Анализ развития технологии RFID и ее компонентов поможет вам наглядно представить и лучше осознать весь потенциал использования RFID сегодня и на ближайшие годы. Глава, которую мы посвятим этой теме, содержит:

• описание истории эволюции радиочастотной идентификации и основные вехи ее развития до наших дней,

• беглый обзор преимуществ, которые даст потребителям, а вместе с ними и бизнесу повсеместное внедрение технологий RFID.

Хотя историю RFID можно проследить только до 1930-х гг., технология, лежащая в ее основе, уходит своими корнями в 1897 г., когда Гульельмо Маркони изобрел радио. В RFID используются те же физические принципы, что и при радиовещании, когда по радиоволнам, представляющим собой вид электромагнитной энергии, ведутся передача и прием данных того или иного типа.

Для того чтобы лучше понять сходство этих явлений, представьте себе радиостанцию, которая транслирует голос или музыку, используя для этого передатчик. Очевидно, что эти голос и музыка представляют собой данные, которые закодированы в радиоволны определенных частот. Находящийся на расстоянии слушатель имеет приемник, который он можно настроить на декодирование передаваемых станцией данных (голос и музыка). При этом почти каждый замечал изменения в качестве приема сигнала во время поездки в автомашине. Чем дальше от передатчика, тем слабее сигнал. Расстояние (или область), которое в любом направлении может покрыть передатчик, определяется условиями среды, а также размером и мощностью антенн на каждой стороне, образующей канал связи. Если воспользоваться терминологией RFID, то получится, что передающее устройство радиостанции выполняет функцию метки, или транспондера (от слов transmitter – передатчик и responder – ответчик), радиоприемник же играет роль устройства, считывающего сигнал (запросчика). Антенны определяют предел досягаемости сигнала, или диапазон.

Эти три компонента – метка (или транспондер), считыватель (или приемник), а также антенна – являются составными частями каждой RFID-системы. Разброс по мощности, размеру, дизайну антенн, рабочим частотам, объему данных, а также различные варианты программных продуктов для управления и интерпретации данных порождают бесчисленное количество потенциальных сфер применения RFID-технологии, в которых она может использоваться для решения реальных проблем бизнеса.

В 1930-е гг. армия и флот США столкнулись с проблемой адекватного распознавания целей на земле, на море и в воздухе. В 1937 г. Исследовательской лабораторией ВМС США (U.S. Naval Research Laboratory – NRL) была разработана система опознавания «свой – чужой» (Identification Friend or Foe noun – IFF), позволявшая отличать вражеские объекты от дружественных, таких как самолеты союзников. Начиная с конца 1950-х гг. эта технология легла в основу действующих во всем мире систем управления воздушным движением. До того времени из-за высокой стоимости и немалых размеров компонентов первые случаи применения радиоидентификации в основном ограничивались военными исследовательскими лабораториями и крупными промышленными предприятиями. Но даже те дорогие и объемистые стойки с аппаратурой были ранними предвестниками современной RFID. Фотографии элементов системы опознавания «свой – чужой» в сравнении с типичными современными RFID-комплектующими представлены на рис. 2.1[9].

^{Рис. 2.1. Элементы системы опознавания «свой – чужой» (слева) и современные (активные) RFID-комплектующие (справа)}

Однако появление RFID в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, и превращение ее в объект широкого коммерческого внедрения произошло только после разработки более компактных и эффективных с точки зрения за-трат технологий, таких как интегральные схемы (ИС), программируемые модули памяти, микропроцессоры, современные программные продукты и языки программирования.

В конце 1960-х – начале 1970-х гг. такие компании, как Sensormatic и Checkpoint Systems предложили новые способы использования RFID в менее сложных и более распространенных практических приложениях. Эти фирмы начали разработку оборудования для системы Электронного слежения за товарами (electronic article surveilance – EAS) для предотвращения краж одежды в универмагах и книг в библиотеках. Первые коммерческие системы RFID, известные также как системы с одноразрядными (1-битовыми) метками, были весьма недороги в создании, внедрении и техническом обслуживании. Метки не требовали питания от батареек (т. е. были пассивны) и просто крепились на предметы, чтобы поднять тревогу, когда их проносили мимо считывателя, который обычно располагался у выхода и был призван обнаружить наличие метки.

^{Рис. 2.2. Основные этапы в начале развития RFID}

В 1970-е гг. в обрабатывающей промышленности, животноводстве и на транспорте начались исследования и разработки проектов использования RFID-систем на базе ИС. В центре внимания оказались такие сферы применения, как промышленная автоматизация, опознание животных и слежение за транспортом. В этот период метки на базе ИС продолжали развиваться и обрели память с возможностью записи, более высокую скорость считывания и больший радиус действия. Многие приложения RFID строились по частным проектам и не давали выигрыша в сравнении с подходами на базе стандартов.

В начале 1980-х гг. более развитые технологии RFID стали применяться для таких целей, как идентификация железнодорожных вагонов в Соединенных Штатах или отслеживание сельскохозяйственных животных на фермах в Европе. RFID-системы использовались также при изучении дикой природы – для маркировки экзотических или исчезающих видов, например рыб, и слежения за ними при минимальном вторжении в их природные местообитания.

В 1990-х гг. популярность по обе стороны Атлантики приобрели электронные системы сбора платежей, а их коммерческое внедрение было проведено в Италии, Франции, Испании, Португалии, Норвегии и США (в Далласе, Нью-Йорке, Нью-Джерси). В этих системах была предложена более сложная форма контроля доступа, поскольку они включали еще и платежные механизмы.

В 1990 г. несколько региональных агентств по сборам платы за проезд по частным дорогам на северо-востоке США объединили свои усилия, создав межведомственную группу E-ZPass Interagency Group (IAG) и разработав согласованную Электронную систему сбора платы за проезд по частным дорогам для всего региона. Этот шаг стал заметной вехой на пути создания стандартов взаимодействия на уровне приложений. До этого большая часть усилий по стандартизации была сосредоточена только на технических аспектах, таких как рабочая частота и протоколы обмена данными с аппаратурой.

В системе E-ZPass одной метке соответствует один расчетный счет на автомобиль. Помеченная машина имеет доступ на автострады различных собственников, при этом ей не нужно останавливаться у киосков сборщиков платежей. E-ZPass позволила сделать поток транспорта более равномерным, а также заметно сократила затраты труда на взимание платы и обработку наличности.

Примерно в это же время большую популярность приобрели ключи на базе RFID-карт, которые пришли на смену таким традиционным механизмам контроля доступа, как металлические ключи и замки с секретными комбинациями. Эти так называемые бесконтактные смарт-карты хранили сведения о владельце и позволяли, тем самым, реализовывать более персонифицированный метод контроля доступа, который к тому же недорого создать и запрограммировать. Сравнение самых распространенных вариантов контроля доступа с RFID-контролем приведено в таблице 2.1.

_{Таблица 2.1. Сравнение различных вариантов контроля доступа}

Поддержка RFID-технологий контроля доступа со стороны потребителей продолжает расти. Уже около десяти лет радиометки служат для управления системой зажигания транспортных средств, что в результате привело к существенному снижению числа угонов, а совсем недавно ряд фирм-производителей автомашин снабдил их RFID-системами, которые напрямую контролируют доступ в салон и багажник автомобиля.

^{Рис. 2.3. Этапы развития: 1960-е – 1990-е гг.}

Историки и эксперты в области технологий в целом разделяют тезис о том, что от создания технологии до ее коммерческого использования проходит от 20 до 30 лет, а через 40–50 лет она достигает вершины развития. Аналогично радио и телевидению, транзисторам и компьютерам RFID-технология в первые 30 лет после создания довольно слабо использовалась. Затем, после затянувшегося инкубационного периода, произошел всплеск, кульминацией которого стали полная коммерциализация RFID и соответствующие изменения в жизни миллионов людей по всему миру. Теперь RFID находится на грани очередного заметного эволюционного поворота, который снова изменит образ жизни граждан и деятельность корпораций в мировом масштабе[11].

В истории известно также немало примеров того, что новые примеры творческого применения технологий, в том числе и RFID, возникают, когда спрос на их внедрение начинает диктоваться экономическими причинами. Во время войны жизненно необходимой была технически реализованная к тому моменту система опознавания «свой – чужой». Спустя 20 лет аналогичные технологии стали использоваться в системах управления воздушным движением. Сегодня стимулом к разработке и внедрению новых RFID-приложений явились удобство, экономическая выгода и перспективы межсистемных взаимодействий.

Хотя технология, положенная в основу RFID, существует уже с тех пор, как на заре XX века Маркони изобрел радио, мы лишь недавно в полной мере задействовали потенциал ее приложений. Начало XXI века стало точкой роста RFID-систем, так что сейчас мы входим в новую волну инноваций в деле использования RFID, которая изменит нашу повседневную жизнь еще больше.

Оставшаяся часть книги будет посвящена обсуждению элементов, необходимых для успешного создания и внедрения RFID-приложений. Детальное описание самых распространенных компонентов, используемых при каждом развертывании RFID, откроет следующую главу.

3. Компоненты RFID-систем

Коротко говоря, радиочастотная идентификация заключается в обнаружении и идентификации помеченного объекта по данным, которые пересылает[12] этот объект. Для RFID требуется метка (транспондер), считыватель (ридер) и антенны (устройства связи), размещенные на каждом конце системы. Считыватель обычно подключен к хост-компьютеру или другому устройству, обладающему достаточным «интеллектом» для дальнейшей обработки данных, поступающих с метки, и выработки ответной реакции. Хост-компьютер нередко является частью большой сети предприятия и в ряде случаев имеет подключение к Интернету. Такая базовая архитектурная единица может найти применение во всем спектре решений с использованием RFID, как сложных, так и простых. К примеру, в магазине одежды, где на продаваемые товары крепят радиометки, при обнаружении метки считывателем просто звучит тревожный сигнал. На другом конце «шкалы сложности» находится развитое приложение для поддержки цепочки поставок, в котором обнаружение паллеты с коробками кукурузы, выгружаемой на товарный склад супермаркета, приводит к обновлению сведений о запасах и целому ряду других действий. Производится также обновление данных в финансовой системе организации с целью возможной оплаты выставленных счетов, а сотрудникам склада уходит уведомление о пополнении запасов на полках, производителю – возможно, по Интернету или посредством подключения по EDI-протоколу обмена данными (Electronic Data Interchange) – подтверждение того, что отгруженный им товар был получен.

Один из ключевых элементов функционирования RFID – передача данных в системе. Она осуществляется посредством соединения метки и считывателя с помощью антенн на каждой стороне (т. е. радиосвязи), как показано на рис. 3.1.

^{Рис. 3.1. Связь метки, считывателя и антенны}

Связь радиометка – считыватель в большинстве RFID-систем может быть как электромагнитной (backscatter), так и магнитной (индуктивной). Метод, используемый в конкретной системе, зависит от таких требований, как стоимость, размеры, скорость, дальность считывания и точность. К примеру, дальность считывания в RFID-системах с индуктивной связью обычно невелика и измеряется в дюймах. Системы такого типа используются главным образом в приложениях, где нужен именно малый диапазон, скажем, в контроле доступа. В этом случае метка отключит блокировку дверного замка с RFID, только если ее поднести непосредственно к считывателю; если же мимо этого считывателя у двери по коридору пройдет человек, у которого метка может оказаться в бумажнике или сумке, система это проигнорирует.

Элементом, обеспечивающим связь метки и устройства считывания сигнала, служит антенна. И метка, и считыватель имеют свои антенны.

Другим важным атрибутом системы RFID является рабочая частота связи считывателя и метки. Выбор конкретной частоты зависит от таких требуемых параметров приложения, как скорость, точность, условия среды, а также стандарты и нормативы, которые регламентируют работу данного приложения. Скажем, RFID-приложения для отслеживания животных работают в частотном диапазоне 134.2 кГц, выбранном согласно принятым стандартам и нормативам.

Что такое модуляция с обратным отражением?

В основе одного из распространенных вариантов коммуникации метки и устройства считывания сигнала лежит физический принцип, известный как модуляция с обратным отражением. Во время сеанса связи считыватель посылает сигнал (порцию энергии) метке, которая отвечает, отражая часть этой энергии обратно на считыватель. Добиться такого отражения позволяет находящийся в метке конденсатор или иное устройство – накопитель заряда. Конденсатор заряжается, сохраняя в себе энергию, которую передал считыватель. При отклике метки эта энергия используется для обратной передачи сигнала, конденсатор в процессе этого разряжается.

Хотя идентификация и сбор данных возложены на аппаратные компоненты, за управление и манипулирование данными, пересылаемыми по каналам «метка – считыватель» и «считыватель – компьютер», отвечает программное обеспечение приложения RFID.

Различные компоненты RFID-системы и их взаимосвязь в процессе работы показаны на рис. 3.2.

^{Рис. 3.2. Компоненты RFID-системы}

В следующих разделах мы опишем три общие аппаратные составляющие, которые присутствуют во всех системах RFID, – метки, считыватели и антенны.

Метка, именуемая также транспондером (от слов transmitter – передатчик и responder – ответчик), содержит данные, передаваемые на считыватель, когда тот ведет опрос метки. Самые распространенные на сегодняшний день метки содержат интегральную схему (ИС) с памятью, т. е., по сути, представляют собой микропроцессорный чип (рис. 3.3). Все прочие метки являются безмикросхемными и интегральных схем также не содержат. Безмикросхемные метки наиболее эффективны в тех приложениях, где от них требуется лишь небольшой набор функций, хотя при этом они могут показывать высокую точность и лучшие показатели дальности опознания при возможно меньших затратах, чем их аналоги, содержащие микросхемы. Здесь и до конца книги термин «метка» будет служить для обозначения меток на базе ИС. Если нам нужно будет описать, метки, не содержащие микросхем, мы будем это оговаривать особо.

В процессе опроса метки производится считывание и пересылка данных из ее памяти. При этом метка может совершать как простейшие действия (чтение/запись из памяти/в память), так и иные манипуляции данными. Память метки может быть доступной только для чтения (read-only – RO), однократной записи и многократного считывания (write once-read many, WORM) или допускающей перезапись (read-write – RW). Возможность записи в память, как правило, повышает стоимость метки, но при этом расширяет ее способность выполнять более сложные операции. Вместе с тем в метке, имеющей память только для чтения, отсутствует риск случайной или умышленной перезаписи данных.

^{Рис. 3.3. Типичная пассивная метка (слева) и фрагмент схемотехники метки (справа)[13] (Фотографии любезно предоставлены Texas Instruments Incorporated (слева) и Celis Semiconductor Corporation (справа))}

Типы меток

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются пассивные метки. Они имеют удобные форм-факторы[14] и могут производиться по очень низкой цене, отчасти благодаря тому, что не нуждаются в батарее питания. В метке такого рода используется энергия электромагнитных волн, которые испускает считыватель. На сегодняшний день внедрено немало решений, где применяются пассивные метки, включая системы отслеживания животных, управления активами, промышленной автоматизации, электронного слежения за товарами, а также приложения, обеспечивающие контроль доступа.

Активная метка, в отличие от пассивной, имеет батарею питания, снабжающую ее энергией и позволяющую работать с большей точностью и дальностью считывания, производить более сложный информационный обмен и задействовать более развитый набор возможностей обработки. Благодаря наличию собственного источника такие метки могут передавать данные, не требуя, чтобы считыватель снабжал их энергией (заряжал). Однако из-за наличия батареи активные метки имеют ограниченный срок службы. Один из самых распространенных вариантов их применения – удаленное слежение за высокоценными или дорогостоящими объектами, к примеру, маркировка вооружений и контроль военных поставок по всему миру. Впрочем, активные метки используются и многими коммерческими приложениями, в которых условия среды и потребности самих приложений вынуждают делать выбор в пользу более надежной связи меток и считывателей.

Кейсы[15], приведенные в приложении A, служат иллюстрацией того, как одна и та же технология активных радиометок производства Savi Technology нашла военное и (независимо от него) гражданское коммерческое применение при работе в крайне сложных условиях внешней среды.

Существует также класс так называемых полуактивных, или полупассивных, меток (название которых меняется в зависимости от предпочтений производителя). Для питания микросхемы и выполнения элементарных задач метки такого типа пользуются энергией из находящейся в них батареи питания. Однако для «пробуждения» и накопления энергии на передачу данных на считыватель они используют его электромагнитное поле. С 1980-х гг. эта категория меток нашла широкое применение в системах электронного сбора пошлин и платежей. Батареи питания таких меток обычно служат несколько лет, так как энергия расходуется только при активации и пребывании метки в зоне видимости считывателя.

Корпуса меток

Существенную роль в создании RFID-приложений играет корпусировка радиометок. Поскольку метка может потребовать внедрения или крепления на объектах, различных по габаритам, форме и материалу поверхности, корпус, в котором она содержится, в немалой степени определяет ее полезные свойства.

Размеры корпуса метки часто определяются размерами и формой ее антенны. Современные технологии сделали возможным производство гибких радиометок, известных также как смарт-этикетки (smart labels). Работает такая метка как привычная этикетка на клеящейся основе и часто в дополнение к встроенной радиометке содержит отпечатанный традиционный штрих-код.

Смарт-этикетки крепятся на объекты и используются в таких приложениях, как переработка багажа или отслеживание объектов. Среди гибких меток есть даже метки со встроенной батареей. Они называются активными смарт-этикетками (smart active labels, SAL). Подробнее технологию SAL мы обсудим в главе 11.

Помимо этого, метки могут встраиваться в целый ряд прочих объектов, включая:

• пластиковые карты автоматической системы расчетов,

• ключи от автомобиля и брелки для управления доступом,

• стеклянные имплантаты для введения под кожу человека или животных,

• нерастворимые капсулы для введения в желудок животных,

• метки, подшиваемые к этикеткам предметов одежды,

• прочие специализированные типы радиометок для отраслевых приложений.

Объем памяти меток

Память метки – чрезвычайно важный элемент RFID-системы на базе ИС. Правильное планирование и расход памяти могут существенно расширить функциональные возможности приложения. В ряде примеров использования RFID в рамках цепочек поставок, например при отслеживании скота, память метки может изначально хранить уникальный идентификатор объекта. Впоследствии на любом этапе цепочки поставок данные в ней могут обновляться, храниться и считываться. В описанном приложении к таким данным можно отнести: историю болезни животного, количество произведенных телят, дату и место передачи прав собственности, вес на момент продажи и пр.

Конфигурации памяти меток могут серьезно меняться с учетом стоимости и физических требований. В случае EAS (электронного слежения за товарами) метка, по сути, имеет 1 разряд (1 бит) памяти и относительно низкую стоимость по сравнению с метками, в которых емкость памяти больше. Такие метки не содержат уникальных идентификаторов и служат лишь для того, чтобы сигнализировать о своем присутствии при попадании в поле, которое контролирует считыватель. Если не брать в расчет 1-битовые метки, то обычно объем памяти может меняться от 16 бит до сотен килобит для ряда активных меток. Размер памяти, имеющейся на метке, определяется потребностями приложения и/или соответствующими стандартами или нормативными документами. Так, благодаря ожидаемому принятию стандартов EPCglobal по всему миру объем памяти пассивных меток следующих поколений составит 2 килобита и даже больше.