RFID i znakowanie. Część 1

RFID to technika znakowania, w której informacje jednoznacznie identyfikujące przedmiot są odczytywane oraz zapisywane za pośrednictwem fal radiowych. Dane te są przechowywane w znacznikach (tagach), które są przymocowywane do przedmiotu. Do komunikacji z nimi służy czytnik.

Jak są zbudowane znaczniki?

Tagi RFID są zbudowane z trzech komponentów: układu elektronicznego, anteny oraz podłoża. Pierwszy odpowiada za przetwarzanie danych, na przykład modulację i demodulację sygnału oraz kodowanie i dekodowanie informacji. Antena jest największym elementem znaczników.

Jej konstrukcja zależy od częstotliwości pracy tagu. Podłoże odpowiada za to, że komponenty znacznika tworzą całość, na nim bowiem osadzane są antena i układ elektroniczny. Materiał, z którego wykonywany jest podkład, ma wpływ na częstotliwość pracy anteny. Jest to uwzględniane w jej projekcie.

Podłoże powinno być odporne na warunki, w jakich tagi będą użytkowane (temperaturę, wibracje, chemikalia, światło słoneczne, korozję). Wykonuje się je z różnych materiałów, elastycznych i sztywnych, o różnej grubości, na przykład PCV, PET, a nawet z papieru. Dolną powierzchnię podkładu pokrywa się klejem umożliwiającym przymocowanie do znakowanego przedmiotu.

Czasem podłoże bez warstwy lepiku, tylko z zamontowaną anteną i układem elektronicznym, ma postać wkładki, którą umieszcza się w osłonie tworzącej elastyczną etykietę albo w sztywnej obudowie, wówczas gdy wymagane jest trwalsze mocowanie niż klejenie, na przykład przez przykręcenie.

Klasyfikacja znaczników

Dostępne są znaczniki RFID różnych typów. Podstawowy sposób ich klasyfikacji to podział ze względu na sposób zasilania. Jest ono potrzebne do przetworzenia sygnałów odebranych z czytnika, a następnie przesłania do niego odpowiedzi. W zależności od tego, czy źródło zasilania jest lokalne, czy nie, tagi dzieli się na: pasywne, półpasywne oraz aktywne.

Drugim kryterium jest częstotliwość pracy. Wyróżnia się znaczniki, które działają w zakresie niskich częstotliwości (low frequency, LF), wysokich częstotliwości (high frequency, HF), w paśmie UHF i na częstotliwościach mikrofalowych. Znaczniki aktywne i półpasywne zwykle pracują w paśmie UHF, natomiast znaczniki pasywne poza nim również w LF oraz HF.

Obie cechy tagów mają wpływ na ich ważny parametr, jakim jest zasięg, zależy on bowiem od trzech czynników: częstotliwości sygnału radiowego, mocy nadajnika anteny i wielkości anteny znacznika. Na zasięg wpływają również warunki otoczenia.

Jak są zasilane znaczniki pasywne?

Znaczniki pasywne nie mają własnego zasilania, zaś potrzebną energię czerpią z fal radiowych wytarzanych przez czytnik. W przypadku tagów pracujących w zakresie niskich oraz wysokich częstotliwości (LF, HF) w tym celu wykorzystuje się sprzężenie indukcyjne, natomiast w paśmie jeszcze wyższych częstotliwości (UHF, mikrofale) dominującą rolę zaczynają odgrywać zjawiska zachodzące w polu dalekim.

Sposób zasilania ma wpływ na cechy znaczników pasywnych, na przykład mały zasięg, który nie przekracza kilkudziesięciu centymetrów. W pewnych zastosowaniach jest to zaletą, na przykład gdy nie jest pożądane, aby każdy anonimowo z dużej odległości mógł odczytać dane zapisane w tagu, zaś w innych wadą.

Przykład to sytuacja, w której pracownik, żeby odczytać identyfikator, musi do każdej z palet podjechać bardzo blisko, co, jeśli jest ich bardzo dużo, znacząco wydłuża czas realizacji tego zadania.

Zalety i wady tagów pasywnych

Ponadto przez to, że ilość energii pozyskiwana z czytnika nie jest zbyt duża, także funkcjonalność znaczników tego rodzaju jest ograniczona - nie inicjują łączności z czytnikiem i nie wyposaża się ich w dodatkowe elementy, jak sensory, które wymagają ciągłego zasilania.

Z drugiej strony można je wykonać jako małe oraz lekkie. Ułatwia to ich mocowanie na przykład przez wbudowanie w obiekt znakowania. Brak konieczności wymiany baterii sprawia, że czas ich bezobsługowego użytkowania może przekroczyć nawet kilkadziesiąt lat.

Oprócz tego tagi pasywne są odporniejsze na trudne warunki otoczenia, a ich koszt w porównaniu z półpasywnymi i aktywnymi jest mniejszy. Dzięki temu opłacalne jest ich jednorazowe użycie, na przykład do znakowania opakowań zbiorczych, które po wypakowaniu z nich zawartości są, bez usuwania znaczników, wyrzucane.

Case study 1: RFID w inspekcji odzieży ochronnej

Pewne brytyjskie przedsiębiorstwo produkujące odzież ochronną dla policji, straży pożarnej, kolei, energetyki, wojska oraz innych zastosowań, w których pracownikom trzeba zapewnić wierzchnią ochronę przed czynnikami zagrażającymi ich zdrowiu, rozszerzyło ofertę o usługi dodatkowe, zobowiązując się w ramach posprzedażowej obsługi do prania i okresowej kontroli stanu zakupionych ubrań.

Inspekcja jest konieczna, gdyż przez niezauważone uszkodzenia odzież ochronna może nie zapewniać użytkownikom wymaganego normami poziomu bezpieczeństwa. Aby usprawnić to zadanie, wdrożono system oparty na znacznikach RFID (działa też z kodami kreskowymi). Tagi umieszcza się na ubraniach. Operator, posługując się ręcznym czytnikiem, skanuje je.

Na podstawie informacji zapisanych w znacznikach rozpoznawany jest typ i model odzieży. Na ekranie czytnika zostaje wówczas wyświetlona seria pytań. Odpowiedzi, jakich udziela na nie operator, pozwalają ocenić stań ubrania. Pytania nie mają charakteru opisowego, a jedynie wymagają potwierdzenia albo zaprzeczenia, co sprawia, że kontrola przebiega łatwo i szybko.

Wyniki inspekcji są przesyłane do centralnej bazy danych, do której dostęp właściciele odzieży mogą uzyskać online. Są też oni od razu informowani, jeżeli któreś z należących do nich ubrań zostanie uznane za uszkodzone. Dzięki temu, że czytnik jest dodatkowo wyposażony w kamerę, dokumentację z kontroli można uzupełnić o zdjęcia zniszczeń.

Znaczniki półpasywne

Tagi półpasywne (półaktywne) są wyposażone w baterię, ale jest ona wykorzystywana wyłącznie do celów własnych, czyli zasilania układu elektronicznego znacznika i jego czujników, natomiast energię potrzebną do nawiązania łączności z czytnikiem czerpią z wytwarzanych przez niego fal radiowych. Dzięki temu, w porównaniu do tagów pasywnych, ich zasięg jest większy.

Przydatna jest także możliwość wbudowania w znaczniki sensorów oraz ciągłego przetwarzania wyników pomiarów, nawet poza zasięgiem czytnika. Korzysta się z tego, monitorując warunki środowiskowe, w jakich przebywa oznakowany obiekt, na przykład temperaturę otoczenia. W przypadku produktów wrażliwych na jej wahania, jak na przykład mrożona żywność, na tej podstawie aktualizuje się datę przydatności do spożycia.

Dodatkowa funkcjonalność dzięki bateriom jest uzyskiwana kosztem większej wagi znaczników półpasywnych, ich większych rozmiarów, większych kosztów, krótszej bezobsługowej żywotności oraz mniejszej odporności na warunki otoczenia, w porównaniu do tagów pasywnych.

Co wyróżnia znaczniki aktywne?

Trzecim typem są znaczniki aktywne, których bateria w całości pokrywa zapotrzebowanie na energię. Mogą one pracować w trybie rozgłoszeniowym. Nadają wówczas określony przekaz okresowo albo, żeby wydłużyć czas pracy na bateriach, na żądanie, po wywołaniu z trybu uśpienia. Ponadto są w stanie komunikować się z innymi znacznikami aktywnymi. Ich zasięg sięga kilkudziesięciu metrów.

Podobnie jak tagi półpasywne wyposaża się je w czujniki i elementy dodatkowe, mają jednak przeważnie większą moc obliczeniową. W przeciwieństwie do nich mogą nadawać komunikat informujący o niskim stanie naładowania baterii. Poza tym dotyczą ich wszystkie konsekwencje, które wynikają z wyposażenia znaczników półpasywnych w źródło zasilania.

Bartłomiej Besz

Turck

W jakich zastosowaniach korzysta się z identyfikacji RFID, a gdzie z tradycyjnego etykietowania i znakowania?

Czynnikiem mającym nadal główny wpływ na wybór pomiędzy RFID a tradycyjnym znakowaniem jest cena pojedynczego nośnika. W przypadku aplikacji o dużym wolumenie produktów na pewno tradycyjne etykietowanie wciąż może być brane pod uwagę jako konkurencyjne rozwiązanie.

Jeżeli zaś szukamy rozwiązania odpornego na przemysłowe warunki środowiskowe (np. temperatura, zabrudzenie, ciśnienie), to właściwy jest wybór systemu identyfikacji RFID. Dzięki możliwości zapisu danych nośniki RFID idealnie sprawdzają się w aplikacjach z powtórnym wykorzystaniem ich w obiegu produkcyjnym, co w konsekwencji daje szybki zwrot inwestycji.

Z czego wykonuje się anteny w tagach LF?

Znaczniki LF z zakresu 30÷300 kHz wykorzystują jedynie częstotliwości 125 i 134 kHz. Były jednymi z pierwszych - używano ich do znakowania zwierząt hodowlanych już w latach 80. zeszłego wieku. Dzięki temu obecnie są najbardziej rozwiniętą grupą znaczników.

Zakres ich zastosowań jest szeroki. Używa się ich m.in. w: kontroli dostępu, śledzeniu przepływu towarów, znakowaniu zwierząt i w samochodach - wbudowuje się je na przykład w kluczyki do auta. Dzięki informacjom, które zostały zapisane w tagu, są one rozpoznawane w stacyjce przez system immobilizera.

Znaczniki LF są przeważnie pasywne. Spośród wszystkich typów mają najmniejszą przepływność. Anteny w tagach tego rodzaju są wykonywane w postaci cewki miedzianej nawiniętej na ferrytowy rdzeń. Są drogie w produkcji i z ich powodu znaczniki są grubsze niż te o wyższej częstotliwości pracy. Można za to bez problemu odczytywać nawet te zamocowane na obiektach zawierających wodę, tkanki zwierzęce, metale, drewno.

RFID a kody kreskowe

Za technikę znakowania najbliższą RFID uznaje się kody kreskowe. W związku z tym często oba sposoby identyfikacji są ze sobą porównywane w celu przedstawienia ich zalet oraz wad.

Do odczytu tagów RFID, inaczej niż w przypadku kodów kreskowych, bezpośrednia widoczność nie jest wymagana. Dzięki temu umożliwiają identyfikację w trudno dostępnych miejscach, gdzie metody optyczne się nie sprawdzają. Ponadto w kodach kreskowych można zapisać znacznie mniej informacji, a przy ich odczycie jest istotna orientacja względem czytnika. Znaczniki RFID można nie tylko wielokrotnie odczytywać, lecz i zapisywać, podczas gdy kod kreskowy niesie ze sobą wyłącznie statyczną informację. Poza tym jednocześnie można odczytać / zapisać wiele znaczników.

Tagi RFID są wytrzymalsze na trudne warunki otoczenia (śnieg, lód, błoto, deszcz, wibracje, szeroki zakres temperatur), natomiast kodu kreskowego, zwykle nadrukowanego na papierowej etykiecie, który jest brudny, zatarty lub porwany, czytnik może w ogóle nie rozpoznać. M.in. stąd wynika najniższy współczynnik występowania błędów odczytu znaczników RFID w porównaniu z innymi metodami znakowania.

Ponadto tagi RFID trudno jest podrobić, ponieważ w pamięci mają zapisany swój numer seryjny. Zaletą technologii identyfikacji radiowej jest również możliwość zastosowania różnych metod ochrony danych, na przykład zabezpieczenia dostępu do pamięci znaczników hasłem. Kody kreskowe natomiast, nawet zaszyfrowane, zawsze można skopiować.

Mimo to jednoznacznie nie można orzec, że jeden z tych sposobów znakowania jest lepszy od drugiego. W zasadzie bowiem są to różne metody, których zastosowania tylko częściowo się pokrywają. Dzięki temu, że kody kreskowe nadal są tańsze, w dalszym ciągu nie można też powiedzieć, że mimo wieloletnich zapowiedzi, znaczniki RFID już je zastąpiły.

Tagi HF

Znaczniki HF z zakresu 3÷30 MHz wykorzystują jedno pasmo, 13,56 MHz. Podobnie jak tagi LF są przeważnie wykonywane jako pasywne. Ich przepływność jest większa niż znaczników LF, lecz mniejsza w porównaniu z tymi o jeszcze większej częstotliwości pracy.

Anteny w tagach HF wykonywane są w postaci miedzianej, aluminiowej lub srebrnej cewki, która przeważnie ma kilka zwojów. Dla porównania, w przypadku znaczników LF liczba zwojów sięga kilkuset. Dzięki temu tagi HF są łatwiejsze w produkcji oraz cieńsze, zdarzają się nawet prawie płaskie.

Dostępne są w różnych rozmiarach, nawet o średnicy poniżej centymetra. Prostsza konstrukcja anteny przekłada się na niższą cenę w porównaniu ze znacznikami LF. Mniej skomplikowane i tańsze są również czytniki HF w zestawieniu z tymi do odczytu tagów UHF.

Znacznikami HF można znakować obiekty zawierające wodę, tkanki zwierzęce, drewno, ciecze, natomiast metale w bliskiej odległości mogą zakłócać odczyt. Ich przykładowe zastosowania to: karty elektroniczne, śledzenie towarów, znakowanie bagaży.

Case study 2: RFID w kontroli obiegu sprzętu medycznego

W pewnym amerykańskim szpitalu zdecydowano się na wdrożenie systemu zarządzania obiegiem przenośnego sprzętu medycznego w oparciu o znaczniki RFID. Dzięki niemu chciano rozwiązać kilka problemów, z którymi borykano się co prawda od dawna, lecz których koszty i skutki dla pacjentów w ostatnim czasie znacznie wzrosły i się nasiliły.

Przyczyniła się do tego głównie rozbudowa kompleksu szpitalnego, rozszerzenie zakresu działalności leczniczej i zwiększenie zasięgu terytorialnego szpitala, a w związku z tym i liczby osób zgłaszających się do niego po pomoc. Najważniejszym problemem było nieefektywne wykorzystanie urządzeń medycznych, których nie można było zlokalizować wtedy, gdy były potrzebne.

Przez to personel, żeby mieć je zawsze pod ręką, gromadził i przetrzymywał na swoim oddziale nieużywany w danym momencie sprzęt, podczas gdy w innej części szpitala pracownicy marnowali czas na szukanie tych urządzeń.

Zawieruszanie się sprzętów było też dokuczliwe, a wręcz niebezpieczne dla pacjentów, zwłaszcza gdy szpital dysponował tylko ograniczoną ich liczbą. Jeśli z kolei zgubiono urządzenia pożyczone, po terminie ich oddania naliczane były za to dodatkowe opłaty.

System w technologii RFID był wprowadzany etapami. Początkowo znacznikami oznakowano 500 urządzeń. Zakupiono też dwadzieścia stacjonarnych czytników, które rozmieszczono w kluczowych miejscach, takich jak m.in. oddziały: ratunkowy, pediatryczny, noworodkowy oraz sale operacyjne i magazyn sprzętu medycznego, czyli tam gdzie używanie czytników przenośnych jest niepraktyczne lub uciążliwe oraz gdzie sprzęty medyczne są często przenoszone z miejsca na miejsce.

Poza tym personel magazynu miał do dyspozycji kilka czytników mobilnych, którymi okresowo skanował oddziały, na których nie zainstalowano żadnego czytnika na stałe. Odczyty z czytników, które zapisywano w bazie danych, wskazywały, gdzie ostatnio dany sprzęt się znajdował.

Kiedy był potrzebny, wystarczyło to sprawdzić i w tym miejscu rozpocząć poszukiwania, co je znacząco skracało. Z czasem znakowano coraz więcej urządzeń, a obecnie liczba tych z tagami RFID sięga 2 tysięcy. Znaczniki umieszcza się na wszystkich sprzętach, które można przenieść, o ile ich wartość jest większa niż koszt tagu RFID.

Znaczniki UHF i mikrofalowe

Jeśli chodzi o pasmo VHF, obejmujące częstotliwości w zakresie od 30 do 300 MHz, nie jest ono wykorzystywane w systemach RFID. Z kolei w zakresie częstotliwości UHF (300 MHz - 3 GHz) znaczniki pracują tylko w dwóch pasmach, 433 MHz oraz 860÷960 MHz.

W pierwszym z nich działają zwykle tagi aktywne, natomiast w drugim pasywne, aktywne i półaktywne. Zasięg znaczników UHF wynosi typowo kilka-kilkanaście metrów. Dla porównania w przypadku tagów LF nie przekracza on 10 centymetrów, zaś tagów HF - maksymalnie 1,5 metra.

Chociaż, jak wspomniano wcześniej, czytniki pracujące w tym paśmie są droższe niż czytniki HF, odwrotnie jest w przypadku znaczników, do czego przyczynia się łatwość wykonania anteny UHF. Dzięki temu że jest ona bardzo cienka, tagi tego typu są praktycznie płaskie.

Z drugiej strony nie można nimi znakować obiektów zawierających wodę i tkanki zwierzęce, gdyż woda absorbuje fale UHF. Oprócz tego antena pracująca w tym paśmie może się rozstroić, jeżeli znacznik zostanie umieszczony na przedmiocie metalowym. Woda i metale uniemożliwiają też odczyt znaczników, jeżeli znajdują się pomiędzy nimi a czytnikiem.

Regulacje w zakresie korzystania z częstotliwości UHF nie są na całym świecie tak jednolite, jak w przypadku częstotliwości HF. Wynika to stąd, że jeszcze przed upowszechnieniem się techniki RFID pasmo to zostało rozdzielone między innymi zastosowaniami.

Stąd w różnych krajach dla potrzeb identyfikacji za pomocą fal radiowych przydzielono pasma różnej szerokości - na przykład na terenie Unii Europejskiej jest to zakres 865÷868 MHz, a Ameryce Północnej 902÷928 MHz, podzielone na różną liczbę kanałów i różniące się dopuszczalnymi poziomami mocy.

Jeśli chodzi o znaczniki mikrofalowe, to z pasma 1÷10 GHz korzystają tylko z częstotliwości 2,45 GHz i 5,8 GHz. Ich zasięg sięga kilkuset metrów. Mały popyt sprawia, że są droższe niż tagi UHF. Ich przykładowe zastosowania to: zarządzanie flotą pojazdów, pobieranie opłat na autostradach i lokalizacja obiektów w czasie rzeczywistym.

Standaryzacja systemów RFID

RFID nie jest najmłodszą technologią znakowania - już podczas II wojny światowej znaczników tego typu używano do oznaczania samolotów sojuszników w celu odróżnienia ich od samolotów wroga. Z głównej ich konkurencji, czyli kodów kreskowych, zaczęto korzystać później. Dzięki niższej cenie upowszechniły się one jednak szybciej niż znaczniki RFID.

W miarę jak koszt tych drugich malał, przybywało im zastosowań. Na przykład w latach 80. zeszłego wieku używano ich do znakowania bydła, a w latach 90. wagonów na kolei. Dalszy spadek cen sprawił, że z czasem zaczęto z nich korzystać na masową skalę w magazynach oraz w handlu.

Oprócz ceny czynnikiem hamującym upowszechnianie się systemów RFID był brak standardów, przez co ich komponenty: znaczniki, czytniki, oprogramowanie, od różnych producentów nie były ze sobą kompatybilne. Około dziesięciu lat temu sytuacja w tym zakresie zaczęła się zmieniać, gdy w prace nad ujednoliceniem tej techniki zaczęło się angażować coraz więcej organizacji, wśród nich ISO, IEC, ANSI oraz EPCglobal. Opracowały one szereg standardów.

Przegląd standardów RFID

Przykładem jest seria dokumentów ISO/IEC 18000. Jest ich siedem. Opisano w nich komunikację pomiędzy czytnikiem a znacznikami RFID w pięciu pasmach częstotliwości. Część pierwsza zawiera informacje ogólne. ISO/IEC 18000-2 odnosi się do tagów o częstotliwości pracy poniżej 135 kHz. ISO/IEC 18000-3 poświęcono tagom HF, natomiast kolejną znacznikom o częstotliwości pracy 2,45 GHz.

W ISO/IEC 18000-4 opisano dwa tryby komunikacji: ITF (Interrogator Talks First) oraz TTF (Tag Talks First). W pierwszym łączność nawiązuje czytnik (dotyczy tagów pasywnych), natomiast w drugim znacznik (dotyczy tagów zasilanych bateryjnie).

W szóstej części skupiono się na znacznikach o częstotliwości pracy w przedziale 860÷960 MHz. Opisano w niej cztery typy tagów: A, B, C i D. Najczęściej używane są te przedostatnie. Siódmą część z kolei poświęcono aktywnym znacznikom o częstotliwości pracy 433 MHz.

Kolejnym przykładem jest EPC Gen 2. Jest to specyfikacja, w której zestandaryzowano interfejs radiowy do komunikacji ze znacznikami w paśmie 860‒960 MHz z uwzględnieniem regionalnych regulacji. Jej pierwsza wersja została opracowana w 2004 roku, a wkrótce przyjęto ją jako część poświęconą tagom typu C standardu ISO 18000-6. Aktualnie obowiązuje wersja EPC GEN 2 v 2, którą przyjęto w 2015 roku.

W EPC Gen 2 wprowadzono kilka wartych wspomnienia rozwiązań. Jednym z nich jest możliwość zmiany przez czytnik metody kodowania w zależności od warunków, w jakich odbywa się przesył danych. Jeżeli nie występują silne zaburzenia, korzysta się z metody szybszej, zaś w przeciwnym wypadku z wolniejszej, lecz zapewniającej lepszą jakość transmisji.

Bezpieczeństwo systemów RFID

Systemy RFID narażone są na różnego rodzaju ataki, których celem może być chęć uzyskania nieautoryzowanego dostępu do informacji zapisanych w znacznikach, wprowadzenia w błąd operatorów lub użytkowników systemu przez wprowadzenie do niego fałszywych danych lub uniemożliwienie mu spełniania jego funkcji. W drugim przypadku niezmienny pozostaje numer identyfikacyjny znacznika, przez co czytnik rozpoznaje go prawidłowo i przesłane przez niego informacje traktuje jako wiarygodne.

Alternatywnym rozwiązaniem jest odczyt numeru ID tagu, a następnie użycie go do podszycia się pod dany znacznik z wykorzystaniem urządzenia potrafiącego symulować jego działanie. Dostęp do danych mogą również próbować uzyskać czytniki spoza systemu. Aby sparaliżować jego działanie, atakujący może też wydać komendę dezaktywującą znaczniki. Inne sposoby to: podsłuchanie lub zakłócanie transmisji między znacznikiem a czytnikiem.

Aby zapobiec zdarzeniom takim jak wymienione, konieczne jest wzajemne uwierzytelnienie znacznika i czytnika. Ten drugi rozpoznaje pierwszy na podstawie jego numeru ID. Dodatkowo czytnik może przesyłać pewną, losowo wybraną, każdorazowo inną liczbę, którą znacznik, korzystając z takiego samego klucza szyfrującego, co nadawca, musi odesłać zakodowaną. Popularną metodą identyfikacji czytnika jest natomiast zabezpieczenie dostępu do tagu hasłem.

Szyfrowanie informacji jest natomiast najpowszechniej stosowaną metodą zabezpieczenia przed podsłuchaniem transmisji. Najskuteczniejszym sposobem na uniknięcie tego jest jednak po prostu niezapisywanie w znaczniku żadnych ważnych informacji oprócz jego numeru identyfikującego.

Dane są wówczas w zamian przechowywane w bazie danych systemu. Stamtąd są pobierane na podstawie numeru ID odczytanego przez czytnik. Takie rozwiązanie ma dodatkowe zalety. Można wówczas skorzystać ze znaczników tańszych, o małej pamięci, a w tej systemowej zapisać nieporównywalnie więcej informacji.

EPC GEN 2, ISO/IEC 14443, ISO 15693

Ponadto przewidziano trzy tryby pracy czytników: pojedynczy, wieloczytnikowy, gęstoczytnikowy. Ostatni wprowadzono, aby zapobiegać interferencjom między czytnikami, które mogą występować, kiedy duża liczba tych urządzeń jest używana jednocześnie w ograniczonej przestrzeni, na przykład w magazynie.

W EPC Gen 2 zaproponowano również rozwiązania, dzięki którym odczyt większej liczby tagów równocześnie można zrealizować sprawniej (m.in. mechanizm sesji, który pozwala znacznikowi na komunikację z wieloma czytnikami jednocześnie), różnego typu zabezpieczenia, w tym dłuższe hasła dostępu do danych zapisanych w znaczniku i zatwierdzające dezaktywację i szyfrowanie danych oraz rozwiązania, które ułatwiają zarządzenie pamięcią i kontrolę dostępu do niej.

Te ostatnie to: podział pamięci na sektory w zależności od ich zastosowania (do przechowywania numeru identyfikującego obiekt znakowania, hasła, unikalnego numeru znacznika) oraz możliwość ich jednokrotnego zapisu, wielokrotnego zapisu albo wyłącznie odczytu.

Ponieważ ważnym zastosowaniem znaczników RFID są różnego typu karty, warto wymienić jeszcze dwa dokumenty: ISO/IEC 14443 i ISO 15693. Zdefiniowano w nich karty zbliżeniowe i protokoły transmisji używane w komunikacji z nimi, w obu przypadkach na częstotliwości 13,56 MHz.

Te, których dotyczą wytyczne ISO/IEC 14443, mają krótszy zasięg (około 10 centymetrów), dlatego używane są do identyfikacji użytkownika na przykład w systemach kontroli dostępu oraz systemach płatności. Zasięg kart zbliżeniowych opisanych w ISO 15693 wynosi z kolei około 1 m.

Jak jest zbudowany czytnik?

Jak wspomniano wcześniej, czytniki odpowiadają za dwukierunkową komunikację ze znacznikami oraz zasilanie tagów pasywnych i półaktywnych. W zależności od ich funkcjonalności wyróżnia się te, które przetwarzają i analizują informacje przesłane przez znacznik oraz czytniki, które jedynie przesyłają odebrane dane dalej, do systemu nadrzędnego, gdzie są przetwarzane i interpretowane. Obecnie większość stanowią te pierwsze.

Najważniejsze elementy czytników to: układ nadawczy (wzmacniacz, modulator), układ odbiorczy (wzmacniacz, demodulator), procesor i, w przypadku tych obsługiwanych ręcznie, wyświetlacz i klawiatura. Za pośrednictwem klawiatury, w oparciu o informację zwrotną prezentowaną na ekranie, operator urządzenia dokonuje odczytu albo zapisu danych w znaczniku i zmienia ustawienia czytnika.

Skonfigurować można sposób komunikacji z tagami, m.in.: określając liczbę prób, jaka będzie podejmowana za każdym razem, kiedy szukane będą nowe znaczniki w zasięgu czytnika, wybierając konkretną grupę znaczników, z którą będzie nawiązywana łączność z wykluczeniem pozostałych i określając sposób skanowania (ciągłe, okresowe, na żądanie).

Operator poza tym może zmieniać ustawiania urządzenia (parametry pracy anteny, parametry połączenia sieciowego). Konfiguracja oraz diagnostyka czytników bywa też możliwa za pośrednictwem przeglądarki internetowej.

Ważną częścią czytnika jest również antena. Dostępne są urządzenia ze zintegrowanymi antenami - jedną, która pełni w zależności od potrzeb funkcję nadawczej albo odbiorczej lub dwoma, które na stałe pełnią jedną funkcję, oraz czytniki, do których można dołączyć wiele anten.

Case study 3: RFID w kontroli obrotu krwią

W australijskim szpitalu obowiązywał papierowy rejestr, w którym ręcznie odnotowywano każde wyjęcie ze specjalnej lodówki opakowania z krwią albo preparatem krwiopochodnym. Mimo starań personelu zapiski te nie zawsze były dokładne, głównie z powodu stresu i pośpiechu. Przez to błędnie oceniano stan zapasów - na przykład raz zdarzyło się, że nie zarejestrowano zużycia ponad połowy materiału zgromadzonego w lodówce.

Z powodu nieprecyzyjnych notatek nie zawsze było też wiadomo, czy można wykorzystać resztę krwi z rozpoczętego opakowania, ponieważ jest to bezpieczne tylko pod warunkiem, że została włożona z powrotem do lodówki przed upływem pół godziny od wyjęcia. Obawiano się ponadto, że krew może zostać przetoczona niewłaściwej osobie. W końcu, w trosce o zdrowie pacjentów, zdecydowano się papierowy rejestr zastąpić systemem w technologii RFID.

Tagi RFID, w których zapisywane są informacje identyfikacyjne, umieszcza się na pojemnikach z krwią w laboratorium. Kiedy je opuszczają są skanowane w celu rejestracji faktu ich wydania na zewnątrz. Na docelowym oddziale osoba, która odbiera dostawę za pomocą elektronicznej karty identyfikacyjnej, otwiera lodówkę. Po jej zapełnieniu i zamknięciu wewnętrzny czytnik skanuje zapasy, sprawdzając, czy je uzupełniono.

Jeżeli tak, spis zawartości wyświetlany na ekranie dotykowym wbudowanym w obudowę lodówki jest uaktualniany. Aby wyjąć krew, pracownik najpierw wpisuje dane potrzebującego pacjenta. Potem, używając elektronicznego identyfikatora, otwiera lodówkę i wyciąga pojemnik.

Jeśli wyjmie niewłaściwy, wykryje to skanowanie zapasów po zamknięciu drzwi. Błąd jest sygnalizowany dźwiękowo. Choć pracownicy musieli się nauczyć obsługi systemu, dodatkowy wysiłek zrekompensowało im zdjęcie z nich odpowiedzialności za błędy, które mogą kosztować ludzkie życie.

Klasyfikacja czytników

Czytniki, podobnie jak znaczniki RFID klasyfikuje się ze względu na częstotliwość pracy na działające w pasmie LF, HF, UHF i mikrofalowym. Kolejnym kryterium jest zgodność z określonymi standardami komunikacji. Oprócz tego dzieli się je ze względu na sposób użytkowania, na stacjonarne oraz przenośne.

Pierwsze montuje się na stałe, na przykład przy drzwiach i bramach wjazdowych, wtedy gdy trzeba monitorować przepływ oznakowanych obiektów. Pośrednim rozwiązaniem są czytniki, które są instalowane w pojazdach, na przykład w wózkach widłowych. Powinna je charakteryzować większa odporność na wibracje oraz inne niekorzystne warunki otoczenia.

Wzmocniona konstrukcja musi także cechować czytniki przenośne, pełniące zwykle funkcję wygodnych przenośnych terminali, z których korzystają pracownicy poruszający się po terenie zakładów. Ich przykładowym zastosowaniem jest skanowanie towarów zgromadzonych w magazynie w czasie kompletowania zamówienia albo podczas inwentaryzacji stanu zapasów.

Czytniki przenośne mogą się komunikować i być zasilane przewodowo, za pośrednictwem odpowiednio długich podłączeń z najbliższą bazą. Dostępne są również urządzenia zasilane bateryjnie i nawiązujące łączność z systemem nadrzędnym bezprzewodowo. Czytniki przenośne, w celu zmniejszenia ich wagi oraz rozmiarów, są zazwyczaj wyposażane w pojedynczą dwufunkcyjną antenę.

Od niedawna na popularności zyskują także czytniki ręczne niewyposażone w wyświetlacz ani w system operacyjny, za to mające interfejs do komunikacji Bluetooth. Dzięki temu mogą się łączyć ze smartfonem, na którym zainstalowane jest oprogramowanie do ich obsługi.

Oprogramowanie w systemach RFID

Ważnym komponentem systemu RFID jest także oprogramowanie, które pośredniczy między czytnikiem a systemami nadrzędnymi, na przykład typu: Supply Chain Management (SCM), Warehouse Management System (WMS) i Enterprise Resource Planning (ERP), a nawet sterownikami PLC.

Aplikacje te, oprócz zarządzania pracą czytników, również przetwarzają informacje pozyskiwane ze znaczników. W ramach tego m.in. filtrują dane, co pozwala wykryć i usunąć informacje z błędami oraz te pozyskane przez wielokrotny odczyt, buforują dane i analizują je w celu wyodrębnienia użytecznych informacji, na przykład alarmów o wybranych zdarzeniach.

Marek Łozowski

Pepperl+Fuchs Polska

Co decyduje o wyborze konkretnego rozwiązania przez klienta? Jak istotna jest odpowiednia integracja systemu i jego dopasowanie do aplikacji?

W ubiegłym roku u jednego z naszych klientów z branży Automotive wdrożony został nowy system RFID umożliwiający rozbudowę kontroli procesu produkcyjnego. Zadaniem inwestycji było umożliwienie pełnej identyfikacji produktu ("traceability") podczas całego etapu przygotowania i produkcji finalnej detali. Zgodnie z oczekiwaniami inwestora, dostarczone urządzenia musiały zapewnić niezawodne działanie w trudnych warunkach przemysłowych, z uwzględnieniem pracy robota spawalniczego w niewielkim sąsiedztwie.

Zaprojektowany specjalnie do tej aplikacji uchwyt znacznika, umożliwił szybki montaż taga na detalu, a także jego demontaż po zakończeniu całego procesu - tym samym oszczędność z racji jego ponownego wykorzystania. W ten sposób wyeliminowano również bezpośrednią ingerencję w konstrukcję samego detalu.

Dzięki wykorzystaniu technologii RFID klient uzyskał pełną informację o pracach wykonywanych na poszczególnych etapach produkcji, dacie ich wykonania, a także czasie trwania danego procesu. To wszystko pozwala podnieść efektywność prowadzonych prac, umożliwić skuteczną kontrolę jakości, a także w przyszłości dalszą możliwość rozwoju aplikacji.

Jak zapobiec interferencjom między czytnikami?

W czytnikach LF i HF wykorzystuje się sprzężenie indukcyjne, zatem aby zapobiec ich wzajemnemu zakłócaniu się, wystarczy zapewnić odpowiednią odległość pomiędzy tymi urządzeniami pracującymi w swoim sąsiedztwie. W przypadku czytników UHF zazwyczaj potrzebne są dodatkowe rozwiązania.

Jak wspomniano wcześniej, w EPC Gen 2 przewidziano trzy tryby pracy czytników: pojedynczy, wieloczytnikowy i gęstoczytnikowy. W pierwszym przypadku na danym terenie działa tylko jeden czytnik. Brak innych sprawia, że może on pracować na dowolnym kanale częstotliwości, jednak nie oznacza to, że problem interferencji takiego urządzenia nie dotyczy.

Trzeba się bowiem liczyć z odbiciami sygnałów. Jednym ze sposobów zmniejszania wpływu takich zakłóceń jest regulacja mocy sygnału. Pomaga też ekranowanie oraz zmiana czytnika na taki z anteną o mniejszym zysku.

Jeżeli liczba pracujących równocześnie czytników jest mniejsza niż liczba dostępnych kanałów częstotliwości, mamy do czynienia z trybem wieloczytnikowym. Aby zapobiec ich wzajemnemu zakłócaniu się, można na przykład przydzielić każdemu z nich inną częstotliwość.

Takie rozwiązanie nie wchodzi w grę w trzecim przypadku, w trybie gęstolicznikowym, bowiem liczba czytników jest większa niż liczba dostępnych kanałów częstotliwości. Wówczas działanie tych urządzeń trzeba skoordynować w taki sposób, żeby nigdy jednocześnie w danym paśmie nie nadawały dwa czytniki.

W tym celu korzysta się na przykład z techniki przełączania częstotliwości (frequency hopping), w której zmiana częstotliwości następuje w określonych odstępach czasu lub po sprawdzeniu przez czytnik, czy inne urządzenie już w tym kanale nie nadaje.

Jak uniknąć kolizji danych podczas komunikacji z chipem RFID?

Gdy wiele znaczników jednocześnie odpowiada czytnikowi w tym samym paśmie częstotliwości, mogą się wzajemnie zakłócać. Dochodzi wtedy do kolizji danych skutkującej błędami transmisji. Aby czytnik mógł równocześnie, niezawodnie i bezbłędnie komunikować się z wieloma tagami, wdraża się różne mechanizmy zapobiegania takiej sytuacji, na przykład wykorzystując metodę TDMA, czyli wielodostępu z podziałem czasowym.

Wyróżnia się dwie techniki: nadzorowaną przez znaczniki i przez czytnik. Pierwsza jest wolniejsza - czytnik rozsyła zapytanie o numer identyfikacyjny do wszystkich znaczników, które znajdują się w jego zasięgu. Każdy z nich odpowiada na to z opóźnieniem trwającym określony, losowo wybrany czas, inny dla każdego tagu.

Ponieważ czas transmisji numeru ID jest krótki, kolizja danych występuje niezwykle rzadko pomiędzy ograniczoną liczbą znaczników. Zapytanie jest powtarzane wielokrotnie, dzięki czemu prawdopodobieństwo tego, że każdy z tagów przynajmniej raz bez problemu prześle swój numer identyfikacyjny, jest bardzo wysokie.

By jeszcze zmniejszyć prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji w niektórych implementacjach tej metody, czytnik w kolejnych cyklach zapytań dezaktywuje już rozpoznane znaczniki. W drugiej metodzie skaner RFID kolejno odpytuje tagi o następujących po sobie numerach ID z określonej przestrzeni adresowej.

W ramce przedstawiamy metody ochrony systemów RFID przed różnego typu atakami. Ich celem może być chęć uzyskania nieautoryzowanego dostępu do informacji zapisanych w znacznikach, wprowadzenia w błąd operatorów albo użytkowników systemu przez wprowadzenie do niego fałszywych danych albo uniemożliwienie mu spełniania jego funkcji.

Case study 4: RFID w laboratorium kryminalistycznym

W pewnym amerykańskim mieście otwarto nowe laboratorium kryminalistyczne. W obiekcie pracuje kilkudziesięciu specjalistów, którzy zajmują się badaniem ponad 30 tysięcy dowodów rocznie, dostarczanych przez różne służby, lokalne, stanowe oraz federalne, w tym policję, straż pożarną, straż graniczną oraz sądy. Na ich zlecenie wykonywane są m.in. analizy odciski palców, testy balistyczne, toksykologiczne, na obecność narkotyków i badania DNA.

Laboratorium mieści się w czteropiętrowym budynku, o łącznej powierzchni kilku tysięcy metrów kwadratowych. Żeby ułatwić zarządzanie przepływem dowodów w obrębie tego kompleksu, wdrożono system w technologii RFID. Uzupełnił on ten funkcjonujący w starym laboratorium, który wymagał ręcznego skanowania kodów kreskowych, którymi znakowano dowody.

Z tych ostatnich całkiem nie zrezygnowano - po dotarciu dowodu do laboratorium, w punkcie jego przyjmowania, kod kreskowy umieszcza się na opakowaniu materiału śledczego wraz ze znacznikiem RFID. Podwójne znakowanie stanowi zabezpieczenie na wypadek niezadziałania jednego z systemów. Używane są tagi w dwóch rozmiarach - standardowym i małe, które umieszcza się na przykład na fiolkach z krwią.

Laboratorium wyposażono również w siedem stacjonarnych czytników. Zainstalowano je po kilka na każdym piętrze, w pobliżu wind, poszczególnych pracowni oraz przechowalni dowodów. Dzięki temu w każdej chwili można zlokalizować dany materiał i sprawdzić, kto, kiedy i gdzie miał do niego wcześniej dostęp.

Przegląd zastosowań systemów rfid

Systemy identyfikacji radiowej w przemyśle są wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Przykład to monitorowanie przebiegu procesu produkcyjnego, na przykład zautomatyzowanego montażu, przez oznakowanie wszystkich podzespołów, a następnie śledzenie ich przemieszczania się za pomocą czytników rozmieszczonych w określonych miejscach linii montażowej.

Dane zapisane w znaczniku mogą być na kolejnych etapach produkcji aktualizowane, dzięki czemu informacja przemieszcza się wraz z produktem i nie ma potrzeby tworzenia centralnej bazy danych. Monitorowanie produkcji pozwala szybko zareagować na problemy oraz dostarcza wielu użytecznych informacji pozwalających na jej optymalizację w przyszłości.

Kolejnym przykładem jest sprawdzanie, czy zamontowane zostało właściwie narzędzie do obróbki. W takim przypadku maszynę wyposaża się w czytnik, zaś końcówki robocze znakuje się tagami RFID.

Po zmianie narzędzia, w razie założenia niewłaściwego, na przykład nieodpowiedniego do obróbki danego materiału lub uzyskania danego kształtu, uruchamia się alarm. W ten sposób można wyeliminować błędy ludzkie, które mogą skutkować stratą materiału, gorszą jakością wyrobu, a nawet wypadkami przy pracy.

Case study 5: RFID w myjni

Niewielka sieć myjni samochodowych poszukiwała sposobu na zmniejszenie kosztów działalności, co pozwoliłoby jej utrzymać się na rynku mimo silnej konkurencji ze strony dużych myjni, które powstają przy centrach handlowych. W tym celu jej właściciele m.in. zainwestowali w system oczyszczania wody do mycia samochodów, aby móc jej używać wielokrotnie.

Oszczędności szukano także w kosztach pracy. W tym zakresie pomocne okazało się wdrożenie systemu sprzedaży przedpłaconej w technologii RFID, dzięki której znacząco zmniejszono liczbę pracowników myjni odpowiadających za przyjmowanie zamówień, ustawianie maszyn myjących oraz obsługę płatności.

Częścią systemu jest czytnik zainstalowany przy wjeździe do myjni, który skanuje tag RFID zamocowany na przedniej szybie samochodu. Na podstawie zapisanego w nim identyfikatora pojazd jest rozpoznawany, a z bazy danych pobierane są informacje o usługach, za które z góry zapłacił jego właściciel. W oparciu o te dane automatycznie programowana jest maszyna myjąca.

Znaczniki RFID naklejane na szyby mają specjalną konstrukcję - zostały wbudowane w etykiety w osłonie, która jest odporna na zmywanie, kontakt z chemicznymi środkami myjącymi i promienie słoneczne. Zostały również zabezpieczone przed kradzieżą - w razie próby zerwania znacznika z szyby jego antena ulegnie zniszczeniu.

Poza ograniczeniem kosztów działalności system RFID zapewnił dodatkowe korzyści. Okazało się bowiem, że klienci, którzy raz zdecydowali się na oznakowanie swoich samochodów tagami, chętnie później doładowywali je nowymi środkami. Oprócz umocnienia więzi z klientem system prepaid zapewnił także właścicielom myjni stały dopływ pieniędzy, o co wcześniej było trudno, gdyż popyt na ich usługi w dużym stopniu jest zależny od pory roku i pogody.

Kontrola obiegu wyposażenia

Znaczniki RFID wykorzystuje się również do śledzenia przepływu narzędzi (i innego wyposażenia) w obrębie zakładu. Poprawia to efektywność pracowników, którzy nie marnują czasu na szukanie narzędzi, których w danym momencie potrzebują oraz ich bezpieczeństwo, dzięki temu, że nie dochodzi do sytuacji, w których nie mogąc znaleźć tego właściwego, korzystają z aktualnie dostępnego, nie zawsze odpowiedniego.

Usprawnia to także pracę służb utrzymania ruchu odpowiadających za nadzór nad wyposażeniem, które na przykład trzeba okresowo kalibrować lub sprawdzać stan jego zużycia. W takim przypadku w tagach, którymi je oznaczono, zapisywana jest to, kto, ile razy, kiedy ostatnio i w jaki sposób z nich korzystał.

Kontrola dostępu i logistyka z wykorzystaniem RFID w środowisku przemysłowym

Znaczniki RFID w przemyśle wykorzystuje się też w kontroli dostępu. Dzięki niej tylko zidentyfikowane osoby uprawnione mogą uruchomić daną maszynę albo wyłączyć zabezpieczenia.

Zastosowanie identyfikacji radiowej w logistyce umożliwia kontrolę w czasie rzeczywistym przepływu towarów w magazynie, pojedynczych i wielu jednocześnie, dzięki śledzeniu opakowań zbiorczych, jak kartony i palety. Informacja o tym jest zwykle przekazywana do centralnej bazy danych. Możliwość jej aktualizowania bez konieczności angażowania w to pracowników, którzy mieliby liczyć zapasy i wprowadzać te dane, znacznie obniża koszty operacyjne magazynu i poprawia dokładność zliczania towarów.

Zakres zastosowań systemów identyfikacji radiowej jest bardzo szeroki i obejmuje nie tylko przemysł i logistykę, ale i wiele innych dziedzin. W ramkach przedstawiamy ich przykłady.

Podsumowanie

Wiedza na temat techniki znakowania RFID jest coraz powszechniejsza. Dzięki temu w wielu branżach, w tym w przemyśle, doceniane są korzyści płynące z inwestycji w systemy identyfikacji za pośrednictwem fal radiowych, przede wszystkim w zakresie optymalizacji i kontroli przebiegu produkcji oraz eliminowania błędów człowieka. Niestety, proces decyzyjny wciąż często się przedłuża z powodu w dalszym ciągu wysokich kosztów, jakie trzeba ponieść w początkowych etapach tworzenia systemu opartego na znacznikach RFID.

W drugiej części

Tematy numerów APA w przyszłości

W kolejnej części artykułu dokonamy przeglądu oraz porównania różnych metod znakowania. Przedstawione zostaną w niej sposoby zaliczane do dwóch technik: pośredniej i bezpośredniej. W pierwszej kod nanosi się na etykietę i dopiero ta jest mocowana na obiekcie. Etykiety wykonuje się z różnych materiałów, na przykład metali, tworzyw sztucznych, tkanin, papieru.

Do tej kategorii są również zaliczane znaczniki RFID. Druga metoda polega na bezpośrednim znakowaniu (Direct Part Marking, DPM). Wykonuje się je technikami niszczącymi, m.in. przez wybijanie, wycinanie, odparowanie i trawienie znaków, albo nieniszczącymi, na przykład przez nadrukowanie.

Monika Jaworowska

Zdjęcie tytułowe: System RFID do automatycznej rejestracji towarów transportowanych z magazynu do obszaru produkcyjnego wykorzystywany w zakładzie firmy Bosch w niemieckim Blaichach (źródło: Robert Bosch)