Jak efektivně používat RFID

Ať jsou to vstupní průkazky do průmyslových nebo sportovních objektů, parkovací karty, označení zboží a pozic ve skladech nebo v obchodech, informační kiosky v turistických centrech, inventarizace majetku, knihovny, armádní logistika, identifikace zavazadel v leteckém provozu, půjčovny, evidence vzorků ve zdravotnictví, vstupenky všeho druhu ... Mohli bychom pokračovat ještě dlouho a konce bychom se nedobrali.

Tématem dnešního článku ale není vypočítávat, kde všude už se RFID používá a jak úspěšná implementace této technologie kde byla. Pokusíme se vysvětlit, jak vlastně samotná technologie funguje. Jedině tehdy, když si uvědomíme, že se jedná o normální technicky a fyzikálně popsatelnou věc, dokážeme se vyhnout mnoha potencionálním omylům a budeme umět využít RFID skutečně efektivně.

Popis technologie RFID a její charakteristické vlastnosti

Technologie RFID je moderní metoda označování objektů založená na radiových frekvencích elektromagnetického pole (RFID = „radio-frequency identification"). Radiofrekvenční záření je lidskými orgány nezjistitelné, z čehož pramení nejčastější důvod našeho zmatení. Radiofrekvenční záření má ale v mnoha ohledech podobné vlastnosti jako viditelné světlo, se kterým máme téměř všichni (kromě slepých lidí) přirozenou zkušenost. Stačí si uvědomit, že i světelné záření, které vnímáme, je jedním z typů radiofrekvenčních záření, jenom posunuté do frekvenčního pásma, které dokážeme svými smysly vnímat. Z hlediska šíření signálu prostorem a jeho vlastností a chování tak můžeme v mnohém využít svých zkušeností se světlem.

Vlastnosti podobné viditelnému světlu

Některé materiály záření RFID pohlcují, jiné materiály jej odrážejí, záření přenáší energii a tato energie může být v určitých místech koncentrována nebo rozptylována fyzikálními prostředky – magnetickým polem, u světla optickými čočkami a rozptylkami. Musíme mít ale stále na paměti, že radiové záření má jinou vlnovou délku, takže pohlcování, odrazy a prostupnost se budou týkat jiných materiálů.

• dřevo, papír: pro světlo neprostupné, pro RFID průhledné;
• voda: pro světlo průhledná, pro RFID neprostupná;
• kovy: pro světlo i pro RFID neprostupné. U světla ale můžeme využít vyhlazený povrch kovu k účinným odrazům a u RFID můžeme využít elektricky vodivé vlastnosti kovů jako zesilující, případně utlumující, prvky (jako čočky a rozptylky u světla);
• sklo: pro světlo i pro RFID průhledné, radiové záření je ale sklem u RFID tlumeno více, než u světla. Navrhujeme-li systém RFID, je dobré si pro analogii se světlem představit, jako by každá skleněná stěna byla ne z čirého, ale z matného mléčného skla.

Analogie s viditelným světlem nám také může velmi dobře posloužit pro vnímání, jak signál slábne a jak se šíří. Máme-li k dispozici jako světelný zdroj pouze velmi slabou, nijak usměrněnou LED diodu, je nám jasné, že s takovým osvícením dokážeme přečíst čárový kód ze vzdálenosti maximálně několika centimetrů, že není možné přečíst stejný čárový kód umístěný na stěně 3 metry od nás. Zároveň dokážeme vnímat i rozdíl mezi všesměrovou a směrovou anténou. Víme, že ani silnější zdroj světla, jakým je žárovka ruční svítilny, by nám samotná moc nepomohla. Její světlo by se rozlévalo po celé místnosti a čárový kód na stěně by byl pořád ještě nedostatečně osvětlený k tomu, abychom jej mohli přečíst. Jakmile ale tuto žárovku doplníme parabolou svítilny, stačí na zeď namířit paprsek světla a věc se má úplně jinak.

RFID tag je počítač!

Jestliže pro šíření radiového signálu můžeme využít našich zkušeností s viditelným světlem, pro samotné čtení RFID tagu a zápis do něj žádná podobná analogie neexistuje. Musíme si uvědomit, že každý RFID tag je miniaturní počítač vybavený vším, co u počítače očekáváme. Není to pouhý obraz, ať černobílý nebo barevný, který jednoduše pohlcuje nebo odráží záření, které k němu vyšleme. RFID tag je počítač miniaturní, s velmi omezenou sadou instrukcí, ale přesto se všemi komponentami, které u počítače očekáváme.

Součásti RFID tagu

• procesor schopný vykonávat příkazy (přijmout údaj, přečíst údaj z paměti, odeslat údaj, příkaz KILL, který způsobí nevratné ukončení veškeré komunikace čipu s okolním světem);
• úložný prostor – paměť. Některé RFID tagy mají pouze paměť read-only, obsahující jednoznačný identifikátor (většinou tagy typu LF a HF). Tagy HF, UHF a MW bývají často kromě paměti read-only s identifikátorem také pamětí read-write pro uložení uživatelských dat;
• anténa umožňující RFID tagu odeslat údaj. U pasivního tagu anténa zároveň slouží jako zdroj energie pro běh procesoru. Tedy pokud by pasivní RFID tag neměl anténu, byl by to vlastně počítač, kterému chybí připojení na elektrickou síť a periferie pro komunikaci s okolním světem, jako je klávesnice, myš, obrazovka. Aktivní tag by sice zdroj energie měl, ale postrádal by zmíněné periferie;
• některé tagy mohou být vybaveny různými senzory, jako například teploměrem, polohovým senzorem apod.

Samotným ozářením RFID tagu radiovým signálem se nestane vůbec nic, na rozdíl čtení od čárového kódu. Čtení RFID tagu je ve skutečnosti ovládání počítače – musíme tagu poslat správný příkaz, aby vykonal správnou akci a odeslal zpět požadovaný údaj – zatímco u čtení čárového kódu jednoduše dekódujeme odražené záření.

U technologie RFID musí čtečka pro získání údaje z tagu vykonat tyto akce:

• vyslat záření, „zapnout" tím RFID tag a dodávat mu energii po celou dobu komunikace. To se samozřejmě týká pouze pasivních tagů, ale pasivních tagů je dnes naprostá většina z těch, které se používají;
• navázat spojení s konkrétním RFID tagem. Každý tag má svou celosvětově jednoznačnou nepřepisovatelnou identifikaci – něco podobného, jako IP adresa pro počítač v internetu, nebo ještě přesněji, jako MAC adresa konkrétního síťového zařízení;
• poslat tagu příkaz pro přečtení údaje z konkrétní oblasti paměti RFID tagu;
• pokud RFID tak odpoví žádostí o zaslání hesla pro přístup k takovému údaji, musí mu čtečka zaslat správné heslo;
• přijmout binární data od tagu a rozkódovat je do formy požadovaného údaje.

Tato vlastnost RFID tagu – odeslání požadovaného údaje až tehdy, kdy čtečka pošle příkaz – má podstatný význam pro čtení mnoha tagů zároveň (multitag reading).
Ve skutečnosti se totiž nečtou všechny tagy zároveň, ale čte se jeden po druhém, v setinách sekundy, velmi rychle za sebou. Nám se potom zdá, že jsou čteny najednou.

Přepisovatelnost RFID tagů

Pokud je RFID tag přepisovatelný, neznamená to, že je možné celou jeho paměť přepsat. I takový tag obsahuje malou část paměti typu read-only, která obsahuje celosvětově unikátní identifikátor čipu. Veškerá komunikace čtečky s RFID tagem potom vypadá tak, že čtečka pošle tagu s konkrétním identifikátorem instrukci, která se má vykonat, a očekává odpověď. Takovou instrukcí může být například čtení údaje z paměti čipu, nebo naopak požadavek zapsat údaj do paměti čipu. Požadovanou instrukci vykoná pouze ten tag, který je adresátem příkazu. Ostatní RFID tagy mlčí. Z nutnosti používat příkazy pro účel jednoduchého přečtení údaje z paměti RFID tagu plyne další důležitá vlastnost technologie RFID: každá čtečka RFID je zároveň i zapisovačka RFID. Čtení se od zápisu liší pouze odesláním jiné instrukce a následným ověřením (dalšími příkazy), že údaj byl do paměti tagu zapsán správně.

Vliv prostředí, nečekané odrazy a útlumy signálu

Kdykoliv se chystáme navrhnout systém založený na použití technologie RFID, musíme si vyzkoušet, jestli vše funguje tak, jak jsme předpokládali, na místě, kde bude systém instalován. Protože, jak již bylo uvedeno na začátku tohoto článku, šíření radiofrekvenčního signálu se může chovat nečekaně a zdánlivě nevyzpytatelně. Je to vše kvůli tomu, také to již bylo uvedeno, že radiofrekvenční záření nevnímáme a že nevidíme všechny prvky okolního prostředí, které chování záření ovlivňují. Stačí uvést dva ilustrační příklady.
Představme si, že v místnosti, kde je umístěna čtečka RFID a kde se budou číst informace z RFID tagů, má ve stěně pod omítkou zazděné kousky vodivého drátu, a všechny tyto dráty budou shodou okolností dlouhé právě 17,3 cm, což je polovina vlnové délky frekvence 866 MHz. Čtecí i zapisovací vzdálenost systému bude v této místnosti oproti teoretickým předpokladům i oproti testům provedeným v jiné místnosti kratší. Proč? Poněvadž tyto dráty, o kterých ani nevíme, se přičítají ke ztrátovému odporu antén čtečky i antén RFID tagů.
Druhý příklad je přímo ze života. Jednou jsme v Codeware měřili, z jaké maximální vzdálenosti se konkrétní čtečkou ještě dají spolehlivě číst konkrétní RFID tagy. Už jsme byli hotovi, když náhle do místnosti vstoupil další člověk. Přestože stál zcela mimo spojnici mezi čtečkou a testovacím tagem, čtecí vzdálenost se výrazně zvětšila! O to větší bylo moje překvapení, když jsem slyšel, jak se navlas stejný příběh stal v pražské RFID laboratoři GS1.
Závěr je zřejmý. Navrhněme systém, použijme k tomu veškerou naši představivost s analogií viditelného světla, vytipujme RFID tagy a čtečky, které nejlépe vyhovují našim požadavkům – a nakonec nezapomeňme vybrané přístroje a tagy vyzkoušet v místě, kde budou skutečně instalovány,
a za podmínek, které v dané lokalitě běžně nastávají. Je to nejspolehlivější způsob, jak předejít nepříjemným překvapením, která mohou ve svém důsledku být finančně bolestivá.

CODEWARE, s.r.o.
Jaromírova 37, 120 00 Praha 2
Tel.: +420 222 562 444
Fax: +420 222 561 904
Mobil: +420 737 274 952
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.codeware.cz