RFID – Radio Frequency Identification: Technologie RFID v kostce
Zveřejněno: 31. 8. 2022 | Doba potřebná k přečtení: 9 minut
Rychlá a jednoduchá identifikace je v dnešní době extrémně důležitým tématem v celé řadě oblastí. Například zajišťuje, aby se do určitých kancelářských prostor nebo výrobních provozů dostaly pouze oprávněné osoby. Pro spolehlivou kontrolu a přidělování oprávnění k přístupu se používají mj. takzvané RFID čipy.
Ale technologie RFID toho dokáže ještě mnohem více. Mohou jí být vybaveny také předměty nebo produkty. Například nezaplacené zboží díky ní nelze nepozorovaně vynést z obchodu. Ale také v automobilovém průmyslu je technologie RFID hojně využívána, například k efektivnímu zabezpečení proti neoprávněné jízdě nebo k optimalizaci výrobních procesů. RFID systémy se využívají dokonce i u zvířat. Lze tak velmi rychle najít majitele zatoulaných psů nebo koček. Níže vám vysvětlíme, jaká technika se za čipy RFID skrývá a jak přesně funguje.
Označení RFID pochází z angličtiny a jedná se o zkratku pro Radio Frequency Identification. Volně přeloženo přibližně „identifikace na rádiové frekvenci“. Tedy identifikace, která pracuje s pomocí elektromagnetických vln.
Protože jsou tímto způsobem relevantní data přenášena bezdrátově, není nezbytný přímý kontakt, jak je tomu například při načítání dat z paměťové karty.
Díky této bezdotykové technologii lze uskutečnit celou řadu procesů v průmyslu, v obchodě nebo také v oblasti logistiky mnohem jednodušeji a laciněji.
Pro efektivní používání technologie RFID jsou zapotřebí různé hardwarové komponenty.
Čtečka RFID
Srdcem systému RFID je čtečka RFID, resp. RFID Reader, s níž může být provozováno mnoho RFID transpondérů. Čtečka může být namontovaná stacionárně a může provádět například spínací funkce u elektrického otevírače dveří nebo u turniketu.
Zaznamenané přístupové údaje vč. data a času lze v případě potřeby uložit, zaprotokolovat a dále zpracovávat také přes interní databázi nebo externě připojený systém (počítač). Existují ale také mobilní čtečky RFID, které načtené informace z transpondéru zobrazují na displeji. Čtečky RFID se částečně používají také pro přenos potřebných dat na RFID transpondér.
RFID transpondéry
Název transpondér vznikl zkombinováním slov „transmit“ (předávat) a „responses“ (odpovídat). A přesně to také transpondéry dělají: Jako odpověď předávají informace, které v sobě mají uložené.
Transpondér tedy představuje mobilní datový nosič. Je označován také jako „RFID tag“ nebo hovorově jako „RFID čip“, resp. zkráceně jen „čip“. Kapacita paměti transpondéru závisí na účelu použití. U jednoduchých systémů plně dostačuje několik málo bytů. Naproti tomu u komplexnějších systémů může paměť transpondéru dosahovat až 100 kB.
Na účelu použití závisí též konstrukční tvar a kapacita paměti. Existují například RFID tagy, resp. transpondéry jako paměťové karty, EC karty, přívěsky na klíče, kabelové příchytky, montované díly, samolepicí RFID etikety (Smart Labels, resp. RFID labels) nebo také exempláře o velikosti zrnka rýže. Poslední jmenované RFID tagy jsou implantovány pod kůži psům, kočkám nebo také zvířatům v zoologických zahradách za účelem jejich identifikace.
Abychom pochopili, jak RFID systémy fungují, musíme se nejprve podrobněji podívat na funkce různých komponentů, resp. na jednotlivé kroky při načítání.
Funkce čteček RFID
Čtečka vytváří za pomoci vysokofrekvenčního modulu a antény RFID (cívky) elektromagnetické střídavé pole. Frekvence, které se k tomu využívají, se liší jak v rámci jedné země, tak i mezinárodně.
V evropském prostoru se přednostně využívají frekvence v pásmu dlouhých vln (Low Frequency) 125 kHz a 135 kHz.
Pokud se používá pásmo krátkých vln (High Frequency), pracují RFID systémy s frekvencí 13,56 MHz.
V pásmu (Ultra High Frequency) jsou k dispozici frekvence 868 MHz.
Pro různé mýtné systémy se využívají ještě vyšší frekvence v pásmu (Super High Frequency) 2,45 GHz a 5,8 GHz.
Se zvyšující se frekvencí se zvyšují dimenzované rychlosti a tím také objemy dat, které lze načíst. V závislosti na různých frekvencích RFID a způsobů provozu se ale mohou zvyšovat také možné dosahy – ty se pohybují od 1 cm do 30 m nebo ještě výše.
Funkce RFID transpondéru
Pasivní transpondér (viz obrázek) je v zásadě paměťový čip (1), který je vybavený cívkou (2) a kondenzátorem (3). Pokud jde o kombinaci tvořenou cívkou a kondenzátorem, odborníci vždy hovoří o oscilačním obvodu. Indukčnost cívky, stejně jako kapacita kondenzátorů určují rezonanční frekvenci, na níž oscilační obvod pracuje, resp. osciluje. Přes transpondérovou cívku probíhá napájení a výměna dat s cívkou ve čtečce RFID.
Na rozdíl od pasivního transpondéru, který nemá žádný vlastní zdroj energie, disponuje aktivní transpondér vlastním zdrojem energie v podobě baterie. Ta se aktivuje pouze během procesu načítání.
Semi-pasivní transpondéry mají rovněž zdroj energie, který ovšem slouží pouze k napájení mikročipu. K odesílání uložených dat se, podobně jako u pasivního transpondéru, používá energie přenesená z čtečky.
Rozpoznávání RFID transpondéru
Pokud je transpondér vystaven elektromagnetickému poli čtečky RFID, začne oscilační obvod v transpondéru oscilovat na své rezonanční frekvenci. Transpondér přitom prostřednictvím indukční vazby odebírá energii magnetickému poli. Tuto energii využívá k napájení pasivní RFID transpondér.
Současně vede pokles energie ve střídavém poli k tomu, že čtečka rozpozná transpondér a že se dotáže na data transpondéru. Tento proces trvá pouhých několik zlomků sekundy.
Protože pasivní transpondér požaduje od čtečky výrazně více energie než aktivní transpondér, musí být intenzita pole odpovídajícím způsobem vysoká, resp. vzdálenost od cívky čtečky odpovídajícím způsobem nízká.
RFID rezonanční frekvence
Aby čtečka RFID rozpoznala transpondér, musí střídavé magnetické pole aktivně povzbuzovat oscilační obvod v transpondéru k oscilaci. To je možné, jen pokud oba systémy pracují na stejné frekvenci. Díky výrobním tolerancím ale mají transpondéry nutně mírně odlišné rezonanční frekvence. Proto není vysílací frekvence čteček pevně daná. Namísto toho se pracuje s frekvenčním rozsahem, kterým vysílací frekvence neustále probíhá. Díky tomu jsou spolehlivě rozpoznány všechny transpondéry, které patří k systému.
Přenos dat prostřednictvím RFID
V případě 1bitových transpondérů, které se používají například k zabezpečení zboží, není přenos dat potřeba řešit. Zprostředkovává se totiž pouze informace Ano/Ne. Pokud je nutné přenést více dat, přicházejí v úvahu tři různé způsoby:
Plně duplexní provoz (FDX):
Data lze současně přenášet v obou směrech. Čtečka přitom zajišťuje nepřetržitý přenos energie k transpondéru. Tento přenos dat je srovnatelný s telefonií, kde lze současně hovořit a poslouchat.
Poloduplexní provoz (HDX):
Data jsou v obou směrech přenášena střídavě. Také u této metody zajišťuje čtečka nepřetržitý přenos energie. Tento postup se uplatňuje u vysílaček, kde lze buď mluvit, nebo poslouchat.
Sekvenční provoz (SEQ):
Na rozdíl od plně duplexního a poloduplexního provozu se při sekvenčním provozu přenos energie v rychlém sledu zapíná a vypíná (pulzní provoz). Přenos dat z vysokofrekvenčního transpondéru do čtečky pak probíhá vždy v přestávkách mezi pulzy.
Přenos dat z čtečky do transpondéru byl označen jako „downlink“. Přenos dat z transpondéru do čtečky byl definován jako „uplink“.
Dosahy RFID
Jak už jsme zmínili, má systém RFID poměrně velký dosah až 30 metrů, přičemž teoreticky by byly možné ještě vyšší hodnoty. Různé hodnoty závisejí kromě intenzity pole a typu transpondéru (pasivní, semi-pasivní nebo aktivní) také na metodě spárování.
Close Coupling
Při této metodě lze ve frekvenčním pásmu do 30 MHz počítat s dosahem asi 1–2 cm. Díky úzké vazbě mezi transpondérem a čtečkou lze pracovat s malými intenzitami pole. Kromě toho je menší dosah výhodou, pokud jsou dotazována bezpečnostně relevantní data, jako jsou například oprávnění k přístupu. Spárování může probíhat buď jako indukční, nebo jako kapacitní.
Remote Coupling
Systémy Remote Coupling patří mezi nejčastěji používané aplikace RFID. Pasivní transpondéry pracují s indukční vazbou na čtečku. Dosahy jsou závislé na maximálních přípustných vysílacích výkonech čteček a činí 1–3 m. Frekvence používané pro Remote Coupling se přednostně pohybují v dolním frekvenčním rozsahu 100–135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz a 27,125 MHz.
Long Range Coupling
Systémy Long Ranges umožňují s pasivními transpondéry dosah 3 m. S aktivními transpondéry činí dosah asi 30 m nebo ještě více. K tomu se používají vysoké frekvence v pásmu 434 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz nebo 5,8 GHz. Kvůli vysokému dosahu a poměrně rychlému přenosu dat se tyto systémy ideálně hodí mimo jiné například pro elektronický výběr mýta.
Upozornění:
Některé aktivní transpondéry pracují při procesu načítání s různými frekvencemi. Zatímco se na čtečce pro přihlášení používá 135 kHz, následný přenos dat probíhá na 2,4 GHz. Tato funkce nicméně také musí být podporována čtečkou.
Důvodem, proč se řešení RFID a projekty RFID v Průmyslu 4.0 čím dál více rozšiřují, je ostatně kombinace jednotlivých zásadních výhod:
Rádiové spojení
Díky rádiovému spojení není zapotřebí přímý vizuální kontakt. Záznam lze provádět skrz obalový materiál nebo plachtu nákladního vozidla. Dokonce i více jednotlivých produktů na jedné paletě, každý s vlastním RFID transpondérem, lze zaznamenat jedním jediným naskenováním.
Robustní a spolehlivé transpondéry
Protože pasivní transpondéry vystačí bez vlastního napájení, odpadají starosti o akumulátory nebo baterie. Díky tomu je možný provoz po několik let, nebo dokonce desetiletí. Tyto transpondéry jsou navíc bezkonkurenčně cenově výhodné.
Vysoká flexibilita systému
Systémy RFID lze perfektně přizpůsobit příslušnému zadání a místu použití. Použití různých frekvencí a různých konstrukčních provedení u čteček a transpondérů umožňuje v tomto ohledu téměř neomezené možnosti.
Zvýšená bezpečnost
Protože jsou bezpečnostně relevantní data a informace dnes přenášeny v zašifrované podobě, nelze RFID čipy tak snadno odposlouchávat nebo kopírovat.
Enormní objem dat
Na rozdíl od čárového kódu dokážou transpondéry poskytnout mnohem větší množství dat pro světově unikátní elektronický kód produktu (EPC). Další výhoda: Data mohou být vyhodnocena a dále zpracována prostřednictvím navazujících IT systémů.
Dnes už neexistuje snad žádná oblast, kde by systémy RFID nenašly uplatnění. Bez ohledu na to bychom zde přesto rádi zmínili hlavní oblasti, ve kterých se rádiové transpondéry nejlépe osvědčily.
Zabezpečení zboží
Provozovatelé obchodů čelí obrovskému problému. Ne všichni zákazníci totiž zaplatí zboží, které si odnášejí domů. Pro zabezpečení zboží a znesnadnění krádeží se používají tzv. 1bitové transpondéry. Tyto poměrně laciné transpondéry mají relativně jednoduchou konstrukci a díky jejich tvaru je možné je snadno umístit na zboží tak, aby zůstaly skryté. Cívky ve čtečkách u východu pak okamžitě zjistí, zda byl transpondér po zaplacení deaktivován. Jinak se při odchodu z obchodu spustí alarm.
Kontrola přístupu
Zejména v oblasti kontroly přístupu nabízí technologie RFID spoustu individuálních možností. Je díky nim možné kontrolovat a spravovat jednotlivé místnosti nebo také celé budovy. V případě on-line systémů jsou čtečky propojené s centrálním počítačem, který disponuje databází s potřebnými informacemi. Uvnitř této databáze pak lze udělovat oprávnění k přístupu nezávisle na transpondéru. V případě off-line systémů jsou údaje pro oprávnění k přístupu ukládány přímo do transpondéru. Naprogramování transpondéru se provádí předem, prostřednictvím centrální stanice.
Logistika
Asi největší potenciál technologie RFID se projevuje v odvětví logistiky a vedení skladu. Přestože jsou v této oblasti nadále silně rozšířené čtečky čárových kódů, technologie RFID se zde prosazuje čím dál silněji. Bezdotykový záznam dat totiž nevyžaduje velkou námahu dokonce ani u poměrně velkých dodávek zboží.
To přináší významné usnadnění práce speciálně pro výrobce potravin, kteří podle předpisů EU odpovídají za zpětnou sledovatelnost svých produktů.
Celosvětové sledování zboží je ostatně navzdory Electronic Product Code (EPC) stále ještě velkou výzvou, protože se od sebe v různých zemích používané systémy a frekvence výrazně liší a nejsou vzájemně kompatibilní.
Lokální a dálková doprava
Speciálně ve veřejné lokální dopravě nabízí RFID technologie mimořádné výhody. Pokud lze platit prostřednictvím transpondéru, není potřeba mít po ruce drobné a automaticky se odečte správná částka. Dopravci nemusejí tisknout jízdenky a také vyúčtování probíhá rychleji a jednodušeji. Dokonce i na letištích se RFID tagy starají o správné přiřazení zavazadel.
Akce
RFID systémy se hojně využívají při akcích, a to hned několika způsoby. Například při velkých sportovních událostech, jako je třeba mistrovství světa ve fotbalu, jsou vstupenky vybavené RFID transpondérem, na kterém je uložené pořadové číslo.
RFID čipy umožňují také měření času jednotlivých sportovců. Například při biatlonu si můžeme všimnout, jak atleti těsně před cílem natahují kroky, aby transpondér na jejich noze co nejdříve prošel cílovou čárou (tedy aby ho co nejdříve zachytila anténa čtečky).
Také při automobilových závodech pomáhají RFID transpondéry při přesném zaznamenávání počtu kol, časů na kolo a mezičasů. Tuto chytrou techniku používají dokonce i modeláři.
Zdravotnická technika
Také v humánní medicíně si RFID upevňuje své postavení. Oblast použití sahá od rozlišování mezi originálními a falšovanými léky, management lůžek v nemocnicích až po náramky pacientů a RFID čipy se snímači glukózy pro pohodlné měření hladiny cukru v krvi. Ostatně, čipy vybavené chirurgické nástroje a další pomůcky používané při operacích zamezují tomu, aby tyto díly při operaci omylem zůstaly uvnitř těla. Stačí jeden sken před uzavřením operačního pole, a vše je hned jasné.
Správa dokumentace
I v digitálním věku lze v ordinacích, kancelářích či na úřadech nadále najít dokumenty, podklady a akta v papírové formě.
Pomocí samolepicích RFID etiket lze přehledně spravovat, ale také skartovat a archivovat tyto dokumenty, resp. všechna ostatní materiální média.
Zejména v případech, kdy jsou čtečky integrované přímo v mobiliáři. Dokonce i čas vynaložený na kontrolu, posouzení a zpracování příslušných podkladů lze díky chytré technologii RFID přesně zaznamenat a vypočítat.
To by bylo jen několik příkladů z neustále se rozšiřující množiny aplikací RFID systémů.
RFID a NFC (Near Field Communication) jsou často zmiňovány ve stejném kontextu. Důvodem je skutečnost, že v případě NFC systémy odesílání a příjmu rovněž pracují s RFID protokoly a že umožňují výměnu dat v blízké oblasti v řádu několika centimetrů. Dokonce i frekvence 13,56 MHz je stejná. Je tu ovšem jeden velký rozdíl: RFID představuje v zásadě systém otázka-odpověď. Naproti tomu NFC nabízí více než jen čtení NFC tagů. Jedná se o metodu spárování, při níž spolu dva systémy komunikují a vyměňují si data nebo obrázky. Dnes už je celá řada chytrých telefonů vybavená funkcí NFC pro bezhotovostní platby.