11-03-2009

Technologie: Systemy radiowej identyfikacji towarów

RFID - miniaturowy szpieg

Na pewno wiele razy spotkaliście się z niewielkimi, nieco grubszymi papierowymi naklejkami, przyklejanymi na różne towary, pod którymi po ich odlepieniu widać było miedziane lub aluminiowe ścieżki układając się w regularne pętle. Te naklejki to tak zwane etykiety RFID, które służą do radiowej identyfikacji towarów (RFID – ang. Radio Frequency IDentification).

Czym jest ta owa tajemnicza technologia RFID. Otóż RFID to technika, która pozwala na zdalne, odczytywanie drogą radiową danych zaszytych w układzie scalonym znajdującym się pod wspomnianą na wstępie naklejką, które mogą bez problemu być umieszczane zarówno na powierzchni, jak i wewnątrz znakowanego przedmiotu. Naklejki te nazywa się rozmaicie. Najczęściej spotyka się takie nazwy jak etykiety RFID, tagi RFID, transpondery, nalepkami RFID, układy identyfikacji radiowej, znaczniki radiowe bądź też inteligentnymi etykietami – jak widać tych nazw jest sporo. Jeśli chodzi o rozmiary, to etykiety RFID mogą mieć w zasadzie dowolną wielkość i kształt. Najczęściej jest to kwadrat lub prostokąt o wymiarach kilku centymetrów, jednak najmniejsze z nich mają rozmiary rzędu zaledwie 0,05×0,05 mm.

Naklejka RFID - źródło: ERP Software Business

Etykieta RFID zastępuje z powodzeniem dobrze wam znane ze sklepów kody kreskowe lub kody matrycowe typu DataMatrix czy MaxiCode (są one stosowane m.in. do znakowania procesorów). Tagi te pozwalają niemal całkowicie zautomatyzować procesy odczytu danych umieszczonych na towarach lub np. na kontenerach w porcie, czy paletach w samochodowej bazie przeładunkowej. W sklepach, z czym się pewnie spotkaliście, służą bardzo często do zabezpieczenia towarów przed kradzieżą.

Etykiety RFID mają przede wszystkim ogromne znaczenie w szeroko pojętej logistyce i przemyśle. Największą zaletą tagów RFID jest to, że zawarta w nich informacja może być bezkontaktowo, a nawet bez widoczności optycznej jak w kodach kreskowych, odczytana z odległości kilku metrów.

Odczyt informacji z etykiety RFID - źródło: Trevise Consulting

Jak działa RFID

Technologia Radio Frequency Identification bazuje na bezprzewodowej, radiowej, komunikacji między wspomnianą etykietą a czytnikiem RFID. Sam znacznik składa się ze stosunkowo prostego, a wiec taniego układu scalonego wyposażonego w kilkukilobajtową pamięć flash oraz z niewielkiej umieszczonej w naklejce anteny – to właśnie te wspomniane na początku pętle tworzą antenę odbiorczo-nadawczą etykiety RFID.

Antena w etykiecie RFID - źródło: Identiware

Wbudowana w naklejkę antena pozwala odbierać sygnały z czytnika i odpowiadać na nie za pomocą fal radiowych, ale też służy do wygenerowania energii elektrycznej potrzebnej do “obudzenia” układu scalonego czujnika – o czym za chwilę. Drugim elementem systemu identyfikacji radiowej RFID jest czytnik. Składa się z anteny, modułu nadawczego oraz układu scalonego odpowiedzialnego za przetwarzanie otrzymanych z etykiety danych i przesyłanie ich do komputera, który zajmuje się ich dalszą obróbką – np. wprowadzeniem do bazy danych.

 Czytnik RFID wraz z kompletnym systemem radiowej identyfikacji - źródło: Identiware

Aby zobrazować działanie systemu RFID, musimy teraz bliżej przyjrzeć się budowie etykiet. Otóż znaczniki RFID dzieli się na dwie grupy – aktywne i pasywne. Pierwsze z nich wyposażone są we własne źródło zasilania np. niewielką baterię. Etykiety te mają też wbudowaną stosunkowo dużą pamięć rzędu 32–64 KB. Jak można się domyślić są one również nieco “inteligentniejsze” od swoich pasywnych krewniaków, gdyż dysponują układem scalony o większej mocy obliczeniowej. Mają zatem możliwości samodzielnego wykonywania operacji na danych, a nie tylko ich przesyłania.

Takie inteligentne etykiety wykorzystywane są w przemyśle na liniach produkcyjnych, w transporcie samochodowy, w magazynach czy transporcie lotniczym. Takie etykiety przyklejane są do palet lub kontenerów i wykorzystuje się je do samodzielnej rejestracji informacji o załadowanych lub wyładowanych z/do kontenerów paczkach podczas całej podróży. Aktywne etykiety RFID pozwalają także na szyfrowanie transmisji oraz pozwalają na autoryzację czytnika. Można zatem z góry określić, które czytniki mogą wymieniać dane z jakimi etykietami. Etykiety aktywne są nieco większe i grubsze niż pasywne. Ich wielkość to zwykle rozmiar pięciozłotówki. Zasięg transmisji danych dochodzi do kilkudziesięciu metrów, a czas pracy, czyli żywotność wbudowanych w nie źródeł zasilania waha się od kilku do kilkunastu lat. Niektóre aktywne etykiety wyposażone są dodatkowo w ogniwa słoneczne.

Aktywna etykieta RFID - źródło: Y Link Wireless

Zasadza działania systemu RFID z etykietami aktywnymi jest stosunkowo prosta. Czytnik po prostu nadaje sygnał wywoławczy i oczekuje odpowiedzi od etykiety. Ponieważ tag RFID jest niezależnie zasilany to po odebraniu takiego zapytania, przechodzi ze stanu czuwania do stanu aktywnego i za chwilę odsyła do czytnika żądaną przez niego informację – dokładnie tak samo jak w wypadku bezprzewodowej karty sieciowej i routera Wi-Fi.

Etykiety pasywne

Jak można się domyślić, etykiety aktywne są niestety dość drogie. Dlatego do większości zastosowań w magazynach, na liniach produkcyjnych czy do znaczenia towarów w sklepach i zabezpieczeniu ich przed kradzieżą używa się tagów pasywnych bez własnego źródła zasilania.

Pasywna etykieta RFID

W wypadku tagów pasywnych, do ich zasilania wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Energia potrzebna na rozruch etykiety oraz do jej pracy pochodzi z czytnika. Jest ona przekazywana z niego do naklejki RFID za pośrednictwem fali radiowej, która, jak możemy przypomnieć sobie ze szkolnych lekcji fizyki, niesie ze sobą energię.

Wysyłany przez czytnik sygnał indukuje w antenie nalepki przepływ prądu, który wystarcza do zasilenia urządzenia. W praktyce antena nigdy nie zasila bezpośrednio układu etykiety, ale najpierw ładuje umieszczony w tagu RFID kondensator. Po naładowaniu kondensatora może zostać już uruchomiany układ elektroniczny etykiety, a następnie etykieta wysyła do czytnika np. zawartość swojej pamięci zawierającą numer katalogowy towaru.

Kondensator w pasywnym tagu RFID - źródło: Emerson & Cuming

Jeśli etykieta ma również możliwość odbierania sygnałów, wówczas można jej przekazać dane do zapamiętania – np. przeprogramowania zawartości pamięci. Informacje te pobierane są z tej samej wiązki fal radiowych, która uruchomiła pasywną etykietę RFID. Jak można się domyślić, operacja odczytu i zapisu w pasywnych etykietach RFID może się odbywać na niewielkich odległościach, maksymalnie do kilku metrów. Funkcja zapisywania danych w tagach przydaje się w wielu sytuacjach i pozwala przede wszystkim kontrolować przepływ podzespołów na liniach produkcyjnych czy kontrolować stan zapasów w sklepowym magazynie.

Pasywne etykiety RFID są również bardzo trwałe i mogą, jeśli nie ulegną zewnętrznemu, mechanicznemu uszkodzeniu pracować przez wiele lat. W tym czasie bez problemu mogą być odczytywane kilka milionów razy. Ich główną zaletą, oprócz ceny wynoszącej zaledwie kilka lub kilkanaście groszy, jest to, że są bardzo cienkie, co sprawia, że trudno je zauważyć. Można je np. przykleić wewnątrz przedmiotu, czy tak jak się to robi w wielu księgarniach wewnątrz książki. Zakres temperatur pracy etykiet RFID mieści się w przedziale od –25°C do +70°C, choć są również produkowane naklejki wytrzymujące temperatury do 200°C.

Pasywne tagi RFID są też praktycznie bardzo trudne nie do podrobienia, gdyż każdy z nich uzyskuje bezpośrednio na etapie jego produkcji swój własny, niepowtarzalny numer identyfikacyjny. Oczywiście, ze względu na niewielką cenę, etykiety pasywne wyposażone są w niewielką pamięć rzędu 64 bajtów. Nie ma tam też skomplikowanych układów scalonych. Kość znajdująca się w tagu jest zwykle w stanie wysłać jedynie zawartość swojej pamięci i swój numer identyfikacyjny. Niektóre pozwalają też na wielorazowy zapis informacji do swojej pamięci, ale o szyfrowaniu i autoryzacji możemy zapomnieć.

Radiowa komunikacja na różnych częstotliwościach

Obecnie w systemach RFID wykorzystuje się cztery pasma częstotliwości. Są to:

* systemy LF (ang. Low Frequency) pracujące w zakresie niskich częstotliwości od 125 do 134,2 kHz, a niekiedy nawet do 500 kHz,
* systemy wysokich częstotliwości HF (ang. High Frequency), działające w zakresie od 10 do 15 MHz (najczęściej 13,56 MHz),
* systemy działające w paśmie UHF (866–960 MHz),
* systemy mikrofalowe pracujące w zakresie od 2,54 do 5,8 GHz.

Działanie systemu RFID typu HF (u góry) i LF (u dołu) - źródło: www.zabezpieczenia.com.pl

Systemy LF używane są przede wszystkim w systemach kontroli dostępu, rejestracji czasu pracy (karty wejściowe), systemach biletowych (np. komunikacji miejskiej) i do znakowania zwierząt. Ich wadą jest to, że jednocześnie można odczytywać informacje z jednej etykiety, a zasięg odczytu wynosi ok. 50 cm, co do tych zastosowań w zupełności wystarcza.

Tych wad pozbawiona jest technologia HF, która pozwala na jednoczesny odczyt z wielu etykiet z odległości do 1,5 metra. Jak można się domyślić jest ona droższa. Systemy HF wykorzystywane są do identyfikacji bagażu na lotniskach, w sklepach, oraz w bibliotekach.

Z kolei systemy RFID wykorzystujące pasmo UHF mają największy zasięg jeśli chodzi o etykiety pasywne – do 6 metrów. W Europie ze względu na mniejsze, dopuszczone przepisami moce, zasięg ten jest obligatoryjnie zmniejszony do 3 metrów. Tego typu etykiety stosuje się głownie w przemyśle i na zapleczach supermarketów do kontroli stanów magazynowych towarów.

Ostatnie wymienione etykiety, etykiety mikrofalowe są wykorzystywane w systemach aktywnych. Pozwalają one na transmisję sygnałów na odległości ponad 10 metrów. Mało tego, bez problemu można z nich korzystać nawet wówczas gdy etykieta porusza się z prędkością powyżej 100 km/h. Oprócz szeroko rozumianej logistyki, systemy mikrofalowe wykorzystuje się przy zarządzaniu komunikacją miejską (np. kontroluje się przejazdy składów metra) oraz do rejestracji przejazdu wagonów kolejowych, tirów, palet czy kontenerów.

Standardy RFID wg EPCglobal

Ujednolicaniem standardów systemów RFID zajmuje się grupa EPCglobal. Należą do niej między innymi takie firmy takie jak Wal-Mart, Tesco, Gilette, Procter & Gamble, Hewlett-Packard, Johnson & Johnson, Philips czy Siemens. Obecnie obowiązuje norma EPCglobal Class 1 Generation 2 UHF RFID oznaczana w skrócie Gen2.

Norma ta zakłada, że komunikacja między czytnikiem a etykietą pasywną jest niesymetryczna. W pierwszej fazie czytnik wysyła niezmodulowaną falę radiową, pozwalając naładować się pobliskim etykietom. W drugiej fazie czytnik przesyła informacje do jednego lub więcej tagów, korzystając z modulacji DSB-ASK, SSB-ASK lub PR-ASK z kodowaniem PIE (Pulse Interval Encoding). Etykiety przesyłają odpowiedź dzięki odbijaniu nadawanej przez czytnik, a zmodulowanej przez znacznik fali radiowej korzystając z modulacji ASK lub PSK i kodowania Millera lub FM0. Szybkość przesyłania danych wynosi od 26,7 do 128 kbit/s w wypadku transmisji od czytnika do etykiety i od 5 do 64 kbit/s gdy dane przesyłane są od etykiety do czytnika.

Modulacje wykorzystywane w systemach RFID. - źródło: EPCglobal

Standard Gen 2 dopuszcza jednoczesną pracę wielu czytników. Dostępne pasmo podzielone zostało zatem na 50 kanałów. Odczyt informacji prowadzony jest w trzech krokach. W pierwszym czytnik wybiera grupę znaczników np. przyklejonych do określonych towarów lub jedną, konkretną etykietę będącą w jego zasięgu. W drugiej fazie wszystkie aktywowane tagi przesyłają numery identyfikacyjne PC (ang. Product Code) i EPC (ang. Electronic Product Code). To one w jednoznaczny sposób identyfikują dany produktu. Dopiero w trzecim kroku możliwy jest dostęp do pojedynczego znacznika, który pozwala już na dokonywanie odczytów i zapisów do jego wewnętrznej pamięci. Według normy Gen 2 znacznik podczas komunikacji może znajdować się w jednym z siedmiu następujących stanów – gotowości, wstrzymania, odpowiedzi, potwierdzenia, otwartym, zabezpieczonym lub w stanie śmierci. Do tego ostatniego jest przełączany po otrzymaniu zweryfikowanego polecenia “kill”, które ma na celu dezaktywować etykietę RFID. Operacja ta wykonywana jest np. przy kasie po zapłaceniu rachunku przez klienta.

Gdzie można znaleźć etykiety RFID

Nie będziemy się tutaj zajmować wykorzystywaniem naklejek RFID w logistyce i w przemyśle, gdyż jest to temat na oddzielny i obszerny artykuł. Skupmy się zatem na zastosowaniach systemów RFID tam gdzie zwykły człowiek może je spotkać. Powiedzmy tylko w tym miejscu, że pionierem w dziedzinie wykorzystywania znaczników RFID w gospodarce magazynowej jest amerykańska sieć sklepów Wal-Mart. W Polsce podobny system śledzący przepływ stanów magazynowych i znajdujących się w nich towarów wprowadziła sieć Tesco. Systemy te nie są jednak widoczne dla nas klientów, gdyż wykorzystywane są jedynie do celów wewnętrznych.

Z tym z czym możecie się na co dzień spotkać, to znaczniki RFID w systemach kontroli dostępu i rejestracji czasu pracy. Są to po prostu plastikowe, zbliżeniowe karty, wyglądające jak karty kredytowe, lub breloczki czy opaski z umieszczonym w środku tagiem RFID. Taką kartę przykłada się do czytnika i na tej podstawie możemy być np. wpuszczeni do fabryki. Z podobnymi kartami z zatopionymi w nich etykietami RFID spotkać się można w wielu ośrodkach sportowych gdzie służą do kontroli czasu, a następnie naliczenia stosownej opłaty za korzystanie z poszczególnych usług np. siłowni, sauny, kortu, basenu czy coraz częściej na wyciągach narciarskich.

Karta rejestracji czasu pracy i przepustka RFID - źródło: Roxtron

Karty z etykietami RFID służą bardzo często jako bilety w środkach komunikacji miejskiej. Takie papierowe bilety spotkać można m.in. w Moskwie i w Lisbonie. W Polsce, miesięczne bilety w postaci plastikowych kart RFID sprzedaje MPK w Warszawie, w Wałbrzychu i Poznaniu.

Bilet komunikacji miejskiej ze znacznikiem RFID (Lizbona)

Najczęściej jednak etykiety RFID służą jako systemy antykradzieżowe w sklepach. Czytniki śledzą przemieszczanie się towaru i jeśli złodziej chce wynieść towar na zewnątrz wszczynany jest alarm – wystarczy, że etykieta RFID znajdzie się w zasięgu bramki znajdującej się przy wyjściu. Etykiety RFID można praktycznie przykleić w dowolnym miejscu towaru, tak że nie jest ona widoczna lub dostęp do niej jest wręcz niemożliwy (np. wewnątrz obudowy).

W tym miejscu warto powiedzieć parę słów, o eksperymentach prowadzonych ze sklepowymi automatycznymi systemami płatności. Wystarczy, że wszystkie towary w sklepie będą oklejone etykietami RFID. Przechodząc z wózkiem wypełnionym zakupami obok czytnika przy kasie, bez wyładowywania towarów na taśmę, zostanie wówczas automatycznie naliczony rachunek, który wystarczy uregulować. To co znajduje się w wózku zostanie właśnie zidentyfikowane na podstawie odpowiedzi znaczników.

Jak już wspomnieliśmy, etykiety RFID służą też do znakowania zwierząt. Tego typu systemy kolczykowania spotkać można np. w Holandii. W Stanach Zjednoczonych już od kilku lat etykiety RFID wszczepia się kotom i psom, dzięki czemu możliwa jest natychmiastowa identyfikacja zagubionego zwierzaka.

Prowadzi się także eksperymenty z zastosowaniem chipów RFID w szpitalach, co ma pomóc lekarzowi w szybkim dostępie do danych medycznych o konkretnym pacjencie. Chory po przyjściu do szpitala zakłada na rękę bransoletę z etykietą RFID, a lekarze wyposażeni są w niewielkie czytniki, dzięki którym mają od razu wgląd w informacje o chorobie pacjenta.

Wykorzystanie etykiet RFID w medycynie. - źródło: Siemens

Na podobnej zasadzie działają elektroniczne bransolety dla więźniów. W specjalnych opaskach z tagami RFID montuje się dodatkowo czujniki skóry, które sprawdzają czy bransoleta nie została zdjęta z ręki czy nogi. To gdzie znajduje się więzień jest zaś monitorowane dzięki umieszczonemu w więzieniu systemowi czytników.

Innym obszarem zastosowań technologii RFID jest kontrola przepływu papierowych dokumentów. Przyklejony do danego dokumentu tag RFID pozwala dokładnie określić u kogo na biurku znajduje się dany dokument, a więc na jakim etapie jest dana sprawa, oraz to czy nie został on wyniesiony z firmy. Z takich “papierowych” zalet technologii RFID korzysta m.in. Biblioteka Watykańska, w której oznaczono już blisko 50 tys. pozycji spośród 120 tys. dostępnych dla czytelników książek.

Protesty przeciw RFID

Technologia RFID postrzegana jest jednak przez wiele osób jako technologia zagrażająca swobodom obywatelskim. Teoretycznie, po nabyciu towaru przez klienta końcowego, etykieta powinna zostać dezaktywowana. Ponadto klient zawsze może, jeśli tylko zechce, zerwać znacznik i wyrzucić go do kosza. Niemniej jak podkreślają przeciwnicy RFID, czynność taka wymaga świadomości tego, że taki znacznik znajduje się na opakowaniu towaru lub przyklejony jest na nim.

Co się jednak stanie dziać jeśli klient nie pozbędzie się etykiety RFID z produktu i nie zostanie ona dezaktywowana? Otóż, istnieje wówczas możliwość odczytu znacznika bez wiedzy klienta, co stwarza szansę na dokładne śledzenie naszych poczynań. Powiedzmy, że aktywny tag RFID znajduje się w naszej marynarce, wówczas wyśledzić można gdzie w niej chodzimy, do jakich restauracji, na jakie filmy, a więc śledzone są bardzo dokładnie nasze zachowania i upodobania. Co więcej, już od początku wiadomo, komu ona została sprzedana gdyż zazwyczaj za towar płacimy kartą kredytową. Wykorzystanie i zbieranie tych danych jest ogromną pokusą dla działów marketingu wielu firm.

Kolejnym podnoszonym przez przeciwników systemu RFID zagrożeniem jest obawa o możliwość wycieku danych ze wszystkich zintegrowanych z dokumentami etykiet RFID. Myśli się bowiem o wprowadzeniu znaczników RFID do dowodów osobistych, paszportów czy praw jazdy.

Na świecie działa już sporo społecznych organizacji sprzeciwiających się wykorzystywaniu etykiet RFID.

Można też wyobrazić sobie przestępstwa popełniane za pośrednictwem technologii RFID i nie chodzi tu o przeprogramowywanie w sklepie cen za towary. Wystarczy bowiem, że złodziej przejeżdżając ulicą za pomocą odpowiedniej anteny kierunkowej sczyta kody ze znaczników RFID, które nie zostały dezaktywowane, a znajdują się na przedmiotach w naszym domu. W ten sposób może on określić ile wartościowych przedmiotów się w nim znajduje.

Jak widać technologia RFID, mimo bardzo wielu korzyści niesie ze sobą też niebezpieczeństwa. Konieczne jest zatem stworzenie również jasnych przepisów prawnych pozwalających kontrolę wykorzystania technologii RFID – inaczej może zostać otworzona prawdziwa puszka Pandory.

Autor: Marcin Bieńkowski

Komentarze (22)

___________________________
Więcej artykułów