Auto -ID cz II.doc

SYSTEMY AUTOMATYCZNEJ IDENTYFIKACJI

W DYSTRYBUCJI TOWARÓW WAŻONYCH

Część II -  Znaczniki RFID

              Kody kreskowe są niewątpliwie bardzo ważnym rozwiązaniem w rozwoju systemów automatycznej identyfikacji. Są tanie w użyciu, charakteryzują się dużą niezawodnością odczytu. W wersji najbardziej rozpowszechnionej w postaci kodów liniowych EAN -13  mają ograniczoną pojemność informacyjną. Partie towarów z różnych dostaw są identycznie oznakowane. Tych wad nie posiadają znaczniki RFID, które w swojej strukturze informacyjnej zawierają niepowtarzalny własny numer seryjny. Do tego numeru mogą być przypisane w systemie informacje, które występowały na etykietach logistycznych. Drugą poważną zaletą znaczników RFID jest to, że mogą być odczytywane zdalnie, bez konieczności indywidualnego skanowania każdego opakowania. Idea ich zastosowania zamiast kodów kreskowych zmierza do tego aby przejazd wózka wypełnionego zakupami przez bramkę, przy kasie,  wyposażoną w antenę bazową  automatycznie w ciągu paru sekund, a może ułamka sekundy, umożliwiał bezbłędną identyfikację wszystkich towarów znajdujących się w koszyku oraz zsumowanie ich wartości.

Zasada działania znaczników RFID

Znaczniki RFID( ang. Radio Frequency IDentyfication) [9] inaczej zwane transponderami lub tagami a w postaci naklejek na towary Elektronicznymi Kodami Produktów ( EPC – Electronic Produkt Code) dzielą  się na pasywne i aktywne. Transpondery aktywne są zasilane z niezależnego źródła prądu, ich zasięg działania dochodzi do 30 m i mają zastosowanie w wielu działach gospodarki także w transporcie. W zastosowaniach handlowych znajdują zastosowanie transpondery pasywne. Współpraca transpondera z systemem automatycznej identyfikacji  odbywa się z wykorzystaniem interfejsu radiowego oraz anteny bazowej. Zasadę tę ilustruje rys.1 [1]

Rys.1. Zasada działania układu RFID: stacja bazowa dostarcza energię oraz zapisuje i odczytuje informacje z transpondera [1]

Jednym ze sposobów działania transpondera może być sprzężenie indukcyjne pomiędzy anteną bazową systemu a anteną transpondera. Ponieważ transponder pasywny nie posiada własnego zasilania jego układ roboczy jest zasilany z anteny bazowej w pierwszej fazie współdziałania anteny z transponderem, energia emitowana z anteny bazowej na zasadzie transformatora powietrznego jest gromadzona w kondensatorze transpondera, po osiągnięciu stanu naładowania uruchamia się układ transmisji danych wysyłanych przez antenę transpondera w kierunku anteny bazowej.. Popularnie zjawisko to można przyrównać do pracy transformatora. Na tej zasadzie pracuje większość obecnie stosowanych transponderów. Przekaz informacji z transpondera do systemu opiera się na modulowaniu fal radiowych. Istnieje wiele sposobów  modulowania zwanego kluczowaniem. Na rys. 2 przedstawiono istotę kluczowania amplitudą, fazą i częstotliwością. Na końcu tego procesu po zastosowaniu farmera cyfrowego otrzymujemy ciąg znaków binarnych ( 0,1)

                         a.

                        b.

Rys. 2. Współpraca pomiędzy układem RFID i stacją bazową obywa się poprzez indukcyjności anten i sprzężenie wzajemne pomiędzy nimi.[1]

a) schemat układu stacja bazowa – transponder

b) sposoby kluczowania sygnałów

W zależności od treści przekazywanej informacji do odwzorowania znaków wykorzystuje się symboliki stosowane w logistyce dystrybucji lub w branży pocztowej.

Pod tym względem transpondery spełniają podobną rolę jak czytniki kodów kreskowych.  W przypadku transponderów pracujących na niskich częstotliwościach  ich zasięg jest mały , rzędu kilku centymetrów wówczas wykorzystuje się sprzeżenie magnetyczne pomiędzy anteną bazową a anteną transpondera.  W tym przypadku wykorzystuje się zjawisko związane z pracą transformatora elektrotechnicznego. Zmiany obciążenia w obwodzie wtórnym powodują niewielki spadek napięcia w obwodzie pierwotnym. To tak jakby zmieniać oporność uzwojenia pierwotnego w takt włączania i odłączania rezystora w uzwojeniu wtórnym. Zjawisko to występuje także pomiędzy stacją bazową i transponderem, które razem tworzą układ transformatora powietrznego o bardzo słabym sprzężeniu pomiędzy uzwojeniami. Zmiany napięcia na uzwojeniu pierwotnym tego  hipotetycznego transformatora są bardzo małe. Jeśli napięcie na  indukcyjności anteny stacji bazowej jest równe ok. 100V, to wskutek obciążania obwodu rezonansowego tranpondera opornością ok. 100W można się spodziewać zmian napięcia rzędu 100mV (rys 3). Potrzebna czułość odbiornika w stacji bazowej wynosi więc 20*log10(100/0.1)=60dB. W tej sytuacji antena transpondera nie musi emitować żadnych sygnałów gdyż powstają one jako interakcja na to co dzieje się po stronie wtórnej. Źródłem sygnałów będzie klucz sterujący włączaniem i wyłączaniem oporu w obwodzie wtórnym.

Rys. 3. Modulacja wsteczna – zmiany napięcia w uzwojeniu pierwotnym transformatora.[1]

Opisane sposoby transmisji sygnałów w transponderach nie wyczerpują wszystkich znanych sposobów działania tych urządzeń.

              Działania organizacji GS1 zmierzają do ustalenia standardów w zakresie częstotliwości  radiowych, na których powinny pracować transpondery zwłaszcza EPC.

Trawją badania nad  udoskonaleniem konstrukcji transponderów , niezawodności ich odczytu. Druga sprawa to globalna baza danych o produktach oznakowanych transponderami. W działaniach w tym zakresie bazuje się na dotychczasowych rozwiązaniach, które znalazły zastosowanie przy tworzeniu baz danych dla standardów ( GTIN, GLN, GSRN, GRAI czy SSCC) [6,7,8]. W praktyce handlowej w zasadzie wystarczy nr EAN - 13 towaru, natomiast głębsze informacje są potrzebne w zarządzaniu zapasami lub identyfikacji wyrobów pochodzących z danej serii produkcyjnej, którą z jakich powodów chcemy np. wycofać z handlu. Wówczas będziemy mogli skorzystać z indywidualnego numeru identykacyjnego transpondera. Do tego numeru może być przypisana szeroka informacja o towarze. Indywidualny numer transpondera jest najważniejszą cechą tego urządzenia, która daje mu z punktu widzenia zarzadzania strumieniami towarów, przewagę nad kodami kreskowymi. W przypadku EPC informacja przekazywana przez transponder do anteny bazowej ma postać ramki o strukturze jak na rys. 4.

Rys. 4. Ramka protokołu transpondera [1].

Występuje tu preambuła synchronizująca anteny, następnie sygnał startu – początku transmisji zasadniczej informacji, zasadnicza informacja o produkcie, suma kontrolna podobnie jak w kodach samosprawdzalnych oraz znacznik końca informacji. Przykład ramki z informacją przedstawia rys.5 [5]

Rys. 5   Format kodu EPC [5].

Przy kodowaniu informacji w transponderze wykorzystuje się postaci binarne znaków ( symboliki) te same co w kodach kreskowych.

Rozpowszechnienie transponderów w postaci EPC jest jeszcze niewielkie. W sieciach sklepów amerykańskich wykorzystuje się etykiety hybrydowe, na których nadrukowany jest kod kreskowy natomiast od spodu podklejony jest transponder z informacja o produkcie do odczytu radiowego (rys. 6)

                            a)                                                 b)

Rys. 6  Widok etykiety hybrydowej.

a) nadruk na powierzchni zewnętrznej etykiety,

b) widok podklejonego transpondera

Tak więc techniki te funkcjonują w symbiozie , w zależności od możliwości odczytu można dokonać czytnikiem laserowym lub za pomocą anteny bazowej. W Polsce drukarki do nadruku kodów i jednoczesnego zapisu pamięci transpondera proponuje wiele firm m.in. SATO – Polska, COMEX, i inne.

Technologia RFID natrafia na pewne trudności aplikacyjne, wynikają one z zawodności odczytu w pewnych warunkach. Np. naklejenie transpondera na opakowaniu z blachy stalowej znacznie zmniejsza zasięg jego działania. Podobnie opakowania z wodą, której cząsteczka jest swoistym dipolem ekranuje fale radiowe. Silnym ośrodkiem tłumiącym jest folia aluminiowa, wykorzystywana w niektórych opakowaniach. Kolejnym zdarzeniem uniemożliwiającym identyfikacją towaru są przypadki odklejeń chipów elektronicznych  od anteny transpondera. Brak odczytu transpondera może być przyczyną nienaliczenia należności za sprzedawane towary i powoduje ewidentna stratę jednostki handlowej. Z tych wzgledów  handlowcy ociągają się z masowym wdrożeniem transponderów. Przełamanie tych barier nastąpi w momencie  wyprodukowania transponderów o wysokiej niezwodnosci odczytu. Niezależnie od wymienionych wyżej trudności transpondery z powodzeniem mogą być w obecnej chwili stosowane w wielu branżach tam  gdzie specyfika towaru i jego opakowanie nie stwarza barier dla systemu odczytu transpondera np. art. papiernicze, tekstylne, odzieżowe, obuwie, wyroby kaletnicze, i wiele innych.

Najważniejszą cechą EPC jest indywidualny numer seryjny transpondera (rys.4)

Po za handlem EPC znajduje zastosowanie w firmach kurierskich do oznakowania przesyłek( firma DPD – obecnie Masterlink), na lotniskach do oznakowania bagażu, powszechnie transpondery są stosowane w imobilajzerach samochodowych jako zabezpieczenie przeciwkradzieżowe, do oznakowania żywych zwierząt domowych i w wielu innych dziedzinach. Zastosowania te ilustruja rysunki ( rys. 7 – rys 16)

Postaci transponderów  RFID oraz dziedziny ich wykorzystania

              Postać trasponderów i ich budowa wynika z  przeznaczenia, a w pewnym sensie określa również możliwy zakres zastosowań. Na rysunkach niżej przedstawiono przykłady ich do różnych zastosowań.

Rys. 7 Transpondery do immobilizerów samochodowych.

Transpondery te najczęściej są typu RO o rozmiarach ok. 12  x 6 x 3 mm.. Typowa częstotliwość pracy to 125-134 kHz. Umieszczane w plastikowej obudowie kluczyka

Rys.8

Transpondery w obudowach nieagresywnych (np. szklanych).

Przeznaczone do znakowania zwierząt zarówno domowych ( psy, koty) jak również hodowlanych (bydło, trzoda chlewna). Wymiary transpondera  15 x 5 mm. Bywają również mniejsze 12 x 1,5 mm. Umieszczane są w tkance tłuszczowej zwierzęcia w ściśle określonych miejscach

Rys. 9 Transpondery dla potrzeb logistyki w postaci krążków o różnych średnicach.

Produkowane o różnych średnicach   Φ 25 do 50 mm.

Otwór w środku umożliwia mocowanie (wkręt  niemagnetyczny).  Podobne transpondery w obudowach gumowych mogą być umieszczane na bocznych szybach samochodów. Najczęściej     stosowane do znakowania palet transportowych, breloczków do

                                          kluczy od drzwi do obiektów chronionych

Rys.

10 Transpondery w postaci kart bankomatowych.

Produkowane w postaci tzw. kart cienkich i grubych. Karty o grubości zgodnej z kartą bankomatową mogą być zadrukowywane  w celu ich personifikacji

Rys. 11

Transpondery w postaci kart z otworem na klips do tworzenia identyfikatorów osobistych.

Rys. 12

Transpondery do obrączkowania ptaków.

Rys. 13  Transpondery typu klips

Transpondery stosowane w sklepach  do zabezpieczeń przed kradzieżą. Zawierają tylko obwód rezonansowy  w postaci cewki i kondensatora. Mogą być także w postaci folii samoprzylepnej- w takiej postaci umieszczane są we wnętrzu opakowań.

Transpondery wielokrotnego użytku zawierają mocowanie mechaniczne, które może być usunięte za pomocą specjalnego uchwytu. Transpondery zabezpieczeń przed kradzieżą pracują na częstotliwości ok. 8MHz i wykorzystują zjawisko modulacji wstecznej. Zmniejszenie amplitudy fali nośnej wywołane obecnością transpondera w polu anteny wywołuje alarm. Układy jednokrotnego użytku wymagają układów dezaktywacji (przepalenie lub przebicie kondensatora).

Transpondery w kształcie krążka, odporne na wysoką temperaturę są wulkanizowane do opon samochodowych. Szczególną grupę tworzą transpondery do umieszczania na przedmiotach metalowych a jeszcze inną transpondery miniaturowe.

Przegląd aplikacji

Firmy produkujące układy RFID zainteresowane są ze zrozumiałych względów zastosowaniami w wielkiej skali. Poniżej dokonano z konieczności pobieżnego przeglądu aplikacji w których użyto znacznych ilości transponderów. Zastosowania typu kontrola dostępu do obiektów czy kontrola czasu pracy pozostawiana jest z reguły mniejszym  firmom współpracującym  z producentami układów RFID.

Obsługa bagażu na lotniskach. Wyposażenie etykiet dołączanych do bagażu pasażerskiego w etykiety samoprzylepne z układami RFID pozwala na szybszą identyfikację bagażu i jego automatyczne sortowanie, co zmniejsza ryzyko pomyłek. Według firmy TI skuteczność sortowania w przypadku kodów paskowych wynosi ok. 80% podczas gdy po zastosowaniu układów RFID wzrasta do 98%.

              a)

              b)

Rys. 14 Etykieta identyfikująca bagaż na lotnisku [2]

a) „awers i rewers” etykiety z transponderem

b) sposób założenia opaski na bagażu

Przesyłki kurierskie. Wyposażenie przesyłek kurierskich w układy RFID pozwala na automatyzację procesu sortowania i komputerowe rozsyłanie informacji o miejscu ostatniego sortownia,  co ułatwia częściową identyfikację aktualnej lokalizacji przesyłki.

Rys. 15 Etykiety z transponderami stosowane w sortowni paczek [3]

Identyfikacja wyrobów. Zaopatrzenie drogiej odzieży typu wyroby skórzane w identyfikatory w procesie produkcyjnym daje gwarancję oryginalności wyrobu i może być elementem zabezpieczenia przed kradzieżą. Taką samą rolę układy RFID mogą pełnić w odniesieniu do drogich, markowych wyrobów spirytusowych i drogich kosmetyków.

Zabezpieczenie papierów wartościowych dokumentów i książek. Układy RFID, w postaci samoprzylepnych etykiet, są elementem zabezpieczającym podobnie jak hologram. Umożliwiają jednoczesną identyfikację całego pliku dokumentów.

Zawody sportowe, koncerty, imprezy targowe. Identyfikatory RFID zmniejszają niebezpieczeństwo drukowania nielegalnych zaproszeń oraz ułatwiają proces identyfikacji na wejściu.

Bilety komunikacji miejskiej. Używane najczęściej w charakterze biletów wielokrotnego użytku  z możliwością ich powtórnego użycia po zapełnieniu ich nową ilością pieniędzy.

Znakowanie zwierząt hodowlanych, zwierząt rasowych i zagrożonych gatunków. Stosowane w charakterze identyfikatorów. Mogą zawierać świadectwo pochodzenia itp.

Rys. 16.  Zestaw do wszczepiania transpondera pod skórę zwierzęcia oraz przenośna antena do odczytu numeru identyfikacyjnego [4]

Identyfikacja tonerów do drukarek. Firmy zabezpieczają pojemniki z tonerem identyfikatorem. W ten sposób drukarka nie podejmuje pracy gdy toner nie pochodzi od  producenta.

Pralnia chemiczna. Umieszczenie transponderów umożliwia rozpoznawanie i sortowanie odzieży. Niezbędne są transpondery odporne na działanie środków chemicznych.

Transpondery w oponach samochodowych. Umożliwiają numerowanie, określenie daty produkcji i parametrów eksploatacji opony.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zasady działania i aktualne wdrożenia znaczników RFID, technika ta rozwija się bardzo dynamicznie i niebawem będzie powszechnie stosowana. W procesach logistycznych jest również wykorzystywana do rejestracji masy oznakowanych przedmiotów jak to ma miejsce w przypadku przesyłek listowych czy kurierskich. Etykieta ta jest drukowana i jednocześnie programowana elektronicznie przez to samo urządzenie drukarkę RFID. Tak więc nie ma przeszkód aby sprzęgnąć drukarkę z wagą automatyczną. Niebawem życie wymusi również takie wykorzystanie transponderów. Jako użytkownicy, logistycy czekamy na upowszechnienie tej technologii, której zalety, mimo wielu problemów nie rozwiązanych, są niezaprzeczalne.

Literatura

[1] Majewski J, Ułasiewicz J.; Identyfikatory radiowe RFID. Rozdział w pracy ;”Automatyczna

     identyfikacja w systemach logistycznych”. Kwaśniowski S.(red), Zając P.(red) Seria

     wyd. Nawigator nr 16, Ofic. Wyd. Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2004

[2] Koprowski G.: „Elektroniczna etykieta rewolucjonizuje obsługę bagażu lotniczego”,

...