Google+
Журнал Плас Плас Журнал http://www.plusworld.ru/
ул. Кржижановского, д. 29, корп. 5 Москва, 117218 Россия
+7 495 961 1065 http://www.plusworld.ru/upload/templates/logo_plus_ru.png
RSS RSS RSS RSS

RFID-метки: сегодняшний день и поиск новых сфер применения

(Нет голосов)

06.04.2010 Количество просмотров 1400 просмотров

 Рашит Хафизов, канд. физ.-мат. наук, эксперт "ИЦ Константа"

Несколько лет назад автор настоящей статьи завел в своем компьютере папку, в которой сохранял свои соображения на тему о сферах возможного применения технологии RFID. При этом в папку попадали только те мысли, которые не относились к уже хорошо известным и развиваемым сферам применения RFID, таким, как складская и торговая логистика, контроль доступа, транспортные, социальные и платежные приложения. Обнаружив позднее информацию о реализации нескольких идей, занесенных им ранее в эту папку, автор решил поделиться некоторыми из своих записей с читателями журнала «ПЛАС».

RFID (Radio Frequency IDentification) — радиочастотная идентификация; метод автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в т. н. транспондерах, или RFID-метках.

Прежде чем перейти к простым и понятным идеям возможного применения RFID, рассмотрим конструкцию, физические принципы работы и способы классификации радиочастотных идентификаторов.
RFID-технология без каких-либо проблем проникла в нашу повседневную жизнь. Так, бумажные проездные билеты с магнитной полосой, которые использовались для оплаты проезда в Московском метрополитене, ушли в прошлое, их заменили бесконтактные карты. Разъяснения о том, что для прохода в метро нет необходимости вставлять карту в считывающее устройство, а достаточно лишь приложить ее к обозначенному на турникете месту, получили однозначно одобрительную оценку пассажиров.
При этом явный интерес российских пользователей к новой бесконтактной технологии нашел свое отражение в том, что многие из них, движимые естественным любопытством, вскрывали бумажную бесконтактную карту метрополитена по завершении лимита оплаченных поездок.
Визуальный анализ вскрытого билета показывает, что бесконтактная карта Московского метрополитена состоит из двух элементов. Металлизированная полоска, образующая спираль, – это антенна. Микрокристалл, снабженный контактными площадками, посредством которых он соединен с антенной, – интегральная микросхема.
Взаимодействие карты с ридером производится без какого-либо электромеханического контакта, поскольку с помощью антенны осуществляется передача закодированной информации от микросхемы карты к системе контроля прохода (и учета) пассажиропотока в московском метро.
Логично было бы предположить, что для работы карты в качестве передающего устройства в ней должен размещаться также источник питания. Однако визуальное исследование вскрытой карты показывает, что это предположение не подтверждается.
Дело в том, что уже упомянутая интегральная микросхема является сложным аналогово-цифровым полупроводниковым прибором, состоящим из схемы управления питанием (выпрямителя), выделителя тактовой частоты, модулятора, логической схемы и энергонезависимой памяти* (см. рис. 1). Напряжение переменного тока, который индуцируется на антенне карты при приеме сигнала от ридера, преобразуется выпрямителем (схемой управления питания) в постоянное напряжение питания микросхемы. Таким образом, обнаруженная при вскрытии карты приемо-передающая антенна по совместительству выполняет и функцию источника питания.
Рис. 1 практически полностью копирует схему из уже упомянутой работы*. Добавлением антенны, четырех контактных площадок и границ микрокристалла (изображены пунктирными линиями и цветовым выделением) были лишь обозначены элементы, обнаруженные при вскрытии бумажной карты московского метрополитена.
Тонкую пластиковую или бумажную наклейку, снабженную антенной и микросхемой, большинству из нас приходилось, вероятно, отклеивать от товаров, купленных в крупных супермаркетах и сетевых торговых центрах. При этом хорошо различимые невооруженным глазом антенна и микросхема на товарной наклейке очень похожи на те, что обнаруживаются при вскрытии бумажной бесконтактной карты московского метрополитена.
Обобщая эти наблюдения, можно заключить, что антенна и микросхема являются базовыми элементами любой RFIDметки. Действительно, и карта прохода в Московский метрополитен, и защитная товарная наклейка, и Социальная карта жителя Московской области, и бесконтактный пропуск в современный бизнесцентр или госучреждение, и биометрический загранпаспорт, и иммобилайзер в ключе зажигания автомобиля – это все радиочастотные идентификаторы, в которых под слоем бумаги или пластика расположена полупроводниковая микросхема и приемо-передающая антенна.
Однако при обозначенном сходстве, нетрудно заметить, что все вышеперечисленные устройства существенно отличаются друг от друга. Попытаемся классифицировать обнаруженные принципиальные различия, выбрав отправной точкой два уже обозначенных базовых элемента.
В первую очередь во всех перечисленных устройствах обращают на себя внимание различия в размерах антенн. Длина приемо-передающей антенны радиоэлектронного устройства обратно пропорциональна его рабочей частоте. Поэтому чем меньше антенна, тем на более высоких частотах функционирует RFID метка, и наоборот.
Классификация рабочих частотных диапазонов радиочастотной идентификации выглядит следующим образом:
• низкие частоты (LF) находятся в диапазоне 30–300 кГц;
• высокие частоты (HF) охватывают значения 3–30 МГц;
• ультравысокие частоты (UHF) охватывают диапазон 300 МГц–1 ГГц;
• микроволновые частоты (диапазон от 1 ГГц и выше).
Выбор частотного диапазона и типа метки, которая в этом диапазоне будет работать, обусловлен средой и условиями радиочастотной идентификации объектов:
• на низких и высоких частотах (30 кГц–30 МГц) хорошо идентифицируются метки, расположенные на металлических поверхностях или находящиеся в средах, содержащих жидкости, пар, снег;
• ограничены возможности идентификации меток, помещенных на металл или во влагосодержащие среды, в диапазоне УВЧ (300 МГц–1 ГГц);
• практически невозможно идентифицировать метки, прикрепленные к металлосодержащим объектам, на микроволновых частотах (от 1 ГГц).
От рабочей частоты также зависит и скорость обмена данными между RFID-меткой и ридером. Наиболее низкие скорости передачи информации характерны для низких частот. Соответственно, микроволновые частоты наряду с минимальными размерами антенны обеспечивают максимальную скорость информационного обмена.
Однако выбор частотного диапазона определяется не только практическими целями и планируемыми условиями функционирования RFID-метки. На него, а, соответственно, и на выбор типа меток влияют также местные нормативы, которыми регламентированы возможности использования различных радиочастот на территории того или иного государства.
В России наибольшее применение нашли низкочастотные RFID-метки, функционирующие на частоте 125 kHz, высокочастотные – с частотой информационного взаимодействия 13,56 MHz, ультравысокочастотные – с рабочей частотой 900 MHz и микроволновые RFID-метки, идентифицируемые на частоте 2,45 ГГц.
Еще один принцип классификации радиочастотных идентификаторов основан на функциональных возможностях микрокристалла, второго базового элемента RFIDметки. Принято различать RFID-метки:
• только с функцией чтения данных, которые однократно записываются в память микрокристалла на этапе производства (read-only, RO);
• с однократной записью данных пользователем и многократным чтением (write once, read many, WORM);
• с многократной перезаписью данных (read-write, RW).
Схемотехническое исполнение микрокристалла определяет принципы информационного обмена между ридером и идентификатором. Возможности перезаписи информации в память RFID-метки в первую очередь задаются объемом энергонезависимой памяти. Скорость, расстояние, помехоустойчивость радиочастотной передачи данных зависят от реализованных способов обработки сигнала. Микросхемы выпускаемых в настоящее время RFID-меток обеспечивают прием, декодирование, обработку и ответную модуляцию радиосигнала как по амплитуде, так и по частоте. При этом в одних метках обрабатывается несущая частота, в других – поднесущая. Успех решения антиколлизионных задач, которые возникают при необходимости регистрации большого числа объектов, оснащенных RFID-метками, также находится в прямой зависимости от функциональных способностей микросхемы.
На этом систематизацию существующего разнообразия RFID-меток можно завершить. Отнесение радиочастотных идентификаторов к активному, полуактивному или пассивному типам не представляется существенным, поскольку отражает лишь факт возможного подсоединения двух выше проанализированных базовых элементов к другим электронным компонентам, в первую очередь к миниатюрному источнику питания. Конечно, интеграция полнофункционального микроприбора, состоящего из одной микросхемы и приемо-передающей антенны (пассивной RFID-метки), с другими компонентами, например, сенсорами или источником питания, расширит функциональные возможности сформированного устройства. Однако это будет уже другой прибор и, соответственно, его целесообразно обсуждать в другой статье.
В заключение этой части изложения целесообразно отметить, что энергообмену и информационному взаимодействию RFID метки и считывателя не препятствуют неэкранирующие материалы (пластик, дерево, бетон, стекло, керамика и проч.), в которые RFID-метка может быть полностью замурована. Поэтому в герметичном исполнении RFID-метка будет успешно регистрироваться во влажных, агрессивных и окислительных средах. RFID-метку можно имплантировать в растительные и биологические слои и ткани. Для идентификации RFID метки не требуется ее оптическая визуализация.
Еще одно важное свойство, являющееся следствием бесконтактного режима работы RFID-метки, – срок ее функционирования. В условиях частого электромеханического контактирования срок работы, например, контактной банковской карты составляет 1 год (до 3 лет максимум). В свою очередь, SIM-карту, которая один раз вставляется в контактирующее устройство GSM-терминала, обычно меняют только со сменой GSM-оператора (но не реже, чем 1 раз в 10 лет). Оснастив микросхему RFID-метки приемо-передающей антенной, полностью исключив при этом электромеханические контакты, предоставив роль источника питания той же антенне, разработчики получили микроприбор (современную миниатюрную RFID-метку), срок функционирования которого определяется сроком хранения заряда в энерногонезависимой памяти кремниевой микросхемы. Сегодня микроэлектронное производство гарантирует сохранность информации (заряда), записанной в RFIDметку, в течение 10 лет. Таким образом, функциональные возможности однокристального микроприбора и потенциальные сроки его эксплуатации позволяют значительно расширить сферу применения RFID, а уже реализованные проекты – усовершенствовать и масштабировать.
Приведем несколько достаточно простых, но при этом оригинальных вариантов применения RFID.

RFID -технологии в сфере обеспечения безопасности дорожного движения
Можно предположить, что почти каждый водитель автомобиля сталкивался на незнакомой дороге с ситуацией, когда предупреждающий (или хуже того – запрещающий) дорожный знак по какой-то причине остался им незамеченным. Самое безобидное последствие этой ситуации – штраф за проезд на запрещающий знак.
С помощью RFID-технологии можно снизить вероятность наступления таких событий, тем самым повысив безопасность движения на автомобильных дорогах.
Оснастив автомобиль RFID-считывателем и вмонтировав в дорожную разметку (на определенном расстоянии от знака) одну или несколько RFID меток (рис. 2), можно обеспечить водителя дополнительным предупреждающим сигналом о необходимости выполнить требуемые действия.
Полученный RFID-считывателем сигнал с кодом дорожного знака передается в бортовой компьютер автомобиля для последующего преобразования и вывода, например, на приборную панель в виде мигающего изображения дорожного знака или для подачи предупреждающего звукового сигнала. Тем самым можно осуществлять дополнительное электронное дублирование наиболее важных для исполнений предупреждающих и запрещающих знаков дорожного движения («Уступи дорогу», «Проезд закрыт», «Железнодорожный переезд» и др.).
На особо опасном участке дороги (перед поворотом или подъемом) с ограниченным обзором можно вмонтировать RFID-метки в разделительные полосы для предупреждения водителя об опасных последствиях их пересечения.
На рис. 3 приведен простой, высокоточный и, как я полагаю, менее затратный, по сравнению с визуальной регистрацией с помощью всепогодных ПЗС-камер, способ измерения скорости на участке дороги с ограничением скорости.
По интервалу времени между двумя поступившими на RFID-считыватель сигналами от двух RFID-меток, которые расположены на стандартном расстоянии друг от друга (например, 10 м), определяется линейная скорость проезжающего автомобиля. Записанные в метку параметры автомобильной дороги (координаты участка, регламентированный на этом участке скоростной режим) вместе с обработанным в бортовом компьютере автомобиля реальным показанием скорости движения, с датой и временем произведенной фиксации сохраняются в памяти, например, цифрового тахографа. Обязательный контроль соблюдения скоростного режима путем считывания показаний цифрового тахографа регламентирован Европейским соглашением, касающимся работы экипажей транспортных средств, производящих международные автомобильные перевозки (ЕСТР). Цифровыми тахографами должны оснащаться все большегрузные автомобили и пассажирские автобусы, осуществляющие международные перевозки на территориях стран, подписавших ЕСТР, в том числе и на территории России.

Применение RFID -меток винженерно- коммуникационной сфере
Можно с большой долей уверенности предположить, что почти каждый, кому приходилось собственными силами производить ремонт своего жилья, сталкивался с необходимостью определения, например, месторасположения в стене внутренней разводки (электрической или водоснабжения).
Простая маркировка размещения внутренней разводки может быть реализована посредством размещения под штукатуркой или обоями RFID-меток, указывающих на позиционирование провода или водопроводной трубы. Таким образом, перед тем как производить сверление и/или штробление стены, достаточно просто просканировать RFID-считывателем или мобильным телефоном с NFC-функциональностью стену на предмет наличия в намеченном для работ участке RFID-метки.
Целесообразной представляется также загрузка в память RFID-метки (рис. 3.), размещенной, например, на крышке электрического щитка жилого или нежилого помещения, всей схемы скрытой разводки внутренней электрической сети. В память метки можно также записывать данные (дата, ответственная организация, ФИО мастера) о последних профилактических/ ремонтных работах и проведенных модификациях. В память метки могут заноситься и все регламентированные инспекторские проверки. Считанная и обновленная информация может быть при помощи мобильного NFC-телефона передана по каналам связи системному оператору. В отличие от других возможных способов электронного хранения архивированных схем, например, на флэш-карте, считывание и запись информации на RFID-метку может производиться в условиях повышенной запыленности, влажности, возможного попадания лакокрасочных и других покрытий. Другими словами, в условиях ремонта считывание и запись необходимой информации в электронный маркер лучше производить бесконтактным способом.
Аналогичным образом на наружных отметках могут архивироваться данные о подземных высоковольтных и телекоммуникационных кабельных проводках, теплотрассах, газопроводах и т. д. Возможна запись и хранение координат границ земельных участков (кадастровых планов) для проведения последующих сверок реально установленных разделителей (заборов, ограждений и т.п.) (см. рис. 5).

Применение RFID вдокументообороте
Организация учета различных бланков документов, регистрации входящей и исходящей корреспонденции – самые элементарные правила ведения дел компании любого масштаба и любой формы собственности. Соблюдение требований документооборота, проведение учета, регистрации, контроля и ведение архивов являются не только условиями нормальной работы компании, но и требованиями безопасности, защиты от возможных попыток фальсификации и подделки документов.
Технология RFID может применяться, с одной стороны, для защиты документов от попыток их подделки, а с другой – для регистрации процедуры простановки печати – финального действия, придающего документу юридическую силу. Оснастив бланк документа RFID-меткой с записанными в ее память номером документа и другими необходимыми реквизитами, мы получим дополнительную меру защиты бланка от возможной подделки.
Для регистрации акта простановки печати можно использовать специально сконструированную электромеханическую печать, совмещенную с RFID-считывателем.
Регламентом оформления особо важных документов можно предусмотреть простановку печати только лицами, допущенными к ее использованию. Поскольку для постановки печати ее берут в руки, может быть реализована и биометрическая идентификация по отпечаткам пальцев допущенных к использованию печати.
В этом случае в компьютерную базу данных (базу отпечатков пальцев) отдела делопроизводства необходимо будет занести перечень уполномоченных лиц на допуск (по отпечатку пальцев) к использованию печати. При успешной идентификации уполномоченного лица простановка печати разрешается (снимается электромеханическая блокировка). После простановки печати в компьютерную базу данных организации, например, осуществляющей выдачу лицензий, заносятся номер бланка лицензии, код лица, проставившего печать, дата и время постановки печати. В RFID-метку, которой был оснащен бланк лицензии, при простановке печати заносятся коды организации, выдавшей лицензию, лица, проставившего печать, дата и время простановки печати, которые в дальнейшем хранятся в памяти RFID-метки уже выданной лицензии и всегда могут быть проверены и сверены.
Вполне вероятно, что кому-то из читателей приведенные в статье примеры возможного использования RFID-меток покажутся очевидными. Однако история прикладной технической науки знает множество примеров, когда очевидные, на первый взгляд, идеи после их практического внедрения смогли существенно изменить повседневную жизнь.


Полный текст статьи читайте в журнале "ПЛАС" 2 (154) ’2010 сс. 36 - 43

Комментарии (0):

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные Пользователи


Читайте в этом номере:
обновить

а вы знаете, что...

… каури были не только «туземным» средством расчета, но также в ходу в Средней Азии, Европе и даже Руси? На Руси в XII-XIV веках, в так называемый безмонетный период, каури были деньгами под названием ужовок, жерновков или змеиных головок. Их до сих пор находят при раскопках в Новгородских и Псковских землях в виде кладов и в погребениях. Только в XIX веке в Западную Африку ввезли не менее 75 млрд раковин каури общим весом 115 тысяч тонн?