Popis a použití technologie RFID

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně

Popis a použití technologie RFID Seminární práce

Roman Stanec PEF, MZLU, ARI, 2.ročník 16.12.2008

Abstrakt Technologie RFID je aktuální všude tam, kde je zapotřebí sledovat pohyb jednolivých položek nebo tam, kde je potřeba identifikovat objekty nebo osoby. Následující práce se zaobírá jak popsáním různých typů RFID, tak možnými oblastmi použití RFID.

Klíčová slova RFID, systémy identifikace, rozvoj podnikání, snížení nákladů

2

1 Představení problému Stále větší počet subdodavatelů a partnerů v logistických řetězcích mezi sebou přemísťuje zvyšující se množství materiálu nebo zboží, a to v kratších časových termínech. Tato intenzivní spolupráce dramaticky zvyšuje nároky na přesné sledování pohybu materiálu a zboží. Efektivní sledování pohybů dodávek vyžaduje vyšší podíl nákladné lidské pracovní síly a tím negativně ovlivňuje celkové náklady a konkurenceschopnost podniků. Je potřeba tuto situaci řešit vhodným způsobem. Jedním z nich by mohl být například způsob nastíněný v této práci.

2 Nástin řešení Revolučním řešením představeného problému je využití technologie RFID. V následujícím textu se pokusím tuto technologii popsat jak z hlediska technického, tak z hlediska praktického a nastínit možnosti řešení vedoucí k úsporám.

3 Historie RFID Vývoj technologie začal na přelomu 60. a 70. let, jak už tomu bývá zvykem, v armádě.Do dnešní doby ale byla technologie finančně náročná a proto se uplatnila jen v kruzích blízkých armádě. Do širšího požití se dostává až v poslední době, kdy jsou jednotlivé komponenty cenově dostupné i masovému nasazení. Vývoj v současné době zabezpečuje Auto-ID Center, který vznikl v roce 1999 jako nezisková organizace a součástí jeho centra je i Massachusetts Institute of Technology.

4 Základní pojmy RFID (Radio Frequency Identification) je všeobecný pojem pro technologie, které používají rádiové vlny na automatickou identifikaci objektů nebo lidí. K tomuto účelu existuje několik metod, ale asi nejvšeobecnější je uchovávání sériového čísla identifikovaného objektu nebo osoby a případně dalších údajů. RFID se skládá hlavně ze dvou hlavních kompnent: RFID tagu (Obrázek 1) a RFID čtečky (Obrázek 2). 3

Obrázek 1: RFID tag

Obrázek 2: přenosná RFID čtečka Údaje se uchovávají na mikročipu, ke kterému je připojena anténa.Čip spolu s anténou se nazývá RFID transponder (znamená doslova rádiový vysílač, který po zachycení signálu začne vysílat) nebo RFID tag. Anténa umožňuje přenos identifikačních údajů na čtecí zařízení. Čtecí zařízení konvertuje rádiové vlny odražené od RFID tagu do digitální informace, která je dále posílaná do počítače, který ji zpracuje. 4

5 Typy RFID V současnosti jsou vyvinuté různé druhy tagů a rozdělujeme je podle frekvence, kterou využívají ke komunikaci se čtečkou, podle protokolu, který používají, podle způsobu napájení a podle způsobu uchovávání informací.

5.1 Používané frekvence V současnosti jsou používané tři hlavní frekvenční pásma: • Pásmo nízkých frekvencí – LF (od 125 kHz do 134 kHz), • Pásmo vysokých frekvencí – HF (od 13,56 MHz), • Pásmo ultravysokých frekvencí – UHF (850 MHz do 950 MHz a od 2,4 GHz do 2,5 Ghz). Evropská unie se soustřeďuje na rozsah 865 až 868 MHz, zatímco Severní Amerika na rozsah 902 až 928 MHz, Austrálie na 920 až 926 MHz, Čína si zvolila jiné rozsahy a Japonsko zatím UHF pásmo nepovolilo, ale uvažuje se o oblasti nad 960 MHz. UHF pásmo 2,4 Ghz až 2,5 Ghz se kryje s nelicencovaným WiFi pásmem. V pásmu LF existují už aplikace na kontrolu přístupu nebo označování výrobků a zařízení. V tomto pásmu je nižší energetická náročnost a vlny lépe pronikají skrz nekovové materiály nebo vodu. Problém širšího rozšíření aplikací v tomto pásmu je dosah čtečky, který je přibližně 30 cm. HF aplikace disponují čtecím dosahem asi jeden metr. UHF frekvence mají větší dosah a přenášejí data rychleji než LF a HF rozsahy. Jsou však energeticky náročnější a vlny hůře pronikají přes materiály. Zpravidla je nutná přímá viditelnost mezi čtečkou a tagem. Čtecí dosah je přibližně šest metrů.

5.2 Protokol Každý RFID tag je určen pro specifický protokol. Tento protokol definuje, jak bude tag komunikovat s okolím. Pokud nebude čtečka a tag používat stejné protokol, nebudou si vzájemně rozumět. Výrobci vyrábějí čtečky tak, aby uměli pracovat s více protokoly na různých frekvencích.

5

5.3 Způsoby napájení RFID tagy se rozdělují do dvou kategorií: •

Aktivní RFID tagy jsou napájené baterií. Signál vysílají na čtečku do vzdálenosti přibližně 30 metrů. Typicky jsou těmito tagy označované kontejnery nebo jiné produkty vyšší hodnoty, jako např. auta.

•

Pasivní RFID tagy nemají baterii. Energii přijímají z čtečky. Čtečka posílá nízkoenergetický rádiový signál a tag ho přes anténu přijímá. Pomocí energie signálu je napájen čip tagu, který vykoná verifikaci a zpět posílá své data. Pasivní tag je schopný přijímat a vysílat signál maximálně do vzdálenosti jen tři metry. Cenově je však dostupnější. Z pasivních tagů se ještě vyčlenila jedna skupina, a to tagy, které používají technologii „energy harvesting“. Je to způsob, při kterém se energie v pasivním tagu přijímá z čtečky, část z ní se ukládá a část se spotřebuje na zpětné vysílání dat, ale na jiné frekvenci. Takto se dá zásadně zvýšit informační tok mezi čtečkami a RFID tagy.

5.4 Uchovávání informací Existují tři základní druhy tagů z hlediska uchování informací – Read-Only, Read-Write a WORM (Write Once Read Many). •

Čipy Read-Only jsou vyráběné takovým způsobem, aby uchovávali jedinečné informace a tyto informace nemohli být nikdy změněny.

•

Čipy Read-Write mohou přijímat dodatečné informace, když je tag v dosahu čteček. Zpravidla se jedná o 2 kB dat, což je však postačující na doplňkové informace o produktech nebo jiných objektech.

•

Čipy WORM se nijak neplní daty u výrobce, ale naplnění obsahu je ponecháno na samotném dodavateli produktů při prvním použití tohoto tagu.

6 Parametry ovlnivňující aplikace Na způsob a rozsah nasazení RFID v praxi má vliv spousta parametrů.

6

6.1 Cena Jak jsem již zmiňoval, tag se skládá z mikročipu a připojené antény. Cena tagu velmi závisí na ceně mikročipu. Read-Only tagy se dnes pohybují okolo 1,- Kč za kus. Tagy schopné i zjišťovat informace stoji okolo 5,- Kč (je ale třeba si uvědomit, že ceny RFID čipů se značně odvijí od jejich objednaného množství – tj. jinou cenu zaplatíte za RFID čip v případě, že si objednáte 10 kusů a jinou cenu když si objednáte 100 000 kusů. Uvedené orientační ceny jsou právě ceny při velkých odběrech čipů).

6.2 Velikost tagu Velikost tagu ovlivňuje vzdálenost, z které je tač čitelný. I když může být mikročip velmi malý, nefungoval by a neuměl přenášet informace bez připojené antény. Dá se říct, že kromě používané frekvence i velikost antény ovlivňuje dosah přenosu dat. Vyvíjejí se i speciální typi s upravenými anténami, které jsou schopné pracovat i v tekutém prostředí nebo mezi kovovými částmi.

6.3 Cena infrastruktury Jedná se o čtečky RFID tagů a jejich kabelové připojení do systémů. Mnohokrát se vyskytnou i implementační problémy, nakolik RFID není čitelný přes kovový obal, dochází k interferencím a dalším vlivy.

6.4 Vzdálenost čtení Vzdálenost čtení velmi souvisí s použitou frekvencí. Kromě ní ovlivňuje kvalitu přenosu i velikost antény tagu a čtečky, orientace tagu na výrobku. Vzdálenost může ovlivnit i energetická náročnost – ruční bezdrátové čtečky nemohou využít tolik energie jako pevné, čím je jejich vzdálenost čtení podstatně omezovaná.

6.5 Právní úpravy V různých státech existují různá pravidla používaných a uvolněných frekvencí. Tímto mohou vzniknout problémy při transportu produktů mezi jednotlivými kontinenty nebo státy.

7

7 Oblasti použití RFID aplikací Přínost technologie RFID je ten, že není potřebná přímá viditelnost, produkt může být skenovaný i přes plastové obaly, přičemž navíc nemusí být tag vůbec natočen přímo k čtečce. Takovým načítáním se odbourává lidská práce, kdy se například paleta nebo karton naskenuje i když dopravní pás nese nákld okolo čtečky. Je to hlavní rozdíl oproti použití čárového kódu, kde je potřebná přímá viditelnost. Navíc když například sledujete pokladní u pokladen v potravinách, jak moc se trápí s tím, aby narovnali obal produktu tak, aby byl čtečkou čárových kódů čitelný, přitom častokrát končí pokusy neúspěchem a čárový kód se zadává číselně přes klávesnici. Při tvorbě aplikací zpravidla společnost vytvoří síť RFID čteček např. okolo dveří, nákladních ramp a ve skladech. Když přijde paleta, je načtený její tag, který je poslaný na aplikační server. Ten si najde obsah palety a přiřadí obsah palety do skladu. Když se paleta uloží do skladu 3, ulička 5, regál 8 nahoře, vše zaznamená systém čteček a systém umí okamžitě poskytnout informace, kde se daný produkt nachází. To má ještě jednu zajímavou vlastnost. Je totiž možné hledat výrobek i opačným směrem, tedy kde se produkt s určitým EPC číslem nachází. Má to význam např. při sledování záručních dob, kde jsou nejdříve vyskladňovány produkty s kratší dobou záruky. Aby se informace o výrobcích nemuseli zadávat ručně, existuje internetová síť EPC Network. V této síti je možné vyhledávat výrobky podle jména. Na propojení mezi jménem a kódem slouží služba ONC (Object Name Service). Je to obdoba DNS v klasickém světě počítačů. Správou ONC byla pověřená společnost VeriSign. V aplikačním systému ve o výrobku vytváří PML (Physical Markup Language) záznam. PML je založené na XML. Popisuji to proto, abych zdůraznil jak je důležité, aby měli aplikace zabudováno trochu inteligence. Může se totiž stát, že paleta nebo karton proběhne dvakrát okolo čtečky a to by znamenalo, že načtením by došlo k neshodě se skutečným stavem. Aplikace musí umět vyhodnotit i vícenásobné načtení a manipulaci s produkty na základě porovnání EPC kódů. Mezi zatím nejvíce rozšířené oblasti použití patří označování kartónů, palet, kontejnerů a to nejen pro potřeby distribučních firem, ale i obchodních řetězců. Ve vývoji jsou i např. aplikace na kontrolu vyprazdňování odpadových nádob na tříděný nebo netříděný odpad. Existují aplikace na označování aut jednak jako výrobní produkt, 8

ale i jako provozované zařízení např. pro pojišťovací účely. Pro maloprodej je zajímavá aplikace účtování na pokladně, přičemž by kupující už nemusel vykonávat tělocvik při vykládání a opětovném nakládání do nákupního vozíku, ale vše by načetl pokladní skener v krátkém okamžiku, čím by se urychlil přechod přes pokladnu, což by v mnohých prodejnách znamenalo rychlejší obrat a potřebu menšího počtu pokladen i ve špičkách. Na internetu je možné najít popis aplikací z nemocnic, kde jsou za pomoci čipů RFID identifikování pacienti, je možné sledovat, jaké dostali medikamenty a jaké vyšetření podstoupili. V jedné nemocnici v Asii používají RFID čipy dokonce na označování chirurgických nástrojů, aby byla po operaci jistota, že v pacientovi nic nehzapoměli. V zemědělství se rozšiřuje označování zvířat čipy RFID na jejich identifikaci, případně aktivními čipy s větším dosahem na vyhledávání zatoulaného dobytka.

8 Bezpečnost a humánní stránka Jak jsem výše jmenoval oblasti použití RFID, nechyběli ani pokusy o implementaci a vývoj aplikací na lidské společnosti. Médii občas prolétne zmínka o testech podkožní implementaci RFID mikročipů.Cílem všech těchto technologických vývojů je zjednodušit a zpohodlnit každodenní život. Nakonec každému by se hodilo jednoduše nenosit se sebou občanský nebo řidičský průkaz, peněženku nebo hromadu klíčů od bytu, kanceláře nebo auta a identifikovat se pomocí RFID v bance, na poště nebo v prodejních centrech. V lidském společenství je však problém to, že když je technický pokrok schopný ulehčit každodenní život, tak je ho i možné zneužít a výsledný efekt může být úplně opačný. Velké obavy panují o možnosti zneužití této technologie pro sledování osob. Je to diskutabilni, protože to není jediný prostředek, podle kterého se dá sledovat pohyb osob. Každý s sebou nosí mobilní telefon a přitom si málokdo uvědomuje, že jeho pohyb registruje každá celulární jednotka, ke které se telefon automaticky bez vědomí uživatele připojuje. Podobně to platí i o používání platebních karet, i když u nás ji ještě nepoužíváme na každém kroku. Podobné obavy platí i pro zabudování RFID do aut. Na jedné straně může být auto lépe vystopovatelné po krádeži, ale na druhé straně není problém, aby byl vystopován sám majitel a jeho cesty. Je reálné zabudování čipů 9

v plastových obalech do oblečení, z pohledu osobní ochrany by však museli být po koupi ihned deaktivovány. Výrobci to zatím řeší umístěním na visačku výrobku, kterou po koupi zákazník odstřihne a vyhodí. Ze satelitů jsou pasivní čipy nesledovatelné. Aktivní čipy by mohly být za určitých okolností sledovatelné, kdyby produkovali nějaký rádiový šum a byl by dostatečně silný. Vznikla i myšlenka integrace mikročipů do bankovek, cestovních pasů, dokladů nebo cenných papírů. Zabudování do bankovek by znamenalo obrovské náklady na výměnu bankovek, na což se zatím nenašel investor. S bezpečností souvisí ještě jedna vlastnost čipů RFID. Tou je možnost znefunkčnit RFID čip. Je to něco jako příkaz „kill“. Po vyslání takového signálu čip přestane komunikovat. Cíl této vlastnosti byl znefunkčnění čipu po splnění své úlohy, pro kterou byl vyroben. Ale nabízí se otázka, co když někdo vyšle příkaz před uplynutím doby pro splnění úlohy. V takovém případě by se např. dalo projít pokladnou s označeným produktem bez placení. A největší bezpečnostní hrozbou pro oblast RFID je možnost měnit údaje na RFID čipech, případně klonovat celé čipy. V současnosti probíhají zajímavé diskuze o způsobech a možnostech klonování RFID čipů.

9 Závěr Na základě pozitivních vlastností rádiofrekvenční identifikace by se mohlo zdát, že brzy nahradí všudepřítomné čárové kódy. Nicméně myslím, že se tak v blízké době nestane, protože RFID sice poskytuje větší funkcionalitu, ale při vyšších nákladech. Navíc je v problematice RFID ještě několik nevyřešených zásadních otázek, především co se týče bezpečnoti. Proto si myslím, že součašný stav této technologie není natolik vyspělý na to, aby bylo možné jej používat i kritických aplikacích jako je například identifikace lidí.

10

Literatura Knižní zdroje: George Hariton, John Lawford  and Hasini Palihapitiya, 2006, Radio Frequency Identification and Privacy: Shopping into surveillance, Public Interest Advocacy Centre, 1204 – ONE Nicholas St., Ottawa, Ontario, ISBN 1-895-060-73-7 Elektronické zdroje: RFIS is X-ray vision, Frank Stajano, August 2005, ISSN 1476-2986, Technical report number 645, http://www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CL-TR-645.pdf Albano, S.: Auto-ID Field Test, Lessons Learned in the Real World, http://islab.oregonstate.edu/koc/ece399/notes/rfid-field-test.pdf Shutzberg L., 2004: Radio Frequency Identification (RFID) In the Consumer Goods Supply Chain, Rock-Tenn Company, http://www.packagingdigest.com/newsite/Online/RFID_IWP.pdf Information security: Radio Frequency Identification Technology in the Federal Govenment, GAO-05-551 (May 2005), http://www.gao.gov/new.items/d05551.pdf Radio Frequency Identification: Opportunities and Challenges in Implementation, Department of commerce (April 2005), http://www.technology.gov/reports/2005/RFID_April.doc Final Requlatory Flexibility Analysis of Passive Radio Frequency Identification (RFID), prepared by the Office of the Under Secretary of Defense for Acquisition Technology & Logistics, http://www.acq.osd.mil/log/rfid/EA_08_02_05_UnHighlighted_Changes.pdf Radio Frequency Identification: Applications and Implications for Consumers, A workshop report from the staff of the federal trade commision (March 2005), http://www.ftc.gov/os/2005/03/050308rfidrpt.pdf Reseller Magazine, číslo 12, ročník 6, RFID – Neviditelný a neúnavný pomocník

11