CC BY
947
ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ (RFID). ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ВОЗНИКАЮЩИЕ
ПРОБЛЕМЫ А.А. Бобцов, Д.А. Камнев, А.С. Кремлев, С.А. Топилин Научный руководитель - д.т.н., профессор В.В. Григорьев
Рассмотрена технология радиочастотной идентификации и перспективы ее использования при решении ряда прикладных задач в различных областях деятельности человека. Указаны основные проблемы, возникающие при внедрении технологии, и предложены возможные варианты их решения.
Введение
Технология радиочастотной идентификации (RFID - Radio Frequency Identification), позволяющая дистанционно идентифицировать различные физические объекты, появившаяся в середине XX века, в последние годы совершенствуется особенно интенсивно, что связано с развитием микроэлектроники, позволившим реализовать многие идеи технологии RFID, ранее недоступные по чисто технологическим причинам, а также с появлением стандартов, применение которых обеспечило совместимость технических решений от разных производителей [1].
На протяжении продолжительного периода времени вычислительные машины, способные с относительно высокой скоростью обрабатывать и надежно хранить данные, не решали проблему автоматического сбора и ввода-вывода информации в систему управления любым процессом - производством, торговлей, транспортными перевозками и т.п. Неотъемлемым условием надежного функционирования любой автоматизированной системы является абсолютная достоверность наличной информации. Технология RFID наиболее полно соответствует всем требованиям компьютеризированной системы управления, где необходимы распознавание и регистрация объектов и их прав в реальном режиме времени [2].
Свое широкое распространение системы RFID стали получать с середины 90-х годов. По сравнению с уже существовавшими тогда методами идентификации по штрих-коду, по магнитной полосе или по контактному ключу (технология TouchMemory фирмы Dallas), системы RFID обладали рядом существенных преимуществ. Они позволили существенно ускорить процесс идентификации, не требовали специального расположения объекта относительно идентифицирующего устройства, как в системах со штрих-кодом, были более надежными, долговечными и защищенными, чем системы с магнитной полосой, работали бесконтактно, в отличие от систем TouchMemory [3].
На сегодняшний день в отдельных областях применение технологии RFID давно стало привычной практикой. В частности, более десяти лет прошло с тех пор, как компания Ford выпустила первый иммобилайзер на основе системы RFID. Однако только три-четыре года назад начали активно рассматриваться возможности более масштабного использования технологии в различных областях человеческой деятельности, что, в том числе, связано и с наличием ряда определенных проблем, возникающих при разработке и внедрении систем RFID [4].
В данной статье рассматривается технология радиочастотной идентификации (RFID), ее физические основы и особенности. Дана классификация основных элементов систем радиочастотной идентификации. Рассмотрены перспективы использования технологии при решении ряда прикладных задач в различных областях практической деятельности человека. Указаны основные проблемы, возникающие при внедрении технологии, а также предложены возможные варианты их решения.
Основы технологии ВДТО
Технология радиочастотной идентификации основана на обмене информацией между радиоответчиком, так или иначе связанным с объектом, и устройством опроса (считывателем), излучающим через антенну в окружающее пространство электромагнитную энергию. Когда радиоответчик, называемый радиометкой или транспондером, проходит через зону чтения ридера, он сообразно хранящейся в нем информации изменяет его сигнал и возвращает назад. Этот сигнал принимается антенной считывателя, обрабатывается его электронным блоком и по интерфейсу направляется в компьютер, где и определяется идентификатор метки [5].
Принцип работы типовой системы ЯРЮ показан на рис. 1.
Рис. 1. Принцип работы РРЮ-системы
Считыватель содержит генератор высокой частоты Ос, который запитывает антенну считывателя Ьс. За счет наличия электромагнитной связи между антенной считывателя и антенной идентификатора Ы в последней наводится переменное напряжение, величина которого зависит от конструктивного исполнения и расстояния между картой и считывателем. Наведенное напряжение используется для питания микросхемы М1 через выпрямитель, образованный диодом VI и фильтрующим конденсатором О. Микросхема М1 модулирует напряжение в антенне Ы путем ее шунтирования резистором Ш сообразно необходимой для передачи кодовой последовательности. За счет связи антенн модуляция появляется в антенне считывателя Ьс, детектируется диодом Vc и поступает на микросхему считывателя Мс, которая дешифрирует принятый сигнал и через интерфейс посылает его в компьютерную систему обработки данных.
При использовании идентификаторов, способных не только передавать информацию считывателю, но и получать ее для целей программирования или управления режимом работы метки, считыватель RFID-системы также содержит модулятор Мёс, модулирующий излучаемый им сигнал, тем самым осуществляя передачу определенной кодовой последовательности, а идентификатор - детектор Vp и перепрограммируемую энергонезависимую память БЕРНОМ, в которую записывается передаваемая считывателем информация [1].
Таким образом, по видам памяти радиометки разделяются на:
• "RO" (Read Only) - данные записываются только один раз сразу при изготовлении. Такие метки пригодны только для идентификации. Никакую новую информацию в них записать нельзя, и их практически невозможно подделать.
• "WORM" (Write Once Read Many) - кроме уникального идентификатора, такие метки содержат блок однократно записываемой памяти, которую в дальнейшем можно многократно читать.
• "RW" (Read and Write) - такие метки содержат идентификатор и блок памяти для чтения-записи информации. Данные в них могут быть перезаписаны большое число раз.
Кроме того, по типу питания радиометки разделяются на:
• активные - используют для передачи данных энергию встроенного элемента питания. Они обычно программируются так, чтобы излучать свой сигнал через определенные промежутки времени (например, 1 раз в секунду). Дистанция, на которой возможно чтение таких меток может доходить до 100 метров;
• пассивные - используют энергию, излучаемую считывателем. Дистанция регистрации подобных меток существенно меньше, сильно зависит от мощности считывателя и находится в пределах 0,1-10 метров.
По исполнению, зависящему от конкретных целей и условий использования, известны следующие радиометки:
• самоклеящиеся бумажные или лавсановые метки;
• стандартные пластиковые карты;
• дисковые метки;
• различные виды брелоков;
• метки в специальном исполнении для жестких условий эксплуатации.
Типовая конструкция карты для бесконтактной RFID-идентификации представлена на рис. 2.
Рис. 2. Типовая конструкция карты РРЮ
Ридер может иметь различное исполнение - от простого переносного сканера до стационарного туннельного устройства, которое сканирует упаковки по мере их продвижения по конвейеру. Стационарные ридеры обладают большей зоной чтения и мощностью, обычно напрямую подключены к системе обработки информации. Мобильные - обладают сравнительно меньшей дальностью действия, имеют внутреннюю память для хранения полученных данных.
Антенны могут быть встроены в специальные сканеры, а также в ворота, турникеты, дверные проемы и т.п. для получения информации от предметов или людей, проходящих через зону ее действия. Конструктивно антенна может быть выносной или находиться вместе с ридером в одном корпусе [6].
На сегодняшний день для использования технологии RFID наибольшее распространение получили три частотных диапазона: 125 кГц, 13,56 МГц и 2,45 ГГц. Для ре-
шения той или иной прикладной задачи наиболее пригоден конкретный частотный диапазон, что наглядно иллюстрируется рис. 3.
В зависимости от используемой частоты КБГО-системы можно разделить условно на три группы:
1. высокочастотные (850-950 МГц и 2,4-5 ГГц) - используются там, где требуются большое расстояние и высокая скорость обмена информацией;
2. промежуточной частоты (10-15 МГц) - используются там, где должны быть переданы большие массивы данных;
3. низкочастотные (100-500 КГц) - используются там, где допустимо небольшое расстояние между объектом и ридером.
Для каждого из диапазонов используются свои методы кодирования сигналов, свои скорости передачи и алгоритмы разрешения коллизий, т. е. ситуаций, когда сигналы идентификаторов, одновременно находящихся в поле считывателя, накладываются друг на друга. Механизм антиколлизии обеспечивает выборочную поочередную работу с несколькими идентификаторами. В процессе антиколлизии считыватель определяет все идентификаторы по их уникальным серийным номерам, а затем поочередно обрабатывает [2].
ц МГц ГГц
Рис. 3. Зависимость параметров РРЮ-системы от используемой частоты
Перспективы использования технологии КРГО
Технология радиочастотной идентификации существует и используется с 1940-х гг. Во время второй мировой войны ВВС США использовали радиопередатчики для идентификации самолетов. Но лишь несколько лет назад технология начала активно использоваться в сфере производства, торговли, транспорта и т.д.
Прежде всего, технология КРГО позиционировалась как удачная альтернатива штрих-коду. Основное преимущество радиоидентификации состоит в том, что этот метод позволяет максимально автоматизировать процесс опознавания. Считывание информации из метки осуществляется на расстоянии и не требует, в отличие от считывания штрих-кода, размещения считывающего устройства в определенном положении по отношению к метке. Информационная емкость метки существенно больше емкости штрих-кода; информацию в метках можно перезаписывать, а саму метку - спрятать; радиометки более устойчивы к воздействию окружающей среды. Радиоидентификация
обеспечивает более высокую скорость приемки и отправки маркированных товаров, так как несколько десятков меток можно считать в течение 1-2 секунд. Это ценное преимущество для логистических процессов [4].
На сегодняшний день поток новостей о разнообразных приложениях, в которых уже сейчас с успехом применяются RFID, растет ежемесячно. Новый обзор рынка RFID и перспектив его развития, сделанный компанией ГО ТесЬБХ, позволил сделать вывод, что достигший в 2004 г/ уровня 1,9 млрд. долларов рынок RFID, в 2008 г. превысит 7 млрд. долларов и вырастет до 26,9 млрд. к 2015 г.
Результаты проведенного анализа позволяют сформулировать следующие перспективные области применения RFID-технологии.
1. Системы контроля доступа (СКД).
2. Учет и безопасность транспортных средств.
3. Техническое обеспечение спортивных и зрелищных мероприятий.
4. Защита компьютерных систем и телекоммуникаций от несанкционированного доступа.
5. Системы против краж для предприятий, квартир, магазинов.
6. Контроль и сопровождение объектов в технологических процессах.
7. В животноводстве, птицеводстве (вживление электронных меток под кожу).
8. Определение местоположения железнодорожных вагонов, автофургонов.
9. В метрополитене: пассажирские карты, учет рабочего времени кассиров, машинистов и т. п.
10. Лекарства - обработка заказов по кодам контейнеров.
11. Маркировка бочек в пивоваренной промышленности и винных заводах.
12. Выставочные экспонаты - «оживление» экспонатов при подходе гида.
13. Электронная подпись для лиц, работающих на опасных объектах (например, в нефтегазодобывающей и угольной промышленности).
14. Магазины - выдача и перемещение товаров и материальных ценностей.
15. Службы аварийного оповещения и спасения (например, МЧС) [7].
Применение технологии радиочастотной идентификации ведет к улучшению учета, управления и безопасности ресурсов, снижению издержек, повышению производительности, снижению потерь времени и более эффективному использованию оборудования и персонала. На сегодняшний день - это ключевая технология в таких областях, как безопасность, транспортные перевозки, производство, торговля и др.
Таким образом, перспективы применения технологии радиочастотной идентификации - самые широкие: от учета изделий на производстве и ценностей в учреждениях культуры до защиты продукции от подделок. RFID-метки начали получать широкое внедрение и, по прогнозам, обещают стать самой популярной и массовой технологией в мире, способной конкурировать по распространению с мобильными телефонами [8].
Проблемы технологии КРГО
Перечислим основные проблемы, возникающие при разработке и внедрении технологии ЯРЮ.
1. Возможное экранирование сигнала при размещении на металлических поверхностях. Радиочастотные метки подвержены влиянию металла (это касается упаковок определенного вида - металлических контейнеров, иногда даже некоторых типов упаковки жидких пищевых продуктов, запечатанных фольгой). Это приводит к необходимости использования более дорогих меток, разработанных специально для установки на металлические поверхности, или к нестандартным способам закрепления меток на объекте.
2. Подверженность помехам в виде электромагнитных полей от включенного оборудования. Эта проблема практически не актуальна для систем диапазона 868-869 МГц, так как в этом диапазоне не работают другие приборы, но низкочастотные метки, работающие на частоте 125 КГц, подобному влиянию подвержены.
3. Возможность подделки сигнала ответа метки.
4. Возможность заражения меток вирусом.
5. Относительно высокая стоимость качественных меток.
Стоимость пассивной радиочастотной метки составляет от 0,15 доллара (при приобретении свыше 1 000 000 шт.) до 3 долларов (при приобретении 1 шт.). В случае с метками защищенного исполнения эта цена может достигать 5 и более долларов. Таким образом, стоимость КРГО-меток на порядок превышает стоимость этикеток со штриховым кодом. Исходя из этого, использование радиочастотных меток целесообразно для защиты дорогих товаров от краж или для обеспечения сохранности изделий, переданных на гарантийное обслуживание. В сфере логистики и транспортировки грузов стоимость радиочастотной оказывается совершенно незначительной по сравнению со стоимостью содержимого контейнера, поэтому совершенно оправдано использование радиочастотных меток на упаковочных ящиках, паллетах и контейнерах.
6. Взаимные коллизии (перекрытие сигналов нескольких считывателей или одновременный ответ нескольких меток).
7. Отсутствие исследований влияния на организм человека.
Для решения проблемы подверженности систем радиочастотной идентификации помехам в виде электромагнитных полей от включенного оборудования могут быть предложены следующие варианты:
1. конструктивное решение - создание радиоответчиков, использующих специфические особенности поверхностных акустических волн;
2. математическое решение - применение алгоритмов компенсации паразитного сигнала, запаздывания, помех измерительного устройства с использованием методов, предложенных в работах [9-11].
Кроме того, использование поверхностных акустических волн ведет к увеличению числа возможных кодовых комбинаций, хранящихся в радиоответчике, без увеличения размера его микрочипа. Благодаря этому радиоответчику может быть присвоен дополнительный идентификационный номер, что может использоваться в качестве решения проблемы подделки метки. Также использование поверхностных акустических волн снижает стоимость радиоответчика.
Для своевременного предотвращения распространения вируса среди радиоответчиков необходима их систематическая программная проверка антивирусной программой.
Заключение
В статье рассмотрена активно развивающаяся в настоящее время технология радиочастотной идентификации (КБГО), ее физические основы и особенности. Предложена классификация основных элементов систем КРГО по их специфическим характеристикам. Рассмотрены перспективы будущего использования технологии при решении ряда прикладных задач в различных областях практической деятельности человека. Указаны основные проблемы, возникающие при внедрении систем КБГО, а также предложены возможные варианты их решения.
Литература
1. Стасенко Л. Современные технологии радиочастотной идентификации // Системы безопасности, 2004. № 2(56).
2. Стасенко Л. Тихая революция // БДИ, 2004. №3 (54).
3. Барсуков В.С., Пономарев А.А. Беспроводные технологии «последнего дюйма». // Специальная техника, 2005. №1.
4. Насакин Р. Универсальные ярлыки // Компьютерра, 2007. №1-2.
5. Рувинова Э. Радиочастотная идентификация. Бесконтактная технология. // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2004. №6.
6. Гудин М., Зайцев В. Технология RFID: реалии и перспективы. // Компоненты и технологии. 2003. №4.
7. Федоров М. Стандарты и тенденции развития RFID-технологий. // Компоненты и технологии. 2006. № 1.
8. Басина Н. RFID - перспективы и реальность. // CIO. 2006. №9.
9. Бобцов А.А., Кремлев А.С. Синтез наблюдателя в задаче компенсации конечномерного квазигармонического возмущения. // Известия РАН. Теория и системы управления, 2005. №3. С. 5-11.
10. Бобцов А.А., Кремлев А.С. Адаптивная идентификация частоты смещенного синусоидального сигнала // Известия вузов. Приборостроение. 2005. №4. С. 22-26.
11. Бобцов А. А., Кремлев А.С., Цвикевич В.И. Синтез наблюдателя для конечномерного возмущения. // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). 2003. Выпуск 7. Информационные, вычислительные и управляющие системы. С. 81-85.
