to radio frequency identification; 2007; WILEY-INTERSCIENCE John Wiley & Sons, Inc., New Jersey 30

31 12 Seznam obrázků Obrázek 1 Princip činnosti pasivního RFID [10]... 6 Obrázek 2 Komunikace mezi pasivním tagem a RFID čtečkou... 6 Obrázek 3 Komunikace mezi aktivním tagem a RFID transceiverem... 7 Obrázek 4 Vyobrazení elektromagnetické vlny... 8 Obrázek 5 Kmitočtová pásma pro UHF RFID systémy ve světě [6]... 9 Obrázek 6 Interakce systémů RFID se vzorovými materiály Obrázek 7 RFID tag Obrázek 8 Ukázka antén RFID tagů [17] Obrázek 9 Tagy v provedení mince a klíčenky [7] Obrázek 10 Smart Label [6] Obrázek 11 PCB tag [13] zapuštěné do přepravky Obrázek 12 Skleněný tag [8] Obrázek 13 Stacionární RFID čtečka [14] Obrázek 14 Znázornění využití průmyslových stacionárních RFID čteček [2] Obrázek 15 Ruční RFID čtečka [2][15] Tabulka 1 Platné standardy pro radiofrekvenční identifikaci [16] Obrázek 16 EAS systém knihovny [10] Obrázek 17 Detekční brána, deaktivátor papírových etiket, etikety [9] Obrázek 18 Ruční mobilní terminál [2] Obrázek 19 Schéma propojení stacionárních terminálů k řídícímu systému Obrázek 20 Stacionární terminály pro odečet výroby a HMI [2] Obrázek 21 Schéma systému pro určování polohy [2] Obrázek 22 Vizualizace personálu v 3D modelu hotelu [17]

32 13 Seznam zkratek RFID LF HF UHF MW RFID RO RW PCB HMI RTLS UWB ToA TDoA RSSI Hi-Fi Radio Frequency Identification Low Frequency Hight Frequency Ultra Hight Frequency Micro Wave Radio Frequence Identification Read Only Read/Write Printed circuit board Human Machine Interface Real Time Locating Systém Ultra Wide Band Time of Arrival Time Difrerece of Arrival Received Signal Strength Indication High fidelity - Wireless fidelity 32