Что такое RFID-система?

RFID-система - это составляющий единое целое набор компонентов, реализующий какое-либо RFID-решение.

RFID-система состоит из следующих компонентов:

  • Метки (обязательный компонент любой RFID-системы).
  • Ридер (также обязательный компонент).
    • Антенны ридера (еще один обязательный компонент). Некоторые ридеры, выпускаемые в настоящее время, имеют встроенную антенну.
    • Контроллер (обязательный компонент, встраивается в большинство ридеров нового поколения).
    • Датчика, исполнительного и оповещающего устройства. Эти дополнительные устройства используются для ввода и вывода внешних сигналов.
    • Системы хост-компьютера и программного обеспечения (ПО). Теоретически RFID-система может функционировать независимо от данного компонента. На практике, без него RFID-система становится почти бесполезной.
    • Коммуникационная инфраструктура. Этот обязательный компонент объединяет в себе как проводную, так и беспроводную сеть и инфраструктуру последовательных соединений, которые нужны для взаимной связи ранее перечисленных компонентов и эффективного информационного обмена между собой.

Метки

Метка (tag) RFID - это устройство, способное хранить данные и передавать их ридеру бесконтактным способом с помощью радиоволн.

Классификация RFID-меток

по наличию в метке встроенного источника питания и/или возможности поддержки специализированных задач:

  • Пассивные.
  • Активные.
  • Полуактивные (также называемые полупассивными).

Пассивные метки

RFID-метка этого типа не содержит встроенного источника питания (например, батарею) и вместо этого для своего питания и передачи данных ридеру использует энер­гию, излучаемую ридером. Пассивная метка конструктивно проста и не содержит движущихся частей. В результате такая метка имеет большой срок службы и в общем случае хорошо выдерживает жесткие условия окружающей среды. Например, некоторые пассивные метки могут сопротивляться таким коррозионным химическим веществам, как кислоты, и нагреву свыше 200 °C.

При обмене информацией в направлении от метки к ридеру первым инициирует связь ридер, а затем обмен осуществляет метка. Для передачи данных такими метками обязательно наличие ридера.

Пассивная метка, как правило, меньше активной или полуактивной метки. Значение расстояния считывания у нее может быть самым различным - от нескольких сантиметров до 10 метров.

Стоимость пассивной метки также в общем случае меньше, чем у активной или полуактивной метки.

Бесконтактная смарт-карта является особым типом пассивной RFID-метки и используется сегодня в различных областях (например, в качестве жетонов-удостоверений в системах безопасности и карточек покупателей в системах розничной торговли). Данные, хранящиеся на такой карте, считываются в непосредственной близости от ридера. Для считывания не нужно, чтобы карта была в физическом контакте с ридером.

Пассивная метка состоит из следующих основных компонентов:

  • микрочип
  • антенна
Микрочип

Устройство управления питанием преобразует напряжение переменного тока, получаемое от сигнала с антенны ридера, в питающее напряжение постоянного тока. Это устройство подает питание на остальные компоненты микрочипа. Выделитель тактовой частоты извлекает тактовый сигнал из сигнала, получаемого от антенны ридера. Модулятор модулирует получаемый от ридера сигнал. В модуАнлированный сигнал вводится ответ метки, и этот сигнал затем передается обратно ридеру. Логическая схема отвечает за реализацию протокола информационного обмена между меткой и ридером. Для хранения данных используется память микрочипа.

В общем случае память разбита на сегменты (т. е. состоит из нескольких блоков или полей). Адресуемость означает способность обратиться (т. е. прочитать или записать информацию) к отдельным участкам памяти микрочипа. Блок памяти метки может содержать данные различных типов, например порцию идентификационных данных отмеченного объекта, разряды контрольной суммы (например, циклический избы­точный код - CRC) для проверки точности передаваемых данных и т. д. Последние технические достижения позволяют сделать микрочипы размером с песчинку. Но физические размеры метки определяются не величиной микрочипа, а расположением и размером ее антенны.

Антенна метки

Антенна метки используется для извлечения энергии, питающей метку, из сигнала ридера и приема-передачи данных между меткой и ридером. Эта антенна физически прикреплена к микрочипу. Центральным для работы метки параметром является геометрия антенны. Возможны бесчисленные конструкции антенн, особенно для УВЧ-диапазона, и их проектирование является настолько же искусством, как и наукой. Длина антенны прямо пропорциональна рабочей длине волны метки. Дипольная антенна состоит из прямолинейного отрезка проводника (например, из меди) с разрывом посередине. Общая длина дипольной антенны, оптимально передающей энергию сигнала, получаемого с антенны ридера, равна половине длины волны используемой частоты. Двойная дипольная антенна состоит из двух диполей и значительно уменьшает чувствительность метки к ориентации. В результате этого ридер может читать такую метку под различными углами. Петлевой диполь состоит из двух и более параллельно соединенных прямолинейных проводников, каждый длиной в половину волны (ис­пользуемой частоты). Если он содержит два проводника, то получается 2- проводной петлевой диполь; 3- проводной петлевой диполь состоит из трех параллельно соединенных проводников.

Размеры антенны метки значительно превышает размеры микрочипа метки и, следовательно, является главным параметром, определяющим физические характеристики метки. На выбор конструкции антенны оказывают влияние следующие факторы:

  • расстояние считывания между меткой и ридером;
  • известная ориентация метки относительно ридера;
  • произвольная ориентация метки относительно ридера;
  • размер и материал маркируемой продукции;
  • скорость движения маркируемого объекта;
  • особые условия работы (окружающей среды);
  • поляризация антенны ридера.

Точки соединения микрочипа метки и ее антенны являются самыми слабыми места­ми метки. Если повреждается любая из этих точек соединения, то метка перестает работать или значительно ухудшает свои рабочие характеристики. Антенна, предназначенная для конкретной задачи (например, отметка упаковочного ящика), может плохо выполнять другую задачу (например, отметка отдельного предмета в ящике). Произвольное изменение геометрии антенны, как правило, приводит к плохим результатам, так как метка теряет настройку и оптимальные рабочие характеристики.

В настоящее время большинство антенн меток изготовляется из тонкой металлической полоски (например, медной, серебряной или алюминиевой). Однако в будущем, возможно, антенны будут печатать непосредственно на поверхности метки или на упаковочной таре токопроводящими чернилами, содержащими медь, углерод или никель.

Также предпринимаются попытки определить возможность печатания микрочипа с помощью подобных чернил. Такие усовершенствования в будущем могут позволить вам печатать RFID-метку, как это делается со штрих кодом на ящике или упаковке отдельных предметов. В результате этого стоимость RFID-метки может стать значительно ниже намеченных 5 центов США за метку.

Даже в отсутствие возможности печатать микрочип наносимая печатным способом антенна может присоединяться к микрочипу для получения полной RFID-метки значительно быстрее, чем металлическая антенна.

Активные метки

В активных RFID-метках имеется внутренний источник питания (например - химичес­кая батарея, но возможны и другие источники - такие, как солнечная батарея) и элек­троника для выполнения специализированных задач. В активной метке используется свой внутренний источник питания для передачи данных метки ридеру. Для передачи данных не требуется излучаемой ридером энергии. Встроенная электроника может со­держать микропроцессоры, датчики и порты ввода-вывода, получающие питание от внутреннего источника. Поэтому, например, такие компоненты могут измерять тем­пературу окружающей среды и вырабатывать информацию о средней температуре. Эти компоненты затем могут использовать полученную информацию для определения других параметров - скажем, срока годности товара, на котором они находятся. Затем метка может передавать эту информацию ридеру (вместе со своим уникальным идентификатором). Активную метку можно представить себе как компьютер с бес­проводной связью, обладающий дополнительными свойствами (характерными, на­пример, для датчика или набора датчиков).

В обмене информацией от метки к ридеру при таком типе метки связь всегда иници­ируется меткой с последующим участием ридера. Так как для передачи данных при­сутствие ридера не является обязательным, то активная метка может транслировать данные в окружающую среду даже при отсутствии ридера. Активная метка такого ти­па, непрерывно передающая данные при наличии ридера и при его отсутствии, также называется передатчиком, В другом типе активной метки предусмотрен переход в спя­щее состояние, или состояние малой мощности, если нет запроса от ридера. Ридер вы­водит такую метку из спящего состояния, посылая соответствующую команду. Такое состояние экономит энергию батареи, и поэтому метка такого типа, как правило, име­ет более продолжительный срок службы по сравнению с активной меткой-передатчи­ком. Кроме того, так как метка ведет передачу только при запросе, то уровень радио­частотных помех в окружающей ее среде снижается. Этот тип активной метки назы­вается передатчиком-приемником (или приемопередатчиком).

Расстояние считывания активной метки может составлять 30 метров и более при использовании активного передатчика такой метки.

Активная метка состоит из следующих компонентов:

  • Микрочипа. Размеры и функциональные возможности микропроцессора обычно превышают подобные параметры микрочипов пассивных меток.
  • Антенны. Она может иметь вид радиочастотного модуля, который может передавать сигналы метки и принимать в ответ сигналы ридера. В полуактивной метке она состоит из тонкой полоски (полосок) металла (например, меди) и подобна антенне пассивной метки.
  • Внутреннего источника питания
  • Внутренней электроники.

Полуактивные (полупассивные) метки

В полуактивных метках имеется внутренний источник питания (например, батарея) и электроника для выполнения специализированных задач.

Внутренний источник питания дает энергию для работы метки. Однако для передачи своих данных полуактивная метка использует энергию, излучаемую ридером. Полуактивная метка также называется меткой со вспомогательной батареей. Обмен информацией между ридером и меткой такого типа всегда инициирует ридер, а затем начинает работу метка.

Зачем использовать полуактивную метку вместо пассивной?

Так как полуактивная метка в отличие от пассивной не использует сигнал ридера для своего возбуждения, то она может считываться с большего расстояния по сравнению с пассивной меткой.

Так как для подачи питания на полуактивную метку не требуется времени, то такая метка может находиться в зоне считывания значительно меньше времени для надежного считывания (в отличие от пассивной метки).

Следовательно, при использовании метки полуактивного типа, даже если отмеченный объект движется с высокой скоростью, данные его метки могут быть прочитаны.

И наконец, полуактивная метка может обеспечить лучшую читаемость при маркировке радионепрозрачных и радиопоглощающих материалов.

Наличие таких материалов может помешать надлежащему возбуждению пассивной метки и приводить к отказу при передаче ее данных. Однако это не представляет проблем для полуактивной метки.

Расстояние чтения полуактивной метки может достигать 30 метров, при идеальных условиях с использованием схемы модулированного обратного рассеяния (в УВЧ или микроволновом диапазоне).

Классификация меток по способности поддерживать перезапись данных:

  • Только с чтением (read-only - RO).
  • С однократной записью и многократным чтением (write once read many - WORM).
  • С многократной перезаписью (read-write - RW).
  • Метки SAW-типа.

Как активные, так и пассивные метки могут быть RO, WORM и RW-типа.

Метки RO-типа

Метка RO-типа может быть запрограммирована (т. е. записана) только один раз в сво­ем жизненном цикле.

Данные заносятся в метку постоянным образом в заводских условиях только на этапе ее изготовления. Для этого в микрочип метки с помощью тонкого лазерного луча пережигаются отдельные плавкие перемычки. После того как это сделано, данные нельзя будет перезаписать в течение всего срока службы метки.

Метки такого типа также называются метками с заводским программированием. Из­готовитель метки вводит в метку данные, и пользователь метки, как правило, не может оказывать на них никакого влияния.

Такие метки хорошо подходят для ограниченного использования, но от них мало пользы на больших предприятиях или в условиях, когда данные необходимо приспосабливать к конкретной области применения.

Такой тип метки используется сегодня в небольших проектах и на малых предприятиях.

Метки WORM-типа

Метка WORM-типа может быть запрограммирована (записана) однократно, и это де­лается обычно не изготовителем, а пользователем метки в то время, когда необходимо создать метку.

Тем не менее, на практике для исправления ошибок при такой записи допускается возможность перезаписи некоторых типов WORM-меток (нередко встречается возможность перезаписи до 100 раз!). Если данные для такой метки перезаписываются более разрешенного количества раз, то метка может получить необратимое пов­реждение.

Метка WORM-типа также называется меткой с эксплуатационным програм­мированием.

Метки RW-типа

Метка RW-типа может быть перепрограммирована (перезаписана) большое количество раз. Обычно это число варьируется от 10 000 до 100 000 раз и более! Такая способность перезаписи дает огромное преимущество, так как данные могут перезаписываться либо ридерами, либо самой меткой (в случае активной метки).

В метке RW-типа обычно содержится устройство памяти Flash или EEPROM-типа.

RW-метка также называется меткой с эксплуатационным программированием или перепрограммируемой меткой.

Для меток этого типа возможно решение задачи - обеспечение безопасности хранения информации.

Такая метка обеспечивает хорошее соотношение цены и рабочих характеристик, при­емлемую безопасность данных и является наиболее распространенным типом метки.

Метки SAW-типа

Метки SAW-типа, работающие на принципе поверхностной акустической волны (surface acoustic wave - SAW).

Метка SAW-типа в корне отличается от меток на основе микрочипов. SAW-метки уже стали появляться на рынке и могут широко использоваться в будущем. В настоящее время устройства SAW широко применяются в сотовых телефонах, цветных телеви­зорах и т. д.

Для работы меток SAW-типа используются радиоволны малой мощности в частотном диапазоне 2,45 ГГц.

В отличие от меток с микрочипами SAW-метке не нужен источник постоянного тока для ее питания при передаче данных.

SAW-метка состоит из дипольной антенны, присоединенной к встречно-штыревому преобразователю (interdigital transducer - IDT), расположенному на пьезоэлектрической подложке из ниобата лития или танталата лития. На подложке в точно рассчитанных местах расположены отдельные электроды, действующие как рефлекторы, изготовленные из алюминия или вытравленные на подложке. Антенна после приема радиочастотного сигнала от SAW-ридера подает электрический импульс на IDT. Этот импульс генерирует поверхностные волны, также называемые волнами Рэлея, и эти волны обычно проходят по подложке со скоростью от 3000 до 4000 м/с. Часть этих волн отражается рефлекторами обратно в IDT, а остальная часть поглощается подложкой. Отраженные волны образуют уникальную структуру, определяемую позициями рефлекторов и представляющую собой данные метки. Эти волны преобразуются в IDT обратно в радиосигнал и передаются через антенну метки назад RFID-ридеру. Затем ридер декодирует принятый сигнал и извлекает данные метки.

SAW-метка имеет следующие преимущества:

  • Очень малое потребление энергии, так как ей не нужен источник постоянного тока для своего питания.
  • С ее помощью можно с хорошими результатами отмечать радионепрозрачные и радиопоглощающие материалы, например, металл и воду соответственно.
  • Большее расстояние чтения, чем у метки с микрочипом, работающей в том же частотном диапазоне (т. е. 2,45 ГГц).
  • Может работать с более короткими пачками радиосигналов в отличие от меток на микрочипах, требующих более продолжительного сигнала от ридера к метке.
  • Высокие степени точности чтения.
  • Большая прочность вследствие простоты конструкции.
  • Не требует применения антиколлизионных протоколов.
  • Антиколлизионные протоколы необходимо реализовывать только на уровне ридера в отличие от меток с микрочипами, для которых такие протоколы нужны как на уровне ридера, так и на уровне метки (это снижает стоимость SAW-метки).
  • SAW-ридеры менее подвержены влиянию помех от других SAW-ридеров.

SAW-метки могут, скорее всего, оказаться единственным вариантом в определенных ситуациях нанесения меток, и вероятно получат широкое распространение в будущем.

Считыватели (Ридеры)

RFID-ридер, называемый также устройством опроса, является прибором, способным читать данные из совместимой с ним RFID-метки и записывать в нее данные.

Таким образом, читающее устройство-ридер является также и записывающим устройством.

Действие по записи данных метки ридером называется созданием метки.

Процесс создания метки и уникального связывания ее с объектом называется вводом метки в эксплуатацию.

Таким же образом вывод метки из эксплуатации означает аннулирование связи метки с отмечаемым объектом и, как вариант, ее уничтожение.

Время, в течение которого ридер может излучать радиочастотную энергию для считывания метки, называется рабочим циклом ридера.

Значения рабочих циклов ридеров ограничиваются международными нормативами.

Ридер представляет собой «центральную нервную систему» всей аппаратной части RFID-среды.

Установление связи с ридером и управление им является наиболее важной задачей любого объекта, которому необходимо взаимодействовать с этим аппаратным компонентом.

Ридер состоит из следующих основных частей:

  • передатчика,
  • приемника,
  • микропроцессора,
  • памяти,
  • каналов ввода-вывода для внешних датчиков, исполнительных и оповещающих устройств (хотя, строго говоря, эти компоненты и являются необязательными, но они почти всегда присутствуют в серийно выпускаемых ридерах),
  • контроллера (который может быть выполнен в виде внешнего компонента),
  • интерфейса связи,
  • источника питания.

Разновидность стационарного ридера, называемая RFID-принтером, может печатать штрихкод и создавать (т. е. записывать) RFTD-метку на интеллектуальном ярлыке за одну операцию.

Интеллектуальный ярлык состоит из ярлыка со штрихкодом, в кото­рый встроена RFID-метка.

На таком ярлыке можно также печатать различную информацию - например, адреса отправителя и получателя, сведения о продукте и текст в свободной форме.

RFID-принтер читает только что записанную метку интеллектуального ярлыка, чтобы подтвердить операцию записи. Если такая проверка не проходит, то принтер забраковывает только что напечатанный интеллектуальный ярлык.

Такое устройство устраняет необходимость отдельного создания RFID-метки там, где в настоящее время уже используются штрихкоды (что может снизить дополнительные накладные расходы на логистику).

Компании, использующие сегодня штрихкоды в своих операциях, могут применять RFID-принтеры как первый шаг при переходе к RFID-технологии.

Информация штрихкода обеспечивает идентификацию отмеченного объекта с помощью визуального считывания. Также в существующих системах и операциях могут по-прежнему использоваться те же самые данные штрихкода с некоторыми изменениями или без них. В поле для заметок на таком ярлыке можно приводить идентификатор встроенной метки в удобочитаемом виде.

RFID-метка может обеспечивать возможности Auto-ID-идентификации объектного уровня и другие свя­занные с этим преимущества.

Антенна считывателя

Ридер осуществляет связь с меткой через антенну - отдельное устройство, физически присоединенное к одному из антенных портов ридера с помощью кабеля.

Длина этого кабеля обычно находится в пределах от 1 до 8 метров. (Тем не менее, эти пределы могут варьироваться.) Как уже упоминалось, один ридер может поддержи­вать до восьми антенн (т. е. иметь восемь физических антенных портов).

Антенна ридера также называется элементом связи, потому что она создает электромагнитное поле для связи с меткой. Антенна транслирует радиосигнал передатчика в окружающую среду и принимает ответные сигналы метки как компонент ридера. Следовательно, правильное расположение этих антенн, а не самого считывателя является более существенным для высокой точности чтения (хотя ридер и должен располагаться где-то поблизости от антенны из-за ограничений длины антенного кабеля).

Кроме того, некоторые стационарные ридеры могут иметь встроенные антенны. В результате для данного случая располо­жение самого ридера равносильно расположению антенн.


Вы здесь: Главная