Современные системы радиочастотной идентификации и регистрации объектов
Александр Гусаров
Системы радиочастотной идентификации и регистрации объектов (RFID-системы) получили широкое распространение в начале 90-х годов. По сравнению с уже существовавшими тогда методами идентификации по штрих-коду или по магнитной полосе, RFID-системы обладали рядом существенных преимуществ. Они позволили существенно ускорить процесс идентификации, не требовали специального расположения объекта относительно ридера, как в системах со штрих-кодом, были более надежными, долговечными и защищенными, чем системы с магнитной полосой.
Идентификация объекта производилась по уникальному цифровому коду, излучаемому закрепленной на объекте электронной меткой-транспондером. Опрос транспондеров производился автоматически с помощью приемопередающего устройства (ридера). В настоящее время, в зависимости от требований к системе применяются как активные (с питанием от встроенной батареи), так и пассивные транспондеры. Энергию, необходимую для формирования ответного сигнала, пассивный транспондер получает по радиолинии от ридера.
Первой системой радиочастотной идентификации и регистрации объектов была система TIRIS (Texas Instruments Registration and Identification System). Разработанная первоначально для автоматизации складского хозяйства, TIRIS нашла применение в системах охраны доступа, автомобильных иммобилайзерах, системах автоматизированной торговли, на платных автомобильных парковках, бензоколонках и пр. Перечисление всех реализованных применений системы TIRIS в нашей статье заняло бы слишком много места. Желающие ознакомиться с этой информацией могут заглянуть на сайт фирмы Texas Instruments http://www.ti.com/tiris/docs/docntr.htm.
Система TIRIS работает в диапазоне 134 кГц по принципу запрос–ответ и использует частотно-модулированные сигналы, что обеспечивает высокую помехозащищеность в условиях промышленных шумов и позволяет реализовать достаточно высокую дальность действия (до двух метров). Это выгодно отличает ее от других аналогичных систем, разработанных в последнее время.
Являясь пионером на рынке RFID-устройств, фирма Texas Instruments впервые предложила транспондеры с различными типами организации памяти: это транспондеры R/O (Read Only), содержащие записанный на заводе уникальный код, R/W (Read Write) транспондеры, код в которые заносится пользователем, многостраничные транспондеры, имеющие пользовательскую память объемом до 1 кБ, а также транспондеры, память которых защищена «плавающим» кодом. В январе 2001 г. подразделение Texas Instruments, занимающееся разработкой и распространением систем радиочастотной идентификации, получило новое название Texas Instruments RFID Systems. Однако для характеристики низкочастотной RFID-системы сохранено прежнее название TIRIS, более знакомое нашим читателям.
Существующие в настоящее время системы RFID различных производителей, как правило, различаются несущей частотой используемых сигналов, типом модуляции, протоколом радиообмена и объемом возвращаемой транспондером информации. В последнее время рядом организаций были предприняты попытки стандартизовать указанные характеристики. Это, в первую очередь, относится к несущей частоте сигналов.
В настоящее время можно выделить три основных частотных диапазона, в которых работают системы RFID:
Среди широко распространенных на российском рынке систем RFID низкочастотного диапазона следует отметить транспондеры, работающие на частоте 125 кГц (протокол швейцарской фирмы EM Microelectronic Marin). Эти транспондеры используют амплитудно-модулированные сигналы и манчестер-код. Аналогичным протоколом обмена обладают транспондеры фирм Temic, Atmel, Microchip и транспондеры, выпускаемые ООО «Ангстрем». Указанный стандарт существенно уступает системе Texas Instruments RFID по дальности действия (около 20 см) и помехозащищенности, однако низкая стоимость транспондеров ($1,2–1,5) и ридеров ($20–30) позволяет реализовать недорогие системы охраны доступа, системы учета рабочего времени и др.
К главным недостаткам низкочастотных систем RFID следует отнести, в первую очередь низкую скорость радиообмена и технологическую сложность изготовления высокоиндуктивных антенн транспондеров. Низкая скорость обмена не позволяет ридеру различать несколько транспондеров, одновременно находящихся в поле его антенны. Это до определенной степени ограничивает применение низкочастотных RFID-систем. Спиральные или магнитные антенны низкочастотных транспондеров требуют, как правило, сложного оборудования и плохо транспортируются. Это приводит к высоким затратам на корпусирование транспондеров и, в конечном итоге, к их высокой стоимости.
Переход в мегагерцовый диапазон частот позволил разработчикам избавиться от указанных недостатков. Стандартным среднечастотным диапазоном для производства систем RFID является диапазон 13,56 МГц. Разработки транспондерных микросхем в этом диапазоне имеются у целого ряда известных производителей — это Philips-технология MIFARE, разработки фирмы Microchip и многих других.
Два года назад Texas Instruments RFID запатентовал комплексное решение в этом диапазоне. Транспондеры, производимые Texas Instruments по технологии Tag-ItTM, представляют собой законченную конструкцию, состоящую из тонкой пластиковой подложки (0,03 мм), микросхемы и нанесенной методом напыления рамочной антенны (рис. 1)
Рис. 1. Транспондеры Tag-ItTM Texas Instruments
Транспондеры выпускаются в трех вариантах исполнения: с прямоугольной антенной (78ґ45 мм2), с квадратной антенной (45ґ45 мм2) и с миниатюрной антенной (22,5ґ38 мм2). Толщина транспондера в месте расположения чипа 0,3 мм. Транспондер содержит уникальный, записанный на заводе изготовителе 32-разрядный код и пользовательскую память 256 бит (8 страниц по 32 разряда). Сигнал транспондера амплитудно-модулированный, для кодирования используется манчестер-код. Ориентировочная стоимость транспондера в России составляет менее одного $1. Главным достоинством транспондеров Tag-ItTM является простота их корпусирования. В простейшем случае применения транспондер может быть просто вклеен между двумя листами бумаги или картона. В настоящее время транспондеры Tag-ItTM могут использоваться с ридером RI-K02-320A производства Texas Instruments (рис. 2). Дальность действия такой системы невелика, около 0,4 м. Однако принятый протокол обмена позволяет идентифицировать в секунду до 30 одновременно находящихся в поле антенны ридера транспондеров.
Рис. 2. Ридер RI-K02-320A производства Texas Instruments: 1 — антенна, 2 — ридер, 3 — антенный кабель, 4 — RS 232
Важным преимуществом технологии TagItTM по отношению к низкочастотным системам RFID является возможность использования транспондеров на небольшом расстоянии от металлической токопроводящей подложки. Исследования, проведенные в лаборатории Texas Instruments, позволили определить зависимость дальности считывания от расстояния между транспондером и металлической подложкой. Указанная зависимость приведена на рис. 3. Легко убедиться, что при удалении транспондера Tag-ItTM на 10 мм от металлической подложки дальность действия системы падает всего на 40 % от максимальной. Это позволяет существенно расширить область применения транспондеров и использовать Tag-ItTM для идентификации металлических объектов: газовых баллонов, пивной тары, деталей автомобилей и железнодорожного транспорта.
Рис. 3. Зависимость дальности действия ридера от расстояния между транспондером и металлической подложкой
В ноябре 2000 г. Texas Instruments анонсировал выпуск специализированной микросхемы считывателя, позволяющей в полном объеме реализовать протокол радиообмена на считывание и запись. Появление микросхемы на рынке ожидается во втором квартале 2001 г. Это позволит пользователям разрабатывать свои конструкции ридеров, ориентированные на конкретные применения. В то же время ожидается выпуск транспондера Tag-it™ с протоколом, полностью соответствующим требованиям глобального стандарта ISO/IEC 15693, что позволит использовать метку с ридерами других производителей, поддерживающих данный стандарт. Пользовательская память устройства будет увеличена до 2 Кбит, что даст возможность хранить в транспондере больше информации об объекте и, в свою очередь, расширит круг его возможных применений.
Высокочастотные транспондерные устройства, как правило, предназначены для идентификации на достаточно больших расстояниях (10–15 м) объектов, двигающихся со скоростями до 200 км/час. На современном рынке RFID такие транспондеры представлены в первую очередь продукцией Amtech и Micro Design ASA. Высокочастотные активные транспондеры Texas Instruments разработаны в соответствии со стандартами США и Канады и, к сожалению, не поставляются на европейский рынок. Как правило, достаточно большие расстояния действия высокочастотных систем RFID достигаются за счет применения остронаправленнных антенн ридеров и высоких мощностей запросного сигнала. Транспондер содержит внутри себя высокочастотный приемопередатчик. Все это приводит к достаточно высоким ценам на компoненты таких систем, в частности стоимость ридерного оборудования составляет $2000–5000, стоимость высокочастотного транспондера колеблется от $30 до 100.
Существенное снижение стоимости высокочастотного оборудования возможно за счет применения в системах RFID технологии отражающих фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Образцы таких устройств созданы опытно-производственной фирмой «ПИК» из Санкт-Петербурга. Изделие получило название «ЭСКОР-РАДИОМЕТКА». Оно состоит из транспондера PIC-Z 16, ридера KLV-100RF и контроллера KLV-1000RF. В существующей версии устройства транспондер принимает сигнал передатчика на частоте 868 МГц и переизлучает ответный сигнал, представляющий собой 16-разрядный уникальный код транспондера. Передатчик ридера излучает гладкий сигнал. При пиковой мощности передатчика около 1 Вт дальность действия устройства составляет 5–15 метров. Формирование ответного сигнала осуществляется пассивными диспергирующими линиями задержки на ПАВ. Такие линии задержки представляют собой кристаллы кварца с напыленными на их поверхности выводами. Главным достоинством указанной технологии является низкая стоимость фильтров на ПАВ, которая в условиях массового производства существенно ниже стоимости приемопередающих высокочастотных транспондеров.
Другим важным достоинством фильтров на ПАВ является их высокая надежность. В отличие от приемопередающих высокочастотных транспондеров, ПАВ-фильтры не могут быть выведены из строя ни мощным электромагнитным импульсом, ни радиационным излучением. Это позволяет применять их не только в традиционных направлениях, использовать для создания автоматизированных систем учета ядерных отходов.
Представленная здесь технология не исчерпывает всех возможностей систем RFID на ПАВ. Переход в высокочастотный диапазон (до 1 ГГц) позволил бы реализовать остронаправленные антенны транспондеров и ридеров и получить выигрыш в дальности. Пути дальнейшего совершенствования технологии предполагают использование так называемых сложных сигналов, а именно фазо-кодо-манипулированных сигналов или сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Дело в том, что дальность действия радиочастотной системы определяется не пиковой мощностью передающей системы, а полной энергией, излучаемой передатчиком. Энергия такого сигнала определяется как произведение мощности передающего устройства на длительность сигнала. В приемном устройстве транспондера принятый сложный сигнал может быть сжат по времени и переизлучен в виде короткого импульса, значительного по мощности. Использование сложных сигналов позволит еще более существенно увеличить дальность действия RFID-систем при тех же уровнях пиковой мощности передатчика.
К сожалению, небольшой объем журнальной статьи не позволяет подробно осветить все проблемы, связанные с применением, производством и путями развития технологии RFID. Читатели, которых заинтересовали эти проблемы, могут обращаться к автору данного материала.