RFID چیست؟

  هدف از تهیه این مقاله آشنایی بیشتر با این تکنولوژی و نحوه استفاده آن در سیستم خانه هوشمند و کاربردها و مزایای آن می باشد و در ابتدا...

RFID چیست؟

   امروزه ضرورت شناسایی خودکار عناصر و جمع آوری داده مرتبط به آنان بدون نیاز به دخالت انسان جهت ورود اطلاعات در بسیاری از عرصه های صنعتی، علمی، خدماتی و اجتماعی احساس می شود. در این خصوص تا کنون تکنولوژیهای بسیاری طراحی و پیاده سازی شده است. به مجموعه ای از فناوری ها که از آنان برای شناسایی اشیاء ، انسانها و حیوانات توسط ماشین استفاده می گردد، شناسایی خودکار یا به اختصار AutoID گفته می شود. تا کنون فناوری های مختلفی به منظور شناسایی خودکار طراحی و پیادده سازی شده است.

کدهای میله ای، کارتهای هوشمند، تشخیص صدا، برخی از فناوری های بیومتریک، OCR (برگرفته از Optical Character Recognition) و RFID (Identi Fication Radio Frequency(نمونه هایی در این زمینه می باشند.

 


 

آشنایی اولیه با فناوری RFID

اجازه دهید برای آشنایی بیشتر با این فناوری، چندین تعریف از آن را با هم مرور کنیم.

· RFID با استفاده از ارتباطات مبتنی بر فرکانسهای رادیویی امکان شناسایی خودکار، ردیابی و مدیریت اشیاء، انسانها و حیوانات را فراهم می کند. عملکرد RFID وابسته به دو دستگاه تگ و کدخوان است که جهت برقراری ارتباط بین یکدیگر از امواج رادیویی استفاده می نمایند. از روشهای مختلفی برای شناسایی افراد و اشیاء استفاده می شود، ذخیره سریال منتسب به یک فرد و یا شی درون یک ریز تراشه که به آن یک آنتن متصل شده است، یکی از متداولترین روشهای شناسایی خودکار است.

·  به تلفیق تراشه و آنتن، تگ RFID و یا فرستنده خودکار RFID گفته می شود. تراشه به کمک آنتن تعبیه شده، اطلاعات لازم جهت شناسایی آیتم مورد نظر را برای یک کدخوان ارسال می نماید. کدخوان امواج رادیویی برگردانده شده از تگ را به اطلاعات دیجیتال تبدیل می نماید تا در ادامه، امکان ارسال داده برای کامپیوتر و پردازش آن فراهم گردد.

  تگ ها با استفاده از یک فرکانس و بر اساس نیاز سیستم (محدوده خواندن و محیط) پیاده سازی می گردند. تگ ها به صورت فعال (به همراه باطری) و یا غیرفعال (بدون باطری) پیاده سازی می شوند. تگ های غیرفعال، توان لازم جهت انجام عملیات را از میدان تولید شده توسط کدخوان می گیرند.

   کدخوان RFID، معمولا به یک کامپیوتر متصل می شود و دارای نقش مشابه با یک اسکنر کد میله ای است. مسئولیت برقراری ارتباط لازم بین سیستم اطلاعاتی و تگ های RFID بر عهده کدخوان RFID است.

برخی از مزایای بکارگیری فناوری RFID :

1.  تگ ها می توانند مخفی باشند و یا در اکثر مواد جاسازی شوند.

2.  با توجه به اینکه تگ ها در ابعاد و اشکال مختلف ارائه می شوند، کاربران می توانند با توجه به نیاز خود، یکی از آنان را انتخاب نمایند.

3.  جهت خواندن کد، نیاز نیست که تگ در معرض دید مستقیم کدخوان قرار بگیرد.

4.  با توجه به ماهیت تگ ها، استهلاک و فرسودگی وجود نخواهد داشت.

5.  امکان دستکاری کدهای سریال ذخیره شده در تگ ها وجود نخواهد داشت.

برخی از کاربردهای فناوری RFID :

1.  کاربرد امنیتی: با استفاده ازگیتهای استفاده شده در ورودی و خروجی مکانها و نصب تگ بر روی اجناس و یا افراد و کنترل ورود و خروج و همچنین جلوگیری از سرقت.

2.  انبارداری و ردیابی کالا: با نصب تگ بر اجناس یک رایانه داده های دریافتی تگ ها از طریق قرائت گر انجام داده و همیشه به صورت لحظه ای کلیه اجناس با آمار کامل در اختیار قرار دارند.


 

3.  مدیریت دام و گوشت: با نصب تگ بر روی دامها، کنترل و ردیابی حرکت حیوانات انجام می گیرد و جهت شناسایی حیوانات گم شده، مرتب کردن و نگهداری پیشینه درمانی آنها به کار می رود.

4.  کنترل ورود و خروج وسایط نقلیه و افراد: این فناوری برای کنترل ورود و خروج افراد و وسایط نقلیه در محلهایی که امنیت بالا را نیازمند است، بسیار پر کاربرد بوده، به این ترتیب که این تگ ها در وسایط نقلیه یا نفرات قرار می گیرد و از رفت و آمدها اطلاعات لازم در اختیار قرار می گیرد و در اتومبیل ها قبل رسیدن به درب ورودی و خروجی، با شناسایی خودرو در صورت مجوز ورود و خروج درب به صورت اتوماتیک باز می شود و در صورت عدم مجوز یا نداشتن تگ جهت بازرسی، اقدامات لازم  صورت می گیرد.


 

5.  مدیریت کتابخانه و کتابها: با چسباندن یک تگ (با کلیه مشخصات کتاب) بر روی کتاب و قرار دادن یکسری از آنتن ها و Readerها، می توان از مزایای ذیل بهره برد:

الف) جلوگیری از سرقت کتابها

ب) اجرای سیستم خود بازگشت و حتی خروج کتابها از کتابخانه

ج) پیگیری و کنترل چیدمان صحیح کتابها در قفسه های مربوط به خودشان

 

6.  کنترل تعداد دور

7.  شناسایی خودرو 

8. به عنوان درب بازکن اتوماتیک (استفاده شده در سیستم خانه هوشمند) : بدین صورت که با قرار دادن آنتن مربوط در ورودی ساختمان و نزدیک کردن تگ به آن، دستور از طریق سیستم به قفل قرار گرفته شده در درب داده می شود و درب بدون تماس فیزیکی باز خواهد شد که اینگونه مشکلاتی از قبیل حمل دسته کلید و خرابی قفل و مشکلات مشابه وجود نخواهد داشت.

  


 

RFID چگونه کار می کند؟

   تگ و یا فرستنده خودکار، شامل یک مدار الکترونیکی است که به شیء مورد نظری که لازم است دارای یک کد شناسایی باشد، متصل می گردد. زمانی که تگ نزدیک و یا در محدوده کدخوان قرار می گیرد، میدان مغناطیسی تولید شده توسط کدخوان باعث فعال شدن تگ می گردد.

   در ادامه تگ بطور پیوسته اقدام به ارسال داده از طریق پالس های رادیویی می نماید، در نهایت داده توسط کدخوان دریافت و پردازش می گردد.

اجزاء یک سیستم RFID :

1.  تگ: شامل یک تراشه نیمه هادی، آنتن و در برخی موارد یک باطری است.

2. بررسی کننده: (که به آن کدخوان یا کارتخوان نیز گفته می شود) شامل یک آنتن، یک ماژول الکترونیکی RF و یک ماژول کنترلی است.

3.  کنترل کننده: (HOST) اغلب یک کامپیوتر شخصی و یا دستگاه کاری است که بر روی آن بانک اطلاعاتی و نرم افزار کنترلی اجرا شده است.

 

 

تگ های هوشمند (با قابلیت خواندن و نوشتن) در مقابل تگ های فقط خواندنی:

حافظه فقط خواندنی: حافظه ای است که فقط امکان خواندن اطلاعات از آن وجود دارد و نمی توان اطلاعات موجود در آن را تغییر داد. این تگ ها فقط یکبار برنامه ریزی می گردند.

تگ هایی از نوع RW: که به آن تگ هوشمند نیز گفته می شود و از انعطاف بالایی برخوردار هستند. در این نوع تگ ها امکان ذخیره حجم بالایی از اطلاعات وجود دارد. اطلاعات موجود در تگ ها را می توان هزاران بار پاک و مجددا نوشت. با توجه به این ویژگی مهم، اینگونه تگ ها را می توان به منزله بانکهای اطلاعاتی در نظر گرفت.

بررسی کننده RFID (کارتخوان): این بخش را می توان به منزله کامپیوترهای کوچکی در نظر گرفت که از سه بخش اساسی زیر تشکیل شده است:

الف) آنتن

ب) ماژول الکترونیک: RF که مسئول برقراری ارتباط با تگ RFID است.

ج) ماژول کنترل کننده الکترونیکی: که مسئولیت ارتباط با کنترل کننده را بر عهده دارد.

 


 

یک کارتخوان به عنوان یک پل بین تگ و کنترل کننده عمل می نماید و دارای وظایف زیر است:

1.  خواندن محتویات داده یک تگ

2.  نوشتن داده در تگ (در خصوص تگ های هوشمند)

3.  رله و یا باز انتشار داده برای کنترل کننده و بالعکس

4.  تامین انرژی مورد نیاز تگ (در خصوص تگ های غیرفعال)

علاوه بر انجام عملیات فوق، کارتخوان های پیچیده تر قادر به انجام عملیاتهای زیر نیز می باشند:

1.  مقابله با تصادم

2.  تایید تگ ها

3.  رمز نگاری

مکان استقرار کارتخوان: در سیستم های RFID، لازم نیست که تگ در معرض دید دستگاه های کارتخوان قرار بگیرد. مهمترین مزیت ویژگی فوق، آزادی عمل طراحان برای اتخاذ تصمیم در خصوص مکان استقرار کارتخوان است.

کنترل کننده: کنترل کننده RFID به منزله مغز متفکر یک سیستم RFID عمل می نماید. از این دستگاه ها به منظور اتصال شبکه ای چندین بررسی کننده و تمرکز در پردازش اطلاعات استفاده می گردد. کنترل کننده در هر شبکه، اغلب یک کامپیوتر شخصی و یا یک ایستگاه کاری است که بر روی آن بانک اطلاعاتی و یا سیستم نرم افزاری اجرا شده است.

کنترل کننده ها بر اساس اطلاعات دریافتی قادر به انجام عملیات مختلفی با توجه به نوع سیستم RFIDمی باشند:

الف) نگهداری و بهنگام سازی موجودی کالا و اعلام اتوماتیک به واحد تدارکات

ب) ردیابی اشیاء در یک سیستم و حتی تغییر مسیر آنان

ج) بررسی هویت و اعطاء مجوز

د) به روز رسانی حساب کاربران

بررسی طیف فرکانسی RFID :

RFID می تواند از باندهای مختلفی برای ارتباطات خود استفاده نماید که هم فرکانس های پایین و هم بالا را در بر می گیرد.

باندهای فرکانس پایین:

*فرکانس پایین و یا LF : بین 125 تا 134 کیلو هرتز

*فرکانس بالا و یا HFF : محدود 13.56 مگا هرتز

باند UHF : محدوده 860 تا 960 مگا هرتز

میکروویو: 2.5 گیگا هرتز به بالا

انتخاب فرکانس بر روی چندین خصلت سیستم های RFID تاثیرگذار است که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت.

در باندهای فرکانس پایین،  محدوده خواندن تگهای غیرفعال با توجه به بهره ضعیف آنتن چیزی بیش از یک متر می باشد.

  در فرکانس های بالاتر محدوده خواندن معمولا افزایش خواهد یافت، خصوصا در مواردی که از تگ های فعال استفاده شده باشد. با توجه به اینکه باندهای فرکانس بالا می توانند باعث بروز مسائل مختلفی در رابطه با سلامت انسان گردند، تعداد بسیار زیادی از سازمانهای تنظیم مقررات رادیویی نظیر FCC محدودیت بیشتری را در خصوص قدرت سیستم های میکروویو و UHF اعمال می نمایند. این کار باعث می شود که محدوده خواندن این نوع سیستم های فرکانس بالا در تگ های غیرفعال بطور متوسط بین 3 تا 9 متر گردد.

تداخل امواج از سایر سیستم های رادیویی:

   سیستم های RFID مستعد تداخل امواج از سایر سیستم های رادیویی می باشند. سیستم های RFID که در باند LF عمل می نمایند در معرض بیشتر این آسیب هستند، توجه داشته باشید که در فرکانس های LF ، تحمل اتلاف در مسیر زیاد و یا تضعیف خیلی کم در مسافت های کوتاه را ندارند. در مقایسه با فرکانس های بالاتر، این بدان معناست که سیگنالهای رادیویی سایر سیستم های ارتباطی که در محدوده فرکانسی LFکار می کنند، دارای مقاومت میدانی بالایی در آنتن یک کارتخوان RFID خواهند شد که می تواند به تداخل منتج شود.

تاثیرگذاری مایعات و فلزات:

   کارایی سیستم های RFID متاثر از سطوح نم دار و یا آبکی است. سیگنالهای HF نسبت به سیگنالهای مایکروویو و UHF دارای قابلیت نفوذپذیری بهتری در آب و سایر مایعات می باشند. طول موج های کوتاه ترUHF دارای استعداد بیشتری جهت جذب در آب می باشند.

   به همین دلیل است که اغلب از تگ های HF برای برچسب گذاری مواد مایع استفاده می گردد و در صورت استفاده از تگ های UHF محدوده موثر خواندن آن بطور محسوسی کاهش خواهد یافت.

   محیط های فلزی بر روی تمامی فرکانس های RFID تاثیر می گذارند. سیگنالهای رادیویی نمی توانند از فلرات عبور کنند و در مواردی که مواد فلزی در مجاورت آنتن کدخوان یا تگ قرار بگیرد، رفتار و خصایص سیستم دستخوش تغییرات عمده ای می گردد که می تواند به کاهش محدوده خواندن در فرکانس های HF و UHFاشاره کرد که در اثر تغییر خود القایی آنتن و یکی دیگر از اثرات مواد فلزی بر روی هر دو فرکانس، جذب انرژیRF توسط فلزات است.

نرخ داده:

   سیستم های RFID که در باند LF کار می کنند، دارای نرخ پایین داده در حد چند کیلوبیت در ثانیه می باشند و با توجه به فرکانس استفاده شده در سیستم، نرخ داده می تواند به مرز چندین مگابیت در ثانیه نیز برسد، چیزی که در فرکانس های مایکروویو محقق شده است.

اندازه و نوع آنتن:

   با توجه به طول موج زیاد، سیگنالهای رادیویی فرکانس پایین، آنتن سیستم های LF و HF  می بایست از آنتن های UHF و مایکروویو بزرگتر باشد، تا بتوان بهره سیگنال برابری را دریافت کرد. این موضوع با هدف ایجاد تگ های RFID کوچک و ارزان در تضاد است. همین موضوع باعث شده است که بسیاری از طراحان، از بهره آنتن به نفع کنترل قیمت بگذرند و بپذیرند از سیستم های LF و HF صرفا در حوزه های کوچک استفاد نمایند. تگ های LF و HF معمولا بزرگتر از تگ های UHF و مایکروویو می باشند.

توجه داشته باشید که فرکانس عملیات، نوع آنتن را تحمیل می کند. در سیستم های LF و HF از جفتگیری القایی و آنتن های القایی استفاده می گردد که معمولا آنتن هایی از نوع حلقوی می باشند. درفرکانس های UHF و مایکروویو، از جفتگیری خازنی استفاده می گردد و آنتن ها از نوع دو قطبی می باشند.

اندازه و قیمت تگهای RFID:

   در حال حاضر استفاده از باند HF بسیار متداول بوده اما با توجه به پیشرفت های اخیر در فناوری ساخت تراشه ها، قیمت تگ های UHF قابل رقابت با تگ هایHF شده است. تگ های RFID مایکروویو مشابه تگ های UHF می باشند، با این تفاوت که می توان آنها را کوچکتر و با قیمت کمتری تولید کرد.

 

مقایسه تگ های هوشمند RFID در مقابل کدهای میله ای:

قبل از هر چیز لازم است به این نکته اشاره گردد که در کدهای میله ای از نور لیزری و در برچسبهای هوشمند RFID از امواج رادیویی برای حمل داده استفاده می گردد. از کدهای میله ای به عنوان فناوری نوری و از RFID به عنوان فرکانس رادیویی یا RF نام برده می شود.

1. حجم ذخیره سازی و میزان حافظه در کدهای میله ای عموما قادر به نگهداری هشت حرف عددی است. در صورتی که در RFID امکان ذخیره سازی تا 2000 حرف در یک تگ وجود دارد.

2.  قابلیت خواندن و نوشتن کدهای میله ای را نمی توان پس از چاپ تغییر داد، اما در تگ های هوشمند با قابلیت خواندن و نوشتن تا هزاران مرتبه و قابلیت آدرس دهی زمینه بکارگیری آن را در حوزه های وسیع فراهم می کند.

3.  عدم نیاز به قرار گرفتن در خط دید در مقایسه با میله های نوری که حتما باید در دید مستقیم قرار گیرند که این امتیاز در مواردی که نیاز است حجم بالایی از مواد و اشیا جابجا گردد و همچنین عدم نیاز به دید مستقیم و حتی بسته بندی RFID می تواند دستاوردهای بیشتری را نسبت به کدهای میله ای به دنبال داشته باشد.

4.  محدوده خواندن کدهای میله ای بسیار اندک است و معمولا به بیشتر از چند اینچ تجاوز نمی کند. البته این امکان وجود دارد که بتوان اسکنرهای کد میله ای را به گونه ای ساخت که قادر به خواندن تگ ها در محدوده ای معادل چندین متر باشد که با توجه به هزینه بالای تولید اینگونه اسکنرها، استفاده از آنها تابع شرایط خاص است. محدوده خواندن تگ های RFID بسته به فرکانس عملیاتی، اندازه آنتن، فعال و یا غیرفعال بودن تگ، به مراتب بیشتر از کدهای میله ای است. محدوده خواندن تگ ها از چند سانتیمتر شروع و تا چندین متر ادامه پیدا می کند.

5.  خواندن و نوشتن همزمان: برخلاف سایر فناوری های تشخیص خودکار AIDC، که نیاز است تمامی آیتم ها یک به یک خوانده شود و در صورت خواندن یک بسته آن را از شکل استاندارد خارج و تک به تک آنها را خواند، سیستم RFID این قابلیت را دارد که در یک زمان، چندین تگ را بدون خارج کردن و جابجا کردن و در زمان عبور از محدوده یک بررسی کننده خواند، تنها فناوری موجود در خانواده فناوری AIDC است که دارای ویژگی فوق است.

6.  امنیت دستیابی: با توجه به اینکه کد میله ای در خارج بسته بندی کالا نصب می گردد و می بایست جهت خواندن در معرض دید قرار گیرد، ضریب ایمنی داده ذخیره شده پایین می آید و هر شخصی با استفاده از یک اسکنر یا دوربین می تواند ذخیره را بررسی کند در صورتی که، با رمزنگاری داده ذخیره شده در تگ و استفاده از روشهای مختلف تایید هویت، می توان یک سطح قابل قبول از امنیت را پیاده سازی کرد.

7.  دوام و قابلیت تطبیق بسیار بالاتری را فناوری RFID ، نسبت به کدهای میله ای دارا می باشد. مانند قرار گرفتن در محیط کثیف و ناصاف، پاره شدن کد میله ای، آغشته شدن به مواد چرب، زیادی شدت نور، تو رفتگی کد میله ای و ... که فناوری RFID ، از آن مصون می باشد.

8. شکل در تکرار: با توجه به ماهیت الکترونیکی بودن تگ های RFID، مشابه سازی از آنان در مقایسه با کدهای میله ای بسیار مشکلتر است. همین موضوع باعث می شود تا دستیابی غیرمجاز و یا تغییر داده ذخیره شده در تگ، مشکل گردد.

و چندین موارد دیگر و تنها موردی که می توان در آن به برتری کدهای میله ای اشاره کرد، قیمت آن می باشد که با توجه به تلاشهای بسیار در زمینه کاهش قیمت در آینده ای نه چندان دور، شاهد کاهش قیمت و زمینه بکارگیری بیشتر این فناوری در حوزه های متنوع خواهیم بود.

در انتها به جدول مقایسه قیمت و مزایا و معایب فناوری RFID در فرکانسهای مختلف می پردازیم: