Identifikace a sledování objektů pomocí RFID

I když již bylo v tomto časopisu publikováno více odborných článků na téma RFID, např. [1–4], je cílem tohoto článku podat jednoduchý, ale ucelený přehled o RFID technice, ze kterého by mohli čerpat i čtenáři, kteří zatím nejsou s tímto oborem seznámeni.

Zkratka RFID (Radio Frequency Identification) se používá pro bezkontaktní identifikaci a sledování objektů prostřednictvím rádiových vln. Umožňuje identifikovat objekty i bez jejich vzájemné přímé viditelnosti, během pohybu a ve vzdálenosti několika centimetrů až desítek, nebo i stovek metrů.

Sledovaný objekt má připevněnou identifikační jednotku zvanou RFID tag (dále jenom tag), s identifikačními daty, které si prostřednictvím rádiových vln umí přečíst čtečka, zvaná RFID reader (dále jenom čtečka), když se tag nachází v jejím dosahu.

Tag tvoří RFID čip (integrovaný obvod) připevněný k anténě. Čip má předprogramovaný unikátní identifikační údaj (TID – tag identifier) a může mít v paměti zapsány i další potřebné informace, např. data o sledovaném objektu v podobě elektronického kódu (EPC – Electronic Product Code). Některé tagy mohou mít i paměť typu read/write, takže umožňují dodatečné zápisy dat. Tag může být pasivní, nebo aktivní podle toho, jestli má vlastní napájecí zdroj a může sám vysílat signály, nebo ne. Mívá různou podobu, např. samolepicího štítku nebo masivního kompaktního tělesa. Může být také v objektu embedded, např. v plastovém výrobku, v oděvu, v obalu atd.

Reader – čtečka je elektronické zařízení připojené k anténě, které vysílá signál určeným směrem, a pokud je tag v jeho dosahu, přijímá jeho odezvu a vyhodnocením načtených dat ho identifikuje (a s ním i sledovaný objekt). Čtečky mohou mít různá provedení a velikost (obr. 2), bývají pevně umístěné nebo přenosné. Na rozdíl od tagu, který mívá anténu zabudovanou, může čtečka mít anténu jak integrovanou, tak externí, dokonce i několik antén.

Antény čtečky (obr. 3) pracují s lineární (horizontální/vertikální) nebo kruhovou polarizací. Antény s lineární polarizací mají delší dosah a mohou vyzařovat větší výkon, který projde i různými materiály mezi čtečkou a tagem. Tyto antény jsou ale velmi citlivé na orientaci tagu (natočení tagu vůči anténě čtečky). Antény s kruhovou polarizací nejsou tolik citlivé na orientaci tagu, ale nepřenáší tak velký výkon. Výběr antény je ovlivněn potřebnou vzdáleností mezi čtečkou a tagem, která zajistí přenos dat mezi nimi (tzv. read range). Antény čtečky pracují buď s krátkým, nebo dlouhým dosahem (near‑field/far‑field antennas). Při krátkém dosahu bývá vzdálenost kratší než 30 cm a čtení dat tagu není ovlivněno přítomností dielektrika, jako je vodní nebo kovová plocha. U antén s dlouhým dosahem se vzájemnou vzdáleností od 30 cm do desítek metrů mohou dielektrika přenos dat oslabit.

RFID systémy lze rozdělit na dvě skupiny – aktivní a pasivní systémy. Pasivní RFID systémy používají pasivní tag, který nemá vlastní napájecí zdroj ani vysílač. Energie zachycená anténou pasivního tagu napájí integrovaný obvod tagu, který odráží signál zpět i s uloženými daty. Aktivní RFID systémy používají aktivní tagy, které mají svůj vlastní napájecí zdroj a také vysílač.

Rádiový přenos dat probíhá v několika kmitočtových pásmech, od dlouhých vln až po UHF, podle daného RFID systému. Všeobecně platí, že vyšší kmitočty mají kratší vlnové délky s vysokou energií, což ve výsledku znamená větší čtecí vzdálenost. Na druhé straně také platí, že s vyšším kmitočtem rostou na správnou funkci RFID systému nároky kvůli vlivu okolního prostředí, které není šíření kratších vlnových délek nakloněno. Jedná se zejména o vodu a kovové materiály. Použití nízkých kmitočtů umožňuje RFID systému pracovat i poblíž vodních nebo kovových ploch, ale rychlost přenosu dat je nižší.

Pasivní RFID systémy

V pasivních RFID systémech se používá pasivní tag. Ten sestává pouze z RFID čipu a antény. Protože nemá vlastní zdroj napájení, využívá ke své činnosti energii ze zachyceného signálu vyslaného čtečkou. Když se pasivní tag dostane do čtecí zóny čtečky, jeho anténa zachytí signál čtečky a začne jeho energií napájet připojený integrovaný obvod tagu. Ten obratem zajístí odraz signálu zpět ke čtečce způsobem známým pod názvem „backscatter“, při kterém se mění impedance antény v souladu s uloženými daty. RFID čtečka potom interpretuje informace uložené ve zpětném signálu z tagu.

Existuje mnoho provedení pasivních tagů, ale všeobecně je lze rozdělit do dvou skupin – inlay a pevné tagy.

RFID inlay je základní struktura pasivního tagu, která obsahuje jenom RFID čip s anténou. Ta může být vytvořena na papíru, PET a dalších materiálech tiskem, leptáním a dalšími postupy. Ty jsou v podobě polotovaru zpracovány dále výrobci RFID zařízení, nebo mohou být použity i přímo, např. v podobě nálepky s lepkavou zadní stranou, které se nazývají „wet inlay“ (obr. 4), takže se dají použít jako průmyslové „chytré“ štítky (obr. 5). Ty jsou používány v případech, kdy je potřeba levného provedení a snadné aplikace na sledovaný objekt. Tag v provedení inlay se také může položit na pevnou podložku, vložit mezi dvě podložky, zapouzdřit nebo zabudovat do sledovaného objektu, čímž vznikne pevné provedení RFID tagů, které chrání čip s anténou vůči vlivu okolního prostředí. Vyráběny jsou z různých materiálů, mívají různé tvary a velikosti podle potřeby aplikace.

Pasivní RFID tagy jsou používány například v přístupových systémech v podobě klíčenek a karet, jako chytré nálepky na zboží, k identifikaci dobytka atd. Nízká cena tagů je výhodná pro hromadné zavedení pasivních RFID systémů v mnoha odvětvích průmyslu.

Protože dosah pasivních systémů je omezen energií rádiového signálu odraženého od tagu, pohybuje se většinou pod 10 metrů.

Pasivní tagy operují ve třech kmitočtových pásmech od dlouhých vln až po mikrovlny označované jako LF (Low Frequency), HF (High Frequency) a UHF (Ultra‑High Frequency). Na použitý kmitočet, který spolu s dalšími faktory ovlivňuje dosah, má vliv i materiál, na kterém jsou upevněny, a prostředí, ve kterém pracují.

LF pásmo (125–134 KHz) s extrémně dlouhou vlnovou délkou způsobuje krátký čtecí dosah do 10 cm a pomalou rychlost čtení v porovnání s vyššími kmitočty. Na druhé straně není tolik citlivé na vodní plochy a kovové materiály. Toto kmitočtové pásmo je typicky používáno pro sledování dobytka a v přístupových systémech.

HF pásmo 13,56 MHz umožňuje čtecí rozsah od 1 do 100 cm a je používán např. pro přenos dat, v přístupových a dalších aplikacích, které nevyžadují velkou čtecí vzdálenost.

UHF pásmo (865–960 MHz) umožňuje přenášet více energie, a tím i zvýšit dosah čtení čtečky až do 10 metrů, případně i více za příznivých podmínek. Přenos dat na těchto kmitočtech je rychlejší a výroba tagů jednodušší a levnější než u LF a HF tagů. I když UHF RFID je nejvíce citlivé na interferenci, je možné většinu problémů eliminovat. Toto pásmo je používáno tam, kde je vyžadovaná větší čtecí vzdálenost než 1 metr, např. v obchodech.

Kromě klasických pasivních tagů existují ještě tagy s pomocným bateriovým napájením, zvané BAP (Battery‑Assisted Passive). V takovém případě má pasivní tag baterii, která napájí čip, takže všechna energie zachycená od čtečky může být použita pro backscatter (odraz signálu zpět ke čtečce). Pořád se ale jedná o pasivní tag, který nemá vysílač, a sám tedy signály nevysílá. Jeden z RFID čipů vyvinutý pro účel BAP pasivních tagů byl popsán i v tomto časopisu [2].

Aktivní RFID systémy

Aktivní RFID systémy používají RFID tagy s vlastním zdrojem napájení a vysílačem, které tak mohou vysílat svůj vlastní signál. V porovnání s pasivními tagy mají podstatně větší dosah i paměť, jsou ale také dražší. Jsou většinou napájeny baterií, která vydrží 3 až 5 let. Ve většině případů se musí aktivní tag vyměnit, když baterie dojde.

RFID systémy s aktivními tagy obvykle pracují v UHF pásmu a používají dva hlavní kmitočty – 433 MHz a 915 MHz. Volba mezi těmito kmitočty je určena preferencí uživatele, typem použitého tagu a možným vlivem okolí systému. RFID systémy, které používají 433 MHz, umožňují lépe provoz systému v prostředí, které není vysokofrekvenčním signálům nakloněno, jako jsou vodní plochy a kovové materiály.

Čtecí dosah se u aktivních systémů pohybuje kolem 100 metrů, může být ale i větší. Aktivní tagy samy o sobě mívají dosah i několik set metrů, ale kvůli snížení spotřeby energie z baterie bývají nastaveny na kratší dosah.

Aktivní tagy jsou mnohem větší než pasivní. Kromě toho, že mají navíc baterii a další potřebné elektronické obvody, bývají zapouzdřeny do robustních krytů, které jim umožňuje pracovat i za velmi nepříznivých podmínek, jako jsou vysoká teplota a vlhkost. Některé tagy mohou také mít vlastní senzory pro snímání parametrů okolí.

Protože jsou aktivní RFID systémy dražší, používají se hlavně na sledování objektů, jejichž cena je vyšší, nebo tam, kde je nutné přesné sledování polohy. Typické použití zahrnuje sledování objektů, jako jsou třeba nákladní vagóny, kontejnery atd.

Aktivní tagy jsou dostupné jako transpondéry nebo beacons: Transpondér odpoví na zachycený signál čtečky vlastním signálem s potřebnými informacemi. Toto provedení prodlužuje život bateriím, protože transpondér komunikuje pouze ve chvíli, kdy je v čtecí zóně RFID čtečky. Aktivní RFID transpondéry jsou používány například k zajištění bezpečného průchodu a v systémech pro výběr mýta.

Na rozdíl od transpondéru, nečeká beacon na zachycení signálu od čtečky, ale sám kontinuálně vysílá své informace v přednastavených časových intervalech, které mohou být po několika sekundách, stejně jako jenom jednou za den. Beacon se používá většinou v systémech pro zjišťování polohy objektů v reálném čase (real‑time locating systems – RTLS), např. v těžebním průmyslu, při sledování pohybujících se nákladů atd. V takovém případě jsou signály vysílané z beacon tagu zachycované několika anténami čteček rozestavěnými po obvodu sledované oblasti.

Realizace RFID aplikace

RFID řešení pro specifickou úlohu sestává z více komponentů a jeho realizace zahrnuje celou řadu operací, jako jsou výběr vhodných komponentů, jejich instalace, nastavení a uvedení do provozu. Kromě vlastního hardware se jedná i o obslužný software, zaškolení obsluhy a odborné konzultace. Kromě toho, že existují firmy specializované přímo na zavádění RFID aplikací, prodejci RFID komponentů bývají schopni zodpovědět případné odborné dotazy.