RFID – Radio Frequency Identification: Technológia RFID v skratke
Uverejnené: 31. 8. 2022 | Čas potrebný na prečítanie: 9 minút
Rýchla a jednoduchá identifikácia je v dnešnej dobe extrémne dôležitou témou v celej rade oblastí. Zabezpečuje napríklad to, aby sa do určitých kancelárskych priestorov alebo výrobných prevádzok dostali iba oprávnené osoby. Na spoľahlivú kontrolu a prideľovanie oprávnení na prístup sa okrem iného používajú aj takzvané RFID čipy.
Ale technológia RFID toho dokáže ešte oveľa viac. Môžu ňou byť vybavené taktiež predmety alebo produkty. Vďaka nej nie je možné napríklad vyniesť nepozorovane nezaplatený tovar z obchodu. Podobne aj v automobilovom priemysle je technológia RFID vo veľkej miere využívaná, napríklad na efektívne zabezpečenie proti neoprávnenej jazde alebo na optimalizáciu výrobných procesov. RFID systémy sa využívajú dokonca aj u zvierat. Ich pomocou je možné tak veľmi rýchlo nájsť majiteľa zatúlaných psov alebo mačiek. Nižšie vám vysvetlíme, aká technika sa za čipmi RFID skrýva a ako presne funguje.
Označenie RFID pochádza z angličtiny a jedná sa o skratku pre Radio Frequency Identification. Približne voľne preložené ako „rádiofrekvenčná identifikácia“. Teda identifikácia, ktorá pracuje pomocou elektromagnetických vĺn.
Pretože sú týmto spôsobom relevantné dáta prenášané bezdrôtovo, nie je potrebný priamy kontakt, ako je to napríklad pri načítaní dát z pamäťovej karty.
Vďaka tejto bezdotykovej technológii je možné uskutočniť celý rad procesov v priemysle, v obchode alebo taktiež v oblasti logistiky oveľa jednoduchšie a lacnejšie.
Na efektívne používanie technológie RFID sú potrebné rôzne hardvérové komponenty.
Čítačka RFID
Srdcom systému RFID je čítačka RFID, resp. RFID Reader, s ktorou môže byť prevádzkovaných mnoho RFID transpondérov. Čítačka môže byť namontovaná stacionárne a môže vykonávať napríklad spínacie funkcie pri elektrickom otvárači dverí alebo pri turnikete.
Zaznamenané prístupové údaje vr. dát a času je možné v prípade potreby uložiť, zaprotokolovať a ďalej spracovávať aj cez internú databázu alebo externe pripojený systém (počítač). Existujú taktiež aj mobilné čítačky RFID, ktoré načítané informácie z transpondéra zobrazujú na displeji. Čítačky RFID sa čiastočne používajú aj na prenos potrebných dát na RFID transpondér.
RFID transpondéry
Názov transpondér vznikol kombináciou slov „transmit“ (odovzdať) a „responses“ (odpovedať). A presne to aj transpondéry robia: Ako odpoveď, odovzdávajú informácie, ktoré v sebe majú uložené.
Transpondér teda predstavuje mobilný dátový nosič. Je označovaný aj ako „RFID tag“ alebo hovorovo nazývaný „RFID čip“, resp. skrátene len „čip“. Kapacita pamäte transpondéra závisí od účelu použitia. Pri jednoduchých systémoch plne dostačuje niekoľko málo bytov. Naproti tomu pri komplexnejších systémoch môže pamäť transpondéra dosahovať až 100 kB.
V závislosti na účelu použitia závisí tiež konštrukčný tvar a kapacita pamäte. Existujú napríklad RFID tagy, resp. transpondéry ako pamäťové karty, EC karty, prívesky na kľúče, káblové príchytky, montované diely, samolepiace RFID etikety (Smart Labels, resp. RFID labels) alebo tiež exempláre o veľkosti zrnka ryže. Posledné menované RFID tagy sú implantované pod kožu psom, mačkám alebo tiež zvieratám v zoologických záhradách za účelom ich identifikácie.
Aby sme pochopili, ako RFID systémy fungujú, musíme sa najskôr podrobnejšie pozrieť na funkcie rôznych komponentov, resp. na jednotlivé kroky pri načítaní.
Funkcia čítačiek RFID
Čítačka vytvára pomocou vysokofrekvenčného modulu a antény RFID (cievky) elektromagnetické striedavé pole. Frekvencie, ktoré sa na to využívajú sa líšia ako v rámci jednej krajiny, tak aj medzinárodne.
V európskom priestore sa prednostne využívajú frekvencie v pásme dlhých vĺn (Low Frequency) 125 kHz a 135 kHz.
Pokiaľ sa používa pásmo krátkych vĺn (High Frequency), pracujú RFID systémy s frekvenciou 13,56 MHz.
V pásme (Ultra High Frequency) sú k dispozícii frekvencie 868 MHz.
Pre rôzne mýtne systémy sa využívajú ešte vyššie frekvencie v pásme (Super High Frequency) 2,45 GHz a 5,8 GHz.
So zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšujú dimenzované rýchlosti a tým aj objemy dát, ktoré je možné načítať. V závislosti od rôznych frekvencií RFID a spôsobov prevádzky sa taktiež môžu zvyšovať aj možné dosahy – tie sa pohybujú od 1 cm do 30 m alebo ešte vyššie.
Funkcia RFID transpondéra
Pasívny transpondér (pozri obrázok) je v zásade pamäťový čip (1), ktorý je vybavený cievkou (2) a kondenzátorom (3). Pokiaľ ide o kombináciu tvorenú cievkou a kondenzátorom, odborníci vždy hovoria o oscilačnom obvode. Indukčnosť cievky, rovnako ako kapacita kondenzátorov určujú rezonančnú frekvenciu, na ktorej oscilačný obvod pracuje, resp. osciluje. Cez transpondérovú cievku prebieha napájanie a výmena dát s cievkou v čítačke RFID.
Na rozdiel od pasívneho transpondéra, ktorý nemá žiadny vlastný zdroj energie, disponuje aktívny transpondér vlastným zdrojom energie v podobe batérie. Tá sa aktivuje iba počas procesu načítania.
Semi-pasívne transpondéry majú tiež zdroj energie, ktorý však slúži iba na napájanie mikročipu. Na odosielanie uložených dát sa podobne ako u pasívneho transpondéra, používa energia prenesená z čítačky.
Rozpoznávanie RFID transpondéra
Ak je transpondér vystavený elektromagnetickému poľu čítačky RFID, začne oscilačný obvod v transpondéri oscilovať na svojej rezonančnej frekvencii. Transpondér pritom prostredníctvom indukčnej väzby odoberá energiu magnetickému poľu. Túto energiu využíva na napájanie pasívny RFID transpondér.
Súčasne vedie pokles energie v striedavom poli k tomu, že čítačka rozpozná transpondér a opýta sa na dáta transpondéra. Tento proces trvá iba niekoľko zlomkov sekundy.
Pretože pasívny transpondér požaduje od čítačky výrazne viac energie ako aktívny transpondér, musí byť intenzita poľa zodpovedajúcim spôsobom vysoká, resp. vzdialenosť od cievky čítačky zodpovedajúcim spôsobom nízka
RFID rezonančná frekvencia
Aby čítačka RFID rozpoznala transpondér, musí striedavé magnetické pole aktívne povzbudzovať oscilačný obvod v transpondéri na osciláciu. To je možné, iba ak oba systémy pracujú na rovnakej frekvencii. Vďaka výrobným toleranciám ale majú transpondéry nutne mierne odlišné rezonančné frekvencie. Preto vysielacia frekvencia čítačiek nie je pevne daná. Namiesto toho sa pracuje s frekvenčným rozsahom, ktorým vysielacia frekvencia neustále prebieha. Vďaka tomu sú spoľahlivo rozpoznané všetky transpondéry, ktoré patria k systému.
Prenos dát prostredníctvom RFID
V prípade 1bitových transpondérov, ktoré sa používajú napríklad na zabezpečenie tovaru, prenos dát nie je potrebné riešiť. Sprostredkováva sa totiž iba informácia Áno/Nie. Pokiaľ je nutné preniesť viac dát, prichádzajú do úvahy tri rôzne spôsoby:
Plne duplexná prevádzka (FDX):
Dáta je možné súčasne prenášať v oboch smeroch. Čítačka pritom zaisťuje nepretržitý prenos energie k transpondéru. Tento prenos dát je porovnateľný s telefóniou, kde je možné súčasne hovoriť a počúvať.
Polo duplexná prevádzka (HDX):
Dáta sú v oboch smeroch prenášané striedavo. Aj pri tejto metóde zaisťuje čítačka nepretržitý prenos energie. Tento postup sa uplatňuje u vysielačiek, kde je možné buď hovoriť alebo počúvať.
Sekvenčná prevádzka (SEQ):
Na rozdiel od plne duplexnej a polo duplexnej prevádzky sa pri sekvenčnej prevádzke prenos energie v rýchlom slede zapína a vypína (pulzná prevádzka). Prenos dát z vysokofrekvenčného transpondéra do čítačky potom prebieha vždy v prestávkach medzi pulzmi.
Prenos dát z čítačky do transpondéra bol označený ako „downlink“. Prenos dát z transpondéra do čítačky bol definovaný ako „uplink“.
Dosahy RFID
Ako sme už spomenuli, systém RFID má pomerne veľký dosah až 30 metrov, pričom teoreticky by boli možné ešte vyššie hodnoty. Rôzne hodnoty závisia okrem intenzity poľa a typu transpondéra (pasívne, semi-pasívne alebo aktívne) taktiež na metóde spárovania.
Close Coupling
Pri tejto metóde je možné vo frekvenčnom pásme do 30 MHz počítať s dosahom asi 1–2 cm. Vďaka úzkej väzbe medzi transpondérom a čítačkou je možné pracovať s malými intenzitami poľa. Okrem toho je menší dosah výhodou, pokiaľ sú dopytované bezpečnostne relevantné dáta, ako sú napríklad oprávnenia na prístup. Spárovanie môže prebiehať buď ako indukčné alebo ako kapacitné.
Remote Coupling
Systémy Remote Coupling patria medzi najčastejšie používané aplikácie RFID. Pasívne transpondéry pracujú s indukčnou väzbou na čítačke. Dosahy sú závislé na maximálnych prípustných vysielacích výkonoch čítačiek a predstavujú 1–3 m. Frekvencie používané pre Remote Coupling sa prednostne pohybujú v dolnom frekvenčnom rozsahu 100–135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz a 27,125 MHz.
Long Range Coupling
Systémy Long Ranges umožňujú s pasívnymi transpondérmi dosah 3 m. S aktívnymi transpondérmi tvorí dosah približne 30 m alebo ešte viac. Používajú sa k tomu vysoké frekvencie v pásme 434 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz alebo 5,8 GHz. Kvôli vysokému dosahu a pomerne rýchlemu prenosu dát sa tieto systémy ideálne hodia napríklad na elektronický výber mýta.
Upozornenie:
Niektoré aktívne transpondéry pracujú pri procese načítania s rôznymi frekvenciami. Zatiaľ čo sa na čítačke na prihlásenie používa 135 kHz, následný prenos dát prebieha na 2,4 GHz. Táto funkcia však musí byť podporovaná aj čítačkou.
Dôvodom, prečo sa riešenia RFID a projekty RFID v Priemysle 4.0 čoraz viac rozširujú, je v neposlednom rade kombinácia jednotlivých zásadných výhod:
Rádiové spojenie
Vďaka rádiovému spojeniu nie je potrebný priamy vizuálny kontakt. Záznam je možné vykonávať cez obalový materiál alebo plachtu nákladného vozidla. Dokonca aj viac jednotlivých produktov na jednej palete, každý s vlastným RFID transpondérom, je možné zaznamenať jedným jediným naskenovaním.
Robustné a spoľahlivé transpondéry
Pretože pasívne transpondéry vystačia bez vlastného napájania, odpadajú starosti o akumulátory alebo batérie. Vďaka tomu je možná prevádzka po niekoľko rokov alebo dokonca desaťročia. Tieto transpondéry sú navyše bezkonkurenčne cenovo výhodné.
Vysoká flexibilita systému
Systémy RFID je možné perfektne prispôsobiť príslušnému zadaniu a miestu použitia. Použitie rôznych frekvencií a rôznych konštrukčných prevedení u čítačiek a transpondérov umožňuje v tomto ohľade takmer neobmedzené možnosti.
Zvýšená bezpečnosť
Pretože sú dnes bezpečnostne relevantné dáta a informácie prenášané v zašifrovanej podobe, nie je možné RFID čipy tak ľahko odpočúvať alebo kopírovať.
Enormný objem dát
Na rozdiel od čiarového kódu dokážu transpondéry poskytnúť oveľa väčšie množstvo dát pre svetovo unikátny elektronický kód produktu (EPC). Ďalšia výhoda: Dáta môžu byť vyhodnotené a ďalej spracované prostredníctvom nadväzujúcich IT systémov.
Dnes už neexistuje snáď žiadna oblasť, kde by systémy RFID nenašli uplatnenie. Napriek tomu by sme tu radi zmienili hlavné oblasti, v ktorých sa rádiové transpondéry najlepšie osvedčili.
Zabezpečenie tovaru
Prevádzkovatelia obchodov čelia obrovskému problému. Nie všetci zákazníci totiž zaplatia za tovar, ktorý si odnášajú domov. Na zabezpečenie tovaru a zamedzenie krádeží sa používajú tzv. 1bitové transpondéry. Tieto pomerne lacné transpondéry majú relatívne jednoduchú konštrukciu a vďaka ich tvaru je možné ich ľahko umiestniť na tovar tak, aby zostali skryté. Cievky v čítačkách potom pri východe okamžite zistia, či bol transpondér po zaplatení deaktivovaný. Inak sa pri odchode z obchodu spustí alarm.
Kontrola prístupu
Najmä v oblasti kontroly prístupu ponúka technológia RFID množstvo individuálnych možností. Vďaka nim je možné kontrolovať a spravovať jednotlivé miestnosti alebo aj celé budovy. V prípade on-line systémov sú čítačky prepojené s centrálnym počítačom, ktorý disponuje databázou s potrebnými informáciami. Vo vnútri tejto databázy je potom možné udeľovať oprávnenie na prístup nezávisle od transpondéra. V prípade off-line systémov sú údaje pre oprávnenie na prístup ukladané priamo do transpondéra. Naprogramovanie transpondéra sa vykonáva vopred, prostredníctvom centrálnej stanice
Logistika
Asi najväčší potenciál technológie RFID sa prejavuje v odvetví logistiky a vedenia skladu. Napriek tomu, že sú v tejto oblasti naďalej silne rozšírené čítačky čiarových kódov, technológia RFID sa tu presadzuje čoraz silnejšie. Bezdotykový záznam dát totiž nevyžaduje veľkú námahu, dokonca ani pri pomerne veľkých dodávkach tovaru.
To prináša významné uľahčenie práce, špeciálne pre výrobcov potravín, ktorí podľa predpisov EÚ zodpovedajú za spätnú sledovateľnosť svojich produktov.
Celosvetové sledovanie produktov je aj napriek Electronic Product Code (EPC) stále ešte veľkou výzvou, pretože sa od seba používané systémy a frekvencie v rôznych krajinách výrazne líšia a nie sú vzájomne kompatibilné.
Lokálna a diaľková doprava
Špeciálne vo verejnej lokálnej doprave ponúka RFID technológia mimoriadne výhody. Pokiaľ je možné platiť prostredníctvom transpondéra, nie je potrebné mať po ruke drobné a automaticky sa odpočíta správna čiastka. Dopravcovia nemusia tlačiť lístky a vyúčtovanie prebieha tiež rýchlejšie a jednoduchšie. Dokonca aj na letiskách sa RFID tagy starajú o správne priradenie batožiny.
Akcie
RFID systémy sa hojne využívajú pri akciách a to hneď niekoľkými spôsobmi. Napríklad pri veľkých športových udalostiach, ako sú napríklad majstrovstvá sveta vo futbale, sú vstupenky vybavené RFID transpondérom, na ktorom je uložené poradové číslo.
RFID čipy umožňujú taktiež meranie času jednotlivých športovcov. Napríklad pri biatlone si môžeme všimnúť, ako atléti tesne pred cieľom naťahujú kroky, aby transpondér na ich nohe čo najskôr prešiel cieľovou čiarou (teda aby ho čo najskôr zachytila anténa čítačky).
Tiež pri automobilových závodoch pomáhajú RFID transpondéry pri presnom zaznamenávaní počtu kôl, časov na kolo a medzičasov. Túto šikovnú techniku používajú dokonca aj modelári.
Zdravotnícka technika
Aj v humánnej medicíne si RFID upevňuje svoje postavenie. Oblasť použitia siaha od rozlišovania medzi originálnymi a falšovanými liekmi, manažmentu lôžok v nemocniciach až po náramky pacientov a RFID čipmi so snímačmi glukózy na pohodlné meranie hladiny cukru v krvi. V neposlednom rade, čipmi vybavené chirurgické nástroje a ďalšie pomôcky používané pri operáciách zamedzujú tomu, aby tieto diely pri operácii omylom zostali vo vnútri tela. Stačí jeden sken pred uzavretím operačného poľa a všetko je hneď jasné.
Správa dokumentácie
Aj v digitálnom veku je možné v ordináciách, kanceláriách či na úradoch naďalej nájsť dokumenty, podklady a akty v papierovej forme.
Pomocou samolepiacich RFID etikiet je možné tieto dokumenty nielen prehľadne spravovať, ale aj skartovať a archivovať, resp. všetky ostatné materiálne médiá.
Najmä v prípadoch, keď sú čítačky integrované priamo v mobiliári. Dokonca aj čas vynaložený na kontrolu, posúdenie a spracovanie príslušných podkladov je možné vďaka chytrej technológii RFID presne zaznamenať a vypočítať.
To bolo len niekoľko príkladov z neustále sa rozširujúcej množiny aplikácií RFID systémov.
RFID a NFC (Near Field Communication) sú často spomínané v rovnakom kontexte. Dôvodom je skutočnosť, že v prípade NFC systémy odosielania a príjmu tiež pracujú s RFID protokolmi a taktiež umožňujú výmenu dát v blízkej oblasti, rádovo niekoľko centimetrov. Dokonca aj frekvencia 13,56 MHz je rovnaká. Je tu však jeden veľký rozdiel: RFID predstavuje v zásade systém otázka-odpoveď. Naproti tomu NFC ponúka viac ako len čítanie NFC tagov. Ide o metódu spárovania, pri ktorej spolu dva systémy komunikujú a vymieňajú si dáta alebo obrázky. Dnes už je celá rada chytrých telefónov vybavená funkciou NFC pre bezhotovostné platby.