System ochrony pomieszczenia w oparciu o tagi RFID

Jedną z bardziej pożądanych cech domowych systemów monitoringu i ochrony jest prostota instalacji oraz użytkowania. Nowoczesne systemy tego typu muszą opierać się o rozwiązania bezprzewodowe, aby ograniczyć koszt i pracochłonność ich montażu oraz konieczność ingerencji w strukturę budynku. Do głównych zadań takiego systemu należy detekcja nieuprawnionego dostępu do określonych pomieszczeń lub obiektów, takich jak np. sejfy.

Do konstrukcji tego typu systemów wykorzystać można kamery rejestrujące i analizujące nagrywany sygnał, wymaga to jednak implementacji zaawansowanych algorytmów przetwarzania obrazu, które z kolei potrzebują dużej mocy obliczeniowej. Rejestracja obrazu generuje również problemy związane z bezpieczeństwem przechowywanych danych i wynikającymi z tego zagrożeniami dla prywatności lokatorów budynku.

Zastosowanie konwencjonalnych czujników ruchu pozwala na eliminację problemów związanych z prywatnością, do poprawnej pracy wymagają one jednak ciągłego zasilania, konieczny jest również montaż odpowiednich obwodów sterujących, co zwiększa koszt całego systemu.

Innym sposobem na rozwiązanie tego problemu może być wykorzystanie technologii RFID. Do największych zalet tej koncepcji należą niski koszt podzespołów, brak konieczności zasilania czujników oraz łatwość instalacji.

Technologia RFID

Technologia RFID (Radio Frequency IDentification) to ogólne określenie opisujące systemy identyfikacji obiektów za pomocą fal radiowych. W zależności od wykorzystywanego standardu, system RFID pozwala na jedno- lub dwustronną komunikację pomiędzy układem aktywnym (czytnikiem/nadajnikiem RFID) a układem odbiornika, przechowującym w pamięci określoną informację. Odbiorniki (tagi) RFID podzieli można na kilka kategorii, ze względu na sposób zasilania oraz zapisu danych.

Ze względu na sposób zasilania wyróżnia się następujące rodzaje tagów RFID:

• pasywne – nie posiadające własnego zasilania, do pracy wykorzystujące energię fal radiowych przesyłanych przez czytnik. Charakteryzują się stosunkowo krótkim zasięgiem oraz najniższą ceną,
• pół-pasywne – stanowią kombinację tagów aktywnych i pasywnych. Posiadają źródło zasilania, które służy jednak jedynie do zasilania wbudowanego w tag układu scalonego, nie jest zaś wykorzystywane do generacji sygnału radiowego. Ich zalety to czułość wyższa niż w przypadku układów pasywnych i żywotność dłuższa niż w przypadku układów aktywnych,
• aktywne – posiadają własne źródło zasilania, dostarczające energii potrzebnej zarówno do pracy układu scalonego, jak i do emisji fal radiowych. Posiadają zazwyczaj większą pamięć oraz zdecydowanie dłuższy zasięg. Ich wadą jest ograniczona żywotność baterii.

Ze względu na sposób zapisu danych wyróżnia się następujące rodzaje tagów RFID:

• tagi RO (Read Only) – układy tylko do odczytu, bez możliwości zmiany zapisanych danych,
• tagi WORM (Write Once, Read Many) – pozwalają na jednorazowy zapis danych do pamięci,
• tagi RW (Rewritable) – układy z możliwością wielokrotnego zapisu i edycji danych w pamięci.

Czytnik RFID

Kolejnym elementem systemu RFID jest czytnik, czyli urządzenie zdolne do nadawania i odbierania sygnału radiowego. Czytnik steruje komunikacją z tagami, odczytując zapisane w nich informacje. Mogą być to urządzenia stacjonarne lub mobilne, o zasięgu zależnym przede wszystkim od rodzaju posiadanej anteny. Możliwe jest również połączenie jednego czytnika z większą liczbą anten, co zwiększa zasięg systemu, nie podwyższając jednocześnie znacząco jego kosztu.

Tagi RFID w systemie ochrony pomieszczeń

Odbiorniki RFID mogą zostać z powodzeniem wykorzystane w systemie detekcji dostępu do pomieszczeń i obiektów, zastępując w tej roli czujniki ruchu. Pojedynczy element systemu wykrywający ruch lub otwarcie drzwi/okna skonstruować można w oparciu o tag RFID połączony z kontaktronem lub innego typu przełącznikiem zmieniającym stan w wyniku zmiany położenia/oddziaływania zewnętrznej siły. Przełącznik łączy tag RFID z anteną, co pozwala na aktywację lub dezaktywację tagu.

Przykład taniego systemu monitorowania dostępu do pomieszczenia bazującego na układach RFID przedstawiono na rysunku 1. Tagi RFID wraz z kontaktronami umieszczone są w punktach dostępowych, takich jak okna oraz drzwi. Czytnik RFID pełni dwie funkcje – wykrywa załączenie któregoś z czujników oraz zasila je w energię elektryczną poprzez generowane przez siebie pole elektromagnetyczne. Każdy z tagów ma unikatowy numer identyfikacyjny, można zatem jednoznacznie stwierdzić który z czujników został aktywowany i zlokalizować miejsce naruszenia dostępu. Dane o naruszeniu mogą być wysłane poprzez układ sterowania i kontroli do chmury, następnie zaś poddane dalszej analizie i przetwarzaniu, prowadząc w efekcie m.in. do poinformowania użytkownika o naruszeniu dostępu poprzez wiadomość SMS lub mail.

 

Rys. 1. System monitoringu wykorzystujący układy RFID

Detektor ruchu oparty o tag RFID

Na rysunku 2 przedstawiono uproszczony schemat działania czujnika ruchu skonstruowanego na bazie odbiornika RFID. Element ten składa się z układu RFID, anteny, kontaktronu oraz magnesu. Kontaktron to rodzaj przekaźnika zbudowany z dwóch styków wykonanych z materiału o właściwościach ferromagnetycznych oraz umieszczonych w hermetycznej obudowie wypełnionej gazem obojętnym lub próżnią. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego zmieniają one swoje położenie, co może doprowadzić do ich zwarcia lub rozwarcia. W większości modeli kontaktronów styki w położeniu neutralnym są rozwarte, zwierając się w obecności pola magnetycznego o odpowiednim natężeniu. Kiedy zatem kontaktron znajdzie się wystarczająco blisko magnesu, przechodzi w stan włączony. Jeśli zostanie usunięty z zasięgu oddziaływania magnesu, styki ponownie się rozwierają i kontaktron pozostaje wyłączony. W przypadku opisywanego układu detektora ruchu, kontaktron zwiera wyprowadzenia anteny RFID. Przykładowo, kontaktron (wraz z anteną i tagiem RFID) może być umieszczony na ramie okna, magnes rozmieścić zaś można na ścianie, w taki sposób, by w pozycji neutralnej (okno zamknięte) utrzymywał kontaktron w stanie włączonym, co powoduje, że tag RFID jest nieaktywny. Otwarcie okna powoduje usunięcie układu z zasięgu działania magnesu, w następstwie tego zaś wyłączenie kontaktronu i aktywację układu RFID.

 

Rys. 2. Zasada działania detektora ruchu skonstruowanego z wykorzystaniem tagu RFID i kontaktronu

Integracja danych w systemie

Ponieważ każdy odbiornik RFID posiada unikatowy numer ID, może być on z łatwością powiązany z określoną lokalizacją lub obiektem. Informacja ta może zostać wykorzystana przez układ czytnika RFID lub dedykowaną aplikację przetwarzającą dane przesyłane do chmury. Tagi RFID pomimo prostoty swojej konstrukcji i ograniczonej liczby funkcjonalności mogą zatem stanowić podstawę konstrukcji sprawnie działającego systemu IoT, pozwalającego na zdalny monitoring dostępu do budynków i pomieszczeń.

Podsumowanie

Technologia RFID jest atrakcyjnym narzędziem pozwalającym na tworzenie łatwych w montażu, niezawodnych i niskobudżetowych systemów ochrony i monitoringu. Czujniki oparte o tagi RFID nie wymagają zasilania, co ogranicza do absolutnego minimum niezbędne czynności konserwacyjne, pozwalając jednocześnie na długotrwałą pracę systemu. W przypadku prezentowanego rozwiązania, aby możliwe było osiągnięcie zakładanych efektów działania systemu, główny wysiłek położyć należy na właściwe rozmieszczenie czujników oraz zapewnienie pokrycia monitorowanego obszaru sygnałem RF generowanym przez czytnik RFID.

Damian Tomaszewski