Технология

Типы RFID-меток – по способу электропитания

Пассивные – у метки отсутствуют собственные элементы электропитания. Для питания используется энергия электромагнитного поля считывателя. Пассивные метки могут обладать минимально-возможными размерами этикеток-наклеек или карточек, но за счет ограничения мощности при такой схеме питания дистанции считывания относительно невелики (хотя и могут быть до 20 и более метров в диапазоне UHF), а радиочастотная мощность считывателя, наоборот, должна быть достаточно велика.

Все пассивные метки получают энергию для работы из поля считывателя, распознавая команды обмена в его модуляции со стороны считывателя, либо просто присутствие чистой немодулированной несущей частоты считывателя (для некоторых упрощенных схем работы). В ответ метка модулирует нагрузку своей приемной антенны необходимой цифровой последовательностью.

В диапазоне UHF это приводит к отражению от антенны метки модулированного сигнала, который принимается и распознается считывателем (на фоне непрерывного излучения чистой несущей). В диапазонах HF и LF модуляция нагрузки контура антенны метки приводит также и к модуляции добротности резонансного контура приемной антенны, что детектируется и демодулируется считывателем.

Полупассивные метки – используется протокол и схема радиоинтерфейса пассивной метки, но присутствует батарея питания. Такие метки могут иметь несколько большую дистанцию обмена, чем пассивные, но все равно меньшую, чем активные. Также данная схема применяется в метках-логгерах или метках-датчиках, использующих пассивный интерфейс для связи со считывателем по стандартному протоколу, а батарейное питание — для периодической записи в память метки данных с датчиков (температуры, влажности, ускорения и т.п.), без обязательного нахождения метки в поле считывателя для электропитания подсистемы измерения.

Активные – в метке есть батарея питания. Метка передает радиочастотный сигнал в ответ на внешнюю команду или самостоятельно. В данной схеме достигаются максимальные дистанции регистрации до 1 километра или даже больше, при очень небольших радиочастотных мощностях (за счет применения высокоинтегрированных электронных чипов с хорошей цифровой обработкой сигналов). Минусы – относительно большие габариты метки и необходимость смены батарей питания. Любой брелок управления автомобильной сигнализацией фактически является специализированной активной RFID-меткой.

Рабочие частоты любого радиоизлучающего оборудования во всем мире сейчас жестко регламентируются.

Отведенные для RFID-систем диапазоны и их основные характеристики, в порядки перспективности и распространения использования:

 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 (разные для разных регионов мира и стран, 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.

Подробнее о системах UHF EPC Gen2

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.

Подробнее о HF системах

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.

Подробнее о LF системах

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).

Подробнее: активные UHF системы и RTLS

 

Все RFID метки подвержены экранирующему действию сплошных металлических элементов. В меньшей степени они действуют на LF метки, и существенно на HF и UHF (снижая дистанцию регистрации вплоть до отсутствия чтения на минимальном расстоянии от антенны).

Обычные метки-наклейки или карточки всех диапазонов не рассчитаны на закрепление на металлических поверхностях (только на диэлектрических или слабо поглощающих радиочастотное излучение). Но есть специальные метки, рассчитанные для закрепления на металл (толще размерами и существенно дороже, чем простые).

Выбор RFID-меток стандарта Gen2

Производители RFID оборудования

 

Устройства считывания RFID-меток

RFID-считыватели всех диапазонов возможно разделить на следующие виды:

Стационарные – с внешним электропитанием, достаточно крупные по размерам и весу. Обычно имеют встроенный коммутатор для подключения и одновременного использование нескольких внешних приемопередающих антенн.

Портальные RFID-считыватели – вариант стационарных, располагаются в зонах контроля проездов или ворот («порталов»), содержат в составе кроме считывателя приемопередающие антенны, окружающие зону проезда или прохода.

Настольные считыватели – компактные модели для регистрации отдельных меток или небольшой группы меток на небольших расстояниях. Обычно имеют моноблочную конструкцию считывателя и антенны и интерфейс подключения и питания USB.

Встраиваемые «proximity»-считыватели для настенной установки с встроенной антенной – для использования, например, в системах контроля доступа по карточкам, дистанция чтения до 5 см. Часто имеют специфические интерфейсы для подключения к управляющему оборудованию систем контроля доступа (Touch Memory, Wiegand).

Мобильные считыватели («мобильные терминалы сбора данных») – переносные, с батарейным питанием, встроенным экраном и клавиатурой, к которым конструктивно присоединен компактный RFID-считыватель с антенной.

RFID-принтеры, содержащие специализированные RFID-считыватели в составе принтеров этикеток – позволяют одновременно как печатать на этикетках, так и выполнять необходимые операции с RFID метками этикеток – считывать, записывать.

Выбор RFID-считывателей и организация зон считывания Gen2 меток

Производители RFID оборудования

 

Программное обеспечение для RFID-систем

Большая часть RFID-считывателей, за редкими исключениями, работает в составе информационных систем.

В простейших случаях система может состоять из одного управляющего контроллера. Так устроены, например, простые системы контроля доступа по RFID-меткам, минимально состоящие из считывателя или нескольких считывателей, подсоединенных к контроллеру, анализирующему регистрируемые идентификаторы меток. Если считанный идентификатор записан в памяти контроллера как разрешенный, выдается сигнал на открытие двери, турникета и т. п.

Любая RFID система управляется некоторым специальным программным обеспечением (ПО), которое может быть встроено в контроллер или быть более сложным, выполняющимся на управляющих компьютерах или серверах, вплоть до глобальных территориально-распределенных систем.

Самый простой RFID-считыватель уже содержит микроконтроллер с встроенной программой, в соответствии с которой производится опрос и обмен цифровой информацией с RFID-меткой по радиоинтерфейсу и обрабатываются полученные данные для выполнения действий или передачи их на другие устройства и уровни информационной системы.

Современные производительные промышленные считыватели, например стандарта EPC Gen2 (UHF), должны обеспечивать достаточно сложные программные протоколы обмена информацией с метками с одной стороны, и связанные с этим же сложные протоколы программного обмена с вышестоящей информационной системой, поддерживающие разнообразные настройки режимов обмена и передачи данных для достижения необходимой производительности считывания и записи меток.

Информация регистрации меток в рамках информационной системы должна увязываться с объектами, их содержащими, и интерпретироваться как уже высокоуровневые события перемещения объектов учета. При этом обычно необходима «фильтрация» элементарных событий регистрации меток, отбрасывающая повторные регистрации или, по более сложным алгоритмам, учитывающая последовательность по времени перемещения меток в зонах регистрации.

ПО, поддерживающее RFID-систему из многих зон чтения, должно обеспечивать контроль исправности и наличия связи со считывателями, индивидуальное сохранение настроек, хранение результатов регистрации меток для последующего анализа и контроля, предоставление необходимых экранных режимов для управления работой системы администраторами и пользователями.

Протоколы программного обмена со считывателями разных производителей к настоящему времени в основном еще не стандартны и индивидуальны, что является большой проблемой при необходимой смене производителя оборудования и требует доработку управляющего ПО.

Предложен и действует стандарт низкоуровневого протокола обмена со считывателем LLRP (Low Level Reader Protocol, ISO/IEC 24791-5:2012), но реализован он пока не во всех считывателях стандарта EPC Gen2, хотя и предполагает широкое использование.

RFID-ПО обычно разрабатывается с использованием программных компонентов SDK (Software Development Kit) и API (Application Program Interface), предоставляемых производителем считывателя. В комплект для разработки ПО кроме SDK и API обычно также входят готовые тестовые программы, позволяющие протестировать работу считывателя и подобрать необходимые настройки радиоинтерфейса при регистрации меток.

ПО для настольных считывателей (обычно небольшой дистанции регистрации с подключением по интерфейсу USB). ПО связывает считыватель с локальным ПО на компьютере, в котором обрабатываются результаты регистрации меток и предоставляется пользовательский интерфейс. ПО компьютера может быть автономным или являться клиентской частью распределенной ИС. RFID-ПО может встраиваться непосредственно в локальное ПО ИС, но также может выполняться в виде ActiveX или COM-объектов (для Windows), к которым обращается ПО ИС.

ПО для стационарных промышленных считывателей. Обычно такие считыватели используются для организации больших многоантенных зон регистрации в виде ворот (портальный считыватель), туннелей и т.п., и рассчитаны на подключение к ИС предприятия по компьютерным сетям Ethernet. Такое RFID-ПО обычно исполняется на сервере и поддерживает работу сразу многих считывателей.

ПО для мобильных терминалов сбора данных с встроенным RFID-считывателем, сенсорным экраном и клавиатурой. RFID-считыватель может быть и внешним, подключаемым по беспроводному интерфейсу Bluetooth или по проводному подключению. В качестве терминала может выступать коммуникатор. ПО в этом случае должно разрабатываться под платформу терминала или коммуникатора (Windows CE/Mobile, Android, iOS) с необходимой функциональностью (типичные применения – инвентаризации, поиска заданных товаров, комплектования заказа, контроль продукции по RFID-метке). ПО должно учитывать мобильный характер работы и поддерживать беспроводную связь с ИС (по Wi-Fi или сотовой сети) для загрузки данных и заданий и обратной передачи результатов. В ИС должно присутствовать соответствующее ПО, обеспечивающее синхронизацию данных с мобильными терминалами.

ПО для RFID-принтеров этикеток. Метки-наклейки, получаемые от производителя, необходимо подготовить для использования – записать в метку необходимую информацию, «привязать» идентификатор к заданному продукту или объекту в ИС, напечатать на метке текст, если это необходимо. RFID-принтеры могут соединяться с локальным компьютером, на котором должно работать ПО, или по компьютерной сети с серверным ПО, управляющим подготовкой метки.

ПО RFID систем стандарта Gen2

Типовые применения технологии RFID