14 мая 2012
Новейшая российская технология радиочастотной идентификации
Часть 1
Ларионов Сергей Михайлович
г. Санкт-Петербург
Крошкин Александр Николаевич
г. Санкт-Петербург
1. Существующие технологии радиочастотной идентификации
Стремительное развитие производства, глобализация рынка диктует внедрение новейших технологий, позволяющих автоматизировать учет и контроль перемещения товаров и транспортных средств, оплату товаров и услуг, перемещение людей, надежную защиту производителя товаров и услуг от фальсификата.
Этому в полной мере отвечает технология радиочастотной идентификации (РЧИД), которая является одним из бурно развивающихся направлений радиоэлектроники. В области ее применения входят учет и регистрация автомобилей и железнодорожных платформ, регистрация и оплата проезда на автострадах и стоянках, маркировка грузов и багажа, прослеживание маршрутов важных грузов и объектов, системы управления доступом, скрытая электронная маркировка контейнеров и автомобилей, инвентаризация товаров на складах и т.д. Кроме этого РЧИД занимает важное место в борьбе с терроризмом и другими правонарушениями.
В настоящее время практически 100% потребности рынка, в технологии радиочастотной идентификации, обеспечиваются системами РЧИД на базе микрочиповых маркеров. Идентификация объекта в РЧИД системах производится по индивидуальному цифровому коду, записанному в микрочипе маркера. Опрос маркеров производится автоматически. В зависимости от требований к системе применяются как активные (с питанием от встроенной батареи), так и пассивные маркеры. Энергию, необходимую для формирования ответного сигнала, пассивный маркер получает по радиолинии от устройства считывания. При расстоянии порядка 10 метров между антенной считывателя и антенной маркера энергетические потери на частоте 2.45 ГГц составляют около 60 dB и для обеспечения питания микрочипа маркера от наведенной в теле антенны электро-движущей силы (ЭДС) требуется мощность накачки порядка 10 ватт, что недопустимо по существующим санитарным нормам (10мВт). Для увеличения радиуса действия системы приходится прибегать к активным (содержащим источник питания) микрочиповым маркерам. В системах с большим числом объектов, подлежащих идентификации, предпочтение отдается РЧИД с пассивными маркерами, в которых источники питания отсутствуют. Образцы пассивных и активных маркеров представлены на рис. 1.
 |
 |
Рис. 1 Пассивные и активный микрочиповые маркеры
В настоящее время широкое распространение получили РЧИД-системы низкочастотного и среднечастотного диапазонов. К главным недостаткам этих систем следует отнести малую дальность считывания кода, низкую скорость радиообмена и технологическую сложность изготовления индуктивных антенн маркеров. Переход в высокочастотный диапазон позволяет избавиться от указанных выше недостатков.
Высокочастотные маркерные устройства, как правило, предназначены для идентификации объектов на достаточно большом расстоянии (10–15 м), двигающихся со скоростью до 200 км/час. Большие расстояния считывания в высокочастотных РЧИД -системах достигаются за счет применения в устройствах считывания остронаправленных антенн и высоких мощностей запросного сигнала. В этих системах, в основном, используются маркеры, содержащие мало потребляющий чип, получающий энергию от радиосигнала, излучаемого считывателем. Стоимость оборудования высокочастотных РЧИД -систем достаточно высокая. Так стоимость устройства считывания колеблется от $4000 до $7000, а стоимость высокочастотного маркера – от $30 до $150.
Помимо перечисленных выше недостатков данных технологий существуют еще области деятельности человека, где использование микрочиповых маркеров неприемлемо либо из-за низкой устойчивости к деструктивным воздействиям (клонирование, радиационное воздействие и т.п.), либо их применение невозможно с климатической, энергетической или экономической точек зрения.
2. Технология РЧИД на базе акусто-электронных устройств
В России, начиная с 2000 года, разрабатывается и проходит опытную эксплуатацию система РЧИД с маркерами на ПАВ (поверхностная акустическая волна). В английской транскрипции RFID SAW (Radio Frequency Identification Devise Surface Acoustic Wave). Данная технология защищена патентами РФ №2176092 от 2000г., №2270517 от 2006 г. и №2336539 от 2008 г.
Одна из структурных схем ПАВ-маркера представлена на рисунке 2. ПАВ-маркер состоит из корпуса, акусто-электронного устройства и антенны. Акусто-электронное устройство представляет собой пьезоэлектрическую пластину (ниобат лития) на которой расположены встречно штыревой преобразователь (ВШП) электромагнитного излучения в поверхностную акустическую волну и обратно (ЭМИ/ПАВ – ПАВ/ЭМИ) и система отражателей, формирующих код маркера.
Рис.2 Структурная схема ПАВ-маркера
Здесь:
- антенна
- преобразователь ЭМИ/ПАВ – ПАВ/ЭМИ
- система отражателей, формирующих код
- корпус
Вышеуказанный ПАВ-маркер технологически представляет собой кристалл ниобата лития с размещенной на нем системой отражателей. Пространственное размещение отражателей является кодом маркера, а их количество определяет его разрядность. Существуют различные способы кодирования и возможность изготавливать ПАВ-маркеры, как с двоичным, так и с троичным кодом, имеющим разрядность от 8 до 96 бит. Таким образом, количество ПАВ-маркеров с неповторяющимися кодами, которые можно выпустить в обращение будет определяться формулой:
КМ = ?6 [2n - 1] + ?6 [3n - 1]
где:
- КМ – количество маркеров;
- 2,3 – двоичный или троичный код, используемый в ПАВ-маркере;
- n – битность кода;
- 6 – количество групп кодов с различной битностью.
Полученное число относится к разряду сверхбольших чисел, которое трудно представить. Например, если посчитать только количество маркеров с двоичным 32-битным кодом, то возможно более 4 млрд. комбинаций.
Особенности технологии предполагают зависимость дальности считывания ПАВ-маркеров от битности кода (потери на распространение ПАВ в кристалле ниобата лития) при прочих равных условиях. Чем меньше битность кода, тем больше дальность считывания, которая может изменяться в 1,5-2 раза. Таким образом, варируя мощностью излучения считывателя и битностью кода маркера, можно создавать системы РЧИД для идентификации объектов на больших и малых расстояниях.
Принцип работы системы РЧИД с пассивным ПАВ-маркером проиллюстрирован схематично на рисунке 3.
Рис. 3 Принцип действия ПАВ-маркера
Электро-магнитный импульс запроса в ПАВ-маркере преобразуется в поверхностную акустическую волну, отражается от механических отражателей, проходит обратное преобразование, в результате которого формируется кодовая последовательность электро-магнитных импульсов, которая принимается считывателем и идентифицирует ПАВ-маркер.
На самом деле система РЧИД с ПАВ-маркерами может работать в двух режимах: посылки импульса запроса или посылки кодов ПАВ-маркеров, записанных в памяти считывателя. Режим работы определяется предназначением системы на объекте. Если по условиям использования ПАВ-маркеров предполагается, что в зоне считывания одномоментно будет находиться только один ПАВ-маркер, то предпочтительно работать в режиме посылки импульса запроса. Это типовой режим работы систем контроля и управления доступом (СКУД). Если в зоне считывания одномоментно окажется более одного ПАВ-маркера, то создастся ситуация коллизии, когда на один импульс откликнется одновременно несколько маркеров. Для таких случаев необходимо применять режим посылки записанных кодов. В этом случае, при совпадении передаваемого кода с кодом ПАВ-маркера последний формирует мощный резонансный импульс, который фиксируется считывателем и таким образом происходит идентификация. Особенность технологии предполагает, что, во-первых, разница во времени считывания кодов между режимами не существенная, во-вторых, есть ограничение по количеству записанных кодов в памяти считывателя до 1000 кодов. Практическое применение этих режимов можно проиллюстрировать, например, когда организуется контроль за проездом автотранспорта через ворота (режим посылки импульса) и когда необходимо определить количество и наличие промаркированных ПАВ-маркерами изделий на складе (режим передачи кодов).
Продолжение следует
