1 Основные понятия. Классификация RFID и области применения
1.1 Основные понятия
RFID (англ. Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация)— метод автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках.
Любая RFID-система состоит из считывающего устройства ( интеррогатор, считыватель) и транспондера (он же RFID-метка).
В основной своей массе RFID-меток состоит из двух частей. Первая — интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного (RF) сигнала и т.д. Вторая — антенна для приёма и передачи сигнала.
Схематичное устройство RFID-метки
1.2 Классификация RFID-систем
Существует несколько способов систематизации RFID-меток и систем:
1) По типу источника питания;
2) По диапазону частот;
3) По исполнению;
4) По типу памяти.
Диапазон частот
Частоты электромагнитного излучения считывателя и обратного сигнала, передаваемого меткой значительно влияют на характеристики работы радиочастотной системы в целом. Чем выше диапазон рабочих частот системы RFID, тем выше дальность, на которой считывается информация с радиочастотных меток.
RFID-системы используют следующие частоты: 125-150 кГц, 13,56 МГц, 862-950 МГц и 2,4-5 ГГц. Это частоты, разрешенные для ведения коммерческих исследований и разработок. Для примера приведем частоты 2,4-5 ГГц – эти частоты, используются для работы беспроводных устройств Bluetooth и Wi-Fi.
Для каждых частот действуют свои стандарты, со своей степенью проработки. Наиболее общие характеристики приведены в таблице.
Диапазон частот Характеристики системы Примеры применения
Низкие
100-500 кГц Малая дальность считывания, низкая стоимость меток. Контроль доступа.
Идентификация животных. Системы инвентаризации.
Средние
10-15 МГц Средняя дальность считывания. Контроль доступа.
Смарт карты.
Высокие
850-950 МГц
2,4-5,0 ГГц Большая дальность и скорость считывания, требуется точное
нацеливания считывателя, высокая стоимость меток. Наблюдение за перевозкой грузов железной дорогой,
Системы взымания платы за пользование дорогой с водителей автомобилей.
Низкочастотные метки имеют встроенные антенны в виде многоконтурных (несколько сотен) обмоток. Пассивные системы данного диапазона имеют низкие цены, и в связи с физическими характеристиками, используются для подкожных меток при чипировании животных, людей и рыб. Однако, в связи с длиной волны, существуют проблемы со считыванием на большие расстояния, а также проблемы, связанные с появлением коллизий при считывании.
Системы средних частот (13МГц) дешевле, не имеют экологических и лицензионных проблем, хорошо стандартизованы, имеют широкую линейку решений. Применяются в логистике, платежных системах, идентификации личности. Для частоты 13,56 МГц разработан стандарт ISO 14443 (виды A/B). В данном стандарте обеспечена система диверсификации ключей, что позволяет создавать открытые системы. Используются стандартизованные алгоритмы шифрования.
На основе стандарта 14443 В разработано несколько десятков систем, например, оплата проезда общественного транспорта Парижского региона.
Для имеющихся в данном диапазоне частот стандартов были найдены крупные проблемы в безопасности: абсолютно отсутствовала криптография у дешёвых чипов карты (Mifare Ultralight), внедрённая в Нидерландах для системы оплаты проезда городского общественного транспорта (OV-chipkaart), после была взломана карта (Mifare Classic) считавшаяся более надёжной.
Как и для диапазона низких частот, для средних частот, существуют те же проблемы со считыванием на большие расстояния, считывание в условиях высокой влажности, наличия металла, а также проблемы, связанные с появлением коллизий при считывании.
Метки этого диапазона имеют наибольшую дальность регистрации, в большинстве стандартах этого диапазона имеются антиколлизионные механизмы. Их предназначение было изначально для нужд производственной логистики, метки диапазона UHF не имели уникального идентификатора. Полагали, что идентификатором метки станет EPC-номер (Electronic Product Code) товара, который производители должны заносить в метку при производстве. Оказалось, что помимо функции носителя EPC-номера товара, необходимо в метке реализовать функцию контроля подлинности. Возникло требование, противоречащее самому себе: одновременно обеспечить уникальность метки и позволить производителю записывать произвольный EPC-номер.
В высокочастотных RFID-системах по сравнению со среднечастотными и низкочастотными ниже стоимость меток, при этом выше стоимость прочего оборудования.
В настоящее время частотный диапазон УВЧ открыт для свободного использования в Российской Федерации в так называемом «европейском» диапазоне — 863—868 МГЦ.
Высокочастотные метки имеют одноконтурные обмотки (диполь-антенна).
Метки ближнего поля (англ. UHF Near-Field), не являясь непосредственно радиометками, а используя магнитное поле антенны, позволяют решить проблему считывания в условиях высокой влажности, присутствия воды и металла. С помощью данной технологии ожидается начало массового применения RFID-меток в розничной торговле фармацевтическими товарами (нуждающимися в контроле подлинности, учёте, но при этом зачастую содержащими воду и металлические детали в упаковке).
Наименьшими размерами и стоимостью обладают пассивные метки класса Read Only (только чтение) и малой дальности (расстояние до считывателя не более 2 метров).
По типу источника питания RFID-метки делятся на активные, пассивные, полупассивные.
Активные и пассивные метки.
Радиочастотная метка включает в себя приемник, передатчик, антенну и блок памяти для хранения информации. Приемник, передатчик и память конструктивно выполняются в виде отдельной микросхемы (чипа), поэтому внешне кажется, что радиочастотная метка состоит всего из двух частей: многовитковой антенны и чипа. Иногда в состав конструкции метки включается источник питания (например, литиевая батарейка).
Метки с источниками питания называются активными (Active). Дальность считывания активных меток не зависит от энергии считывателя. Они имеют большие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако, такие метки наиболее дороги, а у батарей ограничено время работы.
Активные метки в большинстве случаев более надёжны и обеспечивают самую высокую точность считывания на максимальном расстоянии. Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяя применять их в более агрессивных для радиочастотного сигнала средах: воде (включая людей и животных, которые в основном состоят из воды), металлах (корабельные контейнеры, автомобили), для больших расстояний на воздухе. Большинство активных меток позволяет передать сигнал на расстояния в сотни метров при жизни батареи питания до 10 лет. Некоторые RFID-метки имеют встроенные сенсоры, например, для мониторинга температуры скоропортящихся товаров. Другие типы сенсоров в совокупности с активными метками могут применяться для измерения влажности, регистрации толчков/вибрации, света, радиации, температуры и газов в атмосфере (например, этилена).
Пассивные метки (Passive) не имеют собственного источника питания, а необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала. Дальность чтения пассивных меток зависит от энергии считывателя.
Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования кремниевого CMOS-чипа, размещённого в метке, и передачи ответного сигнала.
Коммерческие реализации низкочастотных RFID-меток могут быть встроены в стикер (наклейку) или имплантированы под кожу (см. VeriChip).
В 2006 Hitachi изготовила пассивное устройство, названное µ-Chip (мю-чип), размерами 0.15х0.15 мм (не включая антенну) и тоньше бумажного листа (7.5 мкм). Такого уровня интеграции позволяет достичь технология «кремний-на-изоляторе» (SOI). µ-Chip может передавать 128-битный уникальный идентификационный номер, записанный в микросхему на этапе производства. Данный номер не может быть изменён в дальнейшем, что гарантирует высокий уровень достоверности и означает, что этот номер будет жёстко привязан (ассоциирован) с тем объектом, к которому присоединяется или в который встраивается этот чип. µ-Chip от Hitachi имеет типичный радиус считывания 30 см (1 фут). В феврале 2007 года Hitachi представила RFID-устройство, обладающее размерами 0,05 х 0,05 мм, и толщиной, достаточной для встраивания в лист бумаги.
Компактность RFID-меток зависит от размеров внешних антенн, которые по размерам превосходят чип во много раз и, как правило, определяют габариты меток. Наименьшая стоимость RFID-меток, которые стали стандартом для таких компаний, как Wal-Mart, Target, Tesco в Великобритании, Metro AG в Германии и Министерства обороны США, составляет примерно 5 центов за метку фирмы SmartCode (при покупке от 100 млн штук). К тому же, из-за разброса размеров антенн, и метки имеют различные размеры — от почтовой марки до открытки. На практике максимальная дистанция считывания пассивных меток варьируется от 10 см (4 дюймов) (согласно стандарту ISO 14443) до нескольких метров (стандарты EPC и ISO 18000-6), в зависимости от выбранной частоты и размеров антенны. В некоторых случаях антенна может быть изготовлена печатным способом.
Производственные процессы от Alien Technology под названием Fluidic Self Assembly, от SmartCode — Flexible Area Synchronized Transfer (FAST) и от Symbol Technologies — PICA направлены на дальнейшее уменьшение стоимости меток за счёт применения массового параллельного производства. Alien Technology в настоящее время использует процессы FSA и HiSam для изготовления меток, в то время как PICA — процесс от Symbol Technologies — находится ещё на стадии разработки. Процесс FSA позволяет производить свыше 2 миллионов ИС пластин в час, а PICA процесс — более 70 миллиардов меток в год (если его доработают). В этих технических процессах ИС присоединяются к пластинам меток, которые в свою очередь присоединяются к антеннам, образуя законченный чип. Присоединение ИС к пластинам и в дальнейшем пластин к антеннам — самые пространственно чувствительные элементы процесса производства. Это значит, что при уменьшении размеров ИС монтаж (англ. Pick and place) станет самой дорогой операцией. Альтернативные методы производства, такие как FSA и HiSam, могут значительно уменьшить себестоимость меток. Стандартизация производства (англ. Industry benchmarks) в конечном счёте приведёт к дальнейшему падению цен на метки при их широкомасштабном внедрении.
Некремниевые метки могут изготавливаться из полимерных полупроводников. В настоящее время их разработкой занимаются несколько компаний по всему миру. Метки, изготавливаемые в лабораторных условиях и работающие на частотах 13.56 МГц, были продемонстрированы в 2005 году компаниями PolyIC (Германия) и Philips (Голландия). В промышленных условиях полимерные метки будут изготавливаться методом прокатной печати (технология напоминает печать журналов и газет), в результате чего они будут дешевле, чем метки на основе ИС. В конечном счёте это может закончиться тем, что для большинства сфер применения метки станут печатать так же просто, как и штрих-коды, и они станут такими же дешёвыми.
