RFID - technologie pro internet věcí

Autor: L. Vojtěch <vojtecl(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: RFID, Vydáno dne: 12. 02. 2009
RFID ( Radio Frequency Identification Device) je jednou z nejvíce rozvíjejících se technologií dnešních dní, která slouží k označování objektů či sběru dat.

RFID - Technology for the Internet of Things - Abstract

RFID ( Radio Frequency Identification Device) is one of the most evolving technology nowadays, which is used for marking objects or data collection. This technology implementation in area of resolving provider-receiver relationships worldwide caused creation of some kind of new network. Because this RFID technology has application to persons and objects, some kind of objects internet come into being. In this new network space circulate data about particular objects and their properties. In this way each marked object creates some kind of packet movement in layer of physical objects, but information about it flow in virtual paths layer, which use standard data networks. How does the objects internet looks like? What are its basic structural blocks? How do those information flow in this network? How and by who are shared public and classified data? We will try to answer to those question in following paragraphs.

Keywords: RFID; Internet; data network

Abstrakt

RFID ( Radio Frequency Identification Device) je jednou z nejvíce rozvíjejících se technologií dnešních dní, která slouží k označování objektů či sběru dat. Nasazení této technologie v oblasti řešení dodavatelsko–odběratelských vztahů po celém světě způsobilo vznik jakési nové sítě. Protože RFID technologie je aplikována na osoby i předměty, vzniká tak jakýsi internet věcí. V tomto novém síťovém prostoru tak kolují informace o jednotlivých objektech a jejich vlastnostech. Každý označený objekt tak tvoří jakýsi paket pohybující se ve vrstvě hmotných objektů, avšak informace o něm tečou ve vrstvách virtuálních cest, využívajících standardních datových sítí. Jak vlastně internet věcí vypadá? Jaké jsou jeho základní stavební bloky? Jak kolují informace v této síti? Jak a kým jsou sdílena veřejná či utajovaná data? Na tyto otázky se pokusíme odpovědět v následujících řádcích.

RFID

Systémy RFID (radiofrekvenční identifikační systémy) se stále častěji používají jak v průmyslu, tak i v domácích aplikacích. Podobně jako oblíbené systémy značení pomocí čárových kódů, používají se systémy RFID také pro automatický sběr a přetváření dat. Kvalita a rychlost získávání informací má v současnosti zásadní vliv na technologické procesy a práci všech podniků.

Pravděpodobně se už každý z nás setkal se systémy bezdotykové komunikace, aniž by si jejich přítomnost vůbec uvědomil. Příkladem aplikací RFID je imobilizér v automobilu, nebo karty na otevírání dveří. Z nejrůznějších dalších aplikačních oblastí pro technologii RFID lze jmenovat např.:

Příkladem flexibility systému RFID je rozlišování zásilek u spedičních firem. Na základě bezdotykové identifikace, kdy má každý výrobek svůj vlastní kód, se zásilka přesně umístí do odpovídajícího vozidla. Jestliže je nutná změna trasy nebo času doručení, automatická identifikace balíku značně uspíší tento proces.

Zavedení RFID transpondérů (identifikátorů) k elektronickému značení objektů je základní podmínka pro začlenění daných objektů do internetu věcí.

Princip funkce

Zopakujme si základní principy používané v jednotlivých identifikátorech objektů. Identifikační systém se skládá z několika hlavních prvků, kterými jsou transpondéry (tagy), čtečky a podpůrné systémy (řídící počítače, databáze, telekomunikační sítě). Technologie RFID pracuje na známém principu radaru. Transpondéry mohou být jak aktivní, tak pasivní (v tomto případě využívají pro své napájení energii vyslanou ze čtečky). Věnujme se především pasivním RFID transpondérům (viz obrázek č. 1).

obr1

Obr. 1: Základní schéma komunikace v RFID.

Čtečka nejprve vysílá na svém nosném kmitočtu elektromagnetickou vlnu, která je přijata anténou transpondéru. Indukované napětí vyvolá elektrický proud, který je usměrněn a nabíjí kondenzátor v transpondéru. Uložená energie je použita pro napájení logických a rádiových obvodů transpondéru.

Když napětí na kondenzátoru dosáhne minimální potřené úrovně, spustí se logický automat či mikroprocesor (tedy řídící obvody uvnitř transpondéru) a transpondér začne odesílat odpověď čtečce. Vysílání transpondéru je realizováno zpravidla pomocí dvoustavové ASK (Amplitude Shifting Key) modulace, která je realizována změnou zakončovací impedance antény transpondéru (anténa je buď přizpůsobena, nebo zakončena nakrátko). Odrazy, které vznikají změnou impedance antény, jsou detekovány čtečkou a interpretovány jako logické úrovně 1 a 0. Řízení komunikace a jednotlivých stavů komunikačního řetězce je definováno příslušnou ISO normou [1].

Dostatečná energie pro nabití kondenzátoru v transpondéru a schopnost detekovat přijatou odpověď transpondéru čtečkou jsou tak hlavní hardwarové podmínky fungování RFID systému. S rostoucí vzdáleností mezi čtečkou a transpondérem postupně klesá kvalita RFID signálu. Narůst šumu v základním signálu vede až k nemožnosti úspěšné detekce přijaté zprávy. Pomocí modulace vlny vysílané ze čtečky lze do transpondéru také zapisovat. Často publikované čtecí vzdálenosti v oblasti až metrů odpovídají UHF (Ultra High Frequency) frekvencím nosného kmitočtu a vyžadují optimální prostředí (odrazy a útlumy v prostředí čtecí vzdálenosti rapidně snižují).

Pokud bychom si chtěli udělat představu o používaných kmitočtech, pak nám může posloužit obrázek č. 2.

obr2

Obr. 2: Frekvence používané různými aplikacemi RFID.

V aplikacích zařazených do internetu věcí (příslušnou normou) se využívá především kmitočtů v pásmech HF (High Frequency) a UHF. Důvodem jsou výhodné vlastnosti šířených elektromagnetických vln v těchto pásmech v aplikacích značení objektů (podmínky šíření, útlumy, odrazy vln, atd.). Více o jednotlivých používaných frekvencích a principech je možné nalézt v literatuře [1].

EPC global

Postupným nasazováním identifikátorů vznikala potřeba operovat s přečtenými daty popisujícími dané objekty a především tato data sdílet mezi jednotlivými uživateli (dodavateli a odběrateli zboží). Navíc, díky úspoře místa v paměťovém prostoru čipu identifikátoru, je většina dat spjatých s identifikovaným objektem uložena v tak zvaných BACK-END databázích. Jednotlivé proprietární systémy firem aplikujících RFID ale znemožňovaly optimální výměnu uložených dat mezi jednotlivými uživateli RFID. Tato situace vedla v roce 2003 ke vzniku standardizační organizace EPCgobal (EPC - Electronic Product Code), jako zájmového sdružení firem podnikajících v oblasti RFID.

EPCglobal je tedy nezisková organizace věnující se technické standardizaci v oblasti využití RFID v praxi. Výsledkem její činnosti jsou např. standardy EPC Class 0 (GEN1) a EPC Class 1 Ver. 2 (GEN2). V České republice je zástupcem EPCglobal společnost EAN ČR [3]. Ty definují fyzická provedení transpondérů, technická řešení, strukturu dat, komunikaci na radiovém rozhraní, testování či předepisují konkrétní možné aplikace [1], [3].

Síť RFID EPCglobal

Standardy EPCglobal popisují především strukturu dat v použitých identifikátorech, jednotlivé síťové prvky použité v RFID systému a jejich funkci či způsob výměny dat. EPC tvoří datová struktura uvedená na obrázku č. 3, ne náhodou připomínající strukturu paketů v sítích IP [4]:

obr3

Obr. 3: Struktura EPC [4].

Přidělování EPC řídí (reguluje) právě organizace EPCglobal a to především z důvodu zachování jednoznačnosti vlastností definovaných standardem. Každý identifikovaný objekt tak používá jednoznačnou strukturu svého identifikačního čísla, které je následně zpracováváno v nadřízené datové síti. Pro přidělení EPC označenému objektu je možné „vpustit“ tento objekt do internetu věcí.

Základní bloky komunikační sítě zprostředkující komunikaci mezi obchodními partnery a jejich IS (informačními systémy) znázorňuje obrázek č. 4. Po detekování RFID transpondéru čtečkou je informace o získaném EPC předána do serveru EPC Middleware, který zpracovává přečtená data a může interagovat i s dalšími firemními systémy daného uživatele. Informace z jednotlivých Middleware-serverů jsou následně zpracovávány systémem EPCIS (Electronic Product Code Information Service). Ten má za úkol nastartovat a provést procesy ověřování a hledání vlastností daného objektu v centrální databázi ONS (Object Name Service). Součástí datových transakcí je i ověřování práv daného uživatele (jeho RFID systému) pro přístup k datům [4]. Základní bloky komunikační sítě zprostředkující komunikaci mezi obchodními partnery a jejich IS (informačními systémy) znázorňuje obr. 4.

obr4

Obr. 4: Základní bloky komunikační sítě dle EPCglobal [4].

Získané informace jsou zaslány zpět serveru EPCIS, který je předá interním firemním systémům (databáze skladového hospodářství- ERP, vyhodnocování toků zboží uvnitř firmy - WMS, apod.). EPC Middleware může následně řídit návěstidla či dopravníky uvnitř skladu či výrobního provozu.

Objekt označený transpondérem (tagem) tak koluje v logistickém řetězci a na jednotlivých místech o sobě podává zprávu. Jednotlivé uzlové body (např. překladiště) tak získávají o daném označeném objektu informace typu „kdo je a kam míří“ či kdy musí dorazit do cíle určení. Opět je tu paralela s pakety v IP během řízení kvality služby (kdo je – co nese, kam míří a kdy musí být doručen pro zajištění kvality provozované služby).

Veškeré firemní systémy zapojené do systému řízení dodavatelsko-odběratelských vztahů jsou propojeny podle obrázku č. 5.

obr5

Obr. 5: Datová komunikace mezi dvěma společnostmi aplikujícími systém EPCglobal [4].

Rozdělení EPCglobal standardů

Jak už bylo napsáno výše, normalizace standardu EPCglobal popisuje jednotlivé části systému, jako jsou:

Struktura členění základních EPCglobal norem ISO/IEC JTC 1/SC 31/WG 4/SG 1, které spravuje softwarová akční skupina EPCglobal, je uvedena na obrázku č. 6. Každou část standardů spravuje určitá kompetentní skupina, činnost těchto skupin je koordinovaná navzájem i s ITU, což zajišťují další podpůrné supiny. Pečlivé dodržování je základní podmínkou fungování celého systému a možné návratnosti investic do jeho zavedení.

obr6

Obr. 6: Dělení jednotlivých standardů pod gescí EPCglobal.

Internet chytrých věcí

V běžném životě kolem nás se setkáváme, a stále častěji se setkávat budeme, s mnoha přístroji využívajícími elektroniky a komunikace pro svou činnost. V mnoha případech jsou různá elektronická zařízení vybavena senzory pro snímání svého okolí k optimalizaci své funkce. Komunikační moduly pak představují nezbytnou další součást. To vše je předstupněm pro další krok a tím je jejich propojení do datových sítí. Vznikají tak nové systémy tvořící internet chytrých věcí, neboť tato inteligentní zařízení sdílejí svá data přes síťové technologie.

Příklady těchto systémů můžeme nalézt v nejrůznějších odvětvích:

Jak vyplývá z uvedených příkladů, jde vždy o zapojení nejrůznějších technologií do řešení a tím o jejich konvergenci. Pro aplikace založené na konvergenci a komunikaci nejrůznějších technologií se pak používá zkratka M2M (Machnine to Machine). Jde o označení veškerých aplikací technologií, které komunikují se vzdáleným serverem bez ovládání lidským faktorem (bez zásahu lidské ruky). Jak může taková spolupráce nejrůznějších telekomunikačních a jiných technologií vypadat ukazuje obrázek č. 7.

Střed uvedeného diagramu tvoří aplikace jádra, tedy vlastní softwarové aplikace využívající jednotlivých komponent systému. Vrstvu integrace služeb pak obhospodařují aplikace pro podporu bezpečnosti, managementu či určování polohy jednotlivých terminálů. Vyšší vrstvy našeho modelu jsou tvořené jednotlivými telekomunikačními technologiemi. Ty zajišťují komunikaci jednotlivých terminálů mezi sebou, se systémy (vzdálených) softwarových aplikací (např. řídícími centry).

obr7

Obr. 7: Model systémů „Machine to Machine“ [5].

Závěr

Záměrem tohoto příspěvku bylo podat úvod do pojmu internetu věcí a ukázat, jak takový systém funguje. Protože se jedná o relativně novou koncepci řešení nejrůznějších aplikací, budeme se s pojmy internet věcí či M2M setkávat stále častěji.

V současné době těchto systémů využívá celá řada výrobních podniků (během výroby i načasování realizace dodávek jednotlivých dílů či celků) na straně jedné, tak i koncoví uživatelé na straně druhé. Často se ani neuvědomíme, že jsme byli do internetu věcí zapojeni již tím, že nám došel obchodní balík či dopis, nebo jakým způsobem byla vyřízena jeho objednávka. Sdílení informací o objektech či subjektech je nutnost dnešního světa. Přesto a možná i právě proto je též nutné nezapomínat na bezpečnost osobních dat, které takovými systémy často kolují. Rozvoj výše zmíněných technologií a komunikačních systémů, s důrazem na ochranu dat, je tak aktuálním úkolem nejen vědeckých, vývojových i výrobních organizací.

Příspěvek vznikl za podpory Výzkumného záměru MSM6840770038 - Rozhodování a řízení pro průmyslovou výrobu III.

Literatura

[1] FINKENZELLER, K.: RFID Handbook, second edition. ISBN: 0-470-84402-7, Germany 2003.
[2] PÍŠOVÁ, P.: Hash funkce pro zabezpečení RFID systémů, Semestrální práce na Katedře telekomunikační techniky FEL - ČVUT v Praze, únor 2006, vedoucí práce Ing. Lukáš Vojtěch.
[3] EPC GLOBAL: http://www.epc.cz, duben 2007.
[4] LOPOUR, D.: EPC-Electronic Product Code, www.rfid-epc.cz, 2007.
[5] GILES, P.: From Smart Devices to Ambient Communication, prezentace z Workshopu „From RFID to the Internet of Things, www.rfidconsultation.eu/docs/ficheiros/au_conf670306_privat_en.pdf.