RFID – Rádiófrekvenciás azonosítás: Az RFID chip technológia egyszerű kifejezésekkel
A gyors és egyszerű azonosítás manapság számos területen rendkívül fontos kérdés. Ennek köszönhetően csak az arra feljogosított személyek léphetnek be bizonyos irodahelyiségekbe vagy termelési helyiségekbe. A megbízható hozzáférés-ellenőrzés és jogosultság érdekében az ún RFID chipeket használnak.
Az RFID technológia sokkal szélesebb lehetőségeket kínál. Használható cikkek vagy termékek megjelölésére, ami megakadályozza, hogy a kifizetetlen árukat észrevétlenül kivegyék az üzletből. Az RFID technológia az autóiparban is népszerű, például a hatékony lopás elleni védelem vagy a gyártási folyamatok optimalizálása miatt. Az RFID rendszereket az állatok azonosítására is használják. Ennek köszönhetően, ha elveszett kutyákat vagy macskákat találnak, gyorsan azonosítható a gazdája.
Az RFID kifejezés az angolból származik, és a Radio-Frequency-Identification rövidítése. Lazán fordítva ez a kifejezés "rádióazonosítást" jelent. Tehát az észlelés elektromágneses hullámok segítségével működik.
A releváns adatok vezeték nélkül kerülnek átvitelre ebben a folyamatban, így nincs szükség közvetlen érintkezésre, mint például a memóriakártya olvasásakor.
Az érintésmentes technológia számos folyamat egyszerűbb és olcsóbb megvalósítását teszi lehetővé az iparban, a kiskereskedelemben és a logisztikában.
Az RFID technológia hatékony használatához különféle hardverelemekre van szükség.
RFID olvasó
Az RFID rendszer szíve egy RFID olvasó, amely egy vagy több RFID transzpondert támogat. Az olvasó helyhez kötötten is felszerelhető, például elektromos ajtónyitóban vagy forgókeresztben kapcsolási funkció végrehajtására.
Szükség esetén az elmentett hozzáférési adatok, beleértve a dátumokat és időket is, belső adatbázison vagy külső csatlakoztatott rendszeren (PC) keresztül lementhetők, naplózhatók és tovább feldolgozhatók. Vannak azonban olyan mobil RFID-olvasók is, amelyek a transzponderből olvasott információkat jelenítik meg a kijelzőn. Néha RFID-leolvasó eszközöket is használnak a szükséges adatok RFID transzponderekhez való továbbítására.
Transzponder
A transzponder kifejezés a „transmit” (amely átvitelt jelent) és a „respond” (azaz válasz) szavak kombinációja. Az RFID transzponderek pedig pontosan ezt teszik: válaszként továbbítják a bennük tárolt információkat.
A transzponder tehát egy mobil adathordozó. Ezt "RFID-címkének", vagy köznyelvben "RFID-chipnek", vagy egyszerűen csak "chipnek" is nevezik. A transzponder kapacitása a céljától függ. Egyszerű rendszerek esetén elég néhány bájt. Bonyolultabb rendszerekben azonban a transzpondermemória 100 kB vagy több is lehet.
A memóriakapacitáshoz hasonlóan a kialakítás is a tervezett felhasználástól függ. Az RFID-címkék vagy transzponderek memóriakártyák, EC-kártyák, kulcstartók, kábelkötegelők, öntapadó RFID-címkék (intelligens címkék vagy RFID-címkék) és akár rizsszem méretű minták formájában is kaphatók. Utóbbi RFID-címkéket kutyák, macskák és akár állatkerti állatok bőre alá is be lehet ültetni az állatok azonosítására.
Az RFID-rendszerek működésének megértéséhez először részletesebben kell elemeznie a különböző komponensek funkcióit és az egyes olvasási szakaszokat.
Az RFID olvasó funkciója
Az olvasó egy rádiófrekvenciás modul és egy RFID antenna (tekercs) segítségével váltakozó elektromágneses mezőt hoz létre. Az erre a célra használt frekvenciák nemzetközi szinten változnak.
Európában a 125 kHz-et és a 135 kHz-et részesítik előnyben a hosszú hullámú (alacsony frekvencia) tartományban.
A rövidhullámú (nagyfrekvenciás) sáv használata esetén az RFID-rendszerek 13,56 MHz-es frekvencián működnek.
A 868 MHz-es frekvenciák az UHF (Ultra High Frequency) sávban érhetők el.
Az SHF (Super High Frequency) 2,45 GHz-es és 5,8 GHz-es tartományban még magasabb frekvenciákat használnak a különféle díjbeszedési rendszerekben.
A frekvencia növelésével nő az olvasási sebesség és ezzel az olvasható adatok mennyisége is. A leolvasási távolságok azonban a különböző RFID-frekvenciáktól és működési módoktól függően is változhatnak, 1 cm-től 30 m-ig, vagy még tovább.
Az RFID transzponder funkciója
A passzív transzponder (lásd a vázlatot) alapvetően egy memóriachip (1), amely tekerccsel (2) és kondenzátorral (3) van felszerelve. A szakértők a tekercs és a kondenzátor csatlakoztatását mindig rezonáns áramkörnek nevezik. A tekercs induktivitása és a kondenzátorok kapacitása határozza meg azt a rezonanciafrekvenciát, amelyen az áramkör működik vagy oszcillál. A transzpondertekercs az RFID-olvasóban lévő rendszer tápellátására és adatcseréjére szolgál.
A passzív transzponderekkel ellentétben, amelyek nem rendelkeznek saját energiaforrással, az aktív transzponder saját tápegységgel rendelkezik akkumulátor formájában, mely csak az olvasási folyamat során aktiválódik.
A félpasszív transzpondereknek is van energiaforrásuk, de ez csak a mikroprocesszor táplálására szolgál. A passzív transzponderekhez hasonlóan az olvasó által továbbított energiát használják fel a tárolt adatok továbbítására.
Az RFID transzponder felismerése
Ha a transzponder ki van téve az RFID-olvasó elektromágneses terének, a transzponder rezonanciaáramköre a rezonanciafrekvenciáján oszcillálni kezd. Ily módon a transzponder az induktív csatolás révén váltakozó mágneses térből vesz fel energiát. A passzív RFID transzponder ezt az energiát használja fel áramellátásra.
Ugyanakkor a váltakozó mezőben bekövetkező energiacsökkenés hatására az olvasó felismeri a transzpondert és letölti az adatait. Ez a folyamat a másodperc néhány töredékét veszi csak igénybe.
Mivel a passzív transzponderek sokkal több energiát igényelnek az olvasótól, mint az aktív transzponderek, a térerősségnek elég nagynak kell lennie, vagy az olvasó tekercsétől való távolságnak viszonylag kicsinek kell lennie.
RFID rezonancia frekvencia
Ahhoz, hogy az RFID-olvasó felismerje a transzpondert, a váltakozó mágneses térnek aktívan gerjesztenie kell a transzponderben lévő oszcillációs áramkört. Ez csak akkor lehetséges, ha mindkét rendszer ugyanazon a frekvencián működik. A transzponderek azonban elkerülhetetlenül némileg eltérő rezonanciafrekvenciákkal rendelkeznek a gyártási tűrések miatt. Ezért az olvasók átviteli frekvenciája nem állandó. Ehelyett egy frekvenciatartományt használnak, amelyen az átviteli frekvencia folyamatosan halad. Ez biztosítja a rendszerhez tartozó összes transzponder megbízható felismerését.
RFID adatátvitel
Az adatátvitel nem jelent problémát az 1 bites transzpondereknél, amelyeket például árucikkek megfigyelésére használnak. Ennek az az oka, hogy csak egy igen/nem állítás kerül továbbításra. Ha több adatot kell átvinni, három különböző módszert alkalmazunk:
Full-duplex (FDX):
Az adatok egyidejűleg mindkét irányba továbbíthatók. Az olvasó biztosítja a folyamatos jelátvitelt a transzponder felé. Ez az adatátviteli mód a telefonáláshoz hasonlítható, amelyen egyszerre beszél és hallgat.
Félduplex (HDX):
Az adatok továbbítása mindkét irányban felváltva történik. Ennek a módszernek köszönhetően az olvasó a folyamatos jelátvitelt is biztosítja. Hasonló a kaputelefon-rendszerekhez, vagy a kétirányú rádiókhoz, ahol éppen beszélhet vagy hallgathat.
Szekvenciális módszer (SEQ):
A teljes duplex és félduplex módszerekkel ellentétben a szekvenciális módszer gyors sebességgel kapcsolja ki és be az adatátvitelt (impulzus üzemmód). Az adatátvitel a HF transzponderről az olvasóra mindig az impulzus szünetekben történik.
Az adatátvitelt az olvasótól a transzponderig "lefelé mutató nyíl" jelzi. A transzpondertől az olvasó felé történő adatátvitelt "uplink"-nek nevezik.
RFID hatótáv növelők
Ahogy már említettük, az RFID-rendszerek néha meglehetősen nagy, 30 méteres hatótávolságot is elérhetnek, bár elméletileg ennél magasabb értékek is lehetségesek. A térerősség és a transzponder típusa (passzív, félpasszív vagy aktív) mellett a különböző átvitelitartományok a csatlakozási módtól is függnek.
Close Coupling
Ezzel a módszerrel körülbelül 1-2 cm-es tartományt érhet el a 30 MHz-ig terjedő frekvenciatartományban. A transzponder és az olvasó közötti szoros kapcsolat miatt alacsony térerősség is elegendő. A rövidebb hatótávolság a biztonsággal kapcsolatos adatok, például a hozzáférési engedélyek ellenőrzésekor is előnyt jelent. A csatolás lehet induktív vagy kapacitív.
Remote Coupling
A Remote Coupling rendszer az egyik leggyakrabban használt RFID-alkalmazás. A passzív transzponderek az olvasóval való induktív csatoláson alapulnak. Az elért hatótávolság az olvasók maximálisan megengedett átviteli teljesítményétől függ, és körülbelül 1-3 méter. A távkapcsolathoz használt frekvenciák általában az alsó, 100-135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz és 27,125 MHz közötti frekvenciatartományba esnek.
Long Range Coupling
A Long Ranges rendszer 3 méteres hatótávolságot biztosít passzív transzponderekkel. Aktív transzponderek esetében a hatótávolság körülbelül 30 m vagy több. Erre a célra a 434 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz vagy 5,8 GHz tartományba eső magas frekvenciákat használnak. A nagy hatótáv és a viszonylag gyors adatátvitel miatt ezek a rendszerek ideálisak többek között az elektronikus útdíjbeszedésre.
Megjegyzés:
Néhány aktív transzponder eltérő frekvencián működik az olvasási folyamat során. Míg az olvasóba való bejelentkezéshez a 135 kHz-es frekvenciát használják, addig az ezt követő adatátvitel 2,4 GHz-en történik. Ezt a funkciót azonban az olvasónak is támogatnia kell.
Az RFID-megoldások és az RFID-tervezések egyre gyakoribbak az Ipar 4.0-ban, végső soron az egyes alapvető előnyök kombinációja:
Vezeték nélküli kapcsolat
A rádiókapcsolatnak köszönhetően nincs szükség közvetlen optikai érintkezésre. A szkennelés csomagolóanyagon vagy teherautó-burkolatokon keresztül történhet. Egy raklapon akár több egyedi termék is, amelyek mindegyike saját RFID transzponderrel rendelkezik, egy szkennelési folyamat során észlelhető.
Stabil és megbízható transzponderek
Mivel a passzív transzponderek nem igényelnek saját tápellátást, nem kell aggódni az akkumulátorok miatt. Ez azt jelenti, hogy hosszú távú vagy akár több évtizedes működés is lehetséges. Ezek a transzponderek az ár tekintetében is páratlanok.
Magas rendszerrugalmasság
Az RFID rendszerek tökéletesen illeszthetők az adott feladathoz és a kívánt helyszínhez. A különböző frekvenciák és eltérő kialakítású olvasók és transzponderek használata szinte korlátlan lehetőségeket kínál ezen a területen.
Fokozott biztonság
Mivel a biztonsági szempontból érzékeny adatokat és információkat ma már titkosított formában továbbítják, az RFID-chipeket már nem olyan könnyű megtalálni vagy másolni.
Hatalmas adatmennyiség
A vonalkódokhoz képest a transzponderek sokkal nagyobb adatmennyiséget tudnak szolgáltatni egy globálisan személyre szabott elektronikus termékkódhoz (EPC). További előnye, hogy az adatok informatikai rendszereken keresztül elemezhetők és tovább feldolgozhatók.
Manapság szinte nincs olyan terület, ahol ne használnák az RFID rendszereket. Ettől függetlenül azonban szeretnénk kiemelni néhány fő területet, ahol a rádiótranszponderek már nagyon jól beváltak.
Áruvédelem
Az üzlettulajdonosok óriási problémával küzdenek. Nem minden vásárló fizet a hazavinni kívánt árukért. A termékek biztosítására és a bolti lopások megnehezítésére az ún 1 bites transzpondereket használják. Ezek a viszonylag olcsó adók egyszerű felépítésűek, és formájuk miatt könnyen elrejthetők az árukon. A kilépési területen lévő érzékelők azonnal felismerik, hogy a transzpondert deaktiválták-e a fizetési folyamat során. Ellenkező esetben riasztás indul az üzlet elhagyásakor.
Hozzáférés-szabályozás
Az RFID technológia egyedi lehetőségeket kínál, különösen a hozzáférés-szabályozás területén. Egyedi helyiségek vagy akár egész épületek felügyelhetők és kezelhetők. Az online rendszerekben az olvasók egy központi számítógéphez csatlakoznak, amely rendelkezik a szükséges információkat tartalmazó adatbázissal. Ebben az adatbázisban a transzpondertől függetlenül hozzá lehet rendelni a hozzáférési jogosultságokat. Offline rendszerekben a hozzáférési jogosultságok adatai közvetlenül a transzponderben tárolódnak. A készüléket a központi állomás előre beprogramozza.
Logisztika
Az RFID technológiában rejlő legnagyobb potenciált valószínűleg a logisztikai és raktározási szektorban lehet kihasználni. Bár a vonalkód-leolvasókat még mindig széles körben használják ezen a területen, az RFID technológia egyre népszerűbb. Az érintés nélküli adatrögzítés ugyanis lehetővé teszi a teljes áruszállítások rögzítését különösebb erőfeszítés nélkül.
Ez nagyban megkönnyíti a dolgukat, különösen azoknak az élelmiszer-előállítóknak, akiknek az uniós szabályozás kötelezi termékeik azonosítását.
A szabványosított elektronikus termékkód (EPC) ellenére azonban továbbra is komoly kihívást jelent az áruk követése világszerte, mert a különböző országokban alkalmazott rendszerek és frekvenciák jelentősen eltérnek egymástól, és nem kompatibilisek egymással.
Helyi és távolsági szállítás
Az RFID egyedülálló előnyöket kínál, különösen a helyi tömegközlekedésben. Ha a fizetési folyamat transzponderen keresztül történik, akkor nincs szükség váltás előkészítésére, és a megfelelő összeg automatikusan rögzítésre kerül. A cégeknek nem kell jegyeket nyomtatniuk, az elszámolások gyorsabbak és egyszerűbbek. Az RFID-címkék még a repülőtereken is biztosítják, hogy poggyászát helyesen adják fel.
Rendezvények
Az RFID-rendszereket gyakran többször is használják az események során. A nagy sportesemények, például a FIFA World Cup jegyei RFID transzponderrel vannak felszerelve, amelyen a sorozatszámot tárolják.
Az RFID azonban a sportolók idejének mérésére is használható. Ez nagyon jól látható, ha például a biatlonosok röviddel a cél előtt kiugranak, hogy a lábukon lévő transzponder a lehető leggyorsabban célba érjen (leolvasó antenna).
Az autóversenyzésben az RFID transzponderek segítenek a körök számának, valamint a kör- és szakaszidőknek a pontos rögzítésében. Még a modellezők is profitálnak ebből az okos technológiából.
Orvosi technológia
Az RFID technológia az orvostudományban is egyre népszerűbb. Az alkalmazások közé tartozik az eredeti és a hamisított gyógyszerek megkülönböztetése, a kórházi ágykezelés, a páciens csuklópántjai és a glükózérzékelőkkel ellátott RFID chipek a vércukorszint kényelmes mérésére. A chippel ellátott sebészeti és egyéb orvosi eszközök megakadályozzák, hogy ezek az alkatrészek a műtét során véletlenül a szervezetben maradjanak. A műtő bezárása előtti szkennelés gyors vezérlést biztosít.
Dokumentum kezelés
A dokumentumok, iratok és akták még a digitális korban is elérhetőek papír formában az orvosi rendelőkben és irodákban.
Az öntapadó RFID címkéknek köszönhetően ezeknek a dokumentumoknak és minden más fizikai adathordozónak a kezelése, archiválása és szortírozása egyszerűen szervezhető.
Főleg, ha az olvasók közvetlenül a bútorba vannak beépítve. Az intelligens RFID technológiának köszönhetően még a releváns dokumentumok ellenőrzésére, értékelésére és feldolgozására fordított idő is pontosan rögzíthető és számlázható.
Ez csak néhány példa az RFID-rendszerek alkalmazási körének folyamatosan növekvő változatosságára.
Az RFID és az NFC (Near Field Communication) gyakran ugyanabban az összefüggésben szerepel. Ez annak köszönhető, hogy az NFC-ben működő adó- és vevőrendszerek RFID-protokollokkal is működnek, és néhány centiméteres tartományon belül lehetővé teszik az adatcserét. Még a frekvenciák is azonosak és elérik a 13,56 MHz-et. Van azonban egy egyértelmű különbség: az RFID lényegében egy kérdés-feleletes rendszer. Másrészt az NFC-vel nem csak NFC-címkéket olvashatsz. Ez egy olyan kapcsolódási mód, amelyben két rendszer kommunikál egymással és adatokat vagy képeket cserél. Sok okostelefon már rendelkezik NFC-funkcióval a készpénz nélküli fizetéshez.