Technologie RFID

RFID (Radio-Frequency Identification, tj. Radiofrekvenční identifikace)  je bezkontaktní výměna dat mezi transpondérem RFID a RFID zapisovačkou/čtečkou. Tato RFID zapisovačka/čtečka dat vytvoří pro účel přenosu dat magnetické anebo elektromagnetické pole, které zásobuje pasivní transpondér RFID energií. Dokud se transpondér RFID nachází v elektromagnetickém poli RFID zapisovačky/čtečky, může probíhat výměna dat – je možné z čipu v transpondéru RFID informace načíst, avšak také uložit na čipu nové údaje.

Obr.: Výměna dat mezi transpondérem RFID na straně jedné a RFID čtečkou na straně druhé

V zásadě je možné nabídnout transpondéry RFID v téměř všech tvarech, materiálech, velikostech a barvách. Konkrétní výstavba se odvíjí od příslušného případu použití. Společným prvkem všech transpondérů RFID je vnitřek, lépe řečeno mají dvě společné součásti. Uvnitř každého transpondéru RFID se nachází přinejmenším jeden mikročip a jedna tištěná, složená nebo leptaná anténa. Čip a anténa (kterou souhrnně nazýváme také jako „Inlay“, vnitřek) jsou velmi citlivé, a tudíž je lze zatěžovat mechanickými, teplotními či chemickými vlivy pouze v omezené míře. Proto je zapotřebí, aby byl „obal“ těchto elektronických součástí uzpůsoben příslušnému použití. Nejjednodušší formu obalu představuje štítek RFID. Tato metoda je pro mnoho aplikací dostatečná.

Jedná se však o formu obalu, kdy je čip chráněn pouze jednoduchou fólií, nebo vrstvou papíru. Pakliže potřebujeme poněkud stabilnější a odolnější řešení, doporučuje se zabalení elektroniky RFID do laminované karty. Pokud ani to nestačí, což se týká zejména využití v průmyslu, měl by být citlivý vnitřek (=Čip + Anténa) zalit do plastového krytu, který představuje nejodolnější, nejtrvanlivější a nejméně náchylný typ obalu.

Obr.: Typická organizace paměti

Tzv. „Single Chip“ transponder, tedy transpondér s jedním čipem je složen ze substrátu s anténou a čipem, které nazýváme zkráceně Inlay. K transpondérovému systému patří transpondér, čtečka, software a aplikační proces, včetně servisu.

Velikost paměti čipu se rovněž řídí jeho použitím. Běžně dostupné velikosti paměti se nacházejí mezi 4 byte a 8 kByte. V nejjednodušším případě, což se většinou týká elektronického zajištění položek, můžeme využít dokonce paměti o velikosti 1 bit. Pro názornost – pomocí 4 bytové paměti lze uložit pouze jedno jednoznačné číslo (Unique ID=UID), zatímco pomocí 8 kBytové je možné uložit 4 stránky strojopisu, složené z 30 řádků po 60 znacích. Kromě prostého uložení existuje ještě celá řada dalších funkcionalit čipu, jako například ochrana proti přepsání, oprávnění zabezpečená PINem, zakódování obsahu dat, kryptografické funkcionality a mnohé další. Individuální specifikace se řídí příslušným použitím a požadovanou úrovní bezpečnosti.

Princip induktivního spojení pro nízkofrekvenční a vysokofrekvenční transpondéry:
Vysílačka emituje prostřednictvím anténové cívky elektromagnetické pole, které je zachyceno transpondérem. Pomocí elektromagnetického pole je posléze do transpondérové antény indukován proud, který dodává energii, pomocí níž je transpondér poháněn. Díky cílenému a načasovaném tlumení proudu prostřednictvím spínacích okruhů v čipu lze vyslat vlastní signál. Tato změna pole je zachycena vysílačkou a slouží digitální komunikaci.

Princip „EM backscatteru“ pro transpondér UHF:
Vysílačka emituje prostřednictvím elektromagnetické cívky pole, které je zachyceno transpondérem. Elektromagnetické pole indukuje v anténě transpondéru elektřinu. Tato elektřina pak dodává energii, pomocí níž je transpondér poháněn. Transpondér provádí modulace nosného signálu, které jsou následně, pro účely komunikace, zachyceny vysílačkou.

Existují dva základní typy transpondérů – aktivní a pasivní. Aktivní transpondéry RFID disponují vlastním systémem pro zásobování energie, mají např. integrovanou baterii a mohou přenášet data na větší vzdálenost (až 100 m). Pasivní transpondéry RFID získávají energii na přenos dat pouze z elektromagnetického pole RFID zapisovačky/čtečky.

Jako mezistupeň ještě existují tzv. poloaktivní resp. polopasivní transpondéry, jež sice disponují vlastním zdrojem energie, avšak nefungují jako samostatná vysílačka. Transpondér RFID je zásobován elektřinou z baterie, tj. není zapotřebí ubírat výkonu elektromagnetického pole, nicméně odpověď je podávána formou modulace pole, které tak není opakovaně zesíleno.

Obr.: Typy transpondérů RFID

Pasivní transpondéry RFID lze roztřídit do 3 různých kategorií:

1. Read-Only (Pouze pro čtení):
   Výrobce má možnost transpondéry Read-Only popsat jednou, avšak již není možné, informace dodatečně přidávat, mazat anebo přepisovat.
2. Write-Once, Read Many (WORM – Zapiš jednou, čti mnohokrát):
   Klient má možnost popsat transpondéry WORM pouze jednou. Posléze je pouze možné načítat je, avšak nikoliv do nich zapisovat.
3. Read and Write (Čtení a zápis):
   Transpondéry Read and Write umožňují neomezené zápisy a změny ukládaného obsahu. Také u těchto transpondérů lze pomocí ochrany proti přepsání od určitého okamžiku zablokovat jak jejich načtení, tak přepsání.

Existují tři frekvenční oblasti, do nichž jsou systémy RFID rozděleny:

Nízká frekvence (LF = 125kHz)
Toto volně přístupné frekvenční pásmo se vyznačuje nízkými rychlostmi přenosu dat a odstupy. Konstrukce těchto systémů je většinou cenově výhodná a jednoduchá na obsluhu, přičemž také není zapotřebí přihláška ani poplatky. Transpondér RFID využívá blízké pole elektromagnetických vln a je pasivně zásobován energií z induktivního spojení. Výhodou je, že transpondér RFID v tomto frekvenčním pásmu je relativně odolný, pokud jde o vliv kovů či kapalin, přičemž se z tohoto důvodu používají k identifikaci zvířat.

Vysoká frekvence (HF 13,56 MHz)
Vysokou frekvenci lze použít univerzálně, přičemž se vyznačuje vysokými rychlostmi přenosu dat a vysokou frekvencí taktu. Transpondéry RFID operují na bázi frekvence HF 13,56 MHz – jedná se o krátkou délku vlny, pro jejíž účely postačí pouze několik málo ovinů antény. Tudíž mohou být transpondérové antény RFID menší a jednodušší. Je možné použít leptané nebo tištěné antény. To znamená, že Inlay (=Čip + Anténu) je možno dodávat v podobě nekonečných fólií, což naopak výraznou měrou usnadňuje další zpracování, pokud jde o velké počty kusů a k proces „role-to-role“ (od role k roli).

Ultra krátké vlny (UHF 860 – 950 MHz, s rozdělením do dílčích pásem)
Tyto systémy disponují velmi vysokými rychlostmi přenosu dat i velmi vysokým dosahem. Díky kratším délkám vln postačí jako anténa, namísto cívky, dipól; šíření pole je z hlediska optiky záření dostačující, což umožňuje cílené šíření pole. Také transpondéry UHF se primárně vyrábí za využití fólií, což naopak výraznou měrou usnadňuje další zpracování, pokud jde o velké počty kusů a proces „role-to-role“ (od role k roli). Pro účely zásobování elektrickou energií (polopasivní transpondér) je v některých případech smysluplné využít podpůrnou baterii, neboť dosah je již beztak vysoký, a díky jejímu využití jej lze ještě navýšit. V této souvislosti je zapotřebí zmínit, že některá frekvenční pásma ve spektru mikrovln ještě nejsou cenově výhodně zpřístupněna, avšak mohou také podléhat lokálním omezením přístupu. Tak například frekvenční pásmu FCC UHF okolo 915 MHz v Evropě dosud není povoleno. V současné době probíhají diskuze o zpřístupnění části tohoto frekvenčního pásma pro účely RFID. Frekvenční pásmo ETSI UHF okolo 868 MHz však zůstane zachováno i nadále.

Obr.: Znázornění způsobu šíření vln (elektrické a magnetické vlny) v blízkém a vzdáleném poli

Obr.: Definice blízkého a vzdáleného pole

Close Coupling (Spojení nakrátko)
Frekvenční oblast: 1 Hz – 30 MHz
Dosah: 0- 1 cm

Transpondéry RFID je zapotřebí vsunout do čtečky, resp. jejich poloha musí být při načítání přesně definována. Díky úzkému propojení je možné poskytnout transpondéru RFID větší množství energie, přičemž je zapotřebí dbát na to, že množství přenášené energie stoupá úměrně k frekvenci. Přenos dat mezi transpondérem RFID a čtečkou RFID lze realizovat pomocí induktivního či kapacitního spojení. Aplikace, u nichž se klade důraz na bezpečnost, se provádějí díky této metodice.

Remote Coupling (Vzdálené spojení)
Frekvenční oblast: mezi 100 a 135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz a 27,125 MHz
Dosah: až 1 metr

Přenos dat se u všech vzdálených systémů zajišťuje pomocí induktivního spojení. K provozu čipu postačí energie přenášená z magnetického pole čtečky, neboť je transpondér RFID zásobován energií pasivně.

Long Range (dlouhý dosah)
Frekvenční oblast: Spektrum mikrovln
Dosah n: 1 m - až 10 m

Přenos dat se realizuje pomocí procesu backscatter, přenos energie však vystačí pouze na vyslání signálu na probuzení či uspání. Pro zásobení transpondérového čipu RFID energií a pro účely uchování uložených dat se používá podpůrná baterie. Jako možné pole pro aplikaci lze uvažovat o mýtných systémech.

Obr.: Dosah čtení a metodika komunikace jednotlivých pásem

•    Každý čip disponuje jednoznačným a celosvětově pouze jednou uděleným sériovým číslem (tzv. kód UID resp. TID). To zaručuje jednoznačnou přiřaditelnost na úroveň jednotlivých produktů a kompletní individualizaci produktů.
 
•    Opakovaně přepisovatelná paměť dat v čipu a tím pádem flexibilní management dat přímo u produktu. Informace na datovém nosiči RFID lze kdykoliv změnit, smazat či doplnit. Údaje o výrobku, údržbě, výrobě či servisu jsou k dispozici přímo u výrobku.

•    Komunikace mezi nosičem dat RFID a zapisovacím/čtecím systémem, při níž není zapotřebí vizuální kontakt, je odolná vůči znečištění, a to díky instalaci v chráněných místech, umožňuje  neviditelnou integraci do stávajících produktů a zjednodušenou optimalizaci procesů.

•    Vysoká rychlost komunikace se rovná 100% podílu správného načtení při prvním pokusu u čárových kódů.

•    Současné načtení pomocí vícero datových nosičů RFID v jednom pracovním kroku (hromadné zaevidování).