Пассивные, полуактивные и активные метки

Различие между пассивными, полуактивными и активными метками состоит в наличии источника питания и передатчика. Пассивные метки не содержат ни источника питания, ни передатчика. Полуактивные метки содержат источник питания, но не содержат передатчика. Активные метки содержат как источник питания, так и передатчик.

Активные метки имеют наилучшие характеристики. Дальность может достигать километров, а связь со считывателем надежная и быстрая. Однако наличие источника питания и передатчика приводит к высокой стоимости.

Полуактивные метки по сравнению с пассивными имеют более высокую дальность (до нескольких десятков метров) и из-за этого могут иметь достаточно высокие функциональные возможности. Однако это также приводит к повышению их стоимости.

Рисунок 1.4 - Активные и полуактивные метки

Пассивные метки обладают дальностью менее 10 метров и более зависимы от регламентных ограничений и влияния окружающей среды. Тем не менее они имеют максимальный рыночный потенциал из-за наименьшей стоимости.

Рисунок 1.5 Элементы пассивной метки

ROM и WORM метки

Любые чиповые метки могут быть только считываемыми или считываемыми/записывающими. Пассивные метки, как правило, бывают только считываемыми. Только считываемые метки программируются идентификационным кодом в процессе производства или при установке на определенный объект. Память таких меток может быть или только читаемой памятью (ROM) или однократно программируемой и многократно читаемой (WORM).

Считываемые/записывающие метки могут многократно перепрограммироваться в процессе их эксплуатации. Обычно они имеют идентификационный код или серийный номер, который записывается в процессе производства. Также в них может записываться разнообразная дополнительная информация. Такие метки многофункциональны, однако это приводит к возрастанию их стоимости.

Из-за низкой стоимости наибольшим рыночным потенциалом обладают только считываемые метки, а в совокупности с хорошо спроектированной распределенной базой данных они обеспечивают практически такие же функциональные возможности, как и считываемые/записывающие метки.

1.4. Характеристики аппаратуры

История развития показывает, что применения RFID изменялись в соответствии с развитием собственно технологических возможностей. Каждое из применений налагает свои специфические требования к аппаратуре. Для того чтобы достаточно подробно рассматривать особенности технологии RFID, как для лучшего понимания ее функциональных возможностей, так и для лучшего проведения разработки аппаратуры, необходимо оценивать ее функции на основе технических характеристик. Принимая во внимание большое разнообразие применений технологии RFID, это сложная задача. Тем не менее, существуют основные характеристики, общие для всех применений. Такими характеристиками является стоимость, габариты и технические параметры аппаратуры. В свою очередь основными техническими параметрами аппаратуры RFID являются дальность считывания, быстродействие, надежность связи и совместимость систем различных поставщиков с учетом административных норм в различных регионах мира.

Наиболее жесткими и высоко требовательными являются применения, относящиеся к объектам низкой стоимости и к объектам, находящимся непосредственно в распоряжении потребителей. Двумя типичными примерами является идентификация почтовых отправлений и товаров, находящихся в розничной продаже. Считыватели должны обеспечивать быстрое считывание большого числа меток на расстоянии нескольких метров в относительно сложных условиях функционирования аппаратуры в окружающем ее пространстве.

Чрезвычайно важной характеристикой аппаратуры RFID является ее стоимость. Так как маркированные предметы находятся в розничной продаже, а количество этих предметов огромно, совсем небольшое увеличение стоимости одной метки приводит к очень большому возрастанию совокупной цены аппаратуры. В зависимости от габаритов объекта также чрезвычайно важны размеры метки. Кратко рассмотрим технические параметры, цену и габариты аппаратуры RFID.

Основными техническими параметрами аппаратуры RFID являются: дальность, быстродействие, надежность связи и совместимость. Определение конкретных значений технических параметров требует достаточно точной оценки условий применения аппаратуры.

Широкая область применения - идентификация объектов, находящихся в розничном обращении, может быть подразделена на несколько практически самостоятельных применений, каждое из которых имеет различные конфигурации. Так, например, мы можем самостоятельно рассматривать каждое звено цепи поставок: предприятие - изготовитель, дистрибьюторский центр, магазины продажи, дома потребителей и центры утилизации отходов, а также транспортировку между ними.

На предприятии - изготовителе применениями являются сборка, сортировка и отгрузка товаров. На дистрибьюторских центрах применениями могут быть: прием, сортировка, подбор и отгрузка. В магазинах продажи применениями могут быть: получение, сортировка и другие операции, требующие инвентаризации товаров. Домашние применения могут заключаться в инвентаризации, а применения в центрах утилизации отходов - в сортировке. Логистические операции требуют иных применений.

Вполне вероятно, что если товары розничной продажи маркированы, то должны также быть маркированы коробки для них, поддоны для коробок и контейнеры, в которых находятся поддоны. Метки для поддонов и контейнеров вероятно должны допускать повторное использование, поэтому ценовые ограничения здесь не слишком строги. Коробок по количеству меньше, чем предметов в них, поэтому ценовые ограничения для них менее строги, чем в случае предметов, но более строги, чем для поддонов.

Предположим, что содержимое контейнеров, поддонов и коробок, которые индивидуально промаркированы, должно быть известным. Идентификация предметов розничной продажи необходима в местах, где

они не упакованы. Такая ситуация возможна на предприятиях и дистрибьюторских центрах, однако она наиболее вероятна в магазинах, в домах и в центрах утилизации отходов. Особенно требовательны применения при операциях проверки в магазинах. Считыватели и метки должны справляться с возможными воздействиями расположенных неподалеку других считывателей, с отражениями и влияниями от металлических предметов и людей, находящихся в зоне действия аппаратуры. Может потребоваться точная и быстрая идентификация большого числа случайно расположенных предметов. Часто желательна максимальная дальность считывания в несколько метров. Точные технические параметры в любом случае определяются конкретными реальными условиями применения. Считыватели могут устанавливаться на воротах и порталах, на подвижных тележках или контейнерах, или быть позиционированными в нужной зоне или области. Зона действия может быть частично ограниченной, либо совсем неограниченной - может потребоваться отделение одного предмета от других предметов и его индивидуальное считывание или считывание в группе других предметов, движущихся на достаточно большой пешеходной скорости.

Рисунок 1.5 – Система РЧИ

1.5 Функции, ограничения и структура работы

После того как мы оговорили предположения и определили важнейшие параметры системы RFID, необходимо рассмотреть основные ограничения. Так как на этих ограничениях базируется структура данной работы, мы рассмотрим структуру и ограничения одновременно. Прежде всего, однако, будет полезно еще раз рассмотреть компоненты системы и ее функции.

1.6.1. Компоненты и функции системы

В общем случае, как показано на рис.1.6, система RFID состоит из четырех основных составляющих: система сбора информации (хост), считыватель, множество меток и канал распространения, посредством которого взаимодействуют считыватель и метки.

Мы рассмотрим только те компоненты системы, которые непосредственно связаны с меткой, а именно: высокочастотный интерфейс считывателя (радиоинтерфейс), собственно метки и канал распространения сигнала.

Рисунок 1.6. - Четыре основных компонента системы RFID: хост, считыватель, канал распространения и метки. (host - система сбора информации, reader - считыватель, channel - канал распространения, tag - метка)

Из рис.1.6 видно, что функции считывателя и метки взаимно дополняют друг друга. Внутренние функции, как метки, так и считывателя, включают алгоритмы верхнего уровня и командные протоколы, необходимые для идентификации одной или множества меток, находящихся в зоне действия считывателя. Команды в общем случае основаны на алгоритмах, которые называются антиколлизионными алгоритмами, так как они реализуют снижение вероятности ошибок от совпадений ответов меток, поступающих по запросу считывателя. Интерфейсные операции содержат команды нижнего уровня, необходимые для реализации задач команд верхнего уровня. Считыватель должен обеспечивать излучение мощности и передачу информационных и синхронизирующих сигналов. Информационные сигналы необходимы для обеспечения идентификации множества меток и реализации антиколлизионных алгоритмов. Синхронизация необходима для обеспечения работы цифровой части электронной схемы метки. В зависимости от несущей частоты синхросигналы генерируются непосредственно из высокочастотного сигнала или при помощи модуляции его несущей.

Рисунок 1.7 – Состав типичного ридера

Метка обеспечивает прием энергии, а также обработку информационных и синхронизирующих сигналов, передаваемых считывателем. После внутренней высокоуровневой обработки принятой информации метка может передать считывателю информацию в виде полного идентификационного кода или его части. В пассивных системах RFID процесс передачи информации осуществляется за счет модуляции сигнала считывателя. Считыватель, в свою очередь, должен принять информацию и передать ее обратно на внутренний верхний уровень функционирования системы.

Рисунок 1.8 -

1 Особенности распространения радиоволн

В системах RFID считыватели взаимодействуют с метками при помощи распространяющихся в пространстве электромагнитных полей и волн. Для того чтобы объяснить работу и грамотно проектировать эти системы, необходимо понять, как создаются эти поля и волны, как они модулируются и принимаются. В этом разделе мы проведем обзор принципов и поведения электромагнитных полей и волн. Необходимо понять:

- как создаются поля, какова их протяженность, доступная мощность, их изменение с расстоянием, углами, ориентацией и поляризацией, а также как они излучаются и принимаются;

- каким образом типы антенн, их размеры и форма влияют на свойства поля;

- каковы возможности максимизации принимаемой мощности и информации, применяя настройки и согласование;

как изменяются реактивные и излучающие свойства линии связи между считывателем и меткой в зависимВсе это поможет нам понять физические ограничения систем RFID и основы управления их функциями. Кроме того, это поможет нам понять другие фундаментальные ограничения, включая теорию связи и административные регламенты. В итоге мы обсудим, как эти различные факторы влияют на исполнение и стоимость систем RFID.

2.1. Антенны и окружающее пространство

Для лучшего понимания соотношений между электромагнитными полями и волнами полезно рассмотреть, как они формируются антенной.

С целью иллюстрации рассмотрим две антенны, предполагая, что их максимальные размеры значительно меньше длины волны сигнала. Мы рассмотрим идеальный диполь, известный как диполь Герца, и малую рамку (рис. 2.1). Идеальный диполь является бесконечно малым элементом, по которому протекает ток с равномерным по его длине распределением амплитуды и фазы. Малая рамка является замкнутой токовой петлей с периметром, меньшим четверти длины волны сигнала. Малая рамка и идеальный диполь дуальны по своим свойствам.

a) b)

Рис.2.1. a) - идеальный диполь, b) - малая рамка

Рассмотрим зависимость электрического и магнитного полей от расстояния r до диполя. Когда βr << 1 (или r << λ/2π), преобладает третья степень r. На таких расстояниях напряженность электрического поля убывает пропорционально 1/r³, а напряженность магнитного поля - пропорционально 1/r² . Мы будем называть эту область ближней зоной антенны.

Когда расстояние r значительно больше λ/2π, преобладает первая степень и напряженность обоих полей - электрического и магнитного - убывает пропорционально 1/r. Будем называть эту область дальней зоной антенны.

Электрическое поле является мнимым, то есть сдвинутым относительно магнитного поля на λ/4 (или на 90 градусов). Это является признаком реактивности поля - энергия остается приблизительно постоянной и перераспределяется между двумя полями. Оценка вектора Пойнтинга показывает, что в этом случае отсутствует реальный поток энергии. Электрическое и магнитное поля в ближней зоне практически не связаны друг с другом и являются квазистатическими.

Совокупность электрического и магнитного поля в дальней зоне представляет собой электромагнитную волну.

Электромагнитные поля ведут себя совершенно по-разному в ближней и дальней зонах. В ближней зоне поля являются реактивными и квазистатическими, тогда как в дальней зоне они представляют собой распространяющиеся волны. Это особенно важно применительно к системам RFID.

Те системы, которые функционируют на низких частотах и где окружающее пространство является ближним полем, взаимодействие осуществляется при помощи квазистатических волн. Системы RFID, функционирующие на высоких частотах, обычно работают в дальней зоне; при этом взаимодействие осуществляется при помощи электромагнитных волн. Необходимо отметить, что в действительности граница между ближней и дальней зонами зависит от геометрии антенны. Мы будем использовать точку r = λ /2π в качестве стандартного определения границы между ближней и дальней зонами электромагнитного поля.