RFID - Radio Frequency Identification: Technologia z chipami RFID wyjaśniona w prosty sposób

Szybka i łatwa identyfikacja jest dziś niezwykle ważną kwestią w wielu obszarach. Dzięki temu do określonych pomieszczeń biurowych lub obiektów produkcyjnych mogą wejść wyłącznie osoby upoważnione.  Do niezawodnej kontroli i autoryzacji dostępu wykorzystywane są między innymi tzw. czipy RFID.

Technologia RFID oferuje znacznie szersze możliwości. Można ją zastosować do oznaczania przedmiotów czy produktów, co zapobiega niezauważonemu wynoszeniu nieopłaconych towarów ze sklepu. Technologia RFID cieszy się również popularnością w przemyśle motoryzacyjnym, na przykład w celu skutecznego zabezpieczenia antykradzieżowego czy optymalizacji procesów produkcyjnych. Systemy RFID znajdują zastosowanie również w identyfikacji zwierząt. Dzięki nim, w przypadku odnalezienia zgubionych psów lub kotów, można szybko ustalić ich właściciela.



Czym jest RFID?

Termin RFID pochodzi z języka angielskiego i jest skrótem od Radio-Frequency-Identification. W wolnym tłumaczeniu termin ten oznacza "identyfikację radiową". A więc detekcja działająca za pomocą fal elektromagnetycznych.

Odpowiednie dane są w tym procesie przesyłane bezprzewodowo, więc bezpośredni kontakt, na przykład podczas odczytu karty pamięci, nie jest konieczny.

Technologia bezdotykowa umożliwia znacznie łatwiejszą i tańszą realizację wielu procesów w przemyśle, handlu detalicznym i logistyce.



Jakie komponenty RFID są dostępne?

Do efektywnego wykorzystania technologii RFID wymagane są różne komponenty sprzętowe.

RFID-Lesegerät

Serce systemu RFID to czytnik RFID, który może obsługiwać jeden lub więcej transponderów RFID. Czytnik może być zamontowany stacjonarnie, na przykład do wykonywania funkcji przełączania w elektrycznym otwieraczu drzwi lub w bramce obrotowej.

W razie potrzeby zapisane dane dostępowe, w tym data i godzina, można również zapisać, zarejestrować i dalej przetwarzać za pośrednictwem wewnętrznej bazy danych lub zewnętrznego systemu podłączonego (PC). Istnieją jednak także mobilne czytniki RFID , które pokazują na wyświetlaczu informacje odczytane z transpondera. Czasami urządzenia do odczytu RFID są również używane do przesyłania wymaganych danych na transpondery RFID.


Transponder RFID

Termin transponder jest połączeniem słów "transmit" oznaczającego transmisję i "respond" oznaczającego odpowiedź. I to jest dokładnie to, co robią transpondery RFID: przesyłają przechowywane w nich informacje jako odpowiedź.

Transponder jest zatem mobilnym nośnikiem danych. Jest on również określany jako "tag RFID" lub potocznie jako "chip RFID" lub po prostu jako "chip". Pojemność transpondera zależy od jego przeznaczenia. W przypadku prostych systemów wystarczy kilka bajtów. Jednak w bardziej złożonych układach pamięć transpondera może wynosić do 100 kB lub więcej.

Podobnie jak pojemność pamięci, konstrukcja również zależy od zamierzonego zastosowania. Tagi lub transpondery RFID są dostępne w postaci kart pamięci, kart EC, breloczków, opasek kablowych, załączników, samoprzylepnych etykiet RFID (inteligentne etykiety lub etykiety RFID), a nawet jako próbki wielkości ziarna ryżu. Te ostatnie tagi RFID mogą być wszczepiane pod skórę psów, kotów, a nawet zwierząt w ogrodach zoologicznych w celu identyfikacji zwierząt.



Jak działa technologia RFID?

Aby zrozumieć, jak działają systemy RFID, należy najpierw bardziej szczegółowo przeanalizować funkcje różnych komponentów i poszczególne etapy odczytu.

Funkcja czytnika RFID

Czytnik generuje zmienne pole elektromagnetyczne za pomocą modułu częstotliwości radiowej i anteny RFID (cewki). Częstotliwości używane do tego celu różnią się zarówno  międzynarodowo.

W Europie preferowane są częstotliwości 125 kHz i 135 kHz w zakresie fal długich (niska częstotliwość).

Jeśli używany jest zakres fal krótkich (wysoka częstotliwość), systemy RFID działają na częstotliwości 13,56 MHz.

W paśmie UHF (Ultra High Frequency) dostępne są częstotliwości 868 MHz.

Jeszcze wyższe częstotliwości w zakresie SHF (Super High Frequency) 2,45 GHz i 5,8 GHz są wykorzystywane w różnych systemach poboru opłat.

Zwiększając częstotliwość, prędkości odczytu wzrastają, a tym samym również objętość danych możliwych do odczytu. Jednak także potencjalne zasięgi mogą się różnić w zależności od różnych częstotliwości RFID oraz trybów działania i wynoszą od 1 cm do 30 m lub więcej.


Funkcja transpondera RFID

Pasywny transponder (patrz szkic) to w zasadzie układ pamięci (1) wyposażony w cewkę (2) i kondensator (3). Eksperci zawsze określają połączenie cewki i kondensatora jako obwód rezonansowy. Indukcyjność cewki i pojemność kondensatorów określają częstotliwość rezonansową, przy której obwód działa lub oscyluje. Cewka transpondera służy do zasilania i wymiany danych z układem w czytniku RFID.

W przeciwieństwie do transponderów pasywnych, które nie posiadają własnego źródła energii, transponder aktywny posiada własne zasilanie w postaci baterii. Jest ono aktywowane tylko podczas procesu odczytu.

Transpondery półpasywne również posiadają źródło energii, ale jest ono wykorzystywane wyłącznie do zasilania mikroprocesora. Podobnie jak w przypadku transponderów pasywnych, energia przekazywana przez czytnik jest wykorzystywana do przesyłania zapisanych danych.


Rozpoznawanie transponderów RFID

Jeśli transponder jest wystawiony na działanie pola elektromagnetycznego czytnika RFID, obwód rezonansowy w transponderze zaczyna oscylować na swojej częstotliwości rezonansowej. W ten sposób transponder pobiera energię ze zmiennego pola magnetycznego poprzez sprzężenie indukcyjne. Pasywny transponder RFID wykorzystuje tę energię do zasilania.

Jednocześnie spadek energii w zmiennym polu powoduje, że czytnik rozpoznaje transponder i pobiera jego dane. Proces ten trwa zaledwie kilka ułamków sekundy.

Ponieważ transpondery pasywne wymagają znacznie więcej mocy ze strony czytnika niż transpondery aktywne, natężenie pola musi być odpowiednio wysokie lub odległość od cewki czytnika stosunkowo niewielka.


RFID częstotliwość rezonansowa

Aby czytnik RFID mógł rozpoznać transponder, zmienne pole magnetyczne musi aktywnie pobudzać obwód oscylacyjny w transponderze do drgań. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy oba systemy działają na tej samej częstotliwości. Jednak transpondery mają nieuchronnie nieco inne częstotliwości rezonansowe ze względu na tolerancje produkcyjne. Dlatego częstotliwość transmisji czytników nie jest stała. Zamiast tego używany jest zakres częstotliwości, przez który nieustannie przechodzi częstotliwość transmisji. Zapewnia to niezawodne rozpoznawanie wszystkich transponderów należących do systemu.


Transmisja danych RFID

Transmisja danych nie stanowi problemu w przypadku transponderów 1-bitowych, które są wykorzystywane na przykład do nadzoru artykułów. Dzieje się tak, ponieważ przesyłane jest tylko stwierdzenie tak/nie. Jeśli konieczne jest przesłanie kilku danych, stosowane są trzy różne metody:

Full-duplex (FDX):

Dane mogą być przesyłane jednocześnie w obu kierunkach. Czytnik zapewnia ciągłą transmisję sygnału do transpondera. Taką metodę transmisji danych można porównać do telefonii, w której jednocześnie rozmawia się i słucha.

Half-duplex (HDX):
Dane są przesyłane naprzemiennie w obu kierunkach. Dzięki tej metodzie czytnik zapewnia również ciągłą transmisję sygnału. Jest ona podobna do systemów domofonowych lub radiotelefonów, w których można mówić lub słuchać.


Metoda sekwencyjna  (SEQ):

W przeciwieństwie do metod full-duplex i half-duplex, metoda sekwencyjna włącza i wyłącza transmisję danych w szybkim rytmie (tryb impulsowy). Przesyłanie danych z transpondera HF do czytnika odbywa się zawsze podczas przerw impulsowych.

Transmisja danych z czytnika do transpondera została oznaczona jako " strzałka w dół". Transmisja danych z transpondera do czytnika została określona jako "uplink".


Zakresy RFID

Jak już wspomniano, system RFID może czasami osiągać dość duże zasięgi rzędu 30 metrów, choć teoretycznie możliwe są nawet wyższe wartości. Oprócz natężenia pola i typu transpondera (pasywny, półpasywny lub aktywny), różne zasięgi zależą również od metody łączenia.

Close Coupling

Dzięki tej metodzie można uzyskać zasięg około 1-2 cm w zakresie częstotliwości do 30 MHz. Ze względu na bliskie sprzężenie między transponderem a czytnikiem, można stosować niskie natężenia pola. Krótszy zasięg jest również zaletą, gdy sprawdzane są dane związane z bezpieczeństwem, takie jak uprawnienia dostępu. Sprzężenie może być indukcyjne lub pojemnościowe.

Remote Coupling

Remote Coupling-Systeme są jednym z najczęściej używanych zastosowań RFID. Pasywne transpondery działają w oparciu o sprzężenie indukcyjne z czytnikiem. Osiągane zasięgi zależą od maksymalnej dopuszczalnej mocy transmisji czytników i wynoszą około 1-3 metrów. Częstotliwości używane do zdalnego łączenia znajdują się zwykle w dolnym zakresie częstotliwości 100-135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz i 27,125 MHz.

Long Range Coupling

Long Ranges Systeme zapewniają zasięg 3 metrów z pasywnymi transponderami. W przypadku transponderów aktywnych zasięg wynosi ok. 30 m lub więcej. Do tego celu wykorzystywane są wysokie częstotliwości w zakresie 434 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz lub 5,8 GHz. Ze względu na duży zasięg i stosunkowo szybką transmisję danych, systemy te są idealne między innymi do elektronicznego poboru opłat.

Uwaga:
Niektóre aktywne transpondery pracują z różnymi częstotliwościami podczas procesu odczytu. Podczas gdy częstotliwość 135 kHz jest używana do logowania do czytnika, późniejszy transfer danych odbywa się na częstotliwości 2,4 GHz. Funkcja ta musi być jednak również obsługiwana przez czytnik.



Jakie korzyści oferuje technologia RFID?

Powodem, dla którego rozwiązania RFID i projekty RFID stają się coraz bardziej powszechne w Przemyśle 4.0, jest ostatecznie połączenie poszczególnych podstawowych zalet:

Połączenie radiowe

Dzięki połączeniu radiowemu bezpośredni kontakt optyczny nie jest konieczny. Skanowanie może odbywać się przez materiał opakowaniowy lub plandeki ciężarówek. Nawet kilka pojedynczych produktów na palecie, każdy z własnym transponderem RFID, może być wykrywanych luzem podczas jednego procesu skanowania.

Solidne i niezawodne transpondery

Ponieważ transpondery pasywne nie wymagają własnego zasilania, nie ma potrzeby martwić się o akumulatory. Oznacza to, że możliwe jest wieloletnie, a nawet kilkudziesięcioletnie działanie. Transpondery te są również bezkonkurencyjne pod względem kosztów.

Wysoka elastyczność systemu

Systemy RFID można idealnie dostosować do danego zadania i wymaganej lokalizacji. Zastosowanie różnych częstotliwości i różnych konstrukcji czytników oraz transponderów oferuje niemal nieograniczone możliwości w tym zakresie.

Zwiększone bezpieczeństwo

Ze względu na to, że istotne dla bezpieczeństwa dane i informacje są obecnie przesyłane w formie zaszyfrowanej, chipy RFID nie są już tak łatwe do przechwycenia lub skopiowania.

Ogromna ilość danych

W porównaniu z kodem kreskowym, transpondery mogą dostarczać znacznie większe ilości danych dla globalnie zindywidualizowanego elektronicznego kodu produktu (EPC). Kolejną zaletą jest to, że dane mogą być analizowane i dalej przetwarzane za pośrednictwem systemów informatycznych.



Gdzie wykorzystywana jest technologia RFID?

Obecnie prawie nie ma już dziedziny, w której systemy RFID nie są stosowane. Jednak niezależnie od tego chcielibyśmy wyróżnić kilka głównych obszarów, w których transpondery radiowe już doskonale się sprawdziły.

Zabezpieczanie towarów

Właściciele sklepów borykają się z ogromnym problemem. Nie wszyscy klienci płacą za towary, które chcą zabrać do domu. Aby zabezpieczyć produkty i utrudnić kradzieże sklepowe, stosuje się tzw. transpondery 1-bitowe. Te stosunkowo niedrogie nadajniki mają prostą konstrukcję i można je łatwo ukryć na towarach ze względu na ich kształt. Czujniki w obszarze wyjścia natychmiast rozpoznają, czy transponder został dezaktywowany podczas procesu płatności. W przeciwnym razie podczas opuszczania sklepu uruchamiany jest alarm.


Kontrola dostępu

Technologia RFID oferuje niestandardowe opcje, szczególnie w obszarze kontroli dostępu. Poszczególne pomieszczenia lub nawet całe budynki mogą być nadzorowane i zarządzane. W systemach online czytniki są podłączone do centralnego komputera, który posiada bazę danych z wymaganymi informacjami. Uprawnienia dostępu można następnie przypisać w tej bazie niezależnie od transpondera. W systemach offline dane autoryzacji dostępu są przechowywane bezpośrednio w transponderze. Urządzenie jest programowane z wyprzedzeniem przez stację centralną.


Logistyka

Prawdopodobnie największy potencjał technologii RFID można wykorzystać w sektorze logistyki i magazynowania. Chociaż skanery kodów kreskowych są nadal szeroko stosowane w tym obszarze, technologia RFID staje się coraz bardziej popularna. Dzieje się tak dlatego, że bezdotykowe przechwytywanie danych umożliwia rejestrowanie nawet kompletnych dostaw towarów bez większego wysiłku.

Znacznie ułatwia to pracę, zwłaszcza producentom żywności, którzy są zobowiązani przepisami UE do zapewnienia identyfikacji swoich produktów.

Jednak pomimo znormalizowanego elektronicznego kodu produktu (EPC), śledzenie towarów na całym świecie jest nadal prawdziwym wyzwaniem, ponieważ systemy i częstotliwości stosowane w różnych krajach znacznie się różnią i nie są ze sobą kompatybilne.


Transport lokalny i dalekobieżny

RFID oferuje wyjątkowe korzyści, zwłaszcza w lokalnym transporcie publicznym. Jeśli proces płatności odbywa się za pomocą transpondera, nie ma potrzeby przygotowywania drobnych, a właściwa kwota jest automatycznie księgowana. Firmy nie muszą drukować biletów, a rozliczenia są szybsze i łatwiejsze. Nawet na lotniskach identyfikatory RFID zapewniają prawidłowe nadanie bagażu.


Imprezy

Systemy RFID są często wykorzystywane wielokrotnie podczas wydarzeń. Na dużych imprezach sportowych, takich jak Mistrzostwa Świata w piłce nożnej, bilety są wyposażone w transponder RFID, na którym przechowywany jest numer seryjny..

Jednak RFID można również wykorzystać do pomiaru czasu sportowców. Widać to bardzo wyraźnie, gdy na przykład biathloniści wykonują wykrok na krótko przed metą, aby transponder na ich stopie jak najszybciej dotarł do linii mety (anteny czytnika).

W wyścigach samochodowych transpondery RFID pomagają precyzyjnie rejestrować liczbę okrążeń, a także czasy okrążeń i odcinków.  Nawet modelarze korzystają z tej sprytnej technologii.


Technologia medyczna

Technologia RFID staje się również coraz bardziej popularna w medycynie. Zastosowania obejmują rozróżnianie oryginalnych i podrobionych leków, zarządzanie łóżkami w szpitalach, opaski na rękę dla pacjentów i chipy RFID z czujnikami glukozy do wygodnego pomiaru poziomu cukru we krwi. Nawiasem mówiąc, narzędzia chirurgiczne i inne narzędzia medyczne wyposażone w chipy zapobiegają niezamierzonemu pozostawieniu tych części w ciele podczas operacji. Skanowanie przed zamknięciem sali operacyjnej daje szybką kontrolę.


Zarządzanie dokumentami

Nawet w erze cyfrowej, dokumenty, rejestry i akta są nadal dostępne w formie papierowej w gabinetach lekarskich, kancelariach prawnych, urzędach i biurach.

Dzięki samoprzylepnym etykietom RFID zarządzanie, archiwizowanie i segregowanie tych dokumentów i wszystkich innych nośników fizycznych może być przejrzyście zorganizowane.

Zwłaszcza jeśli czytniki są zintegrowane bezpośrednio z meblami. Nawet czas spędzony na sprawdzaniu, ocenie i przetwarzaniu odpowiednich dokumentów może być precyzyjnie rejestrowany i rozliczany dzięki inteligentnej technologii RFID.

To tylko kilka przykładów stale rosnącej różnorodności zastosowań systemów RFID.



Jaka jest różnica między RFID a NFC?

RFID i NFC (Near Field Communication) są często wymieniane w tym samym kontekście. Wynika to z faktu, że systemy nadawczo-odbiorcze w NFC również działają z protokołami RFID i umożliwiają wymianę danych w zasięgu kilku centymetrów. Nawet częstotliwości są identyczne i wynoszą 13,56 MHz. Istnieje jednak wyraźna różnica: RFID jest zasadniczo systemem pytanie-odpowiedź. Z drugiej strony, w przypadku NFC można odczytywać nie tylko tagi NFC. Jest to metoda łączenia, w której dwa systemy komunikują się ze sobą i wymieniają dane lub obrazy. Wiele smartfonów jest obecnie wyposażonych w funkcję NFC do płatności bezgotówkowych.