История RFID, продолжение

Опубликовано

История RFID, часть 2.

1970
В 1960-70-е годы системы RFID по-прежнему считались секретной технологией, используемой армией для контроля доступа в режимные районы (атомные станции и т. д.).

1980
Технологические разработки приводят к созданию пассивных тегов.
Эта технология означала, что больше не нужна энергия, которая будет встроена в тег (чип). Поэтому цена чипа и его обслуживание значительно уменьшены.

1990
Началась стандартизация функциональной совместимости оборудования RFID.

2004
Massachusetts Institute of Technology MIT Auto-ID center стал глобальным EPC, который отвечает за продвижение стандарта EPC (Electronic Product Code).

С 2005 года
Технологии RFID широко используются практически во всех отраслях промышленности (аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, логистика, транспорт, здравоохранение, жизнь и т. д.). ISO (Международная организация стандартизации) принимала участие в разработке технических и прикладных стандартов, которые позволили иметь высокую степень функциональной совместимости и взаимозаменяемости.

Классификация RFID-меток

  Первая классификация для RFID-меток основана на наличии или отсутствии электронного чипа.

RFID-метки SAW (поверхностная акустическая волна) не имеют интегральных схем.
Сегодня они представляют лишь небольшую часть рынка (несколько%).
Они являются ретрансляторами только для чтения и не включают встроенную энергию. Их также называют RF barcode (радиочастотный штрих код).

  

1 бит RFID-метки — это пассивные системы с емкостными диодами, называемыми «1 бит-транспондерами».
Этот бит указывает, присутствует ли тэг (чип) в поле действия опроса. Они широко используются в качестве противокражной системы.

RFID-метки с интегральными схемами являются наиболее используемыми системами на реальном рынке. Они состоят из антенны и интегральной схемы.

Активные / пассивные метки RFID

   Пассивные метки RFID: пассивные метки только обратного рассеивания магнитных или электромагнитных волн, поступающих от считывателя (ридера). Это единственный способ связаться с ридером. Другими словами, у них нет радиочастотных излучателей на борту, поэтому они не могут создавать свои собственные радиочастотные сигналы. Пассивные теги без батареек используют входящий сигнал от опросчика для питания встроенного чипа. Но безбатарея и пассивность — две разные характеристики тега и, к сожалению, часто путаются.

  

  Полу-RFID-метки: пассивные (BAP) теги с батареей имеют встроенную батарею (перезаряжаемую или нет) для питания внутренней схемы или подключенных датчиков или исполнительных механизмов. Этот источник питания не используется, чтобы создать какой-либо радиочастотный сигнал, так как тег всегда пассивен (только обратный рассеянный, только входящий радиосигнал от ридера).

  Активные теги: активные теги имеют собственный радиочастотный излучатель на борту. Они могут либо посылать радиосигналы ридеру, так как они получают команду или функцию без какой-либо внешней команды (они действуют как радио маяк). Поскольку для создания радиочастотного сигнала требуется много энергии, активные метки часто имеют внутренний (встроенный) источник питания. Потому, их часто путают с пассивными метками с батареей.

  

RFID-метки — разные классы

Существует 6 классов меток RFID:

  • Класс 0 и класс 1: пассивные теги только для чтения
  • Класс 2: пассивные теги с дополнительной функциональностью
  • Класс 3: Полупассивные метки RFID
  • Класс 4: активные теги с широкополосным одноранговым обменом
  • Класс 5: ридеры — работают с метками 1, 2 и 3 классов и взаимодействуют с классами 4 и 5.

Только чтение или чтение / запись

Независимо от частоты, с которой функционирует система RFID, и типа тега (пассивного или активного), мы можем различать RFID-приложения с помощью параметров чтения и / или записи в памяти встроенного в тег микросхемы. Цель RFID — однозначно идентифицировать объекты, несущие теги, поэтому электронный чип должен содержать, по крайней мере, цифровой идентификатор, к которому может обращаться ридер. Этот уникальный номер может быть встроен в чип во время изготовления (идентификатор идентификатора транспондера TID). Если чип не имеет другой памяти, он известен как чип для чтения. Вся информация о продукте, несущем тег, хранится в удаленных информационных системах и может быть вызвана с использованием уникального идентификатора.

В некоторых случаях уникальный номер, встроенный в производство, недостаточен для его окончательного применения. Поэтому есть чипы, которые содержат пустую память, где конечные пользователи системы RFID могут писать свой собственный номер (например, UII Unique Item Identifier или EPC Electronic Product Code). После написания этот номер больше не может быть изменен. Они известны как чипы WORM (Write Once, Read Multiple).

Для других типов приложений требуется память, к которой пользователь может получить доступ и перезаписать. В большинстве случаев память не превышает нескольких десятков килобайт и может быть полезна, когда доступ к центральной базе данных не гарантируется (операции технического обслуживания в изолированных зонах или в зоне военных действий). Эти чипы известны как MTP (Multi-Time Programmable) и обычно имеют память EEPROM.

Протокол TTF или ITF

Кто говорит первым — тег или запросчик?
Этот вопрос может показаться незначительным, но становится важным, когда несколько тегов одновременно находятся в поле считывателя или когда теги не являются статическими и просто проходят через поле, генерируемое считывающей антенной.

Если теги без батареек (без встроенного источника питания), как это часто бывает для RFID, первая задача опроса заключается в передаче мощности тегу (ам). Для этого считыватель излучает фиксированный частотный сигнал (без модуляции).
На данный момент связь между запросчиком и тегом официально не началась. После того, как чип тега получил питание, он может либо сразу передать информацию ридеру (протокол TTF — сначала Tag Talk), либо ответить на запрос опроса (протокол ITF — опрос первого опроса).

Выбор протокола во многом зависит от проблем управления радиоресурсами и управления возможным наличием нескольких тегов в поле ридера (протокол антиколлизияи). Чтобы дать нам представление о влиянии выбора протокола на управление столкновением, давайте представим себе класс. Учитель — это запросчик, а ученики — метки RFID.

Для систем TTF — мы можем представить, что в начале урока каждый студент говорит свое имя, когда они входят в класс. За исключением нескольких опоздавших, студенты приходят вовремя для своего урока, и каждый из них говорит свое имя более или менее одновременно, и маловероятно, что учитель (ридер) сможет понять каждое индивидуальное имя и определить каждого из учеников (теги). Чтобы решить эту проблему, учеников можно попросить выслушать и убедиться, что никто не говорит, прежде чем сказать свое имя. Этот вариант для протокола TTF называется TOTAL — Tag Only Talk After Listening.

Для ITF-систем учитель (ридер) задает первый вопрос и просит студентов дать свое имя. Поэтому все ученики в классе отвечают на просьбу учителя. Как и в предыдущем примере, учителю может быть трудно или даже невозможно определить каждого ученика, потому что все они будут отвечать одновременно на требование учителя.
Этот пример показывает, что оба протокола несовместимы. Более того, наличие тэга TTF в поле считывателя ITF может привести к нарушению связи ITT-тегов.

  Одним из преимуществ протокола TTF является скорость, с которой можно идентифицировать тег, когда он один в поле считывателя. Стоит также отметить, что считыватель, который не взаимодействует с тегами, излучает немодулирующий радиочастотный сигнал. Поэтому сигнал занимает лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Это снижает риск помех другим сообщениям. Основным преимуществом протокола ITF является то, что сообщение инициируется запросчиком. Таким образом, все ответы тегов могут быть легко наложены для обнаружения столкновения «бит-уровня» или легко упорядочены, чтобы выделить теги.

Характеристики пассивных меток

Пассивные теги без батареек являются самым популярным в настоящее время RFID-приложением. Цена может варьироваться от нескольких центов до десяти или двадцати евро в зависимости от частоты, форм-фактора и упаковки и т. д. В нашей стране, я так понимаю необходимо все умножить на 2.

LF (Low Frequency), 125 ~ 135 КГц

Основной действующий стандарт ISO/IEC 18000-2:2009. Большая часть систем контроля доступа «по карточкам» или брелкам соответствует этому диапазону (кроме транспортных). Также применяется для «чипирования» животных – под кожу «встраивается» специальная стеклянная RFID-метка-капсула.

В метках и в считывающей антенне находятся катушки, связь через магнитное поле. Дистанция регистрации обычно «proximity» 10 ~ 50 мм, хотя есть считыватели с большими петлевыми антеннами с дистанцией регистрации до 0,7 метра.

Оборудования близкого чтения недорого, но сами метки относительно дороги и без перспектив удешевления из-за конструктивных особенностей.

HF (High Frequency) 13,56 МГц

Основной действующий стандарт ISO/IEC 18000-3:2010. Транспортные проездные карты, карты метро. Возможность считывания многих меток, при их присутствии в зоне считывания, заложена в стандарт – до нескольких десятков (не для всех под-стандартов). Связь метки и считывателя по магнитной составляющей поля. И метки, и приемопередающие антенны считывателей выполнены в виде петлевых катушек. Максимальная дистанция регистрации ~ 1 м.

Считыватели небольшой мощности и дистанции чтения недороги и распространены. Метки в производстве достаточно технологичны, но имеются принципиальные ограничения к их существенному удешевлению. Производятся разных видов – тонкие наклейки, карточки, брелки, браслеты. Метки и считыватели с встроенными криптографическими функциями защищены от взлома и дублирования (ISO/IEC 14443, они и используются как транспортные или платежные карты). Получающая все большее распространение технология NFC (Near Field Communication, ISO/IEC 21481) также основана на этих стандартах.

UHF (Ultra High Frequency) 860~960 МГц

За счет высокой частоты и небольшой длины радиоволн в этом диапазоне обмен считыватель-метка использует полное электромагнитное поле и дистанции регистрации достигают нескольких десятков метров для пассивных меток (хотя иногда также используется магнитная связь на близком расстоянии до 20 сантиметров, что позволяет регистрировать метки в сложных окружениях жидкостями или металлами). Полосы сигналов широкие, скорости обмена с меткой также высокие.

Частоты из диапазона 860~960 МГц (в EU 865,0 ~ 868,0 МГц, в РФ 866,6 ~ 867,4 МГц) наиболее массово и перспективно используется для систем пассивных меток стандарта GS1 EPC Global Class 1 Generation 2 (EPC Gen2, или просто G2) и соответствующего ему стандарта ISO/IEC 18000-63(C).

Метки и оборудование данного типа обладают, по сравнению с другими пассивными системами, рекордными характеристиками:

  • дальности считывания до нескольких десятков метров (зависит от считывателя, антенны и конструкции самой метки);
  • одновременное считывания до нескольких сотен меток в зоне регистрации;
  • считывание до нескольких десятков уникальных меток в секунду;
  • считывание одиночных меток при их перемещении через зону регистрации на скорости до 250 км/ч;
  • минимально-низкая цена метки.

UHF 433 МГц, 2,4 ГГц.

Диапазоны 433 МГц и 2,4 ГГц используются в основном для активных меток, хотя работа пассивных меток в диапазоне 2,4 ГГц также возможна (стандарт ISO/IEC 18000-4:2008, хотя предложения считывателей и пассивных меток практически отсутствуют). Используется полное электромагнитное поле, дистанции регистрации достигают километра и более для активных меток. Полосы сигналов широкие, скорости обмена высокие.

В этих же диапазонах работают «системы определения места нахождения в реальном времени» (Real Time Locating System — RTLS) на основе активных RFID-меток.

Многие системы активных меток и RTLS данных диапазонов не стандартны и используют свои протоколы обмена, действующие только для оборудования одного производителя, но есть и общие стандарты:

  • ISO/IEC 18000-7:2009 – активные метки диапазона 433 МГц;
  • Группа стандартов ISO/IEC 24730 для RTLS диапазона 2,4 ГГц;
  • IEEE 802.15.4f-2012 — активные метки и RTLS диапазона 433 МГц.

  В последнее время также получают распространение устройства, функционально аналогичные активным RFID-меткам, но выполненные на основе беспроводных компьютерных стандартов связи «Bluetooth» и «Wi-Fi». Возможность появления таких устройств связана с развитием технологий производства микросхем с малым потреблением и разработки специальных под-стандартов этих систем, ориентированных именно на устройства с малым потреблением (Bluetooth LE — Low Energy).

В продолжении своей статьи, я остановился на типах радиочастотных меток. В следующей части, планирую рассказать о транспондерах используемых конкретно в автомобилях.

Если заинтересовала статья, либо я допустил какие либо неточности, пожалуйста оставьте свои пожелания в комментариях.