RFID technológiáról általánosan
Az RFID technológia célja:
Ha röviden szeretnénk megfogalmazni az RFID technológia bevezetésének célja az emberi hibázás minimalizálásának csökkentése, a folyamatok automatizálása, tetszőleges fizikai objektum „online”-ná tétele – modern kifejezéssel élve: IoT (Internet of Things) megvalósítása, olyan mindennapi tárgyak esetén is, melyek önmagukban nem rendelkeznek semmilyen kapcsolódási lehetősggel az online világhoz (legyen szó akár kórházi lepedőkról, könyvtári könyvekről vagy bármilyen azonsítani kívánt tárgyról, akár pl. bútorokról).
Az RFID technológia elemei:
Ha magát a rendszert szeretnénk felépítés szempontjából jellemezni, akkor az alábbi részegységeket különíthetjük el:
Tagek
A tag szó az RFID azonosítók összefoglaló neve, ebbe beletartoznak a dryinlay, wetinlay (öntapadós) és paper inlay (öntapadós, papír felületű) kialakítású címkék és a különböző környezeti hatásokkal szemben ellenálló betokozott címkék az ún. hardtagek is. A passzív tagek mindössze egy antennából és az ehhez kapcsolódó chipből állnak, a fél-passzív és aktív tagek emellett egy beépített energiaforrással is rendelkeznek.(Eztek manapság többnyire Bluetooth Low Energy (BLE), LoRa, Zigbee rádiós interfészen kommunikáló adók.) Az RFID tagek illetve azok chipje általában hordoz egy egyedi sorozatszámot ez gyakran előre programozott, nem felülírható, de töbnyire rendelkeznek felhasználó által módosítható memóriaterülettel is. Többféle képpen is csoportosíthatjuk őket :
Energia ellátás szerint
- Aktív (a címkék vagy jeladók folyamatos működést biztosító beépített energiaforrással rendelkeznek, olvasó eszköz nélkül is képes adni pl adott időközönként vagy szenzor jeléhez kötötten)
- Fél-passzív [BAP] (a beépített energiaforrást csak a chip működtetésére használ, a tag önállóan nem sugároz, tartalmazhat szenzorokat is, melyekkel mért értékeket olvasó nélkül is el tud menteni a memóriájába)
- Passzív rendszerek (nem tartalmaznak saját energiaforrást)
Memória típusa szerint:
- Többször írható/olvasható (RW) – a legtöbb tag ilyen általában több 10 vagy akár több 100 ezerszer felülírhatók, bár az egyes memóriaterületek felülírás ellen lezárhatók örökre, vagy akár jelszavasan, egyes chip típusok akár több kB memóriával is rendelkezhetnek, de jellemzően 128bit írható memóriája mindegyiknek van.
- Egyszer írható és többször olvasható (WORM) – például tömegközlekedési jegyeknél használt funkció
- Csak olvasható (RO) – jellemzően LF tartományban működő tagek, bár a chipek legtöbbjének memóriatartalma lezárható felülírás ellen.
- Papír fedőrétegű nyomtatható címke
- Dry-inlay (öntapadó ragasztó nélkül)
- Wet-inlay (öntapadó ragasztóval)
- Kemény burkolatú tag
- Kemény burkolatú fémes tag
- Fémfelületre ragasztható nyomtatható címke
- Textil tagek
- LED-es tagek, olvasó terében olvasó által ki/be kapcsolható LED fénnyel
- Szenzoros tagek pl. hőmérséklet, páratartalom monitorozására olvasó közelében (vagy BAP tageknél azon kívül is)
A címke kialakítású tagek tekercsben elérhetőek, így előzetes felprogramozások RFID képes nyomtatóval is lehetséges.
RFID frekvenciasávok
LF – Low Frequency (125 kHz, 134kHz)
- Jellemző Max. olvasási távolság: ~ 0,5-1 m
- Alacsony kommunikációs sebesség
- Kis tag populáció esetén működik jól
- Belépő kártya, állat nyomonkövetés alkalmazások
- Nagyon érzékeny a környezeti zajra, több olvasó együttes működtetése is problémás
HF – High Frequency (13,56 MHz)
- Max. olvasási távolság: ~ 1-1,5 m
- NFC, érintésmentes fizetés, termék nyomon követés alkalmazások
- Általában közepes tag populáció esetén működik jól (bár ellenpélda a PJM technológia)
- Több olvasó egymáshoz közeli elhelyezése esetén szinkronizálni kell őket, mert itt nincsenek alcsatornák a kijelölt frekvenciasávon belül (mint az UHF-nél), minden eszköz ugyanazon a frekvencián kommunikál, ezért zavarhatják egymást
UHF – Ultra High Frequency (ETSI:865-868MHz (915,3-920,9MHz))
- Max. olvasási távolság: ~10-20 m
- Alapvetően logisztikai alkalmazások
- Nagy tag populáció esetén is jól működik, nagy olvasási sebesség
- Logisztikai alkalmazások
- Több olvasó együttes működtetése a legkevésbé problémás
Mikrohullám (> 1GHz)
- Jellemzően aktív tagek
- Max. olvasási távolság: akár 100 m
- Helymeghatározás, nagyértékű eszköz követés alkalmazások, szenzorok működtetése
Olvasók
Az olvasók elnevezés az angol „reader” szó tükörfordításaként került át a magyar nyelvbe, de az olvasók legtöbbje képes a tagek memóriájának írására is. Az RFID olvasó tkp. egy korlátozott számítási kapacitású számítógéppel egybeépített rádió adóvevő, amely a tagekkel és jellemzően egy szerveren futó alkalmazással kommunikál. A különböző frekvenciasávokban különböző szabványok szerint működő olvasók eltérő jellemzőkkel rendelkeznek a vételi érzékenységet, szelektivitást, RF teljesítményt (olvasási távolságot), spektrum hatékonyságot, antenna csatlakoztatási lehetőséget, kommunikációs interfészeket, programozhatóságot, protokoll testreszabhatóságot, különböző szabványok(protokollok) támogatását, fizikai kialakítást, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóságot, működési elvet (monostatikus/bistatikus) illetően is de olvasási sebességben is nagy különbségek vannak, egy modern UHF rendszer akár 1000tag/másodperces leolvasára képes míg egy ISO15693 szerinti HF rendszer ennél egy nagyságrenddel kisebbre.
Az adott környezethez és alkalmazáshoz legjobban illeszkedő olvasó előzetes tesztelés eredményeként választható ki.
Általánosan mindegyik frekvenciasáv olvasóit 3 kategóriára oszthatjuk kialakítást tekintve:
- fix olvasók
- asztali olvasók
- kézi olvasók
Ezek a kategóriák részben meghatározzák az alkalmazási lehetőségeket is. Asztali olvasókat olyan esetekben használnak, mikor a megjelölt objektum az antenna fölé mozgatható, általában kis teljesítményűek, így kis olvasási távolsággal rendelkeznek. Rendszerint beépített antennával rendelkeznek ugyanúgy, mint a kézi olvasók melyeket a könnyen megközelíthető objektumok azonosítására használnak olyan helyzetekben, ahol nagy teljesítményű olvasók alkalmazására nincs lehetőség (túl sok kellene belőlük egy nagy terület lefedése érdekében, vagy a megjelölt objektum nem teszi lehetővé egy fix telepítésű rendszer előtti elhaladást). Fix telepítésű olvasók jellemzően több antenna porttal rendelkeznek, melyekhez külső antennák csatlakoztathatók, tápellátásuk többnyire PoE, vagy külső DC tápegység. Rendszernt Ethernet interfészen kommunikálnak, és rendelkeznek külső szenzorok és beavatkozók fogadására és vezérlésére szolgáló GPIO csatlakozási lehetőséggel. A modernebbek számítási kapacitása már lehetővé teszi akár egy kijelző csatlakoztatását is és bonyolutabb szoftver funkciók megvalósítását is, mellyel a szerver szoftver funkcionalitása csökkenthető, vagy teljesen ki is váltható.
Egy külön kategóriát képeznek a jellemzően mennyezetre telepíthető, vezérelhető antenna nyalábot használó terület lefedő olvasók, melyekkel a tagek hozzávetőleges helye és mozgási iránya is megadható, szintén megemlíthetők a nyomtatáson túl az RFID címkék felprogramozására is képes RFID nyomtatók, mely egy beépített modul és antenna segítségével képesek a tekercses fémes és nem fémes címkék megszemélyesítésére. Minden más kialakítású (hard)tag esetén az említett fix/asztali és kézi olvasókkal történhet a tagek írása.
Antennák, egyéb olvasó perifériák
A kézi és asztali olvasók általában beépített antennával rendelkeznek. Fix telepítésű olvasókhoz az olvasótól függően akár 8-16 külső antenna is csatlakoztatható. Az antennák és az olvasók összeköttetéséhez speciális, az adott frekvencián kis csillapítású és 50Ω hullámimpedanciájú kábeleket kell használni. LF rendszerek antennái sokmenetű tekercs kialakításúak, a HF antennák általában ún. hurok kialakításúak, (az olvasó teljesítmény mellett és a tag méretén kívül) a méretük függvénye a velük elérhető olvasási hatótávolság. UHF RFID antennák szinte kivétel nélkül patch antennák, melyek két párhuzamosan elhelyezkedő és megfelelő ponton betáplált fémlemezből (földlemez és patch) állnak. Jellemzően 65°-nál kisebb nyílásszöggel rendelkeznek, többnyire körpolarizáltak a címkék hatékony olvasása érdekében, de vannak lineárisan polarizált UHF RFID antennák is, illetve több patch elemből álló rendszerek is, melyekkel keskenyebb nyaláb, nagyobb nyereség érhető el, az elemek egymás közötti fázis eltolsávál pedig maga az antenna nyaláb is változik, amennyiben ez az eltolás akár az olvasó által is állítható, akkor beszélhetünk terület lefedő antennákról, melyek többnyire olvasóval integráltak és mennyezeti elhelyezésűek, többnyire ruhaboltokban használandók. Mivel a nyaláb változtatható ezért egy hozzávetőleges tag pozíció, és haladási irány is megadható a segítségükkel.
Az olvasóhoz kapcsolható kiegészítők közt megemlíthetjük a különböző passzív jel osztókat, csillapítókat. És az aktív multiplexereket, melyek egy olvasó RF portját képesek tovább osztani akár további 16 porttá is, így egy 16 portos olvasó elméletben 16×16 antenna együttes kezelésére is képes, nem beszélve a multiplexerek további kaszkádosításáról, ennek igazán csak a kábel csillapítása szab határt, mert minél hosszabb kábelszakaszon halad a jel annál kevesebb energia jut az antennákhoz és a jel-zaj viszony is folyamatosan romlik, amely különösen a visszafele irány esetén fontos lévén, hogy a tag jele az olvasóének kevesebb mint milliomod része, eért is fontos egyes alkalmazásokban a nagy RF érzékenységű olvasók használata.
Fix telepítésű olvasó kiegészítők közt említhetjük még a különböző GPIO kiegészítőket, szenzorokat (melyek pl az olvasást indíthatják) és jelző/beavatkozó eszközöket melyekkel az olvasó képes külső eszközök pl. fénysorok, relék vezérlésére.
Fix telepítésű olvasókból, és antennákból valamint megfelelő elnyelő és visszaverő anyagok, olvasást indító trigger szenzorok és működést visszajelző , az olvasó GPO portjára kapcsolt visszajelzők beépítésével egyedi RFID kapu kialakítások is megvalósíthatók.
Kézi olvasó kiegészítők közt említhetű a különböző interfészekkel és kialakításokkal elérhető töltő-dokkoló állomások, melyek segítségével akár ethernet hálózatra is kapcsolhatók, miközben akár több eszköz is egyszerre tölthető.
Az RFID technológia segítségével elérhető előnyök
Hamisítások kiszűrése
RFID címkék elhelyezésével a hamisított termékek gyorsan kiszűrhetők
Megnövelt hatékonyság
Az RFID lehetővé teszi a szállítások automatikus nyomonkövetését, így az ügyfeleket értesíteni lehet a szállítás pontos idejéről és lehetővé válik a valós idejű számlázás.
Munkaköltségek csökkenése
Az RFID csökkenti a kézi beavatkozások, ill. az elosztási pontokon a vonalkód-leolvasások szükségességét, ezáltal lehetővé válik a munkaerőforrás optimalizálása
Visszáru-kezelés segítése
Az RFID alapú termékkövetés eredményei a visszaküldött áruk folyamatát automatizálják és átláthatóvá teszik az elosztási lánc során.
Készletkövetés
A lopások, a készlet nem megfelelő kezelése és hibás megrendelés-teljesítés, jelentős készlethiányt is okozhatnak. Ezt a veszteséget az RFID bevezetése minimalizálja, de akár meg is szüntetheti.
Valós idejű készletnyilvántartás, azonnali leltár
Az RFID pontos és automatikus leltárvezetést tesz lehetővé, támogatja a fegyelmezett készletgazdálkodást.
Csökkenő emberi hibázási lehetőség
Az egyes termelési, vagy logisztikai pontokon felállított automatikus azonosító pontok kizárják az emberi hibázás lehetőségét, ezzel csökkentik a tévedések számát és növelik a munkafolyamatok hatékonyságát
- Az RFID címkék akár sok információt is tartalmazhatnak (bizonyos chip típusok akár több KB memóriával is rendelkeznek).
- Minden felcímkézett tétel egyedileg azonosítható (a legtöbb chip rendelkezik gyárilag egyedi nem módosítható azonosítóval, de egyedileg is programozható).
- Az információk leolvasása nagy távolságról is történhet, akár fizikai rálátás vagy emberi beavatkozás nélkül.
- Több címke közel egyidejű és azonnali leolvasása lehetséges.
- Az RFID címkék fizikai és kémiai behatásokkal szemben is ellenállóbbak az eddigi egyedi azonosítóknál, így extrém körülmények között is működőképesek, ebből adódóan biztonsági és hamisítás elleni védelemre is alkalmasak.
- Az információ (akár pl. jelszó ismeretében) felülírható, de igény szerint felülírás ellen lezárható, így lehetővé válik a termék életciklusának nyomonkövetése,
Működés
- A külső szenzor egy aktiválást indító eseményt érzékel (pl. mozgásérzékelő, gombnyomás stb.)
- Az olvasó ennek hatására aktív állapotba kerül és kiolvassa az antenna terében található tagek megfelelő memóriaterületét
- Az olvasó továbbküldi az adatokat az adatfeldolgozó egységnek (pl. külső számítógép, vagy az olvasó modulhoz kapcsolódó belső adatfeldolgozó egység pl. mikrokontroller vagy mikroprocesszoros egység, esetleg magán az olvasón futó szoftver alkalmazás)
- Az adatfeldolgozó egység az adatokat az üzleti logika alapján kezeli, pl továbbítja vállalatirányítási rendszer felé.
- A működés nem korlátodik csupán címke olvasásra, lehetséges azok írása is, valamint lehetséges különböző GPO kimenetek pl. különböző lámpák, relé kimenetek kapcsolása is, melyek közvetlenül az RFID olvasóhoz is csatlakozhatnak.
A technológia rövid története
AZ RFID technológia rövid története
Általánosságban elmondható, hogy az RFID a II. Világháborúban használt radar rendszerekből fejlődött ki, amit a skót fizikus Sir Robert Alexander Watson-Watt fedezett fel 1935-ben. A probléma abból adódott, hogy a radaron nem lehetett megkülönböztetni a saját vagy ellenséges repülőgépet. Watson-Watt vezetésével egy titkos projekt keretében a britek kifejlesztették az első aktív saját repülőgép felismerő rendszert (IFF = Identify Friend or Foe). Egy adót helyeztek el minden brit repülőgépre. Amikor ez jeleket vett a földi radarállomástól, egyedi jeleket kezdett sugározni, amit a földi állomás érzékelt és azonosította a repülőgépet. Az RFID ugyanezen az elven működik. Ez a módszer nevezhető az első aktív RFID rendszernek.
A 60-as években fejleszti ki többek között a Sensormatic az elektronikus termék-felügyeleti rendszert (EAS), elsősorban a bolti lopások megelőzésére. Ezek a tag-ek „1-bitesek” voltak, olcsók és mikrohullámú / induktív technológiát használtak. Az alkalmazás csak a tag meglétét, illetve hiányát jelezte. Kétségtelenül az EAS címkék voltak az első és legelterjedtebb RFID alkalmazások.
A 70-es években komoly fejlesztések folytak, mind Amerikában, mind Európában. Ekkoriban elsősorban állatok nyomon követésére készültek alkalmazások.
Az első USA-beli RFID szabadalom Mario W. Cardullo nevéhez fűződik, aki 1973. januárban védte le az aktív RFID tag-et, amely újraírható memóriával rendelkezett. Ugyanebben az évben kapta meg Charles Walton találmánya, a passzív transzponder a szabadalmat, amivel zárt ajtót lehetett kinyitni, kulcs nélkül.
A 70-es években az USA Los Alamos-i kutatóintézete kifejlesztett egy rendszert a nukleáris eszközök nyomkövetésére. A 80-as években, amikor a kutatók kereskedelmi cégeknél helyezkedtek el, a módszert autópálya díjfizető rendszereknél is alkalmazták. A Los Alamos-i intézet szarvasmarhák azonosítására is fejlesztett RFID rendszert az USA Mezőgazdasági Minisztériuma számára. Passzív 125 kHz-en (LF) működő RFID transzpondereket használtak, amelyet üvegkapszulában a szarvasmarhák bőre alá ültettek be. Az olvasó által kibocsátott rádióhullámot modulálva verte vissza a transzponder. Ezt a technológiát jelenleg is használják szerte a világon.
Idővel a 125 kHz-ről áttértek a 13,56 Mhz-es sávra (HF), ami az egész világon szabad frekvenciasáv volt. A nagyobb frekvencia a nagyobb olvasási távolságot és a gyorsabb adatátvitelt is lehetővé tette. Különösen Európában terjedt el a HF rendszerek használata, elsősorban újrafelhasználható konténerek és más vagyontárgyak nyomkövetésére. Manapság a 13,56 Mhz-es RFID rendszerek beléptető, díjfizető, és smart-card rendszereknél terjedt el.
A 80-as években jelentős rendszertelepítések folytak: Amerikában a vasúttársaságok a konténerek kezelésére, Európában, és elsőként Norvégiában autópálya díjfizetésre készült rendszer. New Yorkban a Lincoln-alagútnál a buszközlekedés gyorsítása érdekében alkalmazták az RFID-t.
A 90-es években egyre több területen kezdték alkalmazni az RFID technológiát: autópálya díjfizetés, autó indítás-gátló, tankolás, síbérlet, személyek illetve járművek beléptetése. Egyre több cég lépett be az RFID piacra: Texas Instruments, IBM, Micron, Philips, Alcatel, Bosh, Combitech, hogy csak néhányat említsünk.
A 90-es évek elején az IBM fejlesztette ki az első UHF RFID rendszert, ami még nagyobb olvasási távolságot biztosított (maximum 6 méter) és gyorsabb adatátvitelt. Az IBM véghez vitt néhány projektet a Wal-Mart-tal közösen, de mikor a fejlesztések nem váltották be a reményeket, és pénzügyi gondok is adódtak, értékesítette a szabadalmakat és a technológiát az Intermec-nek. Az Intermec több rendszert értékesített, azonban a technológia jelenleg drága az értékesített rendszerek kis száma és a nyitott nemzetközi szabványok hiánya miatt.
1999-ben az UHF RFID lendületet kapott, amikor a Uniform Code Council, az EAN International, a Procter &Gamble és a Gillette megalapították az Auto-ID Centert a a Massachusetts Institute of Technology-n. David Brock és Sanjay Sarma vezetésével kifejlesztették az olcsó, mikrocsipet is tartalmazó RFID tag-et. Elképzelésük az volt, hogy csak egy sorozatszámot tárolnak a tag-ben, ami így kis memóriával olcsóbb lesz és a sorozatszám alapján egy Internet alapú adatbázisból kereshető ki további információ a termékről.
Sarma és Brock lényegében változtatta meg az RFID szerepét. Addig egy RFID tag valójában egy mobil adatbázis volt. Sarma és Brock az RFID-t hálózati technológiává változtatta azzal, hogy a tárgyakat a tag-ek révén az Internet-hez kapcsolta. Az üzleti életben ez jelentős változást hozott, mert, lehetővé vált az, hogy a termék útja a két fél által folyamatosan követhető legyen.
1999 és 2003 között az Auto-ID Center elnyerte több száz multinacionális cég, az USA Védelmi Minisztériumának és több jelentős RFID szállító támogatását. Kutató laboratóriumok nyíltak Nagy-Britanniában, Svájcban, Japánban és Kínában. Kifejlesztettek két Air Interface Protocolt (Class 0 és Class 1), az Electronic Product Code (EPC) számozási módszert, és megtervezték azt a hálózati környezetet, amely tárolja az információkat biztonságos Internet adatbázisban. A technológiát átadták 2003-ban a Uniform Code Council-nak, majd létrehozták az EPCglobal nevű szervezetet az EAN International-lal közösen, hogy terjesszék az EPC technológiát. Az Auto-ID Center 2003. októberben bezárt és kutatási területeit átadta az Auto-ID laboratóriumoknak.
Néhány jelentős kereskedelmi világcég – Albertsons, Metro, Target, Tesco, Wal-Mart – és az USA Védelmi Minisztériuma tervezik az RFID bevezetését ellátási láncukban. Más iparágak is – például gyógyszeripar, autógumi gyártás, védelmi rendszerek – érdeklődnek az RFID iránt. Az EPCglobal 2004 decemberében jóváhagyta a második generációs szabványokat, ezzel is segítve az RFID világméretű elterjedését.
Tágabb értelemben vett RF technológiák
A szokásos LF/HF/UHF RFID technológiákon kívül szintén használhatók objektumok azonosítására az alábbi technológiák is:
NFC
Az NFC-rendszer olyan technológia, amely egyszerű és biztonságos kétirányú kommunikációt tesz lehetővé az elektronikus eszközök között. Az NFC-vel összefüggésben a kétirányú kommunikáció azt jelenti, hogy két NFC-kompatibilis eszköz egyaránt képes adatokat küldeni és fogadni. Ez a fajta kommunikáció lehetővé teszi az interaktív információcserét, ami az NFC-t sokoldalú eszközzé teszi a különböző alkalmazási területeken. Az NFC rövid, jellemzően néhány centiméternél nem nagyobb távolságokon működik. Rádiós interfész szabványként a HF RFID technológiánál megszokott ISO14443 és ISO15693 szabványokat használja.
BLE (Bluetooh Low Energy)
LPWAN technológiák( Low Power Wide Area Network)
LPWAN kategóriába sorolható eszközök több kilométeres távolságon át is képesek kommunikálni, így ideális eszközkövetéshez nagy területű környezetekben, mint például raktárak, ipari létesítmények vagy szabadtéri területek. A végberendezések és átjárók közötti fizikai kapcsolat létrehozható engedélymentes, vagy engedélyhez kötött frekvenciasávokban keresztül. Az engedélymentes spektrumban működő technológiák például LoRaWAN, Sigfox és a Mioty. Engedélyhez kötött sávú, cellás rendszerek például NB-IoT és az LTE-M.
Az Európában aktívan jelen lévő LPWAN technológiák közé tartozik az NB-IoT (Narrowband-IoT), a LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), a Sigfox, a Mioty és az LTE-M (Long Term Evolution for Machines).
5G/6G
UWB és egyéb RTLS megoldások
Az Ultra-Wideband (UWB) és más Valós Idejű Helymeghatározó Rendszerek (RTLS) kiválóan alkalmasak pontos beltéri helymeghatározásra. Az UWB nagy pontossággal képes meghatározni az eszközök helyzetét, akár centiméteres pontossággal is, ami ideális raktárakban, gyárakban vagy kórházakban. Az RTLS rendszerek folyamatosan követik az eszközök mozgását, valós idejű adatokat szolgáltatva, így javítva a működési hatékonyságot és az eszközkezelést.
