Чипизация и кодирование

БАРСУКОВ Вячеслав Сергеевич, кандидат технических наук

RFID или не RFID? ВОТ В ЧЕМ ВОПРОС

Рассматривается состояние, особенности и перспективы развития технологии бесконтактной (радиочастотной) идентификации

Достижения информационных технологий в последние годы позволили совершить своеобразную информационную революцию. Повсеместное внедрение автоматизированных систем управления существенно изменило нашу жизнь. Единственным тормозом на этом пути до недавнего времени являлось самое слабое звено – человек, которому ничто человеческое не чуждо: ошибки, плохое здоровье, плохая память и т.п. Это не позволяло до конца решить проблему сбора и ввода-вывода информации в компьютерную систему управления любым процессом – будь то производство, торговля, транспортные перевозки и т.п. Это продолжалось до тех пор, пока не вспомнили о технологии радиочастотной идентификации (РЧИ), принципы которой успешно использовались со второй мировой войны для автоматической идентификации самолетов (“свой-чужой”).

Этот пример еще раз подтверждает истину, что все новое – это хорошо забытое старое, но на базе новых подходов. Технологии бесконтактной идентификации наиболее полно соответствуют всем требованиям компьютерной системы управления (в том числе, управления подвижными объектами), где требуются распознавание и регистрация объектов и прав пользователей в реальном масштабе времени. Строятся они обычно на оптическом (всем известные штрих-коды) или радиочастотном принципе.

Радиочастотное распознавание осуществляется с помощью закрепленных за объектом специальных меток, несущих идентификационную и другую информацию. Об этом методе, который уже стал основой построения современных бесконтактных информационных систем (БИС), имеющем устоявшееся название RFID-технологии (что в переводе и означает радиочастотную идентификацию), его возможностях и перспективах развития и пойдет речь в данном аналитическом обзоре.

Состав и особенности работы RFID-системы

Физические основы RFID

Общий принцип работы любой RFID-системы достаточно прост. В системе всегда есть три основных компонента: это считыватель (ридер), идентификатор (карта, метка, брелок, тег) и компьютер. Считыватель излучает в окружающее пространство электромагнитную энергию. Идентификатор принимает сигнал от считывателя и формирует ответный сигнал, который принимается антенной считывателя, обрабатывается его электронным блоком и по интерфейсу направляется в компьютер (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы RFID-системы

Ридер имеет: приемо-передающее устройство и антенну, которые посылают сигнал к тегу и принимают ответный; микропроцессор, который проверяет и декодирует данные; память, которая сохраняет данные для последующей передачи, если это необходимо.

Основные компоненты транспондера (тега): интегральная схема, управляющая связью со считывателем, и антенна. Чип имеет память, которая хранит идентификационный код или другие данные. Тег обнаруживает сигнал от ридера и начинает передавать данные, сохраненные в его памяти, обратно в ридер. Нет никакой потребности в контакте или прямой видимости между считывателем и тегом, поскольку радиосигнал легко проникает через неметаллические материалы. Таким образом, теги могут быть даже скрыты внутри тех объектов, которые подлежат идентификации. Теги бывают активными или пассивными. Активные теги работают от присоединенной или встроенной батареи, они требуют меньшей мощности считывателя и, как правило, имеют большую дальность чтения. Пассивная метка функционирует без источника питания, получая энергию из сигнала считывателя. Пассивные метки меньше и легче активных, менее дороги, имеют фактически неограниченный срок службы. Активные и пассивные теги могут быть:

- только для чтения;

- с чтением-записью;

- однократно записываемыми, данные в которые могут быть занесены пользователем.

По принципу действия системы RFID можно разделить на пассивные и интерактивные. В более простой пассивной системе излучение считывателя постоянно во времени (не модулировано) и служит только источником питания для идентификатора. Получив требуемый уровень энергии, идентификатор включается и модулирует излучение считывателя своим кодом, который считывателем и принимается. По такому принципу работают большинство систем управления доступом, где требуется только получить серийный номер идентификатора. Системы, используемые, например, в логистике, работают в интерактивном режиме. Считыватель в такой системе излучает модулированные колебания, то есть формирует запрос. Идентификатор дешифрирует запрос и при необходимости формирует соответствующий ответ.

Антиколлизия

Необходимость в интерактивных системах появилась в связи с потребностью одновременно работать более чем с одним идентификатором. Например, если на складе необходимо прочитать все метки в упаковке с товаром. В подобных ситуациях не обойтись без механизма антиколлизии, который обеспечивает выборочную поочередную работу с несколькими идентификаторами, одновременно находящимися в поле считывателя. Без такого механизма сигналы идентификаторов наложились бы друг на друга. В процессе антиколлизии считыватель определяет все идентификаторы по их уникальным серийным номерам, а затем поочередно обрабатывает.

Перезаписываемые идентификаторы

Для принятия решения о допуске человека в помещение или для подсчета количества коробок на поддоне достаточно, чтобы каждый идентификатор имел свой уникальный номер. Однако есть большой класс задач, когда в метку необходимо помещать дополнительную информацию, отражающую ход технологического процесса. В этом случае используют перезаписываемые идентификаторы с дополнительной энергонезависимой памятью, в которой информация сохраняется и после пропадания питания. Объем такой памяти может колебаться от нескольких десятков бит до десятков килобайт, в зависимости от прикладной задачи.

Частотные диапазоны и стандарты

В технологии RFID есть два ключевых определения:

- Proximity (карты и брелки) – идентификаторы малой дальности, как правило, около 10 см. Используются в системах доступа, транспортных приложениях;

- Vicinity – идентификаторы средней дальности (около полутора метров); Используются для идентификации товаров и продукции, в основном, в логистических приложениях. С точки зрения рабочих частот основными являются низкочастотный диапазон (125 или 134 кГц), среднечастотный (13,56 МГц) и высокочастотный (800 МГц … 2,45 ГГц). Особенности стандартов приведены в табл. 1.

Низкочастотный диапазон используется, как правило, в системах доступа, а также для идентификации животных и металлических предметов (например, пивных кегов).

В настоящее время наиболее популярен среднечастотный диапазон. Он используется в транспортных и других аналогичных приложениях, где требуется работа с перезаписываемыми картами. Базовым стандартом является ISO 14443, и практически все смарт-карты производятся в соответствии с этим стандартом. Для меток в среднечастотном диапазоне актуальны два стандарта: ISO 15693 и EPC. По ISO 15693, в основном, производятся перезаписываемые метки с достаточно широкой функциональностью. EPC (electronic product code) имеет более простую структуру и является электронным аналогом штриховых кодов.

Высокочастотный диапазон (800 МГц…2,45 ГГц) начал осваиваться сравнительно недавно, но представляет большой интерес ввиду того, что при существующих нормах на уровень мощности излучения в данном диапазоне на пассивных идентификаторах достигаются дальности до 4…8 м, что очень важно, например, для складских приложений. В этом диапазоне доминируют два стандарта: ISO 18000 и EPC. На сегодняшний день можно утверждать, что стандарт EPC для среднечастотного и высокочастотного диапазонов является очень перспективным, в особенности для логистических приложений.

Для преодоления технических проблем, связанных с разработкой международного стандарта по RFID, крупнейшие фирмы-производители систем РЧИ образовали в рамках Международной организации по стандартизации (ISO) и Международного электротехнического комитета (IEC) рабочую группу, занимающуюся разработкой международных стандартов систем РЧИ, предназначенных для управления товарами. 31-й подкомитет, в состав которого входит эта рабочая группа, ведет работы, связанные с маркировкой товаров штриховыми кодами. Сама рабочая группа по радиочастотной идентификации делится на четыре подгруппы: профили требований к приложениям, синтаксис данных, уникальная идентификация радиочастотных меток и радиоинтерфейс. Эти подгруппы работают над созданием международных стандартов, посвященных, соответственно, общим вопросам применения систем РЧИ, информационному наполнению радиочастотной метки и системе управления ее работой, единой системе уникальной идентификации радиочастотной метки и, наконец, правилам радиообмена, происходящего между радиочастотной меткой и устройством считывания информации. Результатом работы этих подгрупп будет серия международных стандартов, полностью разрешающая все проблемы, связанные с совместимостью компонентов систем РЧИ разных производителей.

Для облегчения процесса выбора функциональных возможностей системы РЧИ разработка стандартов ведется для нескольких диапазонов частот: ниже 135 КГц, 13,56 МГц, 433 МГц, 860 – 960 МГц и 2,45 ГГц. Предполагается, что системы РЧИ, работающие на этих частотах, удовлетворят все потребности пользователей этих систем. Процесс разработки международного стандарта требует его согласования со всеми национальными органами стандартизации, принимающими участие в его разработке. Всего международный стандарт проходит 6 стадий согласования на разных уровнях Международной организации по стандартизации. К настоящему моменту проекты стандартов преодолели самую сложную половину своего пути, что можно расценивать как знак того, что в течение ближайшего времени взаимоувязанные международные стандарты для систем РЧИ будут созданы. Основные особенности современных стандартов по RFID приведены в табл. 1.

Таблица 1. Общие характеристики RFID-технологии

В настоящее время наибольший интерес представляют стандарты серии ISO 18000, основные особенности которых приведены в табл. 2.

Таблица 2. Стандарты RFID серии ISO 18000

Преимущества RFID-технологии:

- для RFID не нужен контакт или прямая видимость;

- RFID-метки читаются быстро и точно (приближаясь к 100% идентификации);

- RFID может использоваться даже в агрессивных средах, а RFID-метки могут читаться через грязь, краску, пар, воду, пластмассу, древесину;

- пассивные RFID-метки имеют фактически неограниченный срок эксплуатации;

- RFID-метки несут большое количество информации и могут быть интеллектуальны;

- RFID-метки практически невозможно подделать;

- RFID-метки могут быть не только для чтения, но и для записи информации.

Области применения RFID-технологии

До последнего времени RFID-системы были более дорогими по сравнению со штрих-кодовыми системами бесконтактной идентификации. Однако технический прогресс в области тегов привел к тому, что они начали использоваться в областях, в которых прежде использовался только штрих-код. В настоящее время теговые системы успешно соперничают со штрих-кодовыми, в том числе и в цене. Более того, RFID-технология позволяет предлагать решения для работы в оптически тяжелых условиях.

Микросхема RFID – это что-то вроде говорящего штрих-кода, передающего информацию на устройство считывания или сканер. Печатные штрих-коды обычно считываются лазерным сканером, которому для определения и извлечения информации требуется прямая видимость. При использовании технологии RFID сканер может считать закодированную информацию, даже когда бирка скрыта – например, встроена в корпус изделия или вшита в одежду. Крошечная бирка RFID может содержать намного больше информации, чем штрих-код. Более того, в отличие от штрих-кодов, бирки RFID могут передавать данные из различных упаковок, например, из тележки покупателя или из коробок с товарами.

Результаты проведенного сравнительного анализа этих двух методов бесконтактной идентификации приведены в табл. 3.

Таблица 3. Сравнительные характеристики двух методов бесконтактной идентификации

В настоящее время RFID-системы применяются в разнообразных случаях, когда требуется оперативный и точный контроль, отслеживание и учет многочисленных перемещений различных объектов. Типичные применения:

- электронный контроль доступа и перемещений персонала на территории предприятий;

- управление производством, товарными и таможенными складами (в особенности крупными), магазинами, выдачей и перемещением товаров и материальных ценностей;

- автоматический сбор данных на железных дорогах, платных автомобильных дорогах, на грузовых станциях и терминалах;

- контроль, планирование и управление движением, интенсивностью графика и выбором оптимальных маршрутов;

- общественный транспорт: управление движением, оплата проезда и оптимизация пассажиропотоков;

- системы электронных платежей для всех видов транспорта, включая организацию платных дорог, автоматический сбор платы за проезд и транзит, платные автостоянки;

- обеспечение безопасности (в комплексе с другими техническими средствами аудио- и видеоконтроля);

- защита и сигнализация на транспортных средствах.

Область применения RFID-системы определяется ее частотой (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость недостатков RFID-системы от частоты

Учитывая зависимости, предтавленные на рис. 2, RFID-системы можно разделить условно на три группы.

1. Высокочастотные (850 – 950 MГц и 2,4 – 5 ГГц), которые используются там, где требуются большое расстояние и высокая скорость чтения, например контроль железнодорожных вагонов, автомобилей, системы сбора отходов. В этих целях, ридеры устанавливают на воротах или шлагбаумах, а транспондер закрепляется на ветровом или боковом стекле автомобиля. Большая дальность действия делает возможной безопасную установку ридеров вне пределов досягаемости людей.

2. Промежуточной частоты (10 – 15 MГц) – используются там, где должны быть переданы большие массивы данных.

3. Низкочастотные (100 – 500 KГц). Используются там, где допустимо небольшое расстояние между объектом и ридером. Обычное расстояние считывания составляет 0,5 м, а для тегов, встроенных в маленькие “кнопочки”, дальность чтения, как правило, еще меньше – около 0,1 м. Большая антенна ридера может в какой-то мере компенсировать такую дальность действия небольшого тега, но излучение высоковольтных линий, моторов, компьютеров, ламп и т.п. мешает ее работе. Большинство систем управления доступом, бесконтактные карты управления складами и производством используют низкую частоту.

Бесконтактные информационные системы на основе RFID-технологии в настоящее время применяются тогда, когда необходимы:

- резкое сокращение затрат на ввод данных и исключение ошибок, связанных с ручным вводом информации;

- высокая оперативность регистрационной информации;

- высокая степень автоматизации управления имуществом, складами, транспортом, доступом людей в помещения;

- полностью автоматическая регистрация с последующей компьютерной обработкой результатов (пример: система регистрации пассажиров маршрутного такси или автобуса с автоматическим взиманием платы за проезд);

- улучшение контроля качества в производственных, складских и транспортных операциях;

- сокращение учетного документооборота и трудозатрат.

Все эти и многие другие задачи могут быть с успехом решены с помощью RFID-систем.

Рассмотрим более подробно основные приложения RFID-технологии.

Транспортные приложения

В транспортных приложениях основное место (около 80%) занимают карты Mifare производства Philips Semiconductors. В частности, они используются в московском метрополитене, в пригородных поездах и в ряде других транспортных средств. Карты соответствуют третьему уровню ISO 14443 A и дополнены собственным механизмом криптозащиты, который исключает подделку транспортных карт любителями покататься за чужой счет. Эти же карты используются в сетях автозаправочных станций, в клубных системах и во множестве других приложений, где незаменима бесконтактная технология и требуется защита от несанкционированного использования.

Логистика и склад

В данных приложениях работают идентификаторы двух стандартов среднечастотного диапазона (ISO 15693 и EPC), а также идентификаторы высокочастотного диапазона по стандарту ISO 18000. Необходимость появления стандарта EPC (electronic product code) вызвана теми обстоятельствами, что, во-первых, перезаписываемые метки по ISO 15693 нерентабельны в тех приложениях, где требуется только пометить товар, а во-вторых, при их использовании нарушается принцип приватности, что было причиной нескольких скандальных разбирательств. Стандарт EPC аналогичен штриховому коду (по формату данных), а функция деактивации метки позволяет разрушать ее в момент, когда надобность в ней отпадает. Метки высокочастотного диапазона (800 МГц … 2,45 ГГц) обеспечивают максимальную дальность записи и чтения (до 8 … 10 м), что незаменимо при внедрении технологии RFID в процессы управления складскими запасами.

Электронные документы

Это совсем новое, но очень перспективное направление использования технологии RFID. Быстрота считывания и надежность, высокая защищенность от несанкционированного доступа позволила начать внедрение электронных меток в паспорта, водительские удостоверения, авиационные билеты и другие документы. В частности, по имеющимся данным в 2006 г страны ЕЭС перейдут на паспорта с RFID-метками, электронную “начинку” в недалеком будущем получат и въездные визы, а примерно к 2010 г ИКАО (международная ассоциация авиаперевозчиков) планирует перейти на электронные авиабилеты.