RFID - شناسایی مبتنی بر فرکانس های رادیویی

1394/08/12

به دلیل اهمیت RFID در اینترنت اشیا و اینکه در بیشتر مقالات از این تکنولوژی به وفور سخن گفته اند، در این مطلب از سری مطالب اینترنت اشیاء، به صورت جزئی تر به RFID می پردازیم. بخش عمده مطالب این بخش از کتاب راهنمای RFID آورده شده است.

شناسایی مبتنی بر فرکانس های رادیویی (RFID)


امروزه RFID یک اصطلاح عمومی برای تکنولوژی هایی است که از امواج رادیویی برای شناسایی اتوماتیک افراد یا اشیاء استفاده می کنند. روشهای زیادی برای شناسایی وجود دارد که رایج ترین آنها، زدن یک برچسب با شناسه یکتا به شی یا انسان است. همان طور که در شکل زیر می بینید یک سیستم RFID به طور عمومی دارای اجزای زیر است.

RFID - شناسایی مبتنی بر فرکانس های رادیویی


اهمیت RFID


RFID حوزه ای از شناسایی اتوماتیک می باشد که در محدوده عملکرد خود به برتری نسبی رسیده است و به عنوان یکی از فراگیرترین تکنولوژی ها در طول تاریخ شناخته شده است. این نکته قابل توجه است؛ از زمانی که RFID اولین بار در سال 1948 بوجود آمد سالهای زیادی طول کشید تا این که این تکنولوژی به رشد امروزه خود برسد که به اندازه کافی قابل اطمینان و مقرون به صرفه باشد.
در ساده ترین حالت RFID کاربردی شبیـه بارکـدها دارد. در حقیقت RFID وسیله ای برای بـهبود پردازش ها و یک مکمل برای تکنولوژی های حاضر است. به عنوان یک توضیح پیچیده تر، RFID شناسایی از طریق مجاورت الکترومغناطیسی و سیستم تبادل داده ها می باشد.
از برچسب های RFID بر روی اشیاء و وسایل استفاده می کنند و از یک برچسب خوان برای جمع آوری اطلاعات. برچسب های RFID به خاطر ارتباط از طریق مجاورت الکترومغناطیسی و حجم داده بیشتر و توانمندی ارتباط دوطرفه، بر بارکد ارجحیت دارند.

کاربردهای کلی RFID


امروزه RFID در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می شود. به عنوان مثال:

- کارت های کنترلی دسترسی به ساختمان
- ردیابی اشیاء
- زنجیره خدمات
- جمع آوری عوارض راهداری
- کنترل دسترسی در پارک وسایل نقلیه
- مدیریت انبار خرده فروشی
- جستجوی کتابها در کتابخانه

در حالی که سیستم های RFID مزایای خوبی دارند ولی برای امنیت و حریم خصوصی سازمان ها و افراد تهدیدهای جدی محسوب می شوند.

مقایسه RFID با دیگر تکنولوژی های مرتبط


تا به حال تکنیک های بسیاری در رابطه با شناسایی اتوماتیک (Auto-ID) اجرا شده اند که به درجه موفقیت های مختلفی هم از لحاظ فنی و هم از لحاظ اقتصادی نایل شده اند. در این رابطه علاوه بر RFID روش های مرتبط دیگری هم وجود دارد از قبیل شناسایی نوری و کارت های هوشمند و روش های بیومتریکی و در آخر بارکدهای رایج که به طور مکرر با RFID مقایسه می شوند. بارکدها هنوز به علت ارزانی بازار را در دست دارند. به طور کلی مزیت RFID نسبت به بارکدها، غیر تماسی بودن آن و عدم نیاز به خط دید است.

مزایای کنونی بارکدها نسبت به RFID:

در جدول زیر به مقایسه RFID و بارکد پرداخته شده است.






































سیستم بارکد RFID
ارسال پیام نوری الکترومغناطیسی
حجم داده 8-128 KB 8-128 KB
حساسیت به تغییرات محیطی مهم قابل توجه
قابلیت خواندن و نوشتن فقط خواندن هر دو
موقعیت قرائتگر در مقابل carrier ارتباط بصری لازم است خط دید لازم نیست
ضد تداخل Anti-collision خیر بله


مفاهیم اولیه برچسب و قرائتگر


با توجه به شکل به طور کلی هر سیستم RFID از بخش های اصلی زیر تشکیل شده است:
1- قرائتگر RFID (Reader)
2- برچسب RFID (Tag)
3- آنتن RFID
4- شبکه کامپیوتری

RFID - شناسایی مبتنی بر فرکانس های رادیویی

آنتن RFID


آنتن های برچسب و قرائتگر، سیگنالهایی را که اجازه برقراری ارتباط را می دهند منتشر می کند. قرائتگر از طریق آنتن خود می تواند سیگنال های برچسب را دریافت کند. بنابراین آنتن باعث ایجاد ارتباط رادیویی بین قسمت ها می شود و این ارتباط رادیویی از طریق رد وبدل کردن داده ها و اطلاعات کنترلی مسیر است. شکل و اندازه آنتن با توجه به کارکرد سیستم مهم است.
فرکانس های بالاتر در باند مایکروویو سرعت بالاتر انتقال داده در برقراری ارتباط را در ازای نیاز به خط دید و حساس بودن به وجود مانع در مسیر ارسال داده فراهم می کنند. فرکانس های پایین تر انعطاف پذیری بیشتری را در ازای سرعت پایین تر انتقال داده و اندازه بزرگتر آنتن در مسیرهای با مانع دارند. آنتن ها در انواع شکل ها و طرح ها موجود هستند که هر کدام در باند فرکانسی خاصی کار می کنند که با توجه به نیازها و کاربردها می توان آنتن مناسب را انتخاب کرد.
آنتن ها از سیم مسی پیچ خورده برای فرکانس های پایین و نوار مینیاتوری مسی برای فرکانس های مایکروویو ساخته می شوند. فناوریهای تولید مدرن باعث بوجود آمدن آنتن های بهتری شدند که به قابلیت جاسازی در برچسب های کوچک را دارند.

قرائتگر RFID


قرائتگر (کارت خوان یا برچسب خوان) یک دستگاه فرستنده -گیرنده است که بخـش جمع کننده داده ها در سیستم است. قرائتگر از طریق آنتن اش انرژی فرکانسی رادیویی به محیط اطراف ساتع می کند. قرائتگر از تعدادی فرکانس مشخص با دامنه معینی از ارسال پیام، کار می کند البته برچسب هم از قبل، آدرس دهی شده است. با توجه به فـرکانس کاری، سطـح نفوذ تغییر می کند یعنی از نفوذ کامل در مانع برای فرکانس های پایین تر و تبادل محدود برای فرکانس های مایکروویو.
قرائتگر باید قابلیت تفکیک بین پیام های ارسالی از برچسب های مختلف را داشته باشد که به این مکانیزم "ضد تصادم" می گویند.
وظایف دیگر قرائتگر، تصحیح خطا و کنترل کردن parity و هم چنین مکانیزم های امنیتی اعم از رمزدار کردن و تعیین اعتبار و صحت است. قرائتگر با یک شبکه کامپیوتری (یا میزبان یا کارگزار) در ارتباط است که اطلاعات دریافتی از برچسب را به آن می دهد.

برچسب RFID


برچسب RFID در حقیقت یک مجتمع به اضافه حافظه و آنتن مربوط به خودش است که به قرائتگر اجازه خواندن یا نوشتن اطلاعات را می دهد. در حقیقت در سیستم برچسب RFID بخش آدرس گذاری شده سیستم است که انرژی قرائتگر را در فرکانس خودش دریافت می کند و امکان پردازش محلی و بازیابی اطلاعات ذخیره شده را با توجه به تقاضای مطرح شده فراهم می کند. پس مقداری از انرژی به قرائتگر باز می گردد که این انرژی حاوی اطلاعات خواسته شده از طرف قرائتگر است. در شکل زیر یک نمونه از برچسب RFID مشاهده می شود.

RFID - شناسایی مبتنی بر فرکانس های رادیویی

شبکه کامپیوتری


جزء نهایی سیستم RFID در ارتباط با یک شبکه کامپیوتری یا host است که به وسیله آن اطلاعات قرائتگر دریافت و به کاربر نهایی می رسد.



برچسب ها در سیستم RFID به دو دسته تقسیم می شود:

برچسب های فعال(Active Tags)

بـرچسب های فعـال انرژی خود را از یک باطری روی بورد داخلی تأمین می کنند. در نتیجه این برچسب ها قابلیت ارتباط با قرائتگر را در فواصل بیشتر دارند. برچسب های فعال معمولا قطعات خواندنی-نوشتنی هستند. علاوه بر این برچسب های فعال، نیاز کمتری به انرژی  دریافتی از قرائتگر را دارند و قابلیت برقراری ارتباط برای فواصل طولانی تر را دارند. با این حال عمر آنها محدود است و در مقایسه با برچسب های غیر فعال گران تر هستند. امروزه فناوری مدرن باعث دما و نویز و محدوده ارسال داده متفاوت است. برای استفاده دوباره از برچسب باید باتری تعویض شود و اگر این امکان نباشد باید برچسب را دور بیندازیم.

برچسب های غیرفعال(Passive Tags)

این برچسب ها بر خلاف برچسب های فعال و نیمه فعال انرژی خود را به وسیله القاء با آنتن از قرائتگر به دست می آورند. برچسب های فعال برای ردیابی اجسام در فواصل طولانی مناسب هستند که این باعث افزایش هزینه می شود. برچسب های غیرفعال سبک تر، کوچک تر و ارزانتر هستند اما محدوده دسترسی قرائتگر آنها کوتاه تر و بستگی به انرژی قرائتگر دارد. برچسب های غیر فعال بیشتر در معرض نویزهای الکترومغناطیسی هستند اما عمر آنها نامحدود است.

جدول زیر مقایسه ای بین دو نوع برچسب را نشان می دهد:






































مشخصات برچسب غیرفعال برچسب فعال
منبع انرژی القایی باتری
حافظه تا 288 کیلوبایت تا 288 کیلوبایت
محدوده خواندن بین 30-15 متر تا 500 متر
نرخ تبادل داده متغیر متغیر
کلاس ----- کلاس 0- فقط خواندنی

کلاس 3-یکبار نوشتن و چندبار خواندن

کلاس 4- چندبارخواندن و نوشتن
فرکانس 303,433 MHZ Low:   125-143  KHZ

High:  13,56     MHZ

Uh:     868-930   MHZ

Mw:      2,4            GHZ


فرکانس های مورد استفاده برای تبادل داده


مشخصات اکثر فرکانس های کاربردی در این بخش توضیح داده می شود. قوانین اصلی ارسال پیام رادیویی هنوز هم به کار برده می شود مگر اینکه فواصل کوتاه نسبی مطرح باشند. این نشان می دهد که سیگنال های با فرکانس پایین تر، کیفیت بهتری را در حذف موانع در طول مسیر ارسال پیام در مقایسه با فرکانس های بالاتر دارند. از طرف دیگر فرکانس های بالاتر قابلیت نرخ بالاتر انتقال داده ها را فراهم می کنند که در بعضی از کاربردها مانند خواندن اطلاعات روی برچسب ها در یک زمان محدود، حیاتی است.
به عنوان مثال در کاربرد جمع آوری خودکار عوارض از اتومبیل ها، ارسال داده از طریق RFID از قوانین فیزیکی در ارتباط با سیگنالهای با فرکانس رادیویی تبعیت می کند بنابراین پدیده هایی از قبیل انعکاس، جذب و حذف را هم داریم.
باندهای فرکانسی متعددی برای استفاده وجود دارد که در زیر این دسته بندی نشان داده داده شده است.























کاربردها خصوصیات فرکانس
کنترل دسترسی
برچسب زدن حیوانات
کنترل موجودی انبار		 دامنه خواندن کوتاه
برچسب های ارزان و هزینه کمتر
سرعت خواندن پایین تر ترویج القایی به خط دید بستگی ندارد.		 Lower band
100-500 KHZ
کنترل دسترسی
کارتهای هوشمند		 دامنه خواندن کوتاه و متوسط
برچسب های باقیمت منطقی
ترویج القایی
سرعت خواندن متوسط		 High band
10-15 MHZ
850-950 MHZ
در سیستم های جمع آوری خودکار عوارضی کاربرد دارد دامنه خواندن بالا
سرعت خواندن بالا
برچسب های گران قیمت
فقط به خط دید بستگی دارد		 Ultra high
2.4-5.8GHZ

 

در تمامی موارد بالا برچسب در معرض محیط انتشاری قرائتگر قرار می گیرد و به عنوان جزئی از سیستم فرکانس قرائتگر ؛ برچسب را تحریک می کند تا اینکه برچسب به وسیله ارسال اطلاعات به درخواست پاسخ دهد یا به طور ساده بگوییم برچسب، حضور خود را اعلام کند.

حافظه برچسب ها


فاکتور دیگری که دارای اهمیت روزافزون می باشد مقدار حافظه قابل دسترسی در برچسب ها است. این موضوع نتیجه تحولی بود که از طریق تکنولوژی VLSI صورت پذیر است. این موضوع همزمان، ظرفیت پردازش روی بورد می باشد.
مقدار حافظه قابل دسترسی در برچسب ها شامل شماره سریال از پیش تعیین شده توسط کارخانه می باشد و در بردارنده مقادیر قابل توجهی از داده برای ذخیره سازی است. در ضمن حافظه می تواند هم خواندنی و هم خواندنی- نوشتنی باشد.

تاریخچه RFID


تاریخچه RFID به دهه 40 میلادی بر می گردد. زمانی که سیستم های RFID برای تشخیص بین هواپیماهای خودی و غیر خودی استفاده می شدند. هواپیماهای خودی دارای یک Transponder بودند که یک سیگنال رادیویی یکتا را در فضا منتشر می کرد که وقتی به وسیله رادار دریافت می شد آنها را به عنوان دوست می شناخت. این سیستم شناسایی خودی و غیر خودی Identify: Friend or Foe (IFF) اساس خود را از سیستمی که امروزه ما آن را از RFID می شناسیم گرفته است. امروزه هواپیماهای مدرن هنوز از Transponder ( دستگاه گیرنده ای که به محض دریافت مخابره به طور خودکار به آن جواب می دهد.) برای شـناسـایی خودکار خود با کنـترلـرهای زمینی استفاده می کنند به این پروسـه شناسایی squawk می گویند. خیلی از افراد معتقدند که RFID در راستای توسعه بارکدهای رایج بوجود آمده است ولی با توضیحات بالا در می یابیم که RFID یک بارکد ساده نیست.

در ادامه روند توسعه RFID را از دهه 40 به بعد بررسی می کنیم.
یکی از اولین مقالات مرتبط با RFID مقاله برجستهHarry Stock man با نام ارتباط به وسیله انرژی - های انعکاسی بود که در سال 1948 منتشرگردید. چاپ این مقاله بلافاصله پس از تحقیقات راداری و رادیویی بود که در طول جنگ جهانی دوم صورت گرفته بود. هم چنین تکنولوژیهای متعددی در رابطه با RFID وجود داشت مثل سیستم های خودکار صوتی با دامنه وسیع (IFF) برای هواپیماها.
در دهه 50 میلادی تحقیقات تئوری وسیعی در زمینه تکنیک های RFID صورت گرفت و مقالات علمی قابل توجهی در این زمینه منتشر شد.
در دهه 60 میلادی محقـقان سیستم های نمونه اولیه را توسعه دادند این برچسب ها به اشیاء گرانبها در مغازه ها متصل می شد. حضور یا عدم حضور برچسب به وسیله یک دستگاه کنترل کننده بررسی می شد. کاربرد اخیر، اولین وگسترده ترین کاربرد تجاری RFID بود.
در دهه 70 میلادی، RFID مورد توجه بیشتر محققان و مؤسسات آکادمیک از قبیل مؤسسۀ مایکروویو سوئد قرار گرفت. در این دوره پیشرفت های زیادی از قبیل برچسب زدن حیوانات گرفت.
در دهه 80 میلادی، کاربردهای RFID به صورت متنوع تری توسعه یافت. سیستم ردیابی حیوانات در اروپا گسترده شد و سیستم پرداخت عوارض راهداری در کشورهای ایتالیا، فرانسه، پرتقال و نروژ به سیستم RFID مجهز گردید.
در دهه 90 میلادی، جمع آوری الکترونیکی عوارض در آمریکا قابل توجه گردید. در سال 1991 سیستم جمع آوری الکترونیکی در اوکلاهاما افتتاح گردید به طوری که وسایل نقلیه در بزرگراهها، دیگر در جایگاههای عوارضی توقف نمی کردند. در اروپا نیز علاقه قابل توجهی نسبت به کاربردهای RFID در جمع آوری عوارض در راه آهن وجود داشت. در دهه 90، با استفاده از تکنولوژی مدارهای مجتمع اندازه ها کوچکتر شد تا جایی که برچسب های مایکروویو RFID به یک مدار مجتمع تبدیل شد. اخیراً تلاش های قابل توجهی در جهت تخصیص طیف فرکانسی کشورها صورت گرفته است. پیشرفت استانداردها و معرفی بسیاری از کاربردهای تجاری در دست اجراست. هم اکنون بیش از 350 اختراع در سازمان ثبت اختراع آمریکا در ارتباط با RFID و کاربردهای آن ثبت گردیده است. درجدول زیر پیشرفت RFID از دهه 40 تاکنون نشان داده شده است.































دهه اتفاقات
1940-1950 استفاده از رادار – پیشرفت های مهم درجنگ جهانی دوم اختراع RFID در سال 1948
1950-1960 تحقیقات اولیه در زمینه RFID آزمایش های لابراتواری
1960-1970 پیشرفت تئوری RFID ،شروع استفاده از کاربردهای آن
1970-1980 اوج پیشرفت RFID ، تسریع تست های RFID ، پیاده سازی اولیهadaptor  RFID
1980-1990 کاربردهای تجاری  RFIDدر مسیر اصلی خود قرار گرفت
1990-2013 ظهور استانداردها ، RFID به طور وسیعی گسترش یافت، RFID جزء زندگی روزمره قرار گرفت.

نظرات کاربران

hasan - 2015-12-29 13:44:19
تشکر عالی اگر مطلبی در رابطه با طیف فرکانسی انعکاسی از اشیاع دارید را بفرستید
aslan - 2016-02-15 15:59:48
مطالب خوبی بود لطفا منابع رو هم بذارین ممنون