Текст книги "RFID-технологии на службе вашего бизнеса"

Историки и эксперты в области технологий в целом разделяют тезис о том, что от создания технологии до ее коммерческого использования проходит от 20 до 30 лет, а через 40–50 лет она достигает вершины развития. Аналогично радио и телевидению, транзисторам и компьютерам RFID-технология в первые 30 лет после создания довольно слабо использовалась. Затем, после затянувшегося инкубационного периода, произошел всплеск, кульминацией которого стали полная коммерциализация RFID и соответствующие изменения в жизни миллионов людей по всему миру. Теперь RFID находится на грани очередного заметного эволюционного поворота, который снова изменит образ жизни граждан и деятельность корпораций в мировом масштабе[11]11
  Первый толчок к распространению RFID – это появление действительно общепринятых и распространенных в мире стандартов взаимодействия считывателей и меток. Благодаря этому радиометки от разных поставщиков могут быть считаны ридерами разных производителей. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

В истории известно также немало примеров того, что новые примеры творческого применения технологий, в том числе и RFID, возникают, когда спрос на их внедрение начинает диктоваться экономическими причинами. Во время войны жизненно необходимой была технически реализованная к тому моменту система опознавания «свой – чужой». Спустя 20 лет аналогичные технологии стали использоваться в системах управления воздушным движением. Сегодня стимулом к разработке и внедрению новых RFID-приложений явились удобство, экономическая выгода и перспективы межсистемных взаимодействий.

Хотя технология, положенная в основу RFID, существует уже с тех пор, как на заре XX века Маркони изобрел радио, мы лишь недавно в полной мере задействовали потенциал ее приложений. Начало XXI века стало точкой роста RFID-систем, так что сейчас мы входим в новую волну инноваций в деле использования RFID, которая изменит нашу повседневную жизнь еще больше.

Оставшаяся часть книги будет посвящена обсуждению элементов, необходимых для успешного создания и внедрения RFID-приложений. Детальное описание самых распространенных компонентов, используемых при каждом развертывании RFID, откроет следующую главу.

3. Компоненты RFID-систем

Пять вопросов, на которые ответит эта глава

• Каким образом работают системы RFID?

• Какие типы радиометок бывают?

• Что влияет на размер метки?

• Зачем нужно выбирать рабочую частоту связи?

• Какова цель использования межплатформенного (связующего) ПО?

В этой главе мы заложим основы успешного планирования RFID-решений, для чего в общих чертах опишем функции самых распространенных компонентов, используемых при внедрении приложений на базе RFID. Мы расскажем о компонентах RFID-систем, необходимых для построения решений в широком диапазоне – от самых простых до сложных, изучим их функции, узнаем о преимуществах и ограничениях в работе. И хотя для понимания того, как может быть спроектирована RFID-система, не требуется знать все технические детали, представить себе порядок взаимодействия различных частей системы, образующих прикладное решение, будет все же полезно.

В связи с большим интересом к внедрению RFID в приложениях, используемых в цепочках поставок, мы обсудим также важнейшие компоненты, необходимые для этого по стандартам организации EPCglobal.

Эта глава, в частности, содержит:

• Обзор основ устройства радиочастотного оборудования и базовых физических принципов, на которых строится технология,

• Описание методов связи и обмена данными между программными и аппаратными компонентами RFID-систем, включая взаимодействие между существующими и новыми приложениями,

• Общее функциональное описание EPCglobal Network – набора компонентов, дающих возможность создавать RFID-системы, соответствующие стандартам EPCglobal.

Коротко говоря, радиочастотная идентификация заключается в обнаружении и идентификации помеченного объекта по данным, которые пересылает[12]12
  Вернее, данные об объекте посылает в ответ на запрос считывателя радиометка, которая данный предмет маркирует. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] этот объект. Для RFID требуется метка (транспондер), считыватель (ридер) и антенны (устройства связи), размещенные на каждом конце системы. Считыватель обычно подключен к хост-компьютеру или другому устройству, обладающему достаточным «интеллектом» для дальнейшей обработки данных, поступающих с метки, и выработки ответной реакции. Хост-компьютер нередко является частью большой сети предприятия и в ряде случаев имеет подключение к Интернету. Такая базовая архитектурная единица может найти применение во всем спектре решений с использованием RFID, как сложных, так и простых. К примеру, в магазине одежды, где на продаваемые товары крепят радиометки, при обнаружении метки считывателем просто звучит тревожный сигнал. На другом конце «шкалы сложности» находится развитое приложение для поддержки цепочки поставок, в котором обнаружение паллеты с коробками кукурузы, выгружаемой на товарный склад супермаркета, приводит к обновлению сведений о запасах и целому ряду других действий. Производится также обновление данных в финансовой системе организации с целью возможной оплаты выставленных счетов, а сотрудникам склада уходит уведомление о пополнении запасов на полках, производителю – возможно, по Интернету или посредством подключения по EDI-протоколу обмена данными (Electronic Data Interchange) – подтверждение того, что отгруженный им товар был получен.

Один из ключевых элементов функционирования RFID – передача данных в системе. Она осуществляется посредством соединения метки и считывателя с помощью антенн на каждой стороне (т. е. радиосвязи), как показано на рис. 3.1.

^{Рис. 3.1. Связь метки, считывателя и антенны}

Связь радиометка – считыватель в большинстве RFID-систем может быть как электромагнитной (backscatter), так и магнитной (индуктивной). Метод, используемый в конкретной системе, зависит от таких требований, как стоимость, размеры, скорость, дальность считывания и точность. К примеру, дальность считывания в RFID-системах с индуктивной связью обычно невелика и измеряется в дюймах. Системы такого типа используются главным образом в приложениях, где нужен именно малый диапазон, скажем, в контроле доступа. В этом случае метка отключит блокировку дверного замка с RFID, только если ее поднести непосредственно к считывателю; если же мимо этого считывателя у двери по коридору пройдет человек, у которого метка может оказаться в бумажнике или сумке, система это проигнорирует.

Элементом, обеспечивающим связь метки и устройства считывания сигнала, служит антенна. И метка, и считыватель имеют свои антенны.

Другим важным атрибутом системы RFID является рабочая частота связи считывателя и метки. Выбор конкретной частоты зависит от таких требуемых параметров приложения, как скорость, точность, условия среды, а также стандарты и нормативы, которые регламентируют работу данного приложения. Скажем, RFID-приложения для отслеживания животных работают в частотном диапазоне 134.2 кГц, выбранном согласно принятым стандартам и нормативам.

Что такое модуляция с обратным отражением?

В основе одного из распространенных вариантов коммуникации метки и устройства считывания сигнала лежит физический принцип, известный как модуляция с обратным отражением. Во время сеанса связи считыватель посылает сигнал (порцию энергии) метке, которая отвечает, отражая часть этой энергии обратно на считыватель. Добиться такого отражения позволяет находящийся в метке конденсатор или иное устройство – накопитель заряда. Конденсатор заряжается, сохраняя в себе энергию, которую передал считыватель. При отклике метки эта энергия используется для обратной передачи сигнала, конденсатор в процессе этого разряжается.

Хотя идентификация и сбор данных возложены на аппаратные компоненты, за управление и манипулирование данными, пересылаемыми по каналам «метка – считыватель» и «считыватель – компьютер», отвечает программное обеспечение приложения RFID.

Различные компоненты RFID-системы и их взаимосвязь в процессе работы показаны на рис. 3.2.

^{Рис. 3.2. Компоненты RFID-системы}

В следующих разделах мы опишем три общие аппаратные составляющие, которые присутствуют во всех системах RFID, – метки, считыватели и антенны.

Метка, именуемая также транспондером (от слов transmitter – передатчик и responder – ответчик), содержит данные, передаваемые на считыватель, когда тот ведет опрос метки. Самые распространенные на сегодняшний день метки содержат интегральную схему (ИС) с памятью, т. е., по сути, представляют собой микропроцессорный чип (рис. 3.3). Все прочие метки являются безмикросхемными и интегральных схем также не содержат. Безмикросхемные метки наиболее эффективны в тех приложениях, где от них требуется лишь небольшой набор функций, хотя при этом они могут показывать высокую точность и лучшие показатели дальности опознания при возможно меньших затратах, чем их аналоги, содержащие микросхемы. Здесь и до конца книги термин «метка» будет служить для обозначения меток на базе ИС. Если нам нужно будет описать, метки, не содержащие микросхем, мы будем это оговаривать особо.

В процессе опроса метки производится считывание и пересылка данных из ее памяти. При этом метка может совершать как простейшие действия (чтение/запись из памяти/в память), так и иные манипуляции данными. Память метки может быть доступной только для чтения (read-only – RO), однократной записи и многократного считывания (write once-read many, WORM) или допускающей перезапись (read-write – RW). Возможность записи в память, как правило, повышает стоимость метки, но при этом расширяет ее способность выполнять более сложные операции. Вместе с тем в метке, имеющей память только для чтения, отсутствует риск случайной или умышленной перезаписи данных.

<sup>Рис. 3.3. Типичная пассивная метка (слева) и фрагмент схемотехники метки (справа)[13]13
  Фотография микросхемы не соответствует пассивной метке, представленной на рисунке.


[Закрыть] (Фотографии любезно предоставлены Texas Instruments Incorporated (слева) и Celis Semiconductor Corporation (справа))</sup>

Типы меток

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются пассивные метки. Они имеют удобные форм-факторы[14]14
  Вообще-то форм-факторов радиометок очень много. Можно найти метки самой разной конструкции для совершенно различных задач. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] и могут производиться по очень низкой цене, отчасти благодаря тому, что не нуждаются в батарее питания. В метке такого рода используется энергия электромагнитных волн, которые испускает считыватель. На сегодняшний день внедрено немало решений, где применяются пассивные метки, включая системы отслеживания животных, управления активами, промышленной автоматизации, электронного слежения за товарами, а также приложения, обеспечивающие контроль доступа.

Активная метка, в отличие от пассивной, имеет батарею питания, снабжающую ее энергией и позволяющую работать с большей точностью и дальностью считывания, производить более сложный информационный обмен и задействовать более развитый набор возможностей обработки. Благодаря наличию собственного источника такие метки могут передавать данные, не требуя, чтобы считыватель снабжал их энергией (заряжал). Однако из-за наличия батареи активные метки имеют ограниченный срок службы. Один из самых распространенных вариантов их применения – удаленное слежение за высокоценными или дорогостоящими объектами, к примеру, маркировка вооружений и контроль военных поставок по всему миру. Впрочем, активные метки используются и многими коммерческими приложениями, в которых условия среды и потребности самих приложений вынуждают делать выбор в пользу более надежной связи меток и считывателей.

Кейсы[15]15
  «Operation Enduring Freedom/Operation Iraqi Freedom (OEF/OIF)» и «Woolworths, Inc.».


[Закрыть], приведенные в приложении A, служат иллюстрацией того, как одна и та же технология активных радиометок производства Savi Technology нашла военное и (независимо от него) гражданское коммерческое применение при работе в крайне сложных условиях внешней среды.

Существует также класс так называемых полуактивных, или полупассивных, меток (название которых меняется в зависимости от предпочтений производителя). Для питания микросхемы и выполнения элементарных задач метки такого типа пользуются энергией из находящейся в них батареи питания. Однако для «пробуждения» и накопления энергии на передачу данных на считыватель они используют его электромагнитное поле. С 1980-х гг. эта категория меток нашла широкое применение в системах электронного сбора пошлин и платежей. Батареи питания таких меток обычно служат несколько лет, так как энергия расходуется только при активации и пребывании метки в зоне видимости считывателя.

Корпуса меток

Существенную роль в создании RFID-приложений играет корпусировка радиометок. Поскольку метка может потребовать внедрения или крепления на объектах, различных по габаритам, форме и материалу поверхности, корпус, в котором она содержится, в немалой степени определяет ее полезные свойства.

Размеры корпуса метки часто определяются размерами и формой ее антенны. Современные технологии сделали возможным производство гибких радиометок, известных также как смарт-этикетки (smart labels). Работает такая метка как привычная этикетка на клеящейся основе и часто в дополнение к встроенной радиометке содержит отпечатанный традиционный штрих-код.

Смарт-этикетки крепятся на объекты и используются в таких приложениях, как переработка багажа или отслеживание объектов. Среди гибких меток есть даже метки со встроенной батареей. Они называются активными смарт-этикетками (smart active labels, SAL). Подробнее технологию SAL мы обсудим в главе 11.

Помимо этого, метки могут встраиваться в целый ряд прочих объектов, включая:

• пластиковые карты автоматической системы расчетов,

• ключи от автомобиля и брелки для управления доступом,

• стеклянные имплантаты для введения под кожу человека или животных,

• нерастворимые капсулы для введения в желудок животных,

• метки, подшиваемые к этикеткам предметов одежды,

• прочие специализированные типы радиометок для отраслевых приложений.

Объем памяти меток

Память метки – чрезвычайно важный элемент RFID-системы на базе ИС. Правильное планирование и расход памяти могут существенно расширить функциональные возможности приложения. В ряде примеров использования RFID в рамках цепочек поставок, например при отслеживании скота, память метки может изначально хранить уникальный идентификатор объекта. Впоследствии на любом этапе цепочки поставок данные в ней могут обновляться, храниться и считываться. В описанном приложении к таким данным можно отнести: историю болезни животного, количество произведенных телят, дату и место передачи прав собственности, вес на момент продажи и пр.

Конфигурации памяти меток могут серьезно меняться с учетом стоимости и физических требований. В случае EAS (электронного слежения за товарами) метка, по сути, имеет 1 разряд (1 бит) памяти и относительно низкую стоимость по сравнению с метками, в которых емкость памяти больше. Такие метки не содержат уникальных идентификаторов и служат лишь для того, чтобы сигнализировать о своем присутствии при попадании в поле, которое контролирует считыватель. Если не брать в расчет 1-битовые метки, то обычно объем памяти может меняться от 16 бит до сотен килобит для ряда активных меток. Размер памяти, имеющейся на метке, определяется потребностями приложения и/или соответствующими стандартами или нормативными документами. Так, благодаря ожидаемому принятию стандартов EPCglobal по всему миру объем памяти пассивных меток следующих поколений составит 2 килобита и даже больше.

Сводная информация о параметрах меток и сравнение их характеристик приведены в таблице 3.1.

_{Таблица 3.1. Параметры и характеристики меток}

Безмикросхемные (бесчиповые) метки

Новая технология радиочастотной идентификации, обеспечивающая распознавание без использования микросхем, может способствовать распространению RFID на еще большее количество приложений. Безмикросхемные метки – пассивные, поэтому лишены части возможностей, присущих наделенным памятью меткам на базе ИС. Однако они способны повысить производительность приложений другими путями. Говоря простыми словами, большая часть технологий «без микросхем» основана на идее создания на поверхности различных отражающих материалов уникального кодового шаблона. Позднее такой шаблон становится той информацией, которая в форме радиосигнала отражается на специально созданный считыватель. Единственное, для чего безмикросхемным меткам требуется энергия, – это передача радиоволн. В них нет микросхемы, для которой нужна дополнительная энергия и без которой не могут работать метки на базе ИС. И хотя принципы работы безмикросхемных меток выходят за рамки этой книги, важно отметить те значимые преимущества, которые они могут дать:

• бо́льшую точность при чтении меток вблизи металлов и жидкостей,

• более эффективную защиту от радиочастотной интерференции,

• повышенную дальность считывания сигнала,

• работоспособность при экстремальных температурах,

• возможность незаметного включения в бумажные документы,

• более низкую цену в расчете на метку.

Отметим, что эти свойства присущи не всем безмикросхемным технологиям меток, однако они показывают диапазон возможностей различных безмикросхемных решений.

Безмикросхемные метки появились на этикетках продуктов, документах и упаковке. По мнению разработчиков технологии, рынком сбыта для таких меток должны стать медицинские, фармацевтические компании, производители потребительской упаковки, а также организации и агентства, которые работают с интеллектуальной собственностью и секретной информацией, ценными бумагами и банкнотами.

Сенсорные метки

Сенсорные метки дают возможность контроля, замера и регистрации различных условий окружающей среды. Идея весьма проста. Датчик объединяется в одном корпусе с меткой, взаимодействующей с ним и регистрирующей тот показатель, для мониторинга которого датчик и предназначен. Однако реализация описанной технологии может оказаться проблематичной, если приложение требует пассивных сенсорных меток. Во-первых, это означает, что датчик не получит энергии, пока метка находится вне поля зрения считывателя, а во-вторых, даже когда считыватель попадет в диапазон дальности метки, самой энергии окажется чересчур мало. Перечень самых интересных сенсорных меток, существующих на сегодняшний день или находящихся в разработке, включает метки, способные обнаруживать, записывать и передавать изменения атмосферного давления, температуры, объема жидкости либо присутствие химических или бактериальных агентов. Существуют также метки для обнаружения действий, ведущих к порче продуктов, их помещают туда в процессе изготовления.

Считывающее устройство, или считыватель (reader) – это запросчик, устройство, которое ведет сбор и обработку данных, поступающих с меток (рис. 3.4). И хотя многие считывающие устройств способны также вести запись данных на метки, их по-прежнему называют «считывателями». Помимо прочего, считыватель отвечает и за интерфейс с хост-компьютером. Типичные функции считывателей мы обсудим в следующих разделах главы.

^{Рис. 3.4. Два типичных пассивных считывателя RFID (фотографии любезно предоставлены Alien Technology Corporation (слева) и Texas Instruments Incorporated (справа))}

Энергоснабжение меток

При работе с пассивными или полуактивными метками считыватель обеспечивает энергией метки, попадающие в его электромагнитное поле. Эта энергия необходима для активации или энергоснабжения метки, Дальность действия поля зависит главным образом от размеров имеющейся у обеих сторон антенн, а также от мощности радиосигнала считывателя. Размер антенны зависит в основном от потребностей приложений. Однако мощность радиосигнала, определяющая интенсивность и зону действия электромагнитного поля, обычно ограничивается нормативно. В каждой стране есть свой набор стандартов и нормативов, регламентирующих мощность электромагнитных волн на конкретных частотах. Поэтому RFID-системы производства различных стран бывают несовместимы. Стандарты и их влияние на практику внедрения RFID-приложений мы подробно обсудим в главе 4.

Выбор частоты связи

Одной из самых важных характеристик соединения, в котором участвуют метка и считыватель, являются частоты, на которых ведется радиосвязь. Рабочая частота связи может зависеть от приложения, стандартов и требований закона. Чаще других в RFID используются следующие диапазоны: для низких частот (НЧ) – до 135 кГц, высоких частот (ВЧ) – 13,56 МГц, сверхвысоких частот (СВЧ) – более 433 МГц, для микроволнового излучения – 2,45 ГГц и 5,8 ГГц. Как правило, частоты определяют скорость передачи данных между меткой и считывателем. Чем ниже частота связи, тем меньше скорость. Однако при проектировании RFID-решений учитывают не только скорость. Значительную роль в выборе оптимальной рабочей частоты связи для конкретного приложения могут сыграть окружающие условия. Например, интерференцию СВЧ-волн и микроволнового излучения могут вызвать, соответственно, материал, к которому прикреплены метки (например, банки с газированной водой), или присутствие других источников радиоизлучения (таких, как радиотелефон или СВЧ-печь).

Как правило, более высокая частота – это меньшие габариты антенн, более компактные метки и большая дальность связи, но ее использование обычно связано с более строгими ограничениями и зачастую более высокой стоимостью. Самые популярные диапазоны частот с характеристиками, а также типичными примерами практического использования приведены в табл. 3.2.

_{Таблица 3.2. Параметры и сферы использования самых востребованных частотных диапазонов в RFID}

Чтение информации с метки

Неудивительно, что самая распространенная задача, решаемая устройством считывания сигнала, – это чтение данных, которые хранятся на метке. Для обеспечения надлежащей надежности, безопасности и скорости этого процесса требуются сложные программные алгоритмы. Программное обеспечение, необходимое для достижения указанных целей, мы обсудим ниже в этой главе.

Запись данных на метку

В RFID-системах с возможностью записи считыватель способен выполнять двоякую функцию: считывать информацию и осуществлять запись данных на метки, что может быть крайне полезно по следующим причинам.

• Метки могут производиться крупными сериями без внесения в память каких-либо данных. При этом считыватель может служить для начальной установки памяти меток с учетом потребностей приложений. К примеру, на метку может записываться уникальный идентификационный номер, назначенный изготовителем для конкретного продукта перед прикреплением метки к упаковке этого продукта.

• Используя метки с возможностью чтения-записи, данные можно менять, добавлять новые и даже удалять старые, причем в любое время на протяжении всего жизненного цикла изделий.

Связь с хост-компьютером

Считыватель отвечает также за транспортировку данных между метками и хост-компьютером, связь с которым обычно осуществляется через последовательный порт или сеть Ethernet. Считыватель, особенно если он переносной или портативный, может быть также оборудован для поддержания связи с хост-компьютером – через беспроводное соединение. К детальному обсуждению программного интерфейса устройства считывания и хост-компьютера мы еще вернемся в этой главе.

Что такое смарт-этикетки?

Смарт-этикетки – распространенный термин, часто используемый в сфере производства и продажи упакованных потребительских продуктов. Это понятие относится к применению интеллектуальных этикеток на коробках или паллетах, отгружаемых такими производителями потребительских товаров, как Gillette или Procter & Gamble, сетям рознич-ных магазинов, например Wal-Mart и Metro Group. Процесс установки смарт-этикетки включает одновременную печать на ней информации в виде штрих-кода и кодирование ее радиометки с целью однозначной идентификации коробки или паллеты. Решить такую задачу можно с помощью сложных устройств считывания-печати, именуемых принтерами-кодировщиками. Эти принтеры автоматически наносят смарт-этикетки при прохождении коробок с товарами по конвейеру или их загрузке на паллеты.