راهنمای انتخاب انواع RFID و نحوه استفاده از آن‌ها

راهنمای انتخاب انواع RFID  و نحوه استفاده از آن‌ها

برچسب‌های RFID در صنایع مختلفی استفاده می‌شوند. به‌طور مثال، می‌توان یک برچسب RFID را به یک خودرو در حال ساخت متصل کرد تا مراحل پیشرفت ساخت آن‌را در خط تولید ردیابی کرد یا داروهای با برچسب RFID را در انبارهای مختلف ردیابی کرد. به‌طور کلی شناسایی خودکار و نگه‌داری داده‌ها (AIDC) روشی است که طی آن تجهیزات خواه سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری قادر به خواندن و تشخیص داده‌ها هستند، بدون آن‌که عامل انسانی نقشی در این زمینه داشته باشد. سامانه‌های RFID از سیگنال‌های الکترونیکی و الکترومغناطیسی برای خواندن و نوشتن داده‌ها بدون تماس بهره می‌برند. به‌طور معمول به هر سیستمی که قادر به خواندن و تشخیص اطلاعات افراد یا کالاها باشد سیستم شناسایی (Identification System) گفته می‌شود. از مزایای مهم این فناوری می‌توان به کاهش هزینه‌ها (کاهش فعالیت‌های دستی و افزایش سرعت)، خودکارسازی (بدون توقف)، کاهش خطا، کنترل فرایندهای غیرقابل رویت، امکان به‌روزرسانی بر چسب‌ها بدون دخالت دست، امنیت و یکپارچگی اشاره کرد. 

امواج رادیویی 

طیف الکترومغناطیسی از انواع مختلفی فرکانس امواج تشکیل شده که با استفاده از انرژی الکترومغناطیسی تولید می‌شوند. یک موج رادیویی نوعی ایجاد اختلال در فضا است که انرژی را از یک مکان به مکان دیگر منتقل می‌کند. امواج رادیویی دائم در حال نوسان هستند، به این شكل هنگام حرکت انرژی به‌طور مداوم افزایش و کاهش می‌یابند. این نوسان همان چیزی است که به‌طور معمول به عنوان یک الگوی موجی متشکل از قله‌ها (بالاترین سطح) و دره‌ها (پایین‌ترین سطح) نمایش داده می‌شوند. مسیر طی شده بین دره‌ها و قله‌ها به عنوان یک چرخه موج کامل در نظر گرفته می‌شود. همچنین تعداد چرخه‌هایی که در یک ثانیه اتفاق می‌افتد به عنوان نرخ نوسان موج شناخته می‌شود. امواج رادیویی بر اساس فرکانس و طول موج شناسایی می‌شوند. واحد اندازه‌گیری فرکانس هرتز است و یک هرتز برابر با یک چرخه موج کامل در ثانیه است، بنابراین فرکانس به سرعت نوسان موج وابسته است.

طول موج 

در زیرمجموعه امواج رادیویی طیف RF، هشت باند فرکانسی مشخص وجود دارد:

•  فرکانس بسیار پایین
•  فرکانس پایین
•  فرکانس متوسط
•  فرکانس بالا
•  فرکانس بسیار بالا
•  فرکانس مافوق بالا
•  فرکانس فوق العاده بالا
•  فرکانس به شدت بالا

با شروع حرکت از سمت چپ طیف به سمت راست آن، طول موج به تدریج کاهش می‌یابد. فرکانس بسیار پایین (VLF) اولین فرکانس موجود در سمت چپ طیف است و طول موج آن به‌طور متوسط در حدود 55000 متر است. به عبارت دیگر، میانگین فاصله یک موج VLF از یک قله تا قله بعدی (یا از یک دره به دره بعدی) 55000 متر است. از آن‌جایی که طول موج‌های رادیویی با سرعت انتقال داده ارتباط دارند (یعنی هرچه طول موج بیشتر باشد، سرعت انتقال داده کندتر و بالعکس می‌شود)، سرعت انتقال داده روی امواج VLF بسیار پایین است و به همین دلیل معمولا از VLF برای مصارف RFID استفاده نمی‌شود. در هشت فرکانس روی باند امواج رادیویی، سه فرکانس وجود دارد که معمولا از آن برای کاربردهای RFID استفاده می‌شود:

•  فرکانس پایین (LF)
•  فرکانس بالا (HF)
•  فرکانس مافوق بالا (UHF)

فرکانس پایین 

• فرکانس پایین (باند LF) بین 30 کیلوهرتز تا 300 کیلوهرتز با طول موج‌هایی در حدود 2400 متر است. از آن‌جایی که انواع مختلفی از سیگنال‌ها در این باند با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، سیستم‌های LF RFID تنها اجازه دارند از محدوده کوچک 125-134 کیلوهرتز استفاده کنند. اندازه موج بزرگ باعث می‌شود امواج LF به فلز و آب نفوذ کنند که منحصر به این باند فرکانسی است (شکل زیر).

• هرچند LF RFID از طول موج طولانی برخوردار است، اما محدوده خواندن داده در آن کوتاه‌تر از HF و UHF RFID است. این فاصله فقط از چند سانتی‌متر تا حدود 50 سانتی‌متر در شرایط ایده‌آل است. این محدوده کوتاه خواندن به دلیل وابستگی به کوپلینگ مغناطیسی است. برچسب‌های LF معمولا گران‌تر از برچسب‌های HF و UHF RFID هستند، اما تفاوت قیمت بستگی به نوع و موارد مصرف آن دارد. معمولا هزینه هر برچسب بین 0.70 تا 20 دلار است. این برچسب‌ها در اشکال و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند، اما تمام آن‌ها از یک نوع کوپلینگ مغناطیسی برای تامین انرژی و ارتباطات استفاده می‌کنند. همچنین این برچسب‌ها سرعت خواندن نسبتا پایینی دارند، زیرا نرخ تبادل داده در آن‌ها بسیار کم است و دستگاه دریافت‌کننده برای دریافت و رمزگشایی سیگنال برچسب زمان بیشتری نیاز دارد.
• مطابق با نوع مصرف، ترکیبی از آنتن LF و گیرنده RFID موجود است و هزینه آن معمولا چیزی بین صد تا یک هزار دلار خواهد بود. برخلاف سایر برچسب‌های RFID، برچسب‌های LF فاقد استاندارد امنیتی مشخص هستند، بنابراین استفاده از آن‌ها برای مصارفی که ارتباطات رمزگذاری شده در آن‌ها مهم است توصیه نمی‌شود.

موارد استفاده 

• از سیستم‌های LF RFID اغلب برای مصارف ردگیری به ویژه در ارتباط با حیوانات استفاده می‌شود، زیرا خواندن اطلاعات برچسب‌های LF  به راحتی انجام می‌شود. البته در برخی موارد در کاربردهای کنترل دسترسی نیز از آن‌ها استفاده می‌شود (شکل زیر).

فرکانس بالا

• باند فرکانس بالا (HF) در طیف فرکانس رادیویی از 3 مگاهرتز تا 30 مگاهرتز گسترش پیدا می‌کند. طول موج امواج فرکانس بالا به مراتب کمتر از موج LF و تنها در حدود 22 متر (چیزی کمتر از طول 2 اتوبوس مدرسه) است. فرکانس بالا برای برقراری ارتباط بین برچسب‌ها و گیرنده از کوپلینگ مغناطيسی استفاده می‌کند. امواج HF از تمام مواد به جز آب و فلزات متراکم عبور می‌کند (شکل زیر).

• برچسب‌های HF RFID بسته به تنظیمات سیستم معمولا دارای محدوده خواندن چند سانتی متر تا حدود یک متر هستند. در باند فرکانس بالا از طیف RF عمدتا از فناوری ارتباطات حوزه نزدیک (NFC) که یک پروتکل ارتباطی تایید شده توسط سازمان بین‌المللی استاندارد است استفاده می‌شود. از آن‌جایی که NFC یک استاندارد ارتباطی جهانی است روی یک فرکانس واحد (13.56 مگاهرتز) کار می‌کند. به همین دلیل از NFC برای کاربردهای متنوعی استفاده می‌شود. برچسب‌های NFC و HF ارزان قیمت هستند و بسته به اندازه و ساختار بین 0.35 تا 10 دلار قیمت دارند. 

موارد استفاده 

• شرکت‌های گوناگونی هستند که برای رفع نیازهای تجاری خود با استفاده از فناوری RFID به دنبال HF و NFC RFID هستند. NFC به ویژه در مصارف بازاریابی مانند پوسترهای تبلیغاتی، آیتم‌های هوشمند و تجربه‌های تعاملی برند/آیتم کاربرد دارد. متداول‌ترین نوع کاربرد HF RFID مربوط به مصارف کنترل دسترسی، نقل و انتقال داده و مصارف فروش بلیط است. همچنین از برچسب‌های HF RFID در گذرنامه‌های برخی کشورها همچون ایالات متحده، نروژ، ژاپن، استرالیا، هند و غیره استفاده می‌شود. در گذشته انتقاداتی در مورد امنیت این برچسب‌ها در گذرنامه‌ها مطرح بود که بعدها با افزودن یک پوشش فلزی برای کاهش محدوده خواندن و همچنین رمز عبوری که برای خواندن برچسب باید به گیرنده RFID وارد شود مشکل برطرف شد (شکل زیر).

فرکانس مافوق بالا 

• باند فرکانسی مافوق بالا در طیف فرکانس رادیویی در بازه 300 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز قرار دارد، اما اغلب سیستم‌های UHF RFID در باندهای بین 860 تا 960 مگاهرتز کار می‌کنند. به استثنای برخی سیستم های RFID که در باند 433 مگاهرتز و 2.45 گیگاهرتز کار می‌کنند (شکل زیر). 

• امواج UHF به‌طور میانگین طولی در حدود 33 سانتی متر دارند، اما در فرکانس‌های بالاتر مثل 2.45 گیگاهرتز این طول به 12 سانتی‌متر کاهش پیدا می‌کند. UHF RFID معمولا در دو نوع منفعل (Passive) و فعال(Active)  پیاده‌سازی می‌شوند.

Passive UHF RFID

• برچسب‌های Passive UHF RFID برای کار کردن به مدولاسیون پراکنش انرژی الکترومغناطیسی و برگشت آن به منبع ارسال‌کننده (backscatter) منفعل وابسته هستند و منبع تغذیه اضافی ندارند. به عبارت دیگر، گیرنده RFID انرژی خود را به شکل امواج RF از طریق آنتن به برچسب‌های UHF RFID ارسال می‌کند و برچسب‌ها پس از دریافت انرژی به گیرنده پاسخ می‌دهند. این پاسخ به این دلیل پراکنش انرژی الکترومغناطیسی نام گرفته که برچسب بخشی از انرژی دریافتی از گیرنده را بازمی‌گرداند. از آن‌جایی که در این سیستم هیچ منبع تغذیه اضافی وجود ندارد حداکثر فاصله ارسال و دریافت داده در آن حدود 30 متر است. برچسب‌های Passive UHF RFID به دلیل موارد استفاده گسترده ارزان قیمت هستند، به‌طوری که میانگین قیمت این نوع برچسب‌ها 0.10 دلار به ازای هر برچسب است. 

موارد استفاده 

سیستم‌های Passive UHF RFID صدها نوع کاربرد مختلف از جمله ردیابی مسیر، ردیابی کالاها و مواردی از این دست را شامل می‌شوند. با توجه به هزینه کم و محدوده پوششی مناسب ارسال و دریافت داده‌ها، این فناوری به اشکال مختلف در صنایع استفاده می‌شود (شکل زیر).

 Active UHF RFID

• سیستم‌های UHF RFID فعال برای کار کردن به پراکنش انرژی الکترومغناطیسی و برگشت آن به منبع ارسال کننده (backscatter) منفعل احتیاج ندارند، در مقابل از یک باتری داخلی به عنوان منبع تغذیه استفاده می‌کنند و در نتیجه نیاز به تامین انرژی از طریق گیرنده ندارند. به دلیل تامین انرژی از طریق باتری برچسب‌های Active UHF RFID می‌توانند محدوده بیشتری فراتر از 100 متر را پوشش دهند. برخی از برچسب‌های RFID فعال به شکلی طراحی شده‌اند تا در شرایط محیطی سخت و ناهموار مثل محیط‌هایی با درجه حرارت بسیار پایین به کار خود ادامه دهند. برچسب‌های Active RFID به دلیل برخورداری از تجهيزات الکترونیکی پیچیده‌تر نسبتا گران‌قيمت هستند و بر اساس قابلیت‌هایی که ارائه می‌دهند (مثل Wi-Fi, Bluetooth, GPS) در حدود 20 دلار به ازای هر برچسب قیمت دارند.

موارد استفاده 

• کاربرد فناوری Active UHF RFID اغلب در صنایع سنگین مثل نفت و گاز، حمل و نقل و ردگیری وسایل نقلیه است. به دلیل فناوری به کار رفته در این نوع برچسب‌ها، خواندن اطلاعات در حین حرکت به سهولت انجام شده و به همین دلیل گزینه مناسبی برای ردیابی کانتینرها و وسایل نقلیه هستند. یکی دیگر از موارد استفاده رایج RFID‌های فعال در مسیرهای لوله‌گذاری و تجهيزات ساختمانی است (شکل زیر).

سازگاری نرم‌افزاری

• تحلیل و ارزیابی اطلاعات موجود روی برچسب‌های RFID توسط نرم‌افزارهای کاربردی موضوع مهمی است. اطلاعات جمع‌آوری و پردازش شده برای آن‌که قابل استفاده شوند به پردازش دقیق توسط نرم‌افزار نیاز دارند تا بتوان در حوزه‌هایی همچون زنجیره تامین یا برنامه‌ریزی دقیق‌تر فرآیندها از آن‌ها استفاده کرد. کارشناسان ارتباطات بر این باور هستند که استفاده گسترده از برچسب‌های RFID باعث می‌شود حجم بسیار عظیمی از داده‌ها در زنجیره تولید و عرضه شکل بگیرد که انفجار اطلاعات جمع‌آوری شده را پدید خواهد آورد، به‌طوری که پردازش این حجم از اطلاعات ممکن است برای سامانه‌های پیشرفته نیز دشوار باشد. به همین دلیل به الگوریتم‌هایی نیاز است تا اطلاعات را به شکل هوشمندانه و فشرده جمع‌آوری کنند تا پردازش اطلاعات به شکل سریع‌تری انجام شود. به همین دلیل است که شرکت‌های تولیدکننده نرم‌افزارهای رابط (میان فرستنده‌ها و گیرنده‌ها)، موسسات برنامه‌ریزی ذخایر (ERP) و فروشندگان سیستم‌های مدیریت انبارداری، برنامه‌های خود را برای همکاری در زمینه تولید RFID اعلام کرده‌اند.