Raadiosagedustuvastus

Raadiosagedustuvastus (inglise keeles radio-frequency identification, RFID) on raadiolaineid kasutav tehnoloogia esemete (aga ka elusolendite) märgistamiseks ja nende automaatseks jälgimiseks.

RFID-tehnoloogia kuulub Auto-ID- (automatic identification) ehk automaatsete identifitseerimissüsteemide kategooriasse, mis võimaldavad objektide automaatset tuvastamist ilma selleks inimressursilist kaasabi vajamata. Sellesse gruppi kuuluvad ka näiteks vöötkoodi-, kiipkaardi-, magnetriba- või hääletuvastussüsteem, biomeetrilised tuvastused nagu sõrmejälje või silma võrkkesta skaneerimine, näotuvastus ja optiline märgituvastus. Selliste süsteemide puhul ese või objekt tuvastatakse selle visuaalsete omaduste järgi. Erinevalt nimetatud tehnoloogiatest on RFID abil võimalik esemeid ja objekte tuvastada väga erinevates ja keerulistes oludes, sealhulgas pole otsenähtavus lugeri ja kiibiga oluline.

RFID-tehnoloogia tööpõhimõte

Keskel asub mikrokiip ja kõik ülejäänu on antenn

RFID-tehnoloogia toimimise aluseks on raadiolainete levimine, sagedus ja nende füüsikalised omadused. Süsteemi põhikomponendid on elektronkiibid ehk märgised, luger ja selle antenn, mis võib ka olla integreeritud lugeri sisse.

Märgise mikrokiibi ehitus

Mikrokiip juhib kõiki märgises toimuvaid protsesse ja korraldab andmevahetust lugeriga. Signaali saabudes muudab kiibi toitehaldusüksus (power control) lugerist saabuva kiirguse ehk signaalist saadava vahelduvvoolu energia alalisvooluks. Kiibi elektroonika hakkab tööle ja modulaator saab lugeri signaali kätte, ning vastab kiibil oleva informatsiooniga. sideprotokollide eest vastutab kiibi loogikaüksus (logic unit). Kiibi mälu on jagatud adresseeritud segmentideks, mis on võimelised talletama eri tüüpi informatsiooni. Näiteks võib mälus paikneda infovahetuse kontrollsumma, mida kontrollitakse infovahetuse alguses ja lõpus, et vältida ülekandel tekkinud infokadusid.

Märgise antenni ehitus

Märgise antenni ülesandeks on lugerist tuleva energia püüdmine, andmete vastuvõtmine ja tagasi lugerisse saatmine. Antenni pikkus ja ehitus on suuresti seotud sellega, mis sagedusel märgis töötab. Antenn on tavaliselt tunduvalt suurem kui mikrokiip, seega märgise mõõtmed määrab suuresti ära see, kui suur antenn seal sees on.

Märgiste antennevalmistatakse väikestest vasest, hõbedast või alumiiniumist ribadest, kuid tulevikus loodetakse antenni tootmiseks printida see otse tootele või sildile kasutades vaske, süsinikku või niklit sisaldavat tinti.

Märgiste põhitüübid

RFID-märgiseid on kolme tüüpi: aktiivne märgis, passiivne märgis ja poolaktiivne märgis.

Aktiivne märgis

Aktiivsel märgisel on sisseehitatud toiteallikas, milleks võib olla nii aku kui ka primaarelement. Kuna aktiivne RFID-märgis ei vaja töötamiseks lugeri kiirgusvälja ja omab toidet, siis saab talle lisada mitmesuguseid mikrokontrollereid, andureid ja muid elemente. Näiteks võib aktiivses märgises olla temperatuuriandur, mille tulemused salvestatakse mällu ning hiljem märgise lugemisel saadakse teada, kas vastavat objekti on hoitud õigetes tingimustes.

Plussid:

• suurem lugemiskaugus võrreldes passiivmärgistega (~50 m)
• ei nõua lugerilt nii palju võimsust kui passiivne märgis

Miinused:

• kõrgem hind võrreldes passiivmärgisega
• suurus
• tööaeg sõltub patarei kestvusest

Passiivne märgis

Passiivsel märgisel puudub toiteallikas. Märgis koosneb ainult mikrokiibist ja sisemisest antennist ning toide saadakse lugeri kiiratavast energiast. Seega lugeri kiiratavad raadiolained annavad passiivsele märgisele energiat. Kui märgis satub lugeri kiirgusvälja, siis lugerilt saadud energiaga on märgis võimeline lugerilt saadetud päringule vastama ehk tagasi kiirgama.

Erinevus aktiivmärkidest:

• märgis on odav
• tegevuskaugus väike (~10 m)
• nõuab lugerilt suuremat võimsust
• piiramatu tööaeg
• mõõtmetelt väiksem (mõned märgised on riisiterasuurused) .

Poolaktiivne märgis

Sisaldavad patareid/akut tööks, aga mitte kommunikatsiooniks. Tema eeliseks passiivmärgise ees on lugemiskaugus (5–15 m). Nimelt on energiat vaja ainult andmete edastamiseks, mitte tema tööks. See asjaolu muudab poolaktiivmärgise paremini loetavaks ka liikumise pealt, kui märgis on lugemisalas lühikest aega, siis ei kulu märgisel aega selleks, et koguda energiat elektroonilisteks protsessideks, vaid ainult signaali edastamiseks. Eeliseks aktiivsete märgiste ees on toiteallika pikem eluiga.

Märgiste lugemiskaugused

Märgiste lugemiskaugused sõltuvad suuresti sellest, mis sagedusel nad töötavad ja milliste lugeritega on tegu, mis keskkonnas nad asetsevad. Seega on eelnevalt öeldud arvud aktiivmärgis (~50 m), passiivmärgis (~10 m), poolaktiivne märgis (~15 m) lihtsalt antud selleks, et saada aimu umbkaudsetest RFID-märgiste lugemise kaugustest.

Andmed märgisel

Aktiiv-, poolaktiiv- ja passiivmärgistel on võimalik kasutada kolme tüüpi mälu.

Ainult lugemisvõimalusega ehk RO-mälu

RO- (read only – kirjutuskaitsega) mäluga märgiseid saab üks kord programmeerida ja seda tehakse tootmistehases märgise tootmise käigus ja neid andmeid ei ole võimalik hiljem mingil moel võimalik muuta. Sellised märgised on sobilikud väikelahenduste jaoks, kuid ebapraktiline suurte süsteemide jaoks, sest tihti on vaja andmeid muuta või täiendada. Sellise mäluga märgised on aga odavamad kui korduskirjutatavad.

Ühekordse kirjutamisvõimalusega ehk WORM-mälu

WORM- (write once, read many – kord kirjutatav, palju kordi loetav) mällu saab üks kord informatsiooni salvestada ja seda ei tee märgise tootja, vaid kasutaja. Seega saab WORM-mäluga märgist vastavalt enda vajadusele programmeerida. Osasid WORM-mälusid saab ka üle kirjutada rohkem kui ühe korra (~100 korda).

Kordusprogrammeeritav ehk RW-mälu

RW- (read write – nii loetav kui ka kirjutatav) mäluga märgistel saab informatsiooni muuta väga palju kordi (10 000 – 100 000 korda). See annab tohutud eelised võrreldes kahe eelmise mäluliigiga. RW-mäluga kaasnevad aga olulised turvariskid, seega tuleb valida sobivad turvalahendused, et informatsiooni ei oleks võimalik pahatahtlikult muuta. Ja teiseks oluliseks miinuseks on hind, nimelt RW-mäluga märgised on tunduvalt kallimad kui RO- ja WORM-mäluga märgised.

Töösagedused ja -raadius

RFID-süsteemide üks põhilisteks eristajaks on sagedus, mida märgis ja luger omavahel suhtlemiseks kasutavad. Sagedusest sõltub, millistes tingimustes on võimalik seadmeid kasutada ning kui suur saab lugemiskaugus olla. Kasutusel on neli sagedust.

Madalsagedus ehk LF

Madalsagedusel töötavad märgised töötavad vahemikus 125–134,2 kHz ja 140–148,5 kHz

Plussid:

• odavus;
• kõige vähem mõjutatav ümbritsevast keskkonnast;
• toimib hästi metallilises keskkonnas ja vedelikes.

Miinused:

• väike tööraadius (üldjuhul 3 cm kuni paar meetrit);
• väike andmevahetuskiirus (2 kbit/s).

Võimalikud kasutusvaldkonnad:

• turva- ja läbipääsukontrollid,
• loomade kiibistamine ja identifitseerimine,
• esemete ja inventari märgistamine.

Kõrgsagedus ehk HF

Kõrgsagedusel töötavad märgised sagedusel 13,56 MHz

Plussid:

• soodne hind
• rahuldav toimimine metallilises keskkonnas ja vedelikes

Miinused:

• väike lugemiskaugus (mõnest sentimeetrist kuni mitme meetriteni)
• suhteliselt madal andmevahetuskiirus (~26,48 kbit/s)

Võimalikud kasutusvaldkonnad:

• esemete ja inventari märgistamine
• jaekaubandus
• turva- ja läbipääsukontrollid
• autode ärandamisvastane süsteem
• makse- ja kliendikaardid
• raamatukogu laenuteavikute märgistamine
• lennujaamas pagasi märgistamine

Ultrakõrgsagedus ehk UHF

Ultrakõrgsagedusalas töötavad märgistel ei ole veel globaalset standardit, sest ta on kasutusele võetud suhteliselt hiljuti. Näiteks Põhja-Ameerikas 902–928 MHz.

Plussid:

• suur lugemiskaugus (võib ulatuda mitmekümne meetrini)
• suur andmevahetuskiirus (~640 kbit/s)
• võimalik lugeda suurtel kiirustel (~200 km/h)

Miinused:

• ei toimi vedelikes ja metallides
• kallis
• puudulik ja veel väljaarendamata regulatsioon

Võimalikud kasutusvaldkonnad:

• raudteekaubandus
• logistilistes võrkudes
• suures koguses kaubaartiklite märgistamine

Mikrolainesagedus

RFID-süsteemid, mille töösagedus algab alates 1 GHz. Üldiselt on omadused sarnased detsimeetersageduse omadega.

Kasutusalad

Lemmikloomade kiibistamine

Lemmikloomadele on võimalik panna passiivne RFID-kiip, mis võimaldab kaduma läinud lemmiklooma leidmisel tema omanikku tuvastada. Selleks on igal RFID-kiibil unikaalne tunnusväärtus, mis kantakse koos omaniku kontaktandmetega lemmikloomade registrisse. RFID-kiip sisestatakse spetsiaalse süstla abil kaela piirkonda.

Logistika

RFID-kiipe kasutatakse kaubasaadetiste kui ka üksikute toodete automaatsel tuvastamisel. Kauplusse või lattu on saabuvat kaupa lihtne vastu võtta, kuna jääb ära vajadus koguseid üle lugeda ja võrrelda saatelehel märgituga. Kui alusetäis erinevaid tooteid, mis on varustatud märgistega, läbib spetsiaalse raadioskanneritega värava, loetakse arvutiprogrammi ühekorraga kõik tooted, mis paiknevad kaubaalusel.

Sellel valdkonnal nähakse väga suurt tulevikku, sest see aitab kaubavahetust kiirendada ja tööjõukulusid vähendada. Esialgu on tehnoloogia suhteliselt kallis ja enamasti kasutatakse kaupade identifitseerimiseks siiski vöötkoodi.

Inimeste jälgimine

Paljudes USA osariikides (nt Michiganis, Californias, Arizonas) kasutatakse RFID-jälgimissüsteeme vanglates, et jälgida vangide liikumist.

Pääslasüsteemid

Pääslasüsteemid töötavad üldiselt järgmisel põhimõttel: ustel on RFID-kaartide lugerid, mille juures on keskselt juhitav ja uuendatav andmebaas RFID-kaartide ID-numbritest, millega on õigus ust avada. Kasutajatele väljastatakse RFID-kaardid ja registreeritakse nende isik andmebaasi koos väljastatud RFID-kaardi ID-numbriga. Seejärel määratakse, millistest ustest (või millise kategooria ustest) mis aegadel isik tohib läbi pääseda. Uuendatud info kantakse ustel asuvatesse lugeritesse.

Korduskasutatav pilet

Korduskasutatav pilet: Oyster Card

Näiteks Inglismaal Londonis kasutatakse avalikus transporditeenuses korduskasutatavaid pileteid RFID-kiibiga, mida nimetatakse Oyster Cardiks. Need võimaldavad piletile raha laadida ja tänu sellele piletit palju kordi kasutada.

Biomeetriline pass

Eesti pass

Alates 2007. aastast on Eesti Vabariigi passid varustatud RFID-kiibiga, kus hoitakse biomeetrilisi andmeid nagu pilt ja 2009. aastast ka sõrmejäljed.

Ajalugu

Tänapäevase RFID-tehnoloogiaga sarnane lahendus arenes välja 1935. aastal leiutatud radarisüsteemist. Teise maailmasõja ajal kasutasid radarit nii sakslased, britid, jaapanlased kui ka ameeriklased. Probleemiks oli, et ei suudetud eristada vaenlase lennukit enda omadest. Sakslased avastasid, et kui lennukit kõigutada, siis on seda võimalik teistest eristada. Seega anti kõikidele Saksa lenduritele käsk lennult baasi naastes oma lennukit kõigutada. Seda nimetatakse esimeseks passiivse RFID-tehnoloogia kasutuseks, kusjuures RFID-märgiseks oli seejuures terve lennuk. Britid aga töötasid välja esimese aktiivmärgisega süsteemi. 1939. aastal töötati välja IFF- (identification friend or foe) identifitseerimissüsteem. Igasse Briti lennukisse paigaldati saatja, mis hakkas siis tööle, kui lennuk sattus radari kiirgusvälja, ning hakkas edastama signaali, et tegemist on "sõbraliku" lennukiga.

Tehnoloogiat arendasid edasi teadlased Euroopas, Ameerikas ja Jaapanis ning 1960. aastatel pandi alus elektroonilisele vargusvastasele süsteemile, mille märgised omasid väärtust 0 või 1 ehk andsid teada, kas kauba eest on makstud või mitte. RFID-lugeriteks olid turvaväravad, mis suutsid tuvastada märgise väärtust. Sellist süsteemi kasutatakse tänapäevani kaubanduses.

1973. aastal võeti RFID-tehnoloogiale esimene patent Ameerika Ühendriikides. Mario W. Cardullo patenteeris korduskirjutatava mäluga aktiivse RFID-kiibi. Samal aastal patenteeris Charles Walton passiivse märgise, mille ta oli välja töötanud uste avamiseks, mis võtmena kasutab passiivset märgist.

1999. aastal loodi Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi juurde Auto-ID keskus. Varem suure maksumusega RFID-lahendust lihtsustati ja otsustati et selle asemel, et kogu informatsiooni kiibis hoidmise asemel on mõistlikum hoida kiibil ainult unikaalset tunnuskoodi ning kogu muu info asuks andmebaasides.

2003. aastaks oli Auto-ID keskus saavutanud enam kui saja ettevõtte, USA Kaitseministeeriumi ja paljude RFID-seadmete tootjate toetuse. Keskuse allüksustena avati uurimislaborid Austraalias, Suurbritannias, Šveitsis, Jaapanis ja Hiinas.

Tulevik

Kaupade ostmine

Kui tulevikus oleksid kõik kaubad juba tehases varustatud RFID-kiipidega, siis teaks kassa automaatselt, millised kaubad kärus on. See muudaks ostmise lihtsaks, kaotaks pikkades järjekordades seismise vajaduse ja aitaks kokku hoida inimtööjõudu.