Pobierz
najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Oblicza RFID (cz. 1)

Printer Friendly and PDF

Funkcjonując w świecie, w którym podstawową wartością jest informacja, jesteśmy zmuszeni do poszukiwania i stosowania technik automatycznej identyfikacji. Potrzeba automatycznej identyfikacji poszczególnych elementów systemów wymiany informacji uwarunkowana jest nie tylko koniecznością związaną stricte z funkcjonowaniem świata wirtualnego, ale także potrzebą zapewnienia bezpieczeństwa, czynnikami ekonomicznymi oraz dążeniem do uproszczeń i wygody.

Istnieje wiele metod automatycznej identyfikacji, stosowanych w różnych obszarach ludzkiej działalności. Na ich rozwój oraz cechy funkcjonalne mają wpływ wymagania określone przez współczesne trendy systemów bezpieczeństwa i automatyzacji procesów. Pośród wielu znanych technik automatycznej identyfikacji swój renesans przeżywają technologie wykorzystujące transmisję radiową - RFID (ang. Radio Frequency Identification).

Technologia RFID jest dziś bardzo popularna i medialna. Uważa się, że stanowić będzie panaceum na wszystkie słabości systemów identyfikacji. Tworzona jest wokół niej pewna otoczka mistycyzmu i poglądu  uważa się ją za supernowoczesneją technologię.

Czym jest RFID? Jakie niesie ze sobą korzyści i zagrożenia? Czy jest to technologia w pełni bezpieczna? - Odpowiedzi na te i szereg innych pytań postaram się udzielić w cyklu artykułów poświęconych temu tematowi.

A wszystko zaczęło się gdy...

W 1906 roku Ernst F. W. Alexanderson zademonstrował pierwszą falę ciągłą i transmisję sygnałów radiowych. To osiągnięcie dało początek nowoczesnej komunikacji radiowej.

 

Rok 1922 jest uważany za rok narodzin radaru, który wysyła fale radiowe w celu wykrywania i lokalizowania obiektu poprzez odbicie fal radiowych. W wyniku kombinacji technologii transmisji radiowej i radaru powstała koncepcja radiowej identyfikacji RFID. Geneza pomysłu zrodziła się Pomysł zrodził się w umyśle naukowca Harry'ego Stockmana, prowadzącego w latach czterdziestych ubiegłego stulecia prace w zakresie komunikacji za pomocą odbitej mocy. Wkrótce pojawiły się pierwsze urządzenia wykorzystujące rozważa przemyślenia Stockmana, które pracowały na bazie wykrywacza metali.

W latach pięćdziesiątych prowadzono prace związane z technologią RFID w zakresie systemu identyfikacji „przyjaciel czy wróg" (IFF - ang.: identify friend or foe) dla samolotów. W kolejnym dziesięcioleciu zaczęły już funkcjonować pierwsze sklepowe systemy antykradzieżowe, w których stosowano dekodowanie nalepki z obwodem rezonansowym lub systemy magnetoakustyczne wykorzystujące namagnesowane blaszki.

Był to okres wielu osiągnięć, które umożliwiły rozwój współczesnych systemów RFID. Warto wspomnieć m.in. o zdalnym aktywowaniu urządzeń za pomocą częstotliwości radiowych (Robert Richardson), komunikacji wiązką radarową (Otto Rittenback), biernych technikach transmisji danych wykorzystujących wiązkę radarową (J.H. Vogelman) oraz nasłuchująco-odpowiadającym systemie identyfikacji (J.P. Vinding).

Musiało minąć trzydzieści lat, zanim wizja Stockmana zaczęła się urzeczywistniać. Potrzebne były inne osiągnięcia: tranzystor, układ scalony, mikroprocesor, rozwój sieci komunikacyjnych, przemiany społeczne etc. Pełna identyfikacja radiowa pojawiła się w latach siedemdziesiątych, a pierwszym systemem ogólnie dostępnym był Tiris firmy Texas Instruments (Texas Instruments Registration and Identification System).

Producenci, wynalazcy, przedsiębiorstwa, instytucje uniwersyteckie i laboratoria rządowe aktywnie pracowały nad RFID. Znaczny postęp uzyskano między innymi w Los Alamos Scientific Laboratories, na Uniwersytecie Northwestern, czy w Microwave Institute Foundation w Szwecji. Wczesnym i ważnym osiągnięciem była praca zaprezentowana przez Alfreda Koelle, Stevena Deppa i Roberta Freymana „Telemetria o krótkim zasięgu do elektronicznej identyfikacji, używająca modulowanego rozproszenia wstecznego" Telemetria o krótkim zasięgu do elektronicznej identyfikacji, używająca modulowanego rozproszenia wstecznego z 1975 roku.

Technologię RFID rozwijały również duże koncerny, na przykład Raytheon, Fairchild, RCA. Dzięki ich współzawodnictwu powstały: system elektronicznej identyfikacji (1975 r.), elektroniczna tablica rejestracyjna dla pojazdów mechanicznych (1977 r.), biernie kodujący transponder mikrofalowy (1978 r.).W tamtych latach rozwój RFID stymulowało zapotrzebowanie na zdalne tropienie zwierząt i pojazdów oraz automatyzację fabryk. Przykładowo: do znakowania zwierząt wykorzystywano mikrofalowe systemy w Los Alamos oraz indukcyjne systemy w Europie.

Lata osiemdziesiąte stały się dekadą pełnego wprowadzenia technologii RFID w transporcie i kontroli dostępu. Prowadzono także testy RFID przy dokonywaniu  elektronicznych opłat, a pierwsze komercyjne zastosowanie wprowadzono miało miejsce w Europie w 1987 roku w Norwegii oraz, w tym samym czasie, w Ameryce ,-  w autobusach jeżdżących przez tunel Lincolna. Pierwsza autostrada z elektronicznym pobieraniem opłat została otwarta w Oklahomie w 1991 roku. Pojazdy mogły przejeżdżać przez punkty pobierania opłat z dużą prędkością, nie będąc zatrzymywanymi przez bramki płatnicze. Pierwszy na świecie system łączący pobór opłat i zarządzanie ruchem drogowym został zainstalowany na obszarze Houston przez Harris County Toll Road Authority w 1992 roku.

Dzisiaj RFID jest technologią, której stosowanie jest powszechne w wielu dziedzinach naszego życia. Dynamiczny rozwój gospodarki światowej generuje duże zapotrzebowanie na systemy automatycznej identyfikacji. Systemy RFID jeszcze przez długie dziesięciolecia będą nam towarzyszyć w logistyce, kontroli dostępu, dokumentach, paszportach i innych zastosowaniach.

Systemy RFID

Systemy automatycznej identyfikacji radiowej mogą być rozbudowanymi systemami informatycznymi, jak również systemami prostymi, składającymi się z zaledwie kilku elementów. Każdy system RFID, bez względu na stopień złożoności, zawiera następujące elementy:

- identyfikator (tag, transponder, etykieta),

- czytnik,

- oprogramowanie systemowe.

 

Identyfikator RFID zbudowany jest z układu elektronicznego z pamięcią oraz miniaturowej anteny. Pojemność pamięci identyfikatora wynosi od kilkudziesięciu do kilku tysięcy bitów. Kształt identyfikatora zależy od konkretnego zastosowania. Najczęściej ma on postać prostopadłościanu, krążka czy też karty, wykonanych najczęściej z plastiku. W przypadku kiedy identyfikator ma postać etykiety, układ elektroniczny z anteną zatopiony jest na  w w cienkiej folii.

Wszystkie identyfikatory zawierają układ elektroniczny, który do pracy wymaga dostarczenia odpowiedniej ilości energii. W zależności od sposobu zasilania identyfikatory dzielimy na:

▪ Identyfikatory pasywne - wzbudzane przez fale elektromagnetyczne czytnika, nie posiadają własnego źródła zasilania. Odczyt/zapis identyfikatorów pasywnych może odbywać się przy stosunkowo krótkich odległościach (maksymalnie do kilku metrów). Koszt produkcji jest znacznie niższy niż w przypadku identyfikatorów aktywnych.

▪ Identyfikatory aktywne - posiadają własne źródło zasilania (baterię) co pozwala na osiągnięcie znacznie większej mocy sygnału transmitowanego z identyfikatora. Ich okres żywotności wynosi - w zależności od trwałości baterii - do pięciu lat. Ich zasięg nadawania wynosi do 100 m, jednakże w porównaniu do identyfikatorów pasywnych są znacznie droższe, a ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na mniejszy zakres temperatur pracy oraz większy rozmiar.

Pierwsze identyfikatory nie umożliwiały zmiany zapisanej przez ich producenta informacji. Obecnie niektóre ich typy umożliwiają taką zmianę, co znacznie rozszerza spektrum ich zastosowań. Możemy zatem wyróżnić:

▪ identyfikatory typu R/O (ang. Read/Only) - dane (numer seryjny identyfikatora) są zapisywane w procesie produkcji i nie ma możliwości ich zmiany, jak również zapisu dodatkowych danych,

▪ identyfikatory typu WORM (ang. Write Once Read Many Times) - możliwy jest jednorazowy zapis danych przez użytkownika, bez możliwości zmiany numeru seryjnego,

▪ identyfikatory typu R/W (ang. Read/Write) - można dokonywać wielokrotnego zapisu i odczytu danych, jednak bez możliwości zmiany numeru seryjnego.

Czytnik RFID (dekoder) jest urządzeniem elektronicznym zaopatrzonym w antenę nadawczo-odbiorczą, za pomocą której wysyła lub odbiera wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, zapisując lub odczytując w ten sposób dane. Transmisja pomiędzy czytnikiem a identyfikatorem odbywa się w kilku etapach. Najważniejsze z nich to:

▪ Etap 1 - czytnik wysyła wiązkę fali radiowej, w identyfikatorze wzbudza się prąd indukcyjny, który zasila układ elektroniczny identyfikatora,

▪ Etap 2 - naładowany identyfikator wysyła zwrotnie do czytnika swój unikatowy kod nadany przez producenta lub też dane zapisane wcześniej przez użytkownika,

▪ Etap 3 - występuje wtedy, gdy jeśli  chcemy zapisać dane do identyfikatora w identyfikatorze.

W rzeczywistości komunikacja przebiega w nieco bardziej złożony sposób. Wykorzystywane są odpowiednie algorytmy kontroli poprawności odczytu/zapisu danych, a także algorytmy weryfikacyjne, zabezpieczające dane przed nieuprawnionym dostępem lub modyfikacją.

Czytniki występują w postaci urządzeń przenośnych, najczęściej zintegrowanych z terminalem i (lub) drukarką etykiet, jak również jako urządzenia stacjonarne, przeznaczone do zabudowy (linie produkcyjne, bramki przy wjeździe do magazynu, bezpośrednio na wózkach widłowych).

Oprogramowanie systemowe odpowiada za fizyczną stronę transmisji (oprogramowanie komunikacyjne) oraz za wymianę, gromadzenie i przetwarzanie danych (oprogramowanie użytkowe). Aplikacje systemu RFID mogą pracować po części na czytniku (w zależności od możliwości samego czytnika), a po części na serwerze - terminalu współpracującym z czytnikiem.

Technologie RFID

Działanie i parametry funkcjonalne urządzeń RFID są mocno uzależnione od zjawisk związanych propagacją fal radiowych. Nie istnieje jedna, idealna do wszystkich zastosowań technologia RFID (częstotliwość). Dlatego też systemy RFID rozwinęły się w trzech pasmach częstotliwości (tabela 1):

 

Technologia LF powstała jako jedna z pierwszych i jest używana głównie w systemach kontroli dostępu, rejestracji czasu pracy, biletowych, identyfikacji zwierząt itp. Typowy zasięg odczytu/zapisu wynosi około 50 cm. Nie ma możliwości odczytu wielu identyfikatorów jednocześnie. Identyfikatory najczęściej mają postać pastylek, krążków, plastikowych kart. Obecnie nie prowadzi się intensywnych prac nad rozwojem tej technologii.

Technologia HF umożliwia odczyt wielu identyfikatorów równocześnie, pod warunkiem, że zachowana jest wymagana minimalna odległość sąsiadujących ze sobą identyfikatorów, wynosząca 2-3 cm. Identyfikatory występują najczęściej w postaci etykiet naklejanych na opakowania. Technologia ta jest wykorzystywana do identyfikacji bagażu na lotnisku, książek w bibliotekach (tylko w kilku bibliotekach na świecie), odzieży w pralniach przemysłowych itp., jednak z powodu małych odległości odczytu, jakie można uzyskać w tym paśmie częstotliwości (maksymalnie 1,5 metra przy dużych antenach), nie znalazła szerszego zastosowania w logistyce.

Technologia RFID w paśmie UHF zapewnia największy zasięg spośród wszystkich częstotliwości dostępnych dla identyfikatorów pasywnych. Jest najbardziej optymalna do zastosowań w logistyce, przy zarządzaniu łańcuchem dostaw. Z tego też powodu prace nad rozwojem RFID skupiły się szczególnie na tym paśmie częstotliwości. Zasięg odczytu wynosi do 6 sześciu metrów w USA. W Europie, z uwagi na mniejsze dopuszczalne moce, zasięg ten jest mniejszy i oscyluje w granicach 2-3 m.

Pasmo mikrofalowe 2,4-5,0 GHz jest wykorzystywane przede wszystkim przez identyfikatory aktywne. Zapewnia duże odległości (ponad 10 m), umożliwiając odczyt danych z obiektów poruszających się z dużą prędkością (powyżej 100 km/h), co jest niemożliwe w technologiach LF i HF. Technologia RFID w paśmie mikrofalowym stosowana jest głównie do identyfikacji i rejestracji obiektów szybko poruszających się (np. w zarządzaniu komunikacją miejską, do rejestracji przejazdu wagonów kolejowych itp.)

Zasada działania

Sposób działania identyfikatorów uzależniony jest od częstotliwości ich pracy. Identyfikatory pasywne, pracujące na częstotliwości do 100 MHz, wykorzystują do zasilania ogólnie znane zjawisko indukcji elektromagnetycznej, powszechnie wykorzystywane w transformatorach energetycznych. Zmienne pole elektromagnetyczne wytworzone w czytniku powoduje wyindukowanie się siły elektromotorycznej w cewce identyfikatora, która wymusza przepływ prądu elektrycznego. Energia uzyskana w ten sposób jest magazynowana w kondensatorze. Gdy już jest odpowiednia jej ilość, następuje zasilenie układu elektronicznego identyfikatora, który wysyła dane do czytnika poprzez zasilanie cewki (anteny). Można zatem powiedzieć, że komunikacja pomiędzy czytnikiem a identyfikatorem odbywa się dzięki zmianie parametrów pola magnetycznego (rys. 2).

Na maksymalną odległość odczytu/zapisu danych ma wpływ przede wszystkim częstotliwość pracy (wzrost częstotliwości powoduje zmniejszenie zasięgu), a także wymiary geometryczne cewki identyfikatora (im większa cewka, tym większy zasięg). Niestety, względy funkcjonalne nie pozwalają na powiększanie zasięgu przez zwiększanie rozmiaru cewki. Dlatego graniczna odległość dla systemów pracujących na częstotliwości 13,56 MHz wynosi około 30 cm.

 

Identyfikatory pasywne wyższych częstotliwości (>100 MHz) nie mogą być zasilane z wykorzystaniem zjawiska indukcji magnetycznej, gdyż zasięgi odczytu byłyby niesatysfakcjonujące, dlatego też do zasilenia układu elektronicznego identyfikatora wykorzystuje się w tym przypadku zjawisko przechwytywania energii z odbieranego sygnału, podobnie jak to miało miejsce w dawnych radiach kryształkowych. Przesył danych jest możliwy dzięki wykorzystaniu zjawiska rozproszenia wstecznego fali radiowej. Identyfikator, poprzez zmianę (według określonego wzorca) parametrów impedancyjnych anteny, odbija część fali z powrotem w kierunku czytnika. W ten sposób następuje wymiana danych (rys. 3). Odległości graniczne, jakie uzyskano przy w systemach wykorzystujących powyższe zjawiska fizyczne, oscylują w granicach 10 m.

 

W zależności od producenta stosowane są różne częstotliwości, sposoby modulacji sygnału oraz rodzaje fal. Do trzech podstawowych technik modulacji stosowanych w systemach RFID należą:

- modulacja amplitudy AM (ang. Amplitude Modulation) - stosowana w identyfikatorach pasywnych działających na w częstotliwości <poniżej 100MHz,

- modulacja fazy PM (ang. Phase Modulation) - stosowana w identyfikatorach pasywnych działających na w częstotliwości >powyżej 100MHz,

- modulacja częstotliwości FM (ang. Frequency Modulation).

Przedstawione w artykule ogólne wiadomości z zakresu historii i zasad działania RFID stanowią zaledwie wstęp do bardziej szczegółowych rozważań dotyczących zastosowań, a przede wszystkim zagrożeń, z jakimi możemy mieć do czynienia, używając technologii radiowej identyfikacji.

 

Przemysław Mierzwiak

Instytut Inżynierii Systemów Bezpieczeństwa

 

Literatura

1. Klaus Finkenzeller, RFID Handbook, John Wiley & Sons Ltd., 2003

2. AIM Inc. The History of RFID, Publication 2001

3. Michał Grabia, Zasada działania technologii RFID, www.e-fakty.pl, 5/2006

4. www.skk.com.pl

Zabezpieczenia 6/2007

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony