Устройства радиочастотной идентификации в библиотечных технологиях

Введение

Работа устройств РЧИ основывается на распространении радиоволн и управления их параметрами при помощи электронных устройств, поэтому можно сказать, что появление и развитие технология РЧИ связано с успехами ученых и инженеров в понимании законов распространения электромагнитных волн, а также с развитием радиоэлектроники и компьютерной техники.

Широкое распространение технология РЧИ началось с середины 1990-х гг. В сравнении с уже существующими тогда технологиями автоматической идентификации по штриховому коду и по магнитной полосе, системы РЧИ имели ряд существенных преимуществ. Технология РЧИ позволяла существенно упростить и ускорить процесс идентификации, в сравнении со штрих-кодовой, так как не требовала визуального контакта с идентифицирующим устройством. Оборудование РЧИ было более надежным и защищенным, в сравнении с системами с магнитной полосой. Сегодня применение технологии РЧИ стало привычной практикой во многих областях деятельности, связанных с необходимостью учета перемещений различных объектов. Вместе с тем, внедрение этой технологии связано с рядом проблем, возникающих при разработке и внедрении систем РЧИ различной специализации. В полной мере это относится к библиотечным системам РЧИ. Успешное решение возникающих проблем и эффективное использование средств автоматизации, основанных на РЧИ возможно только при понимании принципов и знании особенностей работы оборудования РЧИ.

§ 1.1. История возникновения и развития технологии РЧИ

Предпосылками к появлению технологии РЧИ можно считать работы российского и советского инженера, изобретателя Льва Сергеевича Термена. В 1920 г. работая в московском физико-техническом институте, под руководством академика А.Ф. Иоффе, он создал установку для радиоизмерений физических свойств газов при переменной температуре и давлении. Одним из неожиданных результатов его работы стало изобретение первого в мире электромузыкального инструмента, названного им «Аэрофоном», но известного сейчас под названием «Терменвокс», с лёгкой руки газетных корреспондентов. Внешний вид терменвокса показан на рисунке 1.

Терменвокс менял громкость и высоту звука в зависимости от положения рук и тела музыканта, относительно его антенны. Принцип работы этого музыкального инструмента был также использован Львом Терменом в изобретенных им же радиочастотных системах охранной сигнализации.

Наиболее близким к технологии РЧИ стали системы распознавания «свой-чужой» (IFF – «Identification Friend or Foe»), изобретённые в Великобритании в 1939 г. и применяемые в авиации до настоящего времени. Система состояла из активного приёмопередатчика, устанавливаемого на самолёте, который улавливал сигналы радиолокаторов и посылал в ответ зашифрованный сигнал используемый в системе противовоздушной обороны для идентификации «своих» самолётов. В 1942 г. первые серийные радиоответчики СЧ-1 стали устанавливаться и на самолётах военно-воздушного флота РККА (Красной Армии).

Уровень развития радиоэлектроники в то время не позволял делать такие устройства портативными. Электронная часть их была сделана с применением радиоламп. Устройства были громоздкими, потребляли много электроэнергии и совсем не походили на современные метки РЧИ, но принципы, заложенные в основу их работы, используются и в настоящее время.

Рисунок 1 Лев Сергеевич Термен (1896–1993) демонстрирует своё изобретение

Теоретически идея передачи информации через отраженный сигнал, ставшая основой технологии РЧИ, была впервые изложена американским инженером Гарри Стокманом в работе «Коммуникации посредством отражённого сигнала» [1]. В частности, в ней отмечалось, что «…значительные работы по исследованию и разработке были сделаны до того, как были решены основные проблемы связи посредством отражённого сигнала, а также до того, как были найдены области применения данной технологии».

Рисунок 2 Микрофотография интегральной микросхемы метки РЧИ

Появление транзисторной электроники сделало радиочастотные устройства намного компактнее и экономичнее, это существенно расширило их область возможного применения, а появление полупроводниковой микроэлектроники позволило создавать миниатюрные радиоэлектронные устройства (интегральные схемы) на одном кристалле. Это дало дополнительный импульс развитию технологии РЧИ. Микрофотография кристалла радиочастотной метки показана на рисунке 2.

Первая демонстрация меток РЧИ с применением специализированных интегральных микросхем была проведена в США в исследовательской Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1973 г. В демонстрации использовались как пассивные, так и активные метки, работающие на частоте 915 МГц и имеющие 12 битную память. С середины 80-х гг. начали появляться сведения об использовании РЧИ меток для идентификации крупного рогатого скота. Первая в мире РЧИ система для идентификации и отслеживания вагонов на железнодорожном транспорте была разработана в Норвегии, затем последовал аналогичный проект в США.

Несмотря на то, что РЧИ, как техническая область и технологическое направление, сформировалась уже к началу 70-х гг., сам термин «Radio Frequency Identification» (RFID) появился не сразу. Впервые он был использован в 1983 г. в патенте, выданном инженеру Чарльзу Уолтону в США [2]. Вскоре его стали широко использовать в своих публикациях, как технические специалисты, так и журналисты. В настоящее время термин «Radio Frequency Identification», сокращённо «RFID», является общепринятым во всем мире. В России, в технической документации, также используют русскоязычный термин – «Радиочастотная идентификация», сокращение от него «РЧИ».

В 90-е гг., в связи со снижением стоимости микроэлектронных устройств, технология РЧИ начала активно внедряться на транспорте, в торговле. В это же время появились первые сообщения о проектах автоматизации библиотек на базе технологии РЧИ, реализованных компанией 3М (США).

В настоящее время технология РЧИ широко известна в мире и используется в самых различных областях деятельности, сфера её применения постоянно расширяется. Наиболее активно она используется в таких областях производственной деятельности, как складская и транспортная логистика, платежные, противокражные, охранные системы, системы контроля доступа в помещения и т. д. Все более широкое распространение эта технология получает и в библиотеках, как зарубежных, так и отечественных, где призвана заменить собой штриховое кодирование и расширить возможности автоматической идентификации в библиотечных системах автоматизации. Термины «электронный читательский билет» или «радиочастотная метка» давно уже знакомы и понятны как сотрудникам библиотек, так и их читателям.

§ 1.2. Основные виды устройств РЧИ

Технология РЧИ востребована и применяется во многих областях деятельности. В зависимости от области применения, оборудование РЧИ может иметь различные характеристики и особенности, отвечающие требованиям конкретной технологии и условиям использования идентификационных меток. Существующее многообразие типов меток можно классифицировать по ряду признаков. Рассмотрим некоторые из них, наиболее существенно определяющие условия их использования.

По наличию элемента питания метки бывают активные и пассивные.

Активные метки включают в себя автономный элемент питания, обеспечивающий работу её электронных модулей. Такие метки имеют большую дальность считывания, которая может составлять сотни метров, и допускают большую скорость перемещения метки относительно считывателя при обмене данными. К их недостаткам можно отнести ограниченный срок действия, который определяется в основном типом элемента питания, температурными условиями использования и, как правило, не превышает 10 лет. Кроме того, активные метки отличаются сравнительно большими размерами и большой стоимостью, что ограничивает их массовое использование. Примеры исполнения активных меток, применяемых в различных автоматизированных системах, показаны на рисунке 3.

По своим техническим возможностям такие метки похожи на системы распознавания «свой-чужой» и используются преимущественно в области транспортной логистики и в системах оплаты проезда по скоростным дорогам.

По своим техническим возможностям такие метки похожи на системы распознавания «свой-чужой» и используются преимущественно в области транспортной логистики и в системах оплаты проезда по скоростным дорогам.

Рисунок 3 Активные метки РЧИ

Пассивные метки не имеют своего источника питания и получают энергию для работы электронных модулей из электромагнитного поля, создаваемого считывателем. Такие метки имеют сравнительно небольшую дальность действия, до 10 метров, но при этом они имеют значительно больший срок службы, который ограничивается только технологией их изготовления и может достигать 50 лет и более. Пассивные метки имеют меньшие размеры, которые определяются размерами антенны. Электронный модуль представляет собой интегральную микросхему, имеющую малые размеры и стоимость. Различные примеры исполнения пассивных радиочастотных меток показаны на рисунке 4.

Именно пассивные метки из-за своей низкой стоимости и большого срока службы обеспечили массовое использование технологии РЧИ для автоматической идентификации самых различных объектов в разных областях человеческой деятельности. Именно такие метки нашли широкое применение в библиотеках.

Рисунок 4 Пассивные метки РЧИ

Системы РЧИ могут работать в нескольких частотных диапазонах. Рабочие диапазоны частот систем РЧИ законодательно определены на уровне государственных регламентов и международных соглашений. От выбора частотного диапазона существенно зависят технические характеристики меток и, как следствие, преимущественные области применения меток того или иного типа. От частоты сигнала зависят физические свойства электромагнитных волн и такие характеристики считывателей как проникающая способность, направленность их излучения, что определяет возможную дальность считывания метки, а также условия безопасности персонала, находящегося рядом с активной антенной устройства РЧИ.

По частотному диапазону пассивные метки РЧИ подразделяются на:

– НЧ (LF) – низкочастотный диапазон (125–134 кГц),

– ВЧ (HF) – высокочастотный диапазон (13,56 МГц),

– СВЧ (UHF) – сверхвысокочастотный диапазон (860–960 МГц),

– МВЧ (SHF) – микроволновый диапазон (2,4 ГГц).

Свойства электромагнитных волн в различных диапазонах определяют дальность действия, и проникающую способность рабочего поля считывателей РЧИ, что, в свою очередь, определяет способ связи между считывателем и меткой, а также конструкцию антенн, используемых в оборудовании.

Системы МВЧ диапазона имеют наибольшую дальность действия – обычно ~10 м, но для некоторых систем с активными метками дальность действия может доходить до 200 м.

Системы СВЧ диапазона также имеют большую дальность действия, обычно 5–10 м, что сопоставимо с дальностью действия систем микроволнового диапазона.

Системы ВЧ диапазона работают на дальностях до 1 м, что существенно меньше по сравнению с системами СВЧ и МВЧ (см. п. Б.1 приложения Б), но во многих случаях бывает достаточно для автоматизации различных технологических операций, связанных с идентификацией.

Системы НЧ диапазона имеют наименьшую дальность действия, которая составляет единицы сантиметров, что существенно ограничивает их область применения.

При сравнении проникающей способности рабочего поля считывателей различных радиочастотных диапазонов можно увидеть, что она значительно выше в НЧ и ВЧ области, по сравнению с СВЧ и МВЧ.

Электромагнитные волны МВЧ диапазона имеют наименьшую проникающую способность и по своим свойствам похожи на световой луч. Связь между считывателем и меткой в этом диапазоне практически возможна только на прямой видимости.

Электромагнитные волны СВЧ имеют несколько большую проникающую способность, что позволяет им пройти сквозь небольшие препятствия на небольшом расстоянии от антенны, но если метка будет прикрыта ладонью или на пути радиоволн встанет человек, то такая метка окажется незамеченной считывателем. Вся энергия излучаемого электромагнитного поля окажется поглощенной препятствием. Это обстоятельство делает СВЧ системы потенциально опасными для людей, находящихся в рабочей зоне считывателей РЧИ.

Электромагнитные волны ВЧ диапазона имеют большую проникающую способность и практически свободно проходят через диэлектрические материалы, такие как картон, бумага, дерево, что позволяет уверенно считывать метки этого диапазона на книгах, сложенных в стопках или размещенных на стеллажах. Наличие в рабочей зоне токопроводящих материалов (металл, вода) оказывает влияние на работу антенн считывателей и меток и может помешать работе РЧИ системы. Для работы меток на металлических поверхностях или при маркировке емкостей с водой, используют специальные метки и считыватели, учитывающие такое влияние.

Системы НЧ диапазона имеют наибольшую проникающую способность, но при этом их рабочая зона не превышает 1 см, поэтому очень высокая проникающая способность рабочего поля считывателя не имеет существенного значения для работы таких систем РЧИ.

Рассмотренные свойства систем РЧИ существующих частотных диапазонов определяют области их применения.

Высокая дальность действия и скорость обмена данными систем МВЧ диапазона позволяет их эффективно использовать в системах позиционирования реального времени (RTLS – системы), а также в транспортной логистике, для идентификации движущихся автомобилей и контейнеров, находящихся в прямой видимости.

Системы СВЧ нашли широкое применение в складской и транспортной логистике, в системах учета движения товаров в цепочке поставок, там где требуется повышенная дальность считывания меток и не требуется долгое нахождение персонала в рабочей зоне считывателей. В настоящее время производители СВЧ оборудования работают над его совершенствованием с целью расширения сферы его применения, активно внедряясь в области, где традиционно работает оборудование других диапазонов. К таким областям можно отнести системы оплаты проезда по скоростным дорогам, маркировку упаковок с жидкостями, маркировку документов в библиотеках.

Системы ВЧ широко используются там, где требуется передача относительно больших объемов данных при невысокой дальности и обеспечении информационной безопасности – в банковских платежных системах, системах оплаты услуг транспорта, на горнолыжных курортах, в системах контроля доступа. Там, где требуется высокая проникающая способность рабочего поля считывателей для работы с маркированными объектами при небольшой и средней дальности, не находящимися в прямой видимости, контактирующими с металлом или жидкостями – маркировка продуктов питания, фармацевтической продукции, а также в библиотеках для маркировки документов и в качестве электронных читательских билетов.

Системы НЧ диапазона широко применялись в системах контроля доступа – для автоматизации проходных, автомобильных стоянок, также они использовались как подкожные импланты для маркировки животных. В настоящее время НЧ системы активно вытесняются системами РЧИ более высокочастотных диапазонов.

Из всех видов устройств РЧИ, обладающих разными техническими характеристиками, наиболее подходящими для использования в условиях библиотеки оказались устройства, работающие с пассивными метками ВЧ диапазона. Именно они в настоящее время наиболее востребованы в системах автоматизации библиотек различного профиля во всем мире.

Близкими по своим характеристикам к ВЧ диапазону являются устройства РЧИ СВЧ диапазона, получившие широкое распространение в системах автоматизации складов, торговых и транспортных предприятий. Предпринимаются попытки внедрения устройств этого типа в библиотеки, но в настоящее время их широкому использованию в библиотечных технологиях препятствует ряд причин, как технического, так и административного характера.

§ 1.3. Принцип работы и основные составляющие системы РЧИ

Основной принцип работы РЧИ систем заключается в автоматической бесконтактной идентификации учитываемых объектов при появлении их в рабочей зоне специальных устройств – считывателей радиочастотной идентификации (считывателей РЧИ). Объекты должны быть промаркированы радиочастотными метками, содержащими в себе электронную интегральную схему и антенну. Как правило, интегральная схема метки использует для работы энергию электромагнитного поля, создаваемого считывателем. При этом в отличие от штрихового кодирования, для радиочастотной идентификации не требуется визуальный контакт между считывателем и поверхностью метки. Метка может быть спрятана внутри объекта, например, наклеена на внутренней стороне обложки книги или вклеена в переплёт. Сама книга может быть помещена в коробку, сумку и т. д. Единственным условием для работы системы РЧИ является радио-прозрачность материалов, отгораживающих метку от считывателя.

Каждая радиочастотная метка имеет уникальный код, присвоенный при её изготовлении. Кроме того, метки различных типов могут содержать в себе перезаписываемую память различной конфигурации.

Обязательным условием работы оборудования РЧИ является наличие компьютерной системы автоматизации учетных операций с промаркированными объектами. Фактически, технология РЧИ предназначена для автоматизации информационного обмена между меткой и компьютером. Методика дальнейшего использования этой информации целиком определяется технологией работы предприятия и архитектурой его компьютерной системы. Физические условия взаимодействия считывателей РЧИ и радиочастотных меток также определяются технологическими особенностями производственных процессов, в которых они используются. На различных предприятиях условия использования оборудования РЧИ могут существенно различаться, что требует применения оборудования различных типов, отличающегося своими техническими характеристиками.

Общая структура системы РЧИ показана на рисунке 5 и включает в себя следующие элементы:

1 – управляющий компьютер,

2 – считыватель РЧИ,

3 – рабочая область считывателя РЧИ,

4 – радиочастотную метку.

Рисунок 5 Структура системы радиочастотной идентификации

Управляющий компьютер, работающий по программе, определяющей его функциональное назначение в технологической системе, подает команды на считыватель РЧИ. По команде управляющего компьютера считыватель РЧИ взаимодействует с радиочастотными метками, находящимися в его рабочей зоне. Взаимодействие считывателя и радиочастотной метки в системе РЧИ происходит за счет обмена данными. Для обмена данными с меткой считыватель создает электромагнитное поле в своей рабочей зоне. Размеры рабочей зоны считывателя определяются его мощностью и конструкцией его антенны. Если в рабочую зону антенны считывателя попадает радиочастотная метка, энергия электромагнитного поля на её антенне преобразуется в электрическую энергию, которая обеспечивает работу интегральной схемы метки. Считыватель в небольших пределах изменяет параметры своего электромагнитного поля синхронно с передаваемыми данными (модулирует поле данными). Эти изменения детектируются меткой, дешифрируются её блоком управления и воспринимаются как команды считывателя. Результат выполнения команд передается считывателю также за счет модуляции поля считывателя со стороны метки путем замыкания её антенны синхронно с передаваемыми меткой данными. Таким образом, метка передает данные для считывателя, не излучая энергии. Передача данных от метки происходит за счет манипуляции параметрами электромагнитного поля считывателя. Обмен данными между считывателем и меткой происходит по сложному алгоритму, позволяющему считывателю одновременно работать с несколькими метками в своей рабочей зоне (алгоритм антиколлизии), а также отстраиваться от возможных помех, создаваемых другими электронными устройствами, которые могут оказаться в рабочей зоне считывателя.

§ 1.4. Принцип работы и устройство меток РЧИ

Наибольшее распространение в библиотечных системах автоматизации в настоящее время получили пассивные метки РЧИ, работающие в ВЧ диапазоне (13,56 МГц). Конструктивно такие метки могут быть выполнены в виде пластиковых карт или бумажных самоклеющихся этикеток.

Конструкция пассивной метки РЧИ, выполненной в виде этикетки с клеевым слоем показана на рисунке 6. Метка состоит из бумажного или прозрачного полимерного (ПЭТ – полиэтилентерефталат) лицевого защитного покрытия (1). Под ним располагается полимерный инлей (2) на полимерной (ПЭТ) основе, на котором закреплена интегральная схема (3) и антенна (4). На инлей нанесён клеевой слой (5) из специального акрилового клея. Метки поставляются наклеенными на легко отделяемую подложку (6) изготовленную из силиконизированной бумаги.

Рисунок 6 Конструкция метки РЧИ

Главными конструктивными элементами, определяющими работу метки РЧИ, являются интегральная схема и антенна. Можно сказать, что метка состоит из интегральной схемы, подключенной к антенне. В состав интегральной схемы входит блок управления, энергонезависимая память, радиочастотный блок и модулятор, как показано на рисунке 7.

Антенна метки представляет собой несколько витков электрического проводника, выполненного из меди или алюминия, подключенного к интегральной схеме. Антенна служит для преобразования энергии рабочего поля считывателя в электрический ток, который обеспечивает питание интегральной схемы, и получение данных от считывателя РЧИ.

Радиочастотный блок служит для обнаружения изменений характеристик рабочего поля считывателя РЧИ и преобразования их в двоичные данные, поступающие на блок управления.

Модулятор метки служит для кратковременного замыкания антенны метки синхронно с передаваемыми меткой данными. Такие манипуляции с антенной создают переменную нагрузку на рабочее поле считывателя РЧИ и воспринимаются им как данные, передаваемые меткой.

Рисунок 7 Устройство метки РЧИ