RFID przyszłość i teraźniejszość

Pomimo iż zmierzch kodów kreskowych ogłaszany był już wielokrotnie, ich dominacja jako oznaczeń produktów jest wciąż niepodważalna. Nie oznacza to jednak, że producenci RFID skapitulowali. Wręcz przeciwnie – sukcesywnie obejmują kolejne dziedziny życia, przygotowując się na wielki skok na sklepowe kasy.

Technologia wykorzystywana w RFID Radio Frequency IDentification, jest wbrew pozorom starsza od tej, którą zastosowano do odczytu kodów kreskowych. Pierwsze znaczniki radiowe zostały opracowane na cele lotnictwa Wielkiej Brytanii i pozwalały odróżniać samoloty nieprzyjaciela od sprzymierzeńców. Minęło trochę czasu i pojawiły się pierwsze cywilne urządzenia bazujące na RFID – zamki do drzwi otwierane za pomocą specjalnego radiowego klucza. Do chwili obecnej powstało wiele pomysłów na aplikacje RFID. Szeroki wachlarz zastosowań wymagał jednak wytworzenia kilku typów układów.

Z zasilaniem czy bez?

Przede wszystkim układy RFID można podzielić na układy pasywne, pasywno-aktywne i aktywne. Systemy pasywne nie mają zintegrowanego źródła zasilania, a energię potrzebną do pracy pobierają z fal elektromagnetycznych wysyłanych przez odbiornik podczas odczytu znacznika. Pociąga to za sobą pewne konsekwencje – układy pasywne „działają” tylko podczas odczytu, muszą zawierać nieulotną pamięć, a ich antena musi być tak skonstruowana, by zarówno doprowadzać zasilanie, jak i nadawać odpowiedź czytnikowi. Również sama transmisja powiązana jest ściśle z działaniem czytnika, gdyż polega na odpowiednim odbijaniu docierających ze skanera fal elektromagnetycznych. Warunki te ograniczają pole zastosowań pasywnych RFID, ale pozwalają zminimalizować wymiary i cenę znacznika. Warto zaznaczyć, że brak zintegrowanej baterii likwiduje jakiekolwiek ograniczenie żywotności elementu. Obecnie najmniejsze dostępne układy mają wymiary 0,15x0,15 mm i grubość 7,5µm. Po dodaniu anteny osiągają rozmiar prostokąta o bokach od kilku do kilkunastu centymetrów. Koszt takich urządzeń to około 20 centów przy 1000 sztuk, a przy znacznie większych woluminach spada nawet do 7,9 centa za sztukę. Dobrze rokującą nowością są, zaprezentowane niedawno przez firmy PolyIC i Philips, układy wykonane w technologii nadruku na polimerach, które – jeśli wejdą do masowej produkcji, będą mogły być drukowane na rolkach, jak np. gazety, co znacznie zmniejszy koszty produkcji.

Systemy pasywno-aktywne działają na tej samej zasadzie jak układy pasywne, ale dodatkowo zawierają baterię zasilającą znacznik. Dzięki niej konstrukcja anteny może być zoptymalizowana na transmisję, a sam układ szybciej i silniej reaguje na próbę odczytu. Negatywnymi konsekwencjami zastosowania baterii jest wzrost kosztów, rozmiarów i ograniczenie czasu życia chipu, w zależności od pojemności baterii i częstości dokonywanych odczytów.

Trzecią kategorią znaczników są aktywne RFID. Są one stale włączone i nadają sygnał z określonym interwałem czasowym. Oczywiście, wymaga to zintegrowania wystarczająco pojemnego źródła zasilania, co zwiększa koszt wykonania takiego modułu. Obecnie najmniejsze aktywne znaczniki mają rozmiary kwadratu o boku 3 cm, ale mogą przechowywać duże ilości dodatkowych informacji otrzymanych od skanujących je czytników. Dzieje się tak dzięki rozszerzonej pamięci, podtrzymywanej za pomocą baterii układu.

Komunikacja z otoczeniem

Niezależnie od sposobów zasilania, układy RFID można podzielić na kategorie, na podstawie parametrów nadawanego sygnału radiowego. Wyróżnia się nadajniki pracujące w zakresie niskich częstotliwości (od 125 do 134,2 kHz), wysokich (13,56 MHz), w paśmie UHF, tj. od 866 do 960 MHz oraz nadajniki mikrofalowe pracujące w zakresie od 2,45 do 5,8GHz. Naturalnie, nadajniki pracujące na wyższych częstotliwościach potrafią szybciej komunikować się z odbiornikami, a jednocześnie pozwalają na transmisję na dalsze odległości – do kilkudziesięciu metrów. Pociąga to za sobą większe zużycie energii i wyższe koszty wykonania nadajników UHF i mikrofalowych w stosunku do kosztów systemów LF. Co więcej, im wyższa częstotliwość pracy układu, tym mniejsza odporność sygnału na tłumienie związane z występowaniem pól elektromagnetycznych i metalowych elementów w otoczeniu nadajnika. Kwestia ta jest na tyle istotna, że według szacunków, w chwili obecnej około 20% prób odczytów znaczników RFID umieszczonych na opakowaniach produktów sprzedawanych w sklepach, kończy się niepowodzeniem. Powodem jest niepoprawne umieszczenie w opakowaniu nadajnika, którego sygnał nie jest w stanie dotrzeć do odbiornika. Szansą na zwiększenie sprawności odczytu jest zastosowanie anten kierunkowych i propagacja silniejszego sygnału kosztem szerokości kąta, spod jakiego można dokonać odczytu.

Rys. 1. Pasywny RFID z antenš

Nadawany sygnał może się także różnić sposobem modulacji. Stosuje się modulacje AM (głównie ASK), FM, modulację fazy, a nawet PWM i PJM. Ten ostatni typ modulacji stosowany jest przez firmę Infineon w produkowanych przez nią znacznikach (tagach) wysokiej częstotliwości i pozwala na komunikację z prędkością do 848 kbps. Co więcej, w celu uniknięcia problemów związanych z interferencją sygnałów z kilku sąsiadujących nadajników, wykorzystywane są techniki komunikacji z podziałem częstotliwości i czasu – czyli FTDMA i przeskakiwanie pomiędzy kolejnymi kanałami transmisyjnymi. W przypadku prostszych układów stosuje się techniki podziału czasu – TDMA. Poprawność transmisji oceniana jest na podstawie kodów CRC  i korekcji błędów ECC, dzięki której można zaoszczędzić czas, eliminując konieczność dokonywania powtórnych prób odczytu znaczników.

Wybierając częstotliwość pracy znacznika, należy się sugerować nie tylko przewidywanymi wymaganiami co do sposobu odczytu, ale i uregulowaniami prawnymi w krajach, w których znacznik będzie funkcjonował. O ile częstotliwości niskie i wysokie są dostępne na całym świecie bez opłat licencyjnych, to UHF dostępne jest w różnych podzakresach, w zależności od danego państwa. W przypadku krytycznym, można natrafić na pasmo wymagające kosztownego i długotrwałego procesu licencjonowania. Nie znaczy to bynajmniej, że najlepsze są nadajniki pracujące na paśmie publicznym. Trzeba pamiętać, że pasmo to będzie najprawdopodobniej przesycone sygnałami z bezprzewodowych urządzeń powszechnego użytku i posługiwanie się nim będzie znacznie utrudnione.

Zastosowania

Tak czy inaczej, wybór typu i częstotliwości pracy znacznika RFID zależeć będzie głównie od jego przeznaczenia. Obecnie RFID jest coraz szerzej stosowane zarówno w przemyśle, jak i w elektronice użytkowej. Dzieje się tak ze względu na dużą wygodę korzystania z bezprzewodowych możliwości oferowanych przez RFID, a także stale malejące koszty i niewielkie rozmiary samych układów.

Przykładowo, w Stanach Zjednoczonych znaczniki pracujące na niskich częstotliwościach są już od kilku lat wszczepiane zwierzętom domowym, dzięki czemu możliwa jest natychmiastowa identyfikacja znalezionego na ulicy zwierzęcia i powiadomienie właściciela. Ale nie tylko zwierzęta poddawane są kontroli za pomocą RFID. Firma Verichip produkuje specjalne opaski przeznaczone dla ludzi, które zawierają tag RFID i czujnik skóry, kontrolujący, czy opaska nie została zdjęta z przedramienia. Dzięki tej technologii możliwa staje się zdalna kontrola dzieci lub nadzór nad pacjentami w szpitalach czy też więźniami w zakładach karnych. W sytuacjach ekstremalnych, konieczna może być implantacja znaczników pod skórę człowieka. Pierwszym głośnym eksperymentem tego typu była zakończona sukcesem próba, dokonana przez brytyjskiego profesora cybernetyki, Kevina Warwicka, który wszczepił sobie w rękę nadajnik i zainstalował w biurze specjalny system, reagujący na pracownika poprzez automatyczne otwieranie drzwi i włączanie świateł. Obecnie firmy Applied Digital Solutions i Verichip proponują podskórne znaczniki, których celem jest zwiększenie bezpieczeństwa w systemach o ograniczonym dostępie – np. poprzez dopuszczenie do wyznaczonych pomieszczeń jedynie osób z implantami. W 2004 roku zastosowano tę metodę na 18 pracownikach meksykańskiej prokuratury. Inną możliwością jest implantacja aktywnych tagów, które pozwalają w szybki sposób odnaleźć zagubioną lub porwaną osobę. Ponadto, implanty RFID stają się coraz bardziej popularne jako metody opłat w miejscach, gdzie noszenie ze sobą portfela może być kłopotliwe. Przykładem jest sieć klubów plażowych, która wprowadziła tę możliwość w swych oddziałach w Barcelonie i w Rotterdamie. Rośnie także popularność mniej inwazyjnych metod wykorzystania technologii RFID jako środków płatniczych. Korporacja American Express wydaje specjalne karty kredytowe, zaopatrzone w znacznik RFID, a w wielu miastach Azji karty radiowe służą jako bilety w środkach komunikacji miejskiej. O ile we wspomnianych przypadkach wyższość RFID nad technologią kart magnetycznych czy chipowych nie jest jednoznaczna, to w kontekście poboru opłat na autostradach różnica jest już znacząca. Po przymocowaniu identyfikatora do przedniej szyby samochodu, nie jest konieczne zatrzymywanie pojazdu w celu dokonania opłaty i odebrania paragonu. Należność naliczana jest automatycznie, w momencie, gdy samochód przekracza bramkę na autostradzie, a rachunek zbiorczy wysyłany jest pocztą na adres właściciela auta. Odpowiednio gęstsze rozmieszczenie bramek radiowych i umieszczenie ich na zjazdach z autostrad lub po prostu nad ulicami w mieście pozwoli zbierać informacje o natężeniu ruchu i o trasach pokonywanych przez poszczególne pojazdy. Dzięki nim możliwe będzie zoptymalizowanie połączeń drogowych i korzystniejsze projektowanie nowych tras. Nic też nie stoi na przeszkodzie, by zamontowane w samochodach nadajniki rozbudować o odbiornik, pozwalający na otrzymywanie informacji z mijanych bramek i wyświetlanie komunikatów na temat korków i niebezpieczeństw na drodze.

Ponadto, Toyota zaczęła produkować samochody, których uruchomienie możliwe jest dopiero, gdy w odległości 1 metra od samochodu znajduje się właściwy znacznik radiowy. Tymczasem Boeing i Airbus wprowadzają wymóg oznaczania tagami o rozszerzonej do 10 kbitów pojemności wszystkich podzespołów dostarczanych do ich samolotów. Dzięki temu, możliwe będzie zapisywanie w pamięci znacznika historii napraw elementu i kontrola, czy w samolocie po serwisie nie brakuje żadnego z podzespołów. Pojawiły się także pomysły znakowania RFID banknotów o wysokich nominałach, jak również niektórych leków. Dzięki temu niedowidzący chory mógłby przyłożyć do opakowania z lekiem stosowny czytnik, który „przeczytałby” za chorego zawartość etykietki, zakodowaną w załączonym tagu.Kolejnym wielkim rynkiem na technologię RFID są biblioteki. Oznaczenie wszystkich egzemplarzy książek pozwala kontrolować ich położenie, co znacznie usprawnia organizację bibliotek. Co więcej, takie oznakowanie pozwala na użycie specjalnych maszyn, które same układałyby książki na półkach, zgodnie z zapisanym schematem. Każda podawana maszynie książka, niezależnie od swych rozmiarów i kształtu, byłaby rozpoznawana przez czytnik i transportowana w należyte miejsce. W chwili obecnej system ten jest testowany w niektórych z amerykańskich bibliotek. Wykorzystuje się tam RFID pracujące w zakresie wysokich częstotliwości.

Jednakże najbardziej chłonnymi na RFID stają się firmy transportowe, magazyny i hipermarkety. Pionierem w tej dziedzinie jest amerykańska sieć sklepów Wal-Mart. Wprowadziła ona wymóg, aby jej dostawcy oznaczali opakowania towarów stosownymi znacznikami radiowymi. Przeprowadza też programy pilotażowe, przejmując na siebie część z kosztów związanych z wprowadzeniem przez dostawców obsługi RFID. Okazuje się bowiem, że nowa technologia pozwala na trzykrotnie szybsze składanie zamówień na brakujące towary, nie wspominając już o zmniejszeniu kosztów wynikającym z redukcji personelu i z przyspieszenia obsługi klienta.

Pomysły na kolejne zastosowania techniki radiowej rozwijają się wraz z rozwojem samej technologii. Niedawno zaproponowano, aby buty sportowców wyposażyć w znaczniki, dzięki czemu można by kontrolować trasę, po której się poruszali podczas długodystansowego biegu i skutecznie ukrócić oszustwa związane ze skracaniem sobie drogi. W Polsce dostępne są już w sprzedaży urządzenia drukujące etykiety z kodami kreskowymi i jednocześnie programujące znaczniki RFID. Producentem tych drukarek są firmy takie jak Zebra i Sato, a ich ceny rozpoczynają się od 10 000 zł netto.

Infrastruktura i standaryzacja

Rys. 2. Przykłady metod kodowania stosowanych w RFID: a) kodowanie Pulse Interval Encoding (PIE), b) kodowanie FM0, c) kodowanie Millera dla M=2

Szeroki obszar zastosowań RFID i mnogość odmian samych znaczników są powodem problemów z wprowadzeniem jednolitych standardów technologicznych. Jednakże standardy mają to do siebie, że pojawiają się nawet tam, gdzie nie są potrzebne, więc i w przypadku znaczników RFID udało się stworzyć specjalną organizację zajmującą się ujednolicaniem formatów i interfejsów tagów. Utworzona grupa nazywa się EPCglobal i jednoczy firmy takie jak Wal-Mart, Tesco, Gilette, Procter & Gamble, Hewlett-Packard, Johnson & Johnson i inne. Przewodniczy im organizacja GS1 wraz z współpracującymi jednostkami odpowiedzialnymi za standardy EAN i UCC. Już na pierwszy rzut oka widać, że EPCglobal zajmuje się standaryzacją RFID mających na celu zastąpienie tradycyjnych kodów kreskowych. Inne dziedziny radiowej identyfikacji organizowane są najczęściej przez producentów konkretnego osprzętu RFID. Naturalnie, wszystkie standardy muszą uwzględniać uregulowania prawne panujące w poszczególnych krajach. Co więcej, produkowane systemy radiowe wykonywane są zgodnie z normami takimi jak ISO 10536, 11784, 11785, 14223, 14443, 15693, 18000 i 19762.

EPCglobal powstało kilka lat temu i jest w trakcie opracowywania jednolitego, międzynarodowego standardu kodowania oznaczeń produktów – zarówno pojedynczych jednostek towaru, jak i opakowań zbiorczych, które używane są podczas transportu. W chwili obecnej rekomendowanym standardem jest EPCglobal Class 1 Generation 2 UHF RFID, nazywany w skrócie „Gen2”. Jest on ściśle powiązany z formatem logicznym znaczników określonym w EPC Tag Data Standard w wersji 1.1. Wypada zaznaczyć, że wedle ostatniego raportu EPCglobal z lipca 2005r., pełnej standaryzacji poddano dotychczas jedynie same znaczniki, a prace nad infrastrukturą i systemem wymiany danych dopiero trwają. Co gorsza, nie rozpoczęto jeszcze standaryzacji sposobów wymiany danych pomiędzy poszczególnymi subskrybentami usług EPCglobal.

Wedle dotychczasowych ustaleń, kategoria Gen2 wykorzystuje znaczniki pasywne, pracujące w paśmie UHF. Komunikacja pomiędzy czytnikiem a znacznikiem jest niesymetryczna. Najpierw czytnik promieniuje niezmodulowaną falę, pozwalając naładować się pobliskim znacznikom. Następnie przesyła informacje do jednego lub więcej tagów, modulując falę nośną za pomocą kluczowania DSB-ASK, SSB-ASK lub PR-ASK z wykorzystaniem kodowania PIE. Znaczniki przesyłają odpowiedź poprzez odbijanie nadawanej przez czytnik, a zmodulowanej przez znacznik (za pomocą ASK lub PSK) fali. Transmisja odbywa się w trybie half--duplex, co oznacza, że nie jest wymagane, aby znaczniki dekodowały otrzymywane polecenia, w czasie gdy udzielają odpowiedzi. Przesyłanie danych odbywa się z prędkością od 26,7 do 128 kbps dla transmisji czytnik-znacznik i od 5 do 640 kbps, w drugą stronę. Na początku transmisji czytnik określa, czy znacznik ma stosować kodowanie Millera, czy też FM0. Sama komunikacja może odbywać się w trzech trybach.

Najpierw czytnik wybiera podgrupę tagów, należącą do danej kategorii – np. określającą jakiś konkretny typ produktu. W drugim trybie tagi przesyłają zawarte w sobie numery PC (Product Code) i EPC, jednoznacznie określające dany egzemplarz produktu. Tryb trzeci to bezpośredni dostęp do pojedynczego znacznika, pozwalający na dokonywanie odczytów i zapisów do jego wewnętrznej pamięci. Ponieważ standard Gen2 dopuszcza pracę wielu czytników naraz, całe pasmo transmisyjne podzielone zostało na 50 kanałów. Dane każdego znacznika zapisane są w jego wewnętrznej pamięci. Pamięć ta dzielona jest na 4 bloki logiczne: pamięć z kodami EPC i 16-bitowym CRC, pamięć identyfikującą dodatkowe funkcje chipu, pamięć użytkownika i pamięć z hasłami dostępu do znacznika. Należy tu wyróżnić hasło funkcji „kill”, po uruchomieniu której następuje całkowita i nieodwracalna dezaktywacja znacznika. Podczas komunikacji, tag może znajdować się w jednym z 7 stanów. Są to: stan gotowości, wstrzymania, odpowiedzi, potwierdzenia, otwartym, zabezpieczonym lub w stanie śmierci, do którego przechodzi po otrzymaniu zweryfikowanego polecenia „kill”. Ponadto, standardy EPCglobal określają sposób nadawania numerów znacznikom i metody rozwiązywania powiązań pomiędzy numerami EPC a nazwami produktów. Organizacja tej procedury podobna jest w sposobie działania do sieciowych serwerów nazw domenowych (DNS). Polega na stworzeniu sieci serwerów ONS (Object Naming Service), przechowujących w swej pamięci drzewiastą strukturę kodów. Dzięki temu szybkość przeszukiwania zasobów znacznie rośnie i pozwala na implementację 64-, 96-, a nawet 304-bitowych kodów EPC, jakie można zastosować w przykładowym układzie XRAG2 marki STMicroelectronics. Biorąc pod uwagę otrzymaną liczbę kombinacji, opisy poszczególnych produktów i dane ich dotyczące, można sobie wyobrazić, jak duże ilości informacji będą przetwarzane przez systemy obsługi RFID. Szacunki te przekonały nie tylko firmy transportowe i hipermarkety do stosowania technologii RFID, ale i producentów sprzętu komputerowego. Dzieje się tak, gdyż koszty ponoszone przez sieci dystrybucji towarów, związane z wprowadzaniem radiowych oznaczeń, będą się wprost przekładać na zyski producentów elektroniki, nie tylko dostarczających same znaczniki, ale i tych, którzy produkują osprzęt służący do odczytu i przetwarzania danych. W tym momencie odpowiedź na pytanie, dlaczego RFID nie wprowadzono wcześniej, staje się jasna. Dopiero teraz pojemności dysków komputerowych i przepustowości międzynarodowej infrastruktury sieciowej pozwalają na wprowadzenie systemu operującego tak ogromnymi ilościami danych. Jeszcze kilka lat temu znaczniki mogłyby zawierać nie więcej niż 30 bitów danych, a o globalnej wymianie informacji można było tylko pomarzyć. Oczywiście rozmiar znacznika byłby też znacznie większy niż może być obecnie.

RFID to także obawy!

Zalety RFID są jasne. Korzyści płyną zarówno dla producentów, dystrybutorów, jak i klientów – poprzez usprawnienie logistyki i minimalizację kosztów. Ale jest punkt, od którego znacznik przestaje służyć klientowi, a wręcz może działać na jego niekorzyść. Punkt ten to moment, w którym oznaczony towar przechodzi przez kasę w sklepie. Teoretycznie, po nabyciu towaru przez klienta końcowego, znacznik powinien zostać trwale wyłączony, za pomocą opisanego wcześniej polecenia „kill”. Niestety, nie ma w tej chwili aktów prawnych nakazujących sklepom takie działanie. Obrońcy RFID twierdzą, że klient, jeśli tylko chce, może zerwać z opakowania znacznik i wyrzucić go, wychodząc ze sklepu. Ale czynność ta wymaga świadomości, że znacznik znajduje się w opakowaniu i wiedzy, gdzie został umieszczony. Co więcej, wyrzucenie lub wyłączenie znacznika może być przyczyną utraty potencjalnych korzyści takich jak rabaty, które obecnie przyznawane są często, jeśli klient prześle producentowi odpowiednie kody paskowe z opakowań. Powstaje pytanie – co takiego grozi klientowi, jeśli nie pozbędzie się znacznika z produktu? Wszystkie te obawy wynikają z możliwości odczytu znacznika, z dużej odległości, bez wiedzy posiadacza. Po pierwsze, na RFID ucierpieć może prywatność klienta, który nie życzy sobie, by sklep dowiadywał się, co klient kupił w innym miejscu. Po drugie, rozpowszechnienie czytników RFID pozwoli ich właścicielom odczyt danych ze wszystkich zintegrowanych z dokumentami znaczników – w tym z dowodu osobistego czy też prawa jazdy. Po trzecie, nietrudno sobie wyobrazić złodzieja, przejeżdżającego ulicą i skanującego za pomocą wysokiej jakości anteny kierunkowej i mocnego DSP, cały nasz dom w poszukiwaniu wartościowych przedmiotów. Postęp, jaki dokonał się w ostatnich latach w dziedzinie sieci bezprzewodowych, daje do zrozumienia, że coraz łatwiej będzie zdalnie zidentyfikować znaczniki RFID bez wiedzy ich właściciela. RFID dają też pole do popisu nowoczesnym złodziejom sklepowym, którzy niewątpliwie będą próbowali obniżyć ceny produktów w sklepach, poprzez przeprogramowanie danych zapisanych w znacznikach.

Na koniec pojawia się jeszcze jeden problem. Zgodnie z europejską dyrektywą o odpadach elektronicznych (WEEE), każdy producent, który umieszcza na swoich opakowaniach chipy RFID, staje się jednocześnie producentem elektroniki i odpowiada za recycling załączonych tagów. W związku z tym, zgodnie z prawem, chcąc wyrzucić do śmieci karton po mleku, musielibyśmy wpierw oderwać od opakowania znacznik i dostarczyć go do punktu wyznaczonego przez producenta. W związku z powyższymi problemami i biorąc pod uwagę polski rynek, nie należy spodziewać się rychłego i masowego wprowadzenia RFID. Jednakże nie ma wątpliwości, że technologia ta ma dużą przyszłość i za kilka lat zagości na stałe w naszym otoczeniu.

Marcin Karbowniczek