Σύνθεση Συστήματος RFID (μέρος 3ο)

Ηλεκτρονική Ετικέτα RFID (E-Tag)

Κάθε αντικείμενο που πρόκειται να ταυτοποιηθεί μέσω ενός RFID συστήματος, πρέπει να φέρει μια RFID ετικέτα, τοποθετημένη στη συσκευασία ή σε οποιοδήποτε τμήμα του. Πρόκειται για μικροσκοπικά, ευπροσάρμοστα κυκλώματα, που τοποθετούνται πάνω σε μια Κεραία (Antenna) και συνδέονται με αυτήν. Ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε εφαρμογής, το υλικό κατασκευής της κεραίας μπορεί να διαφέρει, ενώ ο σκοπός της είναι η αποστολή και λήψη των ραδιοσυχνοτήτων. Ο όγκος των πληροφοριών που μπορεί να αποθηκεύσει εξαρτάται από τον προμηθευτή και την εφαρμογή, αλλά τυπικά μια ετικέτα φέρει όχι περισσότερα από 2KB στοιχείων – αρκετά ώστε να αποθηκεύσει κάποιες βασικές πληροφορίες για το στοιχείο πάνω στο οποίο βρίσκεται. Οι ετικέτες ανάλογα με το εάν διαθέτουν δική τους μπαταρία ή αντλούν ενέργεια από τον αναγνώστη ετικετών για να λειτουργήσουν, διακρίνονται σε ενεργητικές,ημι-παθητικές και παθητικές. Είναι εύκολα κατανοητό ότι οι ενεργητικές ετικέτες αποτελούνται από μεγαλύτερο αριθμό εξαρτημάτων και κατ’ επέκταση είναι μεγαλύτερες σε μέγεθος και πιο δαπανηρές από τις παθητικές, ενώ η διάρκεια της λειτουργίας τους εξαρτάται από την αντοχή της μπαταρίας τους. Μια επιπλέον διάκριση χωρίζει τις ετικέτες σε ετικέτες μόνο για ανάγνωση ή για ανάγνωση και εγγραφή. Οι δεύτερες είναι πιο ακριβές και χρησιμοποιούνται μόνο σε εξειδικευμένες εφαρμογές και για είδη με σχετικά μεγάλη αξία. Για να επικοινωνήσουν, οι ετικέτες απαντούν στα ερωτήματα δημιουργώντας σήματα, που δεν πρέπει να δημιουργούν παρεμβολές με τους αναγνώστες. Ως σήματα που φτάνουν στον αναγνώστη μπορεί να είναι πολύ αδύναμα και πρέπει να διαφοροποιούνται. Εκτός του backscattering, οι τεχνικές διαμόρφωσης πακέτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγχει το πεδίο του αναγνώστη. Συνήθως, το backscatter χρησιμοποιείται για μεγάλα (σε έκταση) πεδία, ενώ οι τεχνικές διαμόρφωσης για πιο μικρά πεδία, σε εύρος όχι μεγαλύτερο από μερικά μήκη κύματος από τον αναγνώστη. Παθητικές Οι παθητικές RFID ετικέτες δεν έχουν ενσωματωμένη πηγή ενέργειας. Τα πακέτα ενέργειας που λαμβάνουν μέσω της κεραίας παρέχουν την απαιτουμένη ενεργεία για το COMS κύκλωμα για να ενεργοποιηθεί και να μεταδώσει δεδομένα. Οι περισσότερες παθητικές ετικέτες στέλνουν σήμα κάνοντας backscattering τον μεταφορέα σήματος του αναγνώστη. Αυτό σημαίνει πως η κεραία έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να μαζεύει ενεργεία από το εισερχόμενο σήμα και επίσης να μπορεί να μεταδώσει το εξερχόμενοbackscatter σήμα. Η απάντηση από μια παθητική RFID ετικέτα δεν είναι αναγκαστικά μονό ένας ID αριθμός, το τσιπ μπορεί να περιέχει και αμετάβλητα δεδομένα, πιθανότατα γραμμένα σε EPSOM για αποθήκευση δεδομένων. Οι παθητικές ετικέτες στην εφαρμογή έχουν εύρος «διαβάσματος» περίπου 11 cm για το κοντινό πεδίο, μέχρι και 10 m για το μακρινό πεδίο και μπορούν να φτάσουν πάνω από 183 m όταν χρησιμοποιούν παρατεταγμένοι σε σειρά. Βασικά, το «διάβασμα» και η «εγγραφή» δεδομένων εξαρτάται από την επιλογή της ραδιοσυχνότητας και το σχεδιασμό/μέγεθος της κεραίας. Λόγω ότι έχουν πολύ απλή σχεδίαση είναι επίσης κατάλληλοι για κατασκευή με μια διαδικασία εκτύπωσης για  τις κεραίες. Το γεγονός ότι δεν υπάρχει ενσωματωμένη πηγή ενέργειας σημαίνει πως η συσκευή μπορεί να είναι πολύ μικρή : υπάρχουν αρκετά εμπορικά προϊόντα στα οποία μπορεί να ενσωματωθούν αυτοκόλλητες ταινίες ή να μπουν κάτω από την εξωτερική επιφάνεια στην περίπτωση χαμηλής συχνότητας RFID ετικετών. Το 2007, η δανέζικη εταιρεία RFIDsec ανέπτυξε μια παθητική RFID με ανεπτυγμένες τεχνολογίες που περιείχαν firewall σημεία έλεγχου, κωδικοποίηση στην επικοινωνία και ένα «κρυφό» τρόπο εξασφαλισης οτι ο καταναλωτης στο σημειο πωλησης μπορει να παρει τον αποκλειστικο ελεγχο του «κλειδιου» για να ελεγχει το RFID. Το RFID δεν θα ανταποκριθει εκτος και αν ο πελατης το επιτρεψει (εξουσιοδοτησει). Ο πελατης μπορει να επικυρωσει την χρηση ενος συγκεκριμενου RFID χωρις διαρροες απο τους αναγνωστες και επομενως ο πελατης μπορει να κανει χρηση του RFID χωρις να εντοπιστει ή να χασει πληροφοριες που μπορει να βλαψουν/αποτελεσουν απειλη για την πρωσοπικοτητα του/ιδιωτική ζωή του. Το 2006, η Hitachi,Ltd. ανέπτυξε μια παθητική συσκευή που ονομαζόταν  μ-Chip με διαστάσεις 0.15x0.15 mm (χωρίς κεραία), και ήταν πιο λεπτή από νέα φύλλο χαρτί (7.5 μm). Για να ενσωματωθούν όλα τα απαιτητά μέρη σε τόσο μικρή επιφάνεια χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία SOI (Silicon-On-Insulator). To μ-chip της Hitachi μπορεί να μεταδώσει ασύρματα ένα μοναδικό IDαριθμό των 128-bit, ο όποιος έχει κωδικοποιηθεί στον πυρήνα του τσιπ σαν μέρος της παραγωγικής διαδικασίας. Αυτός ο μοναδικόςID αριθμός δεν μπορεί να μεταβληθεί, παρέχοντας έτσι ένα υψηλού επιπέδου εξακρίβωσης (αυθεντικότητας) στο τσιπ και τέλος σε όλα τα προϊόντα που μπορεί να εφαρμοστεί ή ενσωματωθεί το τσιπ. Το μ-chip της Hitachi έχει ένα μέγιστο εύρος «ανάγνωσης» τα 30 cm. Το Φεβρουάριο του 2007 η εταιρεία παρουσίασε μια ακόμη μικρότερη RFID συσκευή με διαστάσεις 0.05x0.05 mm και τόσο λεπτή που μπορούμε να ενσωματωθεί σε ένα φύλλο χαρτί. Τα καινούρια τσιπ μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερα δεδομένα από τα παλιότερα μ-τσιπ, και τα δεδομένα που περιέχονται σε αυτά μπορούν να εξαχθούν από απόσταση μερικών εκατοντάδων μέτρων. Τα προβλήματα που υπάρχουν αυτή τη στιγμή με όλα τα RFIDs είναι οτι χρειάζονται μια εξωτερική κεραία, η οποία είναι συνήθως έως 80 φόρες μεγαλύτερη από το τσιπ στην βέλτιστη έκδοση με τα σημερινά δεδομένα. Επιπλέον, το κόστος που απαιτείται σήμερα για την κατασκευή των πλαισίων των ετικετών έχει εμποδίσει την ευρύτερη αποδοχή τους. Καθώς οι τιμές του πυριτίου (σιλικόνης) μειώνονται και νέες πιο οικονομικές μέθοδοι για την κατασκευή  των ετικετών τελειοποιούνται στην βιομηχανία, η ευρύτερη αποδοχή και το επίπεδο ετικετοποιησης των αντικειμένων μαζί με τις οικονομίες κλίμακας των σεναρίων παράγωγης, αναμένεται να καταστήσουν το RFID κοινότυπο και ταυτόχρονα άβλαβες οπως είναι και οι γραμμωτοί κώδικες (barcodes) αυτή τη στιγμή. Η Alien Technology’s Fluidic Self Assembly, η HiSam, η Smartcode’s Flexible Area Sychronized Transfer (FAST) και η SymbolTechnologies’ PICA υποστηρίζουν την ιδέα για μείωση του κόστους παράγωγης ετικετών μέσα από μια μαζική «παράλληλη» παραγωγή. Η Alien Technology και η Smartcode χρησιμοποιούν μεθόδους για την κατασκευή ετικετών, ενώ η Symbol Technologies’PICA είναι ακόμη στη φάση ανάπτυξης. η Symbol αποκτήθηκε από την MOTOROLA το 2006. Ωστόσο η MOTOROLA είχε ήδη συνάψει συμφωνίες με την Avery Dennison για εφοδιασμό ετικετών, δημιουργώντας δική της γραμμή παραγωγής ετικετών και εγκατέλειψε τις διαδικασίες της PICA. Οι εναλλακτικές μέθοδοι παράγωγης όπως είναι οι FAST, FSA, HiSam και πιθανώς η PICA πιθανώς να μειώσουν τα κόστη ετικετών παρά πολύ, λόγω του όγκου των ικανοτήτων που επιτυχάνουν, ενώ από την άλλη είναι ικανές να οδηγήσουν τα μοντέλα οικονομιών κλίμακας για διαφόρους  παρασκευαστές πυριτίου (σιλικόνη) το ίδιο καλά. Μερικοί προμηθευτές παθητικών RFID πιστεύουν πως οι μετρήσεις στις βιομηχανίες για τα κόστη των ετικετών μπορούν να γίνουν πολύ αποτελεσματικά διότι τα καινούρια συστήματα παράγωγης, χαμηλού κόστους, εφαρμόζονται ευρέως. Μη-σιλικονουχες ετικέτες κατασκευασμένες από πολυμερείς ημιαγωγούς ήδη αναπτύσσονται από πολλές επιχειρήσεις παγκοσμίως. Οι απλές πολυμερείς ετικέτες (κατασκευή στο εργαστήριο) λειτουργούν στα 13.56 MHZ φτιαχτήκαν το 2005 σε συνεργασία των PolyIC (Germany) και Philips (The Netherlands). Αν πετυχουν εμπορικά, οι πολυμερείς ετικέτες θα τυπώνονται οπως τα περιοδικά (σε ρολά) και θα είναι πολύ πιο φτηνά από τις ετικέτες από σιλικόνη. Η εξέλιξη που θα δούμε στις επόμενες δεκαετίες θα είναι οι RFID ετικέτες να τυπώνονται με την διαδικασία που τυπώνονται τα barcodes σήμερα και να υπάρχει πλήρης χρήση αυτών, όπως και τωνbarcodes. Ωστόσο, τα ουσιαστικά και οικονομικα εμπόδια θα πρέπει να ξεπεραστούν για να δούμε όλη αυτή την εξέλιξη : εκατοντάδες εκατομμυρίων δολαρίων έχουν επενδυθεί την τελευταία δεκαετία στη επεξεργασία πυριτίου (σιλικόνης) έχοντας ως αποτέλεσμα την ανακάλυψη ενός νέου χαρακτηριστικού που επιτρέπει φτηνότερη εκτύπωση από την συμβατική. Ενεργές Αντίθετα από τις παθητικές RFID ετικέτες, οι ενεργές έχουν δική τους ενσωματωμένη πηγή ενέργειας, που χρησιμοποιείται για να δίνει ενέργεια στα κυκλώματα και να μεταδίδει το σήμα της απάντησης στον αναγνώστη. Οι επικοινωνίες που γίνονται από ενεργές ετικέτες προς αναγνώστες είναι πάντα πιο αξιόπιστες (π.χ. λιγότερα λάθη) σε σχέση με αυτές που διεξάγονται μέσω παθητικών ετικετών λόγω της δυνατότητας των ενεργητικών ετικετών να διευθύνουν ένα session με τον αναγνώστη. Οι ενεργές ετικέτες λογω της ενσωματωμένης πηγής ενέργειας μπορούν να μεταδώσουν σε υψηλοτέρα επίπεδα ενέργειας από τις παθητικές, επιτρέποντας τους να είναι πιο σταθερή στις προκλήσεις των RF περιβαλλόντων με την υγρασία και τον ψεκασμό  ή με τους RF-dampening στόχους (συμπεριλαμβανόμενων των ανθρώπων και των βοοειδών, που αποτελούνται κυρίως από νερό) αντανακλαστικοί στόχοι από μέταλλο (κοντέινερ και οχήματα) ή στις μεγάλες αποστάσεις : η δημιουργία ισχυρών απαντήσεων από αδύναμες λήψεις είναι μια καθαρή προσέγγιση της επιτυχίας. Οι ενεργές ετικέτες είναι μεγαλύτερες (λογω της μπαταριάς που περιέχουν) και ακριβότερες στην κατασκευή (λογω του κόστους της μπαταριάς). Ωστόσο, η διάρκεια ζωής τους στο ράφι είναι συγκρίσιμη, καθώς η αποφόρτιση της μπαταρίας ανταγωνίζεται τη διάβρωση που παθαίνουν τα αλουμινένια κυκλώματα. Πολλές ενεργές ετικέτες σήμερα, έχουν εύρος λειτουργίας εκατοντάδες μέτρων και η μπαταρία τους διαρκεί από μερικούς μήνες έως 10 χρόνια. Οι ενεργές ετικέτες μπορεί να περιέχουν μεγαλύτερη μνήμη από τις παθητικές και την ικανότητα να αποθηκεύσουν πρόσθετες πληροφορίες ερχόμενες από τον αναγνώστη. Ειδικές ενεργές ετικέτες μπορεί να περιέχουν εξειδικευμένους αισθητήρες. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας θερμοκρασίας μπορεί να καταγράφει την θερμοκρασία κατά την μεταφορά και την αποθήκευση για ευπαθή αγαθά. Άλλοι αισθητήρες ελέγχουν την υγρασία, δονήσεις που δέχονται τα προϊόντα, το φως, την ακτινοβολία, την πίεση και τις συγκεντρώσεις διαφόρων αερίων. Καμία από τις ενεργές ετικέτες που κυκλοφορούν σήμερα (καταγραφή 20-10-2008) δεν αποτελεί διεθνές πρότυπο συμφωνά με το ISO/IEC 18000-x. Μόνη εξαίρεση αποτελεί το SAVE που αποτελεί μια «έξυπνη» ενεργητική ετικέτα-σφραγίδα συμφωνά με το ISO/IEC 17363 και έχει συμβατότητα με το 18000-7 (433 MHz). Το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ χρησιμοποιεί με επιτυχία για παραπάνω από 15 χρόνια ενεργές ετικέτες για να μειώσει τους χρόνους αναζήτησης και τις απώλειες στην εφοδιαστική αλυσίδα και να βελτιώσει την παρακολούθηση προϊόντων κατά μήκος της εφοδιαστικής αλυσίδας. Ημι-παθητικές Οι ημι-παθητικές ετικέτες είμαι παρόμοιες με τις ενεργές στο ότι και οι 2 έχουν εσωτερική πηγή ενέργειας αλλά η μπαταρία που περιέχουν δίνει ενεργεία μονό στο κύκλωμα που περιέχουν και δεν τροφοδοτούν την αποστολή του σήματος. Η απάντηση συνήθως παίρνει ενεργεία από το backscattering της  ενέργειας RF που έρχεται από τον αναγνωστηρίου η ενεργεία ανακλάτε πίσω στον αναγνώστη όπως και στις παθητικές ετικέτες. Επίσης, η μπαταρία χρησιμοποιείται στην αποθήκευση ενέργειας. Αν η ενέργεια από τον αναγνώστη συλλέγεται και αποθηκεύεται για να γίνει εκπομπή της απάντησης στο μέλλον, η ετικέτα λειτουργεί ως ενεργητική. Εκτιμάται ότι η ενεργεία που χρειάζεται για να ενεργοποιηθούν τα κυκλώματα πρέπει να είναι 100 φόρες μεγαλύτερη από την ενεργεία που απαιτείται στις ενεργές και ημι-παθητικές ετικέτες, και επίσης ο χρόνος που καταναλώνεται για την συλλογή της ενέργειας παραλείπεται και η απάντηση φτάνει στο συντομότερο χρόνο δράσης-αντίδρασης. Τα κυκλώματα υποδοχής που υποστηρίζονται από την μπαταρία στις ημι-παθητικές ετικέτες οδηγούν σε μεγαλύτερη ευαισθησία σε σχέση με τις παθητικές ετικέτες, έως και 100 φόρες περισσότερο. Αυτή η ενισχυμένη ευαισθησία μπορεί να θεώρει ως αύξηση του πεδίου ή/και ως ενισχυμένη αξιοπιστία στο «διάβασμα». Η ενισχυμένη ευαισθησία των ημι-παθητικών ετικετών θέτει στον ανάγνωστη υψηλότερη ζήτηση για τον χωρισμό της πυκνότητας του πλήθους των ετικετών. Επειδή ένα ήδη αδόμενο σήμα γίνεται backscattering στον αναγνώστη από ένα μεγαλύτερο αριθμό ετικετών και από μακρινές αποστάσεις, ο χωρισμός απαιτεί πιο περίπλοκες και σχεδιασμένες να αποφεύγουν την σύγκρουση έννοιες, καλύτερη επεξεργασία του σήματος και λίγο περισσότερη αξιολόγηση για το που κάθε ετικέτα πρέπει να πάει. Στις παθητικές ετικέτες η σύνδεση αναγνώστη-ετικέτας συνήθως είναι η πρώτη που αποτυγχάνει. Στις ημι-παθητικές ετικέτες η αντίστροφη σύνδεση (ετικέτας-αναγνώστη) είναι αυτή που συνήθως συγκρούεται πρώτη. Οι ημι-παθητικές ετικέτες έχουν 3 κύρια πλεονεκτήματα : μεγαλύτερη ευαισθησία από τις παθητικές, μεγαλύτερο κύκλο ζωής για τις μπαταριές από τις ενεργές, μπορούν να εκτελούν ενεργές λειτουργίες (όπως η αναγραφή της θερμοκρασίας) με χρήση της δικής τους ενέργειας, ακόμη και όταν δεν είναι κοντά κάποιος αναγνώστης για να τροφοδοτεί με ενεργεία το κύκλωμα. Τύπου Beacon Οι ετικέτες τύπου beacon μεταδίδουν το κωδικοποιημένο σήμα, για την ταυτοποίηση, με ένα συγκεκριμένο ρυθμό. Ο ρυθμός αυτός μπορεί να είναι συνεχής, να έχει στοχαστικές εναλλαγές ή τέλος να είναι αυτοπροσκαλούμενος. Με το να μην ενεργοποιηθεί η λειτουργία ανταπόκρισης μιας ετικέτας, πρώτον εμποδίζεται ο περιορισμός των δυνατοτήτων ταχύτητας και βελτιώνεται η διαθεσιμότητα των πληροφοριών ταυτοποίησης ακόμη και κάτω από συνθήκες με «θόρυβο». Επομένως οι beacon εφαρμόζονται σε πολύ γερές/ισχυρές διαδικασίες : η συνεχής διαθεσιμότητα του κωδικοποιημένου σήματος μειώνει τα λάθη και επιτρέπει χαμηλά επίπεδα ενέργειας, όπως και οι ενεργές ετικέτες. Παρόλα αυτά η συνεχής «ομιλία» των ετικετών μπορεί να προσαλέσε, μόλυνση, συμφόρηση στο κανάλι και να εμποδίσει την λειτουργία σε πυκνότερους πληθυσμούς. Ο σχεδιασμός του σχήματος μετάδοσης που θα γίνει θα πρέπει να έχει λάβει υπόψη του και τον κύκλο ζωής της μπαταριάς. Σήμερα  κανένα από αυτά τα  προϊόντα που υπάρχουν στο εμπόριο δεν ακόλουθει τα διεθνή πρότυπα. Ωστόσο, όλες οι μεταδόσεις θα πρέπει να συμμορφώνονται στους εθνικούς κανόνες της ασύρματης επικοινωνίας που αφορούν τα επίπεδα ενέργειας και τα κανάλια συχνοτήτων. Κεραίες Η λειτουργία μιας κεραίας, που εμπεριέχεται σε μία συσκευή ανάγνωσης, είναι η μετάδοση ενός ηλεκτρομαγνητικού σήματος το οποίο ενεργοποιεί τις μη ενεργές RFID ετικέτες όταν αυτές βρεθούν εντός του ηλεκτρομαγνητικού της πεδίου. Μόλις μία ετικέτα ενεργοποιηθεί μπορεί, από την κεραία της, να μεταδώσει πληροφορίες στην κεραία της συσκευής ανάγνωσης. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται από τη συσκευή ανάγνωσης, με τη βοήθεια της κεραίας της, δρομολογούνται προς επεξεργασία και στη συνέχεια, με την αντίστροφη διαδικασία, η κεραία της συσκευής ανάγνωσης στέλνει νέα δεδομένα στην κεραία της ενεργοποιημένης ετικέτας, τα οποία αποθηκεύονται στην μνήμη της ετικέτας. http://www.rfidportal.gr/index.php/joomla-license