RFID a její pracovní frekvence

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 HF RFID systém s komunikační frekvencí 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 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.

Rozdělení RFID podle standardizovaných nosných komunikačních frekvencí:

• Nízkofrekvenční LF (typicky 124 kHz, někdy 135 kHz) - čtecí (komunikační) dosah do 0,2 někdy až 0,5 m (dle podmínek).
• Vysokofrekvenční HF (13,56 MHz) - čtecí dosah maximálně do cca 1 m.
• Ultrafrekvenční UHF (celosvětově nejednotná frekvence - typ. rozsah 860 až 960 MHz, např. Evropa 868 MHz, USA a Canada 915 MHz) - čtecí dosah až cca 3 m.
• Ultrafrekvenční/mikrovlnná 2,45 GHz - čtecí dosah do cca 2 m.

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).

Volba a vliv frekvence RFID na použití

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 čipu. Protože rostoucí 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 čárových 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 1/8-vlnový dipól, což odpovídá délce cca 5 cm.

Rozdíl je pak i v principu zasílání 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).

Výhody a nevýhody UHF RFID v průmyslu

Vysoce automatizovaná, vysoce flexibilní a úzká síťová průmyslová výroba vyžaduje efektivní fungování technologie pro identifikaci systémů, nástrojů, obrobků a výrobků. Díky svým specifickým výhodám, založená technologie identifikace RFID srovnání s alternativními řešeními, jako je optický identifikace a je tedy bezpochyby jedním z nich klíčové technologie pro průmysl 4.0. Na mnoha místech dnes dochází k zavedení RFID výrobních procesů je často stále komplikované a časově náročné.

Technologii HF je relativně snadné integrovat kvůli nevýznamnému efektu prostorového a fyzického prostředí. Ale jak již bylo zmíněno výše, technologie HF má omezený rozsah, takže použití pásma UHF poskytuje větší flexibilitu a větší rozsahy. Tím, že však UHF systém není založen na induktivní vazbě v blízkého magnetického pole, jako v případě HF provedení, ale na vyzařované elektromagnetické vlně, tak je tato technologie mnohem více citlivá na rušení způsobené interakcí mezi čtecími / zapisovacími hlavami a tagy (RFID štítky). Odrazy vlny na stěnách, kovových předmětech nebo předmětech obsahující vodu tak představují pro montáž a použití zvláštní výzvy. Obecně většina firem dodávající RFID systémy v případě UHF verze dopředu vyžaduje praktické vyzkoušení / testování / simulaci funkce přímo v plánovaném místě použití přímo v konkrétním provozu a za běžných provozních podmínek právě kvůli posouzení vlivu okolního rušení na funkci.

Z důvodu velkého ovlivňováním okolí, jsou čtecí / zapisovací hlavy UHF vybaveny některými proměnnými, které lze nastavit tak, aby tyto efekty zůstaly zachovány kontrola. Například výstupní výkon většiny těchto zařízení lze proto variabilně řídit. Uživatelé však musí také nastavit RSSI  filtry a další parametry tak, aby vyhovovaly aplikaci.

UHF technologie se používá zejména v případech, kde jsou štítky namontovány na výrobek, nikoliv na držáku obrobku a je tak obtížné dosáhnout nebo dokonce opustit místo výroby. Hromadné čtení jsou další výhodou technologie UHF. Zatímco současně čtení několika značek je také možné u HF technologie je omezena pouze na cca. 20 za čtení úkon. UHF může zpracovávat 200 tagů zde a dokonce více, v závislosti na počtu antén. UHF technologie se proto používá zejména v logistice aplikace vyžadující souběžné čtení několik značek.

Závěr

Zkráceně by šlo výhody a nevýhody použití UHF frekvencí u RFID v průmyslu shrnout do následujících dvou výrazů:

• velké dosahy,
• vysoká složitost.

Takže zde platí staré známé přísloví: "Nic není zadarmo.". Uživatelé UHF RFID systému tak obvykle musí souhlasit s kompromisem mezi větší flexibilitou a většími dosahy a větší složitostí a tedy i finanční náročností na pořízení i instalaci a správné zprovoznění. Je třeba číst více značek najednou? Pohybující se čtecí/zapisující hlavy nebo tagy během čtení či zápisu? Je potřeba číst i zapisovat a jak rychle? Tyto otázky jsou základem instalace UHF RFID a musí být zodpovězeny ještě před návrhem systému. To je také důvod, proč UHF projekty většinou vyžadují i těsné zapojení integrátorů systému. Integrátoři se musí postarat o instalaci middleware, který filtruje, přenáší a v případě potřeby upravuje použitelné informace z RFID pro zákaznický systém ERP, SCADA nebo MES.

Odkazy:

• Článek "Používané RFID frekvence a jejich vliv na čtení a zápis tagu" na serveru automatizace.hw.cz.
• Článek "Moderní průmyslové RFID systémy pro intralogistiku a řízení " na serveru automatizace.hw.cz.
• Informace o RFID na webu výrobce Turck GmbH: https://www.turck.de/en/.