Referáty
14
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
PŘEHLED IDENTIFIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ PRO „INTERNET VĚCÍ“ = KONCEPT SÍTĚ MEZI NEJRŮZNĚJŠÍMI OBJEKTY Účelem identifikace, tedy ztotožnění a rozeznávání, je systematické rozpoznání entity v množině entit. Identifikační standardy usilují o přiřazení jedinečného identifikátoru entitě. Je-li identifikátor čitelný prostřednictvím prostředků automatické identifikace, je vytvořen předpoklad automatické identifikace (autoID). Automatická identifikace zahrnuje technologie, použité pro strojovou identifikaci objektů. Za jejich použití pak lze identifikovat, sledovat a evidovat jednotlivé entity. Technologie dostupné pro automatickou identifikaci a sběr dat (AIDC, Automatic Identification and Data Capture) jsou čárové kódy (1D kódy lineární, 2D kódy skládané nebo maticové), radiofrekvenční identifikace (RFID), technologie magnetických proužků, optické rozpoznávání znaků (OCR), případně i technologie identifikačních karet a rozpoznávání biometrických atributů, nebo hlasová verifikace pro rozpoznání mluvčího [1], [2], [3]. Do oblasti identifikace výrobků patří etiketovací systémy, řešení používající čárových kódů, laserové či jiné přímé značení (DPM, Direct Part Marking) a označení RFID tagy. Nosičem identifikační informace pak může být čárový kód, DPM značka, například v podobě strojově čitelného písma OCR, magnetický proužek nebo čip. Cílem tohoto referátu je poskytnout přehled nejvýznamnějších dostupných technologií a porovnat jejich vlastnosti z pohledu možnosti využití v systémech automatické identifikace. Tab. 1. Výhody a nevýhody čárových kódů.
Výhody: • • • • • • •
Dostupnost, standard pro identifikaci ve výrobnělogistickém řetězci, zavedené standardy. Snadná použitelnost, osvědčená, vyvíjející se technologie. Rychlost, spolehlivost a přesnost. Nenáročné na obsluhu, rychlost zaškolení obsluhy. Minimální náklady na štítky s čárovými kódy, etiketu s novými údaji lze snadno vytisknout a připevnit, etiketa může být robustní. Není-li možné kód přečíst, lze data předat i ručně (případ 1D kódu). Čtecí zařízení schopné číst různé typy 1D i 2D kódů.
Nevýhody: • • • •
Požadovaná viditelnost kódu, krátký čtecí dosah, optický úhel pohledu pro skenování. Problém číst pomačkané, špinavé nebo rozmazané etikety, působení prostředí a jiných vlivů. V případě vlhkého prostředí může docházet k refrakci vodních částic a zkreslení zaostření. Limitované množství informací, v případě 1D kódu pouze identifikátor, v případě 2D kódu i doplňující údaje.
Automatická identifikace využívající čárové kódy Nejrozšířenější technologií automatické identifikace jsou čárové kódy. Optické identifikační postupy kódují data prostřednictvím barevných oblastí různé šířky nebo kontrastu, popřípadě barvou odlišitelných ploch [4]. V době, kdy vznikl pojem "čárový kód", se používalo jednorozměrné (1D) kódování, ve kterém má kódový obrazec podobu řady čar a mezer různé šířky, popřípadě i rozdílné výšky. Mezi čárové kódy ovšem náleží i další kódové obrazce, ať už dvoudimenzionální 2D kódy nebo kódy třírozměrné, třetím rozměrem je hloubka záznamu (bumpy barcode). Používá se mnoho různých typů čárových kódů, lišících se délkou a strukturou kódu, způsobem kódování a oblastí použití [5]. Pro konkrétní kód vždy existuje předepsaný způsob kódování, tedy předpis, podle kterého jsou textová data transformována do podoby grafického obrazce - specifikace symboliky kódu. Přehled výhod a nevýhod technologie čárových kódů je uveden v tab. 1. Jednorozměrné čárové kódy (1D). Polygraficky vyhotovený čárových kód v podobě jednorozměrného kódu (1D) je historicky nejstarší typ. Černotiskem vytvářené 1D čárové kódy se běžně používají k identifikaci výrobků (EAN, UPC), knih, nebo v oblasti poštovních, kurýrních a logistických služeb. Informace je v této symbologii zakódována do sledu čar a mezilehlých mezer s určitou šířkou [4]. Nositelem informace, číslice nebo písmena, je šířka tištěných čar a mezer mezi nimi. Výška sloupců může být beze ztráty informací zmenšena. Při čtení kódu je světlo světlými mezerami odráženo a tmavými čárami symboliky 1D kódu pohlcováno. Snímač zjišťuje rozdíly v reflexi a tyto mění na elektrické signály, odpovídající šířce čar a mezer. Signály jsou převedeny na znaky čteného čárového kódu a výsledek je porovnáván s tabulkou přípustných kombinací. Jednodimenzionální kódy mají značně omezenou kapacitu, obvykle kódují numerický nebo alfanumerický řetězec, který je klíčem k identifikaci s využitím externí databáze. Dvourozměrné čárové kódy (2D). Informace je zakódována dvourozměrně, což umožňuje integrovat samoopravné kódy. Některé z 2D kódů umožňují uložení všech potřebných údajů a jejich použití pro identifikaci umožňuje nezávislost na vnějším databázovém systému. V závislosti na způsobu uložení informace se rozlišují kódy skládané (stacked), sestávající z víceřádkových symbolik, kódy maticové, popřípadě kódy v podobě kompozitních symbolů. K dispozici je více než 20 různých 2D symbolik, a jich počet se stále zvyšuje [6]. Skládané (stacked) a víceřádkové symboliky vznikají tak, že jednotlivé kódy pevné nebo proměnné délky jsou skládány za sebou nebo pod sebou. Dvourozměrný 2D Data Matrix kód se skládá z různě uspořádaných bodů, například teček, čtverců nebo šestiúhelníků, uspořádaných v matici [6]. Všechny body mají pevný rozměr, liší se polohou, data jsou dána dvourozměrnými souřadnicemi tmavých bodů v matici [7].
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
V případě ordinálního čárového kódu jsou ve svislém směru uložena stejná data a kód je vertikálně redundantní. Spolehlivost přečtení je zvýšena v důsledku nadbytečnosti kódu, přečíst lze i obsah poškozené značky. V porovnání s běžným 1D kódem zabírá datamatrixový kód (DMx kód) asi desetinu prostoru, na plochu (2 - 3) mm2 lze zakódovat až 50 znaků, přičemž lze využít plochy čtverce až do strany čtverce velikosti 350 mm. Jeden kód pak může obsahovat buď 3116 numerických, respektive 2335 alfanumerických znaků. Použití DMx kódů představuje mnoho výhod: větší množství informací na menším prostoru, libovolná orientace při čtení, čitelnost i při nízkém kontrastu a čitelnost i při částečně poškozeném kódu. Možnost vytvořit miniaturní značku, čtení kódů i při sníženém kontrastu nebo umístění na nerovném povrchu a mechanismy redundance umožňují umísťovat kódy přímo na povrch výrobků (Direct Part Marking – DPM) vytvořené tiskem, vyleptáním, vyražením, vlisováním nebo vypálením [2], [7], [8]. Čtení 2D kódů se provádí čtecím zařízením zahrnujícím kameru nebo skener CCD, ke čtení 2D kódů je možné používat i chytré telefony s digitálním fotoaparátem (mobilní tagování). K vytváření 2D kódů je k dispozici programové vybavení, kódy lze tisknout běžně dostupnými tiskovými technikami. Chybějící nebo nedokonalá standardizace a používání několika systémů způsobuje aplikační problémy a je překážkou masovějšího využití. Potíže představují také licenční podmínky nebo patentové spory. Značení 2D dnes patří k nejrozšířenějšímu způsobu značení nejenom v elektrotechnickém, ale i v automobilovém nebo farmaceutickém průmyslu. GS1 Kompozitní symboly jsou lineární složky 1D kódu spojené s přilehlým 2D složkami, které se používají pro kódování doplňujících údajů. Lineární složka je čitelná běžným 1D skenerem, i když takový skener ignoruje 2D komponentu. 2D složka obsahuje vazební linku odlišující součást 1D od samostatné 2D části. Složené symboly nejsou podporovány všemi skenery čárového kódu a implementace může být obtížnější než u jiných možností.
Technologie OCR Technologie OCR (Optical Character Recognition, Optical Character Reading) představuje metodu strojového čtení znaků a jejich transformace do digitální podoby zpracovatelné počítačem [9]. Rozpoznávanými vzory mohou být písmena, číslice i speciální symboly [10]. Přehled výhod a nevýhod technologie strojového čtení znaků je uveden v tab. 2. První OCR systémy se omezovaly na rozpoznávání speciální fontů, tzv. OCR-A a OCR-B [11]. V roce 1976 vytvořil Ray Kurzweil první omnifont, umožňující aplikovat OCR systém nezávislý na aplikovaném fontu [12]. V 90. letech došlo ke stabilizování technologie OCR, která se zpřesnila a zrychlila. S rozšiřováním počítačové techniky výrazně klesly i ceny OCR a skenerů, technologie se stala přístupnou. OCR programy se rozšířily mezi běžné uživatele, používané systémy jsou schopny rozpoznávat tištěné znaky až s 99% úspěšností [10]. Pro účely identifikace je předávaná informace nasnímána, strojově přečtena, zaznamenána a vyhodnocena bez nutnosti manuálního zásahu obsluhy prostřednictvím OCR čtečky (OCR ID reader). OCR proces. Předloha vyhodnocovaného kódu je prostřednictvím skeneru, fotoaparátu nebo kamery digitalizována. Obraz je převeden do bodového rastru
15
(bitmapy), tj. matice černých bodů na bílém pozadí. Každý dílčí pixel nese informaci o barevné hloubce, reprezentované celočíselnou hodnotou, nebo vektorem hodnot. Následuje předzpracování, odstranění šumů a nežádoucích efektů a aplikace rozpoznávací logiky. Ze získaných informací je složen text, který se podrobuje korekci, lexikálnímu postprocessingu - srovnání se slovníkem. Tab. 2. Výhody a nevýhody technologie OCR.
Výhody: • • • •
Přesnost a rychlost čtení (více než 400 znaků za sekundu) - při splnění předpokladů. Mnoha-fontové rozlišování, úspěšnost rozlišení, až 99%, masové využívání. Dostupnost snímacích CCD čtecích zařízení schopných snímat jak čárový kód, tak i písmo OCR. Rychlá a jednoznačná identifikace, například v případě kódu pevně svázaného s výrobkem.
Nevýhody: • • •
Spolehlivost vzhledem k požadavkům na podobu písma, vliv použitého fontu a možnost znemožnění přečtení kódu jeho poškozením. Přesnost a rychlost závisí na optických a jiných podmínkách. Problémy, chybí-li kontrast, dojde k ušpinění nebo poškození kódu.
Karty s magnetickým pruhem Tento způsob identifikace se opírá o identifikační data uložená na médiu umožňujícím využití magnetického způsobu záznamu informace [13], [14]. Systémy s magnetickým uložením kódu dosáhly vzhledem ke své jednoduchosti a ekonomické efektivnosti velkého rozšíření a obliby. Tento způsob záznamu dat se používá pro karty přístupové, platební, asistenční a přepravní, a jako nosič informací v podobě papírové magnetické karty v parkovacích nebo vjezdových systémech. Technologie se dále používá v případě identifikace zákazníků a členů věrnostních, slevových, dárkových a jiných klubů. Přehled výhod a nevýhod technologie radiofrekvenční identifikace je uveden v tab. 3. Identifikační průkaz využívající magnetického proužku byl v roce 1960 patentován Forrestem Parrym [15]. Zadavatel výzkumu ovšem považoval technologii za příliš nákladnou a složitou, a proto byl projekt zastaven. Průkopníkem identifikace v rámci platebních systémů se stala platební síť světových leteckých společností UATP (Universal Air Travel Plan), v rámci které byl pro ověření v roce 1971 poprvé použit magnetický proužek [16]. Magnetický proužek se pro platební identifikaci začal zejména v USA rychle rozšiřovat, podobně jako pro identifikaci v oblasti jízdních dokladů, řidičských průkazů, nebo u předplacených telefonních karet. Komplikací byla neexistence mezinárodního standardu. Různé asociace tak přicházely s vlastními standardy. Magnetický proužek, v kombinaci se standardizací a s rozšířením terminálů a datových sítí, byl jedním z katalyzátorů, které urychlily šíření používání platebních karet po celém světě. Magnetický záznam identifikačních dat. Magnetický proužek je tvořen nosnou páskou, pokrytou vrstvou
Referáty
16
feromagnetického materiálu v podobě miniaturních magnetických zrn zalitých v pojivu, které je drží na podkladu. Magnetická páska identifikační karty se pro účely zápisu informace pohybuje ve štěrbině před záznamovou hlavou a přitom dochází prostřednictvím změny uspořádání magnetických zrn ke zmagnetování takovému, aby v každém bodu nosiče byla zaznamenána informace ve smyslu a velikosti magnetizace. Tab. 3. Výhody a nevýhody magnetické proužku.
Výhody: • •
Nízká pořizovací cena, snadná výroba, přesnost a trvanlivost. Je zajištěn mnohonásobný zápis a také digitalizace uložené informace.
Nevýhody: • •
Poškození magnetického záznamu při vystavení magnetickému poli a nízká datová kapacita. Jednoduchá padělatelnost, lze snadno vytvořit kopii a data v záznamu je možné upravit, hrozí zneužití.
Informace je zaznamenána díky magnetické indukci [17]. Záznamovou hlavou je v okolí štěrbiny a části, přes kterou prochází magnetický nosič, vytvářeno potřebné magnetické pole. Působení magnetické indukce lze soustředit na jedno místo, čímž lze zajistit neovlivnění dříve zapsaných dat. Pokud má být informace na magnetickém proužku smazána, vytváří zdroj v cívce magnetické pole konstantní polarity a pohybem pásky vzduchovou mezerou se magnetická zrna přemagnetizují. Magnetické proužky identifikačních karet. V závislosti na hustotě záznamu se dělí magnetické proužky na dva typy, s vysokou a nízkou hustotou záznamu [18]. Použitá magnetická zrna se vyznačují různou koercitivní silou, čímž může výběr výchozího materiálu žádoucím směrem zabránit změnám magnetizace. Karty s magnetickým pruhem s vysokou koercitivitou, HiCo (High Coercivity), umožňují vysokou hustotu záznamu určenou intenzitou magnetického pole 2700 až 4000 Oe. V případě magnetického pruhu s nízkou hustotou záznamu, LoCo (Low Coercivity), je potřebná intenzita magnetického pole 300 až 650 Oe. Rozlišení typu magnetického pruhu je důležité pro schopnost čtecího zařízení pracovat s daným typem magnetického proužku. Kódování dat ukládaných na magnetickém proužku. Pro záznam informací na magnetický proužek se používá binární kód, ve dvojkové soustavě stačí dvě polarity magnetického pole při konstantní intenzitě. Existují různé možnosti, kterými lze přiřadit změny magnetizace na pásce a jimi vyvolaných elektrických signálů logické nule a logické jedničce. Použitý způsob ovlivňuje kapacitu i bezpečnost zaznamenaných údajů. V rámci mezinárodních standardů došlo ke sjednocení dvou používaných standardů. V kódovací technice F2F (Frequency Two Frequency) je záznam reprezentován napěťovými impulzy, lišícími se frekvencí [19]. Frekvence logických jedniček je zde dvojnásobkem frekvence logických nul. Dále se používá 5 bitový binárně kódovaný dekadický formát o 16 znacích, a to k zakódování 4 z 5 bitů. Pátý bit doplňuje celkový počet bitů, je to paritní bit nepárové parity.
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
Tři stopy magnetického proužku. V mezinárodním standardu ISO 7811 jsou pro magnetické karty v jednom magnetickém proužku definovány 3 záznamové stopy, do kterých se data zapisují. Každá stopa má své specifické parametry a plní specifický účel, dílčí znaky na každé stopě jsou zakódovány, a to zvlášť pro první, druhou i třetí stopu [14]. První stopa je určená pouze ke čtení a může obsahovat až 79 alfanumerických znaků, sloužících jako základní identifikační údaje. Druhá stopa je přepisovatelná a může obsáhnout až 40 numerických znaků včetně čísla karty (až 19 číslic). Tato stopa typicky kóduje číslo karty držitele a datum vypršení doby platnosti, potřebné pro ověření identifikace v rámci on-line transakcí. Třetí stopa je také přepisovatelná, k záznamu potřebných informací je k dispozici až 107 numerických znaků využitelných pro účely toho, kdo kartu vydává. Čtení záznamu na magnetickém proužku. Čtečkou identifikačních magnetických karet (MSR, Magnetic Stripe Reader) je zařízení, schopné načíst informace z magnetického záznamu, převést ho na elektrický signál a tento předat k následnému zpracování. Projde-li magnetický proužek identifikační karty kolem čtecí hlavy, generují se pro tři záznamové stopy tři signály. Vyhodnocení získaných identifikačních dat zajišťuje připojený terminál, přístupová jednotka, nebo nadřazený systém. Ke čtení každé stopy je nutné umístit čtecí hlavu v příslušné vzdálenosti od okraje karty. Změny v magnetickém poli jsou přeměněny na elektrický signál, který lze po zesílení zpracovat v dalších obvodech.
Radiofrekvenční identifikace, RFID Zkratka RFID se používá pro označení radiofrekvenční identifikace (Radio Frequency Identification). Technologie RFID využívá předávání informací prostřednictvím rádiového spojení, a představuje podstatný posun díky umožnění bezobslužného čtení a někdy i zápisu dat do identifikátorů (tagů, transportérů) ze vzdálenosti několika centimetrů až metrů bez nutnosti přímé viditelnosti [2]. Přehled výhod a nevýhod technologie radiofrekvenční identifikace je uveden v tab. 4. RFID tag je elektronickou pamětí, ať už s mikroprocesorem nebo bez něj, u které je přístup k datům uskutečňován bezdrátovou komunikací [20]. Tag nesoucí potřebné informace lze připevnit nebo zabudovat do sledovaného objektu a prostřednictvím čtecího zařízení bezdrátově získávat či vyměňovat identifikační i jiná data. RFID systém sestává z tagů, připevňovaných k identifikovaným objektům a čtecího zařízení, umožňujícího bezdrátové čtení a zápis dat do tagů [21], [22]. První aktivní RFID systém, spočívající v umístění vysílače na každé britské letadlo, byl realizován v britském projektu vedeném Robertem Wattem. Když letadlo obdrželo signály od radarových stanic, začal opakovač vysílat signál, jehož přijetí identifikovalo letadlo jako přátelské. RFID pracuje na podobném principu: signál je vysílán k tagu, dodaná energie je využita k odvysílání id kódu (pasivní systém). Alternativou je aktivní systém, kdy tag signál vysílá bez nutnosti dodání energie vysílaným signálem [23]. V šedesátých letech minulého století se ve Spojených státech začaly využívat protikrádežové systémy, využívající rádiové identifikace magnetostrikcí vyvolaného magnetického
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
pole plíšku, připevněného na zboží. Chtěl-li někdo odejít s nezaplaceným zbožím, čtečka u dveří prostřednictvím magnetostrikce identifikovatelného plíšku identifikovala a spustila poplach. Po inovaci byl na obal zboží připevňován jednobitový tag, který se po zaplacení deaktivoval. Rozšiřování technologie bránily vysoké náklady a chybějící standardizace. Tab. 4. Výhody a nevýhody technologie RFID.
Výhody: • •
•
• •
• •
Spolehlivost, přesnost, intenzívnější bezpečnost, data lze šifrovat, chránit heslem, lze použít jedinečné identifikační číslo. Tagy jako identifikátory mohou mít schopnost čtení i zápisu, lze je připevnit ke sledovaným entitám, dosažitelná odolnost tagů v chemickém prostředí a prostředích vysokých teplot. Možnost opakovaného použití programovatelného tagu, popřípadě je tag schopný poskytnout stálou identifikaci po celý technický život sledovaného produktu. Čtení nevyžaduje dodržení "úhlu pohledu", číst lze v jakékoli orientaci i na větší vzdálenost. Standardy pro nízko a vysokofrekvenční RFID systémy, LF tagy slouží ke sledování zvířat, HF se používá v systémech řízení přístupu pro budovy, prodej vstupenek a automobilových aplikací, imobilizéry. Snížení pracnosti, míra automatizace umožňuje vyvarování se lidským chybám, možnosti současného automatického čtení. Schopnost sledování na úrovni konkrétní položky, tagy mohou uchovat tolik informací, kolik požaduje uživatel, i když je to limitováno náklady.
Nevýhody: •
• • • •
•
Náklady na prvky infrastruktury, náklady na tagy, rizika nedosažení návratnosti investice. Prozatím se neuplatňují úspory z rozsahu. Komponenty a tagy jsou relativně nákladné. Nedostatek ratifikovaných standardů, některé RFID systémy používají vlastní technologie a není zajištěna jejich kompatibilita. RFID tagy nelze dobře číst, když se umístí na kovové předměty nebo kapaliny, popřípadě také pokud jsou tyto substance mezi čtečkou a štítkem. Problémy s nasazením v situacích, kdy existují bariéry radiofrekvenční komunikace (překážky, rušení). Omezení šíření signálu v prostředí. V případě vlhkého prostředí může být radiofrekvenční komunikace v oblasti UHF a mikrovlnných frekvencí ovlivněna absorbováním RF energie vodními částicemi. Náklady na podpůrný kvalifikovaný personál potřebný pro instalaci a provoz RFID systémů.
Možnosti uplatnění technologie RFID. Technologie RFID znamená v oblasti identifikace kvalitativní krok, přináší nové
17
možnosti a způsoby odstranění dříve neřešitelných problémů automatické identifikace. RFID nalézá uplatnění v různorodých oblastech, od telematiky přes obchod, zdravotnictví, výrobu, bankovnictví až po sledování potravního řetězce. RFID identifikátor, který je pevnou součástí výrobku, umožňuje jednoznačnou identifikaci kdykoli v průběhu životního cyklu. RFID tag. Vlastnosti systému radiofrekvenční identifikace předurčují zejména použité tagy (transpondéry, ID tag). RFID tag je tvořen paměťovým čipem, připojeným k vysílací a příjímací anténě. Součástí je i řídicí logika a v případě aktivního tagu i baterie. Data jsou v tagu ukládána v digitální podobě, následně mohou být načtena, respektive v závislosti na typu tagu i přepsána. Předávání dat probíhá bezkontaktním čtením bez nutnosti přímé viditelnosti, transpondér může být upevněn na nepřístupném místě. Tagy lze dělit podle různých hledisek: podle principu práce, podle druhu paměti a podle nosiče. Dělení podle principu práce a způsobu napájení je na tagy pasivní a tagy aktivní. Pasivní RFID tag, který díky elektromagnetické indukci nevyžaduje vlastní napájení, sestává z paměťového čipu, vodivého propojení, antény a kondenzátoru. Absence vlastního zdroje napájení umožňuje značnou miniaturizaci, transpondér tak může být umístěn v nálepce umožňující zabudovat i anténu, jejíž rozměry jsou pro miniaturizaci problémem. Napájení získává pasivní tag z energie elektromagnetického pole čtečky. Charakteristický je nižší dosah typicky jednotky až desítky centimetrů, v závislosti na využívané frekvenci a druhu antény. Z čipu pasivního tagu lze informace v průběhu logistického pohybu jen číst. Výhodou je nízká cena a neomezená životnost, čehož důsledkem je popularita a rozšířené používání tohoto typu RFID identifikátoru. Aktivní tagy RFID jsou vybaveny vlastním zdrojem napájení, kterým je zabudovaná baterie. Používají se pro aktivní lokalizaci, jsou schopny samy vysílat svou identifikaci. Díky vlastnímu napájení lze dosáhnout vyššího dosahu až desítek metrů a dodatečných funkcionalit, jako je snímání teploty, tlaku atd. Informace lze v průběhu logistického pohybu z čipu číst, popřípadě i zapisovat do paměti s kapacitou až 1MB. Nevýhodou aktivního tagu jsou větší rozměry, vyšší cena a omezená životnost, obvykle několik let. Zabudovaný napájecí zdroj je obvykle využíván pro napájení jak celé soustavy, tak i vestavěného vysílače. Vedle pasivních a aktivních tagů existují i tagy semiaktivní, u kterých se baterie používá pouze pro napájení potřebného pro plnění některých funkcí transpondéru [24]. Vlastní napájení tak umožňuje provádění naprogramovaných operací, jako je sběr dat i v případě, kdy v dosahu není čtecí zařízení. Výhodou je delší životnost baterie než v případě aktivních systémů. Dělení podle kmitočtového pásma. Použitá frekvence výrazně ovlivňuje RFID aplikace nejenom z pohledu technických parametrů, jako jsou provozní vzdálenosti, rychlosti, nebo minimální velikost identifikovaných objektů, ale i z ekonomického hlediska. Volba frekvence vyplývá z celé řady omezení, jako jsou zákonná omezení, požadovaný dosah čtečky, uvažovaná rychlost čtení a zapisování, nebo použitelnost v různém prostředí. Nízkofrekvenční systémy mají nižší dosah čtecího zařízení. Jsou používány pro sledování a identifikaci majetku, zvířat a v oblasti aplikací pro zajištění bezpečnosti. V případě pásma dlouhých vln (LF, Low Frequency) je dosah pod 0,4 m, v pás-
18
Referáty
mu krátkých vln (HF, high frequency) je dosah do 1 m. Pro řešení využívající pásma dlouhých vln (LF) je minimální vliv okolí, malá rychlost přenosu a použitelnost i pro nepříznivé podmínky (minimální ovlivnění přítomností vody). LF tagy jsou rozměrově větší a nemusí se vejít na drobné předměty. Další nevýhodou je nemožnost číst tagy na vzdálenost více než půl metru a nemožnost přečíst více tagů ve stejnou dobu kvůli nižší rychlosti. Mezi typické aplikace patří procesy monitorování výroby, zejména ty "mokré", RFID systémy řízení přístupu a sledování majetku nebo označování zvířat. RFID v pásmu krátkých vln (HF) je levnější než většina řešení v pásmu dlouhých vln (LF). I tak jsou výrobní náklady relativně vysoké, obtížné je čtení přes kapalinu. Výhodou je dostatečná rychlost čtení a schopnost číst na větší vzdálenosti než LF. Nevýhodou řešení v pásmu krátkých vln (HF) jsou, v porovnání s UHF a mikrovlnným řešením, kratší čtecí vzdálenosti (do 1 m) a fakt, že se nejedná o vhodné řešení pro čtení mnoha tagů najednou. Typickým uplatněním HF pásma jsou čipové karty, RFID knihovní systém nebo identifikace zavazadel na dopravních branách. Vysokofrekvenční systémy obecně nabízí vysoký dosah, více než 90 metrů, i vysoké rychlosti. Řešení v pásmu ultra krátkých vln (UHF, ultra high frequency) umožňuje dosáhnout velkých čtecích vzdáleností (1 až 3 m v případě pásma 868 MHz) a rychlé identifikace objektů díky velké rychlosti čtení. Obecně je řešení v pásmu ultra krátkých vln méně nákladné, než řešení používající kmitočtových rozsahů LF a HF, možnost realizovat levný pasivní UHF tag, který je široce použitelný. Nevýhodou je skutečnost, že spolehlivé čtení ovlivňují podmínky prostředí (nelze číst přes kapalinu, komplikace v případě kovu), může vznikat více komplikací pro radiofrekvenční přenos. Typickou aplikací jsou logistická řešení, jako jsou sledování palet při přepravě a ve skladech, platby mýtného bez zastavení a řešení přístupu na parkoviště. Výhodou řešení v oblasti mikrovln je dosah do 10 m, rychlá identifikace objektů dosahovaná díky velké rychlosti přenosu (v řádech Mb/s), možnost identifikovat i více tagů najednou a skutečnost, že mikrovlny dobře pronikají mnoha materiály a tagy v nich mohou být schovány. Nevýhodou tohoto řešení je velká cena RFID tagu a fyzikální omezení dané tím, že přenos dobře nefunguje přes vodu nebo objekty obsahující vodu energie mikrovln je vodou absorbována. Rovněž dobře nefungují v případě vodivého materiálu, jako jsou kovy nacházející se mezi tagem a čtečkou. Typickou aplikací jsou, vzhledem k možnosti čtení při vysokých rychlostech identifikovaného objektu, dopravní systémy a identifikace pro účely platby mýtného bez zastavení nebo identifikace zavazadel. Typy tagů: podle typu paměti a možnosti zápisu. V případě tagů určených pouze ke čtení (read only) nese čip unikátní sériové číslo, například kód EPC, zapsané výrobcem. U tagů určených ke čtení a zapisování (read-write) lze do paměti čipu opakovaně zapisovat (256 bitů až 32 kB), uložená data mohou být kdykoliv změněna nebo doplněna. K zápisu dat do transpondéru není zapotřebí komunikační propojení s centrálním počítačem, zápis realizuje čtecí zařízení vybavené zapisovacími funkcemi. Opakovatelně přepisovatelné tagy jsou dražší, a proto je nutné v aplikacích uvažovat opakované použití tagu. Řešení se vyplatí v případě využití v uzavřeném koloběhu, příkladem
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
je identifikace vracejících se přepravních obalů označených RFID tagem. Tagy umožňující jednorázový zápis (write once, read many, WORM) jsou jednorázově programovatelné transpondéry, z nichž se po naprogramování stávají tagy určené ke čtení (read-only). K naprogramování dochází na straně výrobce, zákazníka OEM nebo koncového uživatele. Fyzické provedení RFID tagu může být ve formě štítku nebo v zapouzdřené podobě různého tvaru. Ve vazbě na potřeby aplikace může mít pouzdro tvar disku, plakety, klíčenky, náramku, šroubu nebo třeba ISO karty. V případě RFID štítku jsou anténa i čip připevněny k podkladu tvořícím štítek, RFID tag tak může být součástí papírové či plastové samolepicí etikety. Pokud lze výsledný štítek potisknout čárovým kódem, hovoří se o tzv. smart label. "Chytrý štítek" jako rozšířeně používaný identifikátor pro obchod a logistiku pak obsahuje jak opticky čtený čárový kód, tak RFID tag potřebný pro radiofrekvenční identifikaci. Vlastní provedení pouzdření odpovídá požadavkům aplikace, ať už designem, způsobem upevnění k identifikovanému objektu nebo teplotní, vlhkostní či chemickou odolností. Transpondéry aplikované přímo na kovové povrchy pro omezení rušení oddělením od kovové podložky využívají integrovaného feritového stínění nebo keramické distanční vložky. RFID čtecí zařízení. Čtecí zařízení dokáže bezdrátově komunikovat s tagem a číst informace zapsané v jeho paměti. Jeho úkolem je zachycení vysílání aktivního nebo pasivního tagu, načíst data uložená na straně tagu a předat informace pro zápis, shromážděná data předávat řídící jednotce k dalšímu zpracování a v případě inteligentnějšího čtecího zařízení filtrovat redundantní data, rozpoznat již jednou přečtená data a ignorovat odrazy signálů. Čtečky mohou být v provedení širokého spektra tvarů a velikostí a sestávají z vlastní čtečky, antén a programového vybavení, tzv. middleware. Middleware je označení pro sofwarové vybavení, které zajišťuje prvotní zpracování dat před vstupem do IS a zprostředkování komunikace mezi RFID čtecím zařízením a nadřízeným systémem. Je to systém zajišťující hromadné zpracování všech načtených tagů v dosahu čtecího zařízení a přenesení zpracovaných a vyfiltrovaných dat do návazného informačního systému. Dosah čteček se pohybuje od jednotek centimetrů po desítky až stovky metrů, v závislosti na vysílacím výkonu a použitém kmitočtovém pásmu. Čtecí zařízení může mít stacionární podobu třeba v provedení RFID brány nebo stolní čtečky a podobu mobilní, ve formě datového terminálu nebo ručního snímače. Cena jednoduchých příručních přístrojů je srovnatelná s přístroji pro snímání čárových kódů a závisí na použitých anténách, potřebném výkonu, přenosových kmitočtech, použité inteligenci i robustnosti provedení.
Závěrečné shrnutí Úkolem většiny auto-ID systémů je zvýšení efektivity, snížení chyb při zadávání dat a uvolnění obsluhy k provádění funkcí přidávajících hodnotu. Zřejmým cílem je snaha číst identifikační informace rychle, spolehlivě a pokud možno bezpracně. K dispozici je celá řada technologií, které jsou připraveny pro tyto účely. Přehled důležitých technologií je uveden v předchozích částech referátu, porovnání vlastností důležitých technologií automatické identifikace je uvedeno v tab. 5.
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
Každá z technologií je charakterizována svými výhodami a nevýhodami a jejich využití nutně souvisí s aplikačními požadavky. Čárové kódy jsou pro určité úkoly levné a efektivní, a to předurčuje jejich masové rozšíření. Rostoucí rozšíření lze očekávat rovněž u RFID technologie. Významným specifikem tohoto způsobu radiofrekvenční identifikace je skutečnost, že není vyžadována přímá viditelnost identifikátoru v podobě RFID tagu. RFID identifikátor je čip s různě velkou pamětí, nejedná se pouze o uložení strojově čitelné identifikační informace. Technologie RFID přináší kvalitativní posun zejména díky možnosti hromadného bezobslužného čtení i zápisu informací do identifikátorů ze vzdálenosti v řádu centimetrů i metrů. Doc. Ing. Jaroslav Kadlec, Ph.D. Doc. Ing. Radek Kuchta, Ph.D. Ing. Radovan Novotný, Ph.D.
Literatura [1] Sharp, K. Automatic Identification Making It Pay. Van Nostrand Reinhold Computer, 1990. [2] Norbert Bartneck, V. K. Optimizing Processes With Rfid and Auto Id: Fundamentals, Problems and Solutions, Example Applications. Publicis Publishing, Erlangen. 2009. [3] Vojanec, J. Identifikace v průmyslu se systémy společnosti Siemens. Automatizace.cz [online]. listopad 2007 [cit. 14. 4. 2012]. Dostupný z: http://www. automatizace.cz/article.php?a=1954 [4] Raj, B. Bar Codes. Technology and Implementation. McGraw-Hill, New Delhi, 2001. [5] Šmejkal, L. Snímače čárových kódů – přehled trhu. Automatizace.cz [online]. listopad 2007 [cit. 26. 2. 2012]. Dostupný z: http://www.automatizace.cz/article.php?a=1952 [6] Hiroko Kato, K. T. Barcodes for Mobile Devices. Cambridge University Press, New York, 2010. [7] Šťovíček, M. 2D Kódy. Značení a identifikace. Odbornecasopisy.cz [online] [cit. 14. 2. 2012]. Dostupný z: http://odbornecasopisy.cz/data-ftp-user/IP/FCCPS.pdf [8] KODYS. Identifikační technologie. Přímé značení - DPM. Kodys.cz [online]. 2009 [cit. 27. 3. 2012]. Dostupný z: http://www.kodys.cz/direct-part-marking.html [9] Kasík, P. Jak se počítač naučil číst milion knížek ročně. Idnes.cz [online]. 24. listopad 2007 [cit. 19. 4. 2012]. Dostupný z: http://technet.idnes.cz/jak-se-pocitac-naucilcist-milion-knizek-rocne-fo8-/tec_technika.aspx? c=A071123_182221_tec_technika_pka [10] Banbury, J. OCR and full text indexing. Flinders.edu.au [online]. 22. prosinec 2011 [cit. 5. 5. 2012]. Dostupný z: http://www.flinders.edu.au/library/research/fac/help/ocrand-fulltext-searching.cfm [11] Kopecký, K., Nocar, D., Kopecký, R. OCR technologie v pedagogických disciplínách. Epedagog.upol.cz [online]. 2002 [cit. 14. 3. 2012]. Dostupný z: http://epedagog.upol.cz/eped3.2003/clanek03.htm
19
[12] Kratochvíl, P., Geiger, J. Papírové dokumenty v počítači. m.chip.cz [online]. 18. září 2009 [cit. 10. 3 2012]. Dostupný z: http://m.chip.cz/mobile/clanky/trendy/2009/9/papirovedokumenty-v-pocitaci/mobile_view [13] Katina, M. Innovative Automatic Identification and Location-Based Services: From Bar Codes to Chip Implants. Information Science Reference, London, 2009. [14] Rankl, W., Effing, W. Smart Card Handbook. John Wiley & Sons, Chicester, 2010. [15] Hutchinson, A. Big Ideas: 100 Modern Inventions That Have Transformed Our World. Hearst Books, New York, 2009. [16] UATP History [online]. 2005. Dostupný z: http://www.uatp.com/about/history-facts/default.htm [17] Reichl, J., Všetička, M. Magnetický záznam zvuku. Encyklopedie fyziky [online]. 2006 - 2012 [cit. 21. 4. 2012]. Dostupný z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/1348magneticky-zaznam-zvuku [18] LEONHARD KURZ Stiftung & Co. Magnetic foil [online]. 2011 [cit. 3. 4. 2012]. Dostupný z: http://www.kurz.de/kurzweb/en/home.nsf/contentview/C 125707A0037F3D0C1256A53004BD026/$FILE/C12570 7A0037F3D0C1256A53004BD026.pdf [19] AIM. Card Technologies, Modified Frequency Modulation (MFM) -- Encoding for Magnetic Stripes [online]. 1994 [cit. 15. 3. 2012]. Dostupný z: http://www.aimglobal.org/technologies/card/ mfmencoding.asp [20] Rida, A., Yang, L., Tentzeris, M. RFID-Enabled Sensor Design and Applications. Artech House, Norwood, 2010. [21] Irber, J. EPRIN - čárové kódy, sklady, etiketovací systémy. Eprin.cz [online]. 28. listopad 2008 [cit. 14. 4. 2012]. Dostupný z: http://www.eprin.cz/reseni/technologie [22] Henrici, D. Rfid Security and Privacy: Concepts, Protocols, and Architectures. Springer, Berlin, 2008. [23] Sommerová, M. Základy RFID technologií. ILAB RFID [online]. 2009 [cit. 29. 4. 2012]. Dostupný z: http://rfid.vsb.cz/miranda2/export/sites-root/rfid/cs/ okruhy/informace/RFID_pro_Logistickou_akademii.pdf [24] Dobkin, D. M. The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice. Newnes, Oxford, 2007.
Poděkování V článku jsou prezentovány výsledky výzkumu, který byl podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR v rámci řešení projektů č. FR-TI4/530, FR-TI1/057 a projektu CEITEC - Central European Institute of Technology CZ.1.05/1.1.00/02.0068.
Slaboproudý obzor Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
20 Tab. 5. Srovnání významných technologií automatické identifikace.
Čárový kód 2D Datová kapacita:
OCR
Magnetický proužek
RFID
relativně malá
minimální
omezená
záleží na typu paměti čipu
1D čárové kódy jsou schopné uchovávat maximálně cca 20 znaků, 2D kódy až 100 násobně více (QR kód poskytuje v binárním kódu téměř 3kB).
Každý řádek OCR identifikátoru je omezena na nejvýše 50 znaků.
První stopa 7 bitové schéma (max. 76 znaků), druhá stopa 5 bitové schéma (max. 37 znaků), třetí stopa 7 bitové schéma (max. 104 znaků).
Read Only: čip nese unikátní sériové číslo (např. EPC), kapacita 2 kB uchování identifikačních údajů. Read-Write: paměť až 32 kB.
Identifikační rychlost:
(0,3 – 1) s
(4 – 8) s
(0,3 – 2) s
(0,3 - 0,5) s
Bitová chybovost (bit error rate):
1/1000000
1/1000
až do životnosti magnetického média
omezena šumem a vzájemnou polohou antén
ano
ano
nutnost kontaktu
ne
Dosah:
čtecí vzdálenost (0 - cca 15) m
čtecí vzdálenosti (3 - cca 30) cm
čtecí vzdálenost do 2 cm
závisí na tagu a frekvenci, až 100 m
Náklady na „tisk“
nízké (inkoust)
nízké
střední
vysoké
I jiná data než identifikační kód
ano
spíše ne
spíše ano
ano
Negativní vlivy:
poškození, překrytí, zašpinění
poškození, překrytí, zašpinění
poškození, vliv magnetizmu
zarušení, voda, kov (dle frekvence)
Vliv opotřebení:
spíše ano, vliv média
spíše ano, vliv média
spíše ano
ne
Cena nosiče:
malá
malá
střední
velká
Cena čtečky:
střední
velká
střední
malá
ne
ne
ano
záleží na typu paměti
Technická výhoda:
rychlé a přesné, snadné a spolehlivé
rychlé ve zpracování obrazu a symbolu
přenosné a přepisovatelné
rychlé a dávkové zpracování
Typické využití:
v oblasti identifikace zboží 1D kódy, 2D kódy jako DPM značky nebo pro třídění zásilek
identifikace osob, komponent, DPM značky, průmysl, logistika i administrativa.
nosič klientských informací, bankovní, zákaznické či zaměstnanecké karty.
výběr mýta, zajištění dohledatelnosti, inventarizace, oběh s obaly v uzavřené smyčce.
Nutnost přímé viditelnosti:
Zapisovatelnost:
