V současném světě, kde je nutné dbát stále více na kontrolu kvality a životnosti výrobků, se do popředí zájmu po úspěšném nástupu RFID identifikátorů tlačí tzv. RFID senzory. Ty mohou v podobě ohebných etiket průběžně monitorovat teplotu, vlhkost, chemické složení a třeba i DNA. I když jsou stále převážně na stolech vývojářů a laboratoří, již několik firem je v přijatelné funkční a odolné formě prezentuje a prodává. Více se dozvíte v následujícím článku...

O RFID (Radio Frequency IDentification) již bylo napsáno hodně a díky všeobecné popularizaci a přijatelné ceně tzv. tagů (prvků obsahující vysílané informace) je tento bezdrátový přenos dat na krátké vzdálenosti stále populárnější. Již v roce 2002 se některé firmy pustily do praktické realizace RFID senzorů, tedy využití tagů nejen pro potřeby identifikace (vyslání pevně uložených dat), ale ve spojení se senzorem i pro okamžité či průběžné měření vlastností sledovaných objektů během přepravy, skladování, balení apod. Zvláště u potravin, léků, chemikálií a podobných snadno s okolním prostředím reagujících látek je to neocenitelná pomůcka. Především při současných trendech stále prodlužovat lhůtu vhodné spotřeby.

Stručný úvod do RFID

Přestože si myslím, že princip RFID je již všeobecně dost známý (články o RFID vyšly snad ve všech možných časopisech, novinách a magazínech), tak zde jen pro pořádek velmi stručně uvedu základní úvod do technologie RFID.

Vše okolo RFID je založeno na vzájemné komunikaci tzv. RFID tagů, což jsou obvykle malé až miniaturní vysílače (často velmi placaté - do 1 mm), které mohou obsahovat libovolná data o objektu, ke kterému přísluší, a RFID čtečky, která s tagy komunikuje jen když je to potřeba a tagem vyslaná data přijímá (někdy data tagu i vysílá). Ty pak dále zpracovává a předává nadřazenému zařízení (systému), obvykle tvořeného nějakou formou PC. Z pohledu bezdrátové komunikace se využívá několika různých frekvencí podle toho jaký má být komunikační dosah a jak může být velká anténa (anténa a příp. baterie hlavně určují velikost tagu). Obecně může frekvence RFID systémů být v rozsahu již od nízkých hodnot 135 kHz až do pásma SHF (až 5.875 GHz). Nejčastěji se však využívá hodnota 13.56 MHz příslušící do volného ISM pásma (Industrial Scientific Medical band).

Pro samotný přenos dat, resp. jednotlivých bitů v sériové komunikaci, se využívá obyčejné amplitudové modulace ASK (Amplitude Shift Keying), přičemž samotný tag neprovádí generování nosné vlny, ale pouze dopadající vlnu ze čtečky s různou intenzitou odráží, čímž mění obálku vlny (její amplitudu) právě ve stylu ASK modulace. Řízení odrazu vlny provádí blok zvaný backscatter nebo backscattering modulator. Protože v dosahu čtečky může být naráz hned několik RFID tagů pracující na stejné frekvenci, bývá obvykle implementovány různé mechanismy detekce/rozlišení kolizí, vznikající při současném vysílání více jednotek na stejné frekvenci.

Podle typu vzájemné "kooperace" RFID tagu a čtečky se tagy rozdělují do 3 kategorií:

• pasivní (passive) - neobsahují žádný vlastní zdroj trvalé energie (žádnou baterii)
• polopasivní nebo poloaktivní (semi-passive or semi-active) - sice obsahují baterii, ale nevyužívají ji k vysílání (komunikaci)
• aktivní (active) - obsahují vnitřní zdroj energie (baterii), kterou využívají ke všem funkcím (i komunikaci)

Jak je z toho patrné, pasivní tagy pracují vždy pouze v okamžiku, kdy jsou v dosahu čtečky a mají s ní navázanou komunikaci. Čtečka prostřednictvím své vysílací/přijímací antény vyšle elektromagnetický signál o frekvenci odpovídající rezonanční frekvenci přijímací antény tagu, jejíž energie se využívá ke krátkodobé napájení vnitřní elektroniky tagu. Energií se nabijí vnitřní kondenzátory nábojové pumpy generátoru napětí, které pak dočasně fungují jako baterie. Poté se tedy elektronika tagu "probudí", začne se z frekvence nosné vlny generovat hodinový signál tagu, demoduluje se a dekóduje případný datový tok od čtečky a vyšlou se příslušná v ROM uložená data čtečce prostřednictvím Backscattering modulátoru a nosné vlny od čtečky - viz následující blokové schéma.

Polopasivní či poloaktivní tagy již obsahují vlastní zdroj energie v podobě velmi tenké (papírově tenké) lithiové baterie, která však slouží jen k napájení elektronických obvodů (částí) tagů, které musí pracovat i v době, když není čtečka v dosahu nebo když nepracuje. Samotná komunikace (vysílací a přijímací proces) je opět napájen z energie čtečkou vyslané radiového signálu. Tento systém umožňuje minimalizovat kapacity a tím i velikost baterie a tak miniaturizovat samotný RFID tag.

Aktivní tag má vše plně napájeno jen z vlastní implementované baterie a může být tedy i aktivní ve smyslu komunikace, například začínat vysílat data při nastolení některé události. Právě aktivní, případně poloaktivní tagy lze využít jako RFID senzory, protože ty musí měřit hlídanou veličinu průběžně.

RFID senzory - obecný úvod

Nápad využít technologie RFID, dnes již více méně běžně využívané pro potřeby identifikace, ve sféře senzoriky se objevil záhy po jejím praktickém nasazení hlavně v oblasti potravinářského a farmaceutického průmyslu, kde vliv okolí na produkty je kritický a kde každá špatná manipulace s výrobky může způsobit jejich nepoužitelnost, často na první pohled neviditelnou. V tomto směru se jako první vyskytly teplotní RFID senzory a do dnešní doby k nim přibyly i senzory vlhkosti a nejnověji senzory chemického složení a dokonce i DNA.

Pod pojmem RFID senzory však lze obecně nalézt 2 druhy:

• v miniaturním provedení ve velikosti RF tagu, tloušťce jen několik mm a hmotnosti max. jednotek gramů - blíží se identifikačním tagům
• ve "velkém provedení" ve velikostech desítek mm a hmotnosti desítek gramů - využívají RFID čistě jen jako druh bezdrátové komunikace

Samozřejmě více jsou zajímavé ty miniaturní, které jsou často koncipované jako etikety výrobků ve velikosti kreditní karty. Proti ní se však dělají i ve velmi měkké a flexibilní verzi, tzv. že se dají v mezené míře ohýbat i kroutit. Dají se tak například přilepit na polypropylenový nebo polyetylenový sáček či na plastovou vaničku nebo různé "polštářky" apod. Produkt v tomto obalu zabalený je tak neustále monitorován a naměřená data se ukládají do vnitřní paměti až do okamžiku přečtení. Časové spuštění měření, časování odbírání naměřených vzorků, pravidla, které hodnoty budou ukládány a další vlastnosti lze často u senzoru nastavit právě prostřednictvím k tomu určené RFID čtečky (teď vlastně jde spíše o komunikační uzel) připojené na PC se k tomu určeným softwarem.

Z pohledu blokové struktury RFID senzoru zde proti klasickým identifikačním tagům přibude hlavně samotný křemíkový senzor a pak samozřejmě k tomu určená a vylepšená elektronika obvykle v podobě výkonnějšího mikrokontroléru s SRAM a EEPROM či Flash pamětí. To vše však dnes bývá již implementováno společně na jednom chipu. Z pohledu celkového provedení RFID tagu se senzorem se musí samozřejmě připočítat ještě anténa a většinou i "papírová baterie" (Li-Ion baterie tloušťky papíru).

RFID senzory teploty Microtec-Variosens

RFID teplotní záznamníky Variosens německé firmy KSW Mictrotec AG se dají označit za smart cards (chytré karty) nebo smart labels (chytré etikety), které mimo běžných vlastností RFID tagu umožňuje i měřit a do vnitřní paměti zaznamenávat hodnoty teploty v uživatelem definovaných časových rozestupech. Navíc lze předem definovat zda se mají ukládat všechny naměřené teploty (modus 0) nebo jen hodnoty překračující určité přednastavené úrovně (horní a spodní - modus 1) či jen extrémní hodnoty (modus 2), které překročily maximální horní hranici.

Z mechanického pohledu jsou RFID Variosens v provedení kreditních karet formátu ID1 a firma je navíc vyrábí ve třech variantách tvrdosti pouzdra: tvrdé (hard), normální (normal) a flexibilní (flexible). Poslední flexibilní verzi je možné v omezené míře ohýbat a kroutit.

Uživatelská komunikace, nastavení a čtení dat z RFID senzoru se provádí prostřednictvím čtečky a PC nebo PocketPC grafického softwaru pro OS Windows. Čtečka, resp. zde spíše jde o komunikační RFID rozhraní, existuje také buď ve verzi pro klasické PC (jednotka připojená prostřednictvím USB nebo RS-232) nebo jako karta CF (Compact Flash) pro zasunutí do slotu PDA/PocketPC s OS Windows CE/Windows Mobile.

Základní parametry RFID senzoru:

• Počet záznamů: 0 až 720 hodnot teploty (10 bitová data)
• Provozní teplota: -20°C až 50°C
• Přesnost měření: 1 °C
• Měřící interval: nastavitelný 2 s až 9 hod.
• Časové zahájení měření: 0 až 720 dní
• RFID nosná frekvence: 13,56 MHz dle ISO 15693
• Komunikační dosah 0 až 25 cm (s 1W čtečkou s anténou 30 x 30 cm)
• Rychlost čtení: přečetní 750 naměř. hodnot = 0.6 s
• Velikost vnitřní paměti: 8 kb EEPROM
• Napájení:
  • "papírová" baterie MnO2Zn 1.5 V, kapacita min. 6 mA/h
  • min. potřebné napájecí napětí 1.1 V
• Tříúrovňová ochrana heslem
• Rozměry: ID1-formát kreditní karty

Závěr

Nejrůznější RFID senzory jistě mají světlou budoucnost s odhledem na stále se zpřísňující zákony a kauzy, které ohledně různě zkažených či poškozených produktů významně poškozují renomé firem. Pomocí chytrých etiket lze i v případě již nějaké reklamace z uložených dat zjistit, kdy byla provedena nevhodná manipulace s produktem, která způsobila jeho zkázu a tedy lze jednoznačně určit viníka (výrobce, dopravce či skladující a prodávající firma).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky firmy KSW Microtec - www.ksw-microtec.de
• Zajímavé články na stránách RFID Journalu - www.rfidjournal.com
• Michael Helmeste: "Passive RFID sensors", Passive RFID sensor project RF MEMS group, Li-Bachman labs
• Subramanian NAMBI, Sheshidher NYALAMADUGU, and Stuart M. WENTWORTH : "Radio Frequency Identification Sensors"
• Namjun Cho: "A 8-µW, 0.3-mm2 RF-Powered Transponder with Temperature Sensor for Wireless Environmental Monitoring", 2005 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2005)