سامانه RFID — سیستم شناسایی امواج رادیویی

زمانی که به کتابخانه می‌روید و چندین کتاب را انتخاب می‌کنید، در هنگام قرار دادن آن‌ها بر روی میز پذیرش، نام همه این کتاب‌ها درون صفحه کامپیوتر به نمایش درمی‌آید. در یک مسابقه دو با حضور چند هزار نفر، زمان سپری‌شده همه شرکت‌کننده‌ها را می توان تنها توسط کارت مسابقه آن‌ها بررسی کرد. حیوانات خانگی گم‌شده، تنها با اسکن کردن گردنشان قابل‌شناسایی و بازگرداندن به صاحبان خود هستند. به نظر شما، همه این کارها چگونه ممکن است؟

پاسخ، استفاده از سیستم شناسایی امواج رادیویی (Radio Frequency IDentification) یا به صورت مختصر، «RFID» است. در این پست، اصول اولیه نحوه کار سیستم RFID را تشریح می‌کنیم.

قابلیت‌های اساسی سامانه RFID

ممکن است تصور کنید که یک همستر کوچک دارای چشم‌هایی با قابلیت اشعه ایکس (x-ray) در واحد بازخوان (reader module) وجود دارد و عملکردهای سامانه RFID را کنترل می‌کند.

فیلم آموزش HFSS برای شبیه سازی میدان ها و امواج در فرادرس

کلیک کنید

در واقعیت، این سامانه کمی ساده‌تر است.

سامانه RFID، از امواج رادیویی ایجادشده توسط یک واحد بازخوان، به منظور تشخیص (خواندن و ذخیره داده‌های) برچسب الکترونیکی (tag) مخصوص RFID استفاده می‌کند. شناسه‌های الکترونیکی، در اشیا کوچکی مانند کارت‌ها، دکمه‌ها یا کپسول‌های کوچک قرار داده می‌شوند.

واحدهای بازخوان در برخی از سیستم‌ها، از امواج رادیویی برای نوشتن اطلاعات جدید درون برچسب‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند.

دو نوع سیستم RFID وجود دارد:

• فعال
• منفعل

سیستم قدرت برچسب الکترونیکی، نوع سیستم RFID را تعیین می‌کند.

برچسب الکترونیکی منفعل

در سیستم RFID منفعل، برچسب‌های الکترونیکی از باتری استفاده نمی‌کنند؛ در عوض، انرژی موردنیاز خود را از واحد بازخوان دریافت می‌کنند. واحد بازخوان، یک محدوده انرژی را تا شعاع چند متری انتشار می‌دهد تا انرژی موردنیاز برچسب‌های الکترونیکی در مجاورت خود را تأمین می‌کند. برچسب الکترونیکی، انرژی ساطع‌شده را از کارت‌خوان دریافت کرده، روشن می‌شود و اطلاعات شناسایی خود را ارسال می‌کند.

معمولاً، هر چه برچسب الکترونیکی کوچک‌تر باشد، محدوده خوانده شدن آن کمتر است

برچسب الکترونیکی فعال

سیستم RFID فعال، از برچسب‌های الکترونیکی با منبع تغذیه درونی به منظور افزایش محدوده پوشش استفاده می‌کنند. این برچسب‌ها، دارای یک باتری بوده و معمولاً قطعات مر بوط به فناوری نصب سطحی (Surface mount technology - SMT) در آن‌ها بزرگ‌تر است. پس از گذشت یک زمان از پیش تعیین‌شده، برچسب الکترونیکی از خود پالس فرکانس‌های رادیویی انتشار می‌دهد. برچسب‌های الکترونیکی فعال، نسبت به برچسب‌های الکترونیکی منفعل، در فواصل بیشتری قابل خوانده شدن هستند (بیش از 10 متر).

مشکل برچسب‌های الکترونیکی فعال، حجم زیاد آن‌ها است (به دلیل وجود باتری)، عمر کمتر (زمانی که باتری تمام شود، غیرقابل استفاده می‌شود)، هزینه زیاد هر برچسب و نرخ انتشار متغیر است.

فرکانس‌های RFID

سیستم‌های RFID، علاوه بر سیستم‌های فعال و منفعل، می‌توانند به فرکانس‌های مختلفی تقسیم‌بندی شوند.

برخی از سیستم‌ها و فرکانس‌ها برای خواندن تنها یک برچسب الکترونیکی در هر دفعه طراحی شده‌اند، در حالی که برخی دیگر می‌توانند چندین برچسب را هم‌زمان بخوانند. قیمت بازخوان‌ها نیز بر اساس سطح فرکانس واحدهایشان، به طور گسترده‌ای متفاوت است. در سال‌های ابتدایی ساخت بازخوان‌ها، آن‌های که قابلیت خواندن چندین برچسب را داشتند، با قیمت چند هزار دلار به فروش می‌رفتند. این سیستم‌ها برای اکثر علاقه‌مندان و پیشگامان عرصه الکترونیک غیرقابل‌دسترس است. اگرچه، قیمت‌ها شروع به تغییر کرد و بازخوان‌هایی با قابلیت خواندن چندین برچسب، بسیار ارزان‌تر شده‌اند.

در جدول زیر، تقسیم‌بندی اساسی فرکانس‌ها، به همراه خواص آن‌ها آمده است.

حافظه برچسب الکترونیکی

برچسب‌های RFID، مقدار زیادی داده را در حافظه‌ی خود ذخیره می‌کنند. این قابلیت، برچسب‌ها را بسیار مفید می‌کند. انواع مختلف زیادی از شناسایی اطلاعات (از هر صنعتی به صنعت دیگر، این اطلاعات تغییر می‌کنند)، می توانند در برچسب‌ها ذخیره شوند اما توضیح در مورد اکثر آن‌ها، ورای اهداف این آموزش است. برخی از برچسب‌های RFID، از قالب اختصاصی (proprietary format) استفاده می‌کنند. سیستم‌های کارت‌های شناسایی دانش آموزان، دانشجویان و کارت‌های کنترل دسترسی تجاری دیگر، ممکن است با همه بازخوان‌های RFID کار نکنند.

فیلم آموزش امواج و ارتعاشات (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

استاندارد نسل دوم حافظه RFID با فرکانس بسیار بالا

استاندارد نسخه 2.0.1 که توسط سازمان «EPCglobal» نوشته شده است، همه‌ی الزامات RFID را برای برچسب‌های نسل دوم RFID پوشش می‌دهد. به طور کلی، حافظه یک برچسب الکتریکی، به سه قسمت تقسیم می‌شود: شناساگر برچسب (TID)، کد محصول الکترونیکی (EPC) و حافظه کاربر.

حافظه شناساگر برچسب (TID)

شناساگر برچسب به صورت 20 بایتی یا 160 بیتی هستند. این عدد به معنای این است که امکان وجود 10⁴⁸*1.46 برچسب مختلف وجود دارد. این مقدار، بیش از تعداد اتم‌های تشکیل‌دهنده بدن انسان است. هر برچسب RFID دارای شناساگر برچسب منحصربه‌فرد خود است و این شناساگر قابل‌تغییر نیست.

حافظه کد محصول الکترونیکی (EPC)

در حالی که شناساگرهای برچسب برای شناسایی مطلق مناسب هستند، استاندارد نسل دوم RFID در واقع، برای جایگزینی بارکد در محیط بسیاری از خرده‌فروشی‌ها ایجاد شد. زمانی که برای خرید به خواروبارفروشی می‌روید، شناساگر برچسب خرید شما (مثلاً 0xE242F3) برای محل ثبت محصول اهمیتی ندارد بلکه نوع محصول (مثلاً یک شیشه مربا) مهم است. کاربرد استفاده از کد محصول الکترونیکی در این مرحله است. این کد، به صورت 12 بایتی و قابل‌تغییر است. هدف از نوشتن کد محصول الکترونیکی، جایگزینی آن با کد محصول جهانی است.

یک برچسب RFID را بر روی یک گالن شیر بچسبانید، کد محصول الکترونیکی برچسب را به صورت «0 7874203641 0» برنامه‌ریزی کنید. در این صورت، محل ثبت محصول، محصول شما را به عنوان نصف گالن شیر کم‌چرب 1% بدون لاکتوز شناسایی می‌کند. برای برچسب مهم نیست که چگونه آن 12 بایت نوشته می‌شود. نوشتن به صورت کد استاندارد آمریکا برای تبادل اطلاعات (ASCII) و به صورت حروف نیز قابل‌قبول است، فقط باید نوشته زیر 12 بایت باشد.

حافظه کاربر

حافظه کاربر، از 0 تا 64 بایت قابل‌تغییر است. هر چه برچسب الکترونیکی ارزان‌تر باشد، احتمالاً بایت‌های اختصاص‌یافته کمتری برای حافظه کاربر دارد. کاربرد استفاده از حداکثر حافظه کاربر یعنی 64 بایت را با مثال گالن شیر توضیح می‌دهیم. هدف از حافظه کاربر، ثبت اطلاعاتی مانند تاریخ انقضا محصول است. کد محصول الکترونیکی، یک برچسب جهانی (پیام «محصول مورد نظر شیر است» ذخیره شده) است و حافظه کاربری برای همان گالن اختصاص داده شده است (پیام «تا 15 بهمن فروخته شود» ذخیره شده). در اینجا نیز برای برچسب نوع پیام ذخیره شده اهمیت ندارد. برای مثال، پیام «این مسافر، ترجیح می‌دهد که صندلی خود را در هواپیما به صورت 10 درجه تنظیم کند» را می‌توان به عنوان اطلاعات تنظیمات کاربر در نظر گرفت.

کلمه‌های عبور

محل‌های اضافی برای حافظه نوشتاری، با عنوان کلمه عبور دسترسی (Access password) و کلمه عبور غیرفعال کردن (Kill password) نیز وجود دارند. کلمه عبور دسترسی، برای جلوگیری از دسترسی افراد دیگر از تغییر اطلاعات برچسب‌ها استفاده می‌شود. کلمه عبور غیر فعال کردن، برای غیرفعال کردن دائمی و غیرقابل‌بازگشت یک برچسب استفاده می‌شود.

عیب‌یابی

بسته به محیط و محفظه‌ای که برای به کارگیری سیستم RFID استفاده می‌شود، ممکن است برای بازخوان‌ها در خواندن یا نوشتن اطلاعات یک برچسب، مشکلات عملکردی به وجود بیاید. در ادامه، به یک سری نکات اشاره می‌شود که برای بهبود عملکرد سیستم مفید خواهند بود.

از تداخل امواج رادیویی جلوگیری کنید. وجود وسایل منتشرکننده امواج رادیویی (مانند تلفن‌های همراه) در محدوده سیستم RFID، می‌توانند اثر منفی بر روی عملکرد سیستم داشته باشند (مخصوصاً اگر هر وسایل در محدوده فرکانس یکسان باشند). وجود چندین سیستم RFID در کنار یکدیگر نیز می‌تواند باعث ایجاد اختلال شود.

از یک منبع تغذیه تمیز استفاده کنید. مانند اکثر سیستم‌های الکترونیکی، منبع تغذیه پر سروصدا و کثیف می‌تواند باعث عملکرد غیرعادی سیستم RFID شود. استفاده از منابع تغذیه تمیز و تنظیم‌شده پیشنهاد می‌شود.

راستای دید را بررسی کنید. استفاده از واحدهای بازخوان در یک محیط باز و بدون وجود اشیای مزاحم بین راستای دید بازخوان و برچسب، نتیجه کار را بهبود می‌بخشد.

از یک آنتن بیرونی استفاده کنید. این کار، محدوده خواندن برچسب‌ها را برای همه سیستم‌ها افزایش می‌دهد. آنتن‌های داخلی، از نظر تغذیه و محدوده پوشش محدود هستند.

برچسب‌ها را در دست خود نگه ندارید (در سیستم‌های فرکانس بسیار بالا). بدن انسان، اساساً مانند یک کیسه آب است. اگر برچسب‌ها را در دست خود نگه دارد، محدوده خوانده شدن آن به طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. به جای این کار، برچسب را به یک وسیله غیرفلزی و بدون آبدار بچسبانید.

از انواع برچسب‌های مختلف استفاده کنید. معمولاً برچسب‌های کوچک، محدوده پوشش کمتری دارند. در صورت استفاده از کپسول شیشه‌ای، یک دکمه را نیز امتحان کنید. در صورت استفاده از دکمه، یک کارت را نیز امتحان کنید.