ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická katedra radioelektroniky RFID - Radio Frequency IDentification Semestrální práce z předmětu Mobilní komunikace Martin Randus 12. 3. 2006
Základní informace o RFID Zkratka RFID označuje radiofrekvenční identifikaci (Radio Frequency Identification). Nejedná se o žádnou novinku. Už před více než šedesáti lety, během 2. světové války, prováděli spojenci identifikaci letadel přátelská / nepřátelská pomocí vysílání tzv. RF Squawks. Dnes se s RFID setkáváme denně, nejčastěji v podobě identifikačních karet, označení zboží, knih, domácích zvířat apod. RFID tagy (tag = přívěsek ) dnes často nahrazují čárkové kódy. Jejich největší výhodou proti čárkovým kódům je to, že čtení tagu není nutné provádět na přímou viditelnost. Cena RFID tagu je ale výrazně vyšší než cena čárkového kódu, proto nehrozí úplné nahrazení čárkových kódů RFID tagy, zejména pokud se jedná např. levnější zboží. Systém RFID obsahuje tři základní prvky - RFID tagy, čtecí zařízení (RFID Reader) a databázi (obr. 1). Pokud je RFID tag v blízkosti čtecího zařízení, mohou být z tagu přečtena data, především identifikační číslo EPC (Electronic Product Code), ke kterému jsou pak z databáze přiřazeny informace o konkrétním objektu. Obrázek 1: Struktura RFID systému RFID tag se skládá z integrovaného obvodu v podobě čipu o rozměrech přibližně 0,5 x 0,5 mm a antény (obr. 2). RFID tagy mohou být aktivní nebo pasivní. Aktivní tagy obsahují vysílač a pro napájení svých obvodů potřebují baterii. Pasivní tagy vysílač neobsahují, pouze odrážejí dopadající vlnu. Tyto tagy pro svou činnost nepotřebují napájecí baterii. Energii pro napájení svých obvodů získávají z energie elektromagnetického pole, které vysílá čtecí zařízení. Obrázek 2: Příklady provedení RFID tagů - [6], [7], [2] 1
Každý RFID tag nese informaci - identifikační číslo EPC. Kromě toho ale může RFID tag nést i další informace. Velikost paměti může být až několik kb. Existuje několik druhů čipů na RFID tagu: Read Only - data jsou naprogramována již při výrobě, nejčastěji obsahují pouze EPC Read-Write - pokud je tag v dosahu čtecího zařízení, mohou být další informace na tag přidávány nebo staré informace přepisovány Write Once-Read Many (WROM) - informace na ně může být jednou zapsána a pak se stávají Read Only EPC (Electronic Product Code) EPC je identifikační číslo RFID tagu. Toto číslo jednoznačně určuje konkrétní tag, resp. objekt, na kterém je RFID tag umístěn. Toto číslo má hierarchickou strukturu (obr. 3). Obrázek 3: Struktura identifikačního čísla - EPC Class 1 (96 bit) Tag Jednotlivé části EPC (podle obr. 3) mají následující význam: Header - hlavička - identifikace verze EPC - kapacita 256 kombinací EPC Manager - identifikace výrobce - kapacita 268 mil. kombinací Object Class - jednoznačná identfikace druhu položky - kapacita 16 mil. kombinací Serial Number - sériové číslo - jednoznačná identifikace konkrétního objektu (konkrétního kusu, osoby) - kapacita 68 bil. kombinací RFID tag Blokové schéma pasivního RFID tagu je zjednodušeně uvedeno na obr. 4. Činnost zařízení je následující - čtecí zařízení vyšle modulovaný signál, tzv. wake-up signál, který tag přijme, demoduluje pomocí diodového detektoru a přijatá data pošle do číslicových obvodů na čipu v tagu. Čtecí zařízení přestane vysílat modulovaný signál a začne vysílat nemodulovanou nosnou vlnu (CW = Continuous Wave). Tag podle uložených 2
Obrázek 4: Blokové schéma pasivního RFID tagu dat (EPC, příp. i další data) přepíná zátěž antény tagu mezi impedančně přizpůsobeným stavem, kdy je maximum energie pohlcováno v tagu, a nepřizpůsobeným stavem, kdy anténa tagu dopadající vlnu nejvíce odráží. Tímto způsobem tag mění svou efektivní odraznou plochu a moduluje odrážený signál (backscatter). Tento slabý odražený signál je přijat čtecím zařízením, kde jsou z něj demodulována data z tagu. Je také možná činnost RFID tagu bez tzv. wake-up signálu, kdy čtecí zařízení stále vysílá nemodulovanou vlnu a ve chvíli, kdy je u něj tag tak blízko, že má potřebnou energii pro činnost svých obvodů, začne výše popsaným způsobem vysílat svá data. Datové rychlosti se většinou pohybují od 100 bit/s do 10 kbit/s. Kromě výše popsaného způsobu modulace, který odpovídá ASK modulaci, je možné realizovat i PSK (příp. i FSK) modulaci odráženého signálu. Čtecí zařízení (RFID Reader) Blokové schéma čtecího zařízení pro UHF pásmo je uvedeno na obr. 5. Princip činnosti je popsán v předchozí části. RFID systémy využívající frekvence v nižších kmitočtových pásmech (LF, HF) mají obecně kratší dosah. Je to způsobeno tím, že se nevyužívá šíření vlny, ale induktivní vazby mezi tagem a čtecím zařízením. Princip je tedy bližší transformátoru. Anténa tagu tvoří cívku, kterou musí procházet indukční tok z čtecího zařízení. Proto musí být tag relativně blízko u čtecího zařízení. Systémy pracující v UHF pásmu naproti tomu využívají šíření elektromagnetické vlny. Tím je také dána větší maximální vzdálenost tagu od čtecího zařízení. V obou směrech přenosu je použita stejná frekvence, a proto je ve čtecím zařízení jediný oscilátor, sloužící k vysílání i k příjmu odráženého signálu. Čtecí zařízení využívá jednu anténu pro vysílání a jinou anténu pro příjem, nebo používá 3
Obrázek 5: Blokové schéma zařízení pro čtení RFID tagu jedinou anténu pro vysílání i příjem. Oba směry jsou pak odděleny např. feritovým cirkulátorem, jak je to naznačeno na obr. 5. Na výstupu vysílací části je detektor pro regulaci vysílaného výkonu a na vstupu přijímací části je nízkošumový zesilovač (LNA = Low Noise Amplifier). Používaná kmitočtová pásma Služby RFID zpravidla využívají frekvence 125/134 khz; 13,56 MHz; 860-960 MHz; 2,45 GHz a 5,8 GHz. Frekvence 125/134 khz a 13,56 MHz se používají celosvětově. V pásmu UHF nejsou frekvence jednotné. V Evropě se používá frekvence 868 MHz, v USA 915 MHz. Volba frekvence závisí na způsobu použití RFID. Při nižší frekvenci je obecně menší dosah čtecího zařízení (do 0,3 m v LF pásmu a do 1 m v HF pásmu). Nižší frekvence ale lépe pronikají nekovovými materiály (zdi, voda, apod.) a tato zařízení mají také menší spotřebu. V případě aktivních RFID tagů může být čtecí vzdálenost i 100 m. Standardizace RFID Určování frekvencí a výkonových úrovní provádí v Evropě ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Standardy pro komunikační protokoly mezi čtecím zařízením a tagem vytvářejí organizace ISO (International Standards Organisation) a EPCglobal. EPCglobal je konsorcium různých společností zabývajících se RFID (mimo jiné i Hewlett-Packard). EPCglobal je částí GS1, která spravuje UCC-EAN systém standardizovaných čárkových kódů. 4
Reference [1] EPCglobal - www.epcglobalinc.org [2] RFID Centre - www.rfidc.com [3] RFID Journal - www.rfidjournal.com - The Basics of RFID Technology [4] Zapped! - www.zapped-it.net [5] Alpha Card Systems - www.alphacard.com [6] www.ib-com.ch [7] www.uk.farnell.com [8] Hewlett-Packard - RFID in the Supply Chain, Hewlett-Packard Development Company, 2004 [9] Agilent - Designing Detectors for RF/ID Tags, Agilent Technologies Inc., 1999 [10] Agilent - Semiconductor Wireless Applications and Selection Guides, Agilent Technologies Inc., 2005 5