Analiza tendencji rozwoju technik RFID oraz

Zakład Systemów Radiowych (Z-1)
Analiza tendencji rozwoju technik RFID oraz
laboratorium badawcze technik RFID
Praca nr: 01300018
Warszawa, grudzień 2008
– str. 2 z 187 –
Tytuł pracy:
Analiza tendencji rozwoju technik RFID oraz
laboratorium badawcze technik RFID
Numer pracy:
01300018
Zleceniodawca:
Praca statutowa
Słowa kluczowe:
system RFID; transponder; czytnik; normalizacja; badania;
laboratorium badawcze
Kierownik pracy:
mgr inż. Aleksander Orłowski
Wykonawcy pracy: mgr inż. Aleksander Orłowski
inż. Krzysztof Kaczan
inż. Arkadiusz Staszak
mgr inż. Elżbieta Tomaszuk
Praca wykonana w Zakładzie Systemów Radiowych (Z-1) Instytutu Łączności – PIB.
Kierownik Zakładu Systemów Radiowych (Z-1): mgr inż. Aleksander Orłowski
Niniejsze opracowanie może być powielane i publikowane wyłącznie w całości.
Powielanie i publikowanie fragmentów wymaga uzyskaniu zgody Instytutu Łączności – PIB.
© Copyright by Instytut Łączności – PIB, Warszawa 2008
– str. 3 z 187 –
SPIS TREŚCI
Wstęp.......................................................................................................................................... 8
Spis literatury ......................................................................................................................... 8
1.
Zagadnienia ogólne ............................................................................................................ 9
1.1
Elementy systemu RFID ............................................................................................ 9
1.1.1
Transponder........................................................................................................ 9
1.1.2.
Czytnik ............................................................................................................. 10
1.2
Właściwości systemów RFID .................................................................................. 12
1.2.1
Zasada działania ............................................................................................... 12
1.2.1.1 Sprzężenie indukcyjne.................................................................................. 12
1.2.1.2 Sprzężenie propagacyjne.............................................................................. 13
1.2.2
Cechy użytkowe ............................................................................................... 14
1.2.2.1 Transpondery LF .......................................................................................... 14
1.2.2.2 Transpondery HF.......................................................................................... 16
1.2.2.3 Transpondery UHF....................................................................................... 17
1.3
Zastosowania............................................................................................................ 19
1.4
Standardy RFID........................................................................................................ 21
1.5
Inne zagadnienia....................................................................................................... 24
1.5.1
Odniesienie do modelu OSI ............................................................................. 24
1.5.2
Bezpieczeństwo................................................................................................ 24
1.5.3
Ochrona środowiska......................................................................................... 24
1.5.4
Ochrona zdrowia .............................................................................................. 24
1.6
Definicje ................................................................................................................... 25
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 1 ................................................................................ 29
Spis literatury do rozdz. 1 .................................................................................................... 29
2
Systemy RFID w pasmach LF ......................................................................................... 31
2.1
Wprowadzenie.......................................................................................................... 31
2.2
Norma ISO/IEC 18000-2 ......................................................................................... 31
2.2.1
Warstwa fizyczna systemu typu A (FDX) ....................................................... 32
2.2.2
Warstwa fizyczna systemu typu B (HDX) ....................................................... 34
2.2.3
Porównanie systemów typu A (FDX) i typu B (HDX).................................... 36
2.2.4
Klasyfikacja poleceń systemowych ................................................................. 38
2.2.5
Protokół transmisji ........................................................................................... 40
2.2.6
Sekwencja antykolizyjna.................................................................................. 43
2.2.7
Organizacja pamięci użytkownika w transponderach...................................... 45
2.3
Systemy RFID do identyfikacji zwierząt ................................................................. 45
2.3.1
Koncepcja systemu........................................................................................... 45
2.3.2
Wymagania dotyczące czytników.................................................................... 46
2.3.3
Wymagania dotyczące transpondera FDX....................................................... 46
2.3.4
Wymagania dotyczące transpondera HDX ...................................................... 47
2.3.5
Inne właściwości systemu ................................................................................ 48
– str. 4 z 187 –
2.3.6
Kod identyfikacji transpondera ........................................................................ 50
2.4
Udoskonalone transpondery do identyfikacji zwierząt ............................................ 52
2.4.1
Odczyt transponderów udoskonalonych .......................................................... 53
2.4.2
Transponder typu FDX-B20............................................................................. 53
2.4.3
Transponder typu FDX-B100........................................................................... 56
2.4.4
Transponder HDX–ADV ................................................................................. 58
2.5
Aspekty techniczne i regulacyjne identyfikacji zwierząt......................................... 59
2.6
Badania urządzeń RFID pracujących w pasmach LF .............................................. 61
2.6.1
Ogólne warunki wykonywania badań .............................................................. 61
2.6.2
Badanie transponderów LF .............................................................................. 61
2.6.2.1 Minimalne natężenie pola ............................................................................ 61
2.6.2.2 Poziom odpowiedzi transpondera: ............................................................... 62
2.6.2.3 Wytwarzanie pomiarowego pola magnetycznego........................................ 64
2.6.2.4 Odbiór sygnału transpondera ....................................................................... 65
2.6.2.5 Procedura badania transponderów FDX ...................................................... 67
2.6.2.6 Procedura badania transponderów w trybie HDX........................................ 68
2.6.2.7 Pomiary minimalnej wartości natężenia pola aktywacji .............................. 68
2.6.2.8 Inne parametry transponderów..................................................................... 69
2.6.3
Wyposażenie do badania czytników ................................................................ 69
2.6.3.1 Emulator transponderów .............................................................................. 69
2.6.3.2 Indeks modulacji amplitudy i kształt przebiegu........................................... 70
2.6.3.3 Badanie mocy generowanej w trybie FDX .................................................. 70
2.6.3.4 Badanie mocy generowanej w trybie HDX.................................................. 70
2.6.3.5 Detekcja odpowiedzi transpondera FDX ..................................................... 70
2.6.3.6 Detekcja odpowiedzi transpondera HDX..................................................... 70
2.6.3.7 Opis emulatorów transponderów ................................................................. 71
Wykaz akronimów do rozdz. 2 ............................................................................................ 75
Spis literatury do rozdz. 2 .................................................................................................... 76
3
Systemy RFID w paśmie 13,56 MHz............................................................................... 77
3.1
Wprowadzenie.......................................................................................................... 77
3.2
Norma ISO/IEC 18000-3 ......................................................................................... 77
3.2.1
Charakterystyka systemu MODE 1.................................................................. 78
3.2.2
Charakterystyka systemu MODE 2.................................................................. 81
3.2.2.1 Charakterystyka interfejsu radiowego czytnika ........................................... 82
3.2.2.2 Modulacja jittera fazy (PJM)........................................................................ 82
3.2.2.3 Kodowanie danych czytnika ........................................................................ 83
3.2.2.4 Komunikacja transponderów z czytnikiem .................................................. 84
3.2.2.5 Unikanie kolizji ............................................................................................ 85
3.3
Karty bezstykowe..................................................................................................... 88
3.3.1
Karty dystansowe – norma ISO/IEC 15693..................................................... 89
3.3.1.1 Parametry interfejsu radiowego ................................................................... 89
3.3.1.2 Komunikacja VCD z VICC.......................................................................... 89
3.3.1.3 Komunikacja VICC z VCD.......................................................................... 91
3.3.2
Badania zgodności z normą ISO/IEC 15693-2 ................................................ 95
3.3.2.1 Cewka kalibracyjna ...................................................................................... 96
3.3.2.2 Testowe urządzenie sprzęgające .................................................................. 96
3.3.2.3 Wzorcowe karty dystansowe...................................................................... 101
3.3.2.4 Cyfrowy oscyloskop próbkujący................................................................ 102
– str. 5 z 187 –
3.3.2.5 Badania funkcjonalne karty dystansowej................................................... 102
3.3.2.6 Badania natężenia pola i zdolności do zasilania kart ................................. 103
3.3.2.7 Indeks modulacji i kształt przebiegu.......................................................... 104
3.3.2.8 Odbiór modulacji obciążenia ..................................................................... 104
3.3.3
Karty zbliżeniowe – norma ISO/IEC 14443 .................................................. 105
3.3.3.1 Parametry interfejsu radiowego ................................................................. 105
3.3.3.2 Interfejsy komunikacyjne........................................................................... 106
3.3.3.3 Interfejs typu A........................................................................................... 106
3.3.3.4 Interfejs typu B........................................................................................... 107
3.3.3.5 Minimalna strefa odczytu karty zbliżeniowej ............................................ 107
3.3.3.6 Protokóły detekcji kolizji i komunikacyjne ............................................... 108
3.3.4
Badania zgodności z normą ISO/IEC 14443-2 .............................................. 108
3.3.4.1 Cewka kalibracyjna .................................................................................... 108
3.3.4.2 Testowe urządzenie sprzęgające ................................................................ 108
3.3.4.3 Wzorcowe karty zbliżeniowe ..................................................................... 110
3.3.4.4 Cyfrowy oscyloskop próbkujący................................................................ 111
3.3.4.5 Pomiary natężenie pola PCD...................................................................... 111
3.3.4.6 Badania zdolności do zasilania kart ........................................................... 112
3.3.4.7 Indeks modulacji i kształt przebiegu.......................................................... 112
3.3.4.8 Odbiór modulacji obciążenia ..................................................................... 112
3.3.4.9 Badania funkcjonalne karty zbliżeniowej .................................................. 113
3.3.5
Komunikacja w polu bliskim (NFC).............................................................. 113
3.4
Wymagania zasadnicze i inne regulacje Europejskie ............................................ 117
Wykaz akronimów do rozdz. 3 .......................................................................................... 118
Spis literatury do rozdz. 3 .................................................................................................. 119
4
Systemy RFID w pasmach UHF .................................................................................... 121
4.1
Wstęp...................................................................................................................... 121
4.2
Zakres 860 MHz do 960 MHz – norma ISO/IEC 18000-6 ...................................... 123
4.2.1
Typ A.............................................................................................................. 127
4.2.1.1 Transmisja danych z czytnika do transpondera.......................................... 127
4.2.2
Typ B.............................................................................................................. 130
4.2.2.1 Transmisja danych z czytnika do transpondera.......................................... 130
4.2.2.2 Transmisja danych z czytnika do transpondera.......................................... 132
4.2.3
Detekcja błędu transmisji ............................................................................... 133
4.3
Badanie zgodności z normą ISO/IEC TR 18000-6 ................................................ 133
4.3.1
Badania funkcjonalne czytnika ...................................................................... 133
4.3.1.1 Wyposażenie do badania czytników .......................................................... 133
4.3.1.2 Badanie modulacji...................................................................................... 133
4.3.1.3 Badanie demodulatora................................................................................ 133
4.3.2
Badanie funkcjonalne transponderów ............................................................ 134
4.3.2.1 Stanowisko do badania transponderów ...................................................... 134
4.3.2.2 Badanie demodulacji .................................................................................. 135
4.3.2.3 Badanie rozproszenia wstecznego.............................................................. 135
4.3.2.4 Czas odpowiedzi transpondera................................................................... 137
4.3.2.5 Szybkość transmisji transpondera .............................................................. 137
4.3.2.6 Czas podtrzymywania stanu przez transponder ......................................... 137
4.3.3
Wymagania dotyczące stanowiska pomiarowego.......................................... 137
4.3.3.1 Oscyloskop ................................................................................................. 138
– str. 6 z 187 –
4.3.3.2 Analizator widma ....................................................................................... 138
4.3.3.3 Emulator transpondera ............................................................................... 138
4.3.3.4 Generator RF .............................................................................................. 139
4.3.3.5 Antena odniesienia ..................................................................................... 140
4.4
Zakres 865 ÷ 868 MHz – wymagania krajowe ...................................................... 140
4.4.1
Podstawy regulacji ......................................................................................... 140
4.4.2
Zestawienie wymagań .................................................................................... 143
4.5
Wykorzystanie pasma 2,45 GHz – norma ISO/IEC 18000-4 ................................ 147
4.5.1
Wprowadzenie................................................................................................ 147
4.5.2
Charakterystyka zakresu normy ISO/IEC 18000-4........................................ 148
4.5.3
System MODE 1 ............................................................................................ 148
4.5.3.1 Łącze czytnik do transpondera................................................................... 149
4.5.3.2 Łącze transponder do czytnika................................................................... 149
4.5.3.3 Unikanie kolizji .......................................................................................... 149
4.5.3.4 Komunikacja transpondera z czytnikiem FM0 .......................................... 151
4.5.4
System MODE 2 ............................................................................................ 152
4.5.4.1 Łącze czytnik do transpondera................................................................... 152
4.5.4.2 Łącze transponder do czytnika................................................................... 153
4.5.4.3 Charakterystyka protokółu ......................................................................... 153
4.5.4.4 Opis interfejsu radiowego .......................................................................... 154
4.6
Badanie zgodności z normą ISO/IEC 18000-4 ...................................................... 155
4.6.1
Badania czytników ......................................................................................... 156
4.6.2
Badania transpondera ..................................................................................... 156
4.6.3
Aparatura pomiarowa..................................................................................... 156
4.7
Pasmo 2,45 GHz – wymagania krajowe ................................................................ 157
4.7.1
Podstawy regulacji ......................................................................................... 157
4.7.2
Zestawienie wymagań .................................................................................... 157
4.8
Wykorzystanie pasma 433 MHz – norma ISO/IEC 18000-7................................. 159
4.8.1
Wprowadzenie................................................................................................ 159
4.8.2
Charakterystyka zakresu normy ISO/IEC 18000-7........................................ 159
4.8.2.1 Unikanie kolizji .......................................................................................... 160
4.8.2.2 Parametry emisji czytnika .......................................................................... 161
4.8.2.3 Parametry emisji transpondera ................................................................... 161
4.8.2.4 Protokół identyfikacji i transmisji – podstawowe parametry..................... 162
4.8.2.5 Protokół antykolizyjny ............................................................................... 162
4.9
Badanie zgodności z normą ISO/IEC 18000-7 ...................................................... 162
4.10 Pasmo 433,92 MHz – wymagania krajowe............................................................ 162
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 4 .............................................................................. 163
Spis literatury do rozdz. 4 .................................................................................................. 164
5
Ogólne metody badania właściwości użytkowych urządzeń RFID ............................... 166
5.1
Identyfikacja, odczyt i zapis................................................................................... 167
5.1.1
Identyfikacja................................................................................................... 167
5.1.2
Odczyt ............................................................................................................ 167
5.1.3
Zapis ............................................................................................................... 168
5.1.4
Strefa działania systemu – zasięg systemu..................................................... 168
5.1.5
Szybkość transakcji ........................................................................................ 168
5.1.6
Niezawodność ................................................................................................ 168
– str. 7 z 187 –
5.2
Wymagania............................................................................................................. 168
5.3
Metody badania ...................................................................................................... 171
5.3.1
Zasięg identyfikacji – pojedynczy transponder.............................................. 171
5.3.2
Zasięg identyfikacji – wiele transponderów................................................... 171
5.3.3
Szybkość identyfikacji .................................................................................... 171
5.3.4
Zasięg odczytu i zasięg zapisu ....................................................................... 172
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 5 .............................................................................. 172
Spis literatury do rozdz. 5 .................................................................................................. 172
6
Projekt czytnika RFID.................................................................................................... 173
6.1
Cel i założenia projektu.......................................................................................... 173
6.1.1
Część nadawcza.............................................................................................. 173
6.1.2
Część odbiorcza.............................................................................................. 173
6.2
Opis projektu .......................................................................................................... 175
6.2.1
Układ U2270B................................................................................................ 175
6.2.1.1 Opis wyprowadzeń układu ......................................................................... 175
6.2.1.2 Generator.................................................................................................... 176
6.2.1.3 Sterowanie prądem anteny ......................................................................... 176
6.2.1.4 Filtr wejściowy........................................................................................... 176
6.2.1.5 Wzmacniacz ............................................................................................... 176
6.2.1.6 Przerzutnik Schmitta .................................................................................. 176
6.2.1.7 Zalecany układ pracy ................................................................................. 177
6.2.2
Układ RI-RFM-006 ........................................................................................ 177
6.2.2.1 Opis wyprowadzeń układu ......................................................................... 178
6.2.2.2 Opis działania układu ................................................................................. 178
6.2.2.3 Zalecany układ pracy ................................................................................. 179
6.2.3
Mikrokontroler ATmega88 ............................................................................ 179
6.3
Opis zaprojektowanego układu .............................................................................. 180
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 6 .............................................................................. 185
Spis literatury do rozdz. 6 .................................................................................................. 185
7.
Wykorzystanie wyników pracy...................................................................................... 186
– str. 8 z 187 –
Wstęp
Niniejszy dokument przygotowano w ramach realizacji zadania finansowanego ze środków
przeznaczonych na działalność statutową Instytutu Łączności.
Zgodnie z założeniami sformułowanymi we wniosku o finansowanie pracy, przygotowane
opracowanie obejmuje analizę stanu techniki, w tym metod badania oraz opis procedur
badania urządzeń RFID.
Rozdz. 1 zawiera ogólną charakterystykę technik RFID. Jego częścią jest zbiór definicji
przyjętych w niniejszym opracowaniu.
W rozdz. 2 opisano systemy RFID stosowane w zakresach częstotliwości do 135 kHz oraz
podstawy metod badania parametrów interfejsu radiowego urządzeń tych systemów.
W rozdz. 3 opisano systemy RFID wykorzystujące pasmo 13,56 MHz, w tym także
bezstykowe karty identyfikacyjne i systemy NFC, oraz podstawy metod badania parametrów
interfejsu radiowego urządzeń tych systemów.
W rozdz. 4 opisano systemy RFID stosowane w różnych zakresach częstotliwości UHF:
860 ÷ 960 MHz, ok. 2,45 GHz i 433 MHz, oraz podstawy metod badania parametrów
interfejsu radiowego urządzeń tych systemów.
W rozdz. 5 przedstawiono ogólną metodę badania parametrów systemu RFID istotnych
z punktu widzenia użytkownika systemu, takich jak zasięg identyfikacji / odczytu / zapisu,
szybkość odczytu.
W ww. rozdziałach niniejszego dokumentu nie opisywano szczegółowo protokółów i składni
poleceń, ponieważ wymagałoby to po prostu przetłumaczenia kilkunastu norm.
W rozdz. 6 opisano założenia projektu i realizację układu czytnika, przygotowywanego jako
fragment wyposażenia laboratorium technik RFID.
Podjecie tej tematyki w ramach działalności statutowej wynika z analiz tendencji rozwoju
technik radiowych.
Rozwój i upowszechnienie technik RFID jest jednym z priorytetów polityki Komisji
Europejskiej w zakresie technik ICT. Decyzje Komisji [1, 2] mają na celu wdrożenie RFID
w wielu dziedzinach gospodarki. Analogiczne działania wspierające prace nad RFID są
podejmowane przez administracje USA, Japonii, Chin i innych krajów. Wraz z wdrożeniem
RFID w gospodarce pojawia się potrzeba utworzenia krajowego ośrodka mającego
kompetentny personel i podstawowe wyposażenie umożliwiające wykonywanie ekspertyz
i ocen technicznych urządzeń i systemów RFID w zakresie zgodności parametrów
i protokółów komunikacyjnych z normami, bezpieczeństwa informacji, autentyczności. Ze
względu na wykorzystywanie transmisji radiowej bliskiego zasięgu dziedzina ta jest bliska
kompetencjom laboratorium badawczego, które działa w strukturze Zakładu Systemów
Radiowych Instytutu Łączności.
Spis literatury
[1]
[2]
Commission Decision (2006/804/EC) of 23 November 2006 on harmonisation of the
radio spectrum for radio frequency identification (RFID) devices operating in the ultra
high frequency (UHF) band. OJ L 329 25.11.2006.
Commission Decision (2006/771/EC) of 9 November 2006 on harmonisation of the
radio spectrum for use by short-range devices. OJ L 312 11.11.2006.
– str. 9 z 187 –
1. Zagadnienia ogólne
1.1 Elementy systemu RFID
Określenie identyfikacja radiowa, "RFID", ang. Radio Frequency Identification, jest używane
w odniesieniu do różnych technik komunikacji radiowej między urządzeniem służącym tylko
do odczytu danych lub do odczytu i zapisu danych, nazywanym czytnikiem a urządzeniem
przechowującym unikalne dane, nazywanym transponderem.
System RFID, rys. 1-1, składa się z systemu komputerowego (z bazą danych) i dwóch
rodzajów urządzeń identyfikacji radiowej: czytników i transponderów. System komputerowy
obsługuje aplikacja, która steruje urządzeniami RFID.
Transponder jest przeznaczony do umocowania do obiektu, który ma być identyfikowany.
Może przechowywać i po uaktywnieniu wysyłać tylko swój indywidualny niepowtarzalny
numer identyfikacyjny (ID), albo także inne dane odnoszące się do samego transpondera (np.
kod wytwórcy) lub dane odnoszące się do obiektu, z którym transponder jest skojarzony.
W niektórych systemach te dodatkowe dane mogą być wielokrotnie modyfikowane.
Czytnik jest urządzeniem, które komunikuje się z transponderami znajdującymi się w zasięgu
jego komunikacji radiowej. Czytnik nadzoruje protokół transmisji, odczytuje informacje
z transponderów, może polecać transponderom przechowywanie informacji.
Czytnik
Antena
Transponder
Interfejs radiowy
Komputer
systemu
Rys. 1-1: Główne elementy systemu RFID
Uwaga. Jako interfejs radiowy pomiędzy antenami czytnika i transpondera stosuje się albo sprzężenie
indukcyjne (przez pole magnetyczne), albo fale elektromagnetyczne. Transmisja od czytnika
w kierunku transpondera jest traktowana jako łącze "w dół" (forward link, down link),
natomiast transmisja od transpondera do czytnika jako łącze "w górę" (return link, up link).
Działanie systemów RFID polega na komunikacji w zakresie częstotliwości radiowych
pomiędzy transponderem RFID /* i czytnikiem RFID /*.
/*
Szerszą interpretację określeń "transponder" i "czytnik" przedstawiono w p. 1.6.
1.1.1
Transponder
Transponder RFID jest radiowym urządzeniem nadawczym lub nadawczo-odbiorczym,
wysyłającym sygnał zawierający kodowane dane identyfikacyjne tylko w odpowiedzi na
pobudzenie sygnałem radiowym o określonej częstotliwości. Każdy transponder jest
zbudowany z układu scalonego i anteny umieszczonych na odpowiednim podłożu lub
w odpowiedniej obudowie. Układ scalony transpondera zawiera procesor, pamięć i nadajnik
radiowy. W obudowie transpondera mogą znajdować się również dodatkowe elementy, takie
jak np. czujnik temperatury i bateria stanowiąca źródło zasilania.
– str. 10 z 187 –
Ze względu na różne obszary zastosowań transpondery są produkowane w różnych
obudowach (osłonach), np. zaprasowane wewnątrz plastikowych kart identyfikacyjnych osób,
w postaci kolczyków dla zwierząt gospodarskich, w formie elastycznej, samoprzylepnej
etykiety z kodem kreskowym, jako bryła wykonana z materiału o dużej wytrzymałości
mechanicznej i innych. Zależnie od potrzeb transpondery mogą być mocowane do przedmiotu
(obiektu), który ma być identyfikowany, albo na jego opakowaniu, albo do palety, na której
znajduje się wiele opakowań.
Zależnie od zastosowania pamięć transpondera może być pamięcią tylko do odczytu lub
pamięcią do zapisu i odczytu. Pamięci tylko do odczytu programowane podczas produkcji
zawierają numer seryjny lub inne niezmienne dane. Dane w transponderach z pamięcią do
zapisu / odczytu mogą być wiele razy modyfikowane. Często pamięć dzielona jest na część,
która jest tylko do odczytu i część, w której użytkownik może zmieniać dane. We wszystkich
przypadkach dane z transpondera RFID mogą być wielokrotnie odczytywane w sposób
nieniszczący zapisanej informacji.
Transponder może przechowywać różne dane i wskutek pobudzenia przesyłać je, np.
w najprostszym przypadku tylko wpisany na stałe numer seryjny.
Transpondery mogą być również klasyfikowane jako:
– bierne (passive), tj. takie, które uzyskują energię tylko z pola elektromagnetycznego
wytwarzanego przez czytnik;
– aktywne (active), tj. takie, których nadajnik RF jest zasilany z baterii;
– półaktywne (semi-active), tj. takie, w których wbudowana bateria służy do ciągłego
zasilania czujnika (np. temperatury) zintegrowanego z transponderem, ale nie jest
wykorzystywana do zasilania nadajnika RF.
Tab. 1-1: Klasyfikacja transponderów
Sposób
komunikacji
Źródło energii zasilania transpondera
/*
Bierny (przesyłanie
danych przez
modulację pola RF)
Aktywny (własny
nadajnik)
Bateria (aktywny)
Pole RF czytnika (bierny)
Transpondery nazywane
również półaktywnymi /*
Prawie wszystkie
transpondery powszechnie
stosowane
Transpondery o dużym
zasięgu
Nie istnieją
W tzw. transponderach półaktywnych (semiaktiv), łączących funkcje RFID z czujnikiem, bateria służy
do zasilania układu pomiarowego i pamięci. Nie jest wykorzystywana do zasilania nadajnika RF.
1.1.2.
Czytnik
Czytnik RFID jest radiowym urządzeniem nadawczo-odbiorczym. Jego nadajnik za
pośrednictwem anteny emituje energię wykorzystywaną do uaktywniania transponderów,
a w niektórych systemach również sygnały poleceń sterujących transponderami i/lub
modyfikujących dane zapisane w pamięci transponderów. Jego odbiornik demoduluje
i dekoduje dane nadawane przez transponder.
Czytnik odbierający sygnał transpondera dekoduje dane i może je przesyłać do komputera
systemowego za pośrednictwem łącza kablowego (tylko czytniki stacjonarne) lub radiowego.
Czytniki mogą być jednostkami samodzielnymi i działać bez obsługi np. nadzorując bramę
magazynu lub taśmę transportową. Mogą być urządzeniami ruchomymi, zainstalowanymi np.
– str. 11 z 187 –
na wózku widłowym używanym do przewozu palet i opakowań, albo być aparatami
noszonymi przez użytkownika zintegrowanymi z komputerem. Czytnik nadaje sygnał RF,
który jest odbierany przez wszystkie transpondery znajdujące się w pobliżu, których obwody
antenowe są dostrajane do częstotliwości tego sygnału.
Czytniki stacjonarne są stosowane w przypadku konieczności tworzenia stref odczytu, np.
w bramie magazynu w celu inwentaryzacji przyjmowanych i wydawanych produktów. Są
stale w trybie czuwania, aby wykryć każdy transponder, który znajdzie się w ich strefie
odczytu. Strefa odczytu w przypadku systemu z transponderami biernymi może sięgać od 3 m
do 6 m. Czytnik stacjonarny wymaga dołączenia przewodów zasilania i połączenia z siecią
komputerową. Jego anteny powinny być chronione przed wpływami środowiska (kurz,
zawilgocenie, wibracje) i uszkodzeniami mechanicznymi.
Czytniki ruchome są montowane np. na wózkach widłowych służących do przewozu
produktów, zwłaszcza palet. Czytniki tego rodzaju są zasilane z baterii pojazdu. Ich anteny są
szczególnie narażone na uszkodzenia mechaniczne i środowiskowe.
Czytniki noszone są zasilane z wbudowanej baterii i zwykle są zintegrowane z anteną. Często
noszony czytnik RFID jest skojarzony z czytnikiem kodów kreskowych. Połączenie
z komputerem systemu identyfikacji jest realizowane drogą radiową np. w radiowej sieci
lokalnej (WLAN). W tym przypadku czytnik jest zabierany do miejsca, gdzie znajdują się
oznakowane obiekty, jest uaktywniany tylko na czas pojedynczego odczytu. Zatem
użytkownik czytnika noszonego w pełni kontroluje gdzie, kiedy i jak czytnik będzie
wykorzystany. Tego rodzaju czytniki są narażone na uszkodzenia wskutek upadku.
Należy podkreślić, że każda z tych grup ma specyficzne cechy. Czytniki stacjonarne mogą
tworzyć rozległe strefy do automatycznie identyfikacji wszystkich znajdujących się w nich
transponderów. Natomiast czytnik np. montowany na wózku powinien identyfikować
automatycznie tylko określoną paletę. Identyfikacja za pomocą noszonego czytnika jest
inicjowana i kontrolowana przez użytkownika.
Istotną częścią każdego czytnika jest jego antena, której charakterystyki należy
optymalizować do specyficznych zastosowań. Antenę o szerokiej charakterystyce
kierunkowej należy zastosować, aby identyfikować ładunek składający się z wielu osobno
oznakowanych pudełek, a inną, o wąskiej charakterystyce, do wyszukania jednego
oznakowanego opakowania spośród składowanych na półce magazynu. Ze względu na
konieczność uzyskania małej impedancji połączenia nadajnika z anteną analogowa część
czytnika powinna znajdować się jak najbliżej anteny.
Systemy RFID różnią się pod wieloma względami:
− częstotliwością pracy i zasięgiem odczytu;
− rodzajem pamięci i pojemnością pamięci transponderów;
− przeznaczeniem danych;
− bezpieczeństwem.
Częstotliwość pracy jest podstawowym parametrem wpływającym na właściwości systemu,
takie jak zasięg, szybkość transmisji, odporność na zakłócenia. Większość systemów
używanych komercyjnie wykorzystuje albo częstotliwości w zakresie 860 ÷ 960 MHz
(zależnie od regionu), albo częstotliwość 13,56 MHz – pasmo HF. Oprócz wymienionych
wykorzystywane są również częstotliwości w zakresie do 135 kHz – w paśmie LF oraz
433 MHz i 2,45 GHz – w paśmie UHF.
– str. 12 z 187 –
1.2 Właściwości systemów RFID
1.2.1
Zasada działania
1.2.1.1 Sprzężenie indukcyjne
Czytnik
Antena
Transponder
Układ scalony
(chip)
W pasmach LF i HF wykorzystuje się zasadę sprzężenia indukcyjnego, rys. 1-2. Energia jest
przekazywana pomiędzy czytnikiem a transponderem za pośrednictwem pola magnetycznego.
Wielkość przekazywanej energii jest proporcjonalna do powierzchni anteny nadawczej
i powierzchni anteny odbiorczej, zależy od wzajemnego ustawienia tych anten i możliwości
pobudzenia obwodu antenowego transpondera przebiegiem o częstotliwości rezonansowej,
ponieważ w stanie rezonansu w obwodzie antenowym płynie maksymalny prąd.
Pole magnetyczne
Rys. 1-2: Ilustracja zasady działania systemu ze sprzężeniem indukcyjnym
Zatem im większa dobroć obwodu antenowego, tym większy prąd, który płynie w rezonansie
i większa energia wzbudzanego pola magnetycznego. Jednakże wraz ze wzrostem dobroci
obwodu zmniejsza się szerokość pasma obwodu, co ogranicza maksymalną szybkość
komunikacji danych w systemie. Jednocześnie obwód antenowy o dużej dobroci jest bardziej
podatny na rozstrojenie spowodowane bliskością metali oraz zmianami indukcyjności
i pojemności obwodu wskutek zmian temperatury otoczenia.
W pasmach LF i HF stosuje się transpondery bierne. W prostych systemach identyfikacji
każdy transponder, który znajdzie się w polu aktywującym wytworzonym przez czytnik, o
odpowiedniej częstotliwości i dostatecznym natężeniu, wysyła swój kodowany numer
identyfikacyjny tak długo, jak znajduje się w polu. System działa poprawnie tylko wtedy, gdy
w strefie identyfikacji znajduje się jeden transponder. W zaawansowanych systemach,
w których czytnik może wydawać polecenia zidentyfikowanym transponderem, są stosowane
protokóły komunikacji z arbitrażem kolizji, umożliwiające po wykonaniu sekwencji procedur
identyfikację, a następnie odczyt wielu transponderów znajdujących się jednocześnie w strefie
kontrolowanej przez czytnik.
Wśród czynników ograniczających uzyskiwany zasięg najistotniejsze są administracyjne
ograniczenia określające maksymalne natężenie pola magnetycznego wytwarzanego przez
antenę czytnika.
W systemach indukcyjnych przesyłanie informacji z transpondera do czytnika zwykle polega
na binarnej modulacji amplitudy (ASK) pola aktywującego wskutek zmian obciążenia
obwodu antenowego transpondera wymuszanych przez układ elektroniczny transpondera.
W tym przypadku w czasie przeznaczonym na odbiór sygnałów transponderów czytnik
wytwarza pole o stałej amplitudzie.
– str. 13 z 187 –
Istnieją również systemy, w których transponder wysyła sygnał z przełączaniem
częstotliwości (FSK) lub moduluje fazę.
Dla potrzeb komunikacji między czytnikiem a transponderami, w celu przesyłania poleceń
lub danych do zapisu w pamięci transponderów, zwykle stosowana jest modulacja amplitudy,
rzadziej fazy fali nośnej.
Zasięg odczytu zależy od usytuowania (kierunku) anteny transpondera względem anteny
czytnika. W przypadku sprzężenia indukcyjnego maksymalny zasięg uzyskuje się, gdy linie
pola magnetycznego wytwarzanego przez antenę czytnika są prostopadłe do płaszczyzny
zwojów cewki antenowej transpondera, czyli gdy antena transpondera jest w płaszczyźnie
równoległej do anteny czytnika. Jeżeli linie pola są równoległe do cewki transpondera, to nie
ma sprzężenia między cewkami i transponder nie może być odczytywany. Z tych względów
w rzeczywistych rozwiązaniach stosuje się systemy antenowe, por. szkice na rys. 1-3.
Transponder
równolegle
do anteny
D
D
Pojedyncza antena
Dwie anteny
(bramka)
Cztery anteny
(tunel)
Rys. 1-3: Anteny czytników pasmach LF i HF
W przypadku dwóch lub więcej anten prądy wzbudzające pole magnetyczne muszą mieć
odpowiednio dobrane fazy.
1.2.1.2 Sprzężenie propagacyjne
W pasmach UHF komunikacja pomiędzy biernym transponderem i czytnikiem polega na
modulacji współczynnika odbicia fali radiowej (tzw. rozproszeniu wstecznym, ang.
backscatter), rys. 1-4. W tym przypadku część energii fali wytwarzanej przez antenę czytnika
jest odbita w kierunku przeciwnym niż kierunek fali wytwarzanej przez czytnik. Transponder
może przesyłać informację zmieniając obciążenie obwodu odbierającego falę, a wskutek tego
współczynnik odbicia fali. Czytnik odbierając zmiany natężenia pola może demodulować
sygnał i odtwarzać dane.
Transponder
Układ scalony
(chip)
Czytnik
Antena
dipolowa
Nadajnik
Odbiornik
Fala promieniowana
przez czytrnik
Fala promieniowana
przez transponder
Rys. 1-4: Ilustracja zasady działania systemu z rozproszeniem
– str. 14 z 187 –
1.2.2 Cechy użytkowe
W tym punkcie zebrano informacje na temat cech użytkowych systemów RFID pracujących
w różnych zakresach częstotliwości. Celem tej prezentacji jest wykazanie, że nie istnieje
idealny system RFID przydatny do wszystkich zastosowań i nie można wskazać
"najlepszego" pasma częstotliwości RFID. Ze względu na różne właściwości fizyczne
częstotliwości pracy systemu są dobierane do zastosowań.
1.2.2.1 Transpondery LF
Jedną z zasadniczych cech transponderów LF (w zakresie częstotliwości do 135 kHz)
w porównaniu z transponderami działającymi w innych pasmach częstotliwości jest
względnie mały wpływ metali w otoczeniu transpondera na jego charakterystyki. Z tego
powodu te transpondery mogą być mocowane jako identyfikatory do obiektów metalowych,
takich jak narzędzia, części maszyn, pojazdów lub metalowe kontenery.
Pole LF przenika przez różne materiały, w tym przez wodę i tkanki ciała, z tych względów
systemy RFID w paśmie LF są wykorzystywane również do znakowania i identyfikacji
zwierząt.
Przydatność transponderów LF w środowisku przemysłowym może być ograniczona ze
względu na poziom zakłóceń wytwarzanych przez maszyny i urządzenia elektryczne.
Transpondery LF charakteryzują się stosunkowo małą szybkością odczytu danych.
W większości oferowanych obecnie systemów w danym momencie możliwy jest odczyt tylko
jednego transpondera (nie jest możliwy jednoczesny odczyt wielu transponderów).
Najczęściej wykorzystywane w systemach LF częstotliwości fali nośnej 125 kHz i 134,2 kHz
są udostępniane do zastosowań RFID na całym świecie, również w Polsce, por. Aneks nr 9:
Urządzenia do zastosowań indukcyjnych, do rozporządzenia Ministra Transportu z dn. 3 lipca
2007 r. [1]. Podstawowym warunkiem, który musi spełniać system RFID działający
w zakresie częstotliwości 119 ÷ 135 kHz jest ograniczenie natężenia pola magnetycznego
w odległości 10 m od anteny do 66 dBµA/m.
Postać transpondera LF zależy od zastosowania. W systemach kontroli dostępu jest to
transponder wykonany jako bezstykowa karta identyfikacyjna tylko do odczytu. Duży udział
w rynku transponderów LF ma przemysł samochodowy, gdzie transpondery są używane
w systemach zabezpieczeń przed nieuprawnionym użyciem pojazdu (immobilizery). W tego
rodzaju systemach transponder jest np. zaprasowany w główce kluczyka, a cewka anteny
czytnika RFID jest umieszczana współosiowo w stacyjce pojazdu, por. rys. 1-5 a) i b).
Rys. 1-5 a): Widok stacyjki (czytnik RFID) z kluczykiem (transponder RFID)
– str. 15 z 187 –
Rys. 1-5 b): Widoki obwodu antenowego (cewki) immobilizera samochodowego
Transpondery LF są również stosowane do identyfikacji zwierząt, zarówno domowych, takich
jak psy i koty, jak też hodowlanych np. owiec i bydła. W wielu krajach stosowanie RFID do
znakowania zwierząt jest obowiązkowe, por. rys. 1-6, 1-7, 1-8.
Rys. 1-6: Przykład konstrukcji transpondera wstrzykiwanego
– str. 16 z 187 –
Rys. 1-7: Przykłady konstrukcji transpondera w kolczyku
Rys. 1-8: Przykład konstrukcji transpondera w formie piguły
1.2.2.2 Transpondery HF
Pasywne transpondery HF pracują w paśmie 13,56 MHz. Zakres 13,553 - 13,567 MHz
udostępniony jest na świecie, również w Polsce, jako pasmo do zastosowań ISM. Powszechna
dostępność częstotliwości jest jednym z powodów popularności systemów RFID wykorzystujących pasmo 13,56 MHz. Jednakże w różnych regionach świata dopuszczalne wartości mocy
promieniowanej lub natężenia pola mogą się różnić.
Pole o częstotliwości 13,56 MHz przenika przez różne materiały, w tym przez wodę i tkanki
ciała. Ale transpondery pracujące w tym paśmie są bardziej wrażliwe na oddziaływanie metali
w otoczeniu niż transpondery LF.
Systemy HF są mniej podatne na zakłócenia wytwarzane przez urządzenia elektryczne niż
systemy LF.
Podstawowymi zaletami systemów HF w porównaniu z systemami LF jest mniejszy koszt
transponderów oraz większa szybkość komunikacji i zdolność odczytu wielu transponderów
jednocześnie, co umożliwia ich stosowanie do automatycznej ewidencji obiektów.
Niższy koszt ma związek z wykonaniem anteny transpondera. W tym zakresie częstotliwości
wystarcza kilka zwojów anteny, więc możliwe jest jej wykonanie przy użyciu przewodzącego
lakieru jako nadruku na dielektrycznym podłożu. Koszt transponderów HF wykonanych tą
techniką, nazywanych "inlays", może wynosić 0,5 USD. Grubość transpondera łącznie
z układem scalonym jest mniejsza niż 0,1 mm. Z tych względów tego rodzaju transpondery
mogą być zaprasowane w dokumentach, np. są stosowane w elektronicznych paszportach, są
używane do naklejania na dokumentach papierowych lub jako etykiety na produktach.
Rozmiary transponderów HF są różne. Ogólnie im większa powierzchnia anteny, tym
większą energię pola wytworzonego przez czytnik przejmuje transponder i tym większy
zasięg odczytu.
– str. 17 z 187 –
Należy podkreślić, że możliwość wielokrotnego zapisu danych umożliwia takie zastosowania,
jak elektroniczny bilet komunikacji publicznej, karta biblioteczna i inne.
W praktyce ze względu na ograniczenia administracyjne dotyczące natężenia pola
wytwarzanego przez czytniki zasięg systemów HF jest ograniczony do nie więcej niż 1 m.
W Polsce podstawowym warunkiem, który musi spełniać system RFID działający w paśmie
częstotliwości 13,56 MHz jest ograniczenie natężenia pola magnetycznego w odległości 10 m
od anteny do 66 dBµA/m, por. Aneks nr 9: Urządzenia do zastosowań indukcyjnych, do
rozporządzenia Ministra Transportu z dn. 3 lipca 2007 r. [1].
Należy zauważyć, że orientacja transpondera względem anteny czytnika ma istotny wpływ na
zasięg komunikacji. W przypadku transpondera, którego antena jest wykonana w postaci
płaskiej cewki, optymalne ze względu na wielkość sprzężenia indukcyjnego jest umieszczenie
anteny transpondera równolegle do płaszczyzny anteny czytnika. Jeżeli antena takiego
transpondera jest prostopadła, zasięg jest redukowany praktycznie do zera. Ze względu na
szybkość transmisji możliwe jest odczytywanie do 50 transponderów w jednym cyklu
odczytu (odczyt bezkolizyjny), tj. w okresie 20 ms.
Dodatkowa pamięć transpondera, w której mogą być zapisane np. dane biometryczne,
umożliwia zwiększenie bezpieczeństwa w systemach kontroli dostępu. Bezstykowe
inteligentne karty RFID, zgodne z normą ISO 14443, stają się kartami płatniczymi
i kredytowymi następnej generacji. Są wykorzystywane jako różnego rodzaju karty wstępu
i bilety elektroniczne. Jednym z podstawowych powodów wprowadzenia kart bezstykowych
jest ochrona informacji. Systemy HF do identyfikacji produktów, opakowań i palet są
stosowane, gdy nie wymaga się zasięgu większego niż 1 m. W niektórych zastosowaniach,
np. karta płatnicza, duży zasięg jest niepożądany (ze względów bezpieczeństwa).
Stosunkowo nową klasą zastosowań RFID w paśmie HF są techniki komunikacji w polu
bliskim (Near Field Communication, NFC) promowane jako wygodny i bezpieczny sposób
przeprowadzania różnych transakcji i wnoszenia opłat za pomocą osobistego terminala.
Przykłady konstrukcji biernego transpondera pracującego w paśmie 13,56 MHz, wykonanego
w formie etykiety przeznaczonej do naklejania na tekturze, papierze lub plastiku,
przedstawiono na rys. 1-9.
Rys. 1-9: Przykład konstrukcji transpondera
1.2.2.3 Transpondery UHF
Zakres UHF obejmuje radiowe częstotliwości od 300 MHz do 3 GHz. Dla potrzeb RFID są
wykorzystywane trzy podzakresy: pasmo 433 MHz, różne częstotliwości w podzakresie
– str. 18 z 187 –
860 - 960 MHz i pasmo ISM 2,45 GHz. Spośród trzech wymienionych największe znaczenie
ma podzakres 860 – 960 MHz. Jednakże istotnym mankamentem systemów w podzakresie
860 – 960 MHz jest brak wspólnego, światowego zakresu częstotliwości (w odróżnieniu od
pasma LF i HF, co do których wymagania obowiązujące w Europie i Ameryce Płn. nie różnią
się zasadniczo). W Ameryce systemy UHF pracują w zakresie 902 – 928 MHz, w Europie
w zakresie 860 – 868 MHz, a w Japonii 950 – 956 MHz.
Komunikacja pomiędzy biernymi transponderami UHF i czytnikiem jest realizowana
z wykorzystaniem techniki rozproszenia wstecznego. Elektrolity i metale znajdujące się
w polu czytnika UHF zaburzają działanie systemu.
Transponder odbiera sygnał radiowy z czytnika, moduluje go i promieniuje z powrotem
w kierunku czytnika. Systemy RFID pracujące w pasmach UHF w porównaniu z systemami
HF mają większy zasięg i szybkość działania. Protokóły unikania kolizji stosowane w paśmie
UHF różnią się od stosowanych w paśmie HF. Wskutek tego liczba transponderów, które
mogą być odczytane "jednocześnie" (w jednym cyklu odczytu) w praktyce może wynosić do
200, w porównaniu z maks. 50 w paśmie HF.
Właściwości systemów RFID i transponderów UHF:
− zasięg odczytu – typowy 3 ÷ 6 m;
− transpondery mogą być umieszczone w różnych niemetalowych obudowach, np.
w postaci etykiet, kart itp.;
− duża szybkość przesyłania danych i szybki protokół antykolizyjny pozwalają na odczyt
do 200 transponderów;
− w najprostszym wykonaniu (etykiety) mają tylko 96 bitów pamięci dla numeru seryjnego.
Przykłady konstrukcji biernych transponderów UHF, wykonanych w formie etykiet,
przeznaczonych do naklejania na tekturze, papierze lub plastiku przedstawiono na rys. 1-10.
(wymiary 4 ×1 cal)
– str. 19 z 187 –
(wymiary 4 ×1 cal)
Rys. 1-10: Przykład konstrukcji transponderów UHF
1.3 Zastosowania
Identyfikacja z wykorzystaniem częstotliwości radiowych, RFID, jest jedną z najszybciej
rozwijających się i przynoszących największe korzyści technik automatycznego gromadzenia
danych (Automatic Data Collection, ADC). Do popularyzacji technik RFID przyczyniło się
opracowanie standardów, usprawnienia właściwości oferowanych systemów i obniżenie
kosztów wdrożenia.
Identyfikacja z wykorzystaniem częstotliwości radiowych ma kilka istotnych zalet
w porównaniu z innymi rodzajami gromadzenia danych:
− czytnik nie musi bezpośrednio "widzieć" transpondera, co umożliwia stosowanie RFID
tam, gdzie np. identyfikacja za pomocą kodów paskowych jest nieprzydatna;
− szybkość działania – do kilkuset odczytów w czasie sekundy;
− może być stosowana w środowisku nieprzyjaznym dla ludzi.
Poniżej wymieniono wybrane przykłady zastosowań RFID:
−
Oznakowanie wartościowych obiektów, takich jak obrazy w muzeach, książki
w bibliotekach. Inwentaryzacja obiektów nie wymaga zdejmowania ich z półek. 100%
poprawnych odczytów. Szybkie i automatyczne sprawdzenie zawartości zbiorów.
−
Łańcuch dostaw, logistyka, od momentu wytworzenia do dostarczenia produktu do
punktu sprzedaży.
Zalety – możliwość automatyzacji, dokładność.
Zwiększenie przepustowości – skanowanie wielu transponderów w krótkim czasie
(praktycznie "jednocześnie") – do 400 w zaawansowanych systemach UHF, co oznacza,
że np. cała paleta może być skanowana w punkcie kontrolnym np. w bramie magazynu,
bez udziału człowieka.
– str. 20 z 187 –
−
Objęcie systemem RFID łańcucha dostaw umożliwia producentom, dystrybutorom
i sprzedawcom zmniejszenie zapasów, ponieważ system dostaw staje się bardziej
elastyczny, ma mniejszą inercję.
Śledzenie i inwentaryzacja składników majątku, takich jak narzędzia i maszyny. System
pozwala lokalizować oznakowane obiekty i zgłasza alarm w przypadku próby
wynoszenia / wywiezienia ich poza dozorowaną strefę.
−
Śledzenie dokumentów, zwłaszcza tych, których utrata lub zagubienie powoduje
negatywne skutki, np. dokumenty rządowe, karty zdrowia w szpitalach i przychodniach,
akta spraw sądowych.
Oznakowanie za pomocą samoprzylepnej etykiety RFID ułatwia szybkie odszukanie
zgubionego dokumentu w stertach innych, pozwala uniknąć strat wynikających
z zagubienia dokumentu. Można skojarzyć system oznakowania z czytnikiem
sygnalizującym wynoszenie akt poza określone pomieszczenie. Współczesne systemy
tego rodzaju pozwalają przeszukać ok. 2 m półkę z aktami w ciągu sekundy.
−
Kontrola dostępu do pomieszczeń i budynków jest jednym z najstarszych zastosowań
RFID.
W systemach o zaostrzonych wymaganiach techniki RFID są łączone z metodami
identyfikacji biometrycznej. W tych zastosowaniach RFID wyparł z rynku karty
z paskiem magnetycznym (szybszy i łatwiejszy odczyt, nie ma potrzeby wkładania karty
do czytnika).
Dla potrzeb kontroli dostępu używane są głównie transpondery pasywne (np. zgodne
z normami ISO 14443 [2 ÷ 5] i ISO 15693 [6 ÷ 8]), rzadziej aktywne. W przypadku
transponderów pasywnych konieczne jest zbliżenie transpondera do czytnika.
Transpondery aktywne mogą być mocowane do pojazdu i umożliwiają automatyczną
bezobsługową kontrolę.
−
Kontrola procesu produkcji (Work-in-Progress, WIP). Producent może wykorzystać
transpondery RFID przymocowane do produkowanego obiektu do dokumentowania
przebiegu procesu produkcji, np. montażu pojazdu na taśmie produkcyjnej. Każda
operacja jest dopisywana do "historii" przechowywanej w pamięci transpondera, w ten
sposób łatwo można stwierdzić, kto, gdzie i kiedy ją wykonał.
Istnieją wykonania transponderów, które tolerują ekstremalnie trudne warunki
środowiska: wysoką temperaturę, atmosfery korozyjne, wibracje. Niektóre działające
w paśmie LF tolerują montaż na powierzchni metalowej.
−
Wywóz odpadów. Władze municypalne mogą oznakować pojemniki na śmieci
transponderami. Samochód do wywozu śmieci wyposażony w czytnik gromadzi
informacje o częstości opróżniania pojemników, w ten sposób łatwo można kontrolować
wypełnianie obowiązków przez firmę zobowiązaną do sprzątania.
Dla potrzeb automatycznej identyfikacji i gromadzenia danych (Automatic Identification and
Data Collection, AIDC) funkcje oferowane w systemach RFID, zwłaszcza w odniesieniu do
logistyki i zaopatrzenia, częściowo pokrywają się z uzyskiwanymi z wykorzystaniem technik
kodów kreskowych, nazywanych też kodami paskowymi (bar code).
W tab. 1-2 przedstawiono porównanie właściwości tych dwóch technik [www.nje.ca/].
– str. 21 z 187 –
Tab.1-2: Porównanie technik RFID i kodów kreskowych
Kod kreskowy
Wymaga bezpośredniej widoczności. Ogólnie jest
to traktowane jako wada, ale jest użyteczne, gdy
wymagane jest precyzyjne wskazanie identyfikowanego przedmiotu. Operator czytnika widzi
przedmiot i wie, który kod kreskowy skanuje.
W danym momencie skanowany jest jeden kod
kreskowy.
Raz nadrukowany kod nie może być zmieniony.
Dane w kodzie kreskowym mogą być
zaszyfrowane, ale nie chroni to przed ich
kopiowaniem.
Zwykle tańsze niż transponder RFID (nadruk).
Poza podstawowym warunkiem, aby kod
kreskowy był widoczny i czytelny, nie ma innych
czynników ograniczających stosowanie.
RFID
Nie wymaga bezpośredniej widoczności. Ta cecha
jest zaletą w systemach, które mają automatycznie
funkcjonować bez udziału człowieka, np.
transport bagażu na lotnisku, inwentaryzacja
dokumentów. Techniki RFID mają zalety
w trudnych warunkach środowiska, gdzie kod
kreskowy może być nieczytelny (np. zasłonięty,
starty lub zamazany).
Zależnie od używanego systemu czytnik RFID
w ciągu jednej sekundy może odczytać do
kilkuset transponderów.
Niektóre (nie wszystkie) transpondery RFID
dopuszczają modyfikacje informacji.
Typowa możliwość to 100 000 operacji zapisu
w okresie 10 lat używania transpondera.
Transpondery RFID umożliwiają różne sposoby
ochrony danych.
Większy koszt niż kodu kreskowego. Cena
transpondera może być podstawowym czynnikiem
wykluczającym zastosowanie RFID.
Ceny mogą być w granicach od 0,15 USD
w przypadku masowej produkcji transpondera
jednorazowego użytku, do ok. 5 USD
w przypadku transponderów pasywnych
w obudowie chroniącej przed wpływami
środowiska produkowanych w małych seriach.
Koszt aktywnego transpondera jest nie mniejszy
niż 20 USD.
Na stosowanie RFID ma wpływ wiele warunków
środowiska, w tym zakłócenia
elektromagnetyczne, bliskość metali lub cieczy,
wilgotność, oblodzenie.
1.4 Standardy RFID
Techniki RFID i ich zastosowania są przedmiotem zainteresowania wielu ośrodków
badawczych. Celem prac jest zwiększenie pojemności pamięci, integracja z czujnikami
i dalsza miniaturyzacja krzemowych układów scalonych, wytwarzanie identyfikatorów na
innych podłożach niż krzem w celu redukcji kosztów wytwarzania, metody poprawy
bezpieczeństwa i zarządzania energią zasilania.
Jednym z podstawowych warunków upowszechnienia technik RFID jest standaryzacja
systemów, transponderów, czytników i protokółów komunikacji między nimi. W zakresie
normalizacji systemów RFID powszechnie uznawane są dokumenty opracowane przez dwie
organizacje:
− International Organization for Standardization, ISO [www.iso.org/];
− EPCglobal Inc. [www.epcglobalinc.org];
− ECMA [www.ecma-international.org];
– str. 22 z 187 –
−
ICAO (International Civil Aviation Organization).
Dokumenty opublikowane przez ISO zawierają opisy warstwy fizycznej i protokółów
komunikacji. Dotyczą:
–
–
–
różnych pasm częstotliwości: LF, HF, UHF;
różnych specyficznych zastosowań, jak karty (dokumenty) identyfikacyjne osób,
gospodarka magazynowa (inwentaryzacja), identyfikacja zwierząt;
różnych zasięgów odczytu.
Standardy EPC dotyczą stosowania elektronicznego kodu produktu (Electronic Product Code,
EPC) przeznaczonego do jednoznacznego znakowania obiektów. EPCglobal, która jest przede
wszystkim stowarzyszeniem przemysłowym, skupia uwagę na stworzeniu systemu, który
umożliwiałby jednoznaczną identyfikację każdego przedmiotu wytworzonego na świecie
wraz z jego historią. Te ewidencyjne informacje mogą np. dotyczyć daty i miejsca produkcji,
numeru partii, przebiegu transportu od opuszczenia zakładu produkcyjnego do umieszczenia
w magazynie.
Standardy ICAO (International Civil Aviation Organization) dotyczące MRTD (Machine
Readable Travel Documents) określają zabezpieczony kryptograficznie format zapisu
i protokół uwierzytelnienia do przechowywania cech biometrycznych (fotografia twarzy,
odciski palców i/lub obraz tęczówki oka) w układach scalonych stosowanych w dokumentach
podróży – paszport.
Ze względu na specyficzne, związane z aplikacjami wymagania, wiele organizacji
i stowarzyszeń branżowych opracowało własne dokumenty normalizacyjne odnoszące się do
zastosowań technik RFID. Ich szczegółowe omówienie wykracza poza ramy niniejszego
opracowania. Przykładami tego rodzaju zastosowań są systemy:
− Eurobalise i Euroloop, znormalizowane dla potrzeb kolei europejskich;
− Near Field Communication.
W niniejszym opracowaniu wykorzystano przede wszystkim wieloczęściową normę
ISO/IEC 18000, w której pod wspólnym tytułem: "Techniki informacyjne - identyfikacja za
pomocą częstotliwości radiowych" zdefiniowano charakterystyki interfejsów radiowych
systemów identyfikacji radiowej przeznaczonych głównie dla potrzeb szeroko rozumianej
inwentaryzacji obiektów lub produktów (item management).
Celem tej normy jest zdefiniowanie parametrów i protokółów komunikacyjnych systemów
RFID w różnych zakresach częstotliwości wykorzystywanych dla potrzeb RFID i jeżeli to
możliwe zastosowanie tych samych protokołów lub co najmniej definicji protokółów we
wszystkich zakresach częstotliwości.
−
Część 1 [9] zawiera opis architektury i definicje parametrów podlegających normalizacji
w pozostałych częściach normy;
−
W części 2 [10] zdefiniowano parametry interfejsu radiowego systemów identyfikacji
pracujących w zakresach częstotliwości poniżej 135 kHz;
−
W części 3 [11] zdefiniowano parametry interfejsu radiowego systemów identyfikacji
wykorzystujących pasmo częstotliwości 13,56 MHz;
−
W części 4 [12] zdefiniowano parametry interfejsu radiowego systemów identyfikacji
wykorzystujących pasmo częstotliwości 2,45 GHz;
−
W części 6 [13] zdefiniowano parametry interfejsu radiowego systemów identyfikacji
pracujących w zakresach częstotliwości pomiędzy 860 MHz a 960 MHz;
– str. 23 z 187 –
−
W części 7 [14] zdefiniowano parametry interfejsu radiowego aktywnych systemów
identyfikacji wykorzystujących pasmo częstotliwości 433 MHz.
Metody badań zgodności z poszczególnymi częściami normy ISO/IEC 18000 opisano
w odpowiednich częściach dokumentu ISO/IEC 18047.
W części 1 [9] normy ISO/IEC 18000 opisano ogólnie koncepcję architektury, w której
automatyczna identyfikacja obiektów jest stosowana w zaopatrzeniu lub łańcuchu dostaw.
Zdefiniowano parametry, które powinny być określone w odpowiednich następnych częściach
normy w każdej standardowej definicji interfejsu radiowego.
Omawiana część normy przedstawia propozycje rozwiązań, ale nie zawiera ich oceny
technicznej.
Uwaga: Wszystkie postanowienie normy ISO/IEC 18000 odnoszą się do punktu nazwanego "DELTA"
(reference point DELTA), rys. 1-11 (RFID Reference Communications Architecture). Norma
ISO/IEC 18000 nie obejmuje innych interfejsów przedstawionych na tym rysunku.
Transponder
Aplikacja
Sterowanie
komunikacją
Punkty
odniesienia ZETA
Adaptacja
do medium
EPSILON
Interfejs
radiowy
DELTA
Czytnik
Adaptacja
do medium
Sterowanie
komunikacją
GAMA
System
lokalny
BETA
System
centralny
ALFA
ISO/IEC 18000-1 fig. 1
Rys. 1-11: Architektura systemu RFID stosowanego do inwentaryzacji
Objaśnienia do rys. 1-11:
System centralny – blok zawiera wszystkie centralne funkcje ogólnego modelu dystrybucji produktów.
System lokalny – jednostka, która lokalnie w czasie rzeczywistym obsługuje aplikację dystrybucji
produktów.
Sterowanie komunikacją (po stronie czytnika RFID) – blok, który obsługuje łącza komunikacji danych
niezależnie od rodzaju wykorzystywanego medium.
Adaptacja do medium – jednostki zależne od wykorzystywanego medium.
Sterowanie komunikacją (po stronie transpondera RFID) – blok, który obsługuje łącza komunikacji
danych niezależnie od rodzaju wykorzystywanego medium.
Aplikacja – w tym przypadku np. dystrybucja produktów.
Punkty odniesienia:
ALFA
– rozgranicza funkcje systemu centralnego i lokalnego,
BETA
– interfejs przesyłania danych i poleceń pomiędzy systemem lokalnym i sterowaniem
komunikacją po stronie czytnika,
GAMA
– interfejs pomiędzy sterowaniem komunikacją a blokiem adaptacji do medium,
DELTA
– interfejs radiowy bliskiego zasięgu między czytnikiem a transponderem RFID,
EPSILON – interfejs pomiędzy blokiem adaptacji do medium a sterowaniem komunikacją,
ZETA
– interfejs pomiędzy sterowaniem komunikacją a procesami zależnymi od aplikacji
systemu RFID.
– str. 24 z 187 –
W normie ISO/IEC 18000 zdefiniowano zbiór poleceń obowiązkowych (mandatory commands)
i opcjonalnych (optional commands). Dopuszcza stosowanie poleceń firmowych (proprietary
commands) i użytkownika (custom commands).
Wszystkie transpondery i czytniki, których producent deklaruje zgodność z jedną z części
normy ISO/IEC 18000 powinny obsługiwać wszystkie polecenie obowiązkowe.
Czytniki powinny być technicznie przygotowane do wykonywania wszystkich opcjonalnych
poleceń zdefiniowanych w odpowiedniej części normy ISO/IEC 18000, chociaż nie muszą
być nastawione tak, by je wykonywać.
Transpondery mogą obsługiwać lub nie obsługiwać polecenia opcjonalne. Jednak jeżeli
polecenia opcjonalne są używane, to powinny być stosowane zgodnie z normą.
Polecenia użytkowników są dopuszczalne, ale nie powinny powielać funkcjonalności
zdefiniowanych w normie poleceń obowiązkowych i opcjonalnych.
Polecenia firmowe są dopuszczone, ale nie powinny powielać funkcjonalności zdefiniowanych
w normie poleceń obowiązkowych i opcjonalnych.
1.5 Inne zagadnienia
1.5.1
Odniesienie do modelu OSI
Ponieważ wszystkie transakcje za pośrednictwem interfejsu radiowego RFID mają skończony
czas, a strefa identyfikacji / odczytu jest ograniczona ze względu na konstrukcję anteny
i emitowaną moc RF, stos protokółów systemu RFID ma specyficzną architekturę. W modelu
OSI może być zredukowany do trzech warstw, aplikacji, łącza danych i fizycznej, rys. 1-12.
Proces komunikacji jest zwykle inicjowany i kontrolowany przez czytnik. W przypadku
transponderów aktywnych może być inicjowany przez transpondery.
Warstwa aplikacji
Zarządzanie
interfejsem Warstwa łącza danych
radiowym
Warstwa fizyczna
Rys. 1-12: Stos protokółów systemu RFID
1.5.2
Bezpieczeństwo
Sfałszowanie układu scalonego RFID wymaga wiedzy w zakresie technik kodowania
i szyfrowania oraz w zakresie inżynierii radiowej. Z tego względu wiele agencji rządowych,
jako sposobu zapobiegania fałszerstwom np. leków, wymaga znakowania produktów za
pomocą RFID.
1.5.3
Ochrona środowiska
Ponieważ identyfikatory RFID są zaliczane do urządzeń elektrycznych i elektronicznych
dotyczą ich postanowienie dyrektyw WEEE i RoHS.
1.5.4
Ochrona zdrowia
Urządzenia RFID powinny spełniać wymagania dotyczące ekspozycji użytkowników i osób
postronnych na pola elektromagnetyczne (EMF).
– str. 25 z 187 –
1.6
Definicje
W tej części opracowania w celu uporządkowania stosowanych pojęć zebrano definicje
wzorowane na określeniach stosowanych w dokumentach, do których powołania znajdują się
w rozdziałach opisujących poszczególne systemy.
Elementy systemu
Urządzenie nazwane w tym opracowaniu "czytnikiem" jest przeznaczone do wytwarzania
pola RF aktywującego transpondery i komunikacji z transponderami. W oryginalnych
analizowanych dokumentach w języku angielskim ma nazwy:
– "reader" – urządzenie odczytujące, czytnik,
– "interrogator" – urządzenie zapytujące,
– "transceiver" – urządzenie nadawczo-odbiorcze,
– "coupling device" – urządzenie sprzęgające.
Urządzenie nazwane w tym opracowaniu "transponderem" po uaktywnieniu wysyła
niepowtarzalny numer identyfikacyjny, opcjonalnie udostępnia na żądanie inne dane zapisane
w jego pamięci i w niektórych systemach opcjonalnie umożliwia na żądanie zapis danych
w jego pamięci. W oryginalnych analizowanych dokumentach w języku angielskim ma
nazwy:
– "transponder" – określenie utworzono w jęz. angielskim z połączenia dwóch słów:
transmitter (nadajnik) + responder (urządzenie odzewowe),
– "tag", "RF tag" – znacznik,
– "identifier" – identyfikator,
– "electronic label", "label" – etykieta (tylko w dokumentach EPC Global Inc.).
Wybór określenia "transponder" wykonawcy pracy uzasadniają treścią definicji podanej
w Międzynarodowym Słowniku Elektrotechnicznym (International Electrotechnical
Vocabulary), gdzie hasło "transponder" (IEV 713-08-04) zdefiniowano: "kombinacja nadajnika
radiowego i odbiornika radiowego, która automatycznie nadaje sygnał w odpowiedzi na
odpowiedni (właściwy) sygnał wyzwalający. Uwaga. Sygnał nadawany w odpowiedzi jest
wcześniej ustalony i różny od sygnału zapytania".
Transponder aktywny (active tag) – transponder, który może wytwarzać sygnał radiowy
(wyposażony we własny nadajnik).
Transponder bierny (pasywny) (passive tag) – transponder, który moc potrzebną do jego
działania uzyskuje z pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez czytnik. Zwykle
określenie równoważne z "transponder bezbateryjny".
Transponder bezbateryjny (batteryless tag) – transponder, który całą moc potrzebną do
działania uzyskuje z pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez czytnik.
Transponder wspomagany z baterii (battery assisted tag) – transponder z baterią
wspomagającą działanie jego odbiornika i zasilanie jego obwodów wewnętrznych.
Transponder zasilany z baterii (battery powered tag) – transponder, który moc potrzebną do
jego działania uzyskuje z wbudowanej baterii.
Sprzężenie czytnika z transponderami
Pole aktywujące (activation field) – pole elektromagnetyczne wytwarzane przez czytnik
w celu zasilania i/lub pobudzenia transponderów.
– str. 26 z 187 –
Częstotliwość aktywująca (activation frequency) – częstotliwość pola aktywującego RF
wytwarzanego przez czytnik.
Okres aktywacji (activation period) – czas trwania sygnału aktywującego.
Modulacja obciążenia – sposób modulacji amplitudy pola o częstotliwości radiowej,
polegający na zmianie właściwości obwodu rezonansowego umieszczonego w tym polu RF.
Uwaga. W systemach LF i HF wykorzystujących sprzężenie indukcyjne w wyniku modulacji obciążenia
następuje modulacja amplitudy pola magnetycznego.
W systemach UHF ze sprzężeniem propagacyjnym (z rozproszeniem wstecznym) w wyniku
modulacji obciążenia następuje modulacja amplitudy fali odbitej (pola elektromagnetycznego).
Rozproszenie wsteczne (backscatter) (1) – proces polegający na tym, że transponder
reagujący na pole RF wytworzone przez czytnik lub odpowiadający na sygnał czytnika
moduluje i wypromieniowuje lub nadaje sygnał odpowiedzi na tej samej częstotliwości.
Rozproszenie wsteczne (backscatter) (2) – technika uzyskiwania informacji z transpondera,
polegająca na tym, że energia fali padającej na transponder podlega odbiciu w kierunku
czytnika w stopniu uzależnionym od modulowanej impedancji anteny transpondera.
Dipol – symetryczna antena składająca się zwykle z prostych przewodów, zasilana
symetrycznie.
Uwaga. W opisach transponderów UHF określenie "dipol" jest często używane w odniesieniu do
symetrycznych anten, które są wykonane inaczej.
Odnośnie zasięgu
Strefa identyfikacji (identification range) – strefa, w której system niezawodnie, w różnych
warunkach, identyfikuje żądane transpondery.
Strefa odczytu (read range) – strefa, w której system powinien niezawodnie, w różnych
warunkach, odczytywać dane z żądanych transponderów.
Strefa zapisu (write range) – strefa, w której system powinien niezawodnie, w różnych
warunkach, zapisywać dane do żądanych transponderów.
Modulacja i kodowanie
Uwaga. Należy zauważyć, że w dokumentach publikowanych jako normy ISO/IEC, nawet
przygotowanych przez ten sam Komitet Techniczny, nazwy sposobów modulacji są
stosowane mało konsekwentnie, zwłaszcza określenie "kodowanie Manchester" jest
używane w odniesieniu do różnych reguł kodowania bitów.
ASK – modulacja amplitudy, w której cyfrowy sygnał modulujący zmienia amplitudę sygnału
wyjściowego RF między ustaloną liczbą wartości znamiennych (zwykle 2).
Indeks modulacji amplitudy – stosunek: (a + b) / (a – b), gdzie a i b są odpowiednio
maksymalną i minimalną amplitudą sygnału RF.
BPSK – modulacja fazy, w której symbole binarne są reprezentowane przez dwie wartości
fazy (dwa punkty na wykresie konstelacji).
DBPSK – modulacja, w której przed BPSK następuje kodowanie różnicowe.
FSK – modulacja kątowa, w której każda dyskretna wartość sygnału modulującego jest
reprezentowana przez dyskretną wartość częstotliwości.
MSK (minimum shift keying) – dwuwartościowa FSK z indeksem modulacji 0,5, w której
jest zachowana ciągłość przejść między stanami.
– str. 27 z 187 –
GMSK (Gaussian MSK) – MSK, w której impulsy modulujące są formowane filtrem
o charakterystyce Gaussa.
PJM (phase jitter modulation) – modulacja jittera fazy, technika modulacji polegająca na
bardzo małych zmianach fazy pola aktywującego (ISO/IEC 18000-3).
Kodowanie różnicowe bifazowe (DBPSK) (1) – metoda kodowania bitowego, w której bit "0"
jest odwzorowywany przez zmianę kierunku przejścia w środku przedziału czasu
odpowiadającego jednemu bitowi, a bit "1" jest odwzorowywany bez zmiany kierunku.
Kodowanie różnicowe bifazowe (DBPSK) (2) – metoda kodowania bitowego, w której bit "0"
jest odwzorowywany przez zmianę stanu w środku przedziału czasu, a bit "1" jest
odwzorowywany przez brak zmiany stanu w środku przedziału czasu i gdzie między dwoma
bitami zawsze następuje zmiana stanu.
Kodowanie Manchester – metoda kodowania bitowego, gdzie poziom logiczny w czasie bitu
jest reprezentowany przez sekwencję dwóch określonych stanów fizycznych medium
transmisyjnego.
Uwaga: Kolejność stanów fizycznych w sekwencji definiuje stan logiczny. Zwykle jest to kierunek
zmiany stanu medium pośrodku czasu bitu (zbocze narastające / opadające), określa jeden
z dwóch stanów logicznych.
Rys. 1-13: Kodowanie Manchester (wersja prosta) [15]
Rys. 1-14: Kodowanie Manchester (wersja odwrotna) [15]
NRZ (non return to zero encoding) – metoda kodowania bitowego, w której bity danych "0"
i "1" są reprezentowane przez dwa poziomy sygnału.
NRZ-L – metoda kodowania bitowego, w której stan logiczny podczas bitu jest
reprezentowany przez jeden z dwóch zdefiniowanych stanów fizycznych medium
komunikacyjnego (ISO/IEC 14443-2).
Podnośna – pomocniczy modulowany sygnał wytwarzany w paśmie podstawowy w celu
modulacji fali nośnej RF.
Format danych
Polecenie (instruction, command) – ciąg bitów przesyłany przez czytnik do transponderów
w celu modyfikacji ich statusu.
Telegram identyfikacji – kompletna wiadomość identyfikacyjna transpondera, która zależnie
od systemu może zawierać następujące elementy: preambułę (sekwencję synchronizacji),
– str. 28 z 187 –
nagłówek (header), niepowtarzalny kod identyfikacji, kod detekcji błędu (CRC) oraz etykietę
końcową (trailer).
Nagłówek (header) – bity nadawane przed informacją użyteczną, jednoznacznie określające
początek tej informacji, są wykorzystywane również do synchronizacji czytnika
i transpondera.
Kod detekcji błędu (CRC) – bity przenoszące informację, która może być wykorzystana do
detekcji błędów transmisji.
Flaga (znacznik) – pojedynczy bit o określonym znaczeniu.
Podstawowa jednostka czasu (basic time unit) – czas jednego okresu częstotliwości pola
aktywującego wytwarzanego przez czytnik.
Kolizje transmisji
Kolizja (1) – jednoczesna transmisja dwóch lub więcej transponderów znajdujących się
w zasięgu czytnika, w wyniku której pojawia się błąd lub utrata danych.
Kolizja (2) – skutek rywalizacji w dostępie do medium transmisyjnego (kanału radiowego).
Protokół Aloha z wyznaczonymi szczelinami (sloted Aloha) – protokół wielodostępu,
w którym transpondery odpowiadają czytnikowi wybierając losowo szczeliny czasowe
spośród wyznaczonych przez czytnik.
Losowy protokół Aloha (random Aloha) – protokół wielodostępu, w którym transpondery
odpowiadają czytnikowi po upływie czasu ustalanego losowo.
Pętla antykolizyjna (anticollision loop) – algorytm stosowany w celu przygotowania
i przeprowadzenia dialogu między czytnikiem i jednym lub więcej transponderem RFID
spośród wielu znajdujących się w jego polu aktywującym.
Listen Before Talk (Listen Before Transmit), LBT – działanie podejmowane przez czytnik
przed nadawaniem w celu detekcji niezajętego kanału radiowego (ETSI EN 302 208).
Adaptacyjny wybór częstotliwości (adaptive frequency agility, AFA) – technika, która
umożliwia czytnikowi automatyczną zmianę jego częstotliwości pracy z danego kanału do
innego.
– str. 29 z 187 –
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 1
ADC
AFA
AIDC
AIDC
ASK
BPSK
CRC
DBPSK
ECMA
EMF
EPC
FSK
GMSK
HF
ICAO
IEC
ISM
ISO
LBT
LF
MRTD
MSK
NFC
NRZ
NRZ-L
OSI
PJM
RF
RFID
RoHS
UHF
WEEE
WIP
– Automatic Data Collection
– Adaptive Frequency Agility
– Automatic Identification and Data Capture
– Automatic Identification and Data Collection
– Amplitude shift keying
– Binary phase shift keying
– Cyclic Redundancy Code
– Differential Binary Phase Shift Keying
– European Computer Manufacturers Association
– Electromagnetic Field
– Electronic Product Code
– Frequency Shift Keying
– Gaussian Minimum Shift Keying
– High Frequency (3 - 30 MHz)
– International Civil Aviation Organization
– International Electrotechnical Commission
– Industrial, Scientific, and Medical
– International Organization for Standarization
– Listen Before Talk, Listen Before Transmit
– Low Frequency (30 - 300 kHz)
– Machine Readable Travel Documents
– Minimum Shift Keying
– Near Field Communication
– Non Return To Zero Encoding
– Non-return to zero, (L for level)
– Open Systems Interconnection
– Phase Jitter Modulation (ISO/IEC 18000-3)
– Radio Frequency
– Radio-Frequency Identification
– Restriction of Hazardous Substances (directive)
– Ultra High Frequency (300 - 3000 MHz)
– Waste from Electric and Electronic Equipment (directive)
– Work-in-Progress
Spis literatury do rozdz. 1
[1]
[2]
[3]
[4]
Rozporządzenie Ministra Transportu z dn. 3 lipca 2007 r. w sprawie urządzeń
radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez
pozwolenia radiowego (Dz. U. 2007 nr 138, poz. 972 ze zmianą z dn. 29 lutego 2008 r.
Dz. U. 2008 nr 47, poz. 277).
ISO/IEC 14443-1:2008. Identification cards – Contactless integrated circuit cards
– Proximity cards – Part 1: Physical characteristics.
ISO/IEC 14443-2:2001. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Proximity cards – Part 2: Radio frequency power and signal interface.
ISO/IEC 14443-3:2001. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Proximity cards – Part 3: Initialization and anticollision.
– str. 30 z 187 –
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
ISO/IEC 14443-4:2008. Identification cards – Contactless integrated circuit cards
– Proximity cards – Part 4: Transmission protocol.
ISO/IEC 15693-1:2000. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Vicinity cards – Part 1: Physical characteristics.
ISO/IEC 15693-2:2006. Identification cards – Contactless integrated circuit cards
– Vicinity cards – Part 2: Air interface and initialization.
ISO/IEC 15693-3:2001. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Vicinity cards – Part 3: Anticollision and transmission protocol.
ISO/IEC 18000-1:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 1: Reference architecture and definition of parameters to be
standardized.
ISO/IEC 18000-2:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 2: Parameters for air interface communications below 135 kHz.
ISO/IEC 18000-3:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 3: Parameters for air interface communications at 13,56 MHz.
ISO/IEC 18000-4:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 4: Parameters for air interface communications at 2,45 GHz.
ISO/IEC 18000-6:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 6: Parameters for air interface communications at 860 MHz to
960 MHz.
ISO/IEC 18000-7:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 7: Parameters for active air interface communications at
433 MHz.
ECMA-340. Dec. 2004. Near Field Communication Interface and Protocol (NFCIP-1).
(ISO/IEC 18092, ETSI TS 102 190).
ERC/REC 70-03. Relating to the use of Short Range Devices (SRD); Annex 11: Radio
frequency identification applications.
Commission of the European Communities. Brussels, 15.3.2007. Communication from
the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and
Social Committee and the Committee of the Regions. Radio Frequency Identification
(RFID) in Europe: steps towards a policy framework.
European Commission. Enterprise and Industry Directorate-General. 28.01.2008.
Passive RFID tags at the stage of placing on the market and the R&TTE. Number:
ISO/IEC JTC 1/S.C. 31/WG 4 N1138. Working Group 4 – Radio Frequency
Identification for Item Management.
JRC Scientific and Technical Reports. Marc van Lieshout & other. RFID Technologies:
Emerging Issues, Challenges and Policy Options. EUR 22770 EN – 2007.
Klaus Finkenzeller. RFID Handbook. Fundamentals and Applications in Contactless
Smart Cards and Identification.
– str. 31 z 187 –
2
Systemy RFID w pasmach LF
2.1 Wprowadzenie
W pasmach LF przesyłanie energii koniecznej do zasilania transpondera oraz dwukierunkowa
komunikacja między czytnikiem i transponderem odbywa się w wyniku indukcyjnego
sprzężenia anten czytnika i transpondera.
2.2 Norma ISO/IEC 18000-2
Norma ISO/IEC 18000-2 [1] dotyczy interfejsu komunikacji radiowej systemów RFID
działających w zakresach częstotliwości poniżej 135 kHz przeznaczonych głównie do
identyfikacji produktów. W celu uzyskania interoperacyjności urządzeń RFID zdefiniowano
podstawowe parametry łącza radiowego w kierunku od czytnika do transpondera i w kierunku
od transpondera do czytnika, takie jak: częstotliwość robocza, dokładność częstotliwości,
zajmowane pasmo, emisje niepożądane, rodzaj modulacji, współczynnik aktywności,
szybkość transmisji danych oraz protokoły komunikacyjne używane w interfejsie radiowym.
Tym samym zdefiniowano:
− warstwę fizyczną komunikacji między czytnikiem a transponderem;
− składnię standardowych poleceń i protokół komunikacji czytnika z transponderami;
− metodę detekcji wielu transponderów w zasięgu odczytu oraz komunikacji z jednym
transponderem spośród wielu obecnych w zasięgu czytnika (protokół unikania kolizji
odczytów).
W normie ISO/IEC 18000-2 opisano dwa systemy RFID:
− typ A, z transmisją dupleksową */ (full duplex, FDX),
− typ B, z transmisją póldupleksową */ (half duplex, HDX),
które różnią się tylko w warstwie fizycznej, ale oba wykorzystują ten sam protokół
antykolizyjny.
*/
Znaczenie określeń "transmisja dupleksowa" (full duplex, FDX) i "transmisja półdupleksowa"
(half duplex, HDX) jest specyficzne dla norm ISO dotyczących systemów RFID.
Transpondery typu FDX są zasilane energią pola wytwarzanego przez czytnik w sposób
ciągły, również w czasie transmisji danych z transpondera do czytnika. Pracują na
częstotliwości 125 kHz.
Transpondery typu HDX są zasilane energią pola wytwarzanego przez czytnik z wyjątkiem
przedziałów czasu przeznaczonych na transmisję z transpondera do czytnika. Zwykle pracują
na częstotliwości 134,2 kHz.
Transponder zgodny z normą ISO/IEC 18000-2 powinien być albo typu A (FDX), albo typu B
(HDX).
Czytnik RFID zgodny z normą ISO/IEC 18000-2 powinien obsługiwać dwa rodzaje pracy.
Zależnie od aplikacji może być skonfigurowany tylko jako typ A, tylko jako typ B, lub jako
typ A i typ B. Jeżeli jest skonfigurowany jako typ A i typ B, to w fazie wyszukiwania
transponderów powinien przełączać się między tymi rodzajami pracy.
Uwaga: Zasady sprawdzenia zgodności urządzeń z normą ISO/IEC 18000-2 [1] zdefiniowano
w dokumencie ISO/IEC TR 18047-2 [8], a opisano w p. 2.5 niniejszego opracowania.
– str. 32 z 187 –
2.2.1
Warstwa fizyczna systemu typu A (FDX)
Przekazywanie energii do transpondera następuje wskutek sprzężenia indukcyjnego pomiędzy
antenami czytnika i transpondera. Pole wytwarzane przez czytnik dostarcza energię w sposób
ciągły. Częstotliwość (fAC) pola wytwarzanego przez czytnik powinna wynosić 125 kHz.
Dla potrzeb komunikacji z transponderem pole wytwarzane przez czytnik jest modulowane.
Wykorzystuje się modulację ASK (kluczowanie amplitudy) z indeksem modulacji 100%,
rys. 2-1. Wymagane parametry czasowe tej modulacji podano w tab. 2-1.
Rys. 2-1: Typ A (FDX). Transmisja danych z czytnika do transpondera –modulacja
Tab. 2-1: Parametry modulacji transmisji czytnika typu A (FDX)
Parametr
Minimum
Maksimum
m = (a – b)/(a + b)
90%
100%
TA1
4 × TAC
10 × TAC
TA2
0
0,5 × TA1
TA3
0
0,5 × TAd0
X
0
0,15 × a
Y
0
0,05 × a
gdzie: m – indeks modulacji; TAC = 1/fAC = 8 µs; fAC = 125 kHz
Przesyłanie informacji do transponderów polega na kodowaniu odstępu między impulsami
RF, które wytwarza czytnik. Odstęp czasu między opadającymi zboczami dwóch kolejnych
impulsów określa albo wartość bitu danych jako "0" lub "1", albo symbole sterujące "Code
violation" lub "Stop condition", tab. 2-2. Jeżeli założyć równe prawdopodobieństwo
występowania "0" i "1", to szybkość transmisji danych z czytnika do transpondera wynosi
ok. 5,1 kbit/s.
– str. 33 z 187 –
Tab. 2-2: Parametry czasowe symboli transmisji czytnika typu A (FDX)
Znaczenie
Symbol
Nośna wyłączona TAP
"0" danych
TAd0
"1" danych
TAd1
"Code violation" TACV
"Stop condition"
TASC
gdzie: TAC = 1/fAC = 8 µs
Minimum
4 × TAC
18 × TAC
26 × TAC
34 × TAC
≥ 42 × TAC
Maksimum
10 × TAC
22 × TAC
30 × TAC
38 × TAC
nie dotyczy
Polecenie czytnika rozpoczyna zawsze taka sama sekwencja początku ramki SOF (Start of
Frame), konieczna do synchronizacji transmisji, która składa się z symbolu "0" danych i symbolu
"Code violation", rys. 2-2.
Rys. 2-2: Początek ramki (SOF) transmisji czytnika typu A (FDX)
Transponder powinien być gotowy do odbioru SOF z czytnika w czasie do 2,5 ms od
momentu wytworzenia przez czytnik pola zasilającego transpondery. Transponder powinien
być gotowy do odbioru SOF kolejnej ramki transmisji czytnika w czasie do 1,2 ms od
momentu, gdy przekazał odpowiedź do czytnika.
Czytnik zaznacza zakończenie ramki używając polecenia EOF (End of Frame), którym jest
symbol "Stop condition", rys. 2-3.
Rys. 2-3: Zakończenie ramki (SOF) transmisji czytnika typu A (FDX)
Komunikacja transpondera z czytnikiem odbywa się za pośrednictwem sprzężenia
indukcyjnego, przy czym przesyłane dane są kodowane binarnie metodą przełączania
obciążenia obwodu antenowego transpondera, co powoduje modulację amplitudy pola
wytwarzanego przez czytnik, którą dekoduje odbiorcza część czytnika.
Średnia szybkość transmisji wynosi 4 kbit/s z kodem Manchester dla poleceń standardu
(International Standard commands) oraz 2 kbit/s z kodowaniem "dual pattern" dla polecenia
inwentarzowego (Inventory Command), rys. 2-4.
Uwaga: Mniejsza szybkość przesyłania danych inwentarzowych umożliwia usprawnienie detekcji
kolizji, jeżeli kilka transponderów znajduje się jednocześnie w polu czytnika, zwłaszcza gdy
jeden znajduje się blisko, a inny znacznie dalej.
– str. 34 z 187 –
Rys. 2-4: Dwa sposoby kodowania danych transpondera FDX
Odpowiedź transpondera rozpoczyna się zawsze standardową kombinacją SOF (Start of
Frame), którą stanowi 3-bitowa sekwencja "110" w kodzie Manchester, rys. 2-5.
Rys. 2-5: Kombinacja bitów (SOF) rozpoczynająca transmisję transpondera FDX
Dla transmisji transpondera nie zdefiniowano kombinacji EOF (End of Frame) kończącej
ramkę.
2.2.2
Warstwa fizyczna systemu typu B (HDX)
Przesyłanie energii koniecznej do zasilania transpondera odbywa się w wyniku indukcyjnego
sprzężenia anten czytnika i transpondera. Częstotliwość (fBC) pola wytwarzanego przez
czytnik powinna wynosić 134,2 kHz. Dla potrzeb komunikacji czytnika z transponderem pole
wytwarzane przez czytnik jest modulowane metodą dwuwartościowego kluczowania
amplitudy (ASK) z indeksem modulacji 100%, rys. 2-6. Dopuszczalne parametry czasowe
modulacji podano w tab. 2-3.
Rys. 2-6: Typ B (HDX). Transmisja danych z czytnika do transpondera – modulacja
– str. 35 z 187 –
Tab. 2-3: Parametry modulacji transmisji czytnika transmisji czytnika typu B (HDX)
Szybka transmisja danych
Minimum
Nominalny Maksimum
TB1
11 × TBC
13 × TBC
18 × TBC
TB2
2 × TBC
7 × TBC
10 × TBC
TB3
5 × TBC
25 × TBC
32 × TBC
X
0
nie dotyczy 0,15 × a
Y
0
nie dotyczy 0,05 × a
gdzie: TBC = 1/fBC ≈ 7,452 µs; fBC = 134,2 kHz
Oznaczenie
Powolna transmisja danych
Minimum
Norm.
Maksimum
11 × TBC
13 × TBC
25 × TBC
2 × TBC
7 × TBC
10 × TBC
5 × TBC
100 × TBC
115 × TBC
0
nie dotyczy 0,15 × a
0
nie dotyczy 0,05 × a
Przesyłanie informacji z czytnika do transponderów polega na kodowaniu odstępu między
impulsami RF wytwarzanymi przez czytnik. Odstęp czasu między opadającymi zboczami
dwóch kolejnych impulsów określa: albo wartość bitu danych jako "0" lub "1", albo symbol
sterujący "Code violation" rys. 2-7. Parametry czasowe kodowania i modulacji podano w tab. 2-4.
Jeżeli założyć równe prawdopodobieństwo występowania "0" i "1", to w trybie szybkiej
transmisji danych (fast data rate) szybkość wynosi ok. 2,3 kbit/s, a w trybie powolnej
transmisji (slow data rate) szybkość wynosi ok. 1 kbit/s.
Rys. 2-7: Kodowanie danych transmisji czytnika do transpondera typu B (HDX)
Tab. 2-4: Parametry czasowe symboli transmisji czytnika typu B (HDX)
Symbol
Szybka transmisja danych
Powolna transmisja danych
Minimum
Norm.
Maksimum Minimum
Norm.
Maksimum
TBd0
42 × TBC
47 × TBC
52 × TBC
110 × TBC
120 × TBC
130 × TBC
TBd1
62 × TBC
67 × TBC
72 × TBC
140 × TBC
150 × TBC
160 × TBC
TBCV
175 × TBC
180 × TBC
185 × TBC
200 × TBC
210 × TBC
220 × TBC
gdzie: TBC = 1/fBC ≈ 7,452 µs
Sygnał inicjujący ramkę transmisji czytnika rozpoczyna się zawsze kombinacją SOF (Start of
Frame), która składa się z symbolu "1", symbolu "0" oraz symbolu "Code violation", rys. 2-8.
Rys. 2-8: Początek ramki (SOF) transmisji czytnika typu B (HDX)
Zakończenie ramki transmisji czytnika EOF (End of Frame) jest definiowane przez opadające
zbocze natężenia pola, po którym następne opadające zbocze pojawia się z opóźnieniem
większym niż TB1.
– str. 36 z 187 –
W przypadku sekwencji inwentarzowej składającej się z 16 szczelin wysłanie EOF, które
poleca transponderom przełączenie się do następnej szczeliny jest definiowane przez
narastające zbocze pola wytwarzanego przez czytnik, po którym następuje czas TRCH. W obu
przypadkach transponder powinien odebrać wymaganą sekwencję symboli zanim zacznie
nadawać symbol początku ramki (SOF) swojej odpowiedzi.
Komunikacja transpondera z czytnikiem odbywa się za pośrednictwem sprzężenia
indukcyjnego, przy czym dane są kodowane metodą NRZ, rys. 2-9, z dwuwartościowym
kluczowaniem częstotliwości (FSK) generowanej przez transponder:
fBC = 134,2 kHz, 16 okresów częstotliwości do kodowania bitu "0",
fB1 = 123,7 ± 4,2 kHz, 16 okresów częstotliwości do kodowania bitu "1".
Średnia szybkość transmisji danych wynosi 8 kbit/s.
Rys. 2-9: Kodowanie symboli transmisji transpondera HDX
Odpowiedź transportera rozpoczyna się zawsze standardową kombinacją SOF (Start of
Frame), którą stanowi w tym przypadku 6-bitowa sekwencja "111101", gdzie fB1 reprezentuje
częstotliwość bitu "1" (w czasie TBd1), a fBC reprezentuje częstotliwość bitu "0" (w czasie
TBd0). Odpowiedź transpondera zawsze jest kończona sekwencją EOF (End of Frame), która
składa się z 6 bitów "101111".
2.2.3
Porównanie systemów typu A (FDX) i typu B (HDX)
Wybrane parametry warstwy fizycznej i MAC*/ zestawiono w tab. 2-5 i tab. 2-6.
*/
W niniejszym punkcie opracowania wymieniono głównie te parametry, które charakteryzują
system RFID w aspekcie analizy kompatybilności z innymi systemami radiowymi oraz wymagań
zasadniczych określonych w dyrektywie 1999/5/EC. Kompletny zbiór parametrów jest
zdefiniowany w normie ISO/IEC 18000-2 [1].
– str. 37 z 187 –
Tab. 2-5: Transmisja czytnika do transpondera
Parametr
Zakres częstotliwości pracy
Opis systemu typu A (FDX)
Opis systemu typu B (HDX)
Jeden kanał łącza komunikacji
Jeden kanał łącza komunikacji
danych na częstotliwości
danych na częstotliwości
134,2 kHz
125 kHz
Częstotliwość znamionowa
125 kHz
134,2 kHz
Dokładność częstotliwości pracy w granicach ± 0,1 kHz
w granicach ± 0,1 kHz
Szerokość zajmowanego pasma ±4 kHz
±8 kHz
(–3 dB)
Minimalna szerokość pasma
±10 kHz
±8 kHz
odbiornika (–3 dB)
Maksymalne natężenie pola
65,5 dBµA/m w odległości 10 m
wytwarzanego przez czytnik
Emisje niepożądane nadajnika
27 dBµA/m z ograniczeniem –3 dB/oktawę, pomiary
w paśmie RBW = 9 kHz w zakresie częstotliwości do 10 MHz
Maska widma dla nadajnika
65,5 dBµA/m przy f < 135 kHz 65,5 dBµA/m w zakresie
w czytniku
f < 135 kHz
50 dBµA/m w zakresie
135 kHz < f < 140 kHz
30 dBµA/m w zakresie
140 kHz < f < 148,5 kHz
Czas przełączenia z nadawania
1,2 ms
na odbiór
Uwaga: Czytnik powinien czekać, co najmniej przez 1,2 ms,
zanim nada kolejne polecenie.
Czas przełączenia z odbioru na
2 ms
nadawanie
Uwaga: Czytnik powinien czekać co najmniej przez 2 ms na
odpowiedź transpondera zanim wystąpi sygnalizacja
przekroczenia czasu oczekiwania (Time out error).
Modulacja
100% ASK (OOK)
Indeks modulacji
100%
Kodowanie danych
Kodowanie położenia impulsu
Szybkość bitowa danych
5,2 kbit/s
1 kbit/s lub/ 2,3 kbit/s (opcja)
Dokładność szybkości bitowej
Synchroniczna z częstotliwością fali nośnej
Synchronizacje ramki
Ustalona sekwencja (SOF) danych
Znacznik zakończenia ramki
Nie ma
Sekwencja 6 bitów (EOF)
Proces odczytu transpondera
Dialog między czytnikiem a transponderem odbywa się
w następującej kolejności:
− aktywacja transpondera w polu indukcyjnym anteny czytnika;
− transponder oczekuje na polecenie czytnika;
− czytnik nadaje polecenie;
− transponder nadaje odpowiedź
Polaryzacja anteny
Nie dotyczy – pole bliskie (indukcyjne)
– str. 38 z 187 –
Tab. 2-6: Transmisje transpondera do czytnika
Parametr
Zakres częstotliwości pracy
Opis systemu typu A (FDX)
Taki jak czytnika
Szerokość zajmowanego pasma
Modulacja fali nośnej
± 10 kHz
Transponder powinien
komunikować się z czytnikiem
metodą sprzężenia
indukcyjnego. Modulacja
amplitudy fali nośnej jest
wynikiem przełączanie
obciążenia w transponderze.
Nie dotyczy tego typu
Częstotliwości podnośnej
Kodowanie danych
Szybkość bitowa transmisji
Dokładność szybkości bitowej
Sekwencje synchronizacji
bitowej
Polaryzacja anteny
2.2.4
Opis systemu typu B (HDX)
134,2 kHz / 123,7 ± 4 kHz
– modulacja FSK
± 15 kHz
Nie dotyczy tego typu
134,2 kHz / 123,7 ± 4 kHz
– modulacja FSK
NRZ
Kod Manchester
lub kod Dual Pattern
NRZ "0" 8,2 kbit/s
Kodu Manchester 4 kbit/s
NRZ "1" 7,7 kbit/s
(fAC/32)
Kodu Dual Pattern 2 kbit/s
(fAC/64)
Związana z częstotliwością nośnej
3-bitowa sekwencja SOF
6-bitowa sekwencja SOF
6-bitowa sekwencja EOF
Nie dotyczy – pole bliskie (indukcyjne)
Klasyfikacja poleceń systemowych
Zgodnie z normą ISO/IEC 18000-2 stosuje się następującą klasyfikację poleceń czytnika.
Polecenia obowiązkowe (mandatory commands) powinny być obsługiwane przez wszystkie
transpondery i czytniki. Polecenia obowiązkowe powinny być stosowane zgodnie z normą
ISO/IEC 18000-2.
Polecenia opcjonalne (optional commands) są także zdefiniowane w normie ISO/IEC 18000-2.
Czytniki powinny być technicznie przygotowane do obsługi wszystkich poleceń opcjonalnych
zdefiniowanych w tej normie, chociaż nie muszą być nastawione do ich wykonywania.
Transpondery mogą obsługiwać polecenia opcjonalne, ale nie jest to wymagane. Polecenia
opcjonalne, jeśli są zaimplementowane, powinny być stosowane zgodnie z normą.
Polecenia użytkowników (custom commands) nie są definiowane w normie ISO/IEC 18000-2.
Specyficzne polecenia firmowe (proprietary commands) także nie są definiowane w tej
normie.
W celu zapewnienia interoperacyjności produktów funkcjonalności zdefiniowane
w standardzie, np. zapis/odczyt, powinny być implementowane z wykorzystaniem poleceń
obowiązkowych i opcjonalnych, tak jak opisano w normie [1]. Zaleca się, aby polecenia
użytkowników i własne firmowe były stosowane tylko do wypełnienia funkcji, które nie są
definiowane w normie [1].
Kod polecenia składa się z 6 bitów, przy czym poszczególnym klasom przypisano kody jak
w tab. 2-7.
– str. 39 z 187 –
Tab. 2-7: Kodowanie klas poleceń
Kod*/
Klasa polecenia
00 – 0F
Obowiązkowe
10 – 27
Opcjonalne
28 – 37
Użytkownika
38 – 3F
Firmowe
*/
w zapisie szesnastkowym
Tab. 2-8: Lista poleceń
Polecenie
Inwentarzowe
Stay Quiet
Kod
00
01
Rodzaj
Obowiązkowe
Obowiązkowe
Funkcja
Sekwencja antykolizyjna
Wprowadza transponder
w stan Quiet
Zarezerwowane do
wykorzystania w przyszłości
Ważne w stanie
Ready
Ready, Selected
Zarezerwowane do
zdefiniowania w przyszłości
(RFU)
Odczytaj pojedynczy blok
02 – 0F
Obowiązkowe
10
Opcjonalne
Odczytuje pojedynczy blok
w pamięci użytkownika
Odczytuje pojedynczy blok
ze statusem bezpieczeństwa
w pamięci użytkownika
Odczytuje wiele bloków
w pamięci użytkownika
Odczytuje wiele bloków ze
statusem bezpieczeństwa
w pamięci użytkownika
Zapisuje pojedynczy blok
w pamięci użytkownika
Zapisuje wiele bloków
w pamięci użytkownika
Blokuje dostęp do
pojedynczego bloku
w pamięci użytkownika
Odczytuje określone dane
z pamięci systemowej
Wprowadza transponder
w stan Selected
Wprowadza wybrany
transponder w stan Ready
Zapisuje określone dane do
pamięci systemowej
Blokuje dostęp do danych
systemowych
Dla potrzeb trybu Multi-Read
wg opisu w Aneksie D normy
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Odczytaj pojedynczy blok ze 11
statusem bezpieczeństwa
Opcjonalne
Odczytaj wiele bloków
12
Opcjonalne
Odczytaj wiele bloków ze
statusem bezpieczeństwa
13
Opcjonalne
Zapisz pojedynczy blok
14
Opcjonalne
Zapisz wiele bloków
15
Opcjonalne
Zabezpiecz blok
16
Opcjonalne
Podaj dane systemowe
17
Opcjonalne
Wybierz (Select)
18
Opcjonalne
Ustawienie w stan Ready
19
Opcjonalne
Zapisz dane systemowe
1A
Opcjonalne
Zabezpiecz dane systemowe
1B
Opcjonalne
Zarezerwowane do
zdefiniowania w przyszłości
(RFU)
Zarezerwowane do
zdefiniowania w przyszłości
(RFU)
Bez nazwy (NN)
1C
Opcjonalne
1C – 27
Opcjonalne
Zarezerwowane do
wykorzystania w przyszłości
—
28 – 37
Użytkownika
—
Bez nazwy (NN)
38 – 3F
Firmowe
Specyficzne polecenie
producenta układu scalonego
Specyficzne polecenie
producenta układu scalonego
—
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
Quiet, Selected
Ready, Quiet,
Selected
Ready, Quiet,
Selected
—
—
– str. 40 z 187 –
2.2.5
Protokół transmisji
Standardowy protokół transmisji definiuje zasady wysyłania poleceń przez czytnik i wymiany
danych w obu kierunkach między czytnikiem i transponderem. Czytnik zgodny z omawianą
normą powinien komunikować się z transponderami typu A (FDX) oraz typu B (HDX).
Uzyskano to stosując następujące mechanizmy:
•
Czytnik zawsze nadaje jako pierwszy ("Interrogator Taks First"). Oznacza to, że każdy
transponder powinien odebrać i poprawnie zdekodować instrukcje nadane przez czytnik
zanim rozpocznie nadawanie.
•
Transpondery są jednoznacznie identyfikowane przez 64-bitowy niepowtarzalny
identyfikator (Unique Identifier, UID).
•
Protokół składa się z:
– poleceń kierowanych przez czytnik do transponderów;
– odpowiedzi transpondera (transponderów) skierowanych do czytnika.
•
Protokół jest zorientowany bitowo. Liczba bitów nadawanych po sekwencji początku
ramki (SOF) jest zależy każdorazowo od rodzaju polecenia i oczekiwanej odpowiedzi.
Do sterowania poleceniami i odpowiedziami są używane flagi (wskaźniki). Ustawienie flagi
na "1" oznacza, że oznakowane nią pole istnieje. Flaga ustawiona na "0" oznacza, że pole nie
istnieje. Flagi pól niezdefiniowanych lub rezerwowanych do zdefiniowania w przyszłości
(RFU) powinny być ustawiane na "0".
Transpondery są jednoznacznie identyfikowane przez 64-bitowy niepowtarzalny identyfikator
(UID). UID powinien być ustawiony na stałe przez producenta układu scalonego, tak jak na
rys. 2-10, i powinien zawierać:
− klasę przydziału (allocation class) kodowaną jako 8 bitów o wartości E0;
− kod producenta układu scalonego (IC manufacturer code, MFC) zapisany w postaci
8 bitów zgodnie z normą ISO/IEC 7816-6;
− niepowtarzalny numer seryjny przydzielony przez producenta układu scalonego
(manufacturer serial number, MSN).
MSB
64
57 56
E0
LSB
1
49 48
Kod producenta (MFC)
Numer seryjny ustalony przez producenta
Rys. 10: Format UID
W celu usprawnienia właściwości systemu w większości adresowanych indywidualnie
poleceń oraz odpowiedzi transpondera, podczas procesu przyznawania dostępu w czasie
kolizji, jest nadawana tylko część UID, nazywana Sub-UID (SUID).
SUID składa się z 48 bitów, w tym 8 bitów kodu producenta (MFC), po których następuje 40
mniej znaczących bitów (LSB) numeru seryjnego. 8 starszych bitów (bity 41 do 48) numeru
seryjnego są ustawione na "0". Odwzorowanie 64 bitów UID przez 48 bitów nadawanych
w SUID i vice versa przedstawiono na rys. 2-11.
Czytnik wymieniając dane z aplikacją powinien stosować 64-bitowy format UID.
– str. 41 z 187 –
MSB
64
57 56
E0
49 48
41 40
MFC
00
Numer seryjny
⇓
⇓
MSB
48
LSB
1
41 40
MFC
Numer seryjny
⇓
MSB
64
57 56
E0
LSB
1
⇓
49 48
LSB
1
41 40
MFC
00
Numer seryjny
Rys. 2-11: Odwzorowanie UID w SUID i vice versa
Polecenie wysyłane przez czytnik składa się z następujących pól, rys. 2-12:
− sekwencji początku ramki (SOF),
− flag,
− polecenia,
− parametrów (zależnych od polecenia),
− danych (zależnych od polecenia),
− CRC (opcjonalnie),
− znacznika końca ramki (EOF).
SOF
Flagi
Polecenie
Parametry
Dane
CRC
EOF
Rys. 2-12: Ogólna struktura ramki poleceń czytnika
Odpowiedź transpondera składa się z następujących pól, rys. 2-13 i rys. 2-14:
− sekwencji początku ramki (SOF),
− flag (nie używane w poleceniu inwentarzowym),
− kodu błędu (nie używane w poleceniu inwentarzowym),
− danych (zależnych od polecenia),
− CRC (opcjonalnie),
− znacznika końca ramki (EOF).
SOF
Flaga błędu "0"
Dane
CRC
EOF
Rys. 2-13: Ogólna struktura odpowiedzi, jeżeli nie ma błędu
SOF
Flaga błędu "1"
Dane
CRC
EOF
Rys. 2-14: Ogólna struktura odpowiedzi, jeżeli był błąd
Szczegółowy opis poszczególnych pół znajduje się w rozdz. 6 omawianej normy [1]. W tym
miejscu należy zwrócić uwagę na polecenie identyfikatora formatu przechowywanych danych
(data storage format identifier, DSFID), wskazujące sposób dostępu i wykorzystania danych
– str. 42 z 187 –
transpondera. Jeżeli dane transpondera nie mogą być programowane, to transponder powinien
odpowiedzieć na to polecenie ustawiając flagę błędu na "1".
Transponder może znajdować się w jednym z czterech stanów:
− wyłączony (Power-off) /1;
− gotowy (Ready);
− wybrany (Selected);
− wyciszony (Quiet).
Obsługa stanów wyłączony (Power-off), gotowy (Ready) i wyciszony (Quiet) jest
obligatoryjna, a obsługa stanu wybrany (Selected) opcjonalna.
Transponder uaktywniony przez pole czytnika (po uzyskania zasilania) automatycznie
przyjmuje stan "gotowy" (Ready) i dopóki jest zasilany pozostaje w tym stanie oczekując na
polecenia czytnika. Zmiana stanu może nastąpić w wyniku polecenia czytnika lub wyłączenia
pola zasilającego. Jeżeli transponder nie może przetwarzać polecenia czytnika (np.
w następstwie błędu transmisji) powinien pozostawać w swoim aktualnym stanie.
Transponder przechodzi w stan "Quiet" po odebraniu polecenia adresowanego do niego "Stay
Quiet". W tym stanie może przetwarzać każde polecenie czytnika.
Transponder przechodzi w stan "Selected" po odebraniu adresowanego indywidualnie
(zawierającego jego SUID) polecenia "SELECT". W stanie "SELECT" w danym momencie
powinien być tylko jeden transponder, dlatego jeżeli transponder w stanie "Selected" odbiera
polecenie "SELECT" adresowane do innego transpondera powinien przejść w Stan "Quiet".
Przejście w stan "Power-off" następuje, gdy transponder znajdzie się poza zasięgiem pola lub
gdy pole zostanie wyłączone. Może to nie nastąpić natychmiast, ponieważ w niektórych
wykonaniach transponderów energia zasilania zgromadzona w kondensatorze utrzymuje stan
pracy przez jakiś czas, zwykle ok. 20 ms.
Wykres stanów transpondera przedstawia rys. 2-15.
W każdym z czterech możliwych stanów transponder akceptuje tylko określone polecenia,
a inne ignoruje.
Ze stanu Power-off transponder, który znajduje się w polu RF czytnika o dostatecznym
natężeniu, przechodzi samoczynnie w stan Ready. Transponder powraca do stanu Power-off
z każdego stanu, jeżeli znajdzie się poza strefą pola RF o dostatecznym natężeniu lub gdy
pole RF zostanie wyłączone.
Transponder pozostający w stanie Ready wskutek poleceń czytnika może zmienić stan na
"Selected" lub "Quiet".
1
W niniejszym opracowaniu ze względu na spójność z normami ISO/IEC użyto nazw oryginalnych.
– str. 43 z 187 –
Rys. 2-15: Diagram stanów transpondera
2.2.6
Sekwencja antykolizyjna
Celem sekwencji antykolizyjnej jest inwentaryzacja transponderów obecnych w polu czytnika
dokonywana z wykorzystaniem SUID. Proces inicjuje czytnik wysyłając do wszystkich
transponderów polecenie inwentarzowe (INVENTORY request).
Transponder powinien wysłać odpowiedź w określonej przez czytnik szczelinie czasowej lub
wstrzymać się z odpowiedzią. Liczbę szczelin dla odpowiedzi transponderów: 1 lub 16 określa
czytnik. Transponder wyznacza numer swojej szczeliny wg algorytmu zdefiniowanego w normie.
Zatem są dwa przypadki polecenia inwentarzowego: z jedną szczeliną czasową na odpowiedzi
transponderów lub z 16 szczelinami.
Sekwencja bezkolizyjnego odczytu z jedną szczeliną czasową składa się z następujących
elementów:
a) Czytnik nadaje polecenie inwentarzowe.
Jeżeli SUID są częściowo znane, parametr polecenia zawiera maskę o długości n bitów
i żądanej wartości (liczba w zapisie binarnym). Po zdefiniowanym czasie wszystkie
transpondery będące w stanie READY, których najmniej znacząca część SUID jest
równa liczbie zapisanej w postaci maski, nadają swoje odpowiedzi.
– str. 44 z 187 –
Jeżeli SUID nie są znane, długość maski jest zerowa i maska nie określa żadnej liczby.
Po zdefiniowanym czasie wszystkie transpondery w stanie READY nadają odpowiedź.
b) Czytnik analizuje odpowiedzi transponderów bit po bicie.
Jeżeli nie ma odpowiedzi, wysyła kolejne polecenie, jak w punkcie a).
Jeżeli otrzymał odpowiedź jednego transpondera, kolizja nie występuje. SUID jest
odebrany i rejestrowany przez czytnik. Dalej jak w punkcie c).
Jeżeli wskutek równoczesnej transmisji dwóch lub więcej transponderów nastąpiła
kolizja, czytnik rozpoznaje pozycję bitu, na której nastąpiła kolizja i rozszerza maskę
ustawiając na tej pozycji albo 0 albo 1, zależnie od tego, który łańcuch numerów
zamierza dalej analizować. Dalej jak w punkcie a).
c) Po uzyskaniu SUID czytnik może komunikować się z danym transponderem wysyłając
polecenie adresowane indywidualnie do niego.
Jeżeli wysyła inne polecenie inwentarzowe (INVENTORY request) proces powraca do
punktu a).
Przykładowa sekwencja bezkolizyjnego odczytu z 16 szczelinami czasowymi składa się
z następujących elementów:
a) Czytnik nadaje polecenie inwentarzowe w ramce kończonej sekwencją EOF. Liczba
szczelin 16.
b) Pierwszy transponder nadaje odpowiedź o szczelinie nr 0. Jeżeli wykonał to polecenie
tylko jeden, to kolizja nie wystąpiła. SUID jest odebrany i rejestrowany przez czytnik.
c) Czytnik nadaje sekwencję EOF, oznaczającą przełączenie do następnej szczeliny.
d) Jeżeli w szczelinie nr 1 nastąpiła kolizja, czytnik ją wykrywa i zapamiętuje.
e) Czytnik nadaje sekwencję EOF, oznaczającą przełączenie do następnej szczeliny.
f)
Jeżeli w szczelinie nr 2 nie odpowiedział żaden transponder, to czytnik może wysłać
polecenie adresowane indywidualnie do pierwszego transpondera, którego SUID
wcześniej poprawnie odebrał.
g) Wszystkie transpondery odczytują SOF polecenia opisanego w punkcie f) i opuszczają
sekwencję antykolizyjną, gdyż polecenie jest adresowane tylko do pierwszego
transpondera.
Uwaga. O przerwaniu sekwencji antykolizyjnej decyduje czytnik, który może kontynuować
wysyłanie EOF, aż do wyznaczenia 16 szczeliny i dopiero wtedy wysłać polecenie do
pierwszego transpondera.
h) Wszystkie transpondery są gotowe do odbioru innego polecenia. Jeżeli będzie to
polecenie inwentarzowe, sekwencja numeracji szczelin rozpoczyna się znów od 0.
Mieszana populacja transponderów typu A i typu B
W przypadku, gdy w polu czytnika mogą znajdować się transpondery obu typów, zalecana
jest następująca procedura:
a) Czytnik przełącza się w tryb wysyłania częstotliwości nośnej fAC i oczekuje przez czas
potrzebny na ustalenie warunków zasilania, zwykle ok. 2,5 ms.
b) Czytnik wykonuje odpowiednią sekwencję antykolizyjną z jedną lub 16 szczelinami.
c) Czytnik wyłącza pole RF.
– str. 45 z 187 –
d) Czytnik przełącza się w tryb wysyłania częstotliwości nośnej fBC i oczekuje na ustalenie
warunków zasilania transponderów przez czas od 10 ms do 50 ms.
e) Czytnik wykonuje odpowiednią sekwencję antykolizyjną z jedną lub 16 szczelinami.
f)
Czytnik wyłącza pole RF.
Porządek czynności w opisanej procedurze może być odwrotny: d), e), f), a), b), c) zamiast a),
b), c), d), e), f).
2.2.7
Organizacja pamięci użytkownika w transponderach
Pamięć użytkownika powinna być dostępna w 32-bitowych blokach. W normie założono
możliwość adresowania do 256 bloków tj. maksymalna pojemność pamięci dostępnej dla
użytkownika wynosi 1024 bajty.
Tab. 2-9. Organizacja pamięci użytkownika
Adres bloku
0
1
…
255
Rozmiar
32 bity
32 bity
…
32 bity
Opis
Pamięć użytkownika
2.3 Systemy RFID do identyfikacji zwierząt
2.3.1
Koncepcja systemu
Koncepcję wykorzystania technik RFID do identyfikacji zwierząt przedstawiono w normie
ISO 11785 [2]. Norma ta jest ściśle związana z normą ISO 11784 [3], w której zdefiniowano
znormalizowaną strukturę i zawartość informacji przechowywanych w pamięci transpondera
przeznaczonego do identyfikacji zwierząt.
Uwagi. 1.
2.
Wcześniej, przed publikacją norm ISO 11785 i ISO 11784, opracowano i oferowano
inne systemy RFID zastosowane do identyfikacji zwierząt, które nadal są stosowane.
Wiele z nich wykorzystuje pole aktywujące częstotliwości 125 kHz, a system
o handlowej nazwie TROVAN o częstotliwość 128 kHz.
Aspekty techniczne i regulacyjne elektronicznej identyfikacji zwierząt szerzej omówiono
w p. 2.5.
W normie ISO 11785 opisano dwa systemy RFID różniące się sposobem działania interfejsu
radiowego:
–
System pracujący w trybie dupleksowym (full duplex)/, oznaczany dalej FDX, w którym
transmisja transpondera do czytnika następuje w czasie, gdy czytnik wytwarza pole
aktywujące.
–
System pracujący w trybie półdupleksowym (half duplex), oznaczany dalej HDX,
w którym transmisja transpondera RFID do czytnika następuje w czasie, gdy czytnik
przerywa nadawanie pola aktywującego.
W obu systemach stosowane są transpondery bierne zasilane i komunikujące się z czytnikiem
za pośrednictwem sprzężenie indukcyjnego w polu o częstotliwości 134,2 kHz.
– str. 46 z 187 –
2.3.2
Wymagania dotyczące czytników
Czytnik zgodny z normą ISO 11785 powinien uaktywniać transpondery wytwarzając pole
o częstotliwości (134,2 ±13,42 × 10-3) kHz. System RFID powinien być skonfigurowany
w ten sposób, aby ten sam czytnik obsługiwał transpondery FDX i HDX.
Wymagania dotyczące czytników stacjonarnych (stationary) i ruchomych (mobile, portable)
różnią się. Czytnik stacjonarny powinien być połączony z innymi znajdującymi się w pobliżu
czytnikami stacjonarnymi w celu synchronizacji okresów aktywacji i przerw między nimi.
Czytnik ruchomy nie jest połączony z innymi czytnikami znajdującymi się w pobliżu.
W przypadku czytników stacjonarnych okres aktywacji (wytwarzania pola przez czytnik)
powinien wynosić 50 ms. Jeżeli w okresie aktywacji zostanie wykryty sygnał transpondera
FDX, lecz telegram nie zostanie pomyślnie odebrany, to okres aktywacji powinien być
wydłużony do czasu pomyślnej identyfikacji telegramu transpondera, ale nie dłużej niż do
100 ms. Następnie sygnał aktywacji powinien być przerwany. Jeżeli po przerwaniu sygnału
aktywacji zostanie wykryty sygnał transpondera HDX, to przerwa powinna trwać 20 ms.
Jeżeli sygnał transpondera HDX nie zostanie wykryty w czasie 3 ms od momentu obniżenia
natężenia pola o 3 dB, to wytwarzanie pola aktywującego powinno być wznowione. Dla
potrzeb synchronizacji czytników każdy co dziesiąty cykl powinien składać się ze stałej
sekwencji 50 ms okresu aktywacji i 20 ms przerwy.
Czytnik ruchomy powinien najpierw odbierać sygnał aktywacji w celu wykrywania innych
aktywnych czytników, które znajdują się w pobliżu. Jeżeli w przedziale 30 ms czytnik nie
wykrywa sygnału aktywacji, czyli jest poza zasięgiem innych aktywnych czytników, to może
stosować protokół aktywacji transponderów opisany wyżej dla czytników stacjonarnych.
Natomiast jeżeli czytnik ruchomy wykryje sygnał aktywacji nadawany przez inny czytnik, to
powinien odczekać do następnego narastającego zbocza tego sygnału aktywacji i w tym
momencie uaktywnić się przez okres 50 ms.
2.3.3
Wymagania dotyczące transpondera FDX
Transponder FDX, który znajduje się w polu aktywującym, powinien wysyłać swój kod
podczas okresu aktywacji. Do komunikacji transponder wykorzystuje podnośną
z różnicowym dwuwartościowym kodowaniem fazy (differential bi-phase encoding, DBP),
która moduluje amplitudowo natężenie pola o częstotliwości radiowej. Długość jednego bitu
jest równa 32 okresom częstotliwości pola aktywującego (134,2 kHz), tzn. szybkość
transmisji wynosi 4 193,75 bit/s. Aby poprawić właściwości systemu, każde przejście ze
stanu niskiego do wysokiego następuje z wyprzedzeniem maksimum 8 okresów fali nośnej.
Energia sygnału modulowanego przez transponder FDX koncentruje się w zakresie
częstotliwości od 129,0 kHz do 133,2 kHz poniżej częstotliwości pola aktywującego oraz od
135,2 kHz do 139,4 kHz powyżej tej częstotliwości.
Strukturę telegramu identyfikacyjnego transpondera FDX przedstawiono na rys. 2-16:
− nagłówek składa się z 11 bitów: 0000 0000 001, przeznaczonych do wskazania początku
telegramu;
− 64 bity kodu identyfikacji są nadawane w ośmiu blokach po 8 bitów;
− 2 bloki każdy po 8 bitów zawierają bity detekcji błędu (CRC) w bloku kodu identyfikacji;
Bity detekcji błędu są obliczane wyłącznie na podstawie bitów kodu identyfikacji.
− 3 bloki każdy po 8 bitów zawierają etykietę końca telegramu.
– str. 47 z 187 –
Po każdym bloku 8 bitów jest nadawany bit kontrolny o wartości 1, stosowany w celu
ochrony przed pojawieniem się w innych częściach telegramu identyfikacji kombinacji
bitów identycznej z nagłówkiem.
1
Nagłówek
Kod identyfikacji
CRC
Etykieta
końca teleg.
16 + 2
24 + 3
0
11
64 + 8
Rys. 2-16: Struktura telegramu identyfikacyjnego transpondera FDX
Ze względu na możliwości rozwoju systemu w przyszłości, np. transpondery z możliwością
zapisu (modyfikowania) pamięci, telegram identyfikacji powinien być kończony 24 bitami
etykiety końcowej (24 trailer bits). Jeżeli flaga dodatkowych bitów danych jest zerem,
większość bitów etykiety końcowej jest nieokreślona. W przypadku, gdy flaga ta jest jedynką,
dodatkowe bloki danych mają być zdefiniowane w innych normach.
Uwaga: Ponieważ błędy w etykiecie końcowej nie są wykrywane przez protokół detekcji błędu
w telegramie identyfikacyjnym, żeby poprawnie odczytać kod identyfikacji nie ma potrzeby
odczytu tych bitów.
2.3.4
Wymagania dotyczące transpondera HDX
Jeżeli czytnik w okresie aktywacji nie odebrał sygnału FDX, lub jeżeli sygnał FDX został
poprawnie odebrany, to sygnał aktywacji po upływie 50 ms powinien być przerwany w czasie
do 3 ms. Spadek natężenia pola aktywującego od –3 dB do –80 dB powinien nastąpić
w czasie < 1 ms, jak na rys. 2-17:
Rys. 2-17: Zależność czasowa natężenia pola aktywującego transpondery HDX
Transponder HDX, który zgromadził energię w czasie trwania sygnału aktywacji,
wykrywając przerwę sygnału aktywacji powinien ją wykorzystać do nadawania swojego
telegramu.
Jeżeli czytnik nie wykrywa sygnału HDX w czasie między 1 ms a 2 ms od momentu spadku
natężenia pola o 3 dB, to powinien wznowić wytwarzanie sygnału aktywującego.
– str. 48 z 187 –
Transponder HDX do nadawania swojej informacji wykorzystuje kodowanie NRZ
i dwuwartościową modulację FSK, używając częstotliwości 124,2 ±2 kHz do nadawania
binarnej "1" oraz częstotliwości 134,2 ±1,5 kHz do nadawania binarnego "0". Długość
jednego bitu jest równa 16 okresom wytwarzanej częstotliwości, co odpowiada szybkości
transmisji 8 378,5 bit/s w przypadku ciągu zer, a 7 762,5 bit/s w przypadku ciągu jedynek.
Strukturę sygnału identyfikacyjnego transpondera HDX przedstawiono na rys. 2-18.
0
1
0
1
134,2 kHz
124,2 kHz
0,1192 ms
0,1288 ms
Rys. 2-18: Kodowanie sygnału identyfikacyjnego transpondera HDX
Strukturę telegramu identyfikacyjnego transpondera HDX przedstawiono na rys. 2-19:
− nagłówek składa się z 8 bitów: 0111 1110, wykorzystywanych jako sekwencja
synchronizująca;
− kod identyfikacji składa się z 64 bitów;
− blok detekcji błędu (CRC) ma 16 bitów;
Bity detekcji błędu są obliczane wyłącznie na podstawie kodu identyfikacji.
− 24 bity etykiety końca telegramu.
Jeżeli flaga dodatkowych bloków danych jest zerem, to osiem pierwszych bitów etykiety
końca telegramu powinno być 0111 1110.
1
Nagłówek
Kod identyfikacji
CRC
Etykieta
końca teleg.
0
8
64
16
24
Rys. 2-19: Struktura telegramu identyfikacyjnego transpondera HDX
2.3.5
Inne właściwości systemu
W tab. 10. zestawiono podstawowe parametry transponderów FDX i HDX zdefiniowanych
w normie ISO 11785 dla potrzeb identyfikacji zwierząt.
– str. 49 z 187 –
Tab. 2-10: Porównanie systemów FDX i HDX
Parametr
System FDX
System HDX
Częstotliwość pola aktywującego
Modulacja
Częstotliwość odpowiedzi transpondera
Kodowanie
Szybkość transmisji
134,2 kHz
AM-PSK
129,0 ÷ 133,2 kHz
135,2 ÷ 139,4 kHz
Zmodyfikowane DBP
4 194 bit/s
134,2 kHz
FSK
124,2 kHz (bit 1)
134,2 kHz (bit 0)
NRZ
7 762,5 bit/s (ciąg 1)
8 387,5 bit/s (ciąg 0)
Struktura telegramu [bitów]:
− nagłówek
− kod identyfikacji
− kod detekcji błędu (CRC)
− etykieta końca telegramu
− bity kontrolne
11
64
16
24
13
8
64
16
24
-
Synchronizacja czytników stacjonarnych
Jeżeli czytnik znajduje się w pobliżu innego czytnika, to jest prawdopodobne, że nadaje swój
sygnał aktywacji w czasie przerwy w transmisji tego innego czytnika, i na odwrót.
W takim przypadku żaden z czytników nie będzie mógł odebrać sygnału transpondera HDX.
W celu uniknięcia wzajemnych zakłóceń cykle nadawania sygnału aktywacji czytników
znajdujących się blisko siebie powinny być zsynchronizowane ze sobą.
Czytniki stacjonarne mogą być ze sobą połączone bezpośrednio i synchronizowane za
pomocą sygnału o dwóch poziomach. Jeden poziom oznacza, że żaden z czytników nie
odebrał sygnału z transpondera, a poziom drugi oznacza, że co najmniej jeden z czytników
odbiera taki sygnał, zatem pozostałe powinny wstrzymać emisję sygnału uaktywniającego
transpondery.
Ze względu na możliwość występowania transponderów typu FDX i HDX należy brać pod
uwagę następujące przypadki:
1. Nie ma żadnego transpondera w zasięgu odczytu czytników.
2. Jeden z czytników wykrył sygnał transpondera FDX.
Transponder FDX nadaje swój telegram praktycznie bez przerwy od momentu, gdy
odbierze sygnał aktywacji. Jeżeli sygnał transpondera został wykryty przez czytnik, ale
telegram nie został odebrany, sygnał aktywacji może być wydłużony do czasu
pomyślnego odbioru telegramu, jednak nie więcej niż do 100 ms.
W czasie odbioru telegramu sygnał synchronizacji powinien blokować nadawanie
pozostałych czytników.
Jeżeli żaden z czytników nie wykrywa sygnału transpondera HDX, to przerwa
w nadawaniu przez wszystkie czytniki może być ograniczona do 3 ms.
3. Jeden czytnik wykrył sygnał transpondera HDX.
Jeżeli żaden z czytników nie wykrył sygnału transpondera FDX, to nie ma potrzeby
wydłużania emisji sygnału aktywującego. Czytnik, który w czasie 3 ms przerwy
w nadawaniu wykrył wystąpienie sygnału HDX wymusza zmianę sygnału
synchronizacji, co powoduje, że pozostałe czytniki pozostają w stanie odbioru przez
20 ms.
– str. 50 z 187 –
4.
5.
Jeden czytnik wykrył sygnał transpondera HDX, a inny w tej samej sekwencji odczytu
sygnał transpondera FDX. Telegram transpondera FDX powinien być pomyślnie
odebrany w czasie 50 ms. W konsekwencji po zakończeniu odbioru sygnału transpondera
FDX sposób odbioru sygnału transpondera HDX jest taki jak w przypadku 3.
Jak w przypadku 4, ale zachodzi konieczność wydłużenia sygnału aktywacji (dłuższy niż
50 ms).
Synchronizacja czytników ruchomych
Ze względu na sposób użytkowania czytnik ruchomy nie może być bezpośrednio dołączony
do innego czytnika. Z tego powodu, aby unikać wzajemnych zakłóceń czytnik ruchomy
powinien wykrywać sygnały aktywacji nadawane przez inne czytniki W tym celu, jeżeli
czytnik ruchomy wykrywa sygnał aktywacji nadawany przez inny czytnik, powinien czekać
na pojawienie się narastającego zbocza następnego sygnału i nadawać przez okres 50 ms. We
wszystkich przypadkach czytnik ruchomy będzie mógł odbierać sygnały transponderów FDX.
Jeżeli czytnik stacjonarny wymusi przerwę 20 ms, to w tym czasie czytnik ruchomy może
odczytać transponder HDX.
Ponieważ zgodnie ze standardem co dziesiąty cykl odczytu powinien składać się z emisji
sygnału aktywującego przez 50 ms i 20 ms przerwy, to w czasie tej powtarzanej przerwy
czytnik ruchomy może odbierać telegramy transponderów HDX, niezależnie od innych
czytników.
2.3.6
Kod identyfikacji transpondera
W kodzie identyfikacji transpondera wyznaczono pola, z których każde ma określone
znaczenie. Każde z pól jest kodowane binarnie z najbardziej znaczącym bitem przesyłanym
najpierw (MSB jest bitem nr 1, a LSB bitem nr 64).
Przeznaczenie 64 bitów kodu identyfikacji zwierząt zdefiniowane w normie ISO 11785 [2]
oraz w pierwotnej wersji normy ISO 11784 [3] objaśniono w tab. 2-11.
Transmisja 64 bitów kodu identyfikacji transpondera jest zabezpieczona z użyciem 16 bitów
kodu detekcji błędu, które są obliczane z wykorzystaniem wielomianu:
P(x) = x16 + x12 + x5 + 1, jak opisano w zaleceniu CCITT G.706 [6].
W zmianie A1 [4] normy ISO 11784 zmodyfikowano definicje pól przedstawione w tab. 2-11.
Wprowadzono możliwość przydzielenia nowego transpondera (retagging) mającego ten sam
numer identyfikacyjny, co transponder zgubiony lub nienadający się do odczytu. W tym celu
zarezerwowane wcześniej pole (bity 2 – 15) podzielono na trzy różne pola kodowe. Te
zmiany normy wprowadzone przez ISO 11784: Amd.1:2004 zawiera tab. 2-12.
– str. 51 z 187 –
Tab. 2-11: Struktura kodu do identyfikacji zwierząt wg pierwszej wersji normy ISO 11784 [3]
Nr bitu
1
2 – 15
16
Informacja
Flaga "1" identyfikacja
zwierząt.
Flaga "0" inne zastosowanie
Pole zarezerwowane
Flaga wskazująca istnienie
bloku danych ("1")
lub brak bloku danych ("0").
17 – 26
3-cyfrowy kod kraju wg
normy ISO 3166
27 – 64
Krajowy kod identyfikacji
Liczba kombinacji
Opis
2
Wartość tego bitu wskazuje, czy
transponder jest używany do
identyfikacji zwierzęcia, czy nie.
We wszystkich zastosowaniach do
identyfikacji zwierząt powinien
być "1".
Czternaście bitów kodu
zarezerwowanych do
wykorzystania w przyszłości.
Ten bit sygnalizuje, że dodatkowe
dane powinny być odebrane (np.
dane fizjologiczne, zmierzone za
pomocą urządzenia, które
jednocześnie służy do identyfikacji
i monitorowania).
Ten bit powinien być "1", jeżeli
dodatkowa informacja jest
dołączona do kodu identyfikacji,
w przeciwnym razie powinien być
"0".
Kody od 900 do 998 mogą być
używane do oznaczania
poszczególnych producentów
transponderów. Kod 999 jest
używany do wskazania, że
transponder jest transponderem
testowym i nie musi mieć numeru
identyfikacyjnego.
Jednoznaczny numer w obrębie
kraju
16 384
2
1 024
274 877 906 944
Uwagi:
1. Metoda rozróżniania na podstawie bitu nr 1 między zastosowaniem transpondera dla zwierząt
lub innego umożliwia elektroniczne rozpoznawanie kodu. Jednakże powoduje, że w przyszłości
w innych normach identyfikacji radiowej powinna być przestrzegana ta sama konwencja.
2. Długość krajowego kodu identyfikacji wybrano tak, aby mieć dostatecznie dużo kombinacji
dla wszystkich zwierząt w dużym kraju. Ponadto zakłada się, że kod nie zostanie powtórzony
w okresie trzydziestu lat.
3. Za zapewnienie jednoznaczności krajowego kodu identyfikacji odpowiedzialny jest dany kraj.
Jeżeli zachodzi potrzeba szereg numerów może być przydzielony dla gatunku (rodzaju)
zwierzęcia i/lub producenta, ale nie jest to objęte standardem. Zaleca się, aby każdy kraj
utrzymywał bazę danych, w której będą przechowywane wszystkie przydzielone kody, wraz
z odniesieniem do bazy danych zawierającej informacje związane ze zwierzęciem.
– str. 52 z 187 –
Tab. 2-12: Podział bitów "Pole zarezerwowane" zgodnie z ISO 11784: 1996/Amd.1:2004
Nr bitu
2–4
Informacja
Licznik powtórnego
oznakowania
Liczba kombinacji
Opis
8
Ten licznik powinien być użyty tylko
wtedy, gdy zdecydowano o powtórnym
oznakowaniu używając tego samego
numeru identyfikacyjnego w danym kraju
(bity 17 – 26).
Ten licznik powinien być zerem przy
pierwszym przydzieleniu transpondera do
zwierzęcia. Jeżeli wskutek zagubienia lub
niesprawności są konieczne kolejne
przydziały nowego transpondera dla tego
samego zwierzęcia, to numer
identyfikacyjny powinien być taki sam, ale
stan licznika powtórnego oznakowania
należy zwiększyć o jeden.
5–9
Pole informacji
32
Zawartość tego pola ma charakter
użytkownika
informacyjny. Jest definiowana przez kraj,
określony przez kod w polu kodu kraju.
10 – 15 Pole zarezerwowane
64
Wartość tych bitów powinna być ustawiona
na "0".
W przypadku, gdy licznik powtórnego oznakowania i/lub pole identyfikacji użytkownika nie są
wykorzystywane, ich bity powinny być ustawione na "0".
2.4 Udoskonalone transpondery do identyfikacji zwierząt
Norma ISO 14223-1 [5] definiuje strukturę kodu udoskonalonych transponderów (advanced
transponder) do identyfikacji zwierząt. Zastosowanie tego rodzaju transponderów oprócz
transmisji niepowtarzalnego kodu, jak w przypadku transponderów zdefiniowanych
w normach ISO 11785 i ISO 11784, umożliwia np. przechowywanie dodatkowych informacji,
zastosowanie metod uwierzytelnienia i odczyt danych z czujników zintegrowanych
z transponderem.
Udoskonalony transponder jest transponderem kompatybilnym z wymaganiami określonymi
w normach ISO 11785 i ISO 11784, z dodatkowymi możliwościami przechowywania
i wyszukiwania danych, zastosowania metod uwierzytelnienia, integracji czujników (sensorów)
itp. W normie ISO 14223-1 zdefiniowano trzy wersje interfejsu radiowego transponderów
udoskonalonych:
•
transpondery FDX-B20, typu FDX z małą głębokością modulacji,
•
transpondery FDX-B100, typu FDX z dużą głębokością modulacji,
•
transpondery HDX–ADV, udoskonalonych transponderów HDX.
Parametry interfejsu radiowego komunikacji czytnika z udoskonalonymi transponderami
zdefiniowanymi w normie ISO 14223-1 [5] zestawiono w tab. 2-13.
– str. 53 z 187 –
Tab. 2-13: Parametry radiowe transponderów zdefiniowanych w normie ISO 14223-1
Parametr
FDX–B20
FDX–B100
HDX–ADV
Częstotliwość pola
134,2 kHz
134,2 kHz
134,2 kHz
Głębokość modulacji
dla przekazu poleceń
ASK (10% do 25%)
ASK (90% do 100%)
ASK (90% do 100%)
Kodowanie poleceń
Manchester
Binarne długości impulsu
PWM
Szybkość transmisji
poleceń
4 194 bit/s
Typowa 6 000 bit/s
500 bit/s
Modulacja kodu
przełączenia
ASK (10% do 25%)
ASK (90% do 100%)
Nie dotyczy
Kodowanie
przełączenia
Manchester
Binarne długości impulsu
Nie dotyczy
Szybkość transmisji
kodu przełączenia
2 097 bit/s, LSB jako
pierwszy
Typowa 6 000 bit/s
Nie dotyczy
2.4.1
Odczyt transponderów udoskonalonych
W celu wprowadzenia transpondera w tryb udoskonalony czytnik powinien modulować pole
aktywujące transpondery. W trybie udoskonalonym transponder powinien nadawać tylko
wtedy, gdy jest zapytany przez czytnik. Transponder powinien powracać do trybu zgodnego
z ISO 11785, jeżeli:
a) przestał być w polu aktywującym;
b) działanie w trybie udoskonalonym zostało zakończone.
Czas wyłączenia może być rozszerzony do 20 ms ze względu na obecność transponderów
HDX.
Telegramy w komunikacji między czytnikiem i transponderem powinny być zgodne z normą
ISO 11785.
Przy czym bit nr 16 ramki zdefiniowanej w tej normie (por. tab. 2-11) powinien być
ustawiony na "1", co wskazuje, że transponder zawiera dodatkowe dane. Parametry transmisji
transpondera do czytnika powinny być, takie jak zdefiniowano w normie ISO 11785.
2.4.2
Transponder typu FDX-B20
Zasadę komunikacji z transponderem typu FDX-B20 objaśniono na rys. 2-20.
W wyniku odbioru i dekodowania zwykłej ramki transpondera ISO 11785 (przedział T)
czytnik wykrywa obecność udoskonalonego transpondera FDX-B20.
W celu wprowadzenia tego transpondera w tryb udoskonalony, czytnik moduluje pole
aktywujące, gdy transponder nadaje nagłówek (B) swojego telegramu ISO 11785.
Po odebraniu poprawnego kodu polecającego zmianę trybu pracy transponder FDX-B20
powinien przerwać nadawanie kodu ISO 11785, przełączyć się w tryb udoskonalony i czekać
na polecenia czytnika.
– str. 54 z 187 –
Rys. 2-20: Przykład sekwencji odczytu transpondera FDX-B20
Objaśnienia:
1 – pole aktywujące
2 – odpowiedź transpondera
3 – nagłówek
A do E – przedziały czasu w cyklu odczytu
T – kod transpondera
X1, X2 – bloki danych
t – czas w ms
W przykładzie na rys. 2-20 [5] komunikacja z transponderem następuje w przedziałach (C)
i (D) i polega na przesłaniu przez transponder dwóch bloków danych (X1) i (X2).
Transponder FDX-B20 powinien powrócić do trybu ISO 11785 wskutek wyłączenia pola
aktywującego przez co najmniej 3 ms, tak jak zdefiniowano w normie ISO 11785.
Opis przykładu z rys. 2-20:
− Przedział A. Czytnik odbiera ramkę ISO 11785. Bity w polu rezerwowym wskazują, że
w polu czytnika znajduje się udoskonalony transponder FDX-B20.
− Przedział B. Zmiana trybu pracy. Czytnik moduluje pole aktywujące w czasie, gdy
transponder nadaje nagłówek ISO 11785.
− Przedział C. Komunikacja czytnika z transponderem. Czytnik przesyła polecenia do
transpondera modulując pole aktywujące.
− Przedział D. Operacja odczytu / zapisu pamięci transpondera w trybie udoskonalonym.
− Przedział E. Po zakończeniu wszystkich operacji czytnik wyłącza pole przez co najmniej
3 ms. Transponder powraca do trybu ISO 11785.
Przełączenie trybu transpondera FDX-B20 następuje w wyniku modulacji pola aktywującego
z zastosowaniem parametrów jak w tab. 2-14.
– str. 55 z 187 –
Tab. 2-14: Przełączenie trybu transpondera FDX-B20
Modulacja pola aktywującego
Modulacja amplitudowa (ASK): 10% do 25%
Kodowanie
Manchester:
"0" narastające zbocze w środku bitowego
przedziału czasu;
"1" opadające zbocze w środku bitowego
przedziału czasu.
Szybkość transmisji
2 097 bit/s, LSB jako pierwszy.
Polecenie przełączenie trybu na
udoskonalony
Modulacja amplitudy pola określonym ciągiem
bitów (1011) podczas, gdy transponder nadaje
nagłówek.
Modulacja nośnej synchronicznie ze zmianami
bitów transpondera.
Przełączenie trybu pracy transpondera FDX-B20 następuje w wyniku nadawania przez
czytnik sekwencji 4 bitów (1011) w czasie, gdy transponder FDX-B20 nadaje nagłówek, jak
w normie ISO 11785. Modulacja pola aktywującego następuje synchronicznie ze zmianami
stanu bitów transpondera, rys. 2-21.
Rys. 2-21: Przełączenie transpondera FDX-B20, modulacja i zależności czasowe
Objaśnienia:
1 – odpowiedź transpondera, nagłówek wg ISO 11785
2 – kodowanie pola aktywującego
3 – sygnał anteny transpondera
4 – składowa pola aktywującego
5 – składowe transpondera
t – czas
Szczegółowe wymagania zdefiniowano w omawianej normie [5].
Parametry komunikacji czytnika z transponderem są takie, jak zdefiniowane do przełączenia
trybu pracy, tab. 2-14, z wyjątkiem szybkości transmisji, która wynosi 4 194 bit/s, czyli jest
taka jak szybkość transmisji transpondera ISO 11785.
– str. 56 z 187 –
W czasie, gdy czytnik przesyła polecenia, transponder nie powinien modulować pola
aktywującego. W przykładzie na rys. 2-22 czytnik nadaje polecenie 0100 1000 (LSB jako
pierwszy).
Rys. 2-22: Modulacja polecenia dla transpondera FDX-B20
Objaśnienia:
1 – odpowiedź transpondera FDX-B20
2 – kodowanie pola aktywującego
3 – sygnał anteny transpondera
4 – składowa pola aktywującego
5 – składowe transpondera
t – czas
2.4.3
Transponder typu FDX-B100
W wyniku odbioru i dekodowania ramki ISO 11785 czytnik powinien wykryć obecność
transpondera udoskonalonego. W celu wprowadzenia transpondera w tryb udoskonalony, pole
aktywujące powinno być wyłączone. A po tym przedziale, gdy było wyłączone, powinno być
ponownie włączone i w określonym przedziale czasu do transpondera powinno być przesłane
5-bitowe polecenie przełączenia.
Po odebraniu tego polecenia transponder powinien przełączyć się w tryb udoskonalony.
W tym trybie transponder FDX-B100 powinien odpowiadać tylko w wyniku polecenia
przesłanego przez czytnik.
Udoskonalony transponder FDX-B100 powinien powrócić do trybu ISO 11785 wskutek
wyłączenia pola aktywującego przez co najmniej 5 ms. Procedurę wprowadzenia
transpondera FDX-B100 w tryb udoskonalony przedstawiono na rys. 2-23. Przesyłanie
poleceń do transpondera odbywa się w przedziałach C i D. W tym przykładzie w wyniku
otrzymanego polecenia transponder przesyła dwa bloki danych (X1 i X2).
– str. 57 z 187 –
Rys. 2-23: Przykład sekwencji odczytu transpondera FDX-B100
Objaśnienia:
−
−
−
−
−
1 – pole aktywujące
2 – odpowiedź transpondera
A do E – przedziały czasu w cyklu odczytu
T – kod transpondera
X1, X2 – bloki danych
t – czas
Przedział A. Czytnik odbiera ramkę ISO 11785. Bity w polu rezerwowym wskazują, że
w polu czytnika znajduje się udoskonalony transponder FDX-B100.
Przedział B. Czytnik wyłącza pole aktywujące na co najmniej 5 ms w celu zerowania
stanu transpondera.
Przedział C. Czytnik wysyła do transpondera polecenie przełączenia w tryb
zaawansowany. To polecenie powinno być wydane w przedziale czasu następującym po
zerowaniu stanu transpondera.
Przedział D. Operacje zapisu / odczytu pamięci transpondera w trybie zaawansowanym.
Przedział E. Po zakończeniu wszystkich operacji, albo gdy transponder znalazł się poza
polem aktywującym, czytnik wyłącza pole, na co najmniej 5 ms, aby przygotować
procedurę odczytu innego transpondera kompatybilnego z ISO 11785.
Przełączenie trybu transpondera FDX-B100 na udoskonalony następuje w wyniku
poprawnego odbioru polecenia wydanego w przedziale czasu po włączeniu pola
aktywującego. Parametry sygnału przełączającego podano w tab. 2-15.
Tab. 2-15: Przełączenie trybu transpondera FDX-B100
Modulacja pola aktywującego
Modulacja amplitudowa (ASK): 90% do 100%
Kodowanie
Binarna długości impulsu.
Szybkość transmisji
6 000 bit/s, LSB jako pierwszy.
Polecenie przełączenie trybu
na udoskonalony
Określone 5-bitowe polecenie nadawane po przerwaniu pola
aktywującego, przez co najmniej 5 ms.
Zależności czasowe przełączenia
trybu
Czas ustalenia warunków zasilania transpondera 312,5 btu.
Okno przełączenia po ustaleniu zasilania 232,5 btu /*.
Wszystko w przedziale C na rys. 2-23.
Przełączająca sekwencja bitów
000 11
Wysoki poziom pola do uzyskania
warunku TSTOP
Min. 36 btu.
/*
btu – basic time unit (1 okres częstotliwości pola aktywującego).
– str. 58 z 187 –
Przykład modulacji pola przy przesyłaniu polecenia dla transpondera FDX-B100
przedstawiono na rys. 2-24.
Rys. 2-24: Modulacja polecenia dla transpondera FDX-B100
Objaśnienia:
1 – odpowiedź transpondera (brak odpowiedzi)
2 – kodowanie pola aktywującego
3 – sygnał anteny transpondera
4 – składowa pola aktywującego
t – czas
Parametry sygnału czytnika są takie same, jak zdefiniowane w tab. 2-15 dla sygnału
przełączenia trybu pracy transpondera.
2.4.4
Transponder HDX–ADV
Ponieważ transpondery HDX–ADV pracują w trybie półdupleksu, mogą być przełączane
w tryb udoskonalony w każdym cyklu odczytu. W celu wprowadzenia transpondera w tryb
udoskonalony w drugiej części przedziału czasu przeznaczonego na aktywację transponderów
pole powinno być modulowane kodem polecenia lub danymi, które mają być zapisane
w pamięci transpondera.
Po poprawnym odebraniu kodu polecenia transponder powinien przesłać dane zgodnie z tym
poleceniem w czasie przerwy pola aktywującego następującej po przedziale, w którym
polecenie zostało nadane.
W przykładzie na rys. 2-25 przesłanie polecenia przez czytnik następuje w przedziale (C).
Transponder odpowiada wysyłając dwa bloki danych (X1) i (X2).
Rys. 2-25: Komunikacja z udoskonalonym transponderem HDX (HDX–ADV)
– str. 59 z 187 –
Objaśnienia:
1 – pole aktywujące
2 – odpowiedź transpondera
A – niemodulowane pole aktywujące
C – pole aktywujące modulowane kodem polecenia
B – przerwa 20 ms na czas telegramu transpondera
T – kod transpondera
X1, X2 – bloki danych transpondera
t – czas
−
−
−
Przedział A. Czytnik wytwarza pole w celu aktywacji transponderów FDX zgodnych
z normą ISO 11785 lub udoskonalonych (opisanych w normie ISO 14223-1) przez czas
50 ms do 100 ms, zależnie od obecności transponderów FDX–B.
Przedział B. Czytnik wyłącza pole aktywujące przez 20 ms w celu odczytu
transponderów HDX zgodnych z normą ISO 11785 lub pierwszej ranki transponderów
HDX–ADV (T).
Przedział C. Czytnik moduluje pole aktywujące kodem polecenia w celu przesłania
polecenia do transpondera HDX–ADV.
Przełączenie trybu do udoskonalonego następuje w wyniku poprawnego odbioru polecenia.
Polecenie to zawiera instrukcje przełączenia w tryb udoskonalony oraz instrukcje dotyczące
wymaganej odpowiedzi. W każdym nowym cyklu odczytu transponder rozpoczyna działanie
w trybie ISO 11785 i pozostaje w tym trybie, jeżeli nie otrzyma innego polecenia z czytnika.
Parametry sygnału stosowanego do przesyłania poleceń do transpondera HDX–ADV
przedstawiono w tab. 2-16.
Tab. 2-16: Parametry interfejsu radiowego czytnika HDX-ADV
Modulacja pola aktywującego
Modulacja amplitudowa (ASK): 90% do 100%
Kodowanie
Modulacja szerokości impulsu.
Szybkość transmisji
500 bit/s
Komunikacja z transponderem jest wykorzystywana do przesyłania poleceń, adresów bloków
danych oraz danych do transpondera. Procedura komunikacji czytnika z transponderem
powinna się rozpoczynać natychmiast po przedziale czasu, w którym jest przekazywana
energia do transpondera. Procedury zapisu danych do transpondera i programowania danych
w pamięci transpondera różnią się. Programowanie powinno być przeprowadzane po
zapisaniu danych. Podczas programowania pole aktywujące czytnika powinno być ciągłe
przez co najmniej 15 ms.
2.5 Aspekty techniczne i regulacyjne identyfikacji zwierząt
Zobowiązania krajów UE w związku z utworzeniem systemu identyfikacji zwierząt wynikają
z decyzji [9] Komisji Europejskiej z dnia 15.12.2006 r. wykonującej rozporządzenie Rady
(WE) nr 21/2004 opublikowanej w Dz. Urzędowym UE L 401 z dn. 30.12.2006. W związku
z obowiązkiem identyfikacji zwierząt Wspólne Centrum Badawcze (JRC) Komisji
opracowało wytyczne do stosowania [10] oraz wytyczne do badania, oceny skuteczności
i wiarygodności urządzeń RFID [11] przeznaczonych do elektronicznej identyfikacji zwierząt.
Zalecany system badania i oceny ma służyć do ustalenia wykazu transponderów i czytników
– str. 60 z 187 –
dopuszczonych do stosowania w krajach UE. Elementem tego systemu mają być kompetentne
krajowe jednostki badawcze (National Reference Laboratories).
Część pierwsza dokumentu JRC [10] stanowi przewodnik dla służb weterynaryjnych
w zakresie zalecanych metod znakowania zwierząt za pomocą różnego rodzaju
identyfikatorów elektronicznych, umieszczanych w różnych partiach ciała, a także odczytu
i odzyskiwania tych identyfikatorów.
W drugiej części dokumentu JRC [11] opisano charakterystyki techniczne identyfikatorów
elektronicznych do znakowania zwierząt oraz czytników, a także procedury badań i kryteria
akceptacji urządzeń, które mają być stosowane w krajach UE zgodnie z rozporządzeniem nr
21/2004.
Transpondery zalecane do znakowania zwierząt mają być urządzeniami pasywnymi (bez
wbudowanego źródła zasilania), przeznaczonymi tylko do odczytu. Obudowa transponderów
powinna być wodoszczelna. Wymaga się, aby kod identyfikacyjny być mógł być zmieniony.
Zgodnie z wytycznymi ICAR do znakowania inwentarza żywego stosuje się trzy rodzaje
transponderów:
–
wstrzykiwane (injectable) – transpondery o małych wymiarach, które mogą być wszczepiane
do ciała zwierzęcia metodą wstrzykiwania, umieszczone w obudowie z gładkiego
materiału obojętnego biologicznie, np. szkła;
Przykład konstrukcji transpondera wstrzykiwanego przedstawiono na rys. 1-6 w p. 1.2.2.1.
–
kolczyki do ucha (electronic ear-tag) – transpondery w plastikowej obudowie, przeznaczone
do mocowania w uchu za pomocą mechanizmu blokującego lub dołączane w sposób
nieodwracalny do kolczyka;
Przykłady kolczyków z transponderami przedstawiono na rys. 1-7 w p. 1.2.2.1.
–
piguły dla zwierząt przeżuwających (ruminal bolus) – transpondery umieszczone w obudowie
o dużej masie, np. ceramicznej, wprowadzane doustnie do przewodu pokarmowego
zwierząt przeżuwających, które ze względu na masę, kształt i rozmiar pozostają tam na
stałe.
Przykład piguły z transponderem przedstawiono na rys. 1-8 w p. 1.2.2.1.
Do identyfikacji owiec i kóz dopuszczono tylko kolczyki lub piguły. Transpondery
wstrzykiwane mają mały zasięg i tendencję do migracji pod skórą. Ze względu na małe
wymiary stwarza to problemy z ich odnalezieniem w czasie uboju w rzeźni w przypadku
dużych zwierząt.
Zgodnie z decyzją nr 21/2004, którą poprzedziły badania laboratoryjne i testy w warunkach
rzeczywistych, elektroniczne systemy identyfikacji zwierząt powinny spełniać następujące
wymagania:
1. Identyfikatory powinny zawierać transpondery pasywne, tylko do odczytu, wykorzystujące
komunikację w trybie HDX lub FDX zgodnie z opisem w normie ISO 11785.
2. Elektroniczne kody identyfikacji powinny być takie, jak zdefiniowano w normie ISO 11784.
3. Czytniki powinny umożliwiać odczyt kompletnego kodu transponderów HDX lub FDX
o strukturze zdefiniowanej w normie ISO 11784.
4. Czytniki powinny wyświetlać odczytany kod kraju, indywidualny kod identyfikacyjny,
kod powtórnego oznakowania i pole informacji użytkownika (np. kod gatunku
zwierzęcia).
– str. 61 z 187 –
5. Dla czytników noszonych minimalna obowiązująca odległość odczytu wynosi 12 cm
w przypadku kolczyków i 20 cm w przypadku piguł. Te odległości są mierzone
w warunkach określonych w standardzie.
6. Dla czytników stacjonarnych minimalna obowiązująca odległość odczytu wynosi 50 cm.
Minimalna odległość odczytu dla czytników stacjonarnych ma zapewniać w normalnych
warunkach użytkowania co najmniej jeden poprawny odczyt, gdy zwierzę
z identyfikatorem elektronicznym przemieszcza się obok anteny spokojnym krokiem
w wyznaczonym kanale o szerokości dostosowanej do rozmiarów zwierzęcia.
2.6 Badania urządzeń RFID pracujących w pasmach LF
Zalecane metody badania zgodności transponderów i czytników RFID pracujących
w pasmach LF ze specyfikacjami systemów zdefiniowanych w normie ISO/IEC 18000-2 [1]
opisano w dokumencie ISO/IEC TR 18047-2 [8]. W dokumencie tym przyjęto, że czytnik
RFID zgodny z normą ISO/IEC 18000-2 powinien obsługiwać oba tryby pracy: typ A (FDX)
oraz typ B (HDX). Natomiast badane transpondery należą albo do typu A, albo do typu B.
Wymagane badania obejmują funkcjonalności obowiązkowe oraz te funkcjonalności
opcjonalne, spośród zdefiniowanych w tej normie, które są zaimplementowane w urządzeniu
przedstawionym do badań.
W przypadku innych specyficznych zastosowań metody badania urządzeń RFID pracujących
w pasmach LF mogą się różnić od opisanych w tym punkcie.
2.6.1
Ogólne warunki wykonywania badań
Przyjęto, że normalne warunki wykonywania badań parametrów i funkcjonalności urządzeń
RFID powinny być następujące:
•
Temperatura: 23ºC ±3ºC.
•
Wilgotność względna: 40 % do 60 % bez kondensacji pary wodnej.
•
Dopuszczalna tolerancja wielkości mierzonych: 5 %.
•
Tło szumowe powinno być niżej co najmniej o 20 dB w stosunku do mierzonego sygnału
pochodzącego od urządzenia badanego (DUT) w danym zakresie częstotliwości.
Uwagi. 1.
2.
2.6.2
Tło szumowe (noise floor) jest miarą, stałego poziomu energii występującej w środowisku
pracy systemu RFID w wykorzystywanym zakresie częstotliwości.
W przypadku pomiarów emisji niepożądanych w paśmie LF szczególną uwagę należy
zwrócić na emisje pochodzące z otoczenia stanowiska pomiarowego, zwłaszcza
wytwarzane przez monitory ekranowe CRT komputerów i aparatury.
Badanie transponderów LF
2.6.2.1 Minimalne natężenie pola
Celem pomiaru jest ustalenie minimalnej wartości natężenia pola magnetycznego wymaganej
do otrzymania pełnej funkcjonalności danego typu transpondera. Transponder uzyskuje pełną
funkcjonalność, jeżeli z pola magnetycznego wytwarzanego przez czytnik uzyskuje energię
wystarczającą do nadawania informacji przechowywanej w pamięci układu scalonego.
Minimalne natężenie pola uaktywniające dany transponder zależy od konstrukcji jego anteny
(zwłaszcza jej powierzchni i liczby zwojów oraz ewentualnie użytego rdzenia ferrytowego),
rodzaju obudowy oraz właściwości układu scalonego (chip).
– str. 62 z 187 –
Minimalne natężenie pola magnetycznego wymagane do aktywacji transpondera nie jest
określone w wymaganiach normy ISO/IEC 18000-2, ale sprawdzenie tego parametru jest
konieczne do wykonania badań funkcjonalności transponderów określonych w tej normie.
2.6.2.2 Poziom odpowiedzi transpondera:
−
W trybie FDX transponder moduluje amplitudę natężenia pola wytwarzanego przez
czytnik (por. p. 2.2.1). Odpowiedź transpondera charakteryzuje różnica poziomu
(amplitudy) między zmierzonym dla bitu "1" i zmierzonym dla bitu "0". Ponieważ te
wartości poziomu odpowiedzi transpondera zależą od natężenia pola magnetycznego,
w którym transponder się znajduje, to w celu uzyskania właściwej charakterystyki
modulacji należy zbadać poziom odpowiedzi transpondera przy różnych natężeniach pola
pobudzającego.
−
W trybie HDX transmisja transpondera polega na binarnej modulacji częstotliwości
(FSK, por. p. 2.2.2). Poziom odpowiedzi transpondera charakteryzuje różnica średniej
wartości poziomu sygnału mierzonego dla bitu "1" i bitu "0".
Przykład wyposażenia stanowiska do badania transponderów LF przedstawiono na rys. 2-26.
Rys. 2-26: Schemat funkcjonalny stanowiska do badania transponderów LF [8]
Legenda:
AWG
CN
DUT
FWG
HSC1
HSC2
– generator funkcji dowolnej
– sieć kompensacyjna
– badany transponder
– programowany generator funkcji
– 1 cewka Helmholtza czujnika pola
– 2 cewka Helmholtza czujnika pola
– str. 63 z 187 –
HTA1 – 1 cewka Helmholtza anteny nadawczej
HTA2 – 2 cewka Helmholtza anteny nadawczej
MN – sieć dopasowująca
RHTA – szeregowy rezystor pomiarowy (4,7 Ω)
SC
– cewka obwodu kompensacyjnego
Uwaga: Cewka Helmholtza (nazywana także parą Helmholtza) składa się z pary identycznych płaskich
cewek indukcyjnych o kształcie koła, umieszczonych symetrycznie wzdłuż wspólnej osi po obu
stronach obiektu badanego. Odległość pomiędzy cewkami jest równa promieniowi każdej
z cewek. Cewki są połączone szeregowo w ten sposób, że prąd przepływa w tym samym
kierunku, wytwarzając zgodnie skierowane pole magnetyczne. Konstrukcja tego rodzaju
wytwarza jednorodne pole magnetyczne w przestrzeni o kształcie cylindra zawartej między
cewkami. Podstawy teoretyczne działania cewki Helmholtza opisano np. w encyklopedii
internetowej [http://en.wikipedia.org] pod hasłem "Helmholtz coil".
W układzie jak na rys. 2-26 jako źródło modulowanego sygnału o wymaganej częstotliwości
można zastosować albo generator sygnału sinusoidalnego modulowany z generatora kodu,
albo programowany generator funkcji dowolnej (AWG). Sieć dopasowująca (MN) zapewnia
dopasowanie wypadkowej impedancji cewek HTA1 i HTA2 oraz rezystora pomiarowego
RHTA do 50 Ω impedancji wyjściowej wzmacniacza oraz filtrację prądu pobudzającego
cewki.
Moc rozpraszana w każdej z cewek HTA1 i HTA2 i w rezystorze RHTA jest zależna od
prądu płynącego przez cewki i może wynosić do 20 W w RHTA i po 2 W w każdej z cewek,
jeżeli moc dostarczona przez wzmacniacz osiąga 25 W.
Pomiarowe pole magnetyczne jest wytwarzane przez antenę nadawczą wykonaną jako para
cewek Helmholtza. W wyniku zastosowania tego rodzaju anteny w obszarze otaczającym
badany transponder (DUT) pole to jest jednorodne. Sieć dopasowująca powinna zapewnić
dostateczną filtrację prądu pobudzającego cewki, aby wytwarzane pole nie zawierało np.
harmonicznych częstotliwości nośnej. Istnieje ścisła zależność między prądem pobudzającym
cewkę Helmholtza, a natężeniem wytwarzanego pola magnetycznego. Zatem mierząc prąd
płynący w obwodzie tej cewki, lub pośrednio mierząc napięcie na rezystorze połączonym
szeregowo z cewką, można obliczyć natężenie pola magnetycznego [8].
N HTA ×U RHTA,pp
H rms =
1,9764 × DHTA × RRHTA
gdzie:
Hrms
NHTA
URHTA,pp
DHTA
RRHTA
IRHTA
– wartość skuteczna natężenia pola magnetycznego,
– liczba zwojów każdej z cewek HTA,
– wartość międzyszczytowa (VPP) spadku napięcia mierzona na zewnętrznym
rezystorze szeregowym.
– odległość między cewkami HTA,
– rezystancja zewnętrznego rezystora szeregowego,
– prąd płynący przez cewki HTA1 i HTA2 oraz rezystor RHTA,
Uwaga: Przybliżona zależność między natężeniem pola magnetycznego i prądem płynącym przez
cewki HTA i rezystor RTHA jest określana z zależności H = 38,5 × IRHTA [A/m] [8].
Do badania odpowiedzi transpondera typu FDX stosuje się konfigurację z trzema cewkami
czujnika pola, w której dwie cewki HSC1 i HSC2 są umieszczone po obu stronach badanego
transpondera wewnątrz nadawczej cewki Helmholtza (pomiędzy HTA1 i HTA2), a trzecia
cewka SC jest tylko czujnikiem amplitudy generowanego pola i powinna być umieszczona na
– str. 64 z 187 –
zewnątrz. Pole wytwarzane przez cewki nadawcze indukuje napięcie w cewkach HSC1
i HSC2. Napięcie to jest w sieci kompensacyjnej (CN) sumowane z napięciem z cewki SC,
w ten sposób, aby gdy transponder nie jest aktywny następowała wzajemna kompensacja
indukowanych napięć nie przenoszących informacji. Jeżeli badany transponder (DUT)
moduluje natężenie pola wytwarzanego przez antenę nadawczą, to na skutek zmian napięcia
indukowanego w cewkach czujnika pola HSC1 i HSC2 na wyjściu sieci kompensacyjnej
(CN) powstaje napięcie o modulowanej amplitudzie, które należy obserwować za pomocą
oscyloskopu.
Kompensacja ma na celu zminimalizowanie szumowego tła pomiaru. Procedura kompensacji
powinna być powtarzana przed każdym pomiarem.
Do badania odpowiedzi transpondera typu HDX stosuje się konfigurację z dwoma cewkami
czujnika pola HSC1 i HSC2 umieszczonymi po obu stronach badanego transpondera
wewnątrz nadawczej cewki Helmholtza (pomiędzy HTA1 i HTA2). HSC są czujnikami
generowanego pola i sygnału generowanego przez transponder. Sygnały o częstotliwości
reprezentującej odpowiednio bit "0" lub bit "1" są doprowadzane bezpośrednio do
oscyloskopu. Do badań częstotliwości transponderów HDX zewnętrzna cewka SC i sieć
kompensacyjna nie są wymagane, ponieważ podczas transmisji transpondera typu HDX pole
czytnika jest wyłączane.
2.6.2.3 Wytwarzanie pomiarowego pola magnetycznego
Wymagania odnośnie konstrukcji anteny przeznaczonej do wytwarzania pomiarowego pola
magnetycznego, składającej się z dwóch cewek Helmholtza, przedstawiono na rys. 2-27
i rys. 2-28 [8].
Rys. 2-27: Pozycja badanego transpondera (DUT) względem cewek wytwarzających pole
– str. 65 z 187 –
Rys. 2-28: Konstrukcja cewek HTA
Aby wykonać cewkę HTA należy nawinąć 5 zwojów izolowanego drutu, o parametrach
podanych na rysunku, na korpusie o średnicy 200 ± 0,5 mm. Przy częstotliwości 100 kHz
indukcyjność cewki powinna wynosić 16 µH, a rezystancja uzwojenia ok. 0,4 Ω. Odległość
między cewkami należy ustalić na 100 ±0,5 mm.
Schemat sieci dopasowującej cewki HTA1 i HTA2 wytwarzające pomiarowe pole
magnetyczne przedstawiono na rys. 2-29.
Rys. 2-29: Sieć dopasowująca (MN)
Kondensatory C1 i C2 są dobierane w celu dopasowania szeregowej impedancji cewek
HTA1, HTA2 i rezystora RHTA = 5 Ω do standardowej impedancji 50 Ω. Pojemności
kondensatorów, które należy zastosować w tej sieci są różne dla częstotliwości 125 kHz
i 134,2 kHz. Zalecane wartości podano w tab. 2-17.
Tab. 2-17: Pojemności kondensatorów w sieci MN
Element sieci
Dopasowanie przy 125 kHz
Dopasowanie przy 134,2 kHz
C1 [nF]
18
15
C2 [nF]
35
30
Uwaga: Podając wartość rezystancji RHTA uwzględniono 0,4 Ω szeregowej rezystancji cewek
HTA.
2.6.2.4 Odbiór sygnału transpondera
Pole magnetyczne transpondera należy mierzyć wykorzystując dwie cewki czujnika pola
HSC1 i HSC2 w konfiguracji Helmholtza, a w przypadku transponderów FDX także
dodatkową cewkę SC dostarczającą napięcie do kompensacji napięcia indukowanego
– str. 66 z 187 –
w cewkach HSC przez wytwarzane pole pobudzające transponder. Stosowanie cewek
czujnika w konfiguracji Helmholtza jest uzasadnione minimalizacją efektów związanych
z umiejscowieniem badanego transpondera. Konstrukcje cewek HSC i SC przedstawiono na
rys. 2-30.
Rys. 2-30: Konstrukcja cewek HSC i SC [8]
70 zwojów drutu o średnicy 0,1 mm należy nawinąć na korpusie o średnicy 99 ±0,2 mm. Przy
częstotliwości 100 kHz indukcyjność cewek HSC1 i HSC2 powinna wynosić 1,5 mH,
a rezystancja uzwojenia 55 Ω, natomiast cewki SC odpowiednio 650 µH i 35 Ω. Ponieważ
cewki HSC znajdują się w polu modulowanym przez transponder, a SC jest w polu, gdzie
oddziaływanie transpondera jest znacznie mniejsze, to sumowanie napięcia z trzech cewek,
z zachowaniem właściwej biegunowości, w układzie jak na rys. 2-31, pozwala skompensować
napięcie indukowane przez pole wytworzone przez cewki nadawcze HTA. Potencjometr P1
jest regulowany do uzyskania minimalnego napięcia mierzonego oscyloskopem.
Rys. 2-31: Schemat sieci kompensacyjnej (CN) [8]
gdzie R1 = 15 kΩ, R2 =100 kΩ, P1 = 10 kΩ
Badany transponder, cewki HSC i SC powinny być ustawione współosiowo z HTA, jak na
rys. 2-32.
– str. 67 z 187 –
Rys. 2-32: Wzajemne ustawienie cewek w układzie pomiarowym [8]
Uwaga: Transponder z anteną bez rdzenia ferromagnetycznego powinien być ustawiony równolegle
do płaszczyzny cewki nadawczej. Transponder z rdzeniem ferrytowym powinien być
ustawiony prostopadle.
Sonda stosowanego oscyloskopu powinna mieć rezystancję wejściową co najmniej 10 MΩ
i pojemność wejściową mniejszą niż 20 pF. Aby uniknąć niepożądanych efektów
wynikających z rozproszonych pojemności użytych rezystorów, które mogą uniemożliwić
dokładną kompensację napięcia zaleca się [8] użycie jako R2 kilku rezystorów połączonych
szeregowo (np. 6 × 15 kΩ + 10 kΩ).
Oscyloskop powinien próbkować sygnał z szybkością minimum 5 mega próbek/s
z rozdzielczością co najmniej 8 bitów. Zaleca się, aby było możliwe uzyskanie danych
wyjściowych w postaci pliku testowego, który może być wykorzystany przez program
analizujący wyniki pomiaru.
2.6.2.5 Procedura badania transponderów FDX
W układzie pomiarowym jak na rys. 2-26 generator fali nośnej (FWG lub AWG) powinien
wytwarzać ciągłą falę sinusoidalną o częstotliwości 125 kHz, bez modulacji.
Prąd anteny nadawczej należy wyregulować tak, by natężenie pola magnetycznego wynosiło
1 A/m.
Potencjometr P1 w sieci kompensacyjnej ustawić w pozycji, w której występuje minimum
napięcia mierzonego oscyloskopem.
Możliwość kompensacji należy sprawdzić przy trzech wartościach natężenia pola
magnetycznego 1 A/m, 0,1 A/m i 10 A/m. Dla każdej z tych trzech wartości należy
przeprowadzić następujące czynności:
− ustawić właściwe natężenie prądu anteny zapewniające wymagane natężenie pola
magnetycznego;
− zarejestrować cyfrowo segment sygnału o czasie trwania 25 ms;
− zarejestrowaną próbkę sygnału przekształcić za pomocą dyskretnej transformaty Fouriera
stosując dwie częstotliwości: FUP = (1 + 1/32) × fC, FDOWN = (1 – 1/32) × fC,
gdzie fC = 125 kHz.
– str. 68 z 187 –
Stanowisko pomiarowe jest właściwie przygotowane, jeżeli wyniki transformacji próbek
z aktywnym transponderem są co najmniej 10-krotnie większe niż wyniki transformacji
próbek bez transpondera.
2.6.2.6 Procedura badania transponderów w trybie HDX
W układzie pomiarowym jak na rys. 2-26 generator fali nośnej należy wyłączyć.
W konfiguracji składającej się z dwóch cewek HSC1 i HSC2 należy zarejestrować cyfrowo
segment sygnału (napięcie tła) o czasie trwania 25 ms. Zarejestrowaną próbkę należy
przekształcić za pomocą dyskretnej transformaty Fouriera, stosując dwie częstotliwości:
fC = 134,2 kHz oraz f1 = 123,7 kHz.
Stanowisko pomiarowe jest właściwie przygotowane, jeżeli wyniki transformacji próbek
sygnału zapisanych w czasie odpowiedzi transpondera są co najmniej 10-krotnie (20 dB)
większe niż wyniki transformacji próbek sygnału bez odpowiedzi transpondera.
2.6.2.7 Pomiary minimalnej wartości natężenia pola aktywacji
Celem pomiaru jest wyznaczenie wartości natężenia pola, przy której badany transponder
może odebrać polecenie nadawania i nadawać poprawną odpowiedź. Dla przeprowadzenia
tego badania dane z wyjścia oscyloskopu powinny być przetwarzane np. za pomocą programu
PC, który z odbieranego strumienia danych odczytuje kod SUID transpondera.
Odebrany kod powinien być kompletny, spójny z CRC oraz nadawany we właściwym
przedziale czasu.
Procedura badania transpondera FDX obejmuje następujące kroki:
− Zerowanie (kompensacja) układu pomiarowego.
− Ustawienie wymaganej częstotliwości fali nośnej generatora (125 kHz) z modulacją
odwzorowującą kod polecenia inwentarzowego z jedną szczeliną czasową, zgodnie
z normą ISO/IEC 18000-2.
− Należy ustawić prąd anteny tak, aby wytwarzała pole o natężeniu 1 A/m, a następnie
zmniejszać go, aż do zaniku odpowiedzi transpondera.
− Następnie należy zwiększać prąd do wartości, przy której uzyskuje się poprawne
odpowiedzi i dodatkowo zwiększyć o 10%. Natężenie pola, które odpowiada ustalonej
w ten sposób wartości prądu jest definiowane jako minimalne natężenie pola
uaktywniające transponder.
− Napięcie wyjściowe sieci kompensacyjnej należy zarejestrować cyfrowo w czasie 25 ms.
− Strumień danych zarejestrowany w tym przedziale czasu należy przetworzyć w celu
uzyskania kodu SUID.
Pomiar minimalnej wartości natężenia pola uaktywniającego transponder HDX powinien
obejmować następujące czynności:
− Ustalenie poziomu tła układu pomiarowego.
− Ustawienie wymaganej częstotliwości fali nośnej (134,2 kHz) z modulacją
odwzorowującą kod odpytywania transpondera.
− Ustawienie prądu anteny nadawczej, tak by wytwarzała pole o natężeniu 1 A/m,
a następnie zmniejszanie prądu, aż do zaniku odpowiedzi transpondera.
− Następnie zwiększenie prądu do wartości, przy której uzyskuje się poprawne odpowiedzi
i dodatkowo zwiększenie o 10%. Natężenie pola, które odpowiada ustalonej w ten sposób
wartości prądu jest definiowane jako minimalne natężenie pola uaktywniające
transponder.
– str. 69 z 187 –
−
−
Napięcie wyjściowe sieci kompensacyjnej należy zarejestrować cyfrowo w czasie 25 ms.
Strumień danych zarejestrowany w tym przedziale czasu należy przetworzyć w celu
uzyskania kodu SUID.
2.6.2.8 Inne parametry transponderów
Opisane wyżej stanowisko pomiarowe jest wykorzystywane również do badania
następujących parametrów transponderów LF:
−
Poziom odpowiedzi transpondera.
Celem tego badania jest określenie poziomu sygnału transpondera w zakresie zmian
natężenia pola uaktywniającego od wartości minimalnej, definiowanej zgodnie z ww.
opisaną procedurą do wartości 50 A/m.
−
Czas oczekiwania transpondera.
Celem tego badania jest sprawdzenie czasu, w którym uzyskuje się odpowiedź
transpondera na polecenie inwentarzowe.
2.6.3
Wyposażenie do badania czytników
Badania czytnika powinny obejmować oba kierunki transmisji:
− od czytnika do transpondera pod względem natężenia i parametrów pola wytwarzanego
przez nadajnik czytnika;
− od transpondera do czytnika pod względem czułości odbiornika.
2.6.3.1 Emulator transponderów
Układ emulatora transponderów (Tag Emulation Circuit, TEC) powinien być stosowany
podczas badań czytnika jako urządzenie zastępujące transponder FDX i HDX, które może być
odtwarzane w każdym laboratorium ilekroć zachodzi taka potrzeba. Składa się ze
standardowych elementów dyskretnych, dzięki czemu można uniknąć odchyleń
spowodowanych postępem techniki i rozrzutem parametrów transponderów oferowanych na
rynku. Zalecany układ emulatora transponderów opisano w Aneksie A dokumentu
ISO/ICE TR 18047-2 [8].
Optymalna orientacja transpondera względem anteny czytnika zależy od rodzaju anten,
w jakie są wyposażone transponder i badany czytnik. Zasady wyjaśniono na rys. 2-33 dla
przypadku czytnika z anteną bez rdzenia ferrytowego i na rys. 2-34 dla przypadku czytnika
z anteną, której zwoje obejmują rdzeń ferrytowy.
Rys. 2-33: Badanie czytnika z anteną bez rdzenia ferrytowego
– str. 70 z 187 –
Rys. 2-34: Badanie czytnika z anteną ferrytową
2.6.3.2 Indeks modulacji amplitudy i kształt przebiegu
Celem badania jest sprawdzenie parametrów czasowych modulowanego przebiegu
wytwarzanego przez czytnik. Czytnik powinien być nastawiony do nadawania polecenia
inwentarzowego zgodnie z ISO/IEC 18000-2 [1].
Antenę emulatora transponderów należy ustawić po środku przestrzeni odczytu zdefiniowanej
przez producenta czytnika. Sondę oscyloskopu o dużej impedancji należy dołączyć do cewki
i zmierzyć indukowane napięcie obwodu nieobciążonego.
Uwaga: Długość połączenia sondy z ziemią powinna być jak najmniejsza.
Obserwując i rejestrując przebieg napięcia należy określić indeks modulacji i parametry
czasowe określone w normie (por. p. 2.2).
2.6.3.3 Badanie mocy generowanej w trybie FDX
Celem badania jest sprawdzenie, czy czytnik dostarcza moc wystarczającą do zasilania
transponderów typu A (FDX). Czytnik powinien wytwarzać przebieg ciągły. Emulator
transpondera należy umieścić w optymalnej orientacji (por. rys. 2-33 lub rys. 2-34), aby
w układzie jak na rys. 2-35, opisanym w p. 2.6.3.7, uzyskać napięcie VDC równe 2 V. Należy
określić odległość między anteną emulatora i anteną czytnika. Wymagania są spełnione, jeżeli
odległość wynosi, co najmniej 1 cm.
2.6.3.4 Badanie mocy generowanej w trybie HDX
Celem badania jest sprawdzenie, czy czytnik dostarcza moc wystarczającą do zasilania
transponderów typu B (HDX). Podczas tego badania czytnik powinien wytwarzać przebieg
ciągły. Emulator transpondera należy umieścić w optymalnej orientacji (por. rys. 2-33 lub
rys. 2-34), aby w układzie jak na rys. 2-36, opisanym w p. 2.6.3.7, uzyskać napięcie VCL
równe 5 V po 50 ms fazy ładowania. Należy określić odległość między anteną emulatora
i anteną czytnika. Wymagania są spełnione, jeżeli odległość wynosi, co najmniej 1 cm.
2.6.3.5 Detekcja odpowiedzi transpondera FDX
Celem badania jest sprawdzenie zdolności czytnika do odbioru danych z transponderów FDX.
Czytnik powinien wytwarzać przebieg ciągły. Emulator transpondera należy umieścić
w takiej odległości od anteny czytnika, aby uzyskać napięcie VDC równe 3 V. Wynik badania
jest pozytywny, jeżeli czytnik pomyślnie odbiera każdy bit odpowiedzi na polecenie
inwentarzowe generowanej przez emulator transponderów.
2.6.3.6 Detekcja odpowiedzi transpondera HDX
Celem badania jest sprawdzenie zdolności czytnika do odbioru danych z transponderów
HDX. Gdy czytnik wytwarza przebieg ciągły emulator transpondera należy umieścić w takiej
odległości od anteny czytnika, aby uzyskać napięcie VCL równe 5 V po 50 ms fazy
ładowania. Wynik badania jest pozytywny, jeżeli czytnik pomyślnie odbiera każdy bit
– str. 71 z 187 –
odpowiedzi na polecenie inwentarzowe generowanej przez emulator transpondera pobudzany
z AWG napięciem VPP na 50 Ω.
2.6.3.7 Opis emulatorów transponderów
Parametry anteny emulatora transponderów powinny być zaprojektowane zgodnie z tab. 2-18.
Tab. 2-18: Parametry wzorcowej cewki antenowe emulatora
Cecha
Wartość w trybie FDX
Wewnętrzna średnica
cewki
Zewnętrzna średnica
cewki
Grubość cewki
Przewód cewki
Liczba zwojów
Pojemność własna (CC)
Wartość w trybie HDX
15,7 mm
15,7 mm
18,4 mm
18,4 mm
1 mm
B155 50 µm, Grade 1B
400
1 mm
B155 70 µm, Grade 1B
260
Uwagi
Wymiary wzorcowej
cewki powietrznej (bez
rdzenia ferrytowego).
Sposób wykonania
uzwojenia cewki
wzorcowej.
Pojemność własna
cewki (CC) powinna
być dostatecznie mała,
taka, aby częstotliwość
rezonansu własnego
cewki była co najmniej
5-krotnie większa od
częstotliwości nośnej.
Uwaga: Współczynnik dobroci QL anteny należy wyznaczyć odłączając antenę od układu emulatora.
Emulator transponderów FDX powinien być wykonany z ogólnie dostępnych elementów.
Schemat ideowy przedstawiono na rys. 2-35. Wartości elementów podano w tab. 2-19.
Rys. 2-35: Schemat ideowy układu emulatora transpondera FDX
– str. 72 z 187 –
Tab. 2-19: Parametry układu emulatora transponderów FDX
Element
Wartość
Indukcyjność LC
Współczynnik dobroci QL
Rezystancja cewki w rezonansie RC
6,5 mH
30
2 π LC / QL
C1
3,5 do 22 pF
C2
200 pF
C3
D1 – D4
N1
N2
R1
R2
R3
RMOD
RV
RQ
10 nF
1N4148
BC 546B
BC 556B
430 kΩ
51 kΩ
20 kΩ
1,8 kΩ
1 kΩ
100 do 220 kΩ
Uwagi
Indukcyjność, współczynnik
dobroci i rezystancja
rezonansowa antenowej cewki
wzorcowej.
Trymer do dostrojenia obwodu
do rezonansu.
Zastosować kondensatory
o zerowym współczynniku
temperaturowym (NP0). Użyć
dwa ogólnie dostępne
kondensatory po 100 pF
połączone równolegle.
Dobrać do uzyskania
wypadkowej dobroci QLC
równej 30.
Do pomiarów napięcia należy stosować woltomierze o impedancji wejściowej większej niż
10 MΩ.
Przed rozpoczęciem badań należy dobrać wartość RQ, aby uzyskać współczynnik dobroci
QLC równy 30 i dostroić obwód za pomocą C1 do uzyskania maksimum napięcia VDC.
W tym celu zaleca się następującą procedurę:
− Antenową cewkę wzorcową połączyć równolegle z kondensatorami obwodu
rezonansowego C1 i C2 oraz rezystorem korekcji dobroci RQ.
− Utworzony w ten sposób równoległy obwód rezonansowy umieścić między cewkami
HTA dołączając dodatkowo sondę oscyloskopu do pomiaru napięcia na obwodzie
rezonansowym.
− Częstotliwość generatora sterującego urządzeniem wytwarzającym pole dostrajać
poszukując maksimum napięcia na obwodzie badanej anteny. Należy zanotować
częstotliwość f0 i wartość napięcia A0.
− Przestrajać generator w kierunku mniejszych i w kierunku większych częstotliwości, aby
znaleźć dwie częstotliwości f1 i f2, przy których wartość napięcia jest równa 0,707 A0.
− Obliczyć współczynnik dobroci Q = f0/(f2 – f1) i ewentualnie skorygować nastawę RQ, aż
do uzyskania wymaganej wartości równej 30.
– str. 73 z 187 –
Emulator transpondera HDX powinien być wykonany z ogólnie dostępnych elementów.
Schemat ideowy przedstawiono na rys. 2-36, a wartości elementów podano w tab. 2-20.
Rys. 2-36: Schemat ideowy układu emulatora transpondera HDX
Tab. 2-20: Parametry układu emulatora transponderów HDX
Element
Wartość
LS
CS
2,66 mH
530 pF
CR
D1
CL
RL
RQ
0 do 39 pF
1N4148
220 nF
1,6 MΩ
100 kΩ do 220 kΩ
Uwagi
Zastosować kondensatory
o zerowym współczynniku
temperaturowym (NP0).
Trymer
Dobrać do uzyskania wypadkowej
dobroci równej 60.
Do pomiarów mocy czytnika wyłączniki S1 i S2 powinny być rozwarte, a obwód dostrojony
do częstotliwości 134,2 kHz. W czasie badania detekcji odpowiedzi wyłączniki S1 i S2
powinny być zwarte, a generator AWG powinien wytwarzać przebieg emulujący odpowiedź
transpondera.
Należy zastosować środki, zapewniające wyzwalanie generatora AWG po 50 ms fazy
ładowania (generacji przez czytnik przebiegu 134,2 kHz) tj. wyzwalanie AWG we właściwej
szczelinie czasowej wg definicji w normie ISO/IEC 18000-2.
AWG powinien sterować układ emulatora transponderów symulując warunki "najgorszego
przypadku". Powinien generować sygnał z modulacją FSK o częstotliwości 124 ±2 kHz dla
transmisji binarnej "1" oraz 134,2 ±1,5 kHz dla transmisji binarnej wartości "0", kodowany
NRZ. Długość przebiegu odpowiadającego każdemu bitowi powinna wynosić, co najmniej 16
okresów. AWG może sam wytwarzać strumień danych wg normy ISO/IEC 18000-2 [1], albo
może być sterowany przez zewnętrzny generator kodu, który wytwarza informacje binarne
w postaci 112-bitowych telegramów wg definicji w ww. normie.
Zaleca się następującą procedurę:
− Do pomiarów napięcia należy stosować woltomierz o impedancji wejściowej większej niż
10 MΩ.
– str. 74 z 187 –
−
−
−
−
−
Do pomiarów napięcia VCL AWG należy odłączyć od układu. Obwód rezonansowy
emulatora należy dostroić za pomocą CL do rezonansu, a wartość rezystancji RQ dobrać,
tak by współczynnik dobroci obwodu wynosił 60.
Antenową cewkę wzorcową połączoną równolegle z kondensatorami obwodu
rezonansowego CS i CR oraz rezystorem korekcji współczynnika dobroci RQ, umieścić
między cewkami HTA dołączając do obwodu dodatkowo sondę oscyloskopu do
pomiarów napięcia na obwodzie.
Częstotliwość generatora sterującego urządzeniem wytwarzającym pole dostrajać
poszukując maksimum napięcia na obwodzie badanej anteny. Należy zanotować
częstotliwość f0 i wartość napięcia A0.
Przestrajać generator w kierunku mniejszych i w kierunku większych częstotliwości, aby
znaleźć dwie częstotliwości f1 i f2, przy których wartość napięcia jest równa 0,707 A0.
Obliczyć współczynnik dobroci Q = f0/(f2 – f1) i ewentualnie skorygować nastawę RQ, aż
do uzyskania wymaganej wartości współczynnika równej 60.
– str. 75 z 187 –
Wykaz akronimów do rozdz. 2
AM
ASK
AWG
btu
CN
CRC
DBP
DSFID
DUT
EOF
FDX
FSK
FWG
HDX
HSC
HTA
ICAR
LF
LSB
MAC
MFC
MN
MSB
MSN
NRZ
OOK
PC
PSK
PWM
RF
RFID
RFU
SC
SOF
SUID
UID
– Amplitude Modulation
– Amplitude Shift Keying
– Arbitrary Waveform Generator
– basic time unit (1 period of interrogation frequency)
– Compensation Network
– Cyclic Redundancy Check
– Differential Bi-Phase Encoding
– Data Storage Format Identifier
– Device Under Test
– End Of Frame
– Full Duplex
– Frequency Shift Keying
– Function Waveform Generator
– Half Duplex
– Helmholtz Sense Coil
– Helmholtz Transmitting Antenna
– International Committee for Animal Recording
– Low Frequency
– Least Significant Bit
– Media Access control
– Manufacturer Code
– Matching Network
– Most Significant Bit
– Manufacturer Serial Number
– Non-Return To Zero (encoding)
– On-Off-Keying
– Personal Computer
– Phase Shift Keying
– Pulse Width Modulation
– Radio Frequency
– Radio-Frequency Identification
– Reserved For Future Use
– Sense Coil
– Start of Frame
– Sub-UID
– Unique Identifier
– str. 76 z 187 –
Spis literatury do rozdz. 2
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
ISO/IEC 18000-2:2004. Information technology; – Radio frequency identification for
item management; – Part 2: Parameters for air interface communications below 135 kHz.
ISO 11785:1996. Radio frequency identification of animals; – Technical concept.
ISO 11784:1996. Radio frequency identification of animals; – Code structure.
ISO 11784: Amd.1:2004. Radio frequency identification of animals; – Code structure;
Amendment 1.
ISO 14223-1:2003. Radiofrequency identification of animals – Advanced transponders
– Part 1: Air interface.
CCITT Recommendation G.706. Frame alignment and cyclic redundancy check
(CRC) procedures relating to basic frame structures defined in recommendation G.704.
ISO 3166-1:2006. Codes for the representation of names of countries and their
subdivisions - Part 1: Country codes.
ISO/IEC TR 18047-2:2006. Information technology - Radio frequency identification
device conformance test methods; - Part 2: Test methods for air interface communications
below 135 kHz.
Decyzja Komisji Europejskiej z dnia 15 grudnia 2006 r. wykonująca rozporządzenie
Rady (WE) nr 21/2004 w odniesieniu do wytycznych i procedur elektronicznej
identyfikacji i rejestrowania owiec i kóz. Dz. U. Unii Europejskiej L 401 z dn.
30.12.2006.
European Commission. Joint Research Centre. Technical Guidelines for Council
Regulation No. 21/2004 of 17/12/2003. Ver. 1.0. 10.07.2006. Part 1: In-field aspects:
application of identifiers, their reading and recovery.
European Commission. Joint Research Centre. Technical Guidelines for Council
Regulation No. 21/2004 of 17/12/2003. Ver. 1.0. 10.07.2006. Part 2: Electronic
Identifier and Reader Specifications Tests procedures, acceptance criteria, and
codification of identifiers.
– str. 77 z 187 –
3
Systemy RFID w paśmie 13,56 MHz
3.1 Wprowadzenie
Określenie "pasmo 13,56 MHz" odnosi się do zakresu częstotliwości od 13,553 MHz do
13,567 MHz, który w Regulaminie Radiokomunikacyjnym jest zaliczany do pasma ISM. Ta
klasyfikacja oznacza, że pasmo nie jest chronione, a użytkownicy urządzeń i systemów
radiowych pracujących w tym paśmie częstotliwości powinni liczyć się z możliwością
występowania szkodliwych zakłóceń ze strony innych urządzeń i systemów. W Polsce na
podstawie rozporządzenia Ministra Transportu [9], zgodnie z zaleceniem ERC/REC 70-03 [8],
w zakresie tym dopuszcza się używanie bez pozwolenia różnych urządzeń radiowych, które
w odległości 10 m wytwarzają pole magnetyczne o natężeniu mniejszym niż 42 dBµA/m,
a w przypadku urządzeń RFID o natężeniu mniejszym niż 60 dBµA/m. Zatem nie jest to
pasmo przeznaczone wyłącznie dla zastosowań RFID.
Urządzenia, które w zakresie częstotliwości od 13,553 MHz do 13,567 MHz wytwarzają pole
magnetyczne o natężeniu mniejszym niż 42 dBµA/m w skutek Decyzji Komisji 2006/771/EC
z 9.11.2006 [7] w sprawie harmonizacji wykorzystania widma częstotliwości radiowych przez
urządzenia bliskiego zasięgu są zaliczane do urządzeń kasy 1, co oznacza, że państwa
członkowskie UE nie stosują wobec nich ograniczeń dotyczących używania. Normą właściwą
do oceny zgodności z wymaganiami zasadniczymi w zakresie wykorzystania widma
częstotliwości radiowych jest ETSI EN 300 330-2 [5, 6].
3.2 Norma ISO/IEC 18000-3
W części 3 normy ISO/IEC 18000 [1] zdefiniowano warstwę fizyczną /*, elementy protokółów
komunikacyjnych oraz protokóły unikania kolizji dla systemów RFID pracujących w paśmie
częstotliwości 13,56 MHz, przeznaczonych głównie dla potrzeb inwentaryzacji. Zalecane metody
badania zgodności czytników i transponderów z tą normą zdefiniowano w dokumencie
ISO/IEC TR 18047-3 [2]. Należy podkreślić, że norma ISO/IEC 18000-3 nie jest jedyną
normą wydaną przez ISO/IEC odnoszącą się do systemów wykorzystujących pasmo
13,56 MHz. Wymagania dotyczące warstwy fizycznej i protokółów dla systemów kart
identyfikacyjnych RFID wykorzystujących to pasmo definiują normy ISO/IEC 15693,
ISO/IEC 15963 i ISO/IEC 14443.
/*
Uwaga:
W normie ISO/IEC parametry warstwy fizycznej zdefiniowano w sposób ogólny.
W Polsce i w Europie obowiązują regulacje wynikające z dyrektywy 1999/5/EC oraz
decyzji ECC CEPT. Temat ten omówiono szerzej w p. 3.4 niniejszego opracowania.
Transpondery, których dotyczy norma ISO/IEC 18000-3, są urządzeniami pasywnymi.
Energia jest przekazywana z czytnika do transpondera za pośrednictwem pola magnetycznego
wskutek sprzężenia anteny czytnika z anteną transpondera. Pole aktywujące transpondery
powinno mieć częstotliwość fC = 13,56 MHz ±7 kHz.
Wskutek aktywacji, która następuje, jeżeli transponder znajduje się w polu magnetycznym
o właściwej częstotliwości i dostatecznie dużym natężeniu, transponder powinien oczekiwać
na ważne polecenie czytnika. Po odebraniu polecenia transponder nadaje odpowiedź na to
polecenie.
W normie ISO/IEC 18000-3 [1] zdefiniowano dwa tryby pracy, które dla zachowania spójności
z oryginałem normy i literaturą dotyczącą tematu będą w tym opracowaniu nazywane
MODE 1 i MODE 2. W obu trybach pracy wykorzystywane jest pole indukcyjne
o częstotliwość 13,56 MHz, ale między nimi nie ma interoperacyjności. Czytniki
i transpondery zgodne z opisywaną normą ISO/IEC 18000-3 powinny obsługiwać albo
– str. 78 z 187 –
MODE 1 albo MODE 2. Opcjonalnie mogą obsługiwać oba tryby odczytu, ale nie jest to
wymagane.
Czytniki i transpondery powinny obsługiwać wszystkie obowiązkowe polecenia zdefiniowane
w normie. Czytniki powinny być technicznie przygotowane do obsługi poleceń opcjonalnych.
Transpondery mogą nie obsługiwać lub obsługiwać polecenia opcjonalne.
3.2.1
Charakterystyka systemu MODE 1
Warstwa fizyczna, system unikania kolizji i protokóły MODE 1
MODE 1 jest systemem RFID umożliwiającym odczyt transponderów i zapis danych do
transponderów, w którym komunikację inicjuje czytnik (zasada "reader talk first", RTF).
Podstawowe postanowienia dotyczące MODE 1 są spójne z przyjętymi w odpowiednich
częściach normy ISO/IEC 15693, por. p. 3.3.1, a w szczególności:
− warstwa fizyczna interfejsu radiowego MODE 1 powinna być zgodna z ISO/IEC 15693-2;
− metoda zarządzania unikaniem kolizji powinna być zgodna z ISO/IEC 15693-3;
− polecenia powinny być zgodne z ISO/IEC 15693-3;
− tablice parametrów dla łączności czytnika z transponderem powinny być zgodne
z ISO/IEC 15693-2;
− tablice parametrów dla łączności transpondera z czytnikiem powinny być zgodne
z ISO/IEC 15693-2.
Dodatkowe zdefiniowane rozszerzenia protokółów w stosunku do zdefiniowanych w normie
ISO/IEC 15693 są opcjonalne. Jeżeli transponder nie obsługuje rozszerzonego protokółu,
w odpowiedzi na nie powinien zwracać kod błędu i nie powinien odpowiadać w jakikolwiek
inny sposób.
Rozszerzenia protokółu obejmują dwa rozwiązania:
− odczyt wielu transponderów bez wyznaczania szczeliny czasowej i ograniczania czasu
odczytu (non-slotted non-terminating reading);
− odczyt wielu transponderów z wyznaczaniem szczelin czasowych i adaptacyjnym
wyborem liczby szczelin rundy (slotted terminating adaptive round reading).
W przypadku pierwszego z ww. rozwiązań (non-slotted non-terminating reading) polecenie
budzenia (Wake-up) powoduje, że wszystkie transpondery odpowiadają w przypadkowych,
wyznaczonych przez same transpondery przedziałach czasu tak długo, jak znajdują się w polu
aktywującym. W tej wersji protokółu czytnik może odbierać, dekodować i raportować
wszystkie odpowiedzi, które dochodzą bez kolizji, ale nie będzie próbował oddziaływać na
proces odczytu inaczej niż wysyłając dodatkowe sygnały budzenia (Wake-up) w celu
wprowadzenia nowo pojawiających się transponderów w stan odpowiedzi. Programowanie
pamięci transpondera może nastąpić, jeżeli w polu RF czytnika znajduje się tylko jeden
transponder.
W tej implementacji protokółu stosuje się:
− tylko jedno polecenie budzenia (Wake-up);
− domyślną długość odpowiedzi (może być programowana przez użytkownika.
Działanie tego systemu jest poprawne, jeżeli jednocześnie w polu aktywującym (w zasięgu
odczytu) znajduje się jeden lub mała liczba transponderów.
Na rys. 3-1 [1] pokazano przykład działania tej wersji protokółu, gdy w polu czytnika
znajdują się trzy transpondery.
– str. 79 z 187 –
Czytnik
polecenie
Wake-up
Transponder 1
Transponder 2
Transponder 3
Czas
Rys. 3-1: Przykład odpowiedzi trzech transponderów zgodnie z protokółem
nie wyznaczającym szczelin i nie ograniczającym czasu odczytu
Kolejność zilustrowanych zdarzeń jest następująca:
− Czytnik wysyła do wszystkich uaktywnionych transponderów, znajdujących się w stanie
Ready, polecenie budzenia (Wake-up).
− Trzy transpondery odpowiadają jednocześnie, powodując wzajemne zakłócenie (kolizję).
− Następnie transpondery nr 1 i nr 3 odpowiadają, ale w sposób powodujący kolizję.
− Transponder nr 2 odpowiada jako jedyny i jego odpowiedź jest poprawnie dekodowana.
− Transponder nr 1 odpowiada jako jedyny i jego odpowiedź jest poprawnie dekodowana.
− Transpondery nr 2 i nr 3 odpowiadają powodując kolizję.
− Transpondery nr 1 i nr 2 odpowiadają powodując kolizję.
− W końcu dekodowana jest również odpowiedź transpondera nr 3.
Wykres stanów transpondera realizującego opisywany protokół przedstawia rys. 3-2.
Przejście ze stanu Ready do Active następuje tylko w wyniku polecenia budzenia (Wake-up).
Rys. 3-2: Stany transponderów w protokóle bez wyznaczania szczelin czasowych
i ograniczania czasu odczytu [1]
W przypadku drugiej wersji protokółu (slotted terminating adaptive round reading) po
wysłaniu polecenia Wake-up w cyklu odczytu następuje dialog między transponderami
i czytnikiem, lecz transpondery nie powinny odpowiadać nieskończenie długo. W przypadku
zmieniającej się dynamicznie populacji transponderów polecenie Wake-up może być
wydawane często.
– str. 80 z 187 –
W tym protokóle transpondery wybierają losowo numer szczeliny czasowej spośród
określonej liczby szczelin. Czytnik sygnalizuje początek każdej szczeliny. Transponder
określa aktualny numer szczeliny licząc czas od polecenia Wake-up. Po wysłaniu odpowiedzi
transponder automatycznie przechodzi ze stanu Ready do Quiet.
Jeżeli transponder jest w stanie aktywnym i aktualny numer szczeliny jest równy
maksymalnej liczbie szczelin (określonej dla danego transpondera), zwiększenie numeru
szczeliny powoduje ustawienie bieżącego numeru na jeden – rozpoczęcie odliczania od nowa.
Jeżeli w którejś szczelinie nastąpi kolizja, czytnik rozpoznaje błąd i kontynuuje wyznaczanie
kolejnych szczelin aż do poprawnego dekodowania.
Maksymalna liczba szczelin jest nazywana liczbą szczelin w rundzie lub długością rundy.
Liczba ta może być odpowiednio powiększana lub zmniejszana, gdy liczebność populacji
transponderów rośnie lub maleje.
Wykres stanów transpondera realizującego opisywany protokół przedstawia rys. 3-3.
Przykładowa sekwencja odczytu może być następująca:
− Czytnik wysyła polecenie budzenia (Wake-up), które powoduje przejście transponderów
znajdujących się w jego zasięgu ze stanu Ready do stanu Active.
− Transpondery odczytują w poleceniu czytnika domyślną długość rundy (maksymalną
liczbę szczelin). Każdy losowo wybiera szczelinę, w której ma nastąpić jego odpowiedź.
− W szczelinie nr 0 odpowiedział transponder nr 1, który po wysłaniu odpowiedzi przeszedł
w stan Quiet.
− Czytnik wydał polecenie następna szczelina (Next-slot) zawierające potwierdzenie
poprawnego dekodowania telegramu transpondera nr 1, który pozostaje w stanie Quiet.
− Jeżeli w szczelinie nr 1 nie ma odpowiedzi, czytnik wysyła polecenie zakończenia tej
szczeliny.
− Jeżeli w szczelinie nr 2 nastąpi kolizja, to czytnik wysyła polecenie zakończenia tej
szczeliny przed dokończeniem odpowiedzi. Transpondery, które spowodowały kolizję,
będą mieć okazję do odpowiedzi w następnej rundzie.
− Jeżeli w szczelinie nr 3 pojawią się dwie odpowiedzi, ale sygnał jednej nr 6 jest
zdecydowanie silniejszy niż nr 7, to czytnik uznaje, że szczelinę wykorzystał tylko jeden
transponder (nr 6). Czytnik wysyła polecenie przejścia do następnej szczeliny
z potwierdzeniem dla nr 6, a nr 7 będzie ponownie wysyłał sygnał po odliczeniu
maksymalnej liczby szczelin.
− Jeżeli z określonych powodów transponder ma być wydzielony, czytnik wysyła
selektywnie polecenie Selective-stand-by, które wprowadza wybrany transponder w stan
Active. Inne, które były w stanie Active, są wprowadzane w stan Stand-by, a te które były
w stanie Quiet pozostają w tym stanie. W tej sytuacji tylko jeden transponder pozostaje
aktywny i jest możliwe żądanie dodatkowych danych albo programowanie tego
transpondera.
– str. 81 z 187 –
Rys. 3-3: Stany transponderów w protokóle z wyznaczaniem szczelin czasowych [1]
Uwaga: Jeżeli pole aktywujące jest wyłączone przez czas > 10 s, transponder nie pamięta żadnego
poprzedniego stanu. Przejście do stanu Power-off z każdego innego stanu następuje po
300 ms po ustawieniu bitu określającego stan. Jeżeli pole jest wyłączone na czas pomiędzy
300 ms a 10 s, stan transpondera jest nieokreślony.
W stanie aktywnym transponder wysyła domyślną odpowiedź, gdy bieżący numer szczeliny
jest równy numerowi losowo wybranemu przez transponder spośród maksymalnej liczby
szczelin w danej rundzie. Jeżeli bieżący numer szczeliny wyznaczony przez czytnik jest
większy od maksymalnej liczby szczelin transpondera, jego licznik jest ustawiony ponownie
w stan 1 i nowy losowy numer szczeliny jest ustalony. Transponder kontynuuje ten proces aż
do:
− czasu, gdy zostanie odczytany i automatycznie przechodzi w stan Quiet;
− odbioru polecenia przejścia do innego stanu;
− opuszczenia obszaru pola aktywującego.
W stanie Stand-by transponder powinien reagować tylko na polecenia ogólnego zerowania
(Global reset) oraz powtórzenia rundy.
3.2.2
Charakterystyka systemu MODE 2
System MODE 2 zdefiniowano w normie ISO/IEC 18000-3 [1] dla potrzeb szybkiej
inwentaryzacji dużej liczby transponderów znajdujących się jednocześnie w zasięgu czytnika.
– str. 82 z 187 –
MODE 2 jest systemem RFID umożliwiającym odczyt i zapis danych do transponderów,
w którym komunikację inicjuje czytnik (zasada "reader talk first", RTF), tzn. transponder nie
może odpowiadać dopóki nie odbierze ważnego polecenia ze strony czytnika.
3.2.2.1 Charakterystyka interfejsu radiowego czytnika
W systemie MODE 2 polecenia czytnika są przekazywane do transponderów
z wykorzystaniem fazowej modulacji jittera (PJM) fali nośnej fC = 13,56 MHz. PJM polega
na przesyłaniu danych jako bardzo małych zmian fazy pola aktywującego transpondery,
w granicach ±1,0º do ±2,0º. Ze względu na małą wartość indeksu modulacji szerokość pasma
modulacji PJM nie jest większa niż podwójna szerokość pasma danych modulujących fazę
sygnału fC. Poziom wstęg bocznych tej modulacji i szybkość transmisji nie są powiązane,
parametry te mogą być ustawione niezależnie. Szybkość danych poleceń wynosi
fC/32 = 423,75 kbit/s z kodowaniem polegającym na zmodyfikowanej modulacji częstotliwości
(Modified Frequency Modulation, MFM).
Interfejs radiowy czytnika realizuje komunikację dupleksową z jednoczesnym nadawaniem
poleceń PJM przez czytnik i odbiorem odpowiedzi wielu transponderów. Transpondery
pracują w półdupleksie, nie mogą nadawać, gdy odbierają polecenia. Odpowiedź transpondera
polega na modulacji sprzężenia – obciążenia obwodu antenowego z częstotliwością sygnału
podnośnej. Częstotliwości podnośnych wykorzystywane przez transpondery są uzyskiwane
z podziału częstotliwości pola aktywującego transponder. Transponder może wybrać jedną
z ośmiu częstotliwości (kanał A do H wg tab. 3-1, por. p. 3.2.2.4). Szybkość transmisji danych
odpowiedzi transpondera wynosi 105,937 5 kbit/s. Dane są kodowane z zastosowaniem
zmodyfikowanej modulacji częstotliwości (MFM), modulują fazowo podnośną (BPSK).
Parametry emisji czytnika są następujące:
Częstotliwość wytwarzanego pola: fC = 13,56 MHz ±100 ppm.
Modulacja: modulacja jittera fazy (Phase Jitter Modulation, PJM),
minimum ±1,0 , maksimum ±2,0 .
Kodowanie danych: modyfikowana modulacja częstotliwości (Modified Frequency
Modulation, MFM).
Szybkość transmisji danych: synchroniczna z częstotliwością pola aktywującego, 423,75 kHz
(1/32 częstotliwości nośnej).
Zajmowane pasmo: wstęgi boczne modulacji mają bardzo niski poziom względem poziomu
fali nośnej, ale zajmują szerokie pasmo.
Maksymalna moc nadawana przez czytnik: regionalne wymagania dotyczące natężenia pola
magnetycznego. W Europie parametr zaliczany do wymagań zasadniczych, por. p. 3.4.
3.2.2.2 Modulacja jittera fazy (PJM)
Sygnał PJM tworzą dwie składowe:
− składowa o dużej amplitudzie i fazie 0º (sygnał I) zasilająca transpondery;
− modulowana binarnie składowa o małej amplitudzie i fazie ±90º (sygnał ±Q).
Sygnał PJM jest sumą tych składowych. Prezentację wektorową przedstawiono na rys. 3-4,
przebieg w dziedzinie czasu na rys. 3-5, a szkic rozkładu gęstości mocy w dziedzinie
częstotliwości na rys. 3-6.
Dla modulacji PJM zdefiniowano dwa parametry. Wielkość zmiany fazy: min. ±1º i maks.
±2º, czas konieczny do zmiany fazy w poleceniach czytnika: 1,18 µs.
– str. 83 z 187 –
Właściwości modulacji PJM:
− Stała amplituda sygnału aktywującego transpondery.
− Poziom wstęg bocznych modulacji niezależny od szybkości transmisji.
− Możliwa duża szybkość przesyłania danych, ponieważ pasmo sygnału RF nie jest szersze
niż podwójna szerokość pasma sygnału modulującego.
− Wąskopasmowe (rezonansowe) anteny nie ograniczają szybkości PJM, bo sygnał PJM
można wstępnie skompensować w celu zredukowania wpływu pasma anteny.
Amplituda
I+Q
+∆θ
–∆θ
I
+Q
–Q
±∆θ = ±1o
Rys. 3-4: Prezentacja wektorowa sygnału PJM
Amplituda
Czas
maks. ±2o
Rys. 3-5: Przebieg sygnału PJM w dziedzinie czasu
Amplituda
I
< –33 dBc
fC = 13,56 MHz
Częstotliwość
Rys. 3-6: Rozkład gęstości mocy sygnału PJM w dziedzinie częstotliwości
3.2.2.3 Kodowanie danych czytnika
Wszystkie polecenia czytnika przed przesłaniem do modulatora fazy (PJM) są kodowane
z wykorzystaniem modyfikowanej modulacji częstotliwości (Modified Frequency Modulation,
MFM). Metoda MFM zapewnia najwęższe zajmowane pasmo spośród metod binarnego
kodowania danych. Wartość bitu danych jest definiowana przez zmianę stanu:
− "1" jest kodowana jako zmiana stanu pośrodku przedziału czasu wyznaczonego dla
pojedynczego bitu;
− "0" jest kodowane jako zmiana stanu na początku przedziału czasu wyznaczonego dla
pojedynczego bitu;
− jeżeli bit "0" następuje bezpośrednio po bicie "1", nie ma zmiany stanu.
– str. 84 z 187 –
Przykład kodowania MFM ciągu binarnego 000 100 przedstawiono na rys. 3-7.
Rys. 3-7: Kodowanie MFM polecenia 000 100 i zależności czasowe
3.2.2.4 Komunikacja transponderów z czytnikiem
Do komunikacji transponderów z czytnikiem zaprojektowano wieloczęstotliwościowy system
w zakresie częstotliwości 13,56 MHz ±3,013 MHz, w którym transponder do odpowiedzi
losowo wybiera kanał transmisji spośród 8 kanałów, zdefiniowanych w specyfikacji jako 8
częstotliwości podnośnych. Częstotliwości podnośnych są uzyskiwane z podziału
częstotliwości pola aktywującego, tab. 3-1. Transponder nadaje całą odpowiedź w wybranym
kanale.
Tab. 3-1: Częstotliwości kanałów komunikacji transponderów
Kanał
Częstotliwość [kHz]
Stosunek podziału
A
B
C
D
E
F
G
H
969
1 233
1 507
1 808
2 086
2 465
2 712
3 013
14
11
9
7,5
6,5
5,5
5
4,5
Zajmowane pasmo: 106 kHz w każdym z 8 kanałów.
Rodzaj modulacji podnośnej: BPSK.
Kodowanie danych: MFM.
Sposób modulacji: modulacja impedancji obciążenia.
Szybkość modulacji: 105,937 5 kbit/s.
Dokładność szybkości modulacji: synchroniczna z częstotliwością nośnej.
Dane odpowiedzi transponderów są kodowane MFM przed przesłaniem do modulatora
BPSK, który zmienia fazę podnośnej. Transponder moduluje z częstotliwością podnośnej
impedancję obwodu, a wskutek tego napięcie na obwodzie antenowym. Szybkość transmisji
danych wynosi fC/128 = 105,937 5 kbit/s (czas jednego bitu wynosi 9,439 5 µs).
Transponder może znajdować się w jednym z czterech stanów:
− Power-off. Bez zasilania. W tym stanie transponder nie może komunikować się
z czytnikiem. Stan ten jest także wynikiem długiej (> 50 ms) przerwy zasilania (Long
Power Break, LPB).
− Active. Aktywny. W tym stanie transponder jest aktywowany (obudzony) przez czytnik.
Transponder w stanie aktywnym może przetwarzać każde polecenie czytnika.
– str. 85 z 187 –
−
−
Reply. Odpowiedzi. Ten stan przyjmuje transponder, który poprawnie odebrał polecenie
czytnika. Jeżeli transponder jest zasilany, to pozostaje w tym stanie do czasu wysłania
kompletnej odpowiedzi, po czym powraca do stanu aktywnego (Active).
Fully Muted. Transponder wyciszony. Ten stan transponder uzyskuje w wyniku polecenia
czytnika. Jeżeli jest zasilany, to pozostaje w tym stanie aż odbierze nowe polecenie
czytnika.
Polecenia czytnika do transponderów mogą być adresowane indywidualnie – z użyciem ich
identyfikatorów indywidualnych (SID) albo adresowane do grupy transponderów
– z użyciem grupowego identyfikatora aplikacji (GID).
Graf przejścia pomiędzy tymi stanami przedstawiono na rys. 3-8.
Rys. 3-8: Diagram zmiany stanów transpondera
3.2.2.5 Unikanie kolizji
W systemie MODE 2, zdefiniowanym w normie ISO/IEC 18000-3, do identyfikacji wielu
transponderów zastosowano kombinację wielodostępu w dziedzinie czasu i częstotliwości
(FTDMA). W systemie dla transmisji transponderów zdefiniowano osiem kanałów.
W odpowiedzi na ważne polecenie czytnika każdy transponder wybiera w sposób losowy
kanał (podnośną), w którym wysyła swoją odpowiedź. Odpowiedź jest nadawana raz.
W wyniku odbioru następnego polecenia każdy transponder losowo wybiera nowy kanał,
w którym wysyła swoją odpowiedź. W ten sposób każdy odbiór ważnego polecenia powoduje
skokową, losową zmianę częstotliwości kanału odpowiedzi transpondera. Transponder może
również losowo wyciszać pojedyncze odpowiedzi (nie wysyłać odpowiedzi). Tę możliwość
wprowadzono ze względu na potrzebę odczytu bardzo dużych populacji transponderów. Jeżeli
transponder został odczytany (zidentyfikowany), to w wyniku polecenia zostaje czasowo
wyciszony (wprowadzony w stan "Muted"). Wszystkie parametry częstotliwościowe
i czasowe FTDMA są zdefiniowane w poleceniu czytnika.
Skokowa zmiana częstotliwości (kanału) odpowiedzi jest powtarzana w wyniku każdego
poprawnie odebranego polecenia. Oprócz losowego wyboru kanału transponder może losowo
wyciszać odpowiedź (nie wysyłać odpowiedzi). Zastosowana metoda wielodostępu
umożliwia w jednym cyklu odczytu zidentyfikowanie do ośmiu transponderów.
– str. 86 z 187 –
Obliczanie średniej liczby transponderów odczytywanych w wyniku jednego polecenia N
polega na obliczeniu prawdopodobieństwa, z jakim z grupy n transponderów, z których część
prawdopodobnie będzie wysyłać odpowiedź używając r kanałów, nastąpi identyfikacja N
transponderów.
Największy współczynnik pomyślnych identyfikacji jest wtedy, gdy liczba odpowiadających
jednocześnie transponderów jest równa liczbie kanałów. Czytnik może optymalizować
współczynnik identyfikacji zmieniając współczynnik m (muting ratio) transponderów
wyciszonych zależnie od n liczby transponderów znajdujących się w zasięgu.
Na rys. 3-9 [1] przedstawiono średnią liczbę transponderów N odczytywanych w wyniku
jednego polecenia w funkcji n w granicach od 1 do 8 000 transponderów, dla różnych
wartości parametru m. Dobierając odpowiednio wartość m można otrzymać N w granicach od
2 do 3 dla n do 8 000.
Rys. 3-9: Średnia liczba transponderów odczytywanych w wyniku jednego polecenia
W przypadku małej liczby transponderów parametr m jest ustawiony na 1. Średnia liczba
transponderów odczytywanych w wyniku jednego polecenia wynosi od 1 do 3.
Np. sekwencja odczytu 8 transponderów może być następująca:
a) 8 transponderów znalazło się jednocześnie w strefie odczytu czytnika.
b) Czytnik wysyła polecenie odczytu, wszystkie transpondery odpowiadają w losowo
wybranych kanałach.
c) Transpondery, które zostały zidentyfikowane (prawdopodobnie 3 z 8) otrzymują
indywidualne polecenia czasowego wyciszenia.
Następnie sekwencja b) i c) jest powtarzana.
d) Czytnik wysyła kolejne polecenie odczytu, 5 transponderów odpowiada w losowo
wybranych kanałach.
e) Czytnik identyfikuje kolejne (prawdopodobnie 3 z 5) transpondery i wysyła do nich
polecenie czasowego wyciszenia.
f)
Czytnik wysyła kolejne polecenie odczytu, pozostałe 2 transpondery odpowiadają
w losowo wybranych kanałach.
g) Czytnik identyfikuje ich odpowiedzi (prawdopodobnie 2 z 2) i wysyła do nich polecenie
czasowego wyciszenia.
Czas wykonania opisanej procedury wynosi 5,772 ms.
– str. 87 z 187 –
h) Po zidentyfikowaniu transponderów czytnik jednym poleceniem może jednocześnie
odczytać dane z 8 zidentyfikowanych transponderów.
W przypadku dużej liczby transponderów, które znalazły się w strefie odczytu, czytnik
dobiera współczynnik m w celu zmniejszenia liczby transponderów, które odpowiadają
jednocześnie, aż do uzyskania warunków optymalnych, tj. gdy liczba ta jest w przybliżeniu
równa liczbie kanałów. Przy tym optymalnym ustawieniu każde polecenie odczytu
identyfikuje 2 lub 3 transpondery.
Realizowana w ten sposób procedura umożliwia identyfikację 500 transponderów w czasie
ok. 0,39 s.
Po zidentyfikowaniu wszystkich transponderów może nastąpić faza selektywnego odczytu 8
transponderów w rezultacie pojedynczego polecenia. Polecenie będzie powtarzane
wielokrotnie (np. 63 razy w celu odczytu danych z 500 transponderów). Czas odczytu danych
50 słów z 500 transponderów jest mniejszy niż 0,944 s.
Wszystkie polecenia czytnika są opatrzone "stemplem czasowym", a transponder
przechowuje pierwszy znacznik czasu odebrany po tym, jak znalazł się w polu odczytu. Ten
znacznik precyzyjnie określa, kiedy transponder po raz pierwszy znalazł się w polu odczytu
i umożliwia wyznaczenie kolejności odczytu.
3.2.2.6 Pamięć transpondera
W normie ISO/IEC 18000-3 pamięć transpondera jest traktowana jako pojęcie wirtualne. Nie
ustanowiono żadnych fizycznych ograniczeń odnośnie jej pojemności. Współczesne technologie
wytwarzania układów scalonych umożliwiają uzyskiwanie pamięci transponderów > 1 Mbit, co
stwarza możliwości wielu różnych zastosowań systemów RFID zdefiniowanych w tej normie.
Pamięć logicznie jest podzielona na trzy obszary:
− obszar systemowej pamięci producenta z polami, których zawartość jest ustalona
i blokowana podczas produkcji i testowania układu scalonego lub transpondera, takimi
jak kod producenta (manufacturing code, MC), indywidualne identyfikatory transpondera
(specific identifier 0, specific identifier 1, SID0 i SID1);
− obszar systemowej pamięci użytkownika z polami, których zawartość jest ustalona
i blokowana wg wymagań użytkownika, takimi jak np. identyfikator aplikacji (application
group identifier, GID);
− obszar pamięci użytkownika z polami, których zawartość może być ustalona i blokowana
wg wymagań użytkownika, takimi jak np. hasła dostępu do pamięci.
W obszarze pamięci, który został zablokowany, nie można powtórnie zapisać danych.
Transpondery o pamięci 4 kbit lub mniejszej wykorzystują adresowanie ośmiobitowe i dane
ośmiobitowe. Transpondery z pamięcią większą niż 4 kbajty mogą wykorzystywać
adresowanie 16-bitowe i dane 16-bitowe.
3.2.3
Porównanie systemów MODE 1 i MODE 2
Charakterystyczne różnice pomiędzy trybami MODE 1 i MODE 2, zdefiniowanymi w normie
ISO/IEC 18000-3, przedstawiono w tab. 3-2.
– str. 88 z 187 –
Tab. 3-2: Charakterystyki systemów zdefiniowanych w normie ISO/IEC 18000-3
Właściwość
MODE 1
MODE 2
Docelowe rynki
Systemy identyfikacji ogólnego
przeznaczenia dla produkcji, logistyki,
handlu, transportu i bagażu linii
lotniczych
Systemy identyfikacji dla
produkcji, logistyki, handlu,
transportu i bagażu linii
lotniczych. Przydatne zwłaszcza
dla stosowania na przenośnikach
taśmowych
Charakterystyki
Zasada działania jest spójna i zgodna
z normą ISO 15693 (bezstykowe karty
dystansowe)
Rozszerzony protokół zapewnia
dodatkowe właściwości i alternatywną
metodę zarządzania kolizjami
Szybkość danych
Pamięć
Zarządzanie kolizjami
Możliwość stosowania
w Europie i w Polsce /*
/*
1,65 kbit/s – 26,48 kbit/s; 105,95 kbit/s
Wg potrzeb rynku
Tak
Tak
Wariantowa nastawa do odczytu
transponderów z bardzo małej
odległości (2 mm)
423,75 kbit/s
Wg potrzeb rynku
Tak, z dużą szybkością
Tak
Uwaga: Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Transportu z dn. 3.07.2007 r. w sprawie urządzeń
radiowych, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego [7].
3.3 Karty bezstykowe
Specyficznym zastosowaniem technik RFID są karty bezstykowe (contactless card), tj. karty,
których zasilanie i wymiana sygnałów z urządzeniem zewnętrznym odbywa się bez użycia
połączeń galwanicznych.
Bezstykowe karty identyfikacyjne, transakcyjne i do innych zastosowań mają wymiary kart
ID-1 zdefiniowane w normie ISO/IEC 7810 i działają w pobliżu urządzenia odczytującego
i/lub zapisującego dane, zwanego tu czytnikiem. Karty bezstykowe zawierają obwód
antenowy zapewniający sprzężenie indukcyjne z czytnikiem, układ scalony (lub układy
scalone) (IC) zaprojektowany do przetwarzania sygnałów RF i kodowania danych, oraz
pamięć.
W ISO/IEC zależnie od odległości odczytu wyróżniono trzy różne kategorie kart
bezstykowych, dla których opracowano trzy osobne normy:
− vicinity cards
– ISO/IEC 15693 [10 ÷ 12], tzw. karty dystansowe, por. p. 3.3.2;
− proximity cards
– ISO/IEC 14443 [13 ÷ 16], tzw. karty zbliżeniowe, por. p. 3.3.3;
− close coupled cards – ISO/IEC 10536, tzw. karty bliskiego sprzężenia, mało popularne,
których opis pominięto w niniejszym opracowaniu.
Zalecane metody badania bezstykowych kart identyfikacyjnych opisano w wieloczęściowej
normie ISO/IEC 10373. Bezpośredni związek z tematem niniejszego opracowania –
badaniem kart RFID, ma część 7 [17] dotycząca kart dystansowych i urządzeń do ich
odczytu / zapisu oraz część 6 [18] dotycząca kart zbliżeniowych i urządzeń do ich
odczytu / zapisu. Badania bezstykowych kart identyfikacyjnych opisane w ISO/IEC 10373
– str. 89 z 187 –
obejmują testy odporności na narażenia środowiskowe, w tym mechaniczne i EMC, oraz
specyficzne badania właściwości interfejsu radiowego zależne od kategorii karty (dystansowa
/ zbliżeniowa).
3.3.1
Karty dystansowe – norma ISO/IEC 15693
Norma ISO/IEC 15693 dotyczy bezstykowych kart dystansowych (Vicinity Card, Vicinity
Integrated Circuits Card, VICC) oraz urządzeń przeznaczonych do odczytu / zapisu tego
rodzaju kart (Vicinity Coupling Device, VCD) – czytników, które wykorzystują sprzężenie
indukcyjne do przekazywania energii do zasilania kart, a także nadzorują wymianę danych
z kartami.
Norma ISO/IEC 15693 składa się z trzech części:
− Part 1: Physical characteristics [10] – właściwości fizyczne;
− Part 2: Radio frequency power and signal interface [11] – zasilanie RF i interfejs
sygnałowy;
– Part 3: Anti-collision and transmission protocol [12] – protokół antykolizyjny
i transmisyjny.
Ponieważ w strefie odczytu czytnika (VCD) może znajdować się więcej niż jedna karta
(VICC), to komunikacja między czytnikiem i kartą dystansową powinna odbywać się wg
następującej procedury:
− aktywacja VICC (każdej, która jest w zasięgu) polem RF wytwarzanym przez VCD;
− VICC milcząc oczekuje na polecenie VCD;
− wysłanie polecenia przez VCD;
− wysłanie odpowiedzi przez VICC.
3.3.1.1 Parametry interfejsu radiowego
Przesłanie energii zasilania do karty (VICC) odbywa się w wyniku sprzężenia anteny karty
z anteną czytnika (VCD). W celu przesłania poleceń z VCD do VICC pole RF aktywujące
VICC wytwarzane przez VCD jest modulowane.
Częstotliwość pola aktywującego (fC) wynosi 13,56 MHz ±7 kHz. VICC powinna działać
zgodnie z przeznaczeniem w zakresie natężenia pola od Hmin = 150 mA/m rms do
Hmax = 5 A/m rms. Czytnik (VCD) powinien wytwarzać pole o natężeniu nie mniejszym niż
Hmin i nie większym niż Hmax. W normie nie określono sposobu generowania pola i realizacji
sprzężenia indukcyjnego.
3.3.1.2 Komunikacja VCD z VICC
Komunikacja między czytnikiem (VCD) a kartą (VICC) odbywa się w wyniku amplitudowej
modulacji natężenia pola (ASK). Stosowane są dwa indeksy modulacji 10% i 100%. VICC
powinna dekodować oba rodzaje poleceń.
Kodowanie danych powinno być realizowane metodą modulacji położenia impulsu (PPM).
VICC powinna obsługiwać dwa tryby transmisji zdefiniowane w normie. O wyborze trybu
transmisji decyduje czytnik (VCD).
− Kodowanie 1 z 256. W tym trybie wartość pojedynczego bajtu powinna być
reprezentowana przez położenie jednego impulsu. Pozycja pauzy w czasie jednego z 256
kolejnych przedziałów czasu 18,88 µs (256/fC) wyznacza wartość przesyłanego bajtu.
W tym przypadku transmisja jednego bajtu zajmuje 4,833 ms, a wynikająca z tego
– str. 90 z 187 –
−
szybkość transmisji wynosi 1,65 kbit/s (fC/8192). W przykładzie na rys. 3-10 [11]
pokazano przesyłanie przez VCD bajtu o wartości E1 (hex, czyli 225 w zapisie
dziesiętnym). Pauza powinna pojawić się w czasie drugiej połowy przedziału czasu
wskazującego wartość bajtu, jak pokazano na rys. 3-11.
Kodowanie 1 z 4. W tym trybie położenie impulsu określa wartość dwóch bitów. Cztery
kolejne pary bitów tworzą bajt, w którym LSB jest nadawany jako pierwszy. Wynikająca
z tej zasady szybkość transmisji wynosi 26,48 kbit/s (fC/512). Na rys. 3-12 wyjaśniono
zasadę kodowania 1 z 4, a na rys. 3-13 przedstawiono jako przykład kodowania wg tej
zasady bajtu o wartości E1 (hex).
Rys. 3-10: Komunikacja VCD z VICC – kodowanie
Rys. 3-11: Położenie pauzy w 1 z 256 przedziałów czasu
– str. 91 z 187 –
Rys. 3-12: Komunikacja VCD z VICC – kodowanie 1 z 4
Rys. 3-13: Kodowanie 1 z 4 na przykładzie bajtu "E1"
3.3.1.3 Komunikacja VICC z VCD
Karta (VICC) komunikuje się z czytnikiem (VCD) za pośrednictwem sprzężenia
indukcyjnego, zmieniając obciążenie pola wytwarzanego przez VCD z częstotliwością
podnośnej fS. Do komunikacji może być stosowana jedna podnośna lub dwie, zależnie od
protokółu zdefiniowanego przez VCD. Karta VICC powinna obsługiwać oba protokóły.
Jeżeli jest używana jedna podnośna, to częstotliwość modulacji obciążenia powinna wynosić
fS = fC/32 = 423,75 kHz.
Jeżeli są używane dwie podnośne, to częstotliwość fS1 powinna wynosić fC/32 = 423,75 kHz,
a częstotliwość fS2 powinna wynosić fC/28 = 484,28 kHz. Jeżeli używane są dwie podnośne,
to w momencie zmiany częstotliwości powinna być zachowana ciągłość fazy.
Zaprojektowano dwie szybkości transmisji danych z VICC do VCD, por. tab. 3-3. Karta
powinna obsługiwać wszystkie te szybkości.
– str. 92 z 187 –
Tab. 3-3: Szybkości transmisji kart dystansowych
Szybkość transmisji
Pojedyncza podnośna
Dwie podnośne
Mała
6,62 kbit/s (fC/2048)
6,67 kbit/s (fC/2032)
Duża
26,48 kbit/s (fC/512)
26,69 kbit/s (fC/508)
W przypadku małej szybkości czas bitu jest 4-krotnie większy niż w przypadku szybkości
dużej. Szybkość ustala VCD przesyłając odpowiedni nagłówek zgodnie z protokółem
opisanym w ISO/IEC 15693-3 [12].
W przypadku stosowania jednej podnośnej dane są kodowane w ten sposób, że:
"0" jest kodowane w postaci 8 impulsów o częstotliwości 423,75 (kHz) (fC/32), po których
następuje okres 18,88 µs (256/fC) bez modulacji, rys. 3-14 a);
"1" jest kodowane jako okres 18,88 µs (256/fC) bez modulacji, po którym następuje 8
impulsów o częstotliwości 423,75 (kHz) (fC/32), rys. rys. 3-14 b).
W przypadku stosowania dwóch podnośnych:
"0" jest kodowane w postaci 8 impulsów o częstotliwości 423,75 (kHz) (fC/32), po których
następuje 9 impulsów częstotliwości 484,28 kHz (fC/28), 3-15 a);
"1" rozpoczyna 9 impulsów częstotliwości 484,28 kHz (fC/28), po których następuje 8
impulsów o częstotliwości 423,75 kHz (fC/32), 3-15 b).
a) kodowanie bitu "0"
b) kodowanie bitu "1"
Rys. 3-14: Komunikacja VICC z VCD – kodowanie danych z jedną podnośną
a) kodowanie bitu "0"
b) kodowanie bitu "1"
Rys. 3-15: Komunikacja VICC z VCD – kodowanie danych z dwoma podnośnymi
– str. 93 z 187 –
Dla potrzeb synchronizacji transmisji zdefiniowano kombinacje początku ramki (SOF)
i końca ramki (EOF).
W ISO/IEC 15693-3 [12] opisano protokół i polecenia, parametry konieczne do inicjalizacji
komunikacji między VICC i VCD, metody detekcji i komunikacji z jedną kartą spośród wielu
(unikanie kolizji), opcjonalne środki ułatwiające i przyspieszające wybór jednej spośród wielu
kart.
Karta jest jednoznacznie identyfikowana przez jej unikalny 64-bitowy numer (UID). UID jest
wykorzystywany do indywidualnego adresowania karty podczas wykonywania pętli
antykolizyjnej i do komunikacji między VCD i kartą. UID ma postać jak na rys. 3-16.
MSB
64
"E0"
57 56
49 48
Kod producenta
48-bitowy nadawany przez producenta numer
seryjny układu scalonego
LSB
1
Rys. 3-16: Struktura adresu karty
Jednym z interesujących rozwiązań zdefiniowanych w ISO/IEC 15693-3 jest identyfikator
rodziny aplikacji (application family identifier, AFI). AFI może być zaprogramowany
w układzie scalonym karty i zablokowany. Jest kodowany jako jeden bajt, podzielony na dwa
półbajty (nibbles) po 4 bity.
Bardziej znaczący półbajt AFI jest używany do kodowania jednej wybranej rodziny lub
wszystkich rodzin aplikacji, jak podano w tab. 3-4. Mniej znaczący półbajt AFI jest używany
do kodowania jednej wybranej lub wszystkich podrodzin aplikacji. Kody podrodziny różne od
0 oznaczają rozwiązania stanowiące własność firmową. Stosowanie AFI eliminuje odpowiedzi
kart VICC, które nie obsługują żądanej aplikacji, rys. 3-17.
Obsługa AFI przez karty (VICC) jest opcjonalna. Jeżeli karta nie obsługuje AFI, a czytnik
wysyła polecenie AFI, karta nie powinna odpowiadać niezależnie od tego, jaka wartość AFI
jest żądana. Jeżeli karta obsługuje AFI, powinna odpowiadać zgodnie z regułami
zdefiniowanymi w tab. 3-4 i na rys. 3-17.
– str. 94 z 187 –
Tab. 3-4: Kodowanie rodziny aplikacji karty (AFI)
Bardziej znaczący
półbajt AFI
Mniej znaczący
półbajt AFI
Znaczenie
odpowiedzi VICC
"0"
"0"
Wszystkie rodziny
i podrodziny
X
"0"
Wszystkie podrodziny Wstępny wybór rodziny
z rodziny X
aplikacji
X
Y
Tylko podrodzina Y
z rodziny X
"0"
Y
Tylko firmowa
podrodzina Y
z rodziny X
"1"
"0", Y
Transport
Przewozy masowe,
autobusy, linie lotnicze
"2"
"0", Y
Finanse
Bankowość, handel
detaliczny
"3"
"0", Y
Identyfikacja
Kontrola dostępu
"4"
"0", Y
Telekomunikacja
Publiczne telefony
"5"
"0", Y
Medycyna
"6"
"0", Y
Multimedia
"7"
"0", Y
Gry
"8"
"0", Y
Gromadzenie danych
"9"
"0", Y
Zarządzanie
przedmiotami,
inwentaryzacja
"A"
"0", Y
Przesyłki ekspresowe
"B"
"0", Y
Usługi pocztowe
"C"
"0", Y
Bagaże linii lotniczych
"D"
"0", Y
"E"
"0", Y
"F"
"0", Y
Uwaga: X = "1" do "F"; Y = "1" do "F "
Przykłady / uwagi
Bez wstępnego wyboru
aplikacji
Usługi internetowe
Przenośne zbiory
– str. 95 z 187 –
Rys. 3-17: Schemat decyzyjny karty odnośnie AFI
Uwaga. "Odpowiedź" oznacza, że karta powinna odpowiedzieć na polecenie czytnika
3.3.2
Badania zgodności z normą ISO/IEC 15693-2
W normie ISO/IEC 10373-7 [17] do testowania zgodności interfejsu radiowego kart
dystansowych i czytników takich kart z normą ISO/IEC 15693-2 zaleca się stosowanie
następującej aparatury:
a)
b)
c)
d)
Cewki kalibracyjnej (calibration coil);
Testowego urządzenia sprzęgającego (test VCD assembly);
Wzorcowych kart dystansowych (reference VICC);
Cyfrowego oscyloskopu próbkującego (digital sampling oscilloscope).
Jeżeli nie podano inaczej, to badania należy przeprowadzać w temperaturze 23° ±3°C przy
wilgotności względnej 40% do 60%. Odnośnie parametrów zakłada się tolerancję 5%.
– str. 96 z 187 –
3.3.2.1 Cewka kalibracyjna
Cewka kalibracyjna powinna mieć wymiary zewnętrzne standardowej karty ISO/IEC 7810
typu ID-1: 85,60 mm × 53,98 mm i grubość 0,76 mm ±10%.
Cewka ta powinna być wykonana techniką obwodów drukowanych (PCB), z warstwą miedzi
o grubości 35 µm, jako pojedynczy zwój 72 mm (±2%) × 42 mm (±2%), naroża o promieniu
5 mm, umieszczony współosiowo w konturze obudowy karty, rys. 3-18. Ścieżka powinna
mieć szerokość 500 µm ±20%, a dwa pola kontaktowe wymiary 1,5 mm × 1,5 mm.
Przy częstotliwości 13,56 MHz znamionowa indukcyjność tej cewki powinna wynosić
200 nH, a znamionowa rezystancja 0,25 Ω.
Rys. 3-18: Cewka kalibracyjna
Do badań napięcia na otwartym obwodzie cewki kalibracyjnej należy używać oscyloskopu
o impedancji wejściowej większej niż 1 MΩ i pojemności wejściowej mniejszej niż 14 pF.
Częstotliwość rezonansowa zestawu pomiarowego złożonego z cewki kalibracyjnej,
przewodów i sondy oscyloskopu powinna być większa niż 60 MHz.
Współczynnik kalibracji opisanej cewki, definiowany jako napięcie na otwartym obwodzie
mierzone w polu magnetycznym o natężeniu 1 A/m rms, wynosi 0,32 V rms (0,90 Vpp).
3.3.2.2 Testowe urządzenie sprzęgające
Testowe urządzenie sprzęgające (test VCD assembly) składa się z anteny urządzenia
sprzęgającego (anteny VCD) i dwóch umieszczonych równolegle cewek czujnika pola
magnetycznego: cewki "a" i cewki "b". Schemat tej aparatury pokazano na rys. 3-19. Cewki
czujnika są połączone w ten sposób, że napięcie indukowane w jednej ma przeciwną fazę niż
napięcie indukowane w drugiej. Potencjometr P1 (50 Ω) połączony szeregowo z dwoma
rezystorami 220 Ω służy do ustawienia punktu równowagi, gdy cewki nie są obciążone przez
badaną kartą (VICC-DUT) lub inny sprzężony z nimi obwód magnetyczny. Pojemność
obciążenia wnoszona przez sondę oscyloskopu do układu pomiarowego powinna być
mniejsza niż 14 pF.
– str. 97 z 187 –
Rys. 3-19: Schemat elektryczny z testowego urządzenia sprzęgającego
Cewka anteny VCD powinna mieć średnicę 150 mm, a jej konstrukcja powinna być zgodna
z objaśnieniami na rys. 3-20 i rys. 3-21.
Rys. 3-20: Widok (z góry) cewki anteny VCD wykonanej techniką obwodu drukowanego
Uwagi. Szerokość ścieżki cewki antenowej wynosi 1,8 mm.
Rozpoczynając od sieci dopasowującej impedancję przejścia między warstwami obwodu
drukowanego następują co 45º.
Materiał PCB: płytka z żywicy epoksydowej FR4 o grubości 1,6 mm, dwustronnie foliowana
miedzią o grubości 35 µm.
– str. 98 z 187 –
Rys. 3-21: Widok (od spodu) PCB cewki anteny VCD
Impedancja cewki antenowej VCD powinna być dopasowana do 50 Ω impedancji generatora
(lub wzmacniacza) wytwarzającego sygnał RF o częstotliwości 13,56 MHz. Schemat sieci
dopasowującej przedstawia rys. 3-22. Kondensatory C1, C2, C3 i C4 mają określone wartości.
Układ jest dostrajany za pomocą kondensatora C5. Sposób dostrajania obwodu i dopasowania
anteny VCD do impedancji generatora objaśniono na rys. 3-23.
Lista elementów:
Element
Wartość
C1
39 pF
C2
8,2 pF
C3
180 pF
C4
33 pF
C5
2-27 pF
Rext
5 × 4,7 Ω (równolegle)
Rys. 3-22: Sieć dopasowująca impedancję cewki anteny VCD do 50 Ω
– str. 99 z 187 –
Rys. 3-23 a): Kalibracja sieci dopasowującej (krok 1)
Rys. 3-23 b): Kalibracja sieci dopasowującej (krok 2)
Krok. 1. Rys. 3-23 a). Precyzyjny wzorcowy rezystor 50 Ω jest włączony szeregowo
z przewodem uziemiającym między wyjściem generatora i zaciskami układu
kalibracyjnego do przyłączenia sieci dopasowującej antenę VCD. Dwie sondy
oscyloskopu są dołączone odpowiednio: jedna równolegle do wyjścia generatora,
a druga równolegle do szeregowego rezystora 50 Ω. Oscyloskop jest ustawiony do
wyświetlania sygnałów z wejścia Y (odchylanie pionowe) i z wejścia X (odchylanie
poziome). Generator sygnałowy jest ustawiony do wytwarzania przebiegu
sinusoidalnego o częstotliwości 13,56 MHz i napięciu 2 V – 5 V rms. Do zacisków
wyjściowych układu kalibracyjnego jest dołączony drugi precyzyjny rezystor
50 Ω ±1%. Sonda oscyloskopu włączona równolegle do rezystora wzorcowego ma
małą pojemność (Csondy). Kondensator Ccal włączony równolegle do zacisków
wyjściowych służy do kompensacji wpływu pojemności Csondy na charakterystykę
– str. 100 z 187 –
fazową dzielnika napięcia. Pojemność ta jest skompensowana (Ccal = Csondy), gdy
figura Lissajous na ekranie oscyloskopu z elipsy zmienia się w odcinek prostej.
Uwaga: Przewód uziemiający sondę powinien być jak najbliżej sondy, aby
minimalizować napięcia indukowane.
Krok. 2. Zachowując nastawy uzyskane w kroku 1 należy do wyjścia układu kalibracyjnego
dołączyć wejście sieci dopasowującej impedancję anteny, rys. 3-23 b). Za pomocą
kondensatora C5 na płytce anteny VCD należy sieć dostroić do uzyskania fazy
równej 0, co następuje gdy figura Lissajous na ekranie oscyloskopu jest odcinkiem
prostej.
Identyczne cewki czujnika pola magnetycznego ("a" i "b") powinny mieć rozmiar
100 × 70 mm, a ich konstrukcja powinna być zgodna z opisem na rys. 3-24.
Rys. 3-24: Konstrukcja cewek czujnika pola
Uwagi. Cewki należy wykonać techniką obwodów drukowanych.
Materiał PCB: płytka z żywicy epoksydowej FR4 o grubości 1,6 mm, foliowana miedzią
o grubości 35 µm.
Szerokość ścieżki 0,5 mm ±20%.
Podane wymiary cewek odnoszą się do wymiarów zewnętrznych.
W testowym urządzeniu sprzęgającym do badań kart dystansowych (test VCD assembly)
cewki czujnika pola ("a" i "b") oraz cewka antenowa VCD powinny być ustawione
współosiowo i równolegle, w taki sposób, aby odległość między aktywnymi przewodami
wynosiła 100 mm, rys. 3-25 i rys. 3-26.
– str. 101 z 187 –
Rys. 3-25: Ustawienie cewek czujnika względem cewki antenowej
Rys. 3-26: Rozmieszczenie elementów testowego urządzenia sprzęgającego (VCD)
Uwaga: Odległość 100 mm między cewkami czujnika pola a anteną VCD (wymagana do badania
kart dystansowych), odpowiada największej odległości odczytu i pozwala pomijać
pasożytnicze efekty, takie jak rozstrojenie z bliskiej odległości lub niejednoznaczności
powodowane przez szum i inne wpływy środowiska.
3.3.2.3 Wzorcowe karty dystansowe
Wzorcowe karty dystansowe (wzorcowe VICC) zdefiniowano w celu testowania czytnika
(VCD) pod względem:
− wytwarzanego natężenia pola (sprawdzenie wartości Hmin i Hmax określonych w normie
ISO/IEC 15693);
− zdolności do zasilania VICC;
− zdolności do detekcji minimalnego sygnału modulacji obciążenia przez VICC.
Wzorcowa VICC powinna składać się z obszaru zawierającego cewkę, którego wymiary
powinny być zgodne ze zdefiniowanymi w normie ISO/IEC 7810 dla konturu karty typu ID1, jak na rys. 3-27, a grubości równa 0,76 mm ±10%. Na zewnątrz tego obszaru powinien
– str. 102 z 187 –
znajdować się układ, który emuluje wymagane funkcje VICC, przyłączony w ten sposób, aby
umożliwiał przysunięcie karty cewek testowego VCD lub anteny badanego czytnika i nie
powodował zakłóceń w pomiarach.
Rys. 3-27. Wymiary wzorcowej karty dystansowej (VICC)
Cewka wzorcowej VICC powinna być wykonana techniką obwodów drukowanych (PCB)
z warstwą miedzi o grubości 35 µm jako 4 zwoje o wymiarze zewnętrznym 72 mm (±2%)
× 42 mm (±2%), umieszczone współosiowo w konturze obudowy karty. Szerokość ścieżek
i odległość między nimi powinny wynosić 500 µm ±20%. Przy częstotliwości 13,56 MHz jej
znamionowa indukcyjność powinna wynosić 3,5 µH, a znamionowa rezystancja 1 Ω.
Układ wzorcowej VICC do badania natężenia pola (Hmax i Hmin) wytwarzanego przez VCD
i zdolności VCD do zasilania VICC składa się z elementów przedstawionych na schemacie
rys. 3-28 i opisanych w p. 3.3.2.6.
Układ wzorcowej VICC do badania modulacji obciążenia składa się z elementów
przedstawionych na schemacie rys. 3-29 i opisanych w p. 3.3.2.7.
3.3.2.4 Cyfrowy oscyloskop próbkujący
Cyfrowy oscyloskop powinien próbkować mierzony sygnał z szybkością co najmniej
100 Mpróbek/s z rozdzielczością co najmniej 8 bitów. Dla ułatwienia przetwarzania wyników
pomiaru za pomocą zewnętrznego oprogramowania stosowany oscyloskop powinien
umożliwiać uzyskanie wyników w postaci pliku tekstowego.
3.3.2.5 Badania funkcjonalne karty dystansowej
Celem badania jest wyznaczenie amplitudy modulacji obciążenia powodowanej przez badaną
kartę (VICC) w zakresie natężenia pola aktywującego, określonym w normie ISO/IEC 15693-2.
Procedura badania składa się z następujących czynności.
Krok 1. Należy zastosować testowe urządzenia sprzęgające (testowe VCD), którego schemat
przedstawiono na rys. 3-19, którego elementy są umieszczone jak na rys. 3-26.
Bez DUT (VICC) prąd anteny VCD należy wyregulować tak, by uzyskać wymagane
natężenie pola magnetycznego mierzone za pomocą cewki kalibracyjnej. Do wyjścia
testowego urządzenia sprzęgającego należy dołączyć sondę oscyloskopu.
Potencjometr należy wyregulować tak, by uzyskać minimum pozostałości fali
nośnej. Ten sygnał powinien mieć amplitudę co najmniej 40 dB mniejszą niż
amplituda sygnału uzyskiwanego wskutek zwarcia jednej z cewek czujnika.
Krok 2. Badaną kartę dystansową (DUT = VICC) należy umieścić współosiowo z cewką "a"
czujnika pola. Prąd anteny VCD należy ponownie wyregulować w celu uzyskania
wymaganego natężenia pola. Przebieg podnośnej modulującej obciążenie anteny
powinien być próbkowany z szybkością co najmniej 100 Mpróbek/s.
Dokładnie dwa okresy podnośnej próbkowanego przebiegu modulacji należy
przetworzyć stosując dyskretną transformatę Fouriera. Aby zminimalizować skutki
– str. 103 z 187 –
stanów przejściowych, nie należy wybierać fragmentu przebiegu następującego
bezpośrednio po okresie bez modulacji.
Polecenia, które powinien wysyłać zestaw VCD (symulator czytnika) w celu
spowodowania modulacji obciążenia przez badaną kartę, powinny być takie jak
zdefiniowano w normie ISO/IEC 15693-3.
W przypadku dwóch częstotliwości podnośnych opisaną procedurę należy powtórzyć dla
drugiej podnośnej. Amplitudy dwóch wstęg bocznych górnych fC + fS1 i fC + fS2 i dwóch
dolnych fC – fS1 i fC – fS2 powinny być większe niż wartości minimalne określone w normie
ISO/IEC 15693-2. Uzyskane wyniki należy zapisać w sprawozdaniu z badań.
3.3.2.6 Badania natężenia pola i zdolności do zasilania kart
Celem badania jest wyznaczenie natężenia pola wytworzonego przez badany czytnik
w określonej strefie działania, a także stwierdzenie, że natężenie pola nie jest większe niż
wartość określona w normie ISO/IEC 15693-2. Do sprawdzenia, że badany VCD może
przekazywać wymaganą energię w każdym miejscu w jego strefie działania, wykorzystuje się
wzorcową VICC.
Procedura badania (por. rys. 3-28):
1. Należy dostroić kartę wzorcową (VICC) do częstotliwości 13,56 MHz.
Uwaga. Częstotliwość rezonansową VICC należy określić wykorzystując analizator
impedancji lub miernik LCR dołączony do cewki kalibracyjnej. Cewkę VICC należy
umieścić przy cewce kalibracyjnej, tak blisko jak to możliwe, tak by ich osie się
pokrywały. Przy częstotliwości rezonansowej impedancja obwodu PICC ma wartość
maksymalną.
2. Należy ustawić zworę J1 w pozycji "b", aby dołączyć R2.
3. Umieścić wzorcową VICC w strefie działania badanego czytnika.
4. Napięcie VDC mierzone na rezystorze R3 za pomocą woltomierza o dużej impedancji nie
powinno przekraczać 3 V, gdy rezystorem włączonym równolegle do cewki L jest R2,
a natężenie pola wynosi Hmax.
Lista elementów
Wartość
Por. opis p. 3.3.2.3
i rys. 3-27
C1
pojemność rozproszona
układu ≈ 5 pF
C2
trymer 2 … 10 pF
C3
27 pF
C4
10 nF
D1, D2, D3, D4 BAR43 lub równoważna
R1
11 kΩ
R2
91 Ω
R3
100 kΩ
Element
L (cewka)
Rys. 3-28: Schemat układu elektrycznego wzorcowej VICC do badania zasilania
Podobną procedurę stosuje się w przypadku badania minimalnego natężenia pola Hmin:
1. Należy dostroić wzorcową VICC do częstotliwości 13,56 MHz.
2. Ustawić zworę J1 w pozycji "a", aby dołączyć R1.
– str. 104 z 187 –
3.
4.
Umieścić wzorcową VICC w strefie działania badanego czytnika.
Napięcie VDC mierzone na rezystorze R3 za pomocą woltomierza o dużej impedancji nie
powinno przekraczać 3 V, gdy rezystorem włączonym równolegle do cewki L jest R1,
a natężenie pola wynosi Hmin.
3.3.2.7 Indeks modulacji i kształt przebiegu
Celem testu jest wyznaczenie indeksu modulacji pola wytwarzanego przez badany czytnik
(VCD), a także pomiar czasu narastania, czasu opadania i chwilowych wartości przetężenia.
Cewkę kalibracyjną należy umieścić w dowolnym miejscu w przestrzeni roboczej badanego
VCD. Parametry modulowanego przebiegu należy określić obserwując za pomocą
odpowiedniego oscyloskopu napięcie indukowane w cewce kalibracyjnej.
3.3.2.8 Odbiór modulacji obciążenia
To badanie można wykonać w celu sprawdzenia, czy badany czytnik (VCD) prawidłowo
odbiera modulację obciążenia wymuszaną przez VICC zgodnie z normą ISO/IEC 15693-2.
Zakłada się, że badany czytnik wyposażono w środki wskazujące poprawny odbiór podnośnej
(podnośnych) wytworzonych przez testową VICC.
Na rys. 3-29 przedstawiono schemat układu, który może być zastosowany do określenia
czułości czytnika na modulację obciążenia w obrębie jego strefy działania.
– str. 105 z 187 –
Lista elementów
Wartość
R1
11 kΩ
R2
91 Ω
R3
100 kΩ
D1, D2, D3, D4
BAR43 lub równoważna
L
Por. opis p. 3.3.2.3 i rys. 3-27
C1
pojemność rozproszona ≈ 5 pF
C2
2 … 10 pF
C3
27 pF
C4
10 nF
N1, N2
tranzystor N-MOS,
o małej pojemności pasożytniczej
Rmod1, Rmod2
będzie zdefiniowany
Cmod1, Cmod2
będzie zdefiniowany
Element
Rys. 3-29: Schemat układu wzorcowej VICC do badania modulacji obciążenia
3.3.3
Karty zbliżeniowe – norma ISO/IEC 14443
Norma ISO/IEC 14443 dotyczy bezstykowych kart zbliżeniowych (Proximity Card,
Proximity Integrated Circuits Card, PICC) oraz urządzeń przeznaczonych do odczytu / zapisu
tego rodzaju kart (Proximity Coupling Device, PCD) – czytników, które wykorzystują
sprzężenie indukcyjne do przekazywania energii do zasilania kart, a także nadzorują wymianę
danych z kartami.
Norma ISO/IEC 14443 składa się z czterech części:
− Part 1: Physical characteristics [13] – właściwości fizyczne;
− Part 2: Radio frequency power and signal interface [14] – zasilanie RF i interfejs
sygnałowy;
− Part 3: Initialization and anticollision [15] – inicjacja i protokół antykolizyjny;
− Part 4: Transmission protocols [16] – protokóły transmisyjne.
Ponieważ w strefie odczytu czytnika (PCD) może znajdować się więcej niż jedna karta
(PICC), to komunikacja między czytnikiem i kartą zbliżeniową powinna odbywać się wg
następującej procedury:
− aktywacja PICC (każdej, która jest w zasięgu) polem RF wytwarzanym przez PCD;
− PICC milcząc oczekuje na polecenie PCD;
− wysłanie polecenia przez PCD;
− wysłanie odpowiedzi przez PICC.
3.3.3.1 Parametry interfejsu radiowego
Przesłanie energii zasilania do karty (PICC) odbywa się w wyniku sprzężenia anteny karty
z anteną czytnika (PCD). W celu przesłania poleceń z PCD do PICC pole RF aktywujące
PICC wytwarzane przez PCD jest modulowane.
Częstotliwość pola aktywującego (fC) wynosi 13,56 MHz ±7 kHz. Minimalne wymagane
natężenie niemodulowanego pola aktywującego wynosi Hmin = 1,5 A/m rms, a maksymalne
wynosi Hmax = 7,5 A/m rms. PICC powinna działać zgodnie z przeznaczeniem przy każdej
wartości natężenia pola zawartej między Hmin a Hmax. Czytnik (PCD) powinien wytwarzać
– str. 106 z 187 –
pole o natężeniu nie mniejszym niż Hmin i nie większym niż Hmax. W normie nie określono
sposobu generowania pola i realizacji sprzężenia indukcyjnego.
Czytnik powinien być w stanie zasilać każdą pojedynczą wzorcową PICC (zdefiniowaną
w normie ISO/IEC 10373-6 [18] dotyczącej badań) w strefie działania określonej przez
producenta.
3.3.3.2 Interfejsy komunikacyjne
W normie ISO/IEC 14443-2 [14] opisano dwie wersje interfejsu komunikacyjnego: Typ A
i typ B. W czasie jednej sesji komunikacyjnej tylko jeden z nich może być aktywny aż do
dezaktywacji (wyłączenia) pola przez PCD lub usunięcia PICC z pola. Następna sesja może
przebiegać z wykorzystaniem każdego z tych typów.
Na rys. 3-30 wyjaśniono koncepcję komunikacji w obu typach w kierunku czytnik do karty
(PCD do PICC) i w kierunku karta do czytnika (PICC do PCD).
Rys. 3-30: Przykład sygnałów komunikacyjnych dla interfejsów typu A i typu B
3.3.3.3 Interfejs typu A
Do komunikacji czytnika (PCD) z kartą (PICC) wykorzystuje się modulację (kluczowanie)
amplitudy wytwarzanego pola ASK z indeksem 100%. Obwiednia pola wytwarzanego przez
PCD powinna zanikać monotonicznie do wartości mniejszej niż 5% wartości w stanie
ustalonym. Szybkość transmisji danych w trakcie inicjalizacji oraz poleceń antykolizyjnych
powinna wynosić fC/128, tj. ~106 kbit/s.
Karta (PICC) komunikuje się z czytnikiem (PCD) za pośrednictwem sprzężenia
indukcyjnego, zmieniając amplitudę obciążenia pola wytworzonego przez PCD
z częstotliwością podnośnej fS. Szybkość transmisji danych powinna wynosić fC/128,
tj. ~106 kbit/s.
Amplituda modulacji obciążenia powinna wynosić co najmniej 30/H1,2 mV (wartości
szczytowej), gdzie H oznacza natężenie pola magnetycznego w A/m rms, gdy metoda
pomiaru jest zgodna ze standardową, opisaną w ISO/IEC 10373-6.
Częstotliwość podnośnej wynosi fC/16 ≈ 847 kHz. Czas jednego bitu jest równy 8 okresom
podnośnej.
– str. 107 z 187 –
3.3.3.4 Interfejs typu B
Do komunikacji czytnika (PCD) z kartą (PICC) wykorzystuje się modulację (kluczowanie)
amplitudy wytwarzanego pola ASK z indeksem 10%. Indeks modulacji powinien wynosić
minimum 8% a maksimum 14%. Dane są kodowane w formacie NRZ-L, przy czym poziomy
logiczne są definiowane jak następuje:
"1" – większa amplituda pola fali nośnej (amplituda fali niemodulowanej);
"0" – mniejsza amplituda fali nośnej.
Szybkość transmisji danych w trakcje inicjalizacji oraz poleceń antykolizyjnych powinna
wynosić fC/128, tj. ~106 kbit/s.
Karta (PICC) komunikuje się z czytnikiem (PCD) za pośrednictwem sprzężenia
indukcyjnego, zmieniając obciążenie pola wytworzonego przez PCD z częstotliwością
podnośnej fS. Szybkość transmisji danych powinna wynosić fC/128, tj. ~106 kbit/s.
Amplituda modulacji obciążenia powinna wynosić co najmniej 30/H1,2 mV (wartość
szczytowa), gdzie H oznacza natężenie pola magnetycznego w A/m rms, gdy metoda pomiaru
jest zgodna ze standardową, opisaną w ISO/IEC 10373-6.
Częstotliwość podnośnej wynosi fC/16 ≈ 847 kHz. Czas jednego bitu jest równy 8 okresom
podnośnej. Faza podnośnej jest modulowana sygnałem binarnym. Zmiana fazy następuje
w znamionowym momencie narastającego lub opadającego zbocza podnośnej, rys. 3-31. Bity
są kodowane NRZ-L, przy czym zmiana stanu logicznego jest odwzorowywana przez zmianę
fazy podnośnej o 180°.
Rys. 3-31: Zmiany fazy (przełączanie obciążenia z częstotliwością podnośnej)
3.3.3.5 Minimalna strefa odczytu karty zbliżeniowej
Antena PICC może mieć dowolny kształt i lokalizację, ale powinna obejmować strefę
przedstawioną na rys. 3-32.
– str. 108 z 187 –
Rys. 3-32: Minimalna strefa odczytu karty zbliżeniowej PICC
3.3.3.6 Protokóły detekcji kolizji i komunikacyjne
W ISO/IEC 14443-3 [15] zdefiniowano dwa protokóły detekcji kolizji danych:
− typ A odnoszący się do PICC typu A;
− typ B odnoszący się do PICC typu B.
Protokóły te różnią się formatem ramki i zależnościami czasowymi.
W ISO/IEC 14443-4 [16] zdefiniowano inny protokół transmisji półdupleksowej wraz
z poleceniami uaktywnienia i dezaktywacji działania zgodnego z tym protokółem. Protokół
ten może być stosowany z kartami typu A i typu B.
3.3.4
Badania zgodności z normą ISO/IEC 14443-2
W normie ISO/IEC 10373-6 [18] do testowania zgodności interfejsu radiowego kart
zbliżeniowych i czytników takich kart z normą ISO/IEC 14443-2 zaleca się stosowanie
następującej aparatury:
a)
b)
c)
d)
Cewki kalibracyjnej (calibration coil);
Testowego urządzenia sprzęgającego (test PCD assembly);
Kart wzorcowych (reference PICC);
Cyfrowego oscyloskopu próbkującego (digital sampling oscilloscope).
Jeżeli nie podano inaczej, to badania należy przeprowadzić w temperaturze 23° ±3°C przy
wilgotności względnej 40% do 60%.Odnośnie parametrów zakłada się tolerancję 5%.
3.3.4.1 Cewka kalibracyjna
Konstrukcja cewki kalibracyjnej i wymagania odnośnie jej parametrów są identyczne, jak
w przypadku cewki opisanej w ISO/IEC 10373-7, por. p. 3.3.2.1 i rys. 3-18.
3.3.4.2 Testowe urządzenie sprzęgające
Testowe urządzenie sprzęgające (test PCD assembly) składa się z anteny urządzenia
sprzęgającego (anteny PCD) i dwóch umieszczonych równolegle cewek czujnika pola
magnetycznego: cewki "a" i cewki "b". Schemat tej aparatury pokazano na rys. 3-33. Cewki
czujnika są połączone w ten sposób, że napięcie indukowane w jednej ma przeciwną fazę niż
napięcie indukowane w drugiej. Potencjometr P1 (50 Ω) połączony szeregowo z dwoma
rezystorami 220 Ω służy do ustawienia punktu równowagi, gdy cewki nie są obciążone przez
– str. 109 z 187 –
badaną kartę (PICC) lub inny sprzężony z nimi obwód magnetyczny. Pojemność obciążenia
wnoszona przez sondę oscyloskopu powinna być mniejsza niż 14 pF.
Rys. 3-33: Schemat elektryczny testowego urządzenia sprzęgającego
Konstrukcja cewki anteny PCD jest identyczna z konstrukcją cewki anteny VCD
przedstawionej w p. 3.3.2.2 na rys. 3-20 i rys. 3-21.
Sposób dopasowania cewki anteny PCD i schemat sieci dopasowującej tę antenę do
impedancji generatora (50 Ω) są takie, jak w przypadku urządzenia sprzęgającego opisanego
w p. 3.3.2.2.
Dwie cewki czujnika pola magnetycznego ("a" i "b") są takie, jak w przypadku urządzenia
sprzęgającego opisanego w p. 3.3.2.2.
Różnica między urządzeniem sprzęgającym do badań kart dystansowych (VICC) opisanym
w p. 3.3.2.2 a urządzeniem sprzęgającym do badań kart zbliżeniowych (PICC) dotyczy
odległości między płaszczyznami cewek czujnika pola ("a" i "b") i cewki antenowej. Do
badania kart zbliżeniowych (DUT = PICC) cewki powinny być ustawione współosiowo
i równolegle w taki sposób, aby odległość między ich aktywnymi przewodami wynosiła
37,5 mm, rys. 3-34. Natomiast w przypadku urządzenia sprzęgającego do badań kart
dystansowych znormalizowana odległość wynosi 100 mm, por. rys. 3-26.
Rys. 3-34: Rozmieszczenie elementów testowego urządzenia sprzęgającego (testowego PCD)
– str. 110 z 187 –
3.3.4.3 Wzorcowe karty zbliżeniowe
Wzorcowe karty zbliżeniowe (wzorcowe PICC) zdefiniowano w celu testowania czytnika
(PCD) pod względem:
− wytwarzanego natężenia pola (sprawdzenie wartości Hmin i Hmax określonych w normie
ISO/IEC 14443);
− zdolności do zasilania PICC;
− zdolności do detekcji minimalnego sygnału modulacji obciążenia przez PICC.
Wzorcowa PICC powinna składać się z obszaru zawierającego cewkę, którego wymiary
powinny być zgodne ze zdefiniowanymi w normie ISO/IEC 7810 dla konturu karty typu ID-1,
jak na rys. 3-27 a grubości równa 0,76 mm ±10%. Konstrukcja cewki wzorcowej PICC jest
identyczna z konstrukcją cewki wzorcowej VICC opisanej w p. 3.3.2.3. Na zewnątrz tego
obszaru powinien znajdować się układ, który emuluje wymagane funkcje PICC, przyłączony
w ten sposób, aby umożliwiał przysunięcie karty do cewek testowego PCD lub anteny
badanego czytnika i nie powodował zakłóceń w pomiarach.
Schemat elektryczny układu wzorcowej PICC do badania natężenia pola (Hmax i Hmin)
wytwarzanego przez PCD i zdolności PCD do zasilania PICC przedstawiono na rys. 3-35.
Rezystor R1 lub R2 jest wybierany za pomocą zwory J1. Obwód antenowy PICC jest
dostrajany do rezonansu za pomocą kondensatora CV1.
Lista elementów:
Element
Wartość
L (cewka)
Por. opis p. 3.3.2.3
i rys. 3-27
CV1
6-60 pF
C3
10 nF
D1, D2, D3, D4
BAR43 lub równoważna
R1
1,8 kΩ (5 mW)
R2
0 - 5 kΩ
Rys. 3-35: Schemat układu elektrycznego wzorcowej PICC
zalecanej do badania natężenia pola PCD lub zasilania PICC
Schemat elektryczny układu karty wzorcowej PICC do badania modulacji obciążenia
przedstawiono na rys. 3-36. Modulacja obciążenia, zależnie od pozycji zwor J1 i J2, może
mieć charakter rezystancji lub pojemności.
– str. 111 z 187 –
Lista elementów o wartościach zgodnie z wymaganiami emulacji:
Element
Funkcja
Wartość
R1
ustalanie Q (dobroci)
0 – 10 Ω
CV1
dostrajanie do rezonansu
wg wymagań
Cmod1, Cmod2
modulacja pojemnościowa
3,3 – 10 pF
Rmod1, Rmod2
modulacja rezystancją
400 Ω – 12 kΩ
R6
prąd bocznika
10 Ω – 5 kΩ
D5
napięcie bocznika
2,7 – 15 V
Lista elementów (stała):
Element
Wartość
R2
1 MΩ
R3
1 MΩ
R4
1 MΩ
R5
1 MΩ
D1, D2, D3, D4
BAR43 lub równoważna
L
Por. opis p. 3.3.2.3
i rys. 3-27
CV1
6-60 pF
C1
100 pF
C2
10 nF
74HC03A
wyjście z otwartym drenem,
10 pF maksymalna pojemność
wyjściowa do ziemi
Rys. 3-36: Schemat układu elektrycznego wzorcowej VICC do badania modulacji obciążenia
Wzorcowe PICC powinny
przedstawionego na rys. 3-34.
być
kalibrowane
z
wykorzystaniem
testowego
PCD
3.3.4.4 Cyfrowy oscyloskop próbkujący
Wymagania są takie same, jak zdefiniowane w p. 3.3.2.4.
3.3.4.5 Pomiary natężenie pola PCD
Celem testu jest wyznaczenie natężenia pola wytwarzanego przez badany czytnik (PCD)
w określonej strefie działania, a także stwierdzenie, że natężenie wytworzonego pola nie jest
większe niż wartość maksymalna zdefiniowana w normie ISO/IEC 14443-1.
Pomiar Hmax składa się z następujących kroków.
1. Należy wyregulować testowe urządzenie sprzęgające (test PCD assembly), rys. 3-34, do
wytwarzania w cewce kalibracyjnej pola magnetycznego o natężeniu Hmax.
2. Wzorcową PICC, przedstawioną na rys. 3-35, dostroić do częstotliwości 19 MHz.
Uwaga. Częstotliwość rezonansową PICC należy określić wykorzystując analizator
impedancji lub miernik LCR dołączony do cewki kalibracyjnej. Cewkę PICC należy
umieścić przy cewce kalibracyjnej, tak blisko jak to możliwe, tak by ich osie się
pokrywały. Przy częstotliwości rezonansowej impedancja obwodu PICC ma wartość
maksymalną.
3. Umieścić wzorcową PICC w testowym urządzeniu sprzęgającym w miejscu karty badanej
(DUT). Za pomocą zwory J1 dołączyć rezystor R2 i nastawić jego wartość tak, aby
– str. 112 z 187 –
napięcie VDC mierzone za pomocą woltomierza o dużej impedancji wynosiło 3 V.
Sprawdzać natężenie pola monitorując napięcie RF na cewce kalibracyjnej.
4. Umieścić wzorcową PICC w przestrzeni roboczej badanego PCD. Napięcie VDC mierzone
na rezystorze R2 nie powinno być większe niż 3 V.
Pomiar Hmin składa się z następujących kroków.
1. Należy wyregulować testowe urządzenie sprzęgające (test PCD assembly), rys. 3-34, do
wytwarzania w cewce kalibracyjnej pola magnetycznego o natężeniu Hmin.
2. Wzorcową PICC, przedstawioną na rys. 3-35, dostroić do częstotliwości 13,56 MHz.
3. Umieścić wzorcową PICC w testowym urządzeniu sprzęgającym w miejscu karty badanej
(DUT). Za pomocą zwory J1 dołączyć rezystor R2 i nastawić jego wartość tak, aby
napięcie VDC mierzone za pomocą woltomierza o dużej impedancji wynosiło 3 V.
Sprawdzać natężenie pola monitorując napięcie na cewce kalibracyjnej.
Umieścić wzorcową PICC w przestrzeni roboczej badanego PCD. Napięcie VDC mierzone
na rezystorze R2 nie powinno być większe niż 3 V.
3.3.4.6 Badania zdolności do zasilania kart
Celem testu jest określenie zdolności badanego czytnika (PCD) do zasilania karty (PICC)
umieszczonej gdziekolwiek w jego przestrzeni roboczej.
Do badania należy wykorzystać wzorcową PICC, przedstawioną na rys. 3-35, dostrojoną do
częstotliwości 13,56 MHz. Za pomocą zwory J1 należy dołączyć rezystor R1. Napięcie VDC
mierzone na tym rezystorze za pomocą woltomierza o dużej impedancji nie powinno być
większe niż 3 V.
Badanie należy powtórzyć dostrajając wzorcową PICC do częstotliwości 19 MHz.
3.3.4.7 Indeks modulacji i kształt przebiegu
Celem testu jest wyznaczenie indeksu modulacji pola wytwarzanego przez badany czytnik
(PCD), a także pomiar czasu narastania, czasu opadania i chwilowych wartości przetężenia.
Cewkę kalibracyjną należy umieścić w dowolnym miejscu w przestrzeni roboczej badanego
PCD. Parametry modulowanego przebiegu należy określić obserwując za pomocą
odpowiedniego oscyloskopu napięcie indukowane w cewce kalibracyjnej.
3.3.4.8 Odbiór modulacji obciążenia
Ten test można wykonać w celu sprawdzenia, czy badany czytnik (PCD) prawidłowo odbiera
modulację obciążenia powodowaną przez PICC zgodną z normą ISO/IEC 14443-2. Zakłada
się, że badany czytnik wyposażono w środki wskazujące prawidłowy odbiór podnośnej
wytwarzanej przez PICC.
Wzorcowa PICC do badania modulacji obciążenia, której układ przedstawiono na rys. 3-36,
może emulować rezystancyjną lub pojemnościową modulację obciążenia pola czytnika.
Wzorcowa PICC powinna być kalibrowana w testowym urządzeniu sprzęgającym (test PCD
assembly) przy zadanej wartości natężenia pola magnetycznego H takiej, jaka występuje
w miejscu, w którym ta PICC ma być umieszczona. Tę wartość natężenia pola H można
zmierzyć stosując cewkę kalibracyjną.
– str. 113 z 187 –
3.3.4.9 Badania funkcjonalne karty zbliżeniowej
Celem testu jest wyznaczenie amplitudy modulacji obciążenia przez badaną kartę (PICC)
w zakresie natężenia pola aktywującego, określonym w normie ISO/IEC 14443-2.
Procedura badania składa się z następujących czynności.
Krok 1. Należy zastosować testowe urządzenia sprzęgające (testowe PCD), którego schemat
przedstawiono na rys. 3-33, którego elementy są rozmieszczone jak na rys.3-34.
Prąd anteny PCD należy wyregulować tak, by uzyskać wymagane natężenie pola
magnetycznego mierzone za pomocą cewki kalibracyjnej, bez jakiejkolwiek PICC.
Do wyjścia testowego urządzenia sprzęgającego należy dołączyć sondę oscyloskopu.
Potencjometr należy wyregulować tak, by uzyskać minimum pozostałości fali
nośnej. Ten sygnał powinien mieć amplitudę co najmniej 40 dB mniejszą niż
amplituda sygnału uzyskiwanego wskutek zwarcia jednej z cewek czujnika.
Krok 2. Badaną kartę zbliżeniową (PICC) należy umieścić w miejscu DUT współosiowo
z cewką "a" czujnika pola. Prąd anteny PCD należy ponownie wyregulować w celu
uzyskania wymaganego natężenia pola. Co najmniej dwa okresy przebiegu
podnośnej należy zaobserwować za pomocą oscyloskopu i zapisać próbki w pliku do
późniejszej analizy za pomocą odpowiedniego programu.
Dokładnie dwa okresy podnośnej próbkowanego przebiegu modulacji należy
przetworzyć stosując dyskretną transformatę Fouriera. Aby zminimalizować skutki
stanów przejściowych, nie należy wybierać fragmentu przebiegu następującego
bezpośrednio po okresie bez modulacji.
Amplitudy dwóch wstęg bocznych fC + fS i fC – fS powinny być większe niż wartości
minimalne określone w normie ISO/IEC 14443-2. Uzyskane wyniki należy zapisać
w sprawozdaniu z badań.
Do uzyskania odpowiedzi badanej karty powodującej modulację obciążenia testowe PCD
powinno wysyłać odpowiednio polecenie REQA lub polecenie REQB zgodnie z normą
ISO/IEC 14443-3.
3.3.5
Komunikacja w polu bliskim (NFC)
Komunikacja w polu bliskim (Near Field Communication, NFC) jest to komunikacja między
dwoma urządzeniami bliskiego zasięgu z wykorzystaniem technik RFID stosowanych
w paśmie częstotliwości 13,56 MHz. Typowa odległość komunikacji wynosi 10 cm, a szybkość
komunikacji do 424 kbit/s.
Urządzenia NFC mogą pracować w trybie aktywnym lub trybie pasywnym. Przy czym
określenie:
– komunikacja w trybie aktywnym (Active Communications Mode) odnosi się do systemu,
w którym strona inicjująca i adresat wykorzystują do komunikacji pole RF wytwarzane
przez siebie;
– komunikacja w trybie pasywnym (Passive Communications Mode) odnosi się do
systemu, w którym strona inicjująca wytwarza pole RF, a adresat odpowiada na polecenia
strony inicjującej modulując obciążenie wytworzonego pola RF.
Urządzenie aktywne dostarcza energię potrzebną do komunikacji z urządzeniami pasywnymi,
podobnie jak w przypadku czytników bezstykowych kart identyfikacyjnych. Z tego względu
w systemie NFC co najmniej jedno z komunikujących się urządzeń musi działać w trybie
aktywnym. W urządzeniach ruchomych zasilanych z wbudowanej baterii w celu ograniczenia
– str. 114 z 187 –
mocy pobieranej z baterii są zwykle umieszczane elementy systemu NFC działające w trybie
pasywnym.
Systemy NFC są przedmiotem zainteresowania różnych instytucji i stowarzyszeń
publikujących dokumenty normalizacyjne: ISO/IEC, ETSI, ECMA i NFC-Forum.
Powiązania między podstawowymi standardami odnoszącymi się do NFC przedstawiono na
rys. 3-37.
Rys. 3-37: Standardy dotyczące technik NFC
Uwagi. 1.
2.
ECMA International [www.ecma-international.org] jest stowarzyszeniem przemysłowym,
którego działanie koncentruje się na opracowaniu standardów w zakresie technik
informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) oraz sprzętu elektronicznego powszechnego
użytku (Consumer Electronics, CE).
NFC Forum [www.nfc-forum.org] jest stowarzyszeniem, które utworzono w celu promowania zastosowań NFC i opracowania standardów interoperacyjności urządzeń NFC.
W normie ECMA-340 [19] zdefiniowano podstawową wersję interfejsu oraz protokół
komunikacji między urządzeniami wykorzystującymi do komunikacji pole bliskie. Ten
interfejs i protokół (NFCIP-1) umożliwiają zastosowanie w różnych urządzeniach sieciowych,
peryferyjnych urządzeniach komputerowych i elektronicznych powszechnego użytku.
Z dokumentem tym jest zgodna norma ISO/IEC 18092:2004. Odpowiednie metody badania
dotyczące interfejsu radiowego zdefiniowano w normie ECMA-356 [20] (przyjętej jako
ISO/IEC 22536), a dotyczące protokółu w normie ECMA-362 [21] (przyjętej jako
ISO/IEC 23917).
W szczególności w normie ECMA-340 opisano modulację, kodowanie, szybkości przesyłania
danych, format ramki, a ponadto warunki wymagane ze względu na kontrolę kolizji podczas
inicjalizacji sesji komunikacji między urządzeniami.
Interfejs oraz protokół komunikacji NFC zdefiniowany w standardzie ECMA-340 (Near Field
Communication Interface and Protocol, NFCIP-1) polega na wykorzystaniu sprzężenia
indukcyjnego pomiędzy urządzeniami działającymi w paśmie częstotliwości 13,56 MHz.
W standardzie ECMA-352 [22] zdefiniowano drugą, usprawnioną wersję interfejsu radiowego
i protokółu komunikacji między urządzeniami sprzężonymi indukcyjnie, oznaczoną NFCIP-2.
ECMA-373 [23] definiuje przewodowy interfejs cyfrowy między dwoma elementami
systemu NFC, nazywanymi "Transceiver" i "Front-End".
– str. 115 z 187 –
Parametry interfejsu radiowego i protokóły systemów NFC mają wiele elementów wspólnych
z technikami odczytu i zapisu bezstykowych kart identyfikacyjnych, zdefiniowanymi
w normach ISO/IEC 14443 oraz ISO/IEC 15693.
Spośród dokumentów ETSI do tematu NFC odnoszą się:
•
ETSI TS 102 346 [26] - dokument, w którym treść postanowień normy ECMA-356
przedstawiono w formie zgodnej z regułami stosowanymi w publikacjach ETSI. Zawiera
opis metod badania interfejsu radiowego systemu zdefiniowanego w dokumencie ECMA340. Dotyczy urządzeń, których antena mieści się w prostokątnym konturze
85 mm × 54 mm (o wymiarach karty ID-1). Metody badań są analogiczne do
zdefiniowanych w normie ISO/IEC 10376-6, omówionych w p. 3.3.4 niniejszego
opracowania. Badania są wykonywane dla trzech szybkości transmisji: 106 kbit/s,
212 kbit/s i 424 kbit/s.
•
ETSI TS 102 394 [27] - dokument dotyczy metod badania protokółów zdefiniowanych
w standardzie ECMA-340, które są uzupełnieniem metod opisanych w ECMA-356.
Opisuje badania urządzeń aktywnych i pasywnych, komunikujących się z szybkościami
106 kbit/s, 212 kbit/s lub 424 kbit/s.
•
Jako ETSI TS 102 312 [28] przyjęto normę ECMA-352 (ISO/IEC 21481) definiującą
protokół NFCIP-2.
•
W ETSI TS 102 312 dla urządzeń NFC zgodnych z ECMA-340 oraz czytników zgodnych
z normami ISO/IEC 14443 lub ISO/IEC 15693 zdefiniowano mechanizm, który ma
zapobiegać zakłócaniu przez nie komunikacji innych urządzeń wykorzystujących pasmo
13,56 MHz.
– str. 116 z 187 –
Rys. 3-38: Wybór trybu pracy [28]
Specyfikacje NFC Forum obejmują:
• Format wymiany danych między urządzeniami NFC (NFC Data Exchange Format,
NDEF);
• Definicje rodzajów rekordów (Record Type Definitions, RTD) i zasady ich
wykorzystania w aplikacjach NFC;
• Specyfikacje te opisują cztery typy transponderów NFC:
– NFC Forum typ 1, zgodne z typem A zdefiniowanym w normie ISO/IEC 14443.
Z możliwością odczytu i wielokrotnego zapisu. Mogą być skonfigurowane przez
użytkownika jako transpondery tylko do odczytu. Szybkość komunikacji 106 kbit/s.
Dostępna pamięć 96 bajtów może być rozszerzana do 2 kbajtów.
– NFC Forum typ 2, jw., lecz pamięć 48 bajtów rozszerzana do 2 kbajtów.
– NFC Forum typ 3, oparta na japońskiej normie przemysłowej (JIS) X 6319-4.
Transpondery konfigurowane przez producenta albo do odczytu i wielokrotnego
– str. 117 z 187 –
zapisu, albo tylko do odczytu. Wielkość dostępnej pamięci teoretycznie do 1 Mbajta.
Szybkość komunikacji 212 kbit/s lub 424 kbit/s.
NFC Forum typ 4, kompatybilne z typem A i typem B zdefiniowanymi w normie
ISO/IEC 14443. Transpondery konfigurowane przez producenta albo do odczytu
i wielokrotnego zapisu, albo tylko do odczytu. Szybkość komunikacji 424 kbit/s.
Dostępna pamięć do 32 kbajtów.
–
3.4 Wymagania zasadnicze i inne regulacje Europejskie
W stosunku do urządzeń indukcyjnych w Europie stosuje się ograniczenie natężenia pola
magnetycznego. W przypadku zastosowań RFID i EAS w zakresie częstotliwości
13,553 - 13,567 MHz obowiązuje [7] ograniczenie do 60 dBµA/m w odległości 10 m. Przy
czym pasmo zajmowane przez sygnał powinno mieścić się w szablonie, jak na rys. 3-39.
13,56 MHz ±7 kHz
+60 dBµA/m
+9 dBµA/m
fc
–3,5 dBµA/m
–10 dBµA/m
–150 kHz
–450 kHz
–900 kHz
+150 kHz
–16 dBµA/m
+450 kHz
+900 kHz
Rys. 3-39: Ograniczenia charakterystyki widmowej natężenia pola magnetycznego
wytwarzanego przez czytnik RFID w paśmie 13,56 MHz
Uwagi.
Przedstawione na rys. 3-39 wartości graniczne: maksymalną wartość natężenia pola
magnetycznego w odległości 10 m w zakresie częstotliwości 13,56 MHz ±7 kHz oraz
maksymalną wartość natężenie pola poza zakresem 13,56 MHz ±900 kHz, podano zgodnie
z zaleceniem ERC 70-03 [8].
W normie ETSI EN 302 291-1 [3] jako wartość maksymalną natężenia pola w odległości
10 m ustalono +25 dBµA/m, a maksymalne natężenie pola emisji niepożądanych w zakresie
od 10 MHz do 30 MHz –3,5 dBµA/m.
Wymagania zasadnicze odnośnie urządzeń radiowych bliskiego zasięgu wykorzystujących
pasmo 13,56 MHz zawiera norma ETSI EN 302 291 [3, 4]. Dotyczy różnych zastosowań,
w tym identyfikacji radiowej.
Wcześniej do badania oceny zgodności takich urządzeń stosowano również normę ETSI
EN 300 330 [5, 6].
W odróżnieniu do zalecenia CEPT [8], gdzie wartość graniczną natężenia pola dla zastosowań
RFID określono na 60 dBµA/m, w normie ETSI EN 302 291 maksymalne natężenie pola
ustalono na 25 dBµA/m.
– str. 118 z 187 –
Wymagania zasadnicze stawiane tego rodzaju urządzeniom dotyczą:
−
maksymalnej wartości natężenia pola wytwarzanego przez antenę,
−
charakterystyki widmowej emisji (spectrum mask),
−
poziomu emisji niepożądanych nadajnika,
−
niepożądanego promieniowania odbiornika,
−
aktywności nadajnika.
Wymagania nie obejmują protokółów transmisji.
Wykaz akronimów do rozdz. 3
AFI
ASK
BPSK
CEPT
DUT
EAS
ECMA
EMC
EOF
ETSI
FTDMA
GID
HF
IC
ISM
LPB
LSB
MC
MFM
NFC
NFCIP
PCB
PCD
PICC
PJM
PPM
RF
RFID
RTF
SID
SOF
UID
VCD
VICC
– Application Family Identifier
– Shift Keying
– Binary Phase
– Commission of European Post and Telecommunications
– Device Under Test
– Electronic Article Surveillance
– European Computer Manufacturers Association
– Electromagnetic Compatibility
– End of Frame
– European Telecommunications Standards Institute
– Frequency-Time Division Multiple Access
– Group Identifier
– High Frequency
– Integrated Circuit
– Industrial, Scientific, Medical
– Long Power Break
– Last Significant Bit
– Manufacturing Code
– Modified Frequency Modulation
– Near Field Communication
– Near Field Communication; Interface and Protocol
– Printed Circuit Board
– Proximity Coupling Device
– Proximity Card, Proximity Integrated Circuits Card
– Phase Jitter Modulation
– Pulse Position Modulation
– Radio Frequency
– Radio Frequency Identification
– Reader Talk First
– Specific Identifier
– Start of Frame
– Unique Identifier
– Vicinity Coupling Device
– Vicinity Card, Vicinity Integrated Circuits Card
– str. 119 z 187 –
Spis literatury do rozdz. 3
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
ISO/IEC 18000-3:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 3: Parameters for air interface communications at
13,56 MHz..
ISO/IEC TR 18047-3: 2004. Information technology – Radio frequency identification
device conformance test methods – Part 3: Test methods for air interface
communications at 13,56 MHz.
ETSI EN 302 291-1 V1.1.1 (2005-07). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Close Range Inductive Data
Communication equipment operating at 13,56 MHz; Part 1: Technical characteristics
and test methods.
ETSI EN 302 291-2 V1.1.1 (2005-07). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Close Range Inductive Data
Communication equipment operating at 13,56 MHz; Part 2: Harmonized EN under
article 3.2 of the R&TTE Directive.
ETSI EN 300 330-1 V1.5.1 (2006-04). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio equipment in the
frequency range 9 kHz to 25 MHz and inductive loop systems in the frequency range
9 kHz to 30 MHz; Part 1: Technical characteristics and test methods.
ETSI EN 300 330-2 V1.3.1 (2006-04). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio equipment in the
frequency range 9 kHz to 25 MHz and inductive loop systems in the frequency range
9 kHz to 30 MHz; Part 2: Harmonized EN under article 3.2 of the R&TTE Directive.
Rozporządzenie Ministra Transportu z dnia 3 lipca 2007 r. w sprawie urządzeń
radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez
pozwolenia radiowego (Dz.U. 2007, nr 138, poz. 972 ze zmianami z dn. 29 lutego
2008 r. Dz. U. 2008 nr 47, poz. 277).
ERC/REC 70-03 E. Relating to the use of Short Range Devices (SRD); Version of
30 May 2008. [Annex 1. Non-specific Short Range Devices].
2006/771/EC. Commission decision of 9 November 2006 on harmonisation of the
radio spectrum for use by short-range devices. O.J. L 312. 11.11.2006. p. 66.
ISO/IEC 15693-1:2000. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Vicinity cards – Part 1: Physical characteristics.
ISO/IEC 15693-2:2006. Identification cards – Contactless integrated circuit cards
– Vicinity cards – Part 2: Air interface and initialization.
ISO/IEC 15693-3:2001. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Vicinity cards – Part 3: Anticollision and transmission protocol.
ISO/IEC 14443-1:2008. Identification cards – Contactless integrated circuit cards
– Proximity cards – Part 1: Physical characteristics.
ISO/IEC 14443-2:2001. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Proximity cards – Part 2: Radio frequency power and signal interface.
ISO/IEC 14443-3:2001. Identification cards – Contactless integrated circuit(s) cards
– Proximity cards – Part 3: Initialization and anticollision.
ISO/IEC 14443-4:2008. Identification cards – Contactless integrated circuit cards
– Proximity cards – Part 4: Transmission protocol.
– str. 120 z 187 –
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
ISO/IEC 10373-7:2008. Identification cards – Test methods – Part 7: Vicinity cards.
ISO/IEC 10373-6:2001. Identification cards – Test methods – Part 6: Proximity cards.
ECMA-340. Dec. 2004. Near Field Communication Interface and Protocol (NFCIP-1).
(ISO/IEC 18092, ETSI TS 102 190).
ECMA-356. June 2004. NFCIP-1 - RF Interface Test Methods.
(ISO/IEC 22536, ETSI TS 102 346).
ECMA-362. Dec. 2004. NFCIP-1 - Protocol Test Methods.
(ISO/IEC 23917, ETSI TS 102 394).
ECMA-352. Dec. 2003. Near Field Communication Interface and Protocol -2 (NFCIP2). (ISO/IEC 21481, ETSI TS 102 312).
ECMA-373. Near Field Communication Wired Interface (NFC-WI) (June 2006)
(ISO/IEC 28361 ETSI TS 102 541).
ECMA-385. Dec. 2008. NFCIP-1 Security Services and Protocol.
ECMA-386. Dec. 2008. NFC-SEC Cryptography Standard using ECDH and AES.
ETSI TS 102 346 V1.1.1 (2004-08). NFCIP-1; RF interface test methods.
ETSI TS 102 394 V1.1.1 (2005-02). Near Field Communication Interfaces and
Protocol-1 (NFCIP-1); .Protocol Test Methods.
ETSI TS 102 312 V1.1.1 (2004-02). Near Field Communication Interface and
Protocol-2 (NFCIP-2).
ETSI TS 102 190 V1.1.1 (2003-03). Near Field Communication (NFC) IP-1; Interface
and Protocol (NFCIP-1).
ETSI EN 302 190 V1.1.1 (2005-06). Near Field Communication; Interface and
Protocol (NFCIP-1).
GSM Association. ver. 1.0. 2007. Mobile NFC technical guidelines.
– str. 121 z 187 –
4
Systemy RFID w pasmach UHF
4.1 Wstęp
Wg Regulaminu Radiokomunikacyjnego zakres UHF obejmuje częstotliwości od 300 MHz
do 3 GHz. W zakresie tym mieszczą się różne pasma częstotliwości wykorzystywane dla
potrzeb systemów RFID: 433,92 MHz, 865 ÷ 868 MHz stosowane tylko w Europie,
902 ÷ 928 MHz stosowane tylko w Ameryce Płn., 950 ÷ 956 MHz stosowane tylko w Japonii
oraz 2,45 GHz. Dalej w niniejszym rozdziale opracowania omówiono wybrane standardy
odnoszące się do systemów RFID w tych zakresach, świadomie akcentując specyficzne
wymagania obowiązujące w Europie.
Ze względu na właściwości fizyczne fal radiowych o częstotliwościach UHF ich
zastosowania dla potrzeb systemów RFID różnią się od zastosowań systemów pracujących w
pasmach HF i LF. Fale UHF są tłumione w wilgotnych materiałach i tkankach ciała. Na
właściwości systemu RFID silny wpływ mają metalowe przedmioty znajdujące się w pobliżu
anteny czytnika i transpondera. Podstawową zaletą systemów UHF w porównaniu z
systemami HF i LF jest możliwość uzyskania dużego zasięgu (kilka metrów). W systemach
UHF, w odróżnieniu od sprzężenia indukcyjnego wykorzystywanego w systemach RFID w
pasmach LF i HF, stosuje się sprzężenie propagacyjne, transponder odbiera sygnał emitowany
przez antenę czytnika i wypromieniowuje zwrotnie w kierunku anteny czytnika modulowany
sygnał (zasada rozproszenie wstecznego, ang. backscatter /*), zwykle o tej samej
częstotliwości.
/*
Uwaga. Należy jednak pamiętać, że w niektórych publikacjach dotyczących RFID określenie
"backscatter" jest odnoszone również do transponderów aktywnych promieniujących fale
generowane przez własny nadajnik radiowy.
W systemach RFID z rozproszeniem wstecznym czytnik dostarcza energię do zasilania
transponderów i komunikuje się z transponderami, które znajdują się w jego zasięgu. Dane z
czytnika do transponderów są przesyłane jako modulacja amplitudy sygnału zasilającego
generowanego przez czytnik. W czasie, gdy transponder ma wysyłać odpowiedź do czytnika,
czytnik nadaje sygnał RF o stałym poziomie mocy, a transponder moduluje dołączoną do jego
anteny impedancję obciążenia. Modulacja impedancji obciążającej antenę transpondera
powoduje modulację współczynnika odbicia fali radiowej padającej na transponder, a zatem
modulację amplitudy fali odbitej. Czytnik odbierając falę odbitą demoduluje przesyłane dane.
Aby oszacować energię fali radiowej dostarczaną do transpondera UHF, można wykorzystać
formuły stosowane do obliczania tłumienia trasy o długości d [m] między anteną czytnika o
zysku GR [W/W] a anteną transpondera o zysku GT [W/W] przy częstotliwości f [MHz].
Przy założeniu, że transponder znajduje się w polu dalekim anteny nadawczej /* tłumienie fali
aT wynosi:
aT = –27,56 + 20 log(d) + 20 log(f) – 10 log(GT) – 10 log(GR) [dB]
/*
Umowną granicą pola dalekiego jest odległość wyznaczona wg formuły r = λ/2π, np. przy
częstotliwości 868 MHz r = 5,5 cm.
Jeżeli założyć, że układ scalony transpondera pobiera moc rzędu 5 µW, sprawność zasilania
układu transpondera wynosi 10%, to do transpondera należy dostarczyć moc 50 µW. Jeżeli
nadajnik czytnika generuje moc 500 mW (e.i.r.p.), to dopuszczalne tłumienie drogi pomiędzy
czytnikiem a transponderem wynosi ok. 40 dB. Przy częstotliwości 868 MHz, zysku anteny
transpondera 1,64 W/W (dipol półfalowy), zysku anteny czytnika 1 W/W (antena
izotropowa), takie tłumienie występuje w odległości ok. 3 m. W tab. 4-1 przedstawiono
– str. 122 z 187 –
wyniki obliczeń tłumienia sygnału o częstotliwości 433,92 MHz, 868 MHz i 2,45 GHz przy
innych odległościach. Należy zwrócić uwagę, że przy identycznych założeniach odnośnie
zysku anten, tłumienie w paśmie 2,45 GHz jest większe o 9 dB niż w paśmie 868 MHz i
większe o 15,1 dB niż paśmie 433,92 MHz. Tym samym osiągnięcie określonego zasięgu
identyfikacji w paśmie 2,45 GHz jest związane z koniecznością promieniowania większej
mocy RF niż w przypadku wykorzystywania pasma 868 MHz lub 433,92 MHz.
Tab. 4-1: Oszacowanie tłumienia sygnału RFID w pasmach UHF
Odległość (d)
0,3 m
1m
3m
10 m
f = 433,92 MHz
12,5
23,0
32,5
43,0
f = 868 MHz
18,6 dB
29,1 dB
38,6 dB
49,1 dB
f = 2,45 GHz
27,6 dB
38,1 dB
47,6 dB
58,1 dB
W systemach RFID w pasmach UHF transmisja danych z transponderów biernych polega na
modulowaniu amplitudy fali elektromagnetycznej czytnika odbitej przez transponder (zasada
rozproszenia wstecznego). Natomiast transpondery aktywne promieniują falę wytwarzaną
przez antenę wzbudzaną przez nadajnik wbudowany do transpondera.
Moc odbita przez transponder PS jest proporcjonalna do gęstości mocy S fali radiowej
w miejscu, gdzie znajduje się ten transponder. PS = σ S. Ponieważ gęstość mocy fali padającej
i odbitej maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła, to gęstość mocy fali
odbieranej przez czytnik wynosi:
P ⋅σ
σS
P
= eirp 2 4 ,
SBack = S 2 =
2
4πd
2πd
( 4 π) d
gdzie czynnik σ, nazywany aperturą rozproszenia (radar cross-section, RCS), charakteryzuje
transponder pod względem odbicia fali elektromagnetycznej.
/*
Aperturę rozproszenia RCS obiektu definiuje się jako powierzchnię przekroju przewodzącej kuli,
która może odbijać tyle samo energii, co dany obiekt.
RCS (σ) może być wyrażony zależnością: σ = 4π
Pbackscatter
, gdzie
Pint ercepted
Pbackscatter – moc odbita przez transponder,
Pintercepted – moc pochłaniana przez transponder.
RCS transpondera zależy od wielu jego parametrów, takich jak rozmiary transpondera
względem długości fali nośnej, jego kształt, struktury powierzchni. Ponieważ transpondery
UHF mają wymiary porównywalne z długością fali czytnika, to obserwuje się wyraźną
zależność RCS od wymiarów i kształtu transpondera.
Parametrem transpondera charakteryzującym zdolność do modulacji amplitudy odbitej fali
radiowej jest zmiana apertury rozproszenia ∆RCS, stanowiąca różnicę między RCS
transpondera, którego układ wysyła sygnał "1" (RCS1) i RCS transpondera, którego układ
wysyła sygnał "0" (RCS0).
Praktycznie jako anteny transponderów UHF wykorzystuje się dipole półfalowe i anteny typu
"patch", których rozmiary są dobrane do długości fali.
Ze względu na szerokość pasma kanału radiowego protokóły transmisji stosowane w pasmach
UHF umożliwiają uzyskanie dużych szybkości transmisji danych i dużych szybkości
identyfikacji i odczytu przez czytnik wielu transponderów w tym samym przedziale czasu.
– str. 123 z 187 –
4.2 Zakres 860 MHz do 960 MHz – norma ISO/IEC 18000-6
W niniejszym rozdziale omówiono wymagania normy ISO/IEC 18000-6:2004 [1] wraz ze
zmianą nr 1 (Amendment 1) opublikowaną w 2006 r. [2], określającej parametry systemowe i
protokóły transmisji systemów RFID w zakresie UHF od 860 MHz do 960 MHz.
Przedstawiono również specyficzne wymagania obowiązujące w Europie.
Wykorzystanie dla potrzeb systemów RFID częstotliwości w zakresie UHF 860 MHz ÷ 960 MHz
w skali globalnej nie jest zharmonizowane. W różnych regionach świata udostępniono różne
zakresy częstotliwości: w Europie 865 MHz ÷ 868 MHz, w Ameryce Płn. 902 MHz ÷ 928 MHz,
w Japonii 950 MHz ÷ 956 MHz. Ze względu na nieznaczne różnice właściwości fizycznych
między tymi zakresami oraz potrzebę interoperacyjności w dokumentach ISO/IEC
zdefiniowano jeden zakres obejmujący różne zakresy stosowane regionalnie.
W ww. zakresie częstotliwości są stosowane przeważnie systemy RFID z transponderami
biernymi, wykorzystujące wsteczne rozproszenie fali elektromagnetycznej emitowanej przez
czytnik (zasadę backscatter).
Norma ISO/IEC 18000-6:2004 [1] wraz ze zmianą nr 1 [2] dotyczy parametrów interfejsu
radiowego systemów RFID działających w zakresie częstotliwości od 860 MHz do 960 MHz.
W normie opisano systemy identyfikacji, w których są stosowane transpondery bierne,
wykorzystujące wsteczne rozproszenie fali elektromagnetycznej. Tego rodzaju systemy RFID
umożliwiają:
− identyfikację wielu transponderów i komunikację czytnika z wieloma transponderami
znajdującymi się w jego zasięgu;
− wybór podgrup transponderów do identyfikacji lub tych, z którymi czytnik ma się
komunikować;
− odczyt danych z pamięci indywidualnych transponderów i zapis, lub wielokrotny zapis
danych w pamięci indywidualnych transponderów;
− kontrolowane przez użytkownika trwałe zablokowanie pamięci transpondera;
− ochronę integralności danych;
− detekcję błędów komunikacji pomiędzy czytnikiem i transponderem (w obu kierunkach);
− obsługę biernych transponderów bez baterii i z wbudowaną baterią.
W pierwotnej wersji normy ISO/IEC 18000-6 [1] zdefiniowano jeden tryb pracy z dwoma
rodzajami transmisji, nazywanymi typem A i typem B. Zmiana [2] rozszerza zakres normy
wprowadzając obok typu A i typu B, trzeci rodzaj transmisji nazwany typem C.
Norma określa parametry łącza radiowego, takie jak częstotliwość pracy, zajmowane pasmo
kanału, maksymalna moc promieniowania, emisje niepożądane, rodzaj modulacji,
współczynnik aktywności nadajnika, sposób kodowania danych, szybkość transmisji danych,
porządek nadawanych bitów, w kierunkach: czytnik do transponderów i łącza radiowego,
transpondery do czytnika.
W wszystkich typach zastosowano ten sam sposób organizacji transmisji informacji
z transpondera do czytnika zgodny z zasadą, że czytnik nadaje pierwszy (reader talks first).
W łączu od czytnika do transpondera w przypadku typu A zastosowano kodowanie odstępów
między impulsami (Pulse Interval Encoding, PIE) i adaptacyjny algorytm antykolizyjny
Aloha. W przypadku typu B w łączu od czytnika do transpondera zastosowano kodowanie
Manchester i adaptacyjny algorytm z binarnym drzewem arbitrażu kolizji (binary tree
collision arbitration algorithm). W łączu typu C zastosowano kodowanie odstępów między
impulsami i algorytm arbitrażu kolizji z losowo przydzielonymi szczelinami.
– str. 124 z 187 –
Czytnik, który ma być zgodny z normą ISO/IEC 18000-6:2004 +A1:2006 powinien
obsługiwać co najmniej jeden z typów transmisji A, B lub C. Opcjonalnie może obsługiwać
dwa lub trzy. Powinien obsługiwać wszystkie obowiązkowe polecenia zdefiniowane w tej
części normy ISO/IEC 18000. Ponadto może obsługiwać polecenia opcjonalne, firmowe
i użytkownika. Czytnik powinien wykorzystywać częstotliwości radiowe zgodnie z lokalnymi
przepisami. Wymagania europejskie dotyczące wykorzystania pasma UHF dla potrzeb RFID
opisano szerzej w p. 4.4.1.
Transponder powinien obsługiwać co najmniej jeden typ komunikacji, opcjonalnie może
obsługiwać dwa lub trzy. Powinien pracować w zakresie częstotliwości od 860 MHz do
960 MHz. Zależnie od charakterystyki anteny transpondera w tym zakresie częstotliwości
zasięg działania systemu identyfikacji może zależeć od częstotliwości wykorzystywanej przez
czytnik zgodnie z regionalnymi przepisami.
Transponder powinien obsługiwać wszystkie standardowe obowiązkowe polecenia
i modulować sygnał zwrotny tylko w wyniku odbioru wymaganego polecenia czytnika. Jeżeli
transponder odbiera modulowany sygnał RF, którego nie rozpoznaje lub nie obsługuje,
powinien powstrzymać się od nadawania.
W tab. 4-2 oraz na rys. 4-1 ÷ 4-6 przedstawiono typy komunikacji zdefiniowane w omawianej
normie dla urządzeń RFID.
– str. 125 z 187 –
Tab. 4-2: Porównanie systemów typu A, typu B i typu C [1,2]
Parametr
Kodowanie łącza
do transponderów
Indeks modulacji
(czytnik)
Szybkość
transmisji danych
do transponderów
Szybkość
transmisji danych
przez transpondery
Kodowanie łącza
do czytnika
Typ A
PIE
Typ B
bifazowe Manchester
Typ C
PIE
27% do 100%
znam. 30% do 100%
33 kbit/s (średnio)
30,5% lub 100%
znam. 18% do 100%
10 kbit/s lub 40 kbit/s
(zgodnie z lokalnymi
regulacjami)
do 160 kbit/s
FM0 */
FM0
Algorytm
arbitrażu kolizji
Unikalny
identyfikator
transpondera
Adresowanie
pamięci
Aloha / FST
Drzewo binarne
64 bity
(40 bitów SUID)
64 bity
Bloki do 256 bitów
Bloki bajtów: 1, 2, 3,
lub 4 bajty
5 bitów CRC dla
wszystkich poleceń
(z dodatkowymi 16 bitami
CRC dla wszystkich
długich poleceń)
16 bitów CRC
16 bitów CRC
80% do 100%
znam. 90%
26,7 kbit/s do 128 kbit/s
(zakładając równe
prawdopodobne danych)
FM0: 40 kbit/s do 640 kbit/s
Modulowana podnośna:
5 kbit/s do 320 kbit/s
FM0 lub modulowana
podnośna Millera
(wybierane przez czytnik)
Losowo przydzielane
szczeliny
Zmienny:
minimum 16 bitów,
maksimum 496 bitów
Bajt, słowo (16-bitowe),
lub granice bloku
definiowane przez
dostawcę (zależne od
polecenia)
16 bitów CRC, oprócz
5 bitów CRC dla polecenia
Query
2048
Do 2256
Detekcja błędu
w łączu do
transpondera
Detekcja błędu
w łączu do
czytnika
Linearność
arbitrażu kolizji
*
typowa 40 kbit/s lub
160 kbit/s
16 bitów CRC
/ FM0 – kodowanie bifazowe, Bi–Phase Space
16 bitów CRC,
z wyjątkiem nie
sprawdzenia błędu w RN16
Liniowy aż do 215
transponderów w polu RF
czytnika, powyżej tej
liczby N log(N) dla
transponderów z
niepowtarzalnym UII
– str. 126 z 187 –
Rys. 4-1: Architektura czytnika typu A
Rys. 4-2: Architektura czytnika typu B
Rys. 4-3: Architektura czytnika typu C
Rys. 4-4: Architektura transpondera typu A
Rys. 4-5: Architektura transpondera typu B
Rys. 4-6: Architektura transpondera typu C
– str. 127 z 187 –
Inne parametry opisywanego systemu:
•
Modulacja w łączu od czytnika do transponderów:
– typ A i typ B: amplitudowa,
– typ C: DSB-ASK, SSB-ASK lub PR-ASK.
•
Modulacja w łączu od transponderów do czytnika:
– typ A i typ B: dwustanowa amplitudowa (backscatter)
(zmiana apertury rozproszenia ∆RCS typowo większa niż 0,005 m2),
– typ C: ASK i/lub PSK (wybierana przez transponder).
•
Polaryzacja fali: niezdefiniowana w normie.
•
Protokół antykolizyjny: probabilistyczny:
– w przypadku typu A zasadniczo liniowy, z adaptacyjnym przydziałem szczelin
czasowych do 256 szczelin dla 250 transponderów w strefie odczytu;
– w przypadku typu B zasadniczo liniowy, zależnie od rodzaju danych do 2256
transponderów;
– w przypadku typu C liniowy aż do 215 transponderów w polu RF czytnika.
4.2.1
Typ A
4.2.1.1 Transmisja danych z czytnika do transpondera
Zgodnie z informacją w tab. 4-2 do transmisji danych do transponderów czytniki typu A
wykorzystują kodowanie odstępu między impulsami (Pulse Interval Encoding, PIE), które
modulują cyfrowo amplitudę (ASK) fali nośnej RF. Odstęp pomiędzy dwoma kolejnymi
impulsami zawiera kodowaną informację. Transponder mierzy czas pomiędzy opadającymi
zboczami impulsów, rys. 4-7. Czas odstępu wzorcowego Tari określa się jako czas między
opadającymi zboczami dwóch kolejnych impulsów reprezentujących symbol "0". Tari wynosi
20 µs ±100 ppm.
Rys. 4-7: Definicja odstępu między impulsami
W systemie zdefiniowano również trzy inne symbole, dla których jednostką czasu jest Tari:
symbol "1", początek ramki (SOF) i koniec ramki (EOF), tab. 4-3 i rys. 4-8.
– str. 128 z 187 –
Tab. 4-3: Kodowanie transmisji do transponderów typu A
Symbol kodu
Czas trwania
Tolerancja względem 1 Tari
0
1 Tari
1
2 Tari
±100 ppm
SOF
1 Tari, po którym następuje 3 Tari
±100 ppm
EOF
4 Tari
±100 ppm
Rys. 4-8: Symbole kodu PIE
Dekoder czytnika synchronizuje się wykorzystując symbol początku ramki (SOF). Symbol o
czasie dłuższym niż 4 Tari jest interpretowany jako EOF (koniec ramki).
Przykład formatu ramki transmisji czytnika pokazano na rys. 4-9.
Rys. 4-9: Format transmisji ramki czytnika
Identyfikator transpondera (UID) składa się z 64 bitów, które powinny być ustawione na stałe
przez producenta. Ich znaczenie wyjaśniono w tab. 4-4.
Tab. 4-4: Struktura 64 bitów identyfikatora transpondera (UID)
MSB
64
57 56
"E0"
49 48
Kod producenta
33 32
RFU
Numer seryjny
ustawione na "0"
producenta
LSB
1
– str. 129 z 187 –
8 najbardziej znaczących bitów wyróżnia system (E0), kolejnych 8 bitów jest kodem
producenta (dostawcy), grupę bitów oznaczoną RFU zarezerwowano do wykorzystania
w przyszłości, 48 najmłodszych bitów określa producent.
W przypadku wykorzystywania do unikania kolizji protokółu Aloha stosowana jest tylko
część formatu UID, tzw. SUID, składająca się z 40 bitów: 8 bitów kodu producenta i 32
młodszych bitów numeru seryjnego.
4.2.1.2 Organizacja pamięci transpondera
W normie ISO/IEC 18000-6 przyjęto, że pamięć transpondera jest zorganizowana w blokach
o stałym rozmiarze. Polecenia zdefiniowane w normie pozwalają na odczyt i zapis bloków
pamięci.
Rozmiar bloku może wynosić 256 bitów, a liczba bloków do 256, zatem maksymalna
pojemność pamięci transpondera może wynosić 64 kbity (8 kbajtów).
W normie [1] przewidziano możliwość obsługi transponderów z baterią (battery assisted tag).
W celu rozróżnienia właściwości i sposobu obsługi transponderów bez baterii
i wspomaganych baterią zastosowano następujące mechanizmy:
− typ transpondera i jego czułość są zwracane w odpowiedzi na polecenie: podaj
informacje systemowe (Get_system_information);
− rodzaj transpondera (z baterią / bez baterii) i status baterii są zwracane w odpowiedzi
sekwencji arbitrażu kolizji.
4.2.1.3 Zapobieganie kolizjom
Celem stosowania sekwencji arbitrażu kolizji jest sporządzanie przez czytnik w jednej
sekwencji listy transponderów obecnych w jego polu i odbiór informacji o ich możliwościach
i rodzaju danych. Informacje, które powinien podać transponder określa czytnik.
W opisywanym systemie do arbitrażu kolizji wykorzystuje się mechanizm, który polega na
przydzieleniu transmisji danego transpondera do rund i szczelin. Każda runda składa się z
określonej liczby szczelin. Każda szczelina ma długość dostateczną, aby czytnik odebrał
odpowiedź z transpondera. Czytnik określa długość szczeliny według potrzeb.
Transpondery, które nie znajdują się w polu RF są w stanie RF_field off. Gdy transponder
znajdzie się w polu zasilającym, przechodzi przez fazę zerowania do stanu Ready. Czytnik
inicjuje spis obecnych transponderów wysyłając polecenia inicjacji rundy.
Transpondery, które odebrały to polecenie, wybierają losowo szczelinę czasową, w której
odpowiadają. Liczba szczelin w rundzie jest określona w poleceniu czytnika. Początkowy
rozmiar rundy określa użytkownik. W kolejnych krokach procedury arbitrażowej czytnik
dynamicznie wybiera optymalny rozmiar (liczbę szczelin) następnej rundy w oparciu o liczbę
kolizji w danej rundzie. Liczba kolizji jest funkcją liczby transponderów w stanie aktywnym
obecnych w polu czytnika oraz długości rundy.
Po tym, jak czytnik wysłał polecenie rozpoczęcia rundy, możliwe są trzy rezultaty:
− czytnik nie odebrał odpowiedzi, ponieważ albo żaden transponder nie wybrał szczeliny,
albo czytnik nie wykrył odpowiedzi transpondera – w tym przypadku czytnik kończy
szczelinę;
− czytnik wykrywa kolizję dwóch lub więcej odpowiedzi transponderów i czytnik wysyła
polecenie zakończenia szczeliny;
– str. 130 z 187 –
−
czytnik odbiera odpowiedź transpondera bez błędu, tj. z ważnym CRC. W tym przypadku
czytnik wysyła polecenie: następna szczelina, zawierające identyfikator transpondera,
który został odebrany.
Transpondery, które jeszcze nie nadały swojej odpowiedzi zwiększają swój licznik szczelin o
jeden. Jeżeli aktualny numer wyznaczonej szczeliny jest równy wybranej przez transponder,
to transponder nadaje swoją odpowiedź zgodnie z opisaną wyżej zasadą. W przeciwnym razie
czeka na kolejne polecenie.
Runda jest kontynuowana aż do przeszukania wszystkich szczelin.
Czytnik może zawiesić wykonanie rundy w celu komunikacji z wybranym transponderem.
Szczegóły opisu protokółu znajdują się w normie.
4.2.2
Typ B
4.2.2.1 Transmisja danych z czytnika do transpondera
Do transmisji informacji z czytnika do transpondera typu B wykorzystuje się amplitudową
modulację fali nośnej (ASK). Kodowanie danych polega na generowaniu impulsów
tworzących kod Manchester: rys. 4-10 i tab. 4-5, rys. 4-11 i tab. 4-6 oraz rys. 4-12.
Rys. 4-10: 100% modulacja amplitudy fali nośnej (w przykładzie sygnał 40 kbit/s)
Tab. 4-5: Parametry modulacji z indeksem 100%
Parametr
Wartość minimalna
Wartość nominalna
M = (A-B)/(A+B)
90
100
Ma
0
Mb
0
TR
0 µs
1,8 µs
Tf
0 µs
1,8 µs
Uwaga. Czasy Tr oraz Tf mierzone od 10% (A-B) do 90% (A-B).
Wartość maksymalna
100
0,03 (A-B)
0,03 (A-B)
0,1 / fDatarate
0,1 / fDatarate
– str. 131 z 187 –
Rys. 4-11: 18% modulacja amplitudy fali nośnej (w przykładzie sygnał 8 kbit/s)
Tab. 4-6: Parametry modulacji z indeksem 18%
Parametr
Wartość minimalna
Wartość nominalna
M = (A-B)/(A+B)
15%
18%
Ma
0
Mb
0
TR
0 µs
Tf
0 µs
Uwaga. Czasy Tr oraz Tf mierzone od 10% (A-B) do 90% (A-B).
Wartość maksymalna
20%
0,05 (A-B)
0,05 (A-B)
0,17 / fDatarate
0,17 / fDatarate
Rys. 4-12: Kodowanie transmisji czytnika do transpondera
Dane są modulowane przez kluczowanie (on / off) amplitudy w ten sposób, że logicznej
wartości "1" odpowiada włączone pole, a wartości "0" pole wyłączone. Przy kodowaniu
Manchester "1" jest kodowana jako przejście z 1 do 0, natomiast Manchester "0" jest
kodowane jako przejście z 0 do 1.
W trakcie przesyłania danych przez transponder amplituda sygnału czytnika powinna być
stała. Także gdy transponder zapisuje dane do pamięci, czytnik powinien utrzymywać stałą
amplitudę pola.
– str. 132 z 187 –
4.2.2.2 Transmisja danych z czytnika do transpondera
Transpondery typu A i typu B przesyłają informację do czytnika modulując amplitudę fali
odbitej. W tym celu transponder przełącza współczynnik odbicia (reflectivity) między dwoma
stanami znamiennymi. Odstęp ("space") jest normalnym stanem, w którym transponder jest
zasilany przez sygnał RF czytnika i może odbierać i dekodować dane przesyłane przez
czytnik. Znak ("mark") jest stanem przeciwnym, uzyskiwanym przez zmianę konfiguracji
anteny lub jej obciążenia.
Szybkość transmisji wynosi 40 kbit/s. Dane są kodowane z wykorzystaniem tzw. techniki
FM0, nazywanej też "Bi-Phase Space".
Czas jednego symbolu Trlb (25 µs) jest przydzielany dla każdego bitu, który ma być wysłany.
W wyniku kodowania FM0 zmiany stanu następują na wszystkich granicach bitów.
Dodatkowo zmiany stanu następują pośrodku każdego przedziału, gdy bitem wysyłanym jest
"0". Na rys. 4-13 podano przykład kodowania tym sposobem 8 bitów reprezentujących liczbę
"B1" (MSB jest przesyłany jako pierwszy).
Rys. 4-13: Kodowanie FM0 danych transpondera (bajt 10110001 = B1)
Odpowiedź transpondera składa się z n bitów danych poprzedzonych preambułą, która ma
umożliwić synchronizację czytnika z zegarem danych transpondera i poprawne dekodowanie
wiadomości. Preambuła składa się z 16 bitów, jak na rys. 4-14. Zawiera wiele kombinacji
niezgodnych z zasadami kodowania FM0, które powinny być interpretowane jako znaczniki
ramki w celu rozdzielenia pola preambuły od pola danych. Zmiany (przełączanie)
transpondera pomiędzy stanami wysokiej / niskiej impedancji powodują binarne zmiany
współczynnika odbicia, rys. 4-15.
Rys. 4-14: Przebieg preambuły odpowiedzi transpondera
– str. 133 z 187 –
Rys. 4-15: Kodowanie bitów przez transponder
4.2.3
Detekcja błędu transmisji
W systemach typu A i typu B w obu kierunkach transmisji stosuje się ten sam kod
nadmiarowy CRC-16. Dodatkowo w przypadku krótkich poleceń w systemie typu A
zastosowano kodowanie CRC-5, wystarczające w tym przypadku. Bity ochronne są obliczane
odpowiednio z użyciem wielomianu x16 + x12 + x5 + 1 lub x5 + x3 + 1.
4.3 Badanie zgodności z normą ISO/IEC TR 18000-6
Metody badania systemów RFID pracujących w zakresie 860 ÷ 960 MHz pod względem
zgodności z normą ISO/IEC TR 18000-6 opisano w dokumencie ISO/IEC TR 18047-6 [3].
4.3.1
Badania funkcjonalne czytnika
4.3.1.1 Wyposażenie do badania czytników
Do odpowiednich badań czytnika wraz z anteną należy użyć antenę czujnika (sense antenna),
którą powinno być zasadniczo niepromieniujące obciążenie 50 Ω wyposażone w złącze
antenowe. Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) mierzony na złączu tej anteny nie
powinien być większy niż 1,2 : 1 w całym zakresie mierzonych częstotliwości.
4.3.1.2 Badanie modulacji
Badanie modulacji czytnika ma na celu sprawdzenie, czy wytwarza on przebieg o właściwym
kształcie, wymaganym do sterowania transponderami.
Do badania modulacji sygnału wysyłanego przez czytnik antena czujnika powinna być
umieszczona w odległości dS od anteny czytnika i ukierunkowana optymalnie do odbioru
najsilniejszego promieniowania anteny czytnika, rys. 4-16.
Rys. 4-16: Układ do badania modulacji czytnika
Test polega na nadawaniu obowiązkowych poleceń na wybranej częstotliwości. Generowany
sygnał jest obserwowany za pomocą oscyloskopu dołączonego do anteny czujnika.
4.3.1.3 Badanie demodulatora
Badanie demodulatora czytnika ma na celu sprawdzenie, czy czytnik poprawnie demoduluje
sygnały transponderów oraz czy odbiera dane nadawane przez emulator transponderów
w określonym przedziale czasu.
Do badania demodulacji sygnału odbieranego przez czytnik należy zastosować emulator
transpondera, który powinien być umieszczony w odległości dTE od anteny czytnika
i ukierunkowany optymalnie do odbioru najsilniejszego promieniowania anteny czytnika,
rys. 4-17.
– str. 134 z 187 –
Rys. 4-17: Układ do badania demodulatora czytnika
Test polega na tym, by czytnik po wysłaniu polecenia, po upływie minimalnego czasu,
poprawnie odbierał i demodulował dane wysyłane przez emulator transpondera. Emulator
powinien znajdować się w odległości dTE = 10 λ.
4.3.2
Badanie funkcjonalne transponderów
4.3.2.1 Stanowisko do badania transponderów
Jeżeli do przeprowadzenia testów transpondera jest wymagany czytnik, to powinien być użyty
czytnik, który zbadany wraz z anteną metodami opisanymi w ISO/IEC 18047-6, spełnia
wymagania normy ISO/IEC 18000-6. Do odpowiednich badań może być użyty generator RF
z modulacją cyfrową wyposażony w antenę. Ponadto czytnik powinien wykrywać odpowiedzi
transponderów, co umożliwia pomiar czasu pomiędzy akceptacją kolejnych poleceń (turn
around time).
Wymagania dotyczące anteny czytnika użytego do badań transponderów podano w tab. 4-7.
Tab. 4-7: Wymagania dotyczące anteny
Symbol
Parametr
Wartość minimalna
L
Maksymalny wymiar
anteny czytnika
0,1 m
G
Zysk anteny czytnika 2 dBi
Wartość maksymalna
λ dT
2
8 dBi
Zestaw do badań, jak na rys. 4-18, składa się z czytnika (lub generatora RF) i dwóch anten
połączonych mechanicznie, umieszczonych tak, aby sprzężenie między nimi było jak
najmniejsze. Jedna powinna być wykorzystywana jako antena czytnika do wytwarzania fali
RF, a druga jako pomiarowa i należy ją dołączyć odpowiednio albo do analizatora widma
albo do oscyloskopu. Odległości transpondera od anten wynoszą odpowiednio:
– odległość transpondera od anteny czytnika, dT,IA,
– odległość transpondera od anteny pomiarowej, dT,MA.
– str. 135 z 187 –
Rys. 4-18: Zestaw do badania demodulacji transpondera
4.3.2.2 Badanie demodulacji
Badanie demodulacji i odstępu czasu pomiędzy akceptacją kolejnych poleceń (turn around
time) ma na celu potwierdzenie, że transponder może demodulować sygnały czytnika oraz
odbierać polecenia czytnika i odpowiadać na nie po upływie minimalnego czasu.
Do tego badania transponder powinien być umieszczony w układzie jak rys. 4-18,
i ukierunkowany optymalnie do odbioru najsilniejszego promieniowania anteny czytnika
w odległości:
d T , IA >
2 L2
2 L2
oraz d T , MA >
,
λ
λ
gdzie L jest maksymalnym wymiarem anteny czytnika, a λ długością fali.
Test polega na tym, by czytnik wysłał polecenie, uzyskał właściwą odpowiedź, a po jej
skompletowaniu z minimalnym odstępem czasu generował następne polecenie.
Potwierdzeniem, że transponder właściwie odebrał polecenie, jest analiza jego odpowiedzi.
Pomiary należy wykonać, gdy czytnik wytwarza moc PI = 1,2 PI, min, albo przy minimalnej
gęstości mocy wymaganej do aktywacji transpondera ST, min.
Związek między gęstością mocy i mocą promieniowaną przez czytnik jest następujący:
1
PI, min = 4π d T,2 IA S T, min
, gdzie:
G IA
dT,IA – odległość między transponderem a anteną czytnika,
GIA – zysk anteny czytnika.
4.3.2.3 Badanie rozproszenia wstecznego
Celem tego testu jest sprawdzenie, czy transponder wytwarza właściwy przebieg modulacji
oraz natężenie fali odbitej wymagane do pomyślnego wykrycia transpondera i odbioru danych
przez czytnik.
Do tego badania transponder powinien być umieszczony w układzie jak rys. 4-18. Osie
głównego listka charakterystyk promieniowania tych anten powinny się przecinać pod kątem
– str. 136 z 187 –
mniejszym niż 15º. Badany transponder należy umieścić w punkcie przecięcia tych osi i
ukierunkować optymalnie do odbioru fali nadawanej przez czytnik.
Szerokość charakterystyki promieniowania zastosowanych anteny czytnika i anteny
pomiarowej, wyznaczona dla zysku –3 dB względem ich zysku maksymalnego, nie powinna
być większa niż ±30º. Sprzężenie między tymi antenami powinno być mniejsze niż 45 dB.
W tym przypadku do obliczania odległości dT,IA i dT,MA jako L należy przyjąć większą
z wartości określonych na podstawie maksymalnego wymiaru anteny czytnika i anteny
pomiarowej.
Nastawy analizatora widma powinny być następujące: RBW = 30 kHz, VBW = 100 kHz,
minimalny zakres analizy (span) równy większej z wartości 1 MHz lub 8-krotnej szybkości
transmisji danych, detektor "max peak".
Do tego testu transponder powinien być tak skonfigurowany, by wytwarzał tylko jedną
częstotliwość, zatem z wyjątkiem preambuły powinien odpowiadać wysyłając strumień
danych zawierający same bity "0".
Procedura testu polega na tym, by czytnik nadawał polecenie obowiązkowe z minimalną
mocą PI,min, a pomyślne wykonanie polecenia jest weryfikowane za pomocą analizatora
widma dołączonego do anteny pomiarowej. Pomiary powinny być wykonane przy dT,IA = 3 λ
oraz dT,MA = 3 λ, PI = 1,2 PI, min.
Moc odpowiedzi transpondera jest rejestrowana za pomocą analizatora widma. Natomiast
oscyloskop cyfrowy należy wykorzystać do rejestracji przebiegu modulacji fali nośnej.
Zmiany apertury rozproszenia (∆RCS) należy wyznaczyć wykorzystując parametry określone
w tab. 4-8.
Tab. 4-8: Parametry używane do badania zmian apertury rozproszenia
Symbol
Nazwa
PM
Mierzona moc fali nośnej
PI
Dostarczana moc fali nośnej
K
Współczynnik kalibracji
Opis
Moc z anteny pomiarowej zmierzona za
pomocą analizatora widma
Moc dostarczana przez generator
sygnałowy RF
Współczynnik zależy od odległości,
zysków anten i długości fali (λ)
Jeżeli stosowany jest układ jak na rys. 4-18, to aperturę rozproszenia opisuje następująca
formuła:
2
2
PM  4π 4π d T, IA 4π d T, MA  PM
K , gdzie:
RCS =

=
PI  λ 2 G IA
G MA  PI
dT,IA odległość transpondera od anteny czytnika,
dT,MA odległość transpondera od anteny pomiarowej,
GIA zysk anteny czytnika,
GMA zysk anteny pomiarowej.
W celu wykonania pomiaru zmian apertury rozproszenia ∆RCS należy zastosować procedurę
polegającą na pomiarze wartości RCS dla dwóch stanów transpondera (odpowiadających
wartościom 1 i 0).
Najpierw transponder przedstawiony w układzie na rys. 4-18 należy zastąpić anteną
odniesienia opisaną w p. 4.3.3.5. Należy przeprowadzić kalibrację zestawu w celu
– str. 137 z 187 –
wyznaczenia współczynnika K, który będzie użyty do obliczenia apertury rozproszenia
(RCS).
Następnie w układzie na rys. 4-18 umieszcza się badany transponder. Czytnik powinien
wysyłać obowiązkowe polecenie, a analizator widma należy ustawić do pomiaru odpowiedzi
transpondera, rejestrując minimalny i maksymalny poziom fali nośnej.
Jeżeli maksymalna zapisana wartość apertury rozproszenia wynosi RCS1m (dla stanu "1") i
minimalna zapisana wartość RCS0m (dla stanu "0"), a odpowiednie wartości po
uwzględnieniu współczynnika kalibracji zestawu (K) wynoszą RCS1 i RCS0, to zmiana
apertury rozproszenia ∆RCS = RCS1 – RCS0.
Zmiana apertury rozproszenia ∆RCS powinna być większa niż wartość minimalna określona
w normie ISO/IEC 18999-6. W sprawozdaniu z badań oprócz ∆RCS należy opisać odległość
badanego transpondera od anteny czytnika, jego orientację, moc wyjściową czytnika
i częstotliwość, na której wykonano pomiary.
4.3.2.4 Czas odpowiedzi transpondera
Celem testu jest sprawdzenie zgodności parametru z normą ISO/IEC 18000-6. Czytnik
powinien nadawać określone polecenie obowiązkowe używając maksymalnej mocy. Pomiar
należy wykonać w układzie jak na rys. 4-18, umieszczając transponder w odległości
dT,IA = 3 λ i dT,MA = 3 λ. Czas od zakończenia polecenia do pojawienia się preambuły
odpowiedzi transpondera należy określić za pomocą oscyloskopu.
4.3.2.5 Szybkość transmisji transpondera
Celem testu jest sprawdzenie dokładności szybkości transmisji w łączu od transpondera do
czytnika. Czytnik powinien nadawać określone polecenie obowiązkowe z maksymalną mocą
dopuszczaną przez regulacje krajowe, na częstotliwości wybranej do badań. Pomiar należy
wykonać w układzie jak na rys. 4-18, umieszczając transponder w odległości dT,IA = 3 λ i
dT,MA = 3 λ. Za pomocą cyfrowego oscyloskopu należy zarejestrować przebieg sygnału
odpowiedzi transpondera. Dokładność szybkości transmisji transpondera należy określić na
podstawie zarejestrowanej preambuły – odpowiedniej do typu A lub typu B transpondera.
4.3.2.6 Czas podtrzymywania stanu przez transponder
Celem badania czasu podtrzymywania stanu przez transponder (tag state storage time) jest
sprawdzenie zachowań transpondera w przypadku, gdy pole aktywujące zaniknie lub ma
niewystarczające natężenie. Czytnik powinien nadawać określone polecenie obowiązkowe z
maksymalną mocą dopuszczaną przez regulacje krajowe, na częstotliwości wybranej do
badań. Po wysłaniu polecenia czytnik powinien wyłączyć pole na określony czas. Czas po
jakim nastąpi wyłączenie transpondera nie powinien być dłuższy niż dopuszczony w normie
ISO/IEC 18000-6.
4.3.3
Wymagania dotyczące stanowiska pomiarowego
Ogólne wymagania w stosunku do stanowiska pomiarowego zawierają m.in. następujące
postanowienia.
Poziom szumu tła na stanowisku pomiarowym powinien być mierzony za pomocą analizatora
widma w tych samych warunkach, jak przy pomiarach urządzenia badanego (span = 10 MHz,
RBW, VBW i ta sama antena). Czas obserwacji powinien wynosić co najmniej 1 minutę.
– str. 138 z 187 –
Maksymalna zmierzona amplituda szumu tła powinna być 20 dB poniżej mierzonego
poziomu zwrotnego sygnału transpondera uzyskiwanego przy minimalnej mocy (Pl,min), gdy
transponder jest umieszczony w odległości 10 λ od anteny pomiarowej.
Wszystkie badania zgodności z normą ISO/IEC TR 18000-6 należy przeprowadzić
w komorze bezechowej. W celu potwierdzenia zgodności z wymaganiami w Europie zaleca
się przeprowadzenie badania na częstotliwości 866 MHz.
4.3.3.1 Oscyloskop
Oscyloskop cyfrowy z funkcją detektora (detekcją obwiedni sygnału RF) powinien mieć
szybkość próbkowania co najmniej 100 Mpróbek/s z rozdzielczością co najmniej 8 bit. Jeżeli
oscyloskop nie ma funkcji detekcji, to do obserwacji przebiegów RF wymaga się oscyloskopu
o szerokości pasma 1 GHz i szybkości próbkowania 5 Gpróbek/s. Zaleca się, aby próbkowane
dane były dostępne w postaci pliku tekstowego, który może być przetwarzany za pomocą
programów komputerowych.
4.3.3.2 Analizator widma
Analizator powinien umożliwiać przy R = 1 kHz pomiar z dokładnością ±2 dB amplitudy
sygnału o poziomie 3 dB lub więcej powyżej poziomu własnego szumu analizatora
widocznego na ekranie, w obecności sygnału różniącego się częstotliwością o 10 kHz,
o amplitudzie 90 dB powyżej sygnału, który ma być mierzony.
Dokładność odczytu częstotliwości za pomocą znaczników (markerów) powinna być ±2%.
Względna dokładność pomiaru amplitudy ±1 dB. Powinno być możliwe ustawienie
analizatora tak, by rozdzielić na ekranie dwie składowe różniące się częstotliwością o 1 kHz.
4.3.3.3 Emulator transpondera
Rys. 4-19: Emulator transpondera z galwanicznym sprzężeniem z generatorem AWG
– str. 139 z 187 –
Rys. 4-20: Emulator transpondera z optycznym sprzężeniem z generatorem AWG
W układzie emulatora transpondera powinny być: antena, sieć dopasowująca tę antenę,
prostownik RF (np. z diodami Schottky), kondensator 22 pF (NP0) gromadzący ładunek
elektryczny, równolegle rezystor 2 kΩ i element (tranzystor) zmieniający obciążenie anteny.
Anteną emulatora powinien być zasilany symetrycznie dipol półfalowy, dostrojony do
częstotliwości pomiarowej, dołączony do sieci dopasowującej impedancję odniesienia
40 Ω + j800 Ω. Przykłady schematów elektrycznych układu emulatora pokazano na rys. 4-19
i rys. 4-20 [3].
Aby uniknąć niepożądanego wpływu połączeń elektrycznych, zaleca się stosowanie układu
emulatora, w którym tranzystor zmieniający obciążenie obwodu anteny jest izolowany od
generatora (AWG), np. zastosowanie w układzie emulatora fototranzystora sterowanego za
pośrednictwem plastikowego światłowodu przez nadajnik z diodą sterowany z wyjścia
generatora AWG, jak na rys. 4-20.
Generator funkcji (AWG) powinien generować przebieg symulujący odpowiedź transpondera
określoną w normie ISO/IEC 18000-6, składającą się z preambuły, 64 bitów danych oraz
16 bitów CRC. W układzie pomiarowym należy zapewnić środki gwarantujące, że generacja
odpowiedzi nastąpi po zakończeniu przez czytnik wysłania polecenia.
Zmiana impedancji obwodu powodowana przełączaniem stanu tranzystora powinna być taka,
aby zmiana apertury rozproszenia ∆RCS emulatora wynosiła 0,005/m2. Zaleca się, aby nie
tylko ∆RCS, ale także wartość RCS była taka, jak występująca w typowych zastosowaniach
badanego systemu.
4.3.3.4 Generator RF
Generator stosowany wraz z odpowiednią anteną do badań transponderów powinien mieć
następujące właściwości:
− cyfrowe modulacje wektorowe;
− rozdzielczość nastawy poziomu: 0,1 dB;
− poziom harmonicznych: < –30 dBc;
− głębokość modulacji AM: 0% do 100%;
− rozdzielczość modulacji AM: 0,1%;
– str. 140 z 187 –
− zniekształcenia modulacji AM: < 2%.
4.3.3.5 Antena odniesienia
Jako antenę odniesienia należy zastosować antenę o znanej aperturze rozproszenia (radar
cross section, RCS). Jeżeli jako antena odniesienia jest stosowana półfalowa antena dipolowa,
to jej RCS należy obliczać zgodnie z następującą formułą:
2
RCS = 147026,54 ( f 1 MHz )
Półfalowa antena dipolowa powinna być wykonana jako sztywny metalowy cylinder lub pręt
o następujących parametrach:
− długość: L = λ/2, gdzie λ jest długością fali obliczoną dla częstotliwości roboczej;
− średnica: d mniejsza niż λ/50;
− przewodność właściwa (konduktywność): większa niż 20 × 106 S/m.
4.4 Zakres 865 ÷ 868 MHz – wymagania krajowe
4.4.1
Podstawy regulacji
Wymagania krajowe odnośnie parametrów radiowych systemów RFID muszą być
zharmonizowane z przepisami obowiązującymi w Europie. W przypadku zakresu UHF
865 ÷ 868 MHz należy analizować trzy dokumenty:
•
Decyzję Komisji Europejskiej z dn. 23 listopada 2006 r. w sprawie harmonizacji widma
częstotliwości radiowych dla urządzeń RFID pracujących w paśmie UHF [4];
•
Aneks 11 zalecenia ERC/REC 70-03 [5];
•
Normę ETSI EN 302 208 zharmonizowaną z art. 3.2 dyrektywy R&TTE, jej wersja V.1.1.1
[6, 7], którą można uznawać za podstawę oceny zgodności z wymaganiami zasadniczymi
do 31.12.2009 r. oraz zastępująca ją jej wersja V.1.2.1 [8, 9] wydana w 2008 r., w której
zdefiniowano inne warunki wykorzystania kanałów radiowych niż w wersji poprzedniej.
Zakres decyzji [4] ograniczono do transponderów RFID przymocowanych do obiektu, który
ma być identyfikowany, nie mających własnego źródła energii, wykorzystujących do
transmisji radiowej wyłącznie energię promieniowaną w ich kierunku przez czytnik.
Skutkiem tego potencjalne możliwości powodowania zakłóceń dla innych użytkowników
widma częstotliwości radiowych są ograniczone. Dlatego zdecydowano, że tego rodzaju
urządzenia RFID mogą współużytkować pasma częstotliwości z innymi służbami radiowymi
nie powodując szkodliwych zakłóceń i mogą współistnieć z innymi urządzeniami bliskiego
zasięgu.
W związku z tym zaleca się, aby ich używanie nie podlegało obowiązkowi uzyskiwania
indywidualnego pozwolenia w rozumieniu dyrektywy 2002/20/EC o zezwoleniach. Ponadto
służby radiowe zdefiniowane w Regulaminie Radiokomunikacyjnym ITU, dla których
wcześniej przeznaczono określone zakresy częstotliwości, mają pierwszeństwo przed
urządzeniami RFID i nie wymaga się od nich zapewnienia ochrony dla urządzeń RFID.
Natomiast systemy RFID nie powinny powodować szkodliwych zakłóceń tych służb
radiowych. Ponieważ użytkownikom urządzeń RFID nie gwarantuje się ochrony przed
zakłóceniami, to obowiązek ochrony urządzeń RFID przed zakłóceniami ze strony służb
radiokomunikacyjnych i innych radiowych urządzeń bliskiego zasięgu spoczywa na
producentach urządzeń RFID. Zatem to producent urządzenia RFID powinien
zagwarantować, aby urządzenie efektywnie wykorzystywało widmo częstotliwości
– str. 141 z 187 –
radiowych, tak by nie powodować szkodliwych zakłóceń innych urządzeń radiowych oraz
aby to urządzenie poprawnie pracowało w istniejącym środowisku elektromagnetycznym.
Propozycje zakresów częstotliwości dla RFID, w szczególności w paśmie UHF, wskazano w
raporcie CEPT przygotowanym w 2004 r. w wyniku mandatu udzielonego przez Komisję.
Dla urządzeń pracujących w tym zakresie w ETSI opracowano normę EN 302 208. W normie
tej opisano technikę "listen-before-talk" (LBT) mającą na celu znaczące zmniejszenie
prawdopodobieństwa zakłóceń innych użytkowników tego zakresu częstotliwości.
Zastosowanie tej normy lub innych właściwych norm zharmonizowanych daje podstawy do
domniemania zgodności z wymaganiami zasadniczymi dyrektywy R&TTE.
Zatem celem decyzji [4] jest harmonizacja warunków udostępniania i efektywnego
wykorzystania widma dla urządzeń RFID pracujących w paśmie UHF. Dla potrzeb tej decyzji
przyjęto następujące określenia:
– "urządzenia RFID" – urządzenia m.in. do śledzenia artykułów z wykorzystaniem systemu
radiowego składającego się z urządzeń biernych (transponderów) przymocowanych do
tych artykułów oraz urządzeń nadawczo-odbiorczych (czytników), które uaktywniają
transpondery i zwrotnie odbierają ich dane;
– "zasada niepowodowania szkodliwych zakłóceń i braku ochrony" – oznacza, że
urządzenia RFID nie powinny powodować żadnych szkodliwych zakłóceń jakichkolwiek
służb radiokomunikacyjnych, a użytkownicy RFID nie powinni domagać się ochrony
urządzeń RFID przed szkodliwymi zakłóceniami powodowanymi przez służby
radiokomunikacyjne.
Zatem pasma częstotliwości dla urządzeń RFID na mocy art. 3 decyzji 2006/804/EC
z 23 listopada 2006 [4] są udostępnione na zasadzie braku wyłączności (non-exclusive),
niepowodowania zakłóceń (non-interference) i braku ochrony (non-protected) przed
zakłóceniami. Warunki wykorzystania częstotliwości określono w załączniku do decyzji,
z tym że decyzja dopuszcza, by państwa członkowskie umożliwiały wykorzystanie
częstotliwości na warunkach mniej restrykcyjnych.
Tab. 4-9: Warunki wykorzystania częstotliwości wg decyzji 2006/804/EC [4]
Zakres częstotliwości UHF
Podzakres A: 865,0 ÷ 865,6 MHz
Podzakres B: 865,6 ÷ 867,6 MHz
Podzakres C: 867,6 ÷ 868,0 MHz
Wymagania szczegółowe
Maksymalna moc / natężenie pola Odstęp międzykanałowy
100 mW e.r.p.
200 kHz
2 W e.r.p.
200 kHz
500 mW e.r.p.
200 kHz
Częstotliwości środkowe kanałów powinny być wyznaczane wg wzoru:
864,9 MHz + (0,2 MHz × numer kanału).
Wyznaczono następujące numery kanałów:
•
w podzakresie A: od 1 do 3;
•
w podzakresie B: od 4 do 13;
•
w podzakresie C: od 14 do 15.
Zezwala się, aby to samo urządzenie korzystało z kilku podzakresów częstotliwości.
W EN 302 208 w wersji V1.1.1 dopuszczono wykorzystanie 10 kanałów o szerokości
200 kHz w zakresie od 865,6 MHz do 867,6 MHz. Urządzenia mogą nadawać z mocą 2 W
(33 dBm) e.i.r.p. Przed każdym nadawaniem czytnik RFID powinien w okresie 5 ms
przeprowadzić procedurę sprawdzenia, czy kanał jest wolny (LBT). Może nadawać tylko
w przypadku, gdy nie wykryje żadnego sygnału o poziomie większym niż 0,25 pW
– str. 142 z 187 –
(–96 dBm). Maksymalny czas ciągłego nadawani wynosi 4 s, po którym, jeżeli system
pozostaje w tym samym kanale, musi nastąpić przerwa w nadawaniu trwająca co najmniej
100 ms. Jeżeli czytnik zmienia kanał, to po sprawdzeniu warunku LBT może natychmiast
nadawać. Jeżeli w wyniku sprawdzenia LBT okaże się, że kanał jest zajęty, to czytnik może
albo przeszukiwać pozostałe kanały w poszukiwaniu wolnego, albo może czekać aż wybrany
kanał będzie wolny.
Uwaga. Wymagana jest moc RF do 2 W, aby spełnić wymagania normy ISO/IEC 18000-6 oraz ze
względu na zgodność ze specyfikacjami EPC. Ta moc pozwala na pewny odczyt
oznakowania opakowań z odległości 2 m.
Opisana procedura zapewnia poprawne działanie systemu w środowisku, w którym jest mało
czytników. W rzeczywistości czytniki często są zgrupowane obok siebie na niewielkim
obszarze, np. w centralnych magazynach. W takim środowisku 10 kanałów może nie
wystarczyć. W praktyce w godzinach intensywnego używania akceptowalne warunki
uzyskiwania dostępu do kanałów można jednocześnie zapewnić dla ok. 20 czytników. W
przypadku pracy wielu czytników obok siebie odczyt danych z transponderów może być
utrudniony ze względu na zakłócenia powodowane przez inne czytniki.
Granicę pojemności systemu RFID wynikającą z liczby dostępnych kanałów radiowych
można podnieść wprowadzając synchronizację czasową LBT dla grup czytników.
Synchronizacja LBT w pojedynczym systemie nie rozwiązuje problemu zakłóceń
zewnętrznych. Występowanie sygnałów przekraczających próg LBT może całkowicie
zablokować taki system RFID, co dla użytkownika czyni go całkowicie bezużytecznym. Stąd
presja użytkowników w organizacjach normalizacyjnych, aby w czterech kanałach dużej
mocy zrezygnować ze stosowania LBT.
Szczegółowe studium warunków i skutków rezygnacji z LBT w pracy czytników RFID
zawiera dokument ETSI TR 102 649-1 [10].
Celowość stosowania LBT w przypadku czytników RFID jest krytykowana z kilku powodów.
Zdaniem IATA (International Air Transport Association) zastosowanie mechanizmów LBT w
przypadku czytników używanych do identyfikacji bagażu na lotniskach stwarza okazję do
ataku terrorystycznego polegającego na generowaniu sygnałów o częstotliwości używanej
przez czytniki identyfikujące bagaż, co prowadzi do blokady całego systemu obsługi bagażu,
chaosu i zagrożenia bezpieczeństwa na lotniskach.
Intensywne wykorzystywanie zakresu częstotliwości od 865 MHz do 868 MHz dla potrzeb
RFID może powodować zakłócenia w pracy innych urządzeń bliskiego zasięgu (SRD), które
mogą wykorzystywać ten sam zakres, ale ze znacznie mniejszą mocą nadajnika (Aneks 1 w
zaleceniu ERC/REC 70-03 [5] i Aneks nr 1 do rozp. Ministra Transportu [11]).
/*
Wg zalecenia ERC/REC 70-03 zakres częstotliwości od 865 MHz do 868 MHz, którego dotyczy
dokument TR 102 649-1 oprócz systemów RFID o parametrach określonych w Aneksie 11 może
być wykorzystywany przez inne radiowe urządzenia bliskiego zasięgu (SRD) ogólnego
stosowania o parametrach określonych w Aneksie 1. Istotną różnicą jest dopuszczalna moc:
25 mW e.r.p. w przypadku SRD ogólnego stosowania i 2 W e.r.p. w przypadku RFID.
W ramach analizy warunków pracy systemu RFID przedstawionej w raporcie TR 102 649-1
wykazano, że:
−
Absolutnie konieczne jest wykorzystanie 4 kanałów dużej mocy wybranych
równomiernie spośród 10 udostępnionych dotychczas dla RFID. To umożliwia
uwolnienie pozostałych kanałów dla innych systemów SRD. Wskutek tego dla urządzeń
SRD uzyskuje się dodatkowo 11 kanałów. Jednak dla urządzeń SRD bez LBT i AFA
musi być zachowana odległość ochronna od urządzeń RFID korzystających z 4 kanałów
dużej mocy, która może wynosić od 918 m wewnątrz pomieszczeń, do 3,6 km na
– str. 143 z 187 –
otwartym powietrzu poza miastem. W pozostałych 2,2 MHz, które mogą zajmować
transpondery z mocą -20 dBm e.r.p., odległości ochronne wynoszą odpowiednio 24 m w
pomieszczeniach, do 58 m poza miastem.
SRD ogólnego stosowania mogą też wykorzystywać 4 kanały przeznaczone dla
czytników RFID pracujących z dużą mocą.
−
Sygnały transponderów (backscatter) mogą być nadawane w kanałach małej mocy, co
zapewnia ochronę przed sygnałami dużej mocy i znacząco zwiększa możliwą liczbę
odczytów.
−
Ponieważ transmisje czytników RFID mogą być jednocześnie w tym samym kanale, to
więcej czytników może pracować jednocześnie.
−
Nie wymagając wykonania procedury LBT od czytników można zwiększyć szybkość
odczytu.
Komitety techniczne ETSI ERM_TG 34 i ERM_TG 28 zgodziły się z wnioskami
przedstawionymi w raporcie. Uznano, że RFID bez LBT mogą współistnieć z SRD stosującymi
LBT i AFA oraz SRD bez LBT pracującymi w odpowiedniej odległości ochronnej.
Zwrócono uwagę na to, że w większości projektów dotyczących logistyki w magazynach lub
obsługi bagażu lotniczego użytkownicy stawiają wymagania, które są sprzeczne
z wymaganiami LBTRFID.
Komitety techniczne ETSI ERM_TG 34 i ERM_TG 28 przeprowadziły analizy mające na
celu określenie, czy RFID i SRD mogą współistnieć w zakresie od 865 MHz do 868 MHz,
jeżeli zrezygnować z wymagania LBT w czterech kanałach dużej mocy. Wynik studium jest
pomyślny pod warunkiem, że SRD ogólnego przeznaczenia używają LBT z AFA lub
zachowują wymaganą odległość ochronną. Przeprowadzono testy praktyczne w celu
sprawdzenia, czy SRD mogą współistnieć z RFID w zakresie od 865 MHz do 868 MHz.
Do testów jako SRD użyto domowy system automatyki wyposażony w LBT i AFA wg
specyfikacji w normie EN 300 220 [12, 13]. Wyniki potwierdziły, że jeżeli czytnik RFID
znajduje się w odległości większej niż 5 m, współistnienie jest osiągane bez trudu. Te same
testy wykazały, że jeżeli w SRD pracującym poza zakresem 865 MHz do 868 MHz jest
stosowany odbiornik o bardzo szerokim paśmie, to może być blokowany przez sygnał
czytnika RFID.
4.4.2
Zestawienie wymagań
Obecnie (zalecenie CEPT ERC/REC 70-03) w zakresie częstotliwości od 865 MHz do
868 MHz wydzielono 15 kanałów dla RFID, z czego (por. tab. 4-10):
•
w trzech dopuszcza się moc nie większą niż 100 mW (20 dBm) e.r.p.;
•
w dziesięciu dopuszcza się moc nie większą niż 2 W (33 dBm) e.r.p.;
•
w dwóch dopuszcza się moc nie większą niż 0,5 W (27 dBm) e.r.p.
W środowisku z dużym zagęszczeniem pracujących czytników, gdy wszystkie nadają z mocą
2 W, jednocześnie może być wykorzystanych 10 czytników (w 10 dostępnych kanałach).
Jeżeli czytników jest więcej, to pozostałe muszą oczekiwać na uwolnienie kanału i nie są w
stanie dokonywać odczytu.
– str. 144 z 187 –
Tab. 4-10: Sposób wykorzystania zakresu 865 MHz – 868 MHz
określony w zal. ERC/REC 70-03 [5]
Zakres częstotliwości Moc e.r.p.
865,0-868,0 MHz
865,6-867,6 MHz
865,6-868,0 MHz
100 mW
2W
500 mW
Aktywność
nadajnika
LBT
LBT
LBT
Odstęp
Uwaga
międzykanałowy
200 kHz
Należy stosować LBT,
z zaleceniem stosowania
200 kHz
opcji AFA
200 kHz
Wykorzystanie wspólnego kanału z LBT przez wiele czytników jest możliwe pod warunkiem
synchronizacji czytników. Jest to możliwe, jeżeli czytniki na określonym obszarze należą do
tego samego użytkownika (systemu). Jeżeli należą do różnych systemów zastosowanie
synchronizacji jest znacznie trudniejsze.
W wielu zastosowaniach, np. kontrola bagażu na lotniskach, konieczny jest nieprzerwany
odczyt transponderów. W tych warunkach stosowanie LBT jest sprzeczne z wymaganiami
użytkownika. Wyznaczenie czterech z 15 kanałów jako kanałów dużej mocy (2 W) dla
czytników i rezygnacja z LBT w tych kanałach pozwalają na asynchroniczną pracę czytników
i stwarzają warunki do zaspokojenia potrzeb użytkowników.
Pozostałe kanały przeznacza się dla odpowiedzi transponderów (backscatter replies) oraz
urządzeń SRD ogólnego przeznaczenia o mocy do 25 mW e.r.p. Przeprowadzone testy
wykazały, że wprowadzenie opisanej zasady pozwala na odczyt znacznie większej liczby
transponderów, niż przy stosowaniu obowiązującego planu.
Tab. 4-11: Proponowany sposób wykorzystania zakresu dla RFID i SRD [5]
Zakres częstotliwości
Moc e.r.p.
Czytniki:
865,2 – 868,0 MHz
≤ 2 W e.r.p.
4 kanały dla czytników
w pojedynczym
RFID o częst. środkowych: kanale dla
fC = 865,7 MHz,
każdego
866,3 MHz, 866,9 MHz,
czytnika
867,5 MHz
Transpondery:
-20 dBm e.r.p.
częstotliwości środkowe
dla
pomiędzy
transpondera
865,4 MHz a 867,8 MHz
fC jest częstotliwością nośną czytnika.
Szerokość
kanału
Aktywność nadajnika
maks. czas włączenia
w kanale dla każdego
czytnika: 4 s
min. czas włączenia
w kanale dla każdego
czytnika: 100 ms
Uwaga
fC ±100 kHz dla LBT nie jest
czytnika
wymagane
fC ±500 kHz dla
odpowiedzi
transpondera
Wprowadzenie proponowanej zasady wykorzystania pasma UHF przez RFID wymaga rewizji
Aneksu 11 w zaleceniu ERC/REC 70-03. Treść stosowanych zapisów podano w rozdz. 6
omawianego dokumentu ETSI TR 102 649-1 [10].
Systemy działające wg aktualnie obowiązujących wymagań mogą być nadal używane.
Chociaż ich użytkownicy powinni być zainteresowani modyfikacją zasady działania
poprawiającą właściwości, takie jak pojemność systemu (liczba odczytów), poprawność
i niezawodność odczytów.
Norma EN 302 208 zharmonizowana z art. 3.2 dyrektywy R&TTE
– str. 145 z 187 –
Norma EN 302 208 [8, 9] zawiera wymagania odnoszące się do systemów RFID pracujących
w zakresie częstotliwości od 865 MHz do 868 MHz z maksymalną mocą e.r.p. do 2 W.
Norma dotyczy:
− czytników stacjonarnych (fixed interrogators),
− czytników noszonych (portable interrogators),
− transponderów bez baterii (batteryless tags),
− transponderów wspomaganych z baterii (battery asissted tags),
− transponderów zasilanych z baterii (battery powered tags).
Czytniki powinny pracować w zakresie częstotliwości 865 MHz do 868 MHz, w dowolnym z
czterech kanałów dużej mocy, jak przedstawiono na rys. 4-21. Częstotliwość środkowa
najniższego kanału powinna być równa 865,7 MHz, a pozostałe trzy powinny być z odstępem
po 600 kHz. Transpondery powinny odpowiadać w trybie "dense interrogator" w kanałach
małej mocy.
Rys. 4-21: Plan kanałów RFID wg normy EN 302 208-1
Szablon (maska) określający gęstość mocy widma transponderów podany w normie
EN 302 208 dotyczy transponderów, które odpowiadają w tym samym kanale, w którym
nadaje czytnik. W przypadku systemu dostosowanego do potrzeb środowiska z zagęszczonymi
czytnikami transpondery nadają w kanałach sąsiednich. Z tego powodu proponuje się inny
szablon (maskę) dla tego rodzaju systemów, rys. 4-22. Proponowany szablon gęstości mocy
emisji czytników podano na rys. 4-23.
Rys. 4-22: Proponowany szablon emisji transpondera
w środowisku z zagęszczeniem czytników
– str. 146 z 187 –
Uwagi:
1.
2.
3.
Na rysunku pokazano szablon dla emisji pozapasmowych i emisji niepożądanych
transpondera.
fC jest częstotliwością fali nośnej nadawanej przez czytnik.
Kanał nadawczy zajmowany przez czytnik wyróżniono kolorem szarym.
Należy zauważyć, że w proponowanym planie (rys. 4-21), przy zastosowaniu szablonu emisji
jak na rys. 4-23, rezerwowany dla RFID kanał nr 1 faktycznie nie będzie wykorzystywany
przez systemy RFID i staje się dostępny dla innych urządzeń radiowych bliskiego zasięgu
(SRD), których odbiorniki tolerują sąsiedztwo RFID.
Rys. 4-23: Proponowany szablon gęstości mocy czytnika
Uwaga. Dla czytników zaprojektowanych z niższym poziomem mocy nadajnika niż 2 W wartość
graniczną mocy na skraju zajmowanego kanału należy interpretować jako -30 dBc lub
-36 dBm, zależnie od tego, która wartość jest większa.
Rys. 4-24: Wykorzystanie pasma UHF dla potrzeb urządzeń bliskiego zasięgu (SRD)
Uwaga. Dla innych SRD dopuszczalna moc w granicach 5 mW e.r.p. do 500 mW e.r.p.
– str. 147 z 187 –
2 W e.r.p.
500 mW e.r.p.
100 mW e.r.p.
865
866
1
2
3
4
5
867
6
7
8
9
10
868 MHz
11
12
13
14
15
Kanały RFID
Rys. 4-25: Obowiązujący plan wykorzystania pasma UHF dla potrzeb RFID
wg decyzji 2006/804/EC z 23 listopada 2006
2 W e.r.p.
25 mW e.r.p.
865
866
1
2
3
4
5
867
6
7
8
9
10
868 MHz
11
12
13
14
15
Kanały RFID
Rys. 4-26: Zmieniony przez ETSI plan wykorzystania pasma UHF dla potrzeb RFID
TR 102 649-1 [10] oraz EN 302 208-1 V1.2.1 (2008-04) [8]
W przypadku normy EN 302 208 należy podkreślić istotne różnice pomiędzy jej wersjami:
V1.1.1 i V1.2.1. W wersji V1.2.1 w odróżnieniu od poprzedniej V1.1.1 wprowadzono
normatywny rozdział dotyczący LBT. Opisano system z czterema kanałami dla nadawania
przez czytniki. Czytnik może nadawać w jednym z kanałów przez określony czas, nie dłuższy
niż 4 s. Po czym powinien przerwać nadawanie w tym kanale na czas nie krótszy niż 100 ms.
Może natychmiast rozpocząć nadawanie w innym kanale dużej mocy. Może wykonywać te
zmiany wiele razy, por. rys. 4-27.
Rys. 4-27. Powtarzanie nadawania w tym samym kanale (A < 4 s, B ≥ 100 ms)
W związku z tym proponuje się rewizję planu zagospodarowania częstotliwości podanego
w Aneksie 11 zalecenia ERC/REC 70-03 i decyzji Komisji. Nowy plan zapewnia bardziej
efektywne wykorzystanie widma zarówno przez RFID, jak i SRD ogólnego stosowania,
wykorzystujące mechanizmy LBT i adaptacyjnego wyboru kanału (Adaptive Frequency
Agility, AFA).
4.5 Wykorzystanie pasma 2,45 GHz – norma ISO/IEC 18000-4
4.5.1
Wprowadzenie
Określenie "pasmo 2,45 GHz" odnosi się do zakresu częstotliwości od 2400 MHz do
2483,5 MHz, który wg Krajowej Tablicy Przeznaczeń Częstotliwości jest zaliczany do pasm
ISM. Ta klasyfikacja oznacza, że pasmo nie jest chronione, a użytkownicy urządzeń
– str. 148 z 187 –
i systemów radiowych pracujących w tym paśmie powinni liczyć się z możliwością
występowania szkodliwych zakłóceń ze strony innych urządzeń i systemów.
W Polsce na podstawie rozporządzenia Ministra Transportu [11], zgodnie z zaleceniem
ERC/REC 70-03 [5], w zakresie tym dopuszcza się również używanie bez pozwolenia
urządzeń RFID o parametrach omówionych w p. 4.7.
4.5.2
Charakterystyka zakresu normy ISO/IEC 18000-4
Normę ISO/IEC 18000 opracowano w celu zdefiniowania systemów RFID z transponderami
pracującymi w paśmie 2,45 GHz.
Norma ISO/IEC 18000-4 [14] dotyczy opisu warstwy fizycznej i warstwy łącza danych
interfejsu radiowego dwóch wersji systemu RFID.
W pierwszym (nazywanym MODE 1) działającym zgodnie z zasadą czytnik nadaje pierwszy
(Reader Talks First, RTF) są stosowane transpondery pasywne z wstecznym rozproszeniem
fali (zasada backscatter).
W drugim (nazywanym MODE 2) działającym zgodnie z zasadą transponder nadaje pierwszy
(Tag Talks First, TTF) są wykorzystywane transpondery wyposażone w baterie.
W obu wersjach system opisany w ISO/IEC 18000-4 realizuje:
•
identyfikację transponderów w strefie zasięgu czytnika,
•
odczyt danych,
•
zapis danych (jeżeli możliwy),
•
wybór grup lub adresów,
•
odczyt wielu transponderów w "polu widzenia" systemu,
•
detekcję błędu.
Tab. 4-12: Charakterystyczne różnice między systemami zdefiniowanymi
w normie ISO/IEC 18000-4 [14]
Właściwość
Protokół
Charakterystyka
transponderów
MODE 1
Czytnik nadaje pierwszy (RTF)
Pasywne, na zasadzie
wstecznego rozproszenia fali
Szybkość danych
Pojemność pamięci
Zapobieganie kolizjom
Do 40 kbit/s
Wg potrzeb użytkownika
Tak. Zasady definiowane przez
czytnik podczas arbitrażu
kolizji
4.5.3
MODE 2
Transponder nadaje pierwszy (TTF)
Wyposażone w baterie (battery
assisted),
duży zasięg, duża szybkość transmisji
Do 76,8 kbit/s lub 384 kbit/s
Wg potrzeb użytkownika
Tak. Zasady definiowane podczas
instalacji systemu w transponderach
System MODE 1
W systemie RFID, którego zasadę działania określono jako MODE 1, są stosowane
transpondery pasywne ze wstecznym rozproszeniem fali (backscatter).
Transponder umieszczony w wytworzonym przez czytnik polu elektromagnetycznym
o określonej częstotliwości radiowej absorbuje energię fali, która jest przekształcana na
napięcie stałe zasilające układ elektroniczny transpondera. Jeżeli natężenie pola jest
wystarczające układ transpondera powinien wykonać wstępne zerowanie (power-on reset) i
być gotowy do odbioru poleceń czytnika. Każde polecenie powinno zaczynać się preambułą i
znacznikiem rozpoczęcia polecenia, które razem umożliwiają transponderowi odtworzenie
zegara i dekodowanie danych z przychodzącego sygnału. Dane wysyłane do transponderów i
odbierane z transponderów powinny być zabezpieczane kodowo przed błędami. Z tego
– str. 149 z 187 –
względu we wszystkich poleceniach czytnika i odpowiedziach transponderów zdefiniowano
pola CRC. Dodatkową ochronę danych stanowi kodowanie Manchester transmisji czytnika do
transpondera i kodowanie FM0 w kierunku odwrotnym.
Stosując standardowy zestaw poleceń czytnik może wykonać wiele funkcji, np. wysłać
sekwencję, która umożliwia identyfikację wielu transponderów jednocześnie, albo na
podstawie zawartości ich pamięci wybrać podzbiór transponderów spośród znajdujących się
w jego zasięgu. Może odczytać dane zapisane w pamięci transponderów znajdujących się w
zasięgu, zapisać dane w pamięci transponderów znajdujących się w zasięgu, jak również
zablokować te dane.
Ochronę integralności danych osiągnięto przez zastosowanie:
– w łączu od czytnika do transponderów kodowania bitów metodą Manchester i stosowanie
ochrony kodowej CRC-16 na poziomie pakietów,
– zastosowanie w łączu od transponderów do czytnika kodowania bitów metodą FM0
i stosowanie ochrony kodowej CRC-16 na poziomie pakietów.
4.5.3.1 Łącze czytnik do transpondera
Proces aktywacji transpondera: wytworzenie wystarczającego natężenia pola RF, a następnie
wysłanie polecenia uaktywniającego transponder.
Zakres częstotliwości: od 2400 MHz do 2483,5 MHz.
Wybór kanałów: FHSS: zgodnie z regionalnymi wymaganiami, por. p. 4.7.
Szybkość zmian częstotliwości (Hope Rate): zgodnie z lokalnymi wymaganiami.
Zajmowane pasmo kanału: maksymalnie 0,5 MHz.
Sekwencja skoków: pseudolosowa.
Moc promieniowana: zgodnie z regionalnymi wymaganiami, por. p. 4.7..
Modulacja fali nośnej: ASK.
Indeks modulacji: 99%.
Kodowanie danych: Manchester.
Bitowa szybkość transmisji (fbitrate): 30 – 40 kbit/s.
Polaryzacja fali: określona przez czytnik, nie definiowana w normie.
Współczynnik aktywności nadajnika (Duty Cycle): 50% ±5%.
4.5.3.2 Łącze transponder do czytnika
Zakres częstotliwości odbiornika: 2400 – 2483,5 MHz.
Modulacja: wsteczne rozproszenie fali (backscatter).
Kodowanie danych: FM0.
Bitowa szybkość transmisji (fbitrate): 30 – 40 kbit/s.
Współczynnik aktywności (Duty Cycle): 50% ±5%.
4.5.3.3 Unikanie kolizji
Zastosowano algorytm probabilistyczny. Protokół zasadniczo liniowy do 2256 transponderów,
zależnie od rozmiaru przesyłanych danych.
Jego stosowanie umożliwia odczyt nie mniej niż 250 transponderów znajdujących się
w strefie zasięgu czytnika.
– str. 150 z 187 –
Czytnik działa w trybie ze skokową zmianą częstotliwości nośnej (FHSS). Parametry czasowe
przedstawiono na rys. 4-28.
Rys. 4-28: Czas narastania i opadania przebiegu nośnej FHSS
gdzie:
– czas narastania: Tfhr = maks. 15 µs
– czas emisji jednej częstotliwości: Tfhs = min. 400 µs
– czas opadania: Tfhf = maks. 15 µs
Protokóły tego system RFID umożliwiają:
− identyfikację i komunikację z wieloma transponderami znajdującymi się w zasięgu
czytnika;
− wybór podgrup transponderów do identyfikacji lub tych, z którymi czytnik ma się
komunikować na podstawie informacji, które użytkownik zapisał w pamięci
transpondera;
− wielokrotny odczyt danych z pamięci indywidualnych transponderów i wielokrotny zapis
danych w pamięci indywidualnych transponderów;
− kontrolowane przez użytkownika trwałe zablokowanie pamięci transpondera.
Do transmisji informacji z czytnika do transpondera wykorzystuje się amplitudową modulację
fali nośnej (ASK), por. rys. 4-29 i tab. 4-13. Kodowanie danych polega na generowaniu
impulsów tworzących kod Manchester, zgodnie z regułą objaśnioną na rys. 4-30.
Rys. 4-29: Przykład sygnału 40 kbit/s
– str. 151 z 187 –
Tab. 4-13: Parametry modulacji ASK 99%
Parametr
M = (A-B)/(A+B)
Ma
Mb
Tr
Tf
Wartość
minimalna
90
0
0
0 µs
0 µs
Wartość
nominalna
99
1,8 µs
1,8 µs
Wartość
maksymalna
100
0,03 (A-B)
0,03 (A-B)
0,1 / fbitrate
0,1 / fbitrate
Rys. 4-30: Sposób kodowania danych w poleceniach czytnika
4.5.3.4 Komunikacja transpondera z czytnikiem FM0
Transponder przesyła informację do czytnika modulując energię fali odbitej (zasada
backscatter).
Transponder przełącza współczynnik odbicia (reflectivity) między dwoma stanami
znamiennymi. Odstęp ("space") jest normalnym stanem, w którym transponder jest zasilany
przez sygnał RF czytnika i może odbierać i dekodować dane przesyłane przez czytnik. Znak
("mark") jest stanem przeciwnym tworzonym przez zmianę konfiguracji lub obciążenia
anteny.
Dane są kodowane z wykorzystaniem tzw. techniki FM0, nazywanej też "Bi-Phase Space".
Czas jednego symbolu Trlb (25 µs do 33 µs) jest przydzielany dla każdego bitu, który może
być wysłany. W wyniku kodowania FM0 zmiany stanu następują na wszystkich granicach
bitów. Dodatkowo zmiany stanu następują po środku każdego przedziału, gdy wysyłanym
bitem jest "0". Na rys. 4-31 podano przykład kodowania 8 bitów reprezentujących liczbę
"B1", MSB przesyłany jest jako pierwszy.
– str. 152 z 187 –
Rys. 4-31: Kodowanie FM0 danych transpondera (bajt 10110001 = B1)
Odpowiedź transpondera składa się z n bitów danych poprzedzonych preambułą, która ma
umożliwić synchronizację czytnika z zegarem danych transpondera i poprawne dekodowanie
wiadomości. Preambuła składa się z 16 następujących bitów:
00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01.
Celowo zawiera wiele kombinacji niezgodnych z zasadami kodowania FM0, które powinny
być interpretowane jak znaczniki ramki w celu rozdzielenia pola preambuły od pola danych.
Zmiany (przełączanie) transpondera pomiędzy stanami wysokiej / niskiej impedancji
powodują binarne zmiany strumienia energii rozproszonej. Bit "0" jest reprezentowany przez
modulator transpondera jako stan wysokiej impedancji (bez odbicia wstecznego – "no
backscatter"), a bit "1" jako stan niskiej impedancji, powodujący odbicie energii fali padającej
– "backscatter".
Rys. 4-32: Związek współczynnika odbicia z wartością bitu
4.5.4
System MODE 2
W systemie RFID, którego zasadę działania określono jako MODE 2, transpondery są
zasilane z baterii. Zaprojektowano go w celu uzyskania dalekiego zasięgu i dużej szybkości
transmisji: do 384 kbit/s brutto w przypadku transponderów wykonujących polecenia
zapisu / odczytu (R/W), lub do 76,8 kbit/s w przypadku transponderów tylko odczytu (R/O).
W systemie mogą być stosowane co najmniej trzy rodzaje transponderów:
− transpondery R/W, z możliwością zapisu danych do transpondera i odczytu danych
z transpondera;
− transpondery R/O, które umożliwiają tylko odczyt;
− specjalna wersja transponderów R/O, ze skróconym powiadamianiem; przeznaczone dla
aplikacji wymagających dużej szybkości odczytu.
4.5.4.1 Łącze czytnik do transpondera
Zakres częstotliwości: od 2400 MHz do 2483,5 MHz (pasmo ISM).
– str. 153 z 187 –
Częstotliwość odniesienia: wybierana zgodnie z formułą (2931 + m) × fCH,
gdzie fCH = 819,2 kHz, a m jest numerem kanału od 0 do 99.
Częstotliwość nośnej komunikacji, wybierana zgodnie z formułą (2944 + n) × fCH,
gdzie fCH = 819,2 kHz, a n jest numerem kanału od -13 do 86.
Uwaga. Wartości n i m są ustalane przez kraj, w którym system jest użtkowany.
Różnica między częstotliwością nośnej odniesienia i komunikacji:
stała i wynosi: fCH × 13 =10,6496 MHz.
Szybkość skokowej zmiany częstotliwości (FHSS) zależna od krajowej regulacji.
Zajmowane pasmo: 1 MHz.
Maska widma emisji czytnika:
– nośna komunikacyjna: modulacja GMSK z parametrem BT = 0,5;
– nośna odniesienia: fala ciągła (CW).
Maksymalna moc promieniowana: wg lokalnych regulacji, w Polsce por. p. 4.7.
Dewiacja FM: < 200 kHz.
Szybkość transmisji: 384 kbit/s.
Polaryzacja fali: kołowa lub liniowa.
4.5.4.2 Łącze transponder do czytnika
Zakres częstotliwości: taki jak czytnika.
Częstotliwość nośnej komunikacji, wybierana zgodnie z formułą (2931 + n) × fCH,
gdzie fCH = 819,2 kHz, a n jest numerem kanału od 0 do 99.
Maska widma nadajnika:
– transponder R/W: BPSK modulacja 384 kbit/s i kodowanie Manchester;
– transponder R/O: 76,8 kbit/s modulacja BPSK lub OOK.
Modulacja:
– transponder R/W: kodowanie danych podnośnej, różnicowa BPSK;
– transponder R/O: kodowanie danych podnośnej, różnicowa BPSK lub OOK.
Częstotliwość podnośnej:
– powiadomienia: 153,6 kHz;
– komunikacji: 384 kHz.
Modulacja podnośnej:
– transponder R/W: DBPSK;
– transponder R/O: DBPSK lub OOK.
Polaryzacja fali: kołowa lub liniowa.
4.5.4.3 Charakterystyka protokółu
•
Nadawanie rozpoczyna transponder (Tag talks first, TTF).
•
Transpondery mogą być adresowane indywidualnie.
•
Adresowanie transponderów: firmowe UID.
•
Długość UID: 32 bity.
•
Rozmiar danych odczytywanych: maksymalna ramka 108 oktetów,
ale obsługa fragmentacji danych daje nieograniczony rozmiar odczytu danych.
– str. 154 z 187 –
•
•
•
•
•
Rozmiar danych zapisywanych: maksymalna ramka 144 oktety,
ale obsługa fragmentacji danych daje nieograniczony rozmiar odczytu danych.
Czas transakcji odczytu:
− transpondera R/W: 7,3 ms,
− transpondera R/O: < 15 ms.
Czas transakcji zapisu: 7,3 ms (tylko transponder R/W).
Rozmiar pamięci:
– transponder R/W: 2 kbajty do 256 kbajtów,
– transponder R/O: min. 32 bity, możliwe rozszerzenie do 160 lub więcej bitów.
Protokół antykolizyjny:
− deterministyczny,
− nielinearny,
− do 64 transponderów,
− pojemność zależna od parametrów instalacyjnych systemu, tj. ustaleń odnośnie czasu
uśpienia i procedury "budzenia" transpondera.
4.5.4.4 Opis interfejsu radiowego
Zasadę kodowania i modulacji transmisji czytnika do transpondera objaśniono na rys. 4-33.
Czytnik powinien wysyłać jednocześnie dwie fale nośne: falę niemodulowaną (CW) oraz
nośną komunikacji z modulacją GMSK przenoszącą nadawane dane poleceń. W ten sposób
zminimalizowano układ elektroniczny odbiornika po stronie transpondera, ponieważ sygnał
do przemiany częstotliwości (CW) dostarcza czytnik. Różnica pomiędzy częstotliwościami
obu nośnych jest częstotliwością pośrednią odbiornika (IF ≈ 10,65 MHz).
Rys. 4-33: Modulacja i kodowania transmisji czytnika
Zasadę kodowania i modulacji w transmisji transpondera do czytnika objaśniono na rys. 4-34
(powiadomienie) i na rys. 4-35 (komunikacja).
– str. 155 z 187 –
Rys. 4-34: Modulacja i kodowania transmisji transpondera podczas powiadomienia
Rys. 4-35: Modulacja i kodowania transmisji transpondera podczas komunikacji
4.6 Badanie zgodności z normą ISO/IEC 18000-4
W dokumencie ISO/IEC TR 18047-4 [15] określono zasady badania zgodności
transponderów i czytników RFID ze specyfikacją systemu nazwanego MODE 2
zdefiniowanego w normie ISO/IEC 18000-4 [14]. W dokumencie tym zawarto wytyczne
odnośnie budowy stanowisk pomiarowych do badania czytników i transponderów oraz
określono wymagania odnośnie podstawowej aparatury pomiarowej. Dokument ten nie
stanowi podstawy do badania i oceny zgodności z wymaganiami zasadniczymi w rozumieniu
dyrektywy 1999/5/EC [16].
4.6.1
Badania czytników
Czytnik z anteną zintegrowaną należy wyposażyć w tymczasowe złącze antenowe lub
sprzęgać jego antenę z anteną czujnika pomiarowego w sposób umożliwiający dołączenie
urządzenia badanego do aparatury pomiarowej. Antena czujnika nie powinna wpływać na
– str. 156 z 187 –
charakterystyki badanego czytnika. Należy zastosować odpowiednią odległość anteny
czujnika, jej rodzaj i rozmiary oraz polaryzację (np. kołową).
Czytnik powinien pracować w trybie testowym, w którym generuje częstotliwości nośnej
odniesienia i nośnej komunikacyjnej zgodnie z regułami opisanymi w p. 4.5.4.4 niniejszego
rozdziału. Badania należy wykonać w kanałach o numerach 0, 43 i 86. Różnica między
częstotliwością nośnej komunikacyjnej (fCC) i nośnej odniesienia (fRC) powinna wynosić fIF,
zgodnie z wymaganiami.
Badania należy wykonać za pomocą analizatora widma i standardowego osprzętu
laboratoryjnego.
4.6.2
Badania transpondera
Transponder z anteną zintegrowaną należy wyposażyć w tymczasowe złącze antenowe lub
sprzęgać jego antenę z anteną czujnika pomiarowego w sposób umożliwiający dołączenie
urządzenia badanego do aparatury pomiarowej. Antena czujnika nie powinna wpływać na
charakterystyki badanego transpondera. Należy zastosować odpowiednią odległość anteny
czujnika, jej rodzaj i rozmiary oraz polaryzację (np. kołową). Badania należy wykonać
w trzech kanałach o numerach 0, 43, 86.
W czasie badań transponder powinien pracować w trybie testowym. Do wprowadzenia
transpondera w taki tryb można wykorzystać albo programy testowe zaimplementowane
przez producenta albo kompatybilny czytnik inicjujący odpowiednie działanie transpondera.
Ponieważ transpondery będące przedmiotem badań stosują protokół TTF, tj. mogą rozpocząć
nadawanie niezależnie od czytnika, transponder może powtarzać nadawanie danych
synchronizacyjnych w sposób ciągły (z przerwami określonymi przez zaprogramowany
współczynnik aktywności (duty cycle).
Do wykonania badań potrzebny jest analizator widma i standardowy osprzęt laboratoryjny
stosowany do badań w paśmie 2,45 GHz.
4.6.3
Aparatura pomiarowa
Do badania sygnałów nadawanych przez czytnik i transpondery pracujące w systemie
MODE 2 zdefiniowanym w normie ISO/IEC 18000-4 pożądane jest stosowanie wektorowego
analizatora widma z demodulatorem cyfrowym. Do wyzwalania analizatora może być
potrzebne dodatkowe urządzenie.
Badania charakterystyk modulacji czytnika należy przeprowadzić w taki sposób, aby nośna
komunikacyjna była modulowana sekwencją składającą się z następujących ciągów bitów:
0101 lub 1010,
1100 lub 0011,
1111 0000 lub 0000 1111.
Wszystkie pomiary szerokości pasma odnoszone są do mocy fali nośnej.
Podczas badań transponderów do symulacji sygnałów czytnika może być użyty generator
sygnałowy pracujący w paśmie 2,45 GHz wyposażony w modulator cyfrowy i programowany
generator funkcji dowolnej.
Do badania przebiegów cyfrowych powinien być stosowany analizator stanów logicznych
o szybkości próbkowania co najmniej 6,144 Mpróbek/s z rozdzielczością co najmniej 8 bit/s.
– str. 157 z 187 –
4.7 Pasmo 2,45 GHz – wymagania krajowe
4.7.1
Podstawy regulacji
Wymagania krajowe odnośnie parametrów radiowych systemów RFID muszą być
zharmonizowane z przepisami obowiązującymi w Europie. W przypadku pasma 2,45 GHz
wymagania te zawierają zalecenie ERC/REC 70-03 oraz norma ETSI EN 300 440.
W zaleceniu ERC/REC 70-03 [5] ustalono dwie wartości graniczne mocy promieniowanej
i aktywności nadajnika (duty cycle):
− 500 mW e.i.r.p. z aktywnością ≤ 100%,
− 4 W e.i.r.p. z aktywnością ≤ 15%.
Stosowanie urządzeń o mocy większej niż 500 mW e.i.r.p. dopuszczono tylko wewnątrz
pomieszczeń, przy czym sformułowano dodatkowe wymaganie, aby poziom każdej emisji
takiego urządzenia RFID mierzony na zewnątrz budynku w odległości 10 m nie przekraczał
równoważnej wartości natężenia pola wytwarzanego przez urządzenie RFID o mocy 500 mW
umieszczone w tej samej odległości na zewnątrz budynku. Jeżeli budynek składa się z kilku
lokali, takich jak sklepy w galerii lub centrum handlowym, to pomiary należy odnosić do
granicy użytkowanego lokalu wewnątrz budynku.
Dodatkowo zalecono, aby urządzenia, których moc może być większa niż 500 mW były
wyposażone w automatyczną regulację mocy, która powinna gwarantować redukcję mocy do
maksimum 500 mW w przypadku, gdy urządzenie jest przenoszone i używane poza
zdefiniowanym wyżej obrębem lokalu użytkownika. Odnośnie wymaganej charakterystyki
anteny i innych parametrów technicznych powołano normę ETSI EN 300 440.
Jeżeli e.i.r.p. jest większe niż 500 mW, zaleca się stosowanie rozproszenia widma metodą
skokowej zmiany częstotliwości (FHSS).
4.7.2
Zestawienie wymagań
Zgodnie z Aneksem C normy EN 300 440-1 [17] urządzenia RFID pracujące w paśmie
2,45 GHz, przeznaczone do używania w pomieszczeniach, powinny być konstruowane
z dwoma poziomami mocy:
− 4 W e.i.r.p.;
− 500 mW e.i.r.p.
Wartością standardową (domyślną) powinno być 500 mW. Uzyskanie poziomu 4 W powinno
być możliwe tylko po użyciu kodu zabezpieczającego wbudowanego do oprogramowania
urządzenia, dostępnego tylko dla producenta lub jego przedstawiciela. Ten kod programowy
powinien regulować moc w następujący sposób:
1) Umocowane na stałe 4 W urządzenia RFID powinny znajdować się wewnątrz budynku
i powinny mieć zabezpieczenie przed manipulacją przez osoby niepowołane.
Zabezpieczenie to powinno zapewnić samoczynne zniszczenie specjalnego kodu
programowego, jeżeli urządzenie RFID jest zdejmowane ze swojego stałego miejsca
instalacji. Działanie to powinno automatycznie redukować moc do wartości standardowej
500 mW lub mniejszej.
2) Przenośne 4 W urządzenia RFID powinny mieć specjalny kod programowy
aktualizowany w sposób ciągły za pośrednictwem działającego wewnątrz budynku łącza
bliskiego zasięgu. Ten kod ma być generowany przez umocowaną na stałe jednostkę
sterującą (System Control Unit, SCU), zainstalowaną w tym samym pomieszczeniu lub
obszarze, gdzie mają być używane urządzenia RFID. Bez sygnału z tej jednostki
– str. 158 z 187 –
sterującej (SCU) urządzenie RFID powinno automatycznie redukować moc do wartości
standardowej 500 mW lub mniejszej. Jednostka sterująca powinna mieć zabezpieczenie
przed manipulacją przez osoby niepowołane, które powinno zapewnić samoczynne
zniszczenie specjalnego kodu programowego, jeżeli jednostka jest zdejmowana ze
swojego stałego miejsca instalacji.
Zasięg jednostki sterującej (SCU) nie powinien być większy niż 4 m. Powinna znajdować się
w budynku, w pobliżu miejsc gdzie wymagana jest większa moc RFID. Przykład takiego
systemu RFID z automatyczną regulacją mocy RF przedstawiono na rys. 4-36.
Rys. 4-36: Przykład systemu RFID z automatyczną regulacją mocy RF
do pracy wewnątrz i na zewnątrz budynku
Wszystkie czytniki (A-F) pokazane na rys. 4-36 są tego samego typu, każdy może mieć moc
RF 4 W lub 500 mW. Ale tylko czytnik A ma tak skierowaną antenę, że jest w zasięgu
komunikacji z SCU, w konsekwencji wszystkie czytniki oprócz A pracują z mocą 500 mW
e.i.r.p.
SCU może być radiowym urządzeniem bez nadajnika, działającym podobnie jak transponder
(tag) RFID na zasadzie modulacji pola wytwarzanego przez czytnik. Jeżeli czułość odbiornika
w czytniku wynosi ok. –62 dBm, to zasięg SCU do czytnika wynosi ok. 3 m jeżeli czytnik
emituje moc 500 mW (e.i.r.p.), lub ok. 5 m jeżeli czytnik emituje moc 4 W (e.i.r.p.). W ten
sposób maksymalna odległość między SCU i czytnikiem umożliwiająca włączenie mocy 4 W
wynosi ok. 3 m, a użytkowanie czytnika z mocą 4 W jest ograniczone do odległości ok. 5 m
od SCU.
Inne szczegółowe wymagania wg normy ETSI EN 300 440-1 odnośnie charakterystyk emisji
podano w tab. 4-14 i tab. 4-15.
– str. 159 z 187 –
Tab. 4-14: Parametry systemów RFID w paśmie 2,45 GHz
Zakres częstotliwości
Wartość graniczna
mocy e.i.r.p.
(Uwaga 1)
Używanie urządzenia
Komentarze
2446 – 2454 MHz
+27 dBm (0,5 W)
bez ograniczeń
tylko FHSS lub niemodulowana fala nośna (CW)
2446 – 2454 MHz
+36 dBm (4 W)
(Uwaga 1)
tylko w budynkach
tylko FHSS
Uwagi.
1. e.i.r.p. łącznie z anteną o następujących parametrach:
a) szerokość wiązki w płaszczyźnie poziomej nie większa niż ±45º,
b) tłumienie listków bocznych ≥ 15 dB,
c) fizyczna ochrona (np. nakładka na antenę), której wielkość ogranicza do nie więcej niż
15 dBm moc przekazywaną z anteny RFID do dopasowanego dipola ćwierćfalowego,
umieszczonego możliwie najbliżej.
2. Używanie mocy powyżej 27 dBm (e.i.r.p.) za pomocą środków technicznych powinno być
ograniczone tylko do wnętrza budynków, a aktywność nadajnika uśredniona w każdym okresie
200 ms (30 ms nadawanie / 170 ms przerwa w nadawaniu) powinna być mniejsza niż 15%.
Tab. 4-15: Ograniczenie gęstości widmowej mocy RFID w paśmie 2,45 GHz
f – Offset częstotliwości
(f0 = 2450 MHz)
f ≤ f0 – 4,20 MHz oraz
f ≥ f0 + 4,20 MHz
f ≤ f0 – 6,83 MHz oraz
f ≥ f0 + 6,83 MHz
f ≤ f0 – 7,53 MHz oraz
f ≥ f0 + 7,53 MHz
Wartość graniczna
Pasmo pomiarowe (RBW)
–5 dBm
30 kHz
–30 dBm
300 kHz
–30 dBm
1 MHz
4.8 Wykorzystanie pasma 433 MHz – norma ISO/IEC 18000-7
4.8.1
Wprowadzenie
Określenie "pasmo 433 MHz" odnosi się do zakresu częstotliwości od 433,05 MHz do
434,79 MHz, który wg Krajowej Tablicy Przeznaczeń Częstotliwości jest zaliczany do pasm
ISM. Ta klasyfikacja oznacza, że pasmo to nie jest chronione, a użytkownicy urządzeń i
systemów radiowych pracujących w tym paśmie powinni liczyć się z możliwością
występowania szkodliwych zakłóceń ze strony innych urządzeń i systemów.
4.8.2
Charakterystyka zakresu normy ISO/IEC 18000-7
Tę część normy ISO/IEC 18000 opracowano w celu zdefiniowania systemów RFID
z transponderami aktywnymi pracującymi w paśmie 433 MHz.
W systemie RFID zdefiniowanym w normie ISO/IEC 18000-7 [19] w łączu komunikacji
między czytnikiem a transponderem wykorzystuje się wąskopasmową transmisję radiową
w paśmie UHF o parametrach określonych w dalszej części tego punktu.
Sygnał "budzenia" jest nadawany przez czytnik przez minimum 2,5 sekundy w celu
uaktywnienia wszystkich transponderów w zasięgu komunikacji. Sygnałem budzenia jest
podnośna 30 kHz. W wyniku detekcji sygnału budzenia wszystkie transpondery powinny
– str. 160 z 187 –
przejść w stan Ready i oczekiwać na polecenia czytnika. Komunikację między czytnikiem i
transponderami inicjuje i kontroluje zawsze czytnik. W przypadku wielu odpowiedzi stosuje
się arbitraż kolizji.
Dane między czytnikiem a transponderem są nadawane w formie pakietów. Każdy pakiet
składa się z preambuły, bajtów danych i jest kończony niskim stanem logicznym. Bajty
danych są wysyłane w formacie kodu Manchester.
Koniec preambuły i początek pierwszego bajtu danych jest wskazywany przez dwa ostatnie
bity preambuły. Przykład początku transmisji przedstawiono na rys. 4-37.
Rys. 4-37: Zależności czasowe komunikacji danych
Preambuła składa się z 20 impulsów o okresie 60 µs, 30 µs stan wysoki / 30 µs stan niski, po
których następuje końcowy impuls synchronizacji, który wskazuje kierunek komunikacji:
− komunikacja transpondera do czytnika: 42 µs stan wysoki / 54 µs niski;
− komunikacja czytnika do transpondera: 54 µs stan wysoki / 54 µs niski.
Bajt danych składa się z 8 bitów danych oraz 1 bitu stopu kodowanych metodą Manchester.
Okres pojedynczego bitu wynosi 36 µs, a przedział czasu całego bajtu 324 µs. Opadające
zbocze pośrodku okresu bitu oznacza przesyłanie bitu "0". Narastające zbocze oznacza
przesyłanie bitu "1". Bit stopu jest kodowany tak jak bit "0".
Suma kontrolna (CRC) jest obliczana jako liczba 16-bitowa (CRC-16). Jest obliczana na
podstawie wszystkich bajtów danych (z wyłączeniem preambuły) z wykorzystaniem
wielomianu CCITT x16 + x12 + x5 + 1. CRC jest dołączana jako 2 bajty.
Zakończenie pakietu jest oznaczone przez niski stan logiczny trwający przez 36 µs.
4.8.2.1 Unikanie kolizji
W celu zastosowania protokółu arbitrażu kolizji konieczna jest ewidencja transponderów
znajdujących się w zasięgu komunikacji z czytnikiem oraz odbiór informacji o możliwościach
każdego transpondera i zawartości danych – wszystko w jednej sekwencji.
Rodzaj informacji zwracanej przez transponder jest określany przez ustawienie flag
w poleceniach czytnika. Czytnik pełni rolę nadrzędną w komunikacji z jednym lub wieloma
transponderami.
W protokóle unikania kolizji zastosowano mechanizm polegający na przydziale dla transmisji
transponderów szczelin czasowych w rundzie, tzw. oknie. Minimalny czas okna jest ustalony
na 57,3 ms. Runda składa się z określonej liczby szczelin. Długość każdej szczeliny jest
wystarczająca, aby czytnik odebrał odpowiedź transpondera. Transpondery znajdujące się
– str. 161 z 187 –
w zasięgu komunikacji czytnika, które odbierają sygnał budzenia ("wake-up") nadawany do
wszystkich przez czytnik, powinny zmienić stan na Ready.
Czytnik rozpoczyna proces gromadzenia informacji o transponderach wysyłając polecenie
Collection. Transpondery, które odebrały to polecenie, losowo wybierają szczelinę, w której
odpowiadają na to polecenie. Liczbę szczelin w rundzie określa czytnik. Czas pierwszej rundy
jest ustalony na 57,3 ms. W kolejnych czytnik dobiera rozmiar okna oceniając liczbę kolizji w
zakończonej rundzie.
Po wysłaniu przez czytnik polecenia Collection możliwe są trzy przypadki:
a) czytnik nie odbiera odpowiedzi, ponieważ albo żaden transponder nie wybrał danej
szczeliny, albo czytnik nie wykrył odpowiedzi;
b) czytnik wykrywa kolizję między dwoma lub więcej odpowiedziami transponderów.
Kolizja może być wykryta w zawartości przesyłanych danych lub przez uzyskanie
nieważnej sumy kontrolnej (CRC). Czytnik odnotowuje kolizję i kontynuuje odbiór
sygnałów w następnej szczelinie;
c) czytnik odbiera poprawną odpowiedź – bez błędu, z ważną sumą kontrolną CRC.
Czytnik zapisuje dane transpondera i kontynuuje nasłuch w następnej szczelinie.
Runda Collection jest kontynuowana aż do ostatniej szczeliny. Po jej zakończeniu
czytnik rozpoczyna wysyłanie adresowanych poleceń uśpienia do wszystkich
transponderów zarejestrowanych w zakończonej rundzie. Wszystkie, które odebrały to
polecenie przechodzą w stan uśpienia i nie będą uczestniczyć w następnej rundzie
Collection. Proces jest powtarzany tak długo, aż żaden transponder nie odpowie na
polecenie Collection.
Następnie czytnik może przeprowadzić indywidualne sesje komunikacji adresując polecenia
do transponderów rozpoznanych w wyniku przeprowadzonych rund zbierania danych.
4.8.2.2 Parametry emisji czytnika
Częstotliwość fali nośnej: 433,92 MHz ±20 ppm.
Pasmo zajmowane przez emisję: 500 kHz.
Moc promieniowana czytnika: maks. 5,6 dBm */.
Modulacja: dwuwartościowa FSK.
Dewiacja częstotliwości: ±35 kHz.
Kodowanie danych: Manchester, okres bitu 36 µs;
– kodowanie logicznej "1": 18 µs stan niski, po którym 18 µs stan wysoki;
– kodowanie logicznego "0": 18 µs stan wysoki, po którym 18 µs stan niski.
Szybkość bitowa: 27,7 kbit/s.
Sygnał "budzenia" transponderów: 30 kHz.
Polaryzacja: nie określona w normie.
4.8.2.3 Parametry emisji transpondera
Częstotliwość fali nośnej: 433,92 MHz ±20 ppm.
Pasmo zajmowane przez transmisję: 200 kHz.
Moc promieniowana: maks. 5,6 dBm */
Dewiacja częstotliwości: ±35 kHz.
Modulacja: dwuwartościowa FSK.
– str. 162 z 187 –
Kodowanie danych: Manchester, okres bitu 36 µs;
– kodowanie logicznej "1": 18 µs stan niski, po którym 18 µs stan wysoki;
– kodowanie logicznego "0": 18 µs stan wysoki, po którym 18 µs stan niski.
Szybkość bitowa: 27,7 kbit/s.
Polaryzacja: nie określona w normie.
Szerokość pasma odbiornika: > 200 kHz.
*/ Lub zgodnie z lokalnymi regulacjami (por. informacje na wstępie tego rozdziału). Pasmo
433,92 MHz w Europie i w Polsce nie jest dedykowane dla zastosowań RFID.
4.8.2.4 Protokół identyfikacji i transmisji – podstawowe parametry
Czytnik nadaje pierwszy (RTF).
Długość UID: 32 bity.
Odczyt: 1 bajt do 46 bajtów.
Zapis: 1 bajt do 46 bajtów.
Szybkość transakcji odczytu / zapisu: 27,7 kbit/s.
CRC: 16 bitów (CCITT 16).
Rozmiar pamięci: 1 bajt do 128 kbajtów.
Polecenia: 8-bitowe.
4.8.2.5 Protokół antykolizyjny
Zdefiniowano probabilistyczny protokół antykolizyjny linearny względem N transponderów:
w czasie 0,065 × N sekund dla 1 ≤ N ≤ 3000.
Pojemność inwentarzowa: do 3000 transponderów.
4.9 Badanie zgodności z normą ISO/IEC 18000-7
Zasady badania zgodności urządzeń RFID z normą ISO/IEC 18000-7 określono
w dokumencie ISO/IEC TR 18047-7 [20].
Ponieważ w Europie wykorzystanie pasma 433,92 MHz dla potrzeb RFID jest mało
popularne oceniono, że nie będzie zapotrzebowania na wykonanie badań urządzeń RFID
pracujących w tym zakresie częstotliwości. W konsekwencji w niniejszym opracowaniu
analizę metod badania zgodności z normą ISO/IEC 18000-7 pominięto.
4.10
Pasmo 433,92 MHz – wymagania krajowe
W zasadzie nie przewiduje się wykorzystywania pasma 433,92 MHz dla potrzeb RFID.
Urządzenia, których moc nadawana w zakresie częstotliwości od 433,05 MHz do
434,79 MHz nie jest większa niż 10 mW e.r.p. i współczynnik aktywności nadajnika nie jest
większy niż 10%, wskutek Decyzji Komisji 2006/771/EC z 9.11.2006 [21] w sprawie
harmonizacji wykorzystania widma częstotliwości radiowych przez urządzenia bliskiego
zasięgu są zaliczane do urządzeń kasy 1. Oznacza to, że państwa członkowskie UE nie stosują
wobec nich ograniczeń dotyczących stosowania.
W Polsce na podstawie rozporządzenia Ministra Transportu [11], zgodnie z zaleceniem
ERC/REC 70-03 [5], w zakresie tym dopuszcza się również używanie bez pozwolenia różnych
urządzeń radiowych, których współczynnik aktywności nadajnika nie jest większy niż 100%,
pod warunkiem ograniczenia mocy do 1 mW e.r.p.
– str. 163 z 187 –
Normą właściwą do oceny zgodności z wymaganiami zasadniczymi w zakresie
wykorzystania widma częstotliwości radiowych jest ETSI EN 300 220-2 [13].
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 4
AFA
AM
ASK
AWG
BPSK
CEPT
CRC
CW
DBPSK
DSB
DSB-ASK
e.i.r.p.
e.r.p.
EPC
ERC
ETSI
FHSS
FSK
GMSK
HF
IATA
IEC
IF
ISM
ISO
ITU
LBT
LF
LSB
MSB
OOK
PIE
PR-ASK
PSK
R&TTE
RBW
RCS
RF
RFID
RFU
RN16
RTF
SCU
SRD
– Adaptive Frequency Agility
– Amplitude Modulation
– Amplitude Shift
– Arbitrary Waveform Generator
– Binary PSK
– European Conference of Postal and Telecommunications administrations
– Cyclic Redundancy Check
– Continuous Wave
– Differential Binary PSK
– Double Sideband
– Double-Sideband Amplitude-Shift Keying
– (EIRP) equivalent isotropically radiated power
– (ERP) effective radiated power
– Electronic Product Code
– European Radio communication Committee (CEPT)
– European Telecommunications Standards Institute
– Frequency hopping Spread Spectrum
– Frequency Shift Keying
– Gaussian Minimum Shift Keying
– High Frequency (3-30 MHz)
– International Air Transport Association
– International Electrotechnical Commission
– Intermediate Frequency
– Industrial, Scientific and Medical
– International Organization for Standarization
– International Telecommunication Union
– Listen Before Talk (Listen Before Transmit)
– Low Frequency (30-300 kHz)
– least significant bit
– Mast Significant Bit
– On-Off Keying
– Pulse Interval Encoding
– Phase-reversal amplitude shift keying
– Phase Shift Keying
– Radio and Telecommunications Terminal Equipment (Directive)
– Resolution Bandwidth
– radar cross-section
– Radio Frequency
– Radio Frequency Identification
– Reserved for Future Use
– 16-bit random or pseudo-random number
– Reader-talks-first
– System Control Unit
– Short Range Device
– str. 164 z 187 –
SSB
SSB-ASK
SUID
TTF
UE
UHF
UID
UII
VBW
VSWR
∆RCS
– Single sideband
– Single-sideband amplitude-shift keying
– Sub-UID
– Tag Talks First
– Unia Europejska
– Ultra High Frequency (300-3000 MHz)
– Unique Identifier
– Unique Item Identifier
– Video Bandwidth
– Voltage Standing Wave Ratio
– Change in radar cross section
Spis literatury do rozdz. 4
[1]
ISO/IEC 18000-6:2004. Information technology – Radio frequency identification for
item management – Part 6: Parameters for air interface communications at 860 MHz to
960 MHz.
[2] ISO/IEC 18000-6 Amendment 1:2006. Information technology – Radio frequency
identification for item management – Part 6: Parameters for air interface
communications at 860 MHz to 960 MHz. Extension with Type C and update of
Types A and B.
[3] ISO/IEC TR 18047-6:2006. Information technology – Radio frequency identification
device conformance test methods – Part 6: Test methods for air interface
communications at 860 MHz to 960 MHz.
[4] 2006/804/EC: Commission Decision of 23 November 2006 on harmonisation of the
radio spectrum for radio frequency identification (RFID) devices operating in the ultra
high frequency (UHF) band (OJ L 329, 25.11.2006).
[5] ERC/REC 70-03. Relating to the use of Short Range Devices (SRD); Annex 11: Radio
frequency identification applications.
[6] ETSI EN 302 208-1 V1.1.1 (2004-09). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Radio Frequency Identification Equipment operating in the
band 865 MHz to 868 MHz with power levels up to 2 W; Part 1: Technical
requirements and methods of measurement.
[7] ETSI EN 302 208-2 V1.1.1 (2004-09). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Radio Frequency Identification Equipment operating in the
band 865 MHz to 868 MHz with power levels up to 2 W; Part 2: Harmonized EN under
article 3.2 of the R&TTE Directive.
[8] ETSI EN 302 208-1 V1.2.1 (2008-04). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Radio Frequency Identification Equipment operating in the
band 865 MHz to 868 MHz with power levels up to 2 W; Part 1: Technical
requirements and methods of measurement.
[9] ETSI EN 302 208-2 V1.2.1 (2008-04). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Radio Frequency Identification Equipment operating in the
band 865 MHz to 868 MHz with power levels up to 2 W; Part 2: Harmonized EN
covering essential requirements of Article 3.2 of the R&TTE Directive.
[10] ETSI TR 102 649-1 V1.1.1 (2007-04). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Technical characteristics of RFID in the UHF Band; System
– str. 165 z 187 –
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
Reference Document for Radio Frequency Identification (RFID) equipment; Part 1:
RFID equipment operating in the range from 865 MHz to 868 MHz.
Rozporządzenie Ministra Transportu z dn. 3 lipca 2007 r. w sprawie urządzeń
radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez
pozwolenia radiowego (Dz. U. 2007 nr 138, poz. 972 ze zmianą z dn. 29 lutego 2008 r.
Dz. U. 2008 nr 47, poz. 277).
ETSI EN 300 220-1 V2.1.1 (2006-04). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio equipment to be used in
the 25 MHz to 1 000 MHz frequency range with power levels ranging up to 500 mW;
Part 1: Technical characteristics and test methods.
ETSI EN 300 220-2 V2.1.2 (2007-06). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio equipment to be used in
the 25 MHz to 1 000 MHz frequency range with power levels ranging up to 500 mW;
Part 2: Harmonized EN covering essential requirements under article 3.2 of the R&TTE
Directive
ISO/IEC 18000-4:2004. Information technology – Radio frequency identification for item
management – Part 4: Parameters for air interface communications at 2,45 GHz.
ISO/IEC TR 18047-4:2004. Information technology – Radio frequency identification
device conformance test methods – Part 4: Test methods for air interface communications at
2,45 GHz.
Dyrektywa 1999/5/WE. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia
9.03.1999 r. w sprawie urządzeń radiowych i końcowych urządzeń telekomunikacyjnych
oraz wzajemnego uznawania ich zgodności (Dz. Urz. WE L 91 z 07.04.1999). Dyrektywa
R&TTE.
ETSI EN 300 440-1 V1.4.1 (2008-05). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short range devices; Radio equipment to be used in the
1 GHz to 40 GHz frequency range; Part 1: Technical characteristics and test methods. .
ETSI EN 300 440-2 V1.2.1 (2008-05). Electromagnetic compatibility and Radio
spectrum Matters (ERM); Short range devices; Radio equipment to be used in the
1 GHz to 40 GHz frequency range; Part 2: Harmonized EN covering essential
requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive.
ISO/IEC 18000-7:2004. Information technology – Radio frequency identification for item
management – Part 7: Parameters for active air interface communications at 433 MHz.
ISO/IEC TR 18047-7:2005. Information technology – Radio frequency identification
device conformance test methods – Part 7: Test methods for active air interface
communications at 433 MHz.
2006/771/EC. Commission decision of 9 November 2006 on harmonisation of the radio
spectrum for use by short-range devices. O.J. L 312. 11.11.2006. p. 66.
Commission decision of 23 May 2008 amending Decision 2006/771/EC on harmonisation
of the radio spectrum for use by short-range devices (2008/432/EC). O.J. L 151.
11.6.2008. p. 49.
EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for
Communications at 860 MHz – 960 MHz. Ver. 1.2.0. 2004-2008 EPCglobal Inc.
– str. 166 z 187 –
5
Ogólne metody badania właściwości użytkowych urządzeń RFID
W rozdz. 2, 3 oraz 4 oprócz opisu systemów RFID przedstawiono metody badań interfejsu
radiowego systemów RFID, pracujących w różnych zakresach częstotliwości, pod względem
zgodności z wybranymi normami ISO/IEC.
Bezpośrednim celem tego rodzaju badań technicznych jest potwierdzenie zgodności
z odpowiednią normą międzynarodową, a pośrednim potwierdzenie interoperacyjności
urządzeń – czytników i transponderów oferowanych przez różnych dostawców. Z kolei
interoperacyjność gwarantuje użyteczność i akceptację systemów RFID stosowanych
w międzynarodowym łańcuchu dostaw, transporcie i innych dziedzinach, gdzie wymaga się
identyfikacji i ewidencji tego samego obiektu z oznakowaniem RFID w różnych miejscach,
za pomocą lokalnej infrastruktury.
W tab. 5-1 zestawiono informacje nt. badań przedstawione w poprzednich rozdziałach.
W przypadku systemów RFID dedykowanych do potrzeb inwentaryzacyjnych (item
management) z odpowiednimi częściami normy ISO/IEC 18000 są komplementarne części
dokumentu ISO/IEC TR 18047. Zawierają opis wszystkich pomiarów, których przeprowadzenie
jest wymagane w celu ustalenia, czy produkt spełnia wymagania odpowiedniej części normy
ISO/IEC 18000 dotyczące komunikacyjnego interfejsu radiowego. W przypadku specyficznych
zastosowań RFID, takich jak bezstykowe karty identyfikacyjne i NFC, istnieją osobne normy
systemowe i dedykowane normy dotyczące badań interfejsu radiowego.
Należy tu zaznaczyć, że metody badań opisane w dokumentach ISO/IEC nie dotyczą oceny
zgodności z wymaganiami technicznymi i eksploatacyjnymi wynikającymi z przepisów
prawa. Do wszystkich opisanych w tym opracowaniu systemów odnoszą się wymagania
w zakresie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia użytkowników, kompatybilności elektromagnetycznej oraz efektywnego wykorzystania widma częstotliwości radiowych wynikające
z postanowień dyrektywy 1999/5/WE i ustawy Prawo Telekomunikacyjne. Ponadto
szczegółowe ograniczenia nałożone na parametry radiowe określone są w rozporządzeniu
Ministra Transportu z dn. 3 lipca 2007 r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub
nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego
Tab. 5-1: Normy systemowe i dotyczące metod badania zgodności
Pasmo
LF
Częstotliwości RFID
< 135 kHz
Norma
systemowa
ISO/IEC 18000-2
ISO 11785
Metody badań
ISO/IEC TR 18047-2
JRC Guidelines
Part 2
ISO 14223-1
HF
13,560 ±0,007 MHz
2,45 GHz 2400 ÷ 2483,5 MHz
ISO/IEC 18000-3
ISO/IEC 15693-2
ISO/IEC 14443-2
ECMA-340
(ISO/IEC 18092)
ISO/IEC 18000-4
ISO/IEC TR 18047-3
ISO/IEC 10373-7
ISO/IEC 10373-6
ECMA-356
(ISO/IEC 22536)
ISO/IEC TR 18047-4
UHF
860 ÷ 960 MHz
ISO/IEC 18000-6
ISO/IEC TR 18047-6
433 MHz
433,05 ÷ 434,79 MHz ISO/IEC 18000-7
ISO/IEC TR 18047-7
Uwagi
Inwentaryzacja
Identyfikacja
zwierząt
Identyfikacja
zwierząt
Inwentaryzacja
Karty dystansowe
Karty zbliżeniowe
NFC
Inwentaryzacja
Inwentaryzacja i
inne
Inwentaryzacja
– str. 167 z 187 –
Osobnym zagadnieniem są metody badania właściwości użytkowych systemu RFID, takich
jak zasięg identyfikacji, szybkość identyfikacji, zasięg odczytu i zapisu danych, szybkość
transmisji danych. Metody badania takich parametrów przedstawiono w dokumencie
ISO/IEC TR 18046:2005 [1]. Dokument ten stanowi próbę przedstawienia ogólnych metod
badania urządzeń RFID (czytników i transponderów) stosowanych w procesach automatycznej
identyfikacji i gromadzenia danych (AIDC). Jako taki odnosi się do systemów zdefiniowanych
we wszystkich częściach normy ISO/IEC 18000:2004.
Uwaga. Przygotowując niniejsze opracowanie posłużono się pierwszym dokumentem z 2005 r.
o statusie raportu (TR). Aktualnie trwają prace nad przygotowaniem trzech części normy
o symbolu ISO/IEC 18046, której część pierwsza dotyczy metod badań właściwości systemu
(system performance), druga metod badania czytników (reader performance), a trzecia
metod badania transponderów (tag performance). W dalszych pracach należy wykorzystać te
znowelizowane dokumenty.
Właściwości różnych urządzeń RFID czytników i transponderów mogą różnić się zasadniczo
ze względu na optymalizację do określonych zastosowań i wymagań użytkowników oraz
charakterystyki interfejsu radiowego (częstotliwość, modulacja, protokóły transmisji i inne).
Z tego względu opracowanie metod i kryteriów oceny produktów RFID pochodzących od
różnych dostawców jest niezwykle trudne.
5.1 Identyfikacja, odczyt i zapis
5.1.1
Identyfikacja
W przypadku zastosowań do inwentaryzacji obiektów (item management) system RFID musi
wykonać określony ciąg czynności, aby uzyskać pożądane dane z jednego lub więcej
transponderów. Proces uzyskiwania danych zaczyna się od aktywacji i wydzielenia
określonych transponderów z populacji znajdujących się w strefie danego czytnika. Ten
wstępny etap jest nazywany identyfikacją. W czasie identyfikacji wielu transponderów
(populacji transponderów) mogą wystąpić kolizje odpowiedzi transponderów uaktywnionych
w tym samym czasie. Z tego względu w systemach RFID są definiowane zasady arbitrażu,
nazywane protokółami antykolizyjnymi, które mają zapewnić duże prawdopodobieństwo
wykrycia wszystkich transponderów znajdujących się w danym momencie w strefie
identyfikacji czytnika.
W rezultacie identyfikacji system RFID powinien uzyskać unikalne adresy (identyfikatory)
wszystkich transponderów, które aktualnie znajdują się w jego strefie i wydając indywidualnie
adresowane polecenia może kontrolować działanie tych transponderów. Następnym etapem
jest zestawienie łącza komunikacji między czytnikiem a wybranym transponderem w celu
odczytu i/lub zapisu danych.
5.1.2
Odczyt
Transponder RFID skojarzony z obiektem zawiera dane odnoszące się do obiektu albo
bezpośrednio (np. historia wytwarzania obiektu, metryka zwierzęcia), albo pośrednio (np.
tablica rejestracyjna samochodu). Istotną właściwością systemu RFID jest możliwość
wyszukiwania danych według kryteriów określonych w aplikacji systemu. Ten proces jest
nazywany odczytem transponderów, w odróżnieniu od opisanego wcześniej procesu
identyfikacji transponderów.
Odczyt informacji transpondera wymaga utworzenia łącza komunikacji radiowej między
czytnikiem a transponderem. Odczyt jest transakcją adresowaną do wybranego aktywnego
transpondera. W szczególności odczyt może polegać na wyszukaniu informacji w populacji
zidentyfikowanych transponderów. W procesie odczytu nie ma elementów arbitrażu kolizji.
– str. 168 z 187 –
5.1.3
Zapis
Jak wspomniano wyżej, transponder RFID zawiera dane odnoszące się do obiektu, z którym
jest skojarzony. Informacje te można uzupełniać i/lub modyfikować wykorzystując transmisję
radiową. Jeżeli system RFID realizuje te funkcje, to proces jest nazywany zapisem
transpondera.
Zapis informacji do transpondera wymaga utworzenia łącza komunikacji radiowej między
czytnikiem a transponderem. Zapis jest transakcją adresowaną do wybranego aktywnego
transpondera. Może być wykonany do całej populacji zidentyfikowanych transponderów.
Może dotyczyć pojedynczego lub wielu bajtów. W niektórych systemach jest możliwy zapis
z weryfikacją zapisanych danych.
5.1.4
Strefa działania systemu – zasięg systemu
System RFID powinien umożliwiać identyfikację i przesyłanie danych bez bezpośredniej
widoczności między anteną czytnika i antenami transponderów. Zasięg jest zwykle określany
jako odległości (minimalna / maksymalna) między tymi antenami. W przypadku wielu
transponderów zasięg jest określany względem środka (trójwymiarowej) figury
geometrycznej tworzonej przez populację transponderów.
5.1.5
Szybkość transakcji
System RFID w jednej sesji gromadzenia danych może napotykać wiele transponderów.
W wielu aplikacjach wymaga się określonego czasu na przetworzenie danych ze wszystkich
transponderów. Z tego względu ważnym parametrem jest szybkość odczytu / zapisu,
wyrażona jako liczba transponderów obsługiwanych w jednostce czasu.
5.1.6
Niezawodność
W systemie RFID transakcje polegają na komunikacji radiowej między czytnikiem
a populacją transponderów, podczas której mogą pojawiać się błędy.
W celu zapewnienia integralności przesyłanych danych stosowane są różne techniki, jak
wykorzystanie sumy kontrolnej, stosowanie CRC i retransmisja wiadomości. Niezawodność
identyfikacji polega na zapewnieniu, że transponder lub populacja transponderów zostały
poprawnie zidentyfikowane z określonym prawdopodobieństwem i poziomem ufności.
5.2 Wymagania
Systemy RFID powinny realizować wymagane transakcje, tj. identyfikację, odczyt lub zapis
w warunkach, które są zróżnicowane pod względem:
•
środowiska pracy (temperatury, wilgotności, narażeń mechanicznych, czynników
chemicznych, częstotliwości i poziomu zakłóceń RF),
•
charakterystyk populacji transponderów (liczba, gęstość, szybkość ruchu, orientacja
względem anteny czytnika, materiał podłoża).
Ww. uwarunkowania mają wpływ na ważne dla użytkowników właściwości systemu, takie
jak wielkość strefy, w której możliwe są transakcje (zasięg) i szybkość komunikacji. Poniżej
wymieniono najważniejsze czynniki określające te właściwości systemu RFID.
•
Technika sprzężenia czytnika z transponderami:
− indukcyjne,
− propagacyjne (backscatter).
– str. 169 z 187 –
•
Charakterystyki czytnika:
− częstotliwość generowanego sygnału RF,
− natężenie pola lub moc e.r.p.,
− charakterystyki anteny (kierunkowość, zysk, polaryzacja,
współczynnik dobroci (Q) obwodu antenowego),
− czułość odbiornika,
− charakterystyki modulacji.
•
Charakterystyki transpondera:
− czułość aktywacji (tj. minimalne natężenie pola lub minimalna gęstość mocy RF
wymagana do działania transpondera),
− charakterystyki anteny (kierunkowość, zysk, polaryzacja,
współczynnik dobroci (Q) obwodu antenowego),
− charakterystyki modulacji.
•
Rodzaj powierzchni, na której jest umieszczony transponder:
− papier (karton),
− drewno,
− szkło,
− plastik,
− metal.
•
Środowisko:
− powierzchnie odbijające i absorbujące energię RF,
− wilgotność, kondensacja, oblodzenie,
− chemikalia,
− emisje o częstotliwościach radiowych,
− maszyny i urządzenia elektryczne.
Biorąc pod uwagę złożoność czynników określających właściwości systemu, w celu stworzenia
podstawowych kryteriów wyboru systemów do określonych zastosowań w dokumencie
TR 18046 [1] zaproponowano warunki badań, jak w tab. 5-2.
Tab. 5-2: Warunki badań urządzeń RFID [1]
Cecha
Odległość
— system bliskiego zasięgu,
— system dalekiego zasięgu
Populacja transponderów
Geometria transponderów
Orientacja transponderów
Objętość, w której są transpondery
Szybkość ruchu transponderów
Podłoże montażu transponderów
Środowisko radiowe
Transakcje danych
Wysokość anteny czytnika
Granice
Uwaga
W przestrzeni (x, y, z)
0 – 10 m,
10 – 100 m
1, 10, 20, 50, 100
Liniowa, szeregi, w przestrzeni
0, 30, 60, 90 stopni, losowa
W przestrzeni (ψ, θ, φ)
0,016; 0,125; 1 m3
0, 1, 2, 5, 10 m/s
Papier, drewno, szkło, plastik, metal Lista /*
Łagodne, umiarkowane, zatłoczone WLAN, urządzenia
i maszyny elektryczne
1, 8, 16, 32 bajtów
Odczyt i/lub zapis
0,5; 1, 2, 3 m
Nad płaszczyzną ziemi
– str. 170 z 187 –
/*
Do badań transponderów stosowanych w systemach inwentaryzacji należy brać pod uwagę
następujące materiały podłoża: papier falisty, szyba, płyta wiórowa, sklejka, pleksiglas,
polipropylen, poliwęglan, aluminium, stal. Do mocowania transponderów do podłoża nie należy
wykorzystywać elementów wykonanych z metalu.
Wyróżnia się cztery parametry dotyczące odległości między transponderami i anteną czytnika,
przedstawione na rys. 5-1 i rys. 5-2:
–
Minimalna odległość wzdłuż osi "z" między środkiem anteny czytnika a środkiem strefy,
w której znajduje się populacja badanych transponderów. Oś "z" jest definiowana jako
wektor prostopadły do płaszczyzny anteny czytnika skierowany zgodnie z wartością
szczytową promieniowanego pola. Dla potrzeb badań oś "z" powinna być równoległa do
powierzchni ziemi.
–
Maksymalna odległość wzdłuż osi "z" między środkiem anteny czytnika a środkiem
strefy w której znajduje się populacja transponderów. Definicja osi "z" jw.
–
Odległość pozioma (wzdłuż osi "x"), definiowana jako maksymalna odległość w poprzek
strefy, w której znajduje się badana populacja transponderów. Oś "x" jest definiowana
jako wektor w płaszczyźnie poziomej, prostopadły do osi "z" i równoległy do
powierzchni ziemi.
–
Odległość pionowa (wzdłuż osi "y"), definiowana jako maksymalna odległość na wskroś
strefy, w której znajduje się badana populacja transponderów. Oś "y" jest definiowana
jako wektor w płaszczyźnie pionowej, prostopadły do osi "z" i prostopadły do
płaszczyzny ziemi.
Rys. 5-1: Strefy komunikacji – widok z góry
– str. 171 z 187 –
Rys. 5-2: Strefy komunikacji – widok z boku
Uwaga: Wewnętrzny ciemno-szary obszar reprezentuje zmierzoną strefę skutecznej komunikacji,
w której są obliczane wymagane parametry. Obszar zewnętrzny reprezentuje przestrzeń,
w której populacja transponderów może się przemieszczać.
5.3 Metody badania
Dla potrzeb badań zasięgu populacja transponderów może być uszeregowana wzdłuż linii, na
płaszczyźnie lub przestrzennie.
5.3.1
Zasięg identyfikacji – pojedynczy transponder
Celem badania jest określenie zasięgu identyfikacji systemu RFID (transpondera i czytnika).
Parametry zasięgu powinny określać cztery, obliczone w wyniku pomiarów, wartości
reprezentujące geometryczną rozpiętość (objętość) strefy identyfikacji, wyznaczoną z użyciem
pojedynczego transpondera. Wielkościami zmierzonymi powinny być:
− rozpiętość R(x);
− rozpiętość R(y);
− R(z) min;
− R(z) max.
Badanie należy wykonać używając co najmniej 10 próbek transpondera.
Rozdzielczość testowania nie powinna być większa niż 10 cm.
5.3.2
Zasięg identyfikacji – wiele transponderów
W przypadku tego testu populacja transponderów ustawionych odpowiednio: wzdłuż linii, lub
rozłożona na płaszczyźnie, lub rozmieszczona przestrzennie, powinna być przemieszczana
względem anteny czytnika.
Należy wyznaczyć granice, w których liczba poprawnych identyfikacji spełnia wymagania.
5.3.3
Szybkość identyfikacji
Celem badania jest określenie szybkości identyfikacji systemu RFID (czytnika i transponderów).
Ten parametr zależy od właściwości stosowanego protokółu antykolizyjnego. Wynikiem badania
powinna być liczba transponderów na sekundę.
– str. 172 z 187 –
5.3.4
Zasięg odczytu i zasięg zapisu
Do określenia zasięgu odczytu i zasięgu zapisu stosuje się analogiczne metody jak
w przypadku badania zasięgu identyfikacji. Szczegółowo zalecane metody opisano
w omawianym dokumencie.
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 5
AIDC
CRC
ECMA
HF
IEC
ISO
LF
NFC
Q
RF
RFID
TR
UHF
WLAN
–Automatic Identification and Data Capture
– Cyclic Redundancy Check
– European Computer Manufacturers Association
– High Frequency (3-30 MHz)
– International Electrotechnical Commission
– International Organization for Standarization
– Low Frequency (30-300 kHz)
– Near Field Communication
– Quality
– Radio Frequency
– Radio Frequency Identification
– Technical Report
– Ultra High Frequency (300-3000 MHz)
– Wireless Local Area Network
Spis literatury do rozdz. 5
[1]
[2]
ISO/IEC TR 18046:2005. Information technology – Automatic identification and data
capture techniques – Radio frequency identification device performance test methods.
European Commission. Joint Research Centre. Technical Guidelines for Council
Regulation No. 21/2004 of 17/12/2003. Ver. 1.0. 10.07.2006.Part 2: Electronic
Identifier and Reader Specifications Tests procedures, acceptance criteria, and
codification of identifiers.
– str. 173 z 187 –
6
Projekt czytnika RFID
6.1 Cel i założenia projektu
Celem projektu jest skonstruowanie uniwersalnego czytnika przeznaczonego do testowania
transponderów LF, w szczególności przeznaczonych do identyfikacji zwierząt, działających
w systemie zgodnym z normami ISO 11785 oraz ISO 11784, który opisano w rozdz. 2.3
niniejszego opracowania.
Zadania podjęto się ze względu na to, że dostępne na rynku układy czytników,
zoptymalizowane do obsługi typowych zastosowań, prezentują jedynie odczytany kod
identyfikacyjny transpondera, ale nie umożliwiają odczytywania wszystkich bitów, które
powinny składać się na telegramy identyfikacyjne transponderów FDX (rys. 2-16) i HDX
(rys. 2-19).
Przyjęto, że zbudowany czytnik będzie urządzeniem stacjonarnym obsługującym interfejs
radiowy transponderów typu FDX oraz typu HDX zgodnie z zasadami zdefiniowanymi
w normie ISO 11785, opisanymi w p. 2.3.2.
Ponieważ czytnik ma stanowić wyposażenie laboratorium RFID założono, że do prezentacji
na ekranie i archiwizowania wyników analizy odbieranych telegramów należy zastosować
komputer (PC) z zainstalowaną na nim aplikacją stworzoną w środowisku LabView.
6.1.1
Część nadawcza
Częstotliwość pola aktywującego: (134,2 ±13,42 × 10-3) kHz.
Nominalnie okres aktywacji powinien wynosić 50 ms.
Jeżeli w okresie aktywacji zostanie wykryty sygnał transpondera FDX, lecz telegram nie
zostanie pomyślnie odebrany, to okres aktywacji powinien być wydłużony do czasu
pomyślnej identyfikacji telegramu transpondera, ale nie dłużej niż do 100 ms.
Następnie powinna nastąpić przerwa w emisji pola przeznaczona na detekcję obecności
transponderów HDX (rys. 2-17).
Jeżeli w czasie 3 ms od momentu spadku natężenia pola o 3 dB czytnik nie wykrył sygnału
transpondera HDX, to wytwarzanie pola aktywującego powinno być wznowione.
Jeżeli w czasie 3 ms od momentu spadku natężenia pola o 3 dB czytnik wykrył sygnał
transpondera HDX, przerwa w wytwarzaniu pola aktywującego powinna trwać 20 ms.
Transponder systemu HDX powinien wykorzystać 3 ms przerwę w emisji pola aktywującego
(rys. 2-17) do rozpoczęcia transmisji swojego telegramu. Sygnał transpondera powinien być
wykryty w czasie między 1 ms a 2 ms od momentu spadku natężenia pola o 3 dB. Jeżeli
w tym przedziale sygnał transpondera HDX się nie pojawi, to czytnik powinien wznowić
wytwarzanie pola aktywującego.
Dla potrzeb synchronizacji każdy co dziesiąty cykl powinien składać się z 50 ms okresu
aktywacji i 20 ms przerwy.
6.1.2
Część odbiorcza
W systemie FDX transponder znajdujący się w polu aktywującym wysyła telegram z kodem
identyfikacji. Strumień bitów kodowany z użyciem kodu bifazowego różnicowego (DBP)
moduluje amplitudę pola aktywującego.
– str. 174 z 187 –
Długość jednego bitu jest równa 32 okresom częstotliwości pola aktywującego (134,2 kHz),
tzn. szybkość transmisji wynosi 4 193,75 bit/s.
Na rys. 6-1 przedstawiono dane kodowane zgodnie ze zdefiniowaną w normie ISO 11785
regułą DBP (u góry) i zmodulowany amplitudowo przebieg nośnej (u dołu).
Rys. 6-1: Kodowanie danych i modulacja transmisji transpondera w systemie FDX
Strukturę telegramu identyfikacyjnego transpondera FDX przedstawiono na rys. 2-16.
Telegram powinien składać się z:
•
11 bitów nagłówka (000 0000 0001),
•
64 bitów kodu identyfikacyjnego, podzielonych na osiem bloków po osiem bitów,
•
16 bitów kodu detekcji błędu (CRC), w dwóch blokach po osiem bitów,
•
24 bitów etykiety końca telegramu (trailer), w trzech blokach po osiem bitów.
Do każdego ośmiobitowego bloku dodawany jest bit o wartości "1", aby wykluczyć
możliwość pojawienia się w następnych częściach telegramu kombinacji identycznej
z nagłówkiem.
Kod identyfikacji jest przesyłany zaczynając od najmniej znaczącego bitu (LSB) a kończąc na
najbardziej znaczącym bicie (MSB).
Transponder HDX do przesyłania danych wykorzystuje kodowanie NRZ i dwuwartościową
modulację częstotliwości (FSK), używając częstotliwości 124,2 ±2 kHz do nadawania
binarnej "1", a częstotliwości 134,2 ±1,5 kHz do nadawania binarnego "0". Długość jednego
bitu jest równa 16 okresom wytwarzanej częstotliwości (rys. 2-18).
Strukturę telegramu identyfikacyjnego transpondera HDX przedstawiono na rys. 2-19.
Telegram powinien składać się z:
•
8 bitów nagłówka (0111 1110) pełniącego funkcję ciągu synchronizującego,
•
64 bitów kodu identyfikacyjnego,
•
16 bitów kodu detekcji błędu (CRC),
•
24 bitów etykiety końca telegramu (trailer).
Kod identyfikacji jest przesyłany zaczynając od najmniej znaczącego bitu (LSB) a kończąc na
najbardziej znaczącym bicie (MSB).
W obu wersjach systemu transmisja 64 bitów kodu identyfikacyjnego transpondera jest
zabezpieczona z użyciem 16 bitów kodu detekcji błędu, które są obliczane z wykorzystaniem
wielomianu: P(x) = x16 + x12 + x5 + 1.
– str. 175 z 187 –
Zdefiniowane w normie ISO 11784 znaczenie 64 bitów kodu identyfikacyjnego opisano
wcześniej w tab. 2-11 i tab. 2-12. Bit nr 16 wskazuje na obecność lub brak bloku danych
oznaczanego w dokumencie ISO 11785 jako etykieta końca telegramu (trailer).
6.2 Opis projektu
Jako podstawę konstrukcji części nadawczo-odbiorczej projektowanego czytnika wybrano
dwa układy scalone:
•
U2270B firmy Atmel,
•
RI-RFM-006 firmy Texas Instruments.
Układ U2270B jest przeznaczony do współpracy z transponderami wykorzystującymi
modulację ASK. Zastosowany w odpowiednim układzie może realizować komunikację
z transponderami typu FDX w trybie zdefiniowanym w normie ISO 11785.
Natomiast układ RI-RFM-006 jest przeznaczony do współpracy z transponderami
wykorzystującymi modulację FSK, w trybie zdefiniowanym w normie ISO 11785 dla
transponderów typu HDX.
Do sterowania tymi układami zastosowano mikrokontroler ATmega88 firmy Atmel.
6.2.1
Układ U2270B
Układ scalony U2270B firmy Atmel, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 6-2 [4],
zawiera układy nadawczo-odbiorcze zaprojektowane do współpracy z transponderami
pracującymi w zakresie częstotliwości 100 ÷ 150 kHz wykorzystującymi modulację ASK.
W części nadawczej ma generator przebiegu o częstotliwości aktywującej wraz ze
wzmacniaczami mocy przeznaczonymi do sterowania anteny wytwarzającej pole
magnetyczne.
Część odbiorcza układu składa się z filtru dolnoprzepustowego, wzmacniacza różnicowego
i przerzutnika Schmitta, i służy do przetwarzania analogowego sygnału w paśmie
podstawowym na sygnał cyfrowy, który można poddać obróbce za pomocą mikrokontrolera.
Aby odbierać modulowany amplitudowo sygnał z transpondera wejścia układu powinno być
sterowane z zewnętrznego demodulatora amplitudy.
6.2.1.1 Opis wyprowadzeń układu
GND
Output
OE
Input
MS
CFE
DGND
COIL2
COIL1
VEXT
DVS
VBATT
Standby
VS
Rf
HIPASS
– masa części odbiorczej i sterowania
– wyjście odbiornika (danych)
– włączenie wyjścia danych (stan 0)
– wejście odbiornika
– wybór trybu pracy wzmacniaczy sterujących anteną wspólny / różnicowy
– uaktywnienie generatora fali nośnej
– masa wzmacniaczy sterujących prądem anteny
– wyjście nr 2 do sterowania prądem anteny
– wyjście nr 1 do sterowania prądem anteny
– napięcie zasilające układ
– napięcie zasilające wzmacniacze nadajnika
– napięcie baterii
– wejście przełączenia w tryb standby
– wewnętrzne napięcie zasilania
– przyłączenie zewnętrznego rezystora dostrajania częstotliwości
– przyłączenie zewnętrznego kondensatora filtru
– str. 176 z 187 –
6.2.1.2 Generator
Częstotliwość generatora sygnału aktywującego jest zależna od prądu wpływającego do
wejścia RF układu i może być zmieniana w wyniku dobrania rezystancji zewnętrznej, rys. 6-3.
Wartość rezystancji Rf wymaganą do wytwarzania częstotliwości f0 określa zależność:
Rf = 14375 / f0 [kHz] – 5 kΩ.
6.2.1.3 Sterowanie prądem anteny
Układ jest wyposażony w dwa wzmacniacze przeznaczone do sterowania anteny nadawczej
czytnika (wyjścia COIL1 i COIL2 na rys. 6-2), które mogą pracować w dwóch trybach:
– wspólnym, gdy ich sygnały wyjściowe są w fazie,
– różnicowym, gdy sygnały wyjściowe są w fazach przeciwnych.
6.2.1.4 Filtr wejściowy
Na wejściu układu odbiorczego znajduje się filtr dolnoprzepustowy Butterwortha czwartego
rzędu, zastosowany ze względu na potrzebę usunięcia z sygnału otrzymywanego
z demodulatora amplitudowego pozostałości nośnej i jej harmonicznych. Częstotliwość
odcięcia filtru jest związana z częstotliwością oscylatora i wynosi fosc/18.
6.2.1.5 Wzmacniacz
Z filtru sygnał jest doprowadzony do wzmacniacza o wzmocnieniu 30 V/V i częstotliwość
odcięcia określonej wzorem: fodc = 1 / (2π×CHP×2,5 kΩ), gdzie CHP jest wartością pojemności
dołączonej do wejścia HIPASS.
6.2.1.6 Przerzutnik Schmitta
Zadaniem tego układu jest dostosowanie poziomów sygnału do wymagań stawianych
sygnałom wejściowym mikrokontrolera.
Rys. 6-2: Schemat blokowy układu U2270B
– str. 177 z 187 –
Rys. 6-3: Schemat zastępczy obwodu dostrajania generatora
6.2.1.7 Zalecany układ pracy
Zalecany schemat połączeń układu U2270B przedstawiono na rys. 6-4 [4]. Do wyjść
sterowania anteną COIL1 i COIL2 jest dołączony szeregowy antenowy obwód rezonansowy,
a do wejścia układu diodowy detektor szczytowy pełniący funkcję demodulatora amplitudy.
Rys. 6-4: Zalecany schemat aplikacyjny układu U2270B [4]
6.2.2
Układ RI-RFM-006
Układ scalony RI-RFM-006 firmy Texas Instruments, którego uproszczony schemat blokowy
i rozmieszczenie wyprowadzeń przedstawiono na rys. 6-5 [5], zawiera układy nadawczoodbiorcze zaprojektowane do współpracy z transponderami pracującymi z częstotliwością
aktywacji 134,2 kHz z modulacją FSK. W części nadawczej ma generator przebiegu
o częstotliwości aktywującej oraz dwa tranzystory MOSFET, które można wykorzystać do
sterowania prądem w obwodzie antenowym. Układ w części odbiorczej składa się z kaskady
trzech wzmacniaczy i cyfrowego demodulatora FSK.
– str. 178 z 187 –
Rys. 6-5: Schemat blokowy układu RI-RFM-006 [5]
6.2.2.1 Opis wyprowadzeń układu
A3OP
A3IN
A2OP
A2IN
A1OP
A1IN
TXLO
TXHI
OSCI
OSCO
GND
VCC
TPC
TXCTRXDTRXCK
– wyjście trzeciego wzmacniacza CMOS, wejście demodulatora FSK
– wejście trzeciego wzmacniacza CMOS
– wyjście drugiego wzmacniacza CMOS
– wejście drugiego wzmacniacza CMOS
– wyjście pierwszego wzmacniacza CMOS
– wejście pierwszego wzmacniacza CMOS
– wyjście sterujące N-MOSFET generatora
– wyjście sterujące P-MOSFET generatora
– wejście oscylatora
– wyjście oscylatora
– masa
– napięcie zasilania
– wejście sygnału przełączającego poziom: wysoki (1) lub niski (0)
– wejście sygnału przełączającego tryb pracy: nadajnik (0) lub odbiornik (1)
– wyjście zanegowanych danych
– sygnał zegarowy zsynchronizowany z wyjściem danych
6.2.2.2 Opis działania układu
Układ RI-RFM-006 pracuje w jednym z dwóch trybów nadawczym lub odbiorczym. Wybór
trybu następuje wskutek przełączania poziomu sygnału na wejściu TXCT-. W trybie
nadawczym częstotliwość 17,1776 MHz przebiegu generowanego w układzie przez oscylator
stabilizowany rezonatorem kwarcowym jest dzielona przez 128, a wzmocniony sygnał
o częstotliwości 134,2 kHz jest dostępny na wyjściach TXLO i TXHO.
W trybie odbiorczym następuje aktywacja cyfrowego demodulatora FSK, który może
demodulować sygnały wysyłane przez transponder. Działanie cyfrowego demodulatora FSK
polega na zliczaniu impulsów przebiegu zegarowego w przedziałach czasu wyznaczonych
przez kolejne narastające zbocza wzmocnionego sygnału wejściowego. Wartością progową
liczby impulsów jest 132. Jeżeli w wyznaczonym czasie demodulator zliczył mniej niż 132
impulsy, to decyduje, że sygnałem wejściowym jest "1". W innym przypadku decyduje, że
sygnałem wejściowym jest "0". Jeżeli w czterech kolejnych przedziałach czasu układ
– str. 179 z 187 –
uzyskuje taki sam wynik (odpowiednio "1" lub "0"), to sygnalizuje ważność danych na
wyjściu RXCK.
6.2.2.3 Zalecany układ pracy
Zalecany schemat połączeń układu RI-RFM-006 przedstawiono na rys. 6-6 [5].
Rys. 6-6: Przykładowy schemat czytnika z użyciem układu RI-RFM-006 [5]
6.2.3
Mikrokontroler ATmega88
Układ ATmega88, którego schemat wyprowadzeń przedstawiono na rys. 6-7 [6], jest
8-bitowym mikrokontrolerem o architekturze typu RISC oznaczającym się następującymi
cechami:
•
maksymalna częstotliwość zegara 20 MHz,
•
1 KB pamięci RAM, 512 bajtów pamięci EEPROM oraz 8 kbajtów pamięci programu
typu FLASH programowalnej w układzie,
•
dwa liczniki 8-bitowe i jeden 16-bitowy z opcjonalnymi ustawianymi preskalerami
częstotliwości,
•
moduł USART umożliwiający asynchroniczną lub synchroniczną transmisję szeregową,
•
obsługa 25 przerwań zewnętrznych z wyborem sposobu wyzwalania,
•
23 programowalne linie wejścia / wyjścia.
– str. 180 z 187 –
Rys. 6-7: Wyprowadzenia mikrokontrolera ATmega88 [6]
6.3 Opis zaprojektowanego układu
Czytnik, który według założeń ma obsługiwać dwa rodzaje transponderów pracujących
w trybach FDX i HDX, zgodnie z normami ISO 11785 i ISO 11784 zaprojektowano
wykorzystując opisane układy U2270B i RI-RFM-006 przy użyciu rozwiązań zalecanych na
schematach umieszczonych w ich katalogowych notach aplikacyjnych (rys. 6-4 i rys. 6-6).
Przy czym układ RI-RFM-006 zastosowano jako część nadawczą dla czytnika obu typów
transponderów i jako odbiorczą dla czytnika transponderów typu HDX, natomiast w układzie
U2270B wykorzystano tylko jego część odbiorczą jako odbiorczą dla czytnika transponderów
typu FDX. Do sterowania tymi układami i przetwarzania sygnałów cyfrowych użyto
mikrokontroler ATmega88.
Schemat ideowy kompletnego układu czytnika przedstawiono na rys. 6-8.
W związku z tym, że układ U2270B spełnia tylko funkcję odbiornika, jego wejście
demodulatora amplitudowego jest przyłączone między cewką a kondensatorem obwodu
rezonansowego układu ze schematu aplikacyjnego z rys. 6-6. Wartości pojemności
oznaczonych na rys. 6-4 jako CIN i CHP, wynoszą odpowiednio 680 pF i 100 nF. Wartości
elementów dołączonych do układu RI-RFM-006 są zgodne z zalecanymi na rys. 6-6, poza
indukcyjnością cewki, która wynosi 46,88 µH.
Wyjście części odbiorczej U2270 jest dołączone do wejścia PD2 mikrokontrolera. Wyjście
danych RXDT układu RI-RFM-006 jest dołączone do wejścia PD4, wyjście zegarowe RXCK
do wejścia PD3, a wejście sygnału przełączającego tryb pracy TXCT do wyjścia PC1.
– str. 181 z 187 –
Wyjście PD1 układu USART obsługujące transmisję szeregową jest dołączone do układu
MAX202 [7], który dokonuje konwersji poziomów napięcia z używanych przez ATmega88
na standardowe interfejsu szeregowego RS232.
Algorytm sterujący pracą opisanych układów przedstawiono na rys. 6-9 i rys. 6-10.
W pierwszej fazie odbywa się konfiguracja portów wejścia / wyjścia, timerów i przerwań.
Następnie wskutek ustawienia poziomu niskiego na wyjściu PC1 zostaje uruchomiony
nadajnik przebiegu 134,2 kHz. W tej fazie możliwy jest odbiór sygnału z transpondera typu
FDX. Mikrokontroler czeka na pojawienie się stabilnego stanu na wejściu PD2, a gdy to
nastąpi odmierza czas między zboczami sygnału wejściowego (oznaczone jako T) i na ich
podstawie podejmuje decyzję o wartości odebranego bitu. Po upływie 50 ms timer zgłasza
przerwanie i następuje przejście do obsługi transponderów typu HDX. Na wyjściu PC1
ustawiany jest poziom wysoki i układ RI-RFM-006 zaczyna funkcjonować jako odbiornik
czekający na odpowiedź od transpondera typu HDX. Gdy układ odbierze bit danych
sygnalizuje to ustalając wysoki poziom na wyjściu RXCK, co oznacza, że mikrokontroler
powinien odczytać stan sygnału RXDT na wejściu PD4. Po upływie 20 ms timer zgłasza
przerwanie i następuje przejście do fazy obsługi transponderów typu FDX. Dane odebrane
z transponderów są transmitowane szeregowo do komputera PC po pojawieniu się sygnału
niskiego na wejściu PC2. Odbiór przesyłanych danych i ich późniejsza wizualizacja są
realizowane za pomocą aplikacji stworzonej w środowisku LabView.
– str. 182 z 187 –
Rys. 6-8: Schemat ideowy zaprojektowanego czytnika
– str. 183 z 187 –
Konfiguracja portów, timerów,
USART, przerwań
Włączyć timer, ustawić przerwanie od
timera na 50 ms, PC1 = 0
Odczyt PD2
r10 = PD2
Czekaj 8 µs
Odczyt PD2
r23 = PD2
r10 = r23
NIE
r23 = r10 ?
TAK
Pomiar T, czekaj na
zmianę stanu PD2
Odebrany
bit "1"
TAK
NIE
T > 149 µs ?
Odebrany
bit "0"
Czekaj na
zmianę stanu
PD2
Rys. 6-9: Uproszczony algorytm odbioru sygnału z transpondera typu FDX
– str. 184 z 187 –
Konfiguracja
timerów,
przerwań
PC1 = 0,
ustawić przerwanie
od timera na 20 ms
Czekaj na
narastające
zbocze RXCK
Odczyt bitu
z PD4
Rys. 6-10: Uproszczony algorytm odbioru sygnału z transpondera typu HDX
– str. 185 z 187 –
Wykaz akronimów użytych w rozdz. 6
ASK
CRC
DBP
FDX
FSK
HDX
ISO
LF
LSB
MSB
NRZ
PC
RFID
– Amplitude Shift Keying
– Cyclic Redundancy Check
– Differential Bi-Phase Encoding
– Full Duplex
– Frequency Shift Keying
– Half Duplex
– International Organization for Standarization
– Low Frequency
– Least Significant Bit
– Most Significant Bit
– Non-Return To Zero (encoding)
– Personal Computer
– Radio-Frequency Identification
Spis literatury do rozdz. 6
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
ISO 11785:1996. Radio frequency identification of animals; Technical concept.
ISO 11784:1996. Radio frequency identification of animals; Code structure.
ISO 11784: Amd.1:2004. Radio frequency identification of animals; Code structure;
Amendment 1.
Dane katalogowe układu U2270B. [www.atmel.com]
Dane katalogowe układu RI-RFM-006. [www.ti.com]
Dane katalogowe mikrokontrolera ATmega88. [www.atmel.com]
Dane katalogowe układu MAX202. [www.maxim-ic.com]
– str. 186 z 187 –
7. Wykorzystanie wyników pracy
Przygotowane opracowanie może służyć jako podręcznik prezentujący podstawy
współczesnych technik RFID i wprowadzenie do pogłębionych studiów zagadnień RFID na
specjalistycznych szkoleniach.
Wiedza nabyta przez zespół wykonawców w wyniku analizy zgromadzonych dokumentów
źródłowych, której syntetycznym obrazem jest niniejsze opracowanie, stanowi pierwszy,
konieczny krok do stworzenia krajowego ośrodka mającego wiedzę i środki techniczne do
badań i ekspertyz systemów RFID w różnych zakresach częstotliwości.
Spełniając funkcje takiego typu centrum Instytut Łączności może wspierać administrację
państwową odnośnie regulacji dotyczących tego rodzaju urządzeń radiowych, w tym
w zakresie wypełnienia obowiązku ustanowienia systemu identyfikacji i rejestrowania owiec
i kóz, nałożonego na kraje UE decyzją Komisji Europejskiej z dnia 15 grudnia 2006 r.
W odpowiednich częściach rozdz. 2, 3 i 4 na podstawie norm międzynarodowych opisano
wyposażenie stanowisk przeznaczonych do badania parametrów interfejsu radiowego
czytników i transponderów. Materiały te zostaną wykorzystane do opracowania procedur
badań laboratoryjnych identyfikatorów i czytników. Przewiduje się wystąpienie do Polskiego
Centrum Akredytacji o akredytację tych procedur w czasie następnego, corocznego auditu
laboratoriów badawczych Instytutu Łączności, odbywającego się zwykle w czerwcu lub lipcu.
Biorąc pod uwagę opisy metod badania zawarte w analizowanych dokumentach
normalizacyjnych dla potrzeb badań urządzeń RFID konieczne będzie wykorzystanie
następujących przyrządów pomiarowych spośród użytkowanych przez Laboratorium Badań
Radiokomunikacyjnych:
•
Generator sygnałowy E8267D z opcją generatora funkcji N6030, prod. Agilent,
IŁ 801.3072
•
Generator sygnałowy SMIQ, prod. Rohde & Schwarz, IŁ 801.301671
•
Generator funkcji DS340, prod. Stanford Research, IŁ 801–30166
•
Analizator widma FSU prod. Rohde & Schwarz, IŁ 801.4732
•
Oscyloskop cyfrowy TDS 220, prod. Tektronix, IŁ 801.340725
Uwaga. Parametry tego oscyloskopu można uznać za wystarczające do badań urządzeń
w pasmach LF i HF. Nie spełnia odnoszących do oscyloskopu wymagań normy
ISO/IEC TR 18047-6 cytowanych w p. 4.3.3.1. Jako niezbędne wyposażenie
laboratorium należy pozyskać oscyloskop o szerokości pasma 1 GHz i szybkości
próbkowania 5 Gpróbek/s.
Zatem zakres częstotliwości systemów RFID objęty procedurami, które będą przedstawione
do akredytacji jest uzależniony od możliwości uzyskania cyfrowego oscyloskopu
o odpowiedniej szybkości próbkowania sygnału badanego.
Wiedzę zgromadzoną podczas przygotowywania pracy statutowej wykorzystano
przygotowując fragment wniosku złożonego w kwietniu br. w ramach 7 PR we współpracy
m.in. z firmą Innowacja Polska Sp. z o.o., dotyczącego wykorzystania technik RFID
w inteligentnym transporcie drogowym (ITS). Wniosek został wysoko oceniony, ale niestety
znalazł się poza grupą projektów zakwalifikowanych do finansowania.
Wyniki pracy będą wykorzystane w ramach cyklu certyfikowanych szkoleń pt. "Techniczne
aspekty wdrażania systemów identyfikacji elektronicznej" organizowanych w 2009 r. przez
– str. 187 z 187 –
Krajowa Izbę Gospodarczą Elektroniki i Telekomunikacji przy współudziale Instytutu
Łączności – PIB, w których znajdą się m.in. następujące bloki tematyczne:
–
–
–
–
–
Standardy RFID;
Możliwości systemów identyfikacji elektronicznej;
Budowa identyfikatorów;
Budowa czytników;
Standardy kodowania informacji, kompatybilność;
przygotowywane na podstawie materiałów zgromadzonych dla potrzeb niniejszej pracy
statutowej.
W planie pracy zakładano również projekt i wykonanie wzorcowego czytnika laboratoryjnego
i oprogramowanie go do testowania transponderów zgodnie z normami ISO 11784
i ISO 11785. Zadanie to wpisano do planu zakładając, że zespół wykonawców będzie składał
się z 5 osób, z łącznym zaangażowaniem na 1,45 etatu, w tym planowano zatrudnienie
drugiego młodego inżyniera lub studenta Politechniki. Ze względu na to, że nie udało się
znaleźć osoby zainteresowanej pracą w Instytucie Łączności, projekt czytnika prowadziła
tylko jedna osoba i jego wykonanie nie zostało skończone.
________________________________ KONIEC ________________________________