Данные системы находятся несколько «в тени» от взгляда широких масс, т. к. ориентированы больше на промышленные применения, но степень их развития и темпы роста рынка этих систем, как мне кажется, заслуживают к ним большего внимания.
Кратко расставим существующие RFID-системы по основным параметрам.
Активные-пассивные
Если метки не используют собственную батарею питания, а получают его от поля считывателя – пассивные. Если используется батарейное питания, то активные.
Еще есть «полу-пассивные» метки (также называются «BAP» – Battery Assisted Passive), которые используют радиоинтерфейс и протокол обмена пассивной системы, но есть батарея питания. Постоянное питание чипа таких меток может несколько улучшать ее характеристики по дальности регистрации, но чаще дополнительное питание используется для встроенных датчиков (температуры, ускорения, влажности и т. п.). Батарея используется для питания датчиков и накопления данных при нахождении метки вне поля считывателя, с последующим их считыванием при входе в зону регистрации.
Активные метки, достаточно дорогие, большие по размерам, но зато дистанция их регистрации может достигать километра. Также есть специальный класс активных меток RTLS – Real Time Locating Systems – системы определения положения в реальном времени.
Важным отличием пассивных меток от активных является то, что пассивные метки НЕ ИЗЛУЧАЮТ радиосигнал. Пассивные метки, отвечая на сигнал считывателя, только модулируют нагрузку своей антенной системы в момент ее нахождения в поле несущей частоты считывателя. Считыватель обнаруживает и детектирует эти слабые отраженные модуляции на фоне непрерывного излучения несущей частоты через свою приемопередающую антенну.
Системы EPC Gen2 относятся к пассивным, но бывают и полу-пассивные специальные метки.
Частотный диапазон
LF – Low Frequency, 125-135 кГц. «Обычные» метки-карточки или домофонные брелки для систем контроля доступа, метки-капсулы для «чипирования» животных (но и среди высших мыслящих существ также есть любители встроенных уникальных идентификаторов).
HF – High Frequency, 13,553-13,567 МГц. Все транспортные проездные карты, банковские беспроводные карты, устройства и метки NFC. Также есть более «простые» метки без криптографических функций, содержащие только идентификатор.
UHF – Ultra High Frequency. Диапазоны 433,075-434,790 МГц и 2400-2483,5 МГц используются активными метками и RTLS, а также брелками сигнализаций, беспроводными клавиатурами, мышками и т. п.
Для EPC Gen2 в мировом масштабе используется UHF диапазон 860-960 МГц, но локально в странах и регионах используются более узкие полосы.
В РФ используются частоты европейского диапазона 865,6-867,6 МГц в соответствии со стандартом ETSI EN302-208-1 V1.2.1, хотя формально выделенная в РФ полоса уже — 866,6-867,4 МГц.
Стандарт EPC Gen2 (полностью Electronic Product Code Class 1 Generation 2) разработан международной организацией GS1 EPC Global. Ему также соответствует стандарт ISO/IEC 18000-63(С). Соответствующая национальная версия ГОСТ разрабатывается.
Какие же существенные преимущества и отличия имеют RFID-системы EPC Gen2 по сравнению с другими?:
- Рекордная дистанция регистрации меток для пассивных систем до 10 и более метров, что объясняется использованием «полного» электромагнитного поля, а не магнитной связи петлевых антенн считывателя и метки, как в LF и HF;
- Эффективный «антиколлизионный» механизм, позволяющий считывать одновременно до 300 уникальных меток в зоне регистрации;
- Высокая скорость считывания метки – до сотен раз в секунду. Экспериментально подтверждена возможность регистрации одиночных меток при их перемещении через зону регистрации на скорости до 250 км/час;
- Наименьшая цена простой метки-наклейки (на 2013 год около 5 рублей при больших объемах поставки).
Gen2 метки-наклейки:
Наиболее массово производятся метки-наклейки на бумажной или пластиковой основе в рулонах, с которых метки отделяются вручную или с помощью аппликатора и наклеиваются на заданный объект.
Конструктивно метки представляют из себя электронный чип, закрепленный с помощью специального клея на контактных площадках металлизированной антенны.
Форма антенны рассчитывается специально для удовлетворения оптимальных параметров согласования по радиосигналу с чипом метки и может принимать довольно разнообразные формы, хотя фактически большинство из них является «редуцированными» диполями, т. е., диполями по характеристикам излучения, но меньшими размерам, чем половина длины волны, что в этом диапазоне около 17 см.
Антенны разных конфигураций имеют отличия в диаграммах направленности, энергоэффективности и «устойчивости» резонансной настройки антенны при ее размещении на разных объектах.
В среднем действует правило – чем меньше максимальный линейный размер метки, тем меньше ее «чувствительность» и дистанция регистрации, хотя между конкретными моделями меток сравнимого размера есть отличия.
Кроме схемы антенны «редуцированный диполь» также существуют специальные «ближнепольные» метки только с петлевой антенной (в этом они аналогичны меткам LF и HF, которые только такими и бывают). Такие метки небольшие по размерам (например, 12х9 мм) и регистрируются с расстояния не больше 20-25 см, но если их использовать для «сложных» условий окружения жидкостями и металлическими элементами, то разницы по сравнению с «большими» метками в качестве и дистанции регистрации не будет – но размер их существенно меньше.
«Большие» метки наклейки с большой дистанцией регистрации имеют размер по длинной стороне 80-100 мм.
На основе тонких меток также делаются метки-карточки из пластика стандартных размеров.
Есть и специальные «устойчивые» к внешним воздействиям метки, которые могут использоваться в прачечных или химчистках.
Метка для прачечных:
Метки-наклейки экранируются и не работают на металлических или металлизированных поверхностях (даже на «полупрозрачном» металлическом напылении, типа антистатических пакетиков для компьютерных компонентов).
Для работы на металлических объектах существуют специальные метки, они более «толстые», от нескольких миллиметров, и существенно дороже, но зато работают на металлических объектах и дистанция регистрации может быть даже больше, чем у меток-наклеек (но также в среднем работает правило – чем больше метка, тем больше дистанция).
Конструктивно метки на металл более сложны и существенно дороже. Часто используется вариации «патч-антенны» с воздушным или более плотным диэлектриком между рабочей и «земляной» пластиной, которая располагается в сторону металла.
Метки на металл:
«Содержание» RFID-меток EPC Gen2
Память меток стандарта Gen2 разделена на 4 банка, адресуемых командами радиоинтерфейса:
Reserved Memory (00) используется для хранения:
- KILL-пароля (32 бита). При его ненулевом значении с помощью KILL-команды метка «убивается» навсегда и без возможности восстановления ее работы;
- ACCESS-пароля (32 бита). При его установке доступ к метке возможен только при знании этого пароля.
EPC (01, Electronic Product Code). Уникальный идентификатор метки, по которому метки отличаются друг от друга при их нахождении. Наиболее распространенная длина идентификатора 96 бит, хотя сейчас уже есть метки с 240 бит EPC (можно использовать меньше). «С завода» банк не защищен от записи и может быть перезаписан, а часто и должен быть перезаписан, т. к. метки могут быть с «пустым» EPC или у всех меток с одинаковым значением.
TID (10, Transponder ID). Идентифицирует производителя и модель чипа метки выделенным уникальным кодом. Также здесь может находиться дополнительный уникальный идентификатор каждой отдельной метки (Serialized TID), который может использоваться как средство защиты метки от подделки. EPC меток может быть продублирован, но банк TID защищается от перезаписи при производстве метки и при наличии Serialized TID совместно с идентификатором производителя и чипа гарантировано уникален.
User Memory (11) – не обязательный, может отсутствовать. Используется для хранения любой информации. Если есть, то обычный размер от 32 до 512 бит. Есть модели и с большим объемом, но у них часты проблемы совместимости со считывателями.
Содержание банков EPC, User Memory и по отдельности областей KILL и ACCESS может быть защищено от изменения значения, временно или навсегда (Permalock = Permanent Lock).
RFID-считыватели EPC Gen2
Стационарные считыватели и зоны регистрации
Стационарные считыватели самые производительные и обеспечивают максимальные скорости и дальности регистрации, что достигается за счет использования высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров, выделяющих слабый сигнал ответа метки на фоне несущей радиочастоты, шумов и помех.
Стационарный считыватель:
У стационарных считывателей могут быть разные интерфейсы – RS232/485, USB, Wiegand, но «пром-стандартным» является UTP Ethernet.
У стационарных считывателей обычно от 2 до 8 разъемов для подключения антенн через встроенный коммутатор, т. е., одновременно работает только одна антенна. Переключение между антеннами происходит автоматически и довольно быстро, но настройками можно выбирать, какие антенны задействованы и индивидуально настраивать радиочастотные мощности для каждого выхода.
Также обычно все стационарные считыватели имеют специальный разъем с 4-8 цифровыми линиями для управления внешними устройствами – включением сигнальных ламп, открытием дверей, шлагбаумов, получения внешних сигналов – датчиков появления объектов, открытия дверей, и т. п.
Для программной интеграции считывателей в информационную систему или для связи с управляющим компьютером всеми производителями предоставляются SDK и API, а также готовое тестовое ПО, позволяющее проверить работу считывателя и подобрать настройки.
Последнее время все основные производители уже используют стандарт низкоуровневого протокола обмена со считывателем LLRP (Low Level Reader Protocol, стандарт ISO/IEC 24791-5), хотя все считыватели, к сожалению, имеют еще много индивидуальных особенностей, которые необходимо учитывать для достижения максимальной производительности и качества регистрации меток.
Цены на стационарные считыватели «в наших краях» начинаются примерно от $1200 для более простых моделей с двумя антенными входами и в два раза дороже для более сложных моделей на 8 антенн.
Портальные зоны регистрации
Портальные (воротные) зоны регистрации окружают антеннами, подключенными к стационарному считывателю, зону перемещения объектов с метками с боковых сторон и/или сверху. Например, регистрация меток товаров на провозимой паллете, меток персонала, проходящего через зону контроля, меток товаров, двигающихся по транспортерной ленте, меток книг, проносимых пользователями на выходе из библиотеки. Типичные размеры портальной зоны — до 3 метров в ширину и высоту.
В качестве антенн стандартно использование направленных «патч-антенн» с круговой поляризацией, что необходимо для обеспечения регистрации меток в разных ориентациях. Возможно использование антенн с линейной поляризацией, что дает выигрыш по дистанции регистрации, но для этого нужна уверенность в постоянной ориентации всех меток в зоне контроля, например, что все они всегда закреплены длинной стороной горизонтально.
Типичные одноэлементные патч-антенны имеют усиление около 8 дБ и характеристику направленности излучения по уровню 0,5 около ± 60º.
Цены на простые одноэлементные патч-антенны начинаются от $150, многоэлементные патч-антенны с большей направленностью будут дороже.
Портальная зона регистрации с 4-мя патч-антеннами:
В случаях, когда поток перемещения меток через зону регистрации небольшой и установка портального считывателя по бокам от прохода не желательна, возможно расположение антенн сверху. Бывают интегрированные потолочные считыватели, содержащие все в одном корпусе, включая считыватель и антенну.
Потолочный считыватель:
Стационарные зоны считывания меток транспорта
Оптимальное расположение меток на автотранспорте – на лобовом стекле или на «торпеде» под ним, хотя также метки встраиваются в номерные знаки, но это уже другой разговор.
Возможно, что в РФ скоро это придется увидеть в своих номерных знаках (и за свои же деньги).
Регистрирующие антенны располагаются с направлением излучения вертикально вниз над центром полосы проезда, если предполагается двустороннее движение по полосе, либо под углом в сторону приближения автомобилей, что улучшает качество регистрации (но в другом направлении метки могут вообще не регистрироваться — тогда использовать пару антенн «смотрящих» в разные стороны).
Считывающие антенны меток автотранспорта:
RFID-тоннель
При необходимости регистрации большого числа меток в небольшой зоне с линейными размерами менее метра оправдано использование тоннелей или боксов, содержащих антенны, окружающие зону регистрации с возможно большего числа сторон и направлений, и внешние экранирующие элементы, предотвращающие «паразитные» регистрации меток снаружи.
RFID-тоннель:
Еще одной эффективной областью применения RFID-тоннелей или боксов является регистрация меток на «сложных» объектах, содержащих воду, электролиты или большое число «вкраплений» металлов (например, при одновременной регистрации 200 меток на бирках ювелирных изделий в групповых упаковках).
В таких условиях считывание меток эффективно только в «ближней» зоне на расстоянии не больше 20-25 см от антенны. При этом для считывания более эффективно использование специальных «ближнепольных» петлевых антенн, а не патч-антенн.
Мобильные RFID-считыватели (терминалы)
Важный и полезный тип считывателей, позволяющий ускорять многие операции с товарами или объектами: поиск заданных объектов по меткам (на складе, в магазине, в библиотеке); быстрая инвентаризация складов или основных фондов; контроль комплектования заказов.
Важно, что в отличии от мобильных считывателей LF и HF (включая смартфоны с NFC), у которых дистанция регистрации меток составляет несколько сантиметров и, к сожалению, не сильно отличается от считывания штрих-кода, мобильные Gen2 считыватели бывают с дистанцией регистрации до нескольких метров.
Возможна быстрая регистрация всех меток полки или вешалки с товарами, проходя мимо нее. Хотя скорость регистрации меток мобильными считывателями меньше, чем стационарными, обычно не более 10 уникальных меток в секунду.
Кроме RFID-считывателя в мобильных терминалах обычно есть сканер штрих кода, Wi-Fi, Bluetooth, и могут быть GPS/ГЛОНАС и GSM/3G модули.
Большая часть мобильных терминалов работает на старой доброй Windows Mobile/CE, но уже появляются модели и на Android.
Мобильные терминалы обычно обладают хорошим классом защиты, позволяющим их использовать в производственных и уличных условиях.
Мобильный считыватель:
Цены на мобильные терминалы начинаются от $3000.
Настольные считыватели
Современные модели подключаются и питаются по USB и рассчитаны на считывание и запись небольшого числа меток с небольшого расстояния.
Важны как сопутствующие считыватели для начальной привязки и нумерации меток, но могут выполнять и важную роль, например, на рабочем месте библиотекаря для быстрого оформления выдачи или приема сразу стопки книг с RFID-метками (и этот же считыватель используется для быстрой идентификации читателя по его пластиковой карте с меткой EPC Gen2).
Настольный считыватель:
Цена настольного считывателя с встроенной антенной и USB-интерфейсом около $1200.
RFID-принтеры
Являются модифицированными принтерами этикеток, в которые при сохранении функции печати добавлен или может быть добавлен RFID-модуль, позволяющий также считывать и записывать RFID-метки, подаваемые из рулона.
Важны при необходимой подготовке большого числа меток, особенно совместно с печатью этикетки.
RFID-принтер:
Цены на RFID-принтеры начинаются от $1600 за самые простые модели и от $3000 для промышленных производительных моделей.
Способы и особенности использования систем EPC Gen2
Вряд ли есть смысл использовать системы EPC Gen2 в простых случаях. «Непростыми» же случаями, в которых внедрение EPC Gen2 системы может принести выгоду, можно назвать следующие:
- Необходимость регистрации меток с больших дистанций от 0,5 до 10 метров;
- Одновременная регистрация большого числа меток (до 300);
- Регистрация меток, перемещающихся на большой скорости.
Основной экономической выгодой использования RFID-систем EPC Gen2 является ускорение и уменьшение трудоемкости операций учета объектов – приемка, отгрузка, инвентаризация, поиск заданных объектов.
Также важным является возможность снижения влияния человеческого фактора, т. к. во многих случаях регистрация меток может происходить без участия человека (при перемещении через портальную зону регистрации, например).
Дополнительно RFID-метки объектов возможно использовать в антикражных системах, для подтверждения подлинности продукции (при использовании Serialized TID) и гарантийного срока, быстрого получения исходных данных об объекте или продукте (по идентификатору метки из БД или непосредственно из данных метки).
Ограничения и сложности реализации систем EPC Gen2 связаны с где же взять столько денег особенностями радиосвязи в принципе, а также тем, что названо выше их преимуществом – большой дистанцией регистрации – обычный парадокс.
Радиоволны этого частотного диапазона сильно поглощаются водой и электролитами и экранируются металлическими предметами.
Большая дистанция регистрации приводит к проблеме «паразитных» регистраций. Для обеспечения надежной регистрации одновременно многих меток, которые могут быть в неоптимальной ориентации, экранироваться взаимным близким расположением нескольких меток, присутствием экранирующих или поглощающих предметов, необходима установка мощности регистрации многократно превышающей необходимую для регистрации одиночной метки «в воздухе».
Соответственно, при увеличении мощности начинают регистрироваться метки в «хороших» условиях на больших расстояниях от зоны считывания – до 10 и более метров.
Например, вблизи ворот выезда со склада установлена портальная зона регистрации, которая используется для группового считывания всех меток сформированной паллеты при ее вывозе.
Но при этом запросто будут считываться метки со стеллажей склада (пусть даже только некоторые и не часто), находящиеся на расстоянии 10 метров или даже больше. Складские площади дороги и никто не будет оставлять пустое место 15х15 метров вокруг зоны регистрации. Вариант решения проблемы – отгораживание зоны регистрации экранами-ширмами или «домиками» вокруг зон регистрации.
Тем не менее, системы RFID EPC Gen2 могут быть очень эффективными и таких примеров уже очень много – складская и транспортная логистика, контроль основных средств (быстрая инвентаризация), контроль автотранспорта, контроль перемещения персонала, библиотеки и архивы, ритейл одежды и обуви, фармацевтика (включая контроль фальсификации), контроль компонентов и запасных частей в авиа и автомобильной промышленности, контроль багажа, контроль почтовых пересылок и др.
Автор: AndreiMikhailov
