2 RFID-технология и его особенности
2.1 Состав и описание основных компонентов RFID- технологии
Как уже было отмечено в первой главе, одним из наиболее распространенных методов автоматической идентификации в цепочках поставок является технология радиочастотной идентификации или RFID. В данной главе хотелось бы осветить RFID-технологию, о которой говорят, что возможно в скором времени она сможет заменить штрих-коды.
RFID-система – это составляющий единое целое набор компонентов, реализующий какое-либо RFID-решение. Общий принцип работы любой RFID-системы достаточно прост.
RFID-система состоит из следующих компонентов, рассматриваемых в виде сквозной среды:
– метка (обязательный компонент любой RFID-системы);
– ридер (тоже обязательный компонент);
– антенна ридера (обязательный компонент; некоторые ридеры, выпускаемые в настоящее время, имеют встроенную антенну);
– контроллер (обязательный компонент; однако он встраивается в большинство ридеров нового поколения);
– датчик, исполнительнее и оповещающее устройство (эти дополнительные устройства необходимы для ввода и вывода внешних сигналов);
– система хост-компьютер и программное обеспечение (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).
На рисунке 2.1 ридер показан в центре RFID-системы, и он кажется центральным ее звеном. Это удобно для изготовителя RFID-системы [11].
Рисунок 2.1 – RFID-система с типичными компонентами
2.2 Основные виды и принцип работы RFID-меток
RFID-метки (теги), которые также называются транспондерами или радиометками, служат для хранения данных, считываемых посредством RFID ридеров. RFID радиометки состоят из двух основных частей – микрочипа, на которой хранятся все данные, и внутренней антенны, принимающей радиосигналы от излучающего радиоволны ридера (считывателя), тем самым обеспечивая обратную передачу данных с микрочипа RFID метки [21].
Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая – интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного сигнала. Вторая – антенна для приёма и передачи сигнала.
Классификация RFID-меток в зависимости от технических характеристик:
– по наличию/отсутствию источника питания;
– по рабочему частотному диапазону;
– по типу памяти;
– по исполнению.
На рисунке 2.2 краткое описание выше упомянутой классификации RFID-меток в зависимости от технических характеристик.
Рисунок 2.2 – Классификация RFID-меток
Ниже рассмотрим первый способ классификации RFID-меток, основанный на наличии в метке встроенного источника питания и/или возможности поддержки специализированных задач:
– пассивные;
– активные;
– полуактивные.
2.2.1 Пассивные метки.
Пассивные метки обладают устойчивой дальностью считывания и более зависимы от регламентных ограничений и влияния окружающей среды. Тем не менее они имеют максимальный рыночный потенциал из-за наименьшей стоимости. 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. 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 [2].
Пассивная метка, как правило, меньше активной или полуактивной метки. Значение расстояния считывания у нее может быть самым различным — от менее 1 дюйма и примерно до 30 футов (около 9 м).
Стоимость пассивной метки также в общем случае меньше, чем у активной или полуактивной метки [9].
На рисунке 2.3 показаны компоненты пассивной метки.
Рисунок 2.3 – Пассивная метка
Пассивная метка состоит из следующих основных компонентов:
1) Микрочип. Устройство управления питанием/выпрямитель преобразует питающее 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 модулированный 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 [11]; Основные компоненты микрочипа представлены на рисунке 2.4
Рисунок 2.4 – Основные компоненты микрочипа
2) Антенна. 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 [9].
Длина 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.
2.2.2 Активные метки.
Активные RFID-метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего они могут быть прочитаны на дальнем расстоянии, имеют большие размеры, могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако, у батарей ограничен срок работы, и такие метки являются наиболее дорогими.
Активные метки в большинстве случаев являются более надежными (например, имеют меньшее количество ошибок), чем пассивные благодаря установлению канала между меткой и устройством считывания (ридером). Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяя применять из в более агрессивных для радиочастотного сигнала средах типа воды (включая людей и животных, которые на большую часть состоят из воды), металлов (корабельные контейнеры, автомобили), либо в воздухе на больших расстояниях. Большинство активных меток позволяют передать сигнал на расстояния в сотни метров при жизни батареи питания до 10 лет. Некоторые RFID-метки имеют встроенные сенсоры, например, для мониторинга температуры скоропортящихся товаров или для измерения готовности бетона. Активные метки обычно имеют гораздо больший радиус считывания и объем памяти, чем пассивные, и хранить больший объем информации для отправки приемопередатчиком [22].
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) [9].
Расстояние считывания активной метки может составлять 100 футов (около 30,5 м) и более при использовании активного передатчика такой метки [22].
Активная метка состоит из следующих компонентов:
– микрочипа;
– антенны;
– внутреннего источника питания;
– внутренней электроники.
При использовании батареи активная метка, как правило, работоспособна в течение 2-7 лет в зависимости от срока службы батареи. Одним из факторов, определяющих срок службы батареи, является периодичность передачи данных – чем больше интервал между передачами, тем больше срок службы батареи и, следовательно, срок службы метки. Когда батарея метки полностью разряжается, метка прекращает передавать сообщения. Ридер, считывающий эти сообщения, не будет знать, закончился ли заряд батареи, или же отмеченный продукт исчез из зоны чтения, если не предусмотрена передачи меткой статуса батареи своему ридеру [11, 22].
Внутренняя электроника позволяет метке действовать в качестве передатчика и позволяет ей оптимальным образом выполнять такие специализированные задачи, как вычисления, отображение значений определенных динамических параметров, работать в качестве датчика и т.п. этот компонент также может обеспечивать дополнительную возможность подключения внешних датчиков. Следовательно, в зависимости от типа присоединяемого датчика такая метка может выполнять целый ряд задач для чувствительных элементов. Другими словами, диапазон функциональных возможностей данного компонента практически безграничен. Нужно обратить внимание на то, что по мере расширения функций и, следовательно, физических размеров этого компонента может увеличится и сама метка. Такой рост является допустимым, так как на размеры активных меток не накладывается жестких ограничений до тех пор, пока они могут применяться (т.е. надлежащим образом прикрепляться к отмечаемому объекту). Это означает, что активные метки могут использоваться в широком диапазоне прикладных систем, некоторых из которых сегодня еще даже не существует [11, 22].
На рисунке 2.5 показаны компоненты активной метки.
Рисунок 2.5 – Активная метка
2.2.3 Полуактивные (полупассивные) метки.
В полуактивных метках имеется свой внутренний источник питания (например, батарея) и электроника для выполнения специализированных задач. Внутренний источник питания дает энергию для работы метки. Однако для передачи 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. Но полуактивная метка, в отличие от пассивной, не использует сигнал ридера для своего возбуждения, поэтому такая метка может находиться в зоне считывания значительно меньше времени для надежного считывания (в отличие от пассивной метки) [11, 22].
На рисунке 2.6 показаны компоненты полуактивной метки.
Рисунок 2.6 – Полуактивная метка
2.3 RFID-считыватель
RFID-считыватель (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. Значения рабочих циклов ридеров ограничиваются международными нормативами. Ридер являются неотъемлемой частью RFID-технологий, являясь при этом необходимым RFID-оборудованием.
RFID-считыватель 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 [11].
Ридер состоит из следующих основных частей:
– передатчика;
– приемника;
– микропроцессора;
– памяти;
– каналов ввода-вывода для внешних датчиков, исполнительных и оповещающих устройств;
– контроллера;
– интерфейса связи;
– источника питания.
На рисунке 2.7 показан пример ридера с такими компонентами.
Рисунок 2.7 – Структурная схема типичного ридера
2.3.1 Передатчик.
Передатчик ридера применяется для передачи меткам (в своей зоне чтения) питания переменного тока и тактовой частоты с помощью своих антенн. Он входит в состав блока приемопередатчика, отвечающего за посылку сигнала ридера в окружающую среду и прием ответного сигнала метки через антенну (антенны) ридера. Выводы (порты) для антенн ридера подключаются к своим компонентам приемопередатчика. К каждому такому антенному порту может быть подключена одна антенна ридера. В настоящее время некоторые ридеры могут поддерживать до четырех антенных портов.
2.3.2 Приемник.
Этот компонент также входит в состав модуля приемопередатчика. Он принимает аналоговые сигналы метки через антенну ридера. Затем он посылает эти сигналы в микропроцессор ридера, где они преобразуются в эквивалентную этим сигналам цифровую форму (т. е. в цифровое представление данных, которые метка передала на антенну ридера).
2.3.3 Микропроцессор.
Этот компонент отвечает за реализацию протокола информационного обмена ридера с совместимыми метками. Он декодирует получаемый от приемника аналоговый сигнал и находит в нем ошибки. Кроме того,
микропроцессор дополнительно может содержать логическую схему для низкоуровневой фильтрации и обработки считанных данных метки [11,16].
2.3.4 Память.
Память используется для хранения таких данных, как параметры конфигурации ридера и список считанных меток. Следовательно, при потере связи между ридером и системой контроллера/программного обеспечения будут теряться не все данные считанных меток. Тем не менее объем памяти ограничивает количество одновременно хранимых данных считанных меток. Если связь отсутствует в течение продолжительного времени и в этот период ридер будет читать метки, то может происходить переполнение памяти и потеря части хранимых данных (т. е. их перезапись другими метками, считанными позднее).
2.3.5 Каналы ввода-вывода.
Каналы ввода-вывода для внешних датчиков, исполнительных и оповещающих устройств. Данный компонент обеспечивает механизм для включения и выключения ридера в зависимости от внешних событий. Это может быть датчиком определенного типа (например, датчиком движения или светочувствительным элементом), обнаруживающим присутствие отмеченных объектов в зоне чтения ридера. Такой датчик затем может отдавать команду ридеру на чтение метки. Подобным же образом данный компонент позволяет ридеру осуществлять вывод локального сигнала по некоторым условиям на устройство оповещения (например, звуковую сигнализацию) или на исполнительное устройство (например, открывающее или закрывающее двери системы безопасности, перемещающее манипулятор робота и т.д.) [11,16].
2.3.6 Контроллер.
Контроллер – это устройство, позволяющее внешнему объекту (например, человеку или компьютерной программе) обмениваться информацией с ридером и управлять его функциями, а также оповещающими и исполнительными устройствами, соединенными с данным ридером.
2.3.7 Интерфейс связи.
Компонент интерфейса связи обеспечивает команды информационного обмена ридера с внешними объектами. В нем с помощью контроллера передаются хранящиеся в ридере данные, принимаются команды и отсылается назад соответствующий ответ. В ридере может быть как последовательный, так и сетевой интерфейс связи.
2.3.8 Источник питания.
Этот компонент снабжает энергией компоненты ридера. Его питание, как правило, осуществляется с помощью электрического шнура, включаемого в соответствующую внешнюю розетку [16].
2.4 Рабочая частота RFID-системы в складировании
Важным является выбор правильной рабочей частоты. Для этого необходимо определить конкретные ее предназначения. Нужно учитывать, что основной целью использования частоты является эффективная работа всей системы. Вопрос связан с определением максимального расстояния между считывателями и метками, количеством меток, с учетом необходимости видимости. Предлагается выбор рабочей частоты, основанный на максимальной дальности считывания информации с метки ручным считывателем, что необходимо при идентификации со складских стеллажей.
Для правильного выбора рабочей частоты, необходимо учитывать следующие основные параметры:
– максимальное расстояние чтения;
– тип прикладной системы;
– условия эксплуатации.
В RFID системах используются несколько рабочих частот. Каждая из них занимает определенную нишу на рынке и предназначена для решения конкретных проблем.
Низкочастотные системы RFID обычно используют диапазон частот от 125 кГц. Подобные системы считывают информацию с более коротких расстояний и с меньшей скоростью, чем системы, использующие более высокие рабочие частоты. Обычно подобные системы используются для контроля доступа, чипирования животных, в здравоохранении, а также в различных приложениях для платежных систем.
Высокочастотные RFID системы (13,56 МГц) работают на больших расстояниях и с большей скоростью, чем низкочастотные системы. Обычные приложения включают в себя смарт-карты, идентификацию багажа самолета и регистрации данных.
Ультравысокочастотные системы RFID используют диапазоны частот, равные 860 – 930 МГц, в зависимости от региона применения (США или Европа). Стоимость меток диапазона UHF практически равна стоимости меток диапазона HF, но при этом метки ультравысокочастотных систем обладают наибольшей дальностью считывания (до 3 метров) и обеспечивают более высокую скорость считывания. Данные системы применяются в приложениях для дистрибуции и логистики и являются основой стандарта Electronic Product Code (HRI). Эти RFID метки стали стандартом для такой всемирно компании, как Wal-Mart и Министерства Обороны в США.
Микроволновые системы RFID (2,45 ГГц или 5,8 ГГц) обеспечивают наибольшую скорость считывания, однако, при этом достаточно дорогие и имеют ограничения по дальности считывания.
Во время процесса идентификации товара со складских стеллажей, важную роль играет скорость и расстояние считывания. При этом наиболее подходящим частотным диапазоном является 860 — 960 МГц, что позволяет на расстоянии в несколько метров беспрепятственно считывать информацию с большого количества меток одновременно [23].
2.5 Информационный обмен между ридером и меткой
В зависимости от типа метки информационный обмен между ридером и меткой может осуществляться одним из следующих способов:
– модулированным обратным рассеянием;
– в режиме передатчика;
– в режиме приемопередатчика.
2.5.1 Модулированное обратное рассеяние.
Связь с помощью модулированного обратного рассеяния применяется как для пассивных, так и для полуактивных меток. В таком типе связи ридер посылает метке радиочастотный сигнал незатухающей волны, содержащий энергию питания переменного тока, и тактовый сигнал на несущей частоте. Посредством физической связи антенна ридера подает питание в микрочип. Для обеспечения питания микрочипа в режиме чтения обычно требуется напряжение 1,2 В. Микрочип модулирует или разбивает входной сигнал на последовательность участков включения и выключения, которые представляют собой данные, и передает его обратно. Когда ридер получает такой модулированный сигнал, он декодирует его структуру и получает данные метки [11].
Таким образом, при связи с помощью модулированного обратного рассеяния ридер всегда начинает диалог, а затем в него вступает метка. Метка в такой схеме обмена не может осуществлять связь без ридера, потому что полностью зависит от энергии ридера для передачи своих данных. На рисунке 2.8 показан обмен с помощью обратного рассеяния.
Рисунок 2.8 – Информационный обмен с помощью обратного рассеяния
2.5.2 Передатчик.
Этот тип информационного обмена используется только для активных меток. В нем метка транслирует свое сообщение в окружающую среду через регулярные интервалы, независимо от того, присутствует в ней ридер или нет. Следовательно, в данном типе связи метка всегда начинает диалог, а затем в него вступает ридер. На рисунке 2.9 показан обмен в режиме передатчика.
Рисунок 2.9 – Информационный обмен в режиме передатчика
2.5.3 Приемопередатчик.
Этот тип информационного обмена используется для меток специального типа, называемых приемопередатчиками. В этом режиме метка переходит в «спящее» состояние при отсутствии запроса ридера. В данном состоянии метка может периодически передавать сообщение для проверки, слушает ли ее какой-либо ридер. Когда ридер принимает такой запрос, то может отдать команду на «пробуждение» метки и выход ее из «спящего» состояния. При получении меткой такой команды запуска от ридера она выходит из своего текущего состояния, чтобы снова действовать как метка-передатчик. На рисунке 2.10 показан обмен в режиме приемопередатчика [11].
Рисунок 2.10 – Информационный обмен в режиме приемопередатчика
2.6 Стандарты RFID-технологии
2.6.1 Стандарты ISO/IEC в области RFID-технологии.
Изначально, технология RFID использовала диапазон низких частот, поэтому LF (Low Frequency) – технология, принятая для самого старого варианта RFID, которая использовалась главным образом в производстве и сельскохозяйственных направлениях деятельности. ISO 11784 и ISO 11785 — два широко распространенных стандарта в области низких частот (125 кГц), которые широко использовались и используются в области идентификации и слежения за животными. При этом ISO 11784 определяет структуру данных признака животных (в этом стандарте, животные могут быть идентифицированы кодом страны и уникальным национальным удостоверением личности). ISO 11785 был посвящен техническим аспектам коммуникации [24].
Но в скором времени развитие самой технологии (выход на новые частоты) и областей ее применения (структура данных, протоколы обмена) настолько ускорило темп, что число стандартов ISO значительно выросло
2.6.2 Стандарты ISO по частотному диапазону.
В настоящее время для каждого из выделенных частотных диапазонов действуют свои стандарты со своей степенью проработки. Выделяются следующие диапазоны частот, для которых существуют международные
стандарты ISO: 125-135 кГц, 860-930 МГц, 13.56 МГц и 2.45 ГГц (диапазоны 5.8 ГГц и 433.22 МГц в настоящее время практически не используется). На каждом из выделенных диапазонов работают приложения и прикладные системы, схожие по функциям. В таблице 2.1 приведены стандарты ISO по частотному диапазону [24].
Т а б л и ц а 2.1 – Стандарты ISO по частотному диапазону
2.6.3 Стандарты EPC Global.
Кроме широко известных стандартов ISO, широкое распространение и популярность получили стандарты EPC Global. EPC Global стала заниматься стандартизацией после того, как основанная в 1999 году при Массачусетском университете Auto ID Labs, занимавшаяся вопросами определения стандартов в области сверхвысоких частот (UHF), закрылась в октябре 2003 года. Чтобы завоевать рынок и быть понятной потребителям RFID компания EPC Global начала с того, что выделила определенные функциональные группы меток, назвав их классами. Еще при Auto ID Labs были выделены следующие группы (классы):
1) Класс 0. Группа пассивных меток для идентификации объекта (Passive Identity Tag). Эти метки содержат только так называемый «электронный код продукта» (Electronic Product Code, EPC) в неизменяемом виде и использующий проверку CRC для обнаружения ошибок.
2) Класс 1. Группа пассивных меток с функциональными возможностями (Passive Functional Tag). Эта большая группа меток содержит все метки, имеющие какие либо дополнительные функции, отличающие их от первой группы. Примером таких функции могут быть перезаписываемый EPC, шифрование данных и т.п.
3) Класс 2. Группа «полупассивных» меток (Semi-Passive Tag). К этой группе были отнесены все метки, использующие дополнительно источник питания. При этом основным источником питания должен являться считыватель, а точнее, излучаемая им энергия.
4) Класс 3. Группа активных меток (Active Tag). Эти метки содержат встроенный источник питания, полностью обеспечивающий метку необходимой энергией вне зависимости от считывателя.
5) Класс 4. Группа активных RFID-меток (RFID Tag). Эти метки не только содержат встроенный источник питания, но и набор определенной логики, позволяющей метке обмениваться данными с такой же меткой или обычным считывателем [24].
2.6.4 Электронный код продукта EPC.
Электронный код продукта (Electronic Product Code) — это схема нумерации, позволяющая присвоить уникальный идентификатор любому физическому объекту. EPC можно считать очередным поколением универсальных кодов продуктов, которые наносятся на большинство товаров в настоящее время. EPC — это способ назначить собственный идентификатор для любого изделия и тем самым сделать его однозначно распознаваемым. Нынешний формат данных EPC Type I, предоставляющий такую возможность, содержит следующие поля (рисунке 2.11):
– заголовок (обозначает номер версии EPC);
– номер владельца (указывает на предприятие, которое использует данныйEPC-номер);
– класс объекта (показывает класс или категорию продукта, аналогичен единице складского учета);
– серийный номер (содержит уникальный код экземпляра маркируемого товара).
Такая 96-разрядная спецификация EPC-кода позволяет однозначно распознавать 268 миллионов компаний, каждая из которых может иметь 16 миллионов классов объектов — по 68 миллиардов серийных номеров в каждом [9].
Рисунок 2.11 — Формат нумерации электронных кодов продуктов EPC
2.7 Системы RFID, работающие в СВЧ и микроволновом диапазоне
Системы RFID, у которых расстояние между считывателем и транспондером больше 1 метра, называют системами дальнего действия. Эти системы работают на СВЧ частотах 865-870 МГц (Европа) и 915 МГц (США), а также на микроволновых частотах 2,5 и 5,8 ГГц.
2.7.1 Подача энергии на транспондер.
Для оценки мощности, нужной для работы пассивного транспондера в СВЧ и микроволновом диапазонах, используют понятие потери энергии в свободном пространстве. Потери в свободном пространстве определяют соотношение между ВЧ энергией, излучаемой считывателем в свбодное пространство, и ВЧ энергией, принимаемой траспондером. Эти потери зависят от расстояния d между траспондером и антенной считывателя, частоты передачи f считывателя, коэффициентов усиления антенны транспондера и антенны считывателя.
Значение потерь в децибелах в свободном пространстве для различных частот передачи f и расстояний d между транспондером и антенной считывателя приведены в таблице 2.2. Коэффициент усиления антенны транспондера принят равным 1,64 (диполь), коэффициент усиления антенны считывателя принят равным 1 (изотропный излучатель) [16].
При использовании полупроводниковой технологии малых мощностей можно изготовить чипы для транспондера с расходом энергии не более 5 мкВт.
Эффективность интегрального выпрямителя в СВЧ и микроволновом диапазонах обычно составляет 5-25 %.
Т а б л и ц а 2.2 – Значения потерь в свободном пространстве в СВЧ и микроволновом диапазонах
Если принять эту эффективность равной 10 %, тогда для работы чипа транспондера потребуется принимаемая антенной транспондера энергии PТ=50 мкВт. Это означает, что если эффективная изотропная излучаемая мощность передатчика считывателя PС=0,5 Вт и если на антенне транспондера должна быть получена достаточно высокая мощность, тогда потери в свободном пространстве не должны превышать 40 дБ (PСPТ ).
Из данных в таблице 2.2, следует, что при частоте передачи 868 МГц может быть реализована дальность немного более 3 м, при частоте 2,45 ГГц
можно достичь немного более 1 м. Если бы чип транспондера имел более высокий расход энергии, тогда бы соответственно упала бы достижимая дальность [16].
Для того чтобы обеспечить дальность действия до 15 м или дать возможность работать чипам транспондера с большей потребляемой мощностью при приемлемой дальности действия, транспондеры с обратным рассеянием часто снабжают батареей резервного питания чипа транспондера. Чтобы предохранить эту батарею от излишней нагрузки, микрочипы, как правило, имеют возможность сбережения энергии в режиме «выключение питания» или «резерв».
Если транспондер выходит из зоны действия считывателя, тогда чип автоматически переключается в энергосберегающий режим «выключение питания». В этом состоянии потребление энергии составляет всего несколько микроампер. Чип не реактивируется до тех пор, пока не будет принят достаточно сильный сигнал в рабочей зоне считывателя, где он переключается обратно в нормальный режим. Следует отметить, что батарея активного транспондера используется исключительно для электропитания микрочипа и никогда не дает энергию для передачи данных между транспондером и считывателем. Для передачи данных от транспондера к считывателю используется только энергия электромагнитного поля, излучаемого считывателем.
2.7.2 Передача данных на считыватель.
В системах RFID, работающих в СВЧ и микроволновом диапазонах, для передачи данных от транспондера на считыватель обычно используется метод модуляции обратного отражения. Из радиолокационной технологии известно, что электромагнитные волны отражаются объектами, имеющими размеры больше половины длины волны. Эффективность, с которой объект отражает электромагнитные волны, описывается его эффективной площадью отражения (reflection cross-section). Объекты, оказывающиеся в резонансе с фронтом волны, которая сталкивается с ними, как происходит, например, с антеннами на соответствующей частоте, имеют особенно большую эффективную площадь отражения [16].
Рисунок 2.12 – Транспондер с использованием модуляции обратного отражения
Антенна считывателя излучает энергию P1, малая часть этой энергии P’1 из-за затухания волн в свободном пространстве достигает антенны транспондера (рисунок 2.12). Энергия P’1 поступает на антенну как ВЧ напряжения, которое после выпрямления диодами D1 и D2 может быть использовано как напряжение включения для выхода из энергосберегающего режима «питание выключено» или для деактивации. Диоды, используемые здесь, являются низкобарьерными диодами Шотки, которые имеют низкое пороговое напряжение. Полученное напряжение может быть достаточным, чтобы служить в качестве источника энергии для работы на коротких расстояниях. Параллельный регулятор D3 предотвращает неконтролируемое увеличение напряжения питания, когда транспондер приближается к антенне считывателя [16].
Часть поступающей на транспондер энергии P’1 отражается антенной и возвращается как энергия P2. На отражающие свойства антенны можно воздействовать, изменяя нагрузку, подсоединенную к антенне. Для того чтобы передавать данные от транспондера к считывателю, резистор нагрузки R , соединенный параллельно с антенной, переключается полевым транзистором (ПТ) в состояние «включено» в такт с потоком передаваемых данных. Соответственно происходит модуляция отражаемой от транспондера энергии P2. Модулированная энергия P2, отраженная от транспондера, излучается в свободное пространство. Небольшая часть ее (из-за затухания волн в свободном пространстве) улавливается антенной считывателя. Поэтому отраженный сигнал, который проходит в антенное соединение считывается в обратном направлении, должен быть развязан, используя направленный ответвитель (directional coupler), и передан на вход приемника считывателя. Сигнал передатчика, который существенно сильнее принятого сигнала, в значительной степени подавляется направленным ответвителем [16].
2.8 Особенности передачи данных в системе RFID
Обычно для передачи информации в RFID-системах используется радиочастотный канал, работающий по схеме передатчик-приемник. Общая схема информационной системы с использованием радиотехнического канала связи для передачи дискретных данных показана на рисунке 2.13.
Рисунок 2.13 – Структурная схема информационной системы с радиотехническим каналом связи
Объект А — считыватель, а объект В — транспондер RFID-системы. Передача данных в RFID-системе от считывателя к транспондеру предусматривает выполнение следующих операций:
– цифрового кодирования сообщения, выдаваемого считывателем;
– модуляции кодированного сообщения;
– передачи по каналу связи;
– демодуляции принятого транспондером сообщения;
– декодирования принятого цифрового кода [16].
При цифровом кодировании сообщения, подлежащего передаче, формируется его представление в виде цифрового кода, согласованного оптимальным образом с характеристиками канала передачи. Для осуществления передачи цифрового кода сообщения необходимо выполнить модуляцию несущего сигнала на передающей стороне и демодуляцию принятого модулированного сигнала на приемной стороне.
Для передачи сигнала используется модуляция сигнала высокой несущей частоты в соответствии с модулирующим сигналом. Частоты модулирующего сигнала, как правило, малы по сравнению с несущей частотой. Основная характеристика процесса модуляции — степень соответствия между изменением параметра высокочастотного колебания и модулирующим сигналом [16].
Основной функцией передатчика радиотехнического канала связи является генерация высокочастотных колебаний несущей частоты. В зависимости от назначения радиоканала связи мощность колебаний может изменяться в широком диапазоне. Основными характеристиками высокочастотного генератора являются частота, мощность и КПД. Особенно важное значение имеет стабильность частоты колебаний. Требования к техническим характеристикам RFID-систем диктуют применение высоких несущих частот. Условия же обработки сигналов на фоне помех заставляют добиваться максимально возможного уменьшения абсолютных изменений частоты. Это приводит к жестким требованиям к относительной стабильности частоты.
Приемник осуществляет усиление слабых принимаемых сигналов. Антенна приемника улавливает малую долю энергии, излучаемой антенной передатчика. Мощность на входе приемника зависит от ряда факторов: расстояния между считывателем и транспондером, степени направленности антенн, условий распространения радиоволн и др. В современных приемниках уверенная обработка сигнала обеспечивается при напряжениях на входе порядка 1 мкВ. Решение этой сложной задачи оказывается возможным благодаря достижениям современной электроники. Проблема усиления в приемнике неотделима от проблемы выделения сигнала на фоне помех. Поэтому одним из основных параметров приемника является избирательность, под которой подразумевается способность выделять полезные сигналы из совокупности сигнала и посторонних воздействий (помех), отличающихся от сигнала частотой. Частотная избирательность осуществляется с помощью резонансных колебательных цепей [16].
После усиления сигнала осуществляется выделение сообщения из высокочастотного колебания, то есть выполняются процедуры демодуляции (детектирования) и декодирования. В результате демодуляции должно быть получено напряжение (ток), изменяющееся во времени так же, как изменяется один из параметров (амплитуда, частота или фаза) модулированного колебания, то есть должно быть восстановлено передаваемое сообщение. Детектор, как правило, включается на выходе приемника, следовательно, к нему подводится модулированное колебание, уже усиленное предыдущими ступенями приемника. Основное требование к детектору — точное воспроизведение формы сигнала. После детектирования осуществляется декодирование сигнала. Задача декодирования сигнала заключается в восстановлении исходного сообщения из закодированного принятого сигнала.
При передаче данных в обратном направлении — от транспондера к считывателю — выполняются аналогичные операции с учетом перемены ролей передающей и приемной сторон. Естественно, на транспондере и считывателе должны быть дополнительно установлены соответствующие функциональные блоки. В частности, для обеспечения поочередной передачи информации в обоих направлениях считыватель и транспондер обычно содержат как
модулятор, так и демодулятор, которые часто объединяются в модеме. Основным назначением модема является преобразование цифрового сигнала в аналоговый для передачи его по каналу связи и соответственно обратное преобразование на принимающей стороне. Модем выполняет функции модуляции несущего сигнала на передающей стороне и демодуляции принятого модулированного сигнала на приемной стороне [16].
2.8.1 Возникновение коллизий в системе RFID.
Антиколлизионные процедуры. Чтобы считыватель RFID-системы мог взаимодействовать одновременно со многими транспондерами, принимая от них неискаженную информацию, считыватель и транспондеры должны быть спроектированы таким образом, чтобы распознавать и устранять ситуацию, когда несколько транспондеров одновременно передают свои данные. В противном случае модулированные сигналы этих транспондеров одновременно появятся на входе считывателя и произойдет их взаимное искажение. Это явление называется коллизией. При коллизии данных на входе считывателя последний не получит от транспондеров никакой достоверной информации.
Интерфейс транспондер-считыватель подобен последовательной шине, несмотря на то, что эта «шина» проходит по воздуху. В приложениях, использующих проводную последовательную шину, для предотвращения конфликтов на этой шине необходим арбитраж. Интерфейс RFID-систем также нуждается в подобном арбитраже, чтобы в каждый момент времени по этому интерфейсу передавал данные считывателю только один транспондер.
Рисунок 2.13 – Общая схема взаимодействия считывателя и транспондеров
Каждый канал связи имеет определенную пропускную способность, которая определяется максимальной скоростью передачи данных в этом канале связи и временным диапазоном их доступности. Полная пропускная способность канала RFID-системы должна быть разделена между отдельными участниками (транспондерами) так, чтобы можно было без взаимных коллизий передавать данные от нескольких транспондеров к одному считывателю. Например, в индуктивной RFID-системе всем транспондерам, находящимся в зоне опроса, доступна только приемная часть считывателя в качестве общего
канала для передачи данных считывателю. Максимальная скорость передачи данных определяется эффективной шириной полосы пропускания антенн транспондера и считывателя [16].
Для обеспечения взаимодействия считывателя с отдельным устройством из группы транспондеров каждый транспондер должен быть заблаговременно идентифицирован, тогда считыватель сможет к нему обратиться. Считыватель начинает взаимодействие с транспондерами с запроса типа: «Кто находится в зоне опроса?» На этот запрос транспондеры могут ответить, отправляя считывателю свой идентификационный код.
Процесс разделения всех этих ответов и фиксации неискаженных идентификационных кодов транспондеров называют антиколлизионным процессом.
Для выделения и идентификации отдельного транспондера из группы аналогичных устройств применяются различные антиколлизионные методы мультидоступа.
Различают четыре основных метода мультидоступа:
– с разделением в пространстве;
– с разделением по частоте;
– с разделением во времени;
– с разделением по коду.
В контексте RFID-систем, реализация технической процедуры, обеспечивающей обработку мультидоступа без каких-либо коллизий, называется антиколлизионной системой [16].
Мультидоступ с разделением в пространстве SDMA (space division multiple access) относится к методам, которые используют определенный ресурс (пропускную способность канала) в пространственно разделенных областях.
Один из вариантов реализации метода SDMА заключается в значительном уменьшении рабочей области, приходящейся на один считыватель, за счет применения набора из большого числа считывателей и антенн, обеспечивающих охват всей исходной области. В результате эффективно используется пропускная способность каналов смежных считывателей.
Недостатком метода SDMA является относительно высокая стоимость реализации сложной антенной системы. Поэтому использование антиколлизионной процедуры в соответствии с этим методом ограничивается несколькими специализированными приложениями.
Мультидоступ с разделением по частотной области FDMA (frequency domain multiple access) относится к методам, в которых участникам коммуникации одновременно доступно несколько каналов передачи на разных несущих частотах. В RFID-системах этого можно добиться, используя транспондеры с настраиваемой частотой передачи. Подача энергии на транспондер и передача управляющих сигналов (транслирование) происходят на оптимально выбранной частоте считывателя fA. Транспондеры отвечают на одной из нескольких доступных частот отклика f1,…,fN. Поэтому для передачи данных от транспондеров и к транспондерам могут быть использованы совсем разные диапазоны частот (например, от считывателя к метке – 135 кГц, от метки к считывателю – несколько каналов в диапазоне 433-435 МГц).
Недостатком процедуры, реализующей метод FDMA, является относительно высокая стоимость считывателей, поскольку каждому каналу приема должен быть придан специализированный блок считывания. Эта антиколлизионная процедура также ограничена несколькими специализированными приложениями [16].
Мультидоступ с разделением во времени TDMA (time domain multiple access) относится к методам, в которых вся доступная пропускная способность канала делится между участниками во времени. В RFID-системах процедуры TDMA являются самой большой группой антиколлизионных процедур. Различают процедуры TDMA, управляемые транспондерами или считывателем.
Процедуры, управляемые транспондерами, функционируют асинхронно, поскольку считыватель не управляет передачей данных. Различают также «выключаемые» и «невыключаемые» процедуры в зависимости от того, выключается или нет транспондер сигналом от считывателя после окончания передачи данных. Процедуры, управляемые транспондерами, являются довольно медленными и негибкими.
Большинство приложений используют процедуры, которые управляются считывателем. Эти процедуры могут рассматриваться как синхронизированные, поскольку все транспондеры управляются и контролируются считывателем одновременно.
Сначала из группы транспондеров в зоне опроса считывателя выбирается с использованием определенного алгоритма отдельный транспондер. Затем между выбранным транспондером и считывателем устанавливается соединение для выполнения необходимых операций (например, аутентификации, считывания и записи данных). После завершения этих операций данное соединение прекращается и считыватель выбирает другой транспондер. Поскольку в каждый момент времени существует только одно соединение, а транспондеры могут действовать в быстром режиме, процедуры, управляемые считывателем, известны как временные дуплексные процедуры [16].
Процедуры мультидоступа с разделением по коду CDMA (code division multiple access) управляются считывателем и подразделяются на опросные процедуры и процедуры двоичного поиска. Все эти процедуры основываются на использовании транспондеров, которые идентифицируются уникальным порядковым номером.
Опросная процедура (polling) требует списка всех порядковых номеров транспондеров, которые могут появиться в приложении. Считыватель опрашивает поочередно все порядковые номера, пока не ответит транспондер с тем же порядковым номером. Однако такая процедура в зависимости от количества возможных транспондеров может быть очень медленной и поэтому
подходит только для приложений с небольшим числом транспондеров в данной области.
Процедуры двоичного поиска (binary search) являются наиболее гибкими и поэтому находят широкое применение. В процедуре двоичного поиска транспондер выбирается из группы, намеренно вызывая коллизию данных в порядковых номерах транспондеров, передаваемых считывателю вслед за командой опроса от считывателя. Чтобы эта процедура удалась, важно, чтобы считыватель был способен определить точную позицию бита коллизии, используя подходящую систему кодирования сигнала [16].
2.9 Выводы
В этой главе описаны особенности передачи данных и причины возникновения коллизий. По основным особенностям RFID-меток предлагаю выбрать пассивные метки. Для быстрой инвентаризации товара работникам склада предлагаю использовать портативный RFID-считыватель. Для работы в системе складирования в Казахстане уместным выбором рабочей частоты является частота 868 МГц. В связи важностью проблемы коллизий, предлагаю рассмотреть один из алгоритмов антиколлизионных систем.