Обзор технологий RFID

Система радиочастотной идентификации (RFID, Radio Frequency Identification) представляет из себя беспроводную систему автоматической идентификации объектов, в котором при помощи радиосигналов считываются или записываются данные, которые хранятся в RFID-метках (RFID-tag).

Каждую RFID-систему можно представить в виде двух взаимодействующих компонентов: считывающего устройства (считыватель, RFID-reader) и транспондера, или метки (RFID-tag).

Структуру любой метки можно представить в виде двух частей — рис. 1. Первая часть метки представляет из себя чип, предназначенный для обработки и хранения информации, а также модуляции и демодуляции радиочастотного сигнала. Вторая часть — это антенна, которая принимает и передает сигнал.

Рис. 1. Общий вид RFID-метки

С технологией RFID мы встречаемся повсеместно. Её различные формы используются в предметах, которыми человек пользуется в повседневной жизни: в метро, в магазинах, паспортах, при бесконтактной оплате pay-pass, библиотечных книгах и др.

Главное преимущество RFID состоит в том, что большее количество информации можно получить путем его считывания посредством приборов в зоне непрямой видимости и в дальность до 10 м, вместо считывания штрих-кода в пределах прямой видимости. В отличие от ранее внедренных технологий, RFID дает возможность общения на гораздо больших расстояниях, чем его предшественникам. Для стандартизации и продвижения технологии RFID в 2003 году была создана организация EPC Global.

Системы радиочастотной идентификации используются во многих областях. Существуют различные технологии RFID, находящие применение в различных приложениях. Ключевым признаком классификации является наличие или отсутствие собственного источника питания у меток и, как следствие, физический принцип передачи данных считывателю. По этому признаку все системы радиочастотной идентификации делятся на пассивные (внутренний источник энергии отсутствует), полупассивные или полуактивные (внутренний источник присутствует, но в целом процесс взаимодействия между считывателем и меткой аналогичен используемому в пассивных системах) и активные (внутренний источник присутствует и используется для передачи данных).

В пассивных RFID-метках отсутствует встроенный источник питания. Электрический ток, индуцированный в антенне посредством электромагнитного сигнала от считывателя, гарантирует необходимую мощность для функционирования микрочипа и передачи обратного сигнала. Наиболее широко распространенные пассивные системы радиочастотной идентификации работают в СВЧ диапазоне (860−960 МГц), в ВЧ диапазоне (13.56 МГц) и НЧ диапазоне (125−134 кГц). Дальность действия пассивных меток ВЧ-диапазона достигает 1 метра, СВЧ-диапазона варьируется от 4 до 15 метров.

Для большей наглядности можно представить в виде таблицы 1 частоты и характеристики, которые используются в RFID-системах [11].

Таблица 1. Частоты и характеристики.

* - для меток без специальной подложки.

Поскольку настоящая дипломная работа направлена на исследование систем радиочастотной идентификации стандарта EPC Class 1 Generation 2, относящихся к системам СВЧ диапазона, рассмотрим более подробно их принцип работы.

В пассивных системах радиочастотной идентификации СВЧ-диапазона (860−960 МГц) считыватель постоянно создает электромагнитное поле, которое необходимо для передачи энергии меткам. Когда считывателю требуется передать сообщение, он передает модулированный сигнал, а в остальное время — обычную синусоиду (постоянный сигнал) на своей несущей частоте. Для передачи данных метка изменяет во времени коэффициент отражения своей антенны, тем самым осуществляя амплитудную модуляцию отраженного сигнала. Такой способ передачи данных называется модуляцией отраженного сигнала, или модуляцией обратного рассеивания (англ. Backscattering Modulation). Следует также отметить, что в пассивных системах метка не может инициировать обмен сообщений, а передает данные лишь в ответ на команды от считывателя.

Антенной системе считывателя необходимо одновременно вести передачу постоянного сигнала (в противном случае, метка лишится возможности вести передачу, потеряет источник питания и выключится, оборвав сессию) и принимать ответ от метки. Существуют две конфигурации антенных систем, способные функционировать в таком режиме: моностатическая (англ. monostatic configuration) и бистатическая (англ. bistatic configuration) [12].

Полупассивные RFID-метки (полуактивные) схожи с пассивными метками, работают под управлением тех же протоколов, за исключением того, что полупассивные метки имеют источник питания. Рассматривая вопрос дальности действия этих меток, можно сказать, что дальность действия обуславливается лишь чувствительностью приемника, следовательно, метки способны принимать и посылать сигнал на более далеком расстоянии и с лучшими характеристиками по сравнению с пассивными.

В активных RFID-метках имеется независимый от считывателя источник энергии. Благодаря этой особенности есть возможность считать метки с гораздо большего расстояния. Часто у меток такого типа больше размеры и на них есть возможность поставить дополнительную электронику, например — сенсоры. Стоимость таких меток достаточно высока, а сами источники питания имеют ограниченный ресурс времени использования [11].

Активные метки чаще всего имеют более высокий показатель надежности и могут осуществлять считывание на большем расстоянии (до 300 метров) за счет возможности генерации выходного сигнала более высокого уровня. Так, существующие активные метки дают возможность передать сигнал на расстояние, измеряемое в сотнях метров, и батарея может обеспечить питание для метки в течение 10 лет. Кроме того, активные метки часто содержат больший объем памяти.

Существуют различные реализации технологий активной радиочастотной идентификации. Часто такие системы строят на базе протоколов IEEE 802.11 (WiFi) или IEEE 802.15.3 (ZigBee) [5]. В таких системах для передачи данных от меток не используется явление обратного рассеивания, и метки могут самостоятельно инициировать передачу данных. Поскольку у меток есть независимый источник питания, считывателю не требуется постоянно создавать поле и передавать постоянную волну.

Метки могут отличаться возможностями чтения/записи банков памяти, наличием и размерами пользовательской памяти. Выделим несколько типов:

• · Read Only (только чтение) — данные заносятся единожды на стадии изготовления метки. Их можно использовать лишь для идентификации. Произвести запись какой-либо новой информации возможности нет, подделка таких меток практически невозможна.
• · Write Once Read Many (единоразовая запись и многократное чтение) — помимо уникального идентификатора, в таких метках присутствует блок памяти, в который можно однократно записать информацию и после этого многократно считывать.
• · Read and Write (чтение и запись) — метки этого типа отличаются тем, что память у них может быть перезаписана множество раз, в отличие от вышеперечисленных типов.

Отдельно стоит отметить способы крепления метки к объекту идентификации. Так, метка может находиться под корпусом или на его поверхности, которая, в свою очередь, может быть, как проводящей, так и диэлектрической. Кроме того, поверхность, на которую крепится метка, не обязана быть плоской. Варианты исполнения меток, в зависимости от способа крепления, включают метки, не использующие клеевой слой, с использованием клеевого слоя, без использования поверхности для печати или с ней, обычные пластиковые карты (электронные ключи), метки в форме кольца, брелоки, кроме этого, используют специальные корпуса для агрессивных условий эксплуатации.