UHF RFID technologie kreativní technologie bez mýtů

RFID technologie bezesporu patří k jedněm z perspektivních oborů. Odbornému pracovníkovi nebo i čtenáři, který se zajímá o RFID, určitě neušlo pozornosti, že tato tématika je středem pozornosti již delší dobu.

Na nejrůznějších RFID prezentacích je slyšet, že tato technologie je zde již několik desítek let.

Přesto však nedošlo k takovému rozvoji, jak se očekávalo.

Než se pokusíme odpovědět na tuto otázku, je nutné udělat možná pro někoho zbytečnou rekapitulaci základního rozdělení RFID frekvenčního pásma pro pasivní tagy nebo semi-pasivní tagy:

• Low-frequency (LF) 125 KHz, 134 KHz,
• High frequency (HF)13,56 MHz,
• Ultra-high-frequency (UHF) 860 až 960 MHz.

LF a HF RFID technologie si už našla svoje místo a setkáváme se s ní každý den, aniž si to možná uvědomujeme. Jsou to nejrůznější přístupové a evidenční systémy. Předmětem tohoto článku není analyzovat vlastnosti jednotlivých RFID pásem, přesto je nutné zdůraznit jednu zásadní věc, která je velmi důležitá pro pochopení RFID technologie jako celku. LF a HF RFID technologie jsou založeny na principu induktivní vazby, kdežto UHF RFID technologie je založena na principu šíření elektromagnetických vln. Velice názorně jsou popsány tyto principy v literatuře [1].

Pochopení těchto základních principů je důležité pro správný přístup k implementaci RFID technologie v praxi.

Nyní se můžeme vrátit k naší otázce, proč nedošlo k takovému rozvoji, jak se očekávalo. Co je důvodem, příčinou?

Praxe z RFID obchodních případů napříč celým světem ukazuje, že jsou zde 2 hlavní důvody:

1) Nesprávné pochopení RFID technologie

Prvním důvodem jsou globální firmy a jejich vize o RFID jako „mladšímu bratru“ čárových kódů (naštěstí toto pojetí začíná ustupovat).

Je to fatální chyba, která zavedla řadu projektů do slepé uličky. Pokud použijeme rétorické přirovnání, tak RFID je maximálně bratranec/sestřenice čárového kódu. Obě technologie budou zatím existovat vedle sebe a vzájemně se doplňovat, ale rozhodně nelze tvrdit, že RFID je nástupnická technologie čárových kódů za současné technologické úrovně.

2) Ekonomické důvody

Vytisknutí čárového kódu je stále lacinější než cena RFID čipu.

Zde jsou dva příklady, na kterých lze demonstrovat bod 1) a 2).

a) Označení RFID čipem mléčný výrobek např. jogurt

Čárový kód je natištěn na hliníkovém víčku, cena tisku je minimální. Pokud chceme s RFID čipem označit jogurt stejným způsobem, z principiálních důvodů to nebude fungovat. Ano, lze ho označit speciálním způsobem, který ovšem vyvolá takové náklady, že cena označení bude vyšší než cena výrobku.

b) Označení knih

Výborná aplikace, cena knih je výrazně vyšší než cena čipu. Bylo napsáno mnoho studií o RFID evidenci knih. Na trhu jsou výpůjční systémy knihoven založené na RFID, které pracují výborně a jsou přínosem.

Ale co aplikace v knihkupectví? Když se podíváte na sortiment knihkupectví naleznete zde velké množství knih, kolibří knížky, tužky, kalendáře atd. Označit velké knihy RFID štítkem nebude problém, ale co malé kolibří knížky, možná anténa RFID čipu bude větší. Najednou budou muset v knihkupectví paralelně vedle sebe existovat dva systémy, čárový kód a RFID systém. To asi není to, co očekáváme od RFID.

Může se zdát, že patříme mezi odpůrce RFID technologie, ale opak je pravdou. Je nutné jen vědět, kde jsou úzká místa a jak je překonat. Především UHF RFID technologie, na kterou se dále zaměříme, má velký potenciál a dává prostor RFID kreativním řešením.

UHF RFID technologie je založena na principu šíření elektromagnetické vlny a to předurčuje její vlastnosti. Vlastnost, která je středem pozornosti zákazníka, je vzdálenost čtení, která se mění v závislosti na podmínkách okolí tagu.

Obecně můžeme hovořit o vzdálenosti čtení UHF RFID pasivního tagu 6–9 m ve volném prostoru a v případě UHF semi-pasivní tagu o vzdálenosti 10–15 m. Tyto hodnoty jsou platné pro výkon UHF čtečky 2W/ERP (effective radiated power) dle Evropské normy nebo 4W/EIRP (effective isotropic radiated power) dle normy FCC USA.

Vzdálenost čtení v neposlední řadě závisí také na citlivosti UHF RFID čtečky, která se pohybuje v rozmezí –60 dBm až –82 dB v závislosti na výrobci.

Je zřejmé, že správný výběr UHF RFID tagu (dále jen tagu) výrazně ovlivní výsledek celé implementace. Především to platí v aplikacích, kde v okolí tagu je velké množství kovu, voda nebo podobný materiál s vyšší permitivitou, který rozladí anténu a v důsledku poměrně úzkého pásma 3 MHz (865–868 MHz norma EU) následně není možné získat odpověď od tagu tj. vzdálenost čtení je nulová.

Toto je problém v praktických aplikacích a je nutné na něj pamatovat.

Řešení?

Jedním z jednoduchých postupů, jak minimalizovat rozladění antény, je zvýšit vzdálenost mezi tagem a materiálem s vysokou permitivitou minimálně na 6 mm např. pomocí vzduchové mezery.

Obr. 1 UHF RFID štítek na kov vzdálenost čtení na kovu 40 cm/2 W ERP

V letošním roce byla nastíněna nová cesta, jak omezit vliv vodivých materiálů na tag-anténu a tím i zvýšit stabilitu RFID řešení. Jedná se o použití tagů s vysokým koeficientem štíhlosti antény. Při tomto řešení je možně umístit tag přímo na vodivé materiály a není nutné vytvářet žádnou vzduchovou mezeru mezi tagem a materiálem a vystavovat stabilitu celého RFID řešení nahodilým stavům.

Obr. 2 UHF RFID náramek vzdálenost čtení na 35 cm 2 W/ERP

Určitě není bez zajímavosti, že toto řešení se zrodilo v České republice.

Obr. 3 UHF RFID stahovací pásek vzdálenost čtení na kovu 1,5 m/2 W ERP

Touto na první pohled triviální konstrukcí tagu se otevírají dveře RFID řešením, které byly nedostupné právě proto, že tag je umístěn na kovu, lidském těle nebo v jiných aplikacích, kde na pozadí antény tagu je materiál s vysokou permitivitou.

Tabulka 1 Vzdálenost čtení UHF RFID tagu na AL desce 1000 × 1000 × 2 mm

V tabulce 1 jsou pro srovnání uvedeny naměřené průměrné hodnoty vzdálenosti čtení RFID štítku na kovu v pásmu 860–960 MHz. UHF pásmo bylo doposud zatracováno jako nevhodné pro aplikace na kovu. V tabulce 2 jsou uvedeny naměřené hodnoty za stejných podmínek, ale pro pásmo LF a HF.

Tabulka 2 Vzdálenost čtení LF a HF RFID tagu na AL desce 1000 × 1000 × 2 mm

Na základě naměřených výsledků můžeme opustit mýtus o nevhodnosti UHF RFID tagů pro aplikace, kde jsou vodivé materiály na pozadí nebo materiály s vyšší permitivitou na pozadí.

Zde jsou příklady řešení UHF RFID tagu s anténou s vysokým koeficientem štíhlosti, kde „klasické řešení“ nestačí.

Závěrem bychom rádi zdůraznili, že správný přístup k RFID technologii dává obrovský prostor pro kreativitu řešení. Obsah článku se jen lehce dotkl této problematiky. Na závěr ještě jeden příklad, držíte v rukách časopis DPS, stačí jen implementovat do desky plošného spoje malou anténu, která se stane součástí obvodu, následně osadit jen čipem a otevírají se Vám možnosti pro rozsáhlé monitorování desky po celou dobu její životnosti.

Autor článku je člen skupiny Impinj Global Partner Network.