Transpondery w systemach automatycznej identyfikacji w dystrybucji

Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
Transpondery w systemach automatycznej
identyfikacji w dystrybucji towarów
Kody kreskowe były milowym krokiem w rozwoju systemów automatycznej identyfikacji. Są tanie w użyciu i 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 mają znaczniki
RFID, które w swojej strukturze informacyjnej zawierają niepowtarzalny
numer seryjny. Do tego numeru mogą być przypisane w systemie informacje, które występowały na tradycyjnych etykietach logistycznych. Drugą
ważną cechą znaczników RFID jest to, że mogą być odczytywane zdalnie, bez konieczności indywidualnego skanowania każdego opakowania.
Idea stosowania ich zamiast kodów kreskowych zmierza do tego, aby przejazd wózka wypełnionego zakupami przez bramkę przy kasie wyposażoną
w antenę bazową, umożliwiał automatyczną, natychmiastową i bezbłędną
identyfikację wszystkich towarów znajdujących się w koszyku oraz zsumowanie ich wartości.
Stanisław Kwaśniowski
Paweł Zając
Zasada działania znaczników RFID
Znaczniki RFID (Radio Frequency IDentification)
[9] zwane też 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 handlu są
stosowane transpondery pasywne. Współpraca transpondera z systemem automatycznej identyfikacji odbywa się z wykorzystaniem interfejsu radiowego oraz
anteny bazowej (rys. 1).
Jednym ze sposobów działania transpondera może
być sprzężenie indukcyjne między anteną bazową
systemu a anteną transpondera. Ponieważ transpon-
a)
k(x)
Nadawanie
Nadawanie
i odbiór
3
-
V1
V2
3
Odbiór
$
$
Stacja bazowa
3
transponder
b)
Zapis
Stacja
bazowa
Komputer
Odczyt
Transponder
Energia
Interfejs
Interfejs radiowy
Rys. 1. Zasada działania układu RFID: stacja bazowa dostarcza
energię oraz zapisuje i odczytuje informacje z transpondera [1]
16
dr inż. Stanisław Kwaśniowski, dr inż. Paweł Zając
Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
Rys. 2. Współpraca między układem RFID i stacją bazową odbywa się przez indukcyjności anten i sprzężenie wzajemne między nimi [1]: a) schemat układu stacja bazowa
– transponder, b) sposoby kluczowania sygnałów
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
der pasywny nie ma 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. Zjawisko to można przyrównać do pracy transformatora. Na tej zasadzie pracuje większość obecnie stosowanych transponderów. Przekaz informacji
z transpondera do systemu polega na modulowaniu fal radiowych, zwanym kluczowaniem. Na rys. 2
przedstawiono istotę kluczowania amplitudy, fazy
i częstotliwości. Na końcu tego procesu, po zastosowaniu konwertera cyfrowego, otrzymuje się ciąg znaków binarnych (0, 1).
W zależności od treści przekazywanej informacji,
do odwzorowania znaków wykorzystuje się symbolikę stosowaną w logistyce dystrybucji lub w branży
pocztowej. Pod tym względem transpondery spełniają
podobną rolę jak czytniki kodów kreskowych.
Transpondery pracujące na niskich częstotliwościach mają mały zasięg rzędu kilku centymetrów.
W tym przypadku jest wykorzystywane sprzężenie
magnetyczne między anteną bazową a anteną transpondera. Zmiany obciążenia w obwodzie wtórnym
powodują niewielki spadek napięcia w obwodzie
pierwotnym. To tak, jakby oporność uzwojenia pierwotnego była zmieniana w takt włączania i odłączania rezystora w uzwojeniu wtórnym. Zjawisko to występuje też pomiędzy stacją bazową i transponderem,
które razem tworzą układ transformatora powietrznego o bardzo słabym sprzężeniu między uzwojeniami.
Zmiany napięcia na uzwojeniu pierwotnym tego hipotetycznego transformatora są bardzo małe. Jeśli napięcie na indukcyjności anteny stacji bazowej wynosi
ok. 100 V, to wskutek obciążania obwodu rezonansowego transpondera opornością ok. 100 W można się
spodziewać zmian napięcia rzędu 100 mV (rys. 3). Potrzebna czułość odbiornika w stacji bazowej wynosi
zatem 20*log10 (100/0,1) = 60 dB. W tej sytuacji antena
0101
01
CRC
A5
preambuła
synchronizująca
początek
ramki
informacja
suma
kontrolna
znacznik
końca
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.
02
Numer
wersji
8-bitowy
.
00010
Identyfikator
zamykający
kod 26-bitowy
Klasa towaru
24-bitowa
00111DED
Numer
seryjny
36-bitowy
Rys. 5. Format kodu EPC [5]
100 mV
100 V
częstotliwości radiowych, na których powinny pracować transpondery, zwłaszcza EPC. Trwają badania nad
udoskonaleniem konstrukcji transponderów, niezawodności ich odczytu. Druga sprawa to globalna baza
danych o produktach oznakowanych transponderami.
W działaniach w tym zakresie polega 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 wystarczy identyfikator EAN-13 towaru, natomiast głębsze informacje są potrzebne w zarządzaniu
zapasami lub podczas identyfikacji wyrobów pochodzących z danej serii produkcyjnej, która np. ma być
wycofana z handlu. Wówczas można skorzystać z indywidualnego numeru identyfikacyjnego 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 zarządzania strumieniami
towarów, przewagę nad kodami kreskowymi. W przypadku EPC informacja przekazywana przez transponder do anteny bazowej ma postać ramki (rys. 4).
Modulacja amplitudy
Rys. 3. Modulacja wsteczna – zmiany napięcia w uzwojeniu
pierwotnym transformatora [1]
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.
Opisane sposoby transmisji sygnałów w transponderach nie wyczerpują wszystkich znanych rozwiązań.
Działania globalnej organizacji standaryzacyjnej
GS1 zmierzają do ustalenia standardów w zakresie
Do kodowania informacji w transponderze wykorzystuje się te same postaci binarne znaków (symboliki) 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 informacją
o produkcie do odczytu radiowego (rys. 6). Techniki
te funkcjonują w symbiozie, w zależności od realizacji
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
oraz COMEX.
17
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
a)
b)
Postaci transponderów RFID oraz
dziedziny ich wykorzystania
Rys. 6. Widok etykiety hybrydowej: a) nadruk na powierzchni
zewnętrznej etykiety, b) widok podklejonego transpondera
Technologia RFID natrafia na trudności aplikacyjne
wynikające z zawodności odczytu w pewnych warunkach. Na przykład transponder naklejony na opakowanie z blachy stalowej ma znacznie zmniejszony zasięg
działania. Podobnie opakowania z wodą, której cząsteczka jest swoistym dipolem, ekranują fale radiowe.
Silnym ośrodkiem tłumiącym jest folia aluminiowa,
wykorzystywana w niektórych opakowaniach. Kolejną przeszkodą uniemożliwiającą identyfikację towaru
jest odklejanie się chipu elektronicznego od anteny
transpondera. Brak odczytu transpondera może być
przyczyną nienaliczenia należności za sprzedawane
towary i powoduje ewidentną stratę jednostki handlowej. Z tych względów handlowcy ociągają się z masowym wdrażaniem transponderów. Przełamanie tych
barier nastąpi w momencie wyprodukowania transponderów o wysokiej niezawodności odczytu. Niezależnie od wymienionych trudności, transpondery
z powodzeniem mogą być stosowane w wielu branżach, tam gdzie specyfika towaru i jego opakowanie
nie stwarzają barier dla systemu odczytu transpondera (np. artykuły papiernicze, tekstylne lub odzieżowe,
obuwie, wyroby kaletnicze).
Najważniejszą cechą EPC jest indywidualny numer
seryjny transpondera (rys. 4). Poza handlem EPC znajduje zastosowanie w firmach kurierskich do znakowania przesyłek (firma DPD), na lotniskach do znakowania bagażu, powszechnie transpondery są stosowane
w immobiliserach samochodowych jako zabezpieczenie przeciw kradzieży, do znakowania żywych zwierząt domowych i w wielu innych dziedzinach. Zastosowania te ilustrują rys. 7 – 9.
a)
b)
f)
g)
c)
Postać trasponderów i ich budowa wynika z przeznaczenia, a w pewnym sensie określa również możliwy
zakres zastosowań.
a) Transpondery do immobiliserów samochodowych. Transpondery te najczęściej są typu RO
(Read Only) o wymiarach ok. 12 x 6 x 3 mm. Typowa częstotliwość pracy to 125–134 kHz. Umieszczane są w plastikowej obudowie kluczyka.
b) Transpondery w obudowach nieagresywnych (np. szklanych). Przeznaczone do znakowania zwierząt domowych i hodowlanych. Wymiary transpondera 15 x 5 mm. Bywają również
mniejsze o wymiarach 12 x 1,5 mm. Umieszczane
są w tkance tłuszczowej zwierzęcia w ściśle określonych miejscach.
c) Transpondery dla potrzeb logistyki w postaci
krążków o różnych średnicach. Produkowane
o różnych średnicach od 25 mm 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.
d) 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.
e) Transpondery w postaci kart z otworem na
klips do tworzenia identyfikatorów osobistych.
f) Transpondery do obrączkowania ptaków.
g) 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
d)
e)
Rys. 7. Transpondery: a) do immobiliserów samochodowych, b) w obudowach nieagresywnych (np. szklanych), c) dla logistyki w postaci
krążków o różnych średnicach, d) w postaci kart bankomatowych,
e) w postaci kart z otworem na klips do tworzenia identyfikatorów
osobistych, f) do obrączkowania ptaków, g) typu klips
18
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
pomocą specjalnego uchwytu. Transpondery zabezpieczeń przed kradzieżą pracują na częstotliwości ok.
8 MHz 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 na wielką
skalę. Poniżej dokonano pobieżnego przeglądu aplikacji, w których użyto dużej liczby 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
a)
b)
Identyfikacja wyrobów. Zaopatrzenie drogiej
odzieży typu w yroby 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 przy wejściu.
Bilety komunikacji miejskiej. Używane najczęściej w charakterze biletów wielokrotnego użycia
z możliwością ich powtórnego wykorzystania po doładowaniu wymaganą kwotą.
Znakowanie zwierząt hodowlanych, zwierząt
rasowych i zagrożonych gatunków. Stosowane
w charakterze identyfikatorów. Mogą zawierać świadectwo pochodzenia itp.
Identyfikacja tonerów do drukarek. Firmy zabezpieczają pojemniki z tonerem identyfikatorem.
W ten sposób drukarka nie podejmuje pracy, gdy
toner nie pochodzi od konkretnego producenta.
Rys. 8. Etykieta identyfikująca bagaż na lotnisku [2]: a) „awers
i rewers” etykiety z transponderem, b) sposób założenia opaski na bagażu
Rys. 10. Zestaw do wszczepiania transpondera pod skórę zwierzęcia oraz przenośna antena do odczytu numeru identyfikacyjnego [4]
identyfikację bagażu i jego automatyczne sortowanie,
co zmniejsza ryzyko pomyłek. Według firmy Texas Instruments skuteczność sortowania z użyciem kodów
paskowych wynosi ok. 80 % podczas gdy po zastosowaniu układów RFID wzrasta do 98 %.
Przesyłki kurierskie.
Wyposa żan ie pr zes yłek
kurierskich w układy RFID
pozwala na automatyzację
procesu sortowania i komputerowe rozsyłanie informacji o miejscu ostatniego
sortownia, co ułatwia częściową identyfikację aktualnej lokalizacji przesyłki.
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.
Rys. 9. Etykiety z transponderami stosowane w sortowni
paczek [3]
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 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
19
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
samo urządzenie – drukarkę RFID. Nie ma więc przeszkód, by sprzęgnąć drukarkę z wagą automatyczną.
Niebawem życie wymusi również takie wykorzystanie transponderów. Użytkownicy, głównie logistycy
czekają na upowszechnienie tej technologii, której
zalety, mimo wielu nierozwiązanych problemów, są
niezaprzeczalne.
Bibliografia
1. Majewski J, Ułasiewicz J., Identyfikatory radiowe
RFID. Rozdział w pracy Automatyczna identyfikacja w systemach logistycznych. Kwaśniowski S.
(red.), Zając P. (red.) Seria Wydawnicza Navigator
nr 16, Ofic. Wyd. Pol. Wrocławskiej. Wrocław
2004.
20
2. Koprowski G., Elektroniczna etykieta rewolucjonizuje obsługę bagażu lotniczego, SCAN-TECH,
nr 1/2000.
3. Rewolucja w identyfikacji paczek (not. red.)
SCAN-TECH, nr 2/2000.
4. Dziemsza I., Zastosowanie technlogii RFID do znakowania zwierząt, SCAN-TECH, nr 1/2002.
5. MSL POLSKA, Nadchodzi era RFID, marzec 2006.
6. Kazimierczak P., Standardy danych w Tagu EPC
(cz. I), Logistyka nr 6/2004.
7. Kazimierczak P., Standardy danych w Tagu EPC
(cz. II), Logistyka nr 3/2005.
8. Kazimierczak P., Standardy danych w Tagu EPC
(cz. III), Logistyka nr 4/2005.
9. Finkenzeller K., RFID Handbock – Fundamentals
and Aplications in Contactless Smart Card and Identification, Wyd.II, Wydawnictwo Wiley 2003.