RFID transpondéry – pohled pod kůži

Úvod

V minulém čísle jsme se věnovali základní filosofii Internetu věcí a jeho jednotlivým blokům. V tomto článku se však podívejme „pod kůži“ RFID (Radio Frequency Identification Device) transpondérů – neboli TAGů. Ty tvoří základní identifikační prvky kolující v systému nejen Internetu věcí.

Příkladem aplikací RFID může být totiž i imobilizér v automobilu, ochrana oblečení v supermarketech proti zcizení, nebo karty na otevírání dveří. Z nejrůznějších dalších aplikačních oblastí pro technologii RFID lze jmenovat např.:

• sledování pohybů a tras,
• ochrana a evidence majetku,
• evidence zavazadel,
• sledování vozidel,
• elektronické klíče (bezdotykové otevírání dveří),
• evidence mýtného,
• cestovní pasy,
• označování zvířat,
• organizace sportovních akcí atd.

Příkladem flexibility systému RFID je rozlišování zásilek u spedičních firem. Na základě bezdotykové identifikace, kdy má každý výrobek svůj vlastní kód, se zásilka přesně umístí do odpovídajícího vozidla. Jestliže je nutná změna trasy nebo času doručení, automatická identifikace balíku značně uspíší tento proces.

Princip funkce

Identifikační systém se skládá z několika hlavních prvků, kterými jsou transpondéry (tagy), čtečky a podpůrné systémy (řídící počítače, databáze, telekomunikační sítě). Technologie RFID pracuje na známém principu radaru. Transpondéry mohou být jak aktivní, tak pasivní (v tomto případě využívají pro své napájení energii vyslanou ze čtečky). Dále bude však pozornost věnována RFID transpondérům pasivním (obr. 1).

Obr. 1 Základní schéma komunikace v RFID

Čtečka nejprve vysílá na svém nosném kmitočtu elektromagnetickou vlnu, která je přijata anténou transpondéru. Indukované napětí vyvolá elektrický proud, který je usměrněn a nabíjí kondenzátor v transpondéru. Uložená energie je použita pro napájení logických a rádiových obvodů transpondéru.

Když napětí na kondenzátoru dosáhne minimální potřebné úrovně, spustí se logický automat či mikroprocesor (tedy řídící obvody uvnitř transpondéru) a transpondér začne odesílat odpověď čtečce. Vysílání transpondéru je realizováno zpravidla pomocí dvoustavové modulace ASK (Amplitude Shifting Key), která je realizována změnou zakončovací impedance antény transpondéru (anténa je buď přizpůsobena, nebo zakončena nakrátko). Odrazy, které vznikají změnou impedance antény, jsou detekovány čtečkou a interpretovány jako logické úrovně „1“ a „0“. Řízení komunikace a jednotlivých stavů členů komunikačního řetězce je definováno příslušnou ISO normou [1].

Obr. 2 Frekvence používané různými aplikacemi RFID

Dostatečná energie pro nabití kondenzátoru v transpondéru a schopnost detekovat přijatou odpověď transpondéru čtečkou jsou tak hlavní hardwarové podmínky fungování RFID systému. S rostoucí vzdáleností mezi čtečkou a transpondérem postupně klesá kvalita RFID signálu. Nárůst šumu v signálu vede až k nemožnosti úspěšné detekce přijaté zprávy. Pomocí modulace vlny vysílané ze čtečky lze do transpondéru také zapisovat. Publikované čtecí vzdálenosti v oblasti metrů odpovídají UHF (Ultra High Frequency) frekvencím nosného kmitočtu a vyžadují optimální prostředí (odrazy a útlumy v prostředí čtecí vzdálenosti rapidně snižují). Pro představu o používaných kmitočtech slouží obr. 2 a více o jednotlivých používaných frekvencích a principech je možné nalézt v odborné literatuře [1].

Standardizace

Technické řešení je pouze jedna část nutná pro uvedení do praxe. Další potřebný krok je ustanovení standardů. V oblasti RFID je možné provést dělení na standardy:

• technologické,
• popisující datovou strukturu,
• definující technickou shodu,
• síťové,
• aplikační.

Jednotlivé standardy jsou samozřejmě detailně popsány nejen v knize RFID Handbook [1]. Systémy značení objektů, včetně možných aplikací elektronických bezpečnostních prvků, spadají pod normu série ISO 18000 (Item management) jejíž podmnožinu tvoří i standardy EPCglobal [2].

RFID čip

Hlavními částmi RFID transpondérů jsou nosný substrát, anténa a elektronický čip. RFID čip však představuje stavební prvek hlavní a to jak z ekonomického, tak i funkčního hlediska.

Realizace RFID čipů jednotlivých výrobců představuje jejich výrobní tajemství. Obvodové struktury se však více či méně podobají. V následující části budou zmíněni dva zástupci, ke kterým bylo možné nalézt alespoň některá data. Protože z technologicko-ekonomického hlediska jsou nejzajímavější právě nízkonákladové RFID technologie, byli vybráni zástupci čipů v pásmu UHF, jejichž rozměry jsou v současném stavu technologických řešení minimální.

Čipy rodiny EM 4xxx

Prvním zástupcem je čip společnosti EM Microelectronic-Marin SA, který byl uveden na trh pod názvem EM4222. Je to zástupce pasivních, frekvenčně nezávislých RFID transpondérů od této společnosti. Další typy řady EM4xxx se liší především kapacitou paměti, normalizačním zařazením, atp. Čipy řady EM42xxx jsou běžně aplikovány v dodavatelsko odběratelských řetězcích. Jednou z pilotních aplikací je jeho použití pro značení zboží společností Marks&Spencer ve Velké Británii [3].

Obr. 3 Základní schéma RFID čipu EM4222 [4]

Pojem frekvenční nezávislosti RFID čipu odpovídá především schopností vstupních obvodů usměrnit vstupní vysokofrekvenční signál a tím zajistit napájení logiky čipu, která zpravidla pomocí ASK přenáší data z transpondéru do RFID čtečky. Standardní podoba vstupních obvodů RFID čipu vychází z klasického zapojení usměrňovače jako násobiče napětí. V RFID čipu je tento násobič realizován nejčastěji pomocí Schottkyho diod, které zaručují funkci usměrňovače s dostatečnou účinností až do frekvencí v řádu jednotek GHz. Následuje Shunt regulator sloužící jako limiter pro ochranu logiky před přepětím a zároveň jako ochrana Schottkyho diod [4]. Modulátor je tvořen tranzistorem Q2 a odpojovač realizuje Q1. Řídící logika s oscilátorem je napájena usměrněným napětím z kondenzátoru CS, který slouží jako akumulátor energie. Modulátor tvoří tranzistor Q2, který v čase vysílání logické jedničky zkratuje vstupní impedanci čipu (tím i antény), což má za následek nepřizpůsobení antény. Výsledkem vzniklých střídajících se nepřizpůsobení jsou odrazy dopadajícího elektromagnetického vlnění na anténu v rytmu modulačního signálu. Změny stavů mezi přizpůsobením a nepřizpůsobení interpretuje RFID čtečka jako jednotlivé datové prvky zprávy.

Konkrétní podoba vnitřní struktury čipu je součástí know-how výrobce a nebylo možné ji zjistit.

Čipy rodiny Hitachi μ

Společnost Hitachi uvedla v roce 2003 RFID čip s ROM pamětí 128 bitů o velikosti 0,4 × 0,4 mm [5], pracující s nosným kmitočtem 2,45 GHz. Ten byl následně v roce 2007 zmenšen do podoby čipu o velikosti 0,15 × 0,15 mm vyrobený technologií SOI (Silicon On Insulator) [6]. Poslední zmenšení tohoto čipu bylo publikováno ještě v roce 2007. Výsledkem práce výzkumně-vývojového týmu společnosti Hitachi je čip nazývaný „RFID pudr“ o velikosti 0,05 × 0,05 mm, vyrobený opět technologií SOI a vybavený ROM pamětí o velikosti 128 bitů [7].

Obr. 4 Blokové schéma RFID Hitachi Mu [8]

Vnitřní struktura a základní popis výroby byla publikována Usamou a kolektivem v [8]. Blokové schéma RFID čipu je na obrázku 4.

Elektrická energie pro napájení jednotlivých obvodů čipu je získávána standardně usměrněním VF signálu blokem Power Rectifier. Protože obvod nemá vlastní oscilátor, je získáván taktovací signál z přijímaného VF signálu v bloku Clock Circuit (hodinový signál má kmitočet 100 kHz). Následují obvody řízení paměti: Control Counter (řídící čítač), Memory Conroller (ovladač paměti), Address Counter (čítačadresy), dekodéry sloupců a řádků paměti X a Y a vlastní ROM paměť 128 bitů zapisovaná svazkem elektronů (Electron Beam ROM Memory).

Obr. 5 Graf relativního snížení ceny RFID čipu μ v poslední verzi 0.05 × 0,05 mm

Čip Mu je v současné době nejmenším známým RFID čipem s vysokou rychlostí zápisu dat do paměti během výroby (30 minut na jeden SOI Wafer). Malé rozměry čipu umožnily i zásadní snížení ceny za jeden čip v porovnání s předchozími verzemi tohoto čipu (Obr. 5).

Zajímavá je i komentovaná mikrofotografie struktury čipu. Plocha, kterou zabírá 128 bitová paměť včetně jejího řízení je 21 × 32 μm. Z toho vyplývá, že velikost jedné paměťové buňky je 0,85 μm2 na jeden paměťový bit [8].

Závěr

Historie a princip činnosti radiových identifikátorů, dnes známých jako RFID, sahá až do druhé světové války. Základy však byly položeny mnohem dříve během výzkumu radarových technologií od roku 1935. Komerční nasazení lze uvažovat až od poloviny 80. let [9].

S rozvojem technologií přípravy křemíkových čipů i vznikem nových aplikací RFID postupně klesala i cena celých identifikátorů k dnešním řádově jednotkám USD centů / kus při odpovídajících výrobních sériích v řádu set tisíc kusů. Aktuální výhledy cen předpokládají dokonce v roce 2019 cenu srovnatelnou s dnešními identifikátory čárových kódů [10].

Co se budoucího vývoje týká, pak lze předpokládat mohutný rozvoj v oblasti tištěných RFID struktur, který sníží nejen cenu, ale i zrychlí a zjednoduší jejich výrobu [11].