Dá se říct, že největší celosvětový problém v oblasti RFID je ne úplně jednotná standardizace komunikačních frekvencí v různých státech či na různých kontinentech. Sice některé frekvence jsou prakticky celosvětovým standardem (hlavně ty v celosvětově uznávaném volném pásmu ISM), ale ty bohužel nevyhovují některým aplikacím, zvláště pokud jde o čtecí vzdálenost způsobenou nejen frekvencí, ale i silně omezeným vysílacím výkonem čtečky tagu (přijímače). Z tohoto důvodu se zvláště pro oblast obchodu a monitorování pohybu zboží uplatňuje raději pásmo UHF. A právě zde je problém, protože v různých částech světa jsou jinak mezi služby (komunikace, TV, rádio apod.) rozděleny i frekvence, tedy přesněji frekvenční pásma, a tedy pro potřeby relativně nové služby nebylo všude možné přidělit stejné frekvence. Mimo pásmo ISM a UHF se využívají i další nosné frekvence v kHz i GHz oblasti. O tom k čemu jsou vhodné RFID tagy jedné či druhé frekvence a jaké mají vlastnosti najdete v následujícím článku ...
Z pohledu bezdrátové komunikace RFID se tedy využívá několika různých frekvencí podle toho jaký má být komunikační dosah, jak může být velká anténa (anténa a příp. baterie hlavně určují velikost tagu), jaký je vliv okolí (voda, kov), a v které části světa se RFID využívá. Obecně se může frekvence RFID systémů pohybovat již od nízkých hodnot 127 kHz, přes prakticky za standard považované, ale dost zarušené volné pásmo ISM okolo 13 MHz, stále populárnější pásmo UHF, až do pásma SHF (až 5.875 GHz). Obecně nejčastěji se využívá frekvence 13.56 MHz příslušící do ISM pásma (Industrial Scientific Medical band), ale v poslední době se stále více začíná využívat pásma UHF (800 až 1000 MHz) hlavně z důvodu vyššího čtecího dosahu. Zde je však problém v tom, že zatímco frekvence 13.56 MHz je již prakticky standardem a je ji možné využívat kdekoliv na planetě, v pásmu UHF platí "jiný kraj, jiný mrav", takže RFID tagy určené například pro USA nelze přečíst v Evropě a obráceně. Každá země totiž má definované a povolené jiné frekvence pro RFID.
Připomenutí principu komunikace RFID čtečky a pasivního RFID transpodéru (RFID tag) - čtečka vyšle silný harmonický signál na nosné frekvenci, ta indukuje v anténě transpodéru dostatečně energie k napájení elektronických obvodů (Data carrier), které v případě tagů s induktivní vazbou (frekvence do 100 MHz) sami generují a vysílají k přijímači modulovaný signál, v případě tagů se zářící/odraznou vazbou (frekvence nad 100 MHz) se pouze mění některý parametr antény čímž je ovlivněna i podoba odraženého signálu a právě v rozdílu vyslaného a odraženého signálu je zakódovaná informace (bity) .
Přehled používaných frekvencí v RFID
Rozdělení RFID podle standardizovaných nosných komunikačních frekvencí:
Mimo výše uvedené standardizované frekvence se však v některých případech (spíše sporadicky) využívají i některé další frekvence ve volném pásu ISM:
|
Základní přehled běžných a často využívaných frekvencí (common RFID bands) a i méně používaných, ale také se vyskytujících pásem (less-frequent RFID band). Označení induktive / radiative označuje využívaný typ vazby (antény). |
Standardní, méně i více využívaná pásma a frekvence pro RFID a používané (povolené) vysílací výkony (H a ERP)
Vlastnosti a použití pasivních RFID v závislosti na komunikační frekvenci
Volba komunikační frekvence závisí nejen na požadovaném čtecím dosahu, ale i také na přenosové rychlosti (rychlosti čtení dat), vlivu okolí na přenos a často také výsledné velikosti RFID čtečky i RFID tagu. Zvláště u tagu jsou minimální rozměry limitovány potřebnou velikostí a typu antény, protože ta je u pasivního RFID tagu mnohonásobně větší než samotná elektronika implementovaná na křemíkovém chipu. Protože rozstoucí nosnou frekvencí se zmenšuje i minimální potřebná velikost antény a při přechodu hranice 100 MHz i její typ, bylo by z tohoto pohledu nejlepší využívat co nejvyšší frekvence. Bohužel na nich již nejen elmag.rušení, ale i kov (blízko umístěné kovové časti), voda i pevné překážky znemožňují komunikaci nebo alespoň významně snižují dosah. Také výrobní náklady tagů komunikujících na frekvenci jednotek GHz již jsou hodně vysoké na to, aby je šlo masivně uplatnit. Naopak nízkofrekvenční tagy lze sice umístit na kovovou podložku či na vodní nádrž či dokonce i do vody a přesto s nimi komunikovat, ale zase čtecí dosah je tak malý, že je nutné čtečku přiblížit na téměř dotykovou vzdálenost (přibližně jako u čteček čárkových kódů). Jak již bylo výše zmíněno RFID tagy využívají dva typy antén, resp. dvou principů přenosu energie v závislosti na tom zda je přenosová frekvence nižší nebo vyšší než hraniční hodnota 100 MHz. Pro pásma pod 100 Mhz se energie přenáší pouze magnetickým polem a tedy se využívá induktivní vazby, která je realizována vzduchovou cívkou (známý RFID tag pracující na 13.56 MHz s anténou tvořenou několika měděnými čtvercovými závity okolo chipu na nosné podložce). Pro frekvence nad 100 MHz, tedy i pásmo UHF, se již energie přenáší elektromagnetickým polem a anténa je dipólová jako například televizní anténa. Takové RFID tagy obvykle obsahují 1/8vlnový dipól, což odpovídá délce cca 5 cm. |
Provedení antény pro RFID tagu se liší v závislosti na komunikační frekvenci - vlevo dipólová anténa pro pásma >100 MHz, uprostřed dole anténa pro nízkofrekvenční RFID (124 kHz), vpravo obvyklé provedení pro frekvenci 13.56 MHz |
Rozdíl je pak i v principu zasíláni dat, protože zatímco tagy s induktivní vazbou samy generují a vysílají k přijímači modulovaný signál, v případě tagů rádiovou vazbou se pouze mění některý parametr antény čímž je ovlivněna i podoba odraženého signálu a v právě v rozdílu vyslaného a odraženého signálu je zakódovaná informace (bity) .
Komunikační frekvence |
Čtecí dosah |
Vlastnosti - výhody |
Vlastnosti - nevýhody |
Použití |
125 - 134 kHz |
do 0.5 m |
|
|
|
13.56 MHz |
do 1 m |
|
|
|
860 - 960 MHz |
do cca 3 m |
|
|
|
2.4 GHz |
do 2 m |
|
|
|
V závislosti na realizované aplikaci (požadovém čtecím dosahu, umístění, rychlosti komunikace a velikosti RFID tagu) se je nutné zvolit tag s vhodnou frekvencí
Zatímco pro blízkou identifikaci jednotlivých balení (produktů) na dopravním pásu (vlevo) stačí zvolit RFID tag s frekvencí 13.56 MHz, pro identifikaci celých palet či současně více produktů uvnitř jedné krabice v logistice se využívá RFID tagů komunikujících v UHF pásmu 860 - 960 MHz
UHF frekvence pro RFID a svět
RFID systémů pracujících v pásmu UHF se již využívá a v budoucnu stále více bude využívat v oblasti logistiky, identifikace a kontroly zabalených produktů. Právě zde je bezpodmíněčně nutný velký komunikační dosah, protože pouze tak mohou být bezpečně identifikovány celé bedny či palety rozměrů i několika metrů nebo zároveň monoho balení na nich či v nich obsažených, když rychle projíždějí snímací bránou například na vysokozdvižném vozíku. A právě v této oblasti, kde se výrobky často přepravují pro celém světě, by bylo potřeba, aby RFID tag vyrobený a umístěný v Evropě bylo možné bezproblému přečíst na letišti či ve skladu v USA, Senegalu, JAR, Číně, Japonsku, Hong Kongu či Austrálii atd. Bohužel právě obecně velmi komunikačně vytížené pásmo UHF má každá země či kontinent jinak zaplněno a tedy pro potřeby RFID bylo možné vyčlenit jiné frekvence. A v tom je kámen úrazu, protože tak ani čtečky nejsou celosvětově kompatibilní. Někteří výrobcí RFIF etiket sice již vyrábějí multifrekvenční varianty zvládající komunikaci na frekvenčním rozsahu 865 až 928 MHz, tzn. mohou být použity stejně dobře v Americe jako v Evropě a nedochází tím k omezovacím faktorům při výměně zboží mezi kontinety, ale to bohužel toto řešení také zvyšuje cenu etikety. Snahou je pak vytvořit tagy zcela multifrekvenční v celém rozsahu 850 až 960 MHz, které by byly použitelné kdekoliv na světě, aby se odstranily problémy v narůstajícím globálním obchodování. UHF tagy se dosud rozdělovaly do několika skupin označovaných jako:
|
UHF RFID tagy již ke komunikaci využívají dipólové antény |
Zatímco ještě v roce 2005 platil v Evropě GEN 1 Class 1 (v Americe zároveň i Class 0+), od roku 2007 je pak celosvětově za standard považován GEN 2 Class 1 lišící se mezi kontinenty a zeměmi právě pouze přenosovou frekvencí podle pravidel příslušného kontinentu (viz mapa).
Mapa frekvencí v UHF pásmu, které jsou povolené pro RFID komunikaci
Závěr
Rádiová identifikace RFID už má světlou budoucnost a slibně se rozšiřuje v obchodu, průmyslu, logistice, i kultuře a běžném životě. Bohužel však jak to v přírodě bývá, nehodí se pro všechny aplikace jeden typ RFID komunikace a konstrukce transpodéru (tagu). Zatímco pro potřeby různých identifikačních karet a jednotlivých malých balených přístrojů stačí v současné době nejběžnější typ s frekvencí 13.56 MHz, pro potřeby přepravy velkých palet, elektronického mýtného či parkovacích karet se více hodí tagy v UHF pásmu. Příště se pokusím detailněji zaměřit na UHF RFID jak z pohledu konstrukce tagu, tak vývoje standardu GEN 1 a GEN 2 s odhadem dalšího rozvoje do budoucna.
Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Časopis Svět balení - odborný časopis pro profesionály v oblasti balení, číslo 5/2007, www.svetbaleni.cz
- Zajímavé články na stránách RFID Journalu - www.rfidjournal.com
- Michael Helmeste: "Passive RFID sensors", Passive RFID sensor project RF MEMS group, Li-Bachman labs
- Luboš Doležal: "Dotkněte se RFID ! - Úvod do technologie", Kodys
- Výrobce všeho potřebného pro RFID Smart Labels - www.paxar.com
- Informace o RFID - http://glossary.ippaper.com/default.asp?req=knowledge/article/489
- Webové stránky: www.hightechaid.com/tech/rfid, www.rfid-handbook.de/rfid/frequencieshtml, www.scienceprog.com/how-does-rfid-tag-technology-works
- Daniel M. Dobkin: "The RF in RFID: physical layer operation of passive UHF tags and readers, 4. RFID Frequency Bands", October 2005, www.enigmatic-consulting.com/Communications_articles/RFID/RFID