Znakowanie RFID

Technologia znakowania RFID wykorzystuje bezkontaktową transmisję danych za pośrednictwem fal radiowych. System identyfikacji i śledzenia w tej technologii powinien składać się z co najmniej trzech komponentów. Są to: tagi, czytniki i anteny. Znacznik RFID w najprostszej postaci składa się z dwóch komponentów – anteny nadawczo-odbiorczej i układu elektronicznego, który przechowuje identyfikator tagu i dodatkowe informacje. Znaczniki są mocowane do przedmiotów i odczytywane za pomocą czytników. Zasilane są zintegrowaną baterią albo energią fal radiowych z czytnika.

Tagi RFID dostępne są w różnych wykonaniach. Przykładem są elastyczne etykiety i sztywne tagi. Pierwsze to zwykle elementy samoprzylepne. Mogą być zadrukowywane informacjami czytelnymi dla ludzi i / albo kodami kreskowymi. Zalety etykiet RFID to: niska cena, łatwość zamocowania, możliwość, w połączeniu z odpowiednim osprzętem (drukarka RFID), drukowania / kodowania na masową skalę. Główne ich ograniczenia to: mała trwałość, nieodporność na czynniki niszczące i możliwość mocowania jedynie na klej.

Tagi sztywne są zwykle wykonane z tworzyw sztucznych, czasem innych materiałów jak ceramika. Są grubsze niż te samoprzylepne. Przeważnie są zaprojektowane pod kątem określonych wymagań, na przykład: większego zasięgu odczytu, możliwości wbudowania w znakowane obiekty, większej trwałości, większej odporności na czynniki niszczące. Możliwość uzyskania niestandardowych właściwości to ich największa zaleta. Oprócz tego mogą być mocowane różnymi metodami. Z drugiej strony są droższe, a ich etykietowanie i kodowanie jest trudniejsze do zautomatyzowania.

Przegląd typów tagów

Tagi RFID klasyfikuje się także ze względu na: zakres częstotliwości pracy, konstrukcję, która jest przystosowana do konkretnych czynników uciążliwych (odporna na wodę, środki chemiczne, temperaturę, zniszczenie) i niestandardowe zastosowania (tagi, które można prać, sterylizować w autoklawie, o dużej pojemności pamięci). Według pierwszego kryterium wyróżnia się tagi LF, HF oraz UHF.

Pasmo niskiej częstotliwości obejmuje częstotliwości od 30 do 300 kHz, z czego systemy LF RFID mogą korzystać tylko z małego jego wycinka od 125 do 134 kHz. Cechą wyróżniającą fale radiowe tej długości jest łatwość przenikania przez metale i wodę. Z drugiej strony zasięg odczytu tagów LF jest krótszy niż znaczników HF i UHF RFID – wynosi typowo od kilku centymetrów do najwyżej 50 centymetrów w idealnych warunkach. Są też generalnie droższe, chociaż cena zależy od typu i zastosowania. Są to najczęściej znaczniki pasywne, czyli ich żywotności nie ogranicza bateria i w teorii mogą działać, dopóki nie ulegną uszkodzeniu mechanicznemu. Ich odczyt jest wolny. Nie są również zalecane do zastosowań, w których wymagana jest szyfrowana komunikacja.

Znaczniki HF RFID, podobnie jak LF RFID, zwykle wykorzystują sprzężenie magnetyczne do komunikacji z czytnikiem. Jako tagi pasywne mają, przynajmniej w teorii, nieskończoną żywotność. Fale HF mogą przechodzić przez większość materiałów z wyjątkiem wody i metali ciężkich. Metale lekkie, takie jak aluminium, nie wpływają na tagi HF RFID. Zwykle zasięg ich odczytu wynosi od kilku centymetrów do około metra, w zależności od konfiguracji systemu. Są niedrogie. Czytniki HF RFID również są tanie. Popularyzacji znaczników tego typu sprzyja poza tym możliwość ich odczytu przez smartfony. O znacznikach UHF piszemy w ramce.

Co wyróżnia znaczniki RFID UHF? Pasmo UHF obejmuje częstotliwości od 300 MHz do 3 GHz, z czego systemy RFID UHF pracują w zakresie 860–960 MHz i na częstotliwościach 433 MHz oraz 2,45 GHz. Wyróżnić można dwa ich typy: pasywne i aktywne. Różnica między nimi polega na sposobie zasilania znaczników. W pierwszych tagi są zasilane energią z czytnika. Ogranicza to ich zasięg odczytu do najwyżej 30 metrów. Pasywne znaczniki UHF RFID dzięki dużej popularności są tanie – ich cena zmalała szczególnie w ostatnich latach, dzięki czemu zaczęto ich używać jako etykiet jednorazowego użytku. Obecność metali oraz woda odbijają, załamują i pochłaniają sygnały UHF. Aby ten negatywny wpływ ograniczyć, stosuje się specjalne rozwiązania (ekranowanie, specjalne konstrukcje znaczników). Koszt czytników pasywnych tagów UHF jest typowo większy niż w przypadku znaczników LF i HF. Źródłem zasilania aktywnych tagów UHF jest bateria zintegrowana ze znacznikiem. Dzięki temu samodzielnie, w odstępach czasu, emitują sygnał odbierany przez czytniki, w zasięgu których się znajdują (w odległości nawet do 100 metrów). Dzięki lokalnemu źródłu zasilania sygnał jest wzmacniany, co zapewnia jego dobrą jakość nawet w sąsiedztwie wody i metali. Są drogie. Ze względu na baterię mają ograniczoną żywotność – zwykle najwyżej 3–5 lat. Ich zastosowania to m.in.: śledzenie ładunków, pojazdów, sprzętu budowlanego.

Innowacje w RFID

Tytułowa technologia jest wciąż rozwijana. Znaczący trend to włączanie znaczników RFID do sieci Internetu Rzeczy. Postęp w zakresie miniaturyzacji pozwala na integrowanie tagów z sensorami, na przykład mierzącymi parametry środowiskowe (temperatura, wilgotność). Umożliwia to nie tylko identyfikację, ale i jednoczesny monitoring stanu oznakowanych zasobów.

Prowadzi się także intensywne prace nad znacznikami na elastycznych, coraz cieńszych podłożach. Tagi takie łatwo można zamontować na zakrzywionych i nieregularnych powierzchniach.

Ważną innowacją są znaczniki bezczipowe (chipless tags). Są to tagi bez układu scalonego. Zamiast tego wykorzystuje się alternatywne metody identyfikacji, na przykład wykonując znacznik z materiału, który odbija fale radiowe tylko o określonych częstotliwościach.

Nowością jest również standard RAIN RFID (RAdio Frequency IdentificatioN). Dotyczy on znaczników RFID UHF łączących się z chmurą, gdzie dane z tagów mogą być przechowywane, przetwarzane oraz udostępniane przez Internet.

Kolejną innowacją jest integracja technologii RFID i blockchain, czyli rozproszonej bazy danych w postaci łańcucha bloków. Blok to dowolna zależna od zastosowania jednostka informacji, natomiast łańcuchy reprezentują połączenia między sąsiadującymi blokami. Bloki są ustawione w porządku chronologicznym i ze sobą powiązane, bo oprócz zaszyfrowanych informacji zawierają także hashe obliczane dla zawartości bloku i dla bloku go poprzedzającego. Dzięki temu zaletą blockchainu jest niezmienność. Nie można zmodyfikować zapisanych rekordów bez pozostawienia śladów, bo jeżeli zawartość bloku zostanie zmieniona, modyfikacji ulegnie również przypisany mu hash. Oprócz tego baza danych tego typu jest współdzielona przez wielu użytkowników. Ich kopie, każdorazowo, gdy dodawany jest nowy blok, są aktualizowane. Dlatego każda lokalna i nieuprawniona zmiana hasha zostanie przy kolejnej aktualizacji wykryta przez innych użytkowników. Technologia Blockchain jest integrowana z RFID w celu poprawy identyfikowalności – na przykład dzięki rejestracji skanów tagów RFID w łańcuchu bloków możliwa jest ochrona przed nieuprawnioną modyfikacją historii łańcucha dostaw produktu.

Case study: RFID w obrabiarkach CNC Dostawca obrabiarek chciał wdrożyć w produkowanych maszynach efektywny sposób autoryzacji operatorów, który zarazem umożliwiłby zbieranie danych o tym, jak urządzenia te są wykorzystywane. Dzięki temu dostęp do nich uzyskiwałyby wyłącznie osoby do tego upoważnione. Ponadto zbierane byłyby informacje, które pozwalałyby optymalizować procesy produkcyjne oraz efektywniej eksploatować park maszynowy. Dotychczas kontrolę dostępu realizowano, korzystając z kluczy fizycznych. Te niestety często są pozostawiane w maszynie, gubione, udostępniane nieuprawnionym pracownikom. Podobnie zawodne są rozwiązania oparte na hasłach i kodach PIN. Poza tym oba podejścia nie pozwalają na sprawdzenie, kto jest odpowiedzialny, jeśli dojdzie do wypadku albo innego zdarzenia, które wymaga wyciągnięcia konsekwencji. W związku z tym firma zdecydowała się na wbudowanie w obrabiarki czytnika RFID. Karta dostępu ze zintegrowanym znacznikiem RFID wydawana jest wyłącznie operatorom przeszkolonym do obsługi tych maszyn. System autoryzacji współpracuje także z firmowymi identyfikatorami w różnych technologiach RFID. Dzięki temu rozwiązaniu pracownicy nie muszą podawać danych uwierzytelniających. Ponadto informacje o tym, kto i kiedy uruchomił daną obrabiarkę i jakie operacje wykonał, są automatycznie zapisywane w bazie danych.

Innowacje w czytnikach RFID

Czytniki RFID także są wciąż unowocześnianie. Ważny trend to wyposażanie ich w różne interfejsy komunikacyjne – standardowe opcje łączności to Wi- Fi, Bluetooth i sieci komórkowe. Dzięki temu łatwiej je zintegrować z systemami nadrzędnymi. W czytnikach RFID popularyzuje się również możliwość przetwarzania brzegowego (edge computing), tzn. obróbki wstępnej danych w ich źródle albo w jego pobliżu. Przetwarzanie lokalne ma wiele zalet – dzięki temu, że czytnik nie musi się ciągle komunikować z serwerem, zmniejszają się opóźnienia i obciążenie sieci. Znaczenie ma także kwestia bezpieczeństwa danych – by je zapewnić, w czytnikach implementowane są zaawansowane mechanizmy szyfrowania i uwierzytelniania.

Producenci stale pracują również nad poprawą zasięgu odczytu oraz dokładności czytników RFID. Postęp w tym zakresie jest osiągany dzięki innowacjom w projektowaniu anten oraz algorytmach przetwarzania sygnałów. W dziedzinie przenośnych czytników RFID nacisk jest także kładziony na wzrost ich sprawności energetycznej – energooszczędne czytniki mogą dłużej pracować między kolejnymi ładowaniami, co usprawnia ich obsługę. Stają się też coraz mniejsze i bardziej kompaktowe, a nawet są dostępne w wersji noszonej (wearable). Te ostatnie dzięki temu, że użytkownik, by z nich korzystać, nie potrzebuje używać rąk, pozwalają na jednoczesne wykonywanie innych zadań. To ma przełożenie na wydajność pracy.

Monika Jaworowska