Ako funguje RFID technológia?

Informácie sú stále najlepším konkurenčným nástrojom a ten kto nimi disponuje skôr, má nesmiernu výhodu. S automatizovanými systémami identifikácie môžeme informácie z výrobných, logistických a obchodných oblastí získavať takmer v reálnom čase. V článku sa zameriame na Rádio frekvenčnú technológiu (RFID) a jej použitie.


Vznik RFID technológie

Vývoj systému RFID (Radio Frequency IDentification) sa začina v roku 1969 minulého storočia. Američan Mario Cardullo sa zaoberá myšlienkou vytvorenia systému označovania tovaru, ktorého identifikácia by mohla prebiehať úplne automaticky.

Toto bol začiatok RFID čipov. Táto myšlienka dostáva konkrétnejšie obrysy v roku 1970, keď spomínaný vynálezca podal patentovú prihlášku na RFID. Patentový úrad mu patent na RFID udelil v roku 1973.

Rozvoj čipov RFID je spojený s nárastom využívania bezdrôtových technológií. Technológia RFID čipov našla uplatnenie v štátnej správe, logistike, vo vojenskom priemysle a v bezpečnostných zložkách. RFID sa hneď od začiatku vyvíjal ako systém, ktorý mal byť alternatívou k použitiu čiarového kódu v aplikáciách, kde bolo jeho nasadenie principiálne nemožné alebo náročné.

V porovnaní s čiarovým kódom však RFID ponúka vyššiu rýchlosť snímania a podstatne jednoduchšia je jeho aplikácia v automatizovaných systémoch, keďže nekladie nijaké mimoriadne nároky na obsluhu.

Príklad nálepiek technológie čiarového kódu a RFID technológie


Čo je RFID technológia a ako funguje?

RFID (Rádio Frekvenčná IDentifikácia), je moderná technológia identifikácie objektov pomocou rádio frekvenčných vĺn. Nakoľko ide o rýchle a presné spracovanie informácií a okamžitý prenos načítaných dát k ďalšiemu spracovaniu, môžeme tento systém úspešne nasadiť v mnohých obchodných oblastiach, skladových, logistických a výrobných procesov.

Základný princíp je pomerne jednoduchý. Objekt (predmet alebo osobu), ktorú chceme automaticky identifikovať je potrebné najprv vybaviť miniatúrnym zariadením, tagom (identifikačným čipom), ktoré v blízkosti snímacieho zariadenia na povel odošle identifikačné údaje.

Snímacie zariadenie tvorí hlavný aktívny prvok v tomto procese, ktorý elektromagneticky ožiari priestor, kde sa predpokladá prítomnosť identifikovaného objektu. Identifikačný čip objektu sa touto energiou aktivuje a následne odošle svoje identifikačné údaje.

Najväčšou a nesporne najlepšou výhodou tohto systému je, že objekt môžeme identifikovať bez potreby priamej viditeľnosti, bez nasmerovania, zo vzdialenosti až niekoľko metrov, pričom sa objekt môže aj pohybovať.

RFID umožňuje identifikáciu bez priamej viditeľnosti až na niekoľko metrov


RFID tagy (značky)

Tagy, alebo tiež nazývané značky, tvoria základný stavebný prvok RFID technológie.

Každý tag sa skladá z troch časti:

  • Anténa
  • Transíver
  • Transpondéra

Anténa tvorí najväčšiu časť tagu, bez ohľadu na frekvenčné pásmo v ktorom tag pracuje, a plní dve základné úlohy: zachytáva signál a vysiela údaje do čítačky. Podľa typu značky slúži zachytený signál aj na jej napájanie.

To zo signálu vytvára Transíver, ktorý nabije kondenzátor a zároveň slúži ako prijímač a vysielač. Transpondér je najzložitejšia časť značky a jeho úloha môže byť nastaviteľná. Najčastejšie však okamžite odvysiela dáta uložené v pamäti, a tie bývajú najčastejšie vo forme sériového EPC – Electronic Product Code  (zvyčajne 64 alebo 128bitov).

Tag tvorí základný stavebný prvok RFID technológie

V praxi sa používa viacero typov značiek RFID. Medzi najpoužívanejšie však patria:

Tag (štandardný) – obsahuje cievku, pamäťový polovodičový čip a pri tzv. aktívnych systémoch aj batériu. Tento nosič sa vyrába nielen vo viacerých veľkostiach, ale tiež s rôznou kapacitou, s rôznym dosahom a pre rôzne prevádzkové podmienky. Vo väčšine prípadov je odolný proti fyzickému poškodeniu, chemikáliám, prachu a vlhkosti. Jeho operačné vlastnosti však môžu byť ovplyvnené napríklad elektromagnetickým žiarením.

Label (samolepka) – nosič informácií môže byť i samolepka, ktorá má vtlačené, vyrazené alebo inak zhotovené RF (Rádio Frekvenčné) cievky s pamäťovým čipom. Nevýhodou je jej menšia odolnosť proti okolitým vplyvom ako pri štandardnom Tagu opísanom vyššie. Vďaka relatívne nízkej cene je však ideálna voľba na označovanie sériových výrobkov.

Príklad RFID tagu v podobe samolepky

PCB (Panel Circuit Board) nosič – je ukladaný priamo do výrobku. Jeho výhodou je nízka cena a vysoká odolnosť proti poškodeniu. Príkladom použitia môže byť výroba plastových paliet, kde je PCB nosič pri ultrazvukovom zváraní uložený priamo do palety.

Rôzne veľkosti a tvary PCB tagov


RFID čítacie zariadenia (čítačka)

Čítačky sú neoddeliteľnou súčasťou systémov RFID. Pomocou nich môžeme všetky údaje v tagoch prečítať do použiteľnej a ďalej spracovateľnej podoby.

Princíp činnosti môžeme v jednoduchosti opísať takto:

Čítacie zariadenie obsahuje rezonančný obvod, ktorý vysiela elektromagnetické vlnenie s frekvenciou na ktorú je naladená aj značka. Tá z tohto poľa získava energiu na prevádzku a spätné odoslanie údajov v tvare impulzov. Čítačka tieto impulzy identifikuje a prevedie na znaky.

Čítacie zariadenie obsahuje anténu. Tá môže byť interná, ktorá je priamo zabudovaná v snímači, alebo externá. Čítačka, ku ktorej je možné pripojiť externú anténu, obsahuje 1 alebo viacej portov, ku ktorým sa antény pripájajú. Čítačky môžu obsahovať napríklad 8 portov. Snímače taktiež obsahujú vstupno – výstupné porty pre pripojenie externých zariadení.

Do vstupného portu sa najčastejšie pripája fotobunka, alebo elektronická závora, ktorá deteguje prítomnosť tovaru pred snímačom. Výstupný port môžeme pripojiť k jednoduchým zariadeniam, ktoré je schopné riadiť aj snímač, napríklad pásový dopravník. Pre ďalšie spracovanie údajov sa snímače pripájajú komunikačnými portami do sieti prostredníctvom Ethernetu, WiFI, alebo priamo k zariadeniam (PC, PLC) pomocou sériového portu RS 232, alebo USB.

Čítačky sú neoddeliteľnou súčasťou systémov RFID


RFID technológia: princíp prenosu informácií

Aj keď na trhu existuje viacero spôsobov prenosu informácií v RFID systémoch v tejto časti sa budeme zaoberať princípom, ktorý patrí medzi najrozšírenejšie. Je to systém pracujúci na princípe indukčnej väzby.

Systémy založené na indukčnej väzbe najčastejšie pracujú na frekvenciách 125 KHz a 13.56 MHz. Ich typický pracovný dosah je okolo 1 metra. Najjednoduchší systém je schopný preniesť informáciu 1 bitu, a to aj bez prítomnosti čipu v značke. Hlavný princíp činnosti RFID prenosu je zobrazený na obrázku nižšie a dá sa v jednoduchej forme opísať takto:

Čítacie zariadenie obsahuje zdroj striedavého napätia a LC rezonančný obvod (L1 a C1). Ten je naladený na rezonovanie pri pracovnej frekvencii. Pri prechode prúdu cievkou (L1) vzniká v jej okolí elektromagnetické pole. Ak sa do blízkosti tohto poľa dostane LC značka, na jej cievke sa indukuje napätie. Tento jav opisuje Faradayov zákon.

Zároveň sa v značke vytvorí indukovaný prúd, ktorý vytvára magnetické pole, ktoré pôsobí proti poľu, ktoré vyvolalo indukciu prúdu. Tento jav je známy ako Lenzov zákon. Toto sa prejaví znížením magnetického poľa čítacieho zariadenia a zároveň poklesom jeho napätia. Tento pokles je detegovaný čítačkou a prevedený na jeden bit.

Princíp činnosti RFID technológie

Ak chceme aby značka dokázala obsiahnuť viacej informácií, je nutné ju vybaviť mikročipom. Ten dokáže uchovať údaje s kapacitou až niekoľko megabajtov. Obvod tagu (značky) je potom vybavený aj usmerňovacou diódou (D) a kondenzátorom (C3). Dióda usmerní indukované napätie a nabije kondenzátor. Ten slúži na napájanie mikročipu. Mikročip je v podstate ako naprogramovaný rezistor, ktorý mení hodnotu odporu podľa uložených dát.

Zmena odporu spôsobí zmenu indukovaného prúdu, a tá spôsobí zmenu magnetického poľa vytvoreného značkou. V konečnom dôsledku sa to prejaví ako zmena napätia čítacieho zariadenia. Postupnosť zmien sa prevedie na údaje, ktoré boli uložené v mikročipe.

Princíp RFID – prevod magnetického poľa na dáta


RFID a systém označovania objektov

Pri využití technológie RFID pri označovaní tovaru sa otvárajú takmer neobmedzené možnosti. Pri označovaní tovaru čiarovými kódmi môžeme označiť konkrétnu skupinu výrobku od daného výrobcu. To znamená, že čiarový kód nám oznámi že daný objekt/tovar (napríklad ryža) je vyrobený na Slovensku, od výrobcu XXX.

RFID systém podporuje mnohonásobne väčšie objemy informácií. To znamená, že ten istý tovar označený tagom by nám dokáže poskytnúť aj informácie o dátume výroby, dátume spotreby, dokonca aj akým teplotám bol vystavovaný tovar v priebehu prepravy.

Tieto všetky informácie však nie sú uložené priamo v tagu. V ňom je uložené iba jeho sériové číslo, na základe ktorého je možné všetky tieto informácie získať z informačného systému. Takéto sériové číslo, s označením EPC (Electronic Product Code – Elektronický Produktový Kód) predstavila organizácia EPCglobal, ktorá vznikla spoluprácou EAN International a UCC.

Elektronický produktový kód – EPC

EPC určuje 96 bitové označovanie výrobkov, pričom každý výrobok má svoje jedinečné identifikačné číslo. Samotný EPC by bol úplne na nič, keby nad ním nestála EPCglobal Network. Ide o technologické riešenie, ktoré umožňuje automatickú identifikáciu tovaru v obchodnom reťazci a to kdekoľvek na svete. Všetkým účastníkom v obchodnom reťazci umožňuje znížiť finančné straty, odstrániť nedostatky tovarov na sklade, urýchliť príjem, výdaj a fakturáciu tovaru.

Elektronický produktový kód (EPC) môžeme opísať ako zakódované číslo uložené v čipe. Štruktúra EPC je zobrazená na obŕzku nižšie, kde:

  1. Header – 8 bitov – 256 kombinácií – verzia EPC kódu, definuje štruktúru EPC. Každá verzia môže obsahovať iný počet bitov pre jednotlivé položky kódu
  2. EPC Manager – 28 bitov – viac ako 268 miliónov kombinácií – označenie výrobcu
  3. Object Class – 24 bitov – viac ako 16 miliónov kombinácií – označenie druhu výrobku
  4. Serial Number – 36 bitov – viac ako 68 miliárd – sériové číslo konkrétneho výrobku
Štruktúra Elektronického Produktového kódu (EPC)

V konečnom dôsledku to znamená, že EPC dokáže zahrnúť 268 435 456 firiem, pričom každá môže vyrábať 16 777 216 výrobkov a každý výrobok môže dostať jedno z 68 719 476 736 sériových čísiel. Pre prípad 128 bitového kódovania EPC, sa spomínané čísla ešte výrazne zväčšia.


Záver

Nasadenie RFID technológie nepozná takmer žiadne hranice, ale jej najčastejšie využitie boli a sú práve v logistike. Vzhľadom na priebežne klesajúci trend nákladov na výrobu týchto čipov sa táto technológia veľmi rýchlo rozšírila aj do iných segmentov, bez toho, aby si to väčšina zákazníkov

Hromadné zavádzanie si však vyžadujú nielen výkonné servery, ale aj vysokorýchlostné počítačové siete. Treba počítať s vysokými nákladmi na hardvér a softvér. Návratnosť prvotných nákladov sa však predpokladá už v prvých rokoch v podobe zvýšenej efektívnosti a kvality procesu v každom odvetví, do ktorého bola táto technológia implementovaná.


Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *