Referáty
14
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
PŘEHLED IDENTIFIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ PRO „INTERNET VĚCÍ“
= KONCEPT SÍTĚ MEZI NEJRŮZNĚJŠÍMI OBJEKTY
Účelem identifikace, tedy ztotožnění a rozeznávání, je
systematické rozpoznání entity v množině entit. Identifikační
standardy usilují o přiřazení jedinečného identifikátoru entitě.
Je-li identifikátor čitelný prostřednictvím prostředků automatické identifikace, je vytvořen předpoklad automatické identifikace (autoID). Automatická identifikace zahrnuje technologie,
použité pro strojovou identifikaci objektů. Za jejich použití pak
lze identifikovat, sledovat a evidovat jednotlivé entity.
Technologie dostupné pro automatickou identifikaci a sběr
dat (AIDC, Automatic Identification and Data Capture) jsou
čárové kódy (1D kódy lineární, 2D kódy skládané nebo
maticové), radiofrekvenční identifikace (RFID), technologie
magnetických proužků, optické rozpoznávání znaků (OCR),
případně i technologie identifikačních karet a rozpoznávání
biometrických atributů, nebo hlasová verifikace pro rozpoznání mluvčího [1], [2], [3]. Do oblasti identifikace výrobků patří
etiketovací systémy, řešení používající čárových kódů,
laserové či jiné přímé značení (DPM, Direct Part Marking)
a označení RFID tagy. Nosičem identifikační informace pak
může být čárový kód, DPM značka, například v podobě
strojově čitelného písma OCR, magnetický proužek nebo čip.
Cílem tohoto referátu je poskytnout přehled nejvýznamnějších
dostupných technologií a porovnat jejich vlastnosti z pohledu
možnosti využití v systémech automatické identifikace.
Tab. 1. Výhody a nevýhody čárových kódů.
Výhody:
•
•
•
•
•
•
•
Dostupnost, standard pro identifikaci ve výrobnělogistickém řetězci, zavedené standardy.
Snadná použitelnost, osvědčená, vyvíjející se
technologie.
Rychlost, spolehlivost a přesnost.
Nenáročné na obsluhu, rychlost zaškolení obsluhy.
Minimální náklady na štítky s čárovými kódy,
etiketu s novými údaji lze snadno vytisknout
a připevnit, etiketa může být robustní.
Není-li možné kód přečíst, lze data předat i ručně
(případ 1D kódu).
Čtecí zařízení schopné číst různé typy 1D i 2D kódů.
Nevýhody:
•
•
•
•
Požadovaná viditelnost kódu, krátký čtecí dosah,
optický úhel pohledu pro skenování.
Problém číst pomačkané, špinavé nebo rozmazané
etikety, působení prostředí a jiných vlivů.
V případě vlhkého prostředí může docházet
k refrakci vodních částic a zkreslení zaostření.
Limitované množství informací, v případě 1D kódu
pouze identifikátor, v případě 2D kódu i doplňující
údaje.
Automatická identifikace využívající čárové kódy
Nejrozšířenější technologií automatické identifikace jsou
čárové kódy. Optické identifikační postupy kódují data
prostřednictvím barevných oblastí různé šířky nebo kontrastu,
popřípadě barvou odlišitelných ploch [4]. V době, kdy vznikl
pojem "čárový kód", se používalo jednorozměrné (1D)
kódování, ve kterém má kódový obrazec podobu řady čar
a mezer různé šířky, popřípadě i rozdílné výšky. Mezi čárové
kódy ovšem náleží i další kódové obrazce, ať už dvoudimenzionální 2D kódy nebo kódy třírozměrné, třetím rozměrem je
hloubka záznamu (bumpy barcode). Používá se mnoho
různých typů čárových kódů, lišících se délkou a strukturou
kódu, způsobem kódování a oblastí použití [5]. Pro konkrétní
kód vždy existuje předepsaný způsob kódování, tedy předpis,
podle kterého jsou textová data transformována do podoby
grafického obrazce - specifikace symboliky kódu. Přehled výhod a nevýhod technologie čárových kódů je uveden v tab. 1.
Jednorozměrné čárové kódy (1D). Polygraficky vyhotovený
čárových kód v podobě jednorozměrného kódu (1D) je
historicky nejstarší typ. Černotiskem vytvářené 1D čárové
kódy se běžně používají k identifikaci výrobků (EAN, UPC),
knih, nebo v oblasti poštovních, kurýrních a logistických
služeb. Informace je v této symbologii zakódována do sledu
čar a mezilehlých mezer s určitou šířkou [4]. Nositelem
informace, číslice nebo písmena, je šířka tištěných čar a mezer
mezi nimi. Výška sloupců může být beze ztráty informací
zmenšena. Při čtení kódu je světlo světlými mezerami
odráženo a tmavými čárami symboliky 1D kódu pohlcováno.
Snímač zjišťuje rozdíly v reflexi a tyto mění na elektrické
signály, odpovídající šířce čar a mezer. Signály jsou převedeny
na znaky čteného čárového kódu a výsledek je porovnáván
s tabulkou přípustných kombinací. Jednodimenzionální kódy
mají značně omezenou kapacitu, obvykle kódují numerický
nebo alfanumerický řetězec, který je klíčem k identifikaci
s využitím externí databáze.
Dvourozměrné čárové kódy (2D). Informace je zakódována
dvourozměrně, což umožňuje integrovat samoopravné kódy.
Některé z 2D kódů umožňují uložení všech potřebných údajů
a jejich použití pro identifikaci umožňuje nezávislost
na vnějším databázovém systému. V závislosti na způsobu
uložení informace se rozlišují kódy skládané (stacked),
sestávající z víceřádkových symbolik, kódy maticové,
popřípadě kódy v podobě kompozitních symbolů. K dispozici
je více než 20 různých 2D symbolik, a jich počet se stále
zvyšuje [6].
Skládané (stacked) a víceřádkové symboliky vznikají tak,
že jednotlivé kódy pevné nebo proměnné délky jsou skládány
za sebou nebo pod sebou. Dvourozměrný 2D Data Matrix kód
se skládá z různě uspořádaných bodů, například teček, čtverců
nebo šestiúhelníků, uspořádaných v matici [6]. Všechny body
mají pevný rozměr, liší se polohou, data jsou dána
dvourozměrnými souřadnicemi tmavých bodů v matici [7].
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
V případě ordinálního čárového kódu jsou ve svislém směru
uložena stejná data a kód je vertikálně redundantní.
Spolehlivost přečtení je zvýšena v důsledku nadbytečnosti
kódu, přečíst lze i obsah poškozené značky.
V porovnání s běžným 1D kódem zabírá datamatrixový kód
(DMx kód) asi desetinu prostoru, na plochu (2 - 3) mm2 lze
zakódovat až 50 znaků, přičemž lze využít plochy čtverce až
do strany čtverce velikosti 350 mm. Jeden kód pak může
obsahovat buď 3116 numerických, respektive 2335
alfanumerických znaků. Použití DMx kódů představuje mnoho
výhod: větší množství informací na menším prostoru,
libovolná orientace při čtení, čitelnost i při nízkém kontrastu
a čitelnost i při částečně poškozeném kódu. Možnost vytvořit
miniaturní značku, čtení kódů i při sníženém kontrastu nebo
umístění na nerovném povrchu a mechanismy redundance
umožňují umísťovat kódy přímo na povrch výrobků (Direct
Part Marking – DPM) vytvořené tiskem, vyleptáním,
vyražením, vlisováním nebo vypálením [2], [7], [8].
Čtení 2D kódů se provádí čtecím zařízením zahrnujícím
kameru nebo skener CCD, ke čtení 2D kódů je možné používat
i chytré telefony s digitálním fotoaparátem (mobilní tagování).
K vytváření 2D kódů je k dispozici programové vybavení,
kódy lze tisknout běžně dostupnými tiskovými technikami.
Chybějící nebo nedokonalá standardizace a používání několika
systémů způsobuje aplikační problémy a je překážkou
masovějšího využití. Potíže představují také licenční podmínky
nebo patentové spory. Značení 2D dnes patří k nejrozšířenějšímu způsobu značení nejenom v elektrotechnickém,
ale i v automobilovém nebo farmaceutickém průmyslu.
GS1 Kompozitní symboly jsou lineární složky 1D kódu
spojené s přilehlým 2D složkami, které se používají pro
kódování doplňujících údajů. Lineární složka je čitelná
běžným 1D skenerem, i když takový skener ignoruje 2D
komponentu. 2D složka obsahuje vazební linku odlišující
součást 1D od samostatné 2D části. Složené symboly nejsou
podporovány všemi skenery čárového kódu a implementace
může být obtížnější než u jiných možností.
Technologie OCR
Technologie OCR (Optical Character Recognition, Optical
Character Reading) představuje metodu strojového čtení znaků
a jejich transformace do digitální podoby zpracovatelné
počítačem [9]. Rozpoznávanými vzory mohou být písmena,
číslice i speciální symboly [10]. Přehled výhod a nevýhod
technologie strojového čtení znaků je uveden v tab. 2.
První OCR systémy se omezovaly na rozpoznávání
speciální fontů, tzv. OCR-A a OCR-B [11]. V roce 1976
vytvořil Ray Kurzweil první omnifont, umožňující aplikovat
OCR systém nezávislý na aplikovaném fontu [12]. V 90. letech
došlo ke stabilizování technologie OCR, která se zpřesnila
a zrychlila. S rozšiřováním počítačové techniky výrazně klesly
i ceny OCR a skenerů, technologie se stala přístupnou. OCR
programy se rozšířily mezi běžné uživatele, používané systémy
jsou schopny rozpoznávat tištěné znaky až s 99% úspěšností
[10]. Pro účely identifikace je předávaná informace nasnímána,
strojově přečtena, zaznamenána a vyhodnocena bez nutnosti
manuálního zásahu obsluhy prostřednictvím OCR čtečky
(OCR ID reader).
OCR proces. Předloha vyhodnocovaného kódu je
prostřednictvím
skeneru,
fotoaparátu
nebo
kamery
digitalizována. Obraz je převeden do bodového rastru
15
(bitmapy), tj. matice černých bodů na bílém pozadí. Každý
dílčí pixel nese informaci o barevné hloubce, reprezentované
celočíselnou hodnotou, nebo vektorem hodnot. Následuje
předzpracování, odstranění šumů a nežádoucích efektů
a aplikace rozpoznávací logiky. Ze získaných informací je
složen text, který se podrobuje korekci, lexikálnímu
postprocessingu - srovnání se slovníkem.
Tab. 2. Výhody a nevýhody technologie OCR.
Výhody:
•
•
•
•
Přesnost a rychlost čtení (více než 400 znaků za
sekundu) - při splnění předpokladů.
Mnoha-fontové rozlišování, úspěšnost rozlišení, až
99%, masové využívání.
Dostupnost snímacích CCD čtecích zařízení
schopných snímat jak čárový kód, tak i písmo OCR.
Rychlá a jednoznačná identifikace, například
v případě kódu pevně svázaného s výrobkem.
Nevýhody:
•
•
•
Spolehlivost vzhledem k požadavkům na podobu
písma, vliv použitého fontu a možnost znemožnění
přečtení kódu jeho poškozením.
Přesnost a rychlost závisí na optických a jiných
podmínkách.
Problémy, chybí-li kontrast, dojde k ušpinění nebo
poškození kódu.
Karty s magnetickým pruhem
Tento způsob identifikace se opírá o identifikační data
uložená na médiu umožňujícím využití magnetického způsobu
záznamu informace [13], [14]. Systémy s magnetickým
uložením kódu dosáhly vzhledem ke své jednoduchosti
a ekonomické efektivnosti velkého rozšíření a obliby. Tento
způsob záznamu dat se používá pro karty přístupové, platební,
asistenční a přepravní, a jako nosič informací v podobě
papírové magnetické karty v parkovacích nebo vjezdových
systémech. Technologie se dále používá v případě identifikace
zákazníků a členů věrnostních, slevových, dárkových a jiných
klubů. Přehled výhod a nevýhod technologie radiofrekvenční
identifikace je uveden v tab. 3.
Identifikační průkaz využívající magnetického proužku byl
v roce 1960 patentován Forrestem Parrym [15]. Zadavatel
výzkumu ovšem považoval technologii za příliš nákladnou
a složitou, a proto byl projekt zastaven. Průkopníkem
identifikace v rámci platebních systémů se stala platební síť
světových leteckých společností UATP (Universal Air Travel
Plan), v rámci které byl pro ověření v roce 1971 poprvé použit
magnetický proužek [16]. Magnetický proužek se pro platební
identifikaci začal zejména v USA rychle rozšiřovat, podobně
jako pro identifikaci v oblasti jízdních dokladů, řidičských
průkazů, nebo u předplacených telefonních karet. Komplikací
byla neexistence mezinárodního standardu. Různé asociace tak
přicházely s vlastními standardy. Magnetický proužek,
v kombinaci se standardizací a s rozšířením terminálů
a datových sítí, byl jedním z katalyzátorů, které urychlily šíření
používání platebních karet po celém světě.
Magnetický záznam identifikačních dat. Magnetický
proužek je tvořen nosnou páskou, pokrytou vrstvou
Referáty
16
feromagnetického materiálu v podobě miniaturních
magnetických zrn zalitých v pojivu, které je drží na podkladu.
Magnetická páska identifikační karty se pro účely zápisu
informace pohybuje ve štěrbině před záznamovou hlavou
a přitom dochází prostřednictvím změny uspořádání
magnetických zrn ke zmagnetování takovému, aby v každém
bodu nosiče byla zaznamenána informace ve smyslu
a velikosti magnetizace.
Tab. 3. Výhody a nevýhody magnetické proužku.
Výhody:
•
•
Nízká pořizovací cena, snadná výroba, přesnost
a trvanlivost.
Je zajištěn mnohonásobný zápis a také digitalizace
uložené informace.
Nevýhody:
•
•
Poškození magnetického záznamu při vystavení
magnetickému poli a nízká datová kapacita.
Jednoduchá padělatelnost, lze snadno vytvořit kopii
a data v záznamu je možné upravit, hrozí zneužití.
Informace je zaznamenána díky magnetické indukci [17].
Záznamovou hlavou je v okolí štěrbiny a části, přes kterou
prochází magnetický nosič, vytvářeno potřebné magnetické
pole. Působení magnetické indukce lze soustředit na jedno
místo, čímž lze zajistit neovlivnění dříve zapsaných dat. Pokud
má být informace na magnetickém proužku smazána, vytváří
zdroj v cívce magnetické pole konstantní polarity a pohybem
pásky
vzduchovou
mezerou
se
magnetická
zrna
přemagnetizují.
Magnetické proužky identifikačních karet. V závislosti na
hustotě záznamu se dělí magnetické proužky na dva typy,
s vysokou a nízkou hustotou záznamu [18]. Použitá
magnetická zrna se vyznačují různou koercitivní silou, čímž
může výběr výchozího materiálu žádoucím směrem zabránit
změnám magnetizace. Karty s magnetickým pruhem s vysokou
koercitivitou, HiCo (High Coercivity), umožňují vysokou
hustotu záznamu určenou intenzitou magnetického pole 2700
až 4000 Oe. V případě magnetického pruhu s nízkou hustotou
záznamu, LoCo (Low Coercivity), je potřebná intenzita
magnetického pole 300 až 650 Oe. Rozlišení typu
magnetického pruhu je důležité pro schopnost čtecího zařízení
pracovat s daným typem magnetického proužku.
Kódování dat ukládaných na magnetickém proužku.
Pro záznam informací na magnetický proužek se používá
binární kód, ve dvojkové soustavě stačí dvě polarity
magnetického pole při konstantní intenzitě. Existují různé
možnosti, kterými lze přiřadit změny magnetizace na pásce
a jimi vyvolaných elektrických signálů logické nule a logické
jedničce. Použitý způsob ovlivňuje kapacitu i bezpečnost
zaznamenaných údajů. V rámci mezinárodních standardů došlo
ke sjednocení dvou používaných standardů. V kódovací
technice F2F (Frequency Two Frequency) je záznam
reprezentován napěťovými impulzy, lišícími se frekvencí [19].
Frekvence logických jedniček je zde dvojnásobkem frekvence
logických nul. Dále se používá 5 bitový binárně kódovaný
dekadický formát o 16 znacích, a to k zakódování 4 z 5 bitů.
Pátý bit doplňuje celkový počet bitů, je to paritní bit nepárové
parity.
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
Tři stopy magnetického proužku. V mezinárodním
standardu ISO 7811 jsou pro magnetické karty v jednom
magnetickém proužku definovány 3 záznamové stopy,
do kterých se data zapisují. Každá stopa má své specifické
parametry a plní specifický účel, dílčí znaky na každé stopě
jsou zakódovány, a to zvlášť pro první, druhou i třetí stopu
[14]. První stopa je určená pouze ke čtení a může obsahovat
až 79 alfanumerických znaků, sloužících jako základní
identifikační údaje. Druhá stopa je přepisovatelná a může
obsáhnout až 40 numerických znaků včetně čísla karty (až 19
číslic). Tato stopa typicky kóduje číslo karty držitele a datum
vypršení doby platnosti, potřebné pro ověření identifikace
v rámci on-line transakcí. Třetí stopa je také přepisovatelná,
k záznamu potřebných informací je k dispozici až 107
numerických znaků využitelných pro účely toho, kdo kartu
vydává.
Čtení záznamu na magnetickém proužku. Čtečkou
identifikačních magnetických karet (MSR, Magnetic Stripe
Reader) je zařízení, schopné načíst informace z magnetického
záznamu, převést ho na elektrický signál a tento předat
k následnému zpracování. Projde-li magnetický proužek
identifikační karty kolem čtecí hlavy, generují se pro tři
záznamové stopy tři signály. Vyhodnocení získaných
identifikačních dat zajišťuje připojený terminál, přístupová
jednotka, nebo nadřazený systém. Ke čtení každé stopy je
nutné umístit čtecí hlavu v příslušné vzdálenosti od okraje
karty. Změny v magnetickém poli jsou přeměněny
na elektrický signál, který lze po zesílení zpracovat v dalších
obvodech.
Radiofrekvenční identifikace, RFID
Zkratka RFID se používá pro označení radiofrekvenční
identifikace (Radio Frequency Identification). Technologie
RFID využívá předávání informací prostřednictvím rádiového
spojení, a představuje podstatný posun díky umožnění
bezobslužného čtení a někdy i zápisu dat do identifikátorů
(tagů, transportérů) ze vzdálenosti několika centimetrů
až metrů bez nutnosti přímé viditelnosti [2]. Přehled výhod
a nevýhod technologie radiofrekvenční identifikace je uveden
v tab. 4.
RFID tag je elektronickou pamětí, ať už s mikroprocesorem
nebo bez něj, u které je přístup k datům uskutečňován
bezdrátovou komunikací [20]. Tag nesoucí potřebné informace
lze připevnit nebo zabudovat do sledovaného objektu
a prostřednictvím čtecího zařízení bezdrátově získávat
či vyměňovat identifikační i jiná data. RFID systém sestává
z tagů, připevňovaných k identifikovaným objektům a čtecího
zařízení, umožňujícího bezdrátové čtení a zápis dat do tagů
[21], [22].
První aktivní RFID systém, spočívající v umístění vysílače
na každé britské letadlo, byl realizován v britském projektu
vedeném Robertem Wattem. Když letadlo obdrželo signály
od radarových stanic, začal opakovač vysílat signál, jehož
přijetí identifikovalo letadlo jako přátelské. RFID pracuje
na podobném principu: signál je vysílán k tagu, dodaná energie
je využita k odvysílání id kódu (pasivní systém). Alternativou
je aktivní systém, kdy tag signál vysílá bez nutnosti dodání
energie vysílaným signálem [23].
V šedesátých letech minulého století se ve Spojených
státech začaly využívat protikrádežové systémy, využívající
rádiové identifikace magnetostrikcí vyvolaného magnetického
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
pole plíšku, připevněného na zboží. Chtěl-li někdo odejít
s nezaplaceným zbožím, čtečka u dveří prostřednictvím
magnetostrikce identifikovatelného plíšku identifikovala
a spustila poplach. Po inovaci byl na obal zboží připevňován
jednobitový tag, který se po zaplacení deaktivoval.
Rozšiřování technologie bránily vysoké náklady a chybějící
standardizace.
Tab. 4. Výhody a nevýhody technologie RFID.
Výhody:
•
•
•
•
•
•
•
Spolehlivost, přesnost, intenzívnější bezpečnost, data
lze šifrovat, chránit heslem, lze použít jedinečné
identifikační číslo.
Tagy jako identifikátory mohou mít schopnost čtení
i zápisu, lze je připevnit ke sledovaným entitám,
dosažitelná odolnost tagů v chemickém prostředí
a prostředích vysokých teplot.
Možnost opakovaného použití programovatelného
tagu, popřípadě je tag schopný poskytnout stálou
identifikaci po celý technický život sledovaného
produktu.
Čtení nevyžaduje dodržení "úhlu pohledu", číst lze
v jakékoli orientaci i na větší vzdálenost.
Standardy pro nízko a vysokofrekvenční RFID
systémy, LF tagy slouží ke sledování zvířat, HF se
používá v systémech řízení přístupu pro budovy,
prodej vstupenek a automobilových aplikací,
imobilizéry.
Snížení pracnosti, míra automatizace umožňuje
vyvarování se lidským chybám, možnosti
současného automatického čtení.
Schopnost sledování na úrovni konkrétní položky,
tagy mohou uchovat tolik informací, kolik požaduje
uživatel, i když je to limitováno náklady.
Nevýhody:
•
•
•
•
•
•
Náklady na prvky infrastruktury, náklady na tagy,
rizika nedosažení návratnosti investice. Prozatím se
neuplatňují úspory z rozsahu. Komponenty a tagy
jsou relativně nákladné.
Nedostatek ratifikovaných standardů, některé RFID
systémy používají vlastní technologie a není
zajištěna jejich kompatibilita.
RFID tagy nelze dobře číst, když se umístí na
kovové předměty nebo kapaliny, popřípadě také
pokud jsou tyto substance mezi čtečkou a štítkem.
Problémy s nasazením v situacích, kdy existují
bariéry radiofrekvenční komunikace (překážky,
rušení).
Omezení šíření signálu v prostředí. V případě
vlhkého prostředí může být radiofrekvenční
komunikace v oblasti UHF a mikrovlnných frekvencí
ovlivněna absorbováním RF energie vodními
částicemi.
Náklady na podpůrný kvalifikovaný personál
potřebný pro instalaci a provoz RFID systémů.
Možnosti uplatnění technologie RFID. Technologie RFID
znamená v oblasti identifikace kvalitativní krok, přináší nové
17
možnosti a způsoby odstranění dříve neřešitelných problémů
automatické
identifikace.
RFID
nalézá
uplatnění
v různorodých oblastech, od telematiky přes obchod,
zdravotnictví, výrobu, bankovnictví až po sledování
potravního řetězce. RFID identifikátor, který je pevnou
součástí výrobku, umožňuje jednoznačnou identifikaci kdykoli
v průběhu životního cyklu.
RFID tag. Vlastnosti systému radiofrekvenční identifikace
předurčují zejména použité tagy (transpondéry, ID tag). RFID
tag je tvořen paměťovým čipem, připojeným k vysílací
a příjímací anténě. Součástí je i řídicí logika a v případě
aktivního tagu i baterie. Data jsou v tagu ukládána v digitální
podobě, následně mohou být načtena, respektive v závislosti
na typu tagu i přepsána. Předávání dat probíhá bezkontaktním
čtením bez nutnosti přímé viditelnosti, transpondér může být
upevněn na nepřístupném místě.
Tagy lze dělit podle různých hledisek: podle principu práce,
podle druhu paměti a podle nosiče. Dělení podle principu
práce a způsobu napájení je na tagy pasivní a tagy aktivní.
Pasivní RFID tag, který díky elektromagnetické indukci
nevyžaduje vlastní napájení, sestává z paměťového čipu,
vodivého propojení, antény a kondenzátoru. Absence vlastního
zdroje napájení umožňuje značnou miniaturizaci, transpondér
tak může být umístěn v nálepce umožňující zabudovat
i anténu, jejíž rozměry jsou pro miniaturizaci problémem.
Napájení získává pasivní tag z energie elektromagnetického
pole čtečky. Charakteristický je nižší dosah typicky jednotky
až desítky centimetrů, v závislosti na využívané frekvenci
a druhu antény. Z čipu pasivního tagu lze informace v průběhu
logistického pohybu jen číst. Výhodou je nízká cena
a neomezená životnost, čehož důsledkem je popularita
a rozšířené používání tohoto typu RFID identifikátoru.
Aktivní tagy RFID jsou vybaveny vlastním zdrojem
napájení, kterým je zabudovaná baterie. Používají se
pro aktivní lokalizaci, jsou schopny samy vysílat svou
identifikaci. Díky vlastnímu napájení lze dosáhnout vyššího
dosahu až desítek metrů a dodatečných funkcionalit, jako je
snímání teploty, tlaku atd. Informace lze v průběhu
logistického pohybu z čipu číst, popřípadě i zapisovat
do paměti s kapacitou až 1MB. Nevýhodou aktivního tagu jsou
větší rozměry, vyšší cena a omezená životnost, obvykle
několik let. Zabudovaný napájecí zdroj je obvykle využíván
pro napájení jak celé soustavy, tak i vestavěného vysílače.
Vedle pasivních a aktivních tagů existují i tagy semiaktivní, u kterých se baterie používá pouze pro napájení
potřebného pro plnění některých funkcí transpondéru [24].
Vlastní napájení tak umožňuje provádění naprogramovaných
operací, jako je sběr dat i v případě, kdy v dosahu není čtecí
zařízení. Výhodou je delší životnost baterie než v případě
aktivních systémů.
Dělení podle kmitočtového pásma. Použitá frekvence
výrazně ovlivňuje RFID aplikace nejenom z pohledu
technických parametrů, jako jsou provozní vzdálenosti,
rychlosti, nebo minimální velikost identifikovaných objektů,
ale i z ekonomického hlediska. Volba frekvence vyplývá z celé
řady omezení, jako jsou zákonná omezení, požadovaný dosah
čtečky, uvažovaná rychlost čtení a zapisování, nebo
použitelnost v různém prostředí.
Nízkofrekvenční systémy mají nižší dosah čtecího zařízení.
Jsou používány pro sledování a identifikaci majetku, zvířat
a v oblasti aplikací pro zajištění bezpečnosti. V případě pásma
dlouhých vln (LF, Low Frequency) je dosah pod 0,4 m, v pás-
18
Referáty
mu krátkých vln (HF, high frequency) je dosah do 1 m.
Pro řešení využívající pásma dlouhých vln (LF) je minimální
vliv okolí, malá rychlost přenosu a použitelnost
i pro nepříznivé podmínky (minimální ovlivnění přítomností
vody). LF tagy jsou rozměrově větší a nemusí se vejít
na drobné předměty. Další nevýhodou je nemožnost číst tagy
na vzdálenost více než půl metru a nemožnost přečíst více tagů
ve stejnou dobu kvůli nižší rychlosti. Mezi typické aplikace
patří procesy monitorování výroby, zejména ty "mokré", RFID
systémy řízení přístupu a sledování majetku nebo označování
zvířat.
RFID v pásmu krátkých vln (HF) je levnější než většina
řešení v pásmu dlouhých vln (LF). I tak jsou výrobní náklady
relativně vysoké, obtížné je čtení přes kapalinu. Výhodou je
dostatečná rychlost čtení a schopnost číst na větší vzdálenosti
než LF. Nevýhodou řešení v pásmu krátkých vln (HF) jsou,
v porovnání s UHF a mikrovlnným řešením, kratší čtecí
vzdálenosti (do 1 m) a fakt, že se nejedná o vhodné řešení
pro čtení mnoha tagů najednou. Typickým uplatněním HF
pásma jsou čipové karty, RFID knihovní systém nebo
identifikace zavazadel na dopravních branách.
Vysokofrekvenční systémy obecně nabízí vysoký dosah,
více než 90 metrů, i vysoké rychlosti. Řešení v pásmu ultra
krátkých vln (UHF, ultra high frequency) umožňuje dosáhnout
velkých čtecích vzdáleností (1 až 3 m v případě pásma 868
MHz) a rychlé identifikace objektů díky velké rychlosti čtení.
Obecně je řešení v pásmu ultra krátkých vln méně nákladné,
než řešení používající kmitočtových rozsahů LF a HF, možnost
realizovat levný pasivní UHF tag, který je široce použitelný.
Nevýhodou je skutečnost, že spolehlivé čtení ovlivňují
podmínky prostředí (nelze číst přes kapalinu, komplikace
v případě
kovu),
může
vznikat
více
komplikací
pro radiofrekvenční přenos. Typickou aplikací jsou logistická
řešení, jako jsou sledování palet při přepravě a ve skladech,
platby mýtného bez zastavení a řešení přístupu na parkoviště.
Výhodou řešení v oblasti mikrovln je dosah do 10 m, rychlá
identifikace objektů dosahovaná díky velké rychlosti přenosu
(v řádech Mb/s), možnost identifikovat i více tagů najednou
a skutečnost, že mikrovlny dobře pronikají mnoha materiály
a tagy v nich mohou být schovány. Nevýhodou tohoto řešení je
velká cena RFID tagu a fyzikální omezení dané tím, že přenos
dobře nefunguje přes vodu nebo objekty obsahující vodu energie mikrovln je vodou absorbována. Rovněž dobře
nefungují v případě vodivého materiálu, jako jsou kovy
nacházející se mezi tagem a čtečkou. Typickou aplikací jsou,
vzhledem k možnosti čtení při vysokých rychlostech
identifikovaného objektu, dopravní systémy a identifikace
pro účely platby mýtného bez zastavení nebo identifikace
zavazadel.
Typy tagů: podle typu paměti a možnosti zápisu. V případě
tagů určených pouze ke čtení (read only) nese čip unikátní
sériové číslo, například kód EPC, zapsané výrobcem. U tagů
určených ke čtení a zapisování (read-write) lze do paměti čipu
opakovaně zapisovat (256 bitů až 32 kB), uložená data mohou
být kdykoliv změněna nebo doplněna. K zápisu dat
do transpondéru není zapotřebí komunikační propojení
s centrálním počítačem, zápis realizuje čtecí zařízení vybavené
zapisovacími funkcemi.
Opakovatelně přepisovatelné tagy jsou dražší, a proto je
nutné v aplikacích uvažovat opakované použití tagu. Řešení
se vyplatí v případě využití v uzavřeném koloběhu, příkladem
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
je identifikace vracejících se přepravních obalů označených
RFID tagem.
Tagy umožňující jednorázový zápis (write once, read many,
WORM) jsou jednorázově programovatelné transpondéry,
z nichž se po naprogramování stávají tagy určené ke čtení
(read-only). K naprogramování dochází na straně výrobce,
zákazníka OEM nebo koncového uživatele.
Fyzické provedení RFID tagu může být ve formě štítku
nebo v zapouzdřené podobě různého tvaru. Ve vazbě
na potřeby aplikace může mít pouzdro tvar disku, plakety,
klíčenky, náramku, šroubu nebo třeba ISO karty. V případě
RFID štítku jsou anténa i čip připevněny k podkladu tvořícím
štítek, RFID tag tak může být součástí papírové či plastové
samolepicí etikety. Pokud lze výsledný štítek potisknout
čárovým kódem, hovoří se o tzv. smart label. "Chytrý štítek"
jako rozšířeně používaný identifikátor pro obchod a logistiku
pak obsahuje jak opticky čtený čárový kód, tak RFID tag
potřebný pro radiofrekvenční identifikaci. Vlastní provedení
pouzdření odpovídá požadavkům aplikace, ať už designem,
způsobem upevnění k identifikovanému objektu nebo teplotní,
vlhkostní či chemickou odolností. Transpondéry aplikované
přímo na kovové povrchy pro omezení rušení oddělením od
kovové podložky využívají integrovaného feritového stínění
nebo keramické distanční vložky.
RFID čtecí zařízení. Čtecí zařízení dokáže bezdrátově
komunikovat s tagem a číst informace zapsané v jeho paměti.
Jeho úkolem je zachycení vysílání aktivního nebo pasivního
tagu, načíst data uložená na straně tagu a předat informace pro
zápis, shromážděná data předávat řídící jednotce k dalšímu
zpracování a v případě inteligentnějšího čtecího zařízení
filtrovat redundantní data, rozpoznat již jednou přečtená data
a ignorovat odrazy signálů. Čtečky mohou být v provedení
širokého spektra tvarů a velikostí a sestávají z vlastní čtečky,
antén a programového vybavení, tzv. middleware. Middleware
je označení pro sofwarové vybavení, které zajišťuje prvotní
zpracování dat před vstupem do IS a zprostředkování
komunikace mezi RFID čtecím zařízením a nadřízeným
systémem. Je to systém zajišťující hromadné zpracování všech
načtených tagů v dosahu čtecího zařízení a přenesení
zpracovaných a vyfiltrovaných dat do návazného informačního
systému.
Dosah čteček se pohybuje od jednotek centimetrů
po desítky až stovky metrů, v závislosti na vysílacím výkonu
a použitém kmitočtovém pásmu. Čtecí zařízení může mít
stacionární podobu třeba v provedení RFID brány nebo stolní
čtečky a podobu mobilní, ve formě datového terminálu nebo
ručního snímače. Cena jednoduchých příručních přístrojů je
srovnatelná s přístroji pro snímání čárových kódů a závisí
na použitých anténách, potřebném výkonu, přenosových
kmitočtech, použité inteligenci i robustnosti provedení.
Závěrečné shrnutí
Úkolem většiny auto-ID systémů je zvýšení efektivity,
snížení chyb při zadávání dat a uvolnění obsluhy k provádění
funkcí přidávajících hodnotu. Zřejmým cílem je snaha číst
identifikační informace rychle, spolehlivě a pokud možno
bezpracně. K dispozici je celá řada technologií, které jsou
připraveny pro tyto účely. Přehled důležitých technologií je
uveden v předchozích částech referátu, porovnání vlastností
důležitých technologií automatické identifikace je uvedeno
v tab. 5.
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
Každá z technologií je charakterizována svými výhodami
a nevýhodami a jejich využití nutně souvisí s aplikačními
požadavky. Čárové kódy jsou pro určité úkoly levné
a efektivní, a to předurčuje jejich masové rozšíření. Rostoucí
rozšíření lze očekávat rovněž u RFID technologie.
Významným specifikem tohoto způsobu radiofrekvenční
identifikace je skutečnost, že není vyžadována přímá
viditelnost identifikátoru v podobě RFID tagu. RFID
identifikátor je čip s různě velkou pamětí, nejedná se pouze
o uložení strojově čitelné identifikační informace. Technologie
RFID přináší kvalitativní posun zejména díky možnosti
hromadného bezobslužného čtení i zápisu informací
do identifikátorů ze vzdálenosti v řádu centimetrů i metrů.
Doc. Ing. Jaroslav Kadlec, Ph.D.
Doc. Ing. Radek Kuchta, Ph.D.
Ing. Radovan Novotný, Ph.D.
Literatura
[1] Sharp, K. Automatic Identification Making It Pay. Van
Nostrand Reinhold Computer, 1990.
[2] Norbert Bartneck, V. K. Optimizing Processes With Rfid
and Auto Id: Fundamentals, Problems and Solutions,
Example Applications. Publicis Publishing, Erlangen.
2009.
[3] Vojanec, J. Identifikace v průmyslu se systémy
společnosti Siemens. Automatizace.cz [online]. listopad
2007 [cit. 14. 4. 2012]. Dostupný z:
http://www. automatizace.cz/article.php?a=1954
[4] Raj, B. Bar Codes. Technology and Implementation.
McGraw-Hill, New Delhi, 2001.
[5] Šmejkal, L. Snímače čárových kódů – přehled trhu.
Automatizace.cz [online]. listopad 2007 [cit. 26. 2. 2012].
Dostupný z:
http://www.automatizace.cz/article.php?a=1952
[6] Hiroko Kato, K. T. Barcodes for Mobile Devices.
Cambridge University Press, New York, 2010.
[7] Šťovíček, M. 2D Kódy. Značení a identifikace.
Odbornecasopisy.cz [online] [cit. 14. 2. 2012]. Dostupný
z: http://odbornecasopisy.cz/data-ftp-user/IP/FCCPS.pdf
[8] KODYS. Identifikační technologie. Přímé značení - DPM.
Kodys.cz [online]. 2009 [cit. 27. 3. 2012]. Dostupný z:
http://www.kodys.cz/direct-part-marking.html
[9] Kasík, P. Jak se počítač naučil číst milion knížek ročně.
Idnes.cz [online]. 24. listopad 2007 [cit. 19. 4. 2012].
Dostupný z: http://technet.idnes.cz/jak-se-pocitac-naucilcist-milion-knizek-rocne-fo8-/tec_technika.aspx?
c=A071123_182221_tec_technika_pka
[10] Banbury, J. OCR and full text indexing. Flinders.edu.au
[online]. 22. prosinec 2011 [cit. 5. 5. 2012]. Dostupný z:
http://www.flinders.edu.au/library/research/fac/help/ocrand-fulltext-searching.cfm
[11] Kopecký, K., Nocar, D., Kopecký, R. OCR technologie
v pedagogických
disciplínách.
Epedagog.upol.cz
[online]. 2002 [cit. 14. 3. 2012]. Dostupný z:
http://epedagog.upol.cz/eped3.2003/clanek03.htm
19
[12] Kratochvíl, P., Geiger, J. Papírové dokumenty v počítači.
m.chip.cz [online]. 18. září 2009 [cit. 10. 3 2012].
Dostupný z:
http://m.chip.cz/mobile/clanky/trendy/2009/9/papirovedokumenty-v-pocitaci/mobile_view
[13] Katina, M. Innovative Automatic Identification
and Location-Based Services: From Bar Codes to Chip
Implants. Information Science Reference, London, 2009.
[14] Rankl, W., Effing, W. Smart Card Handbook. John
Wiley & Sons, Chicester, 2010.
[15] Hutchinson, A. Big Ideas: 100 Modern Inventions That
Have Transformed Our World. Hearst Books, New York,
2009.
[16] UATP History [online]. 2005. Dostupný z:
http://www.uatp.com/about/history-facts/default.htm
[17] Reichl, J., Všetička, M. Magnetický záznam zvuku.
Encyklopedie fyziky [online]. 2006 - 2012 [cit. 21. 4.
2012]. Dostupný z:
http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/1348magneticky-zaznam-zvuku
[18] LEONHARD KURZ Stiftung & Co. Magnetic foil
[online]. 2011 [cit. 3. 4. 2012]. Dostupný z:
http://www.kurz.de/kurzweb/en/home.nsf/contentview/C
125707A0037F3D0C1256A53004BD026/$FILE/C12570
7A0037F3D0C1256A53004BD026.pdf
[19] AIM. Card Technologies, Modified Frequency
Modulation (MFM) -- Encoding for Magnetic Stripes
[online]. 1994 [cit. 15. 3. 2012]. Dostupný z:
http://www.aimglobal.org/technologies/card/
mfmencoding.asp
[20] Rida, A., Yang, L., Tentzeris, M. RFID-Enabled Sensor
Design and Applications. Artech House, Norwood, 2010.
[21] Irber, J. EPRIN - čárové kódy, sklady, etiketovací
systémy. Eprin.cz [online]. 28. listopad 2008 [cit. 14. 4.
2012]. Dostupný z:
http://www.eprin.cz/reseni/technologie
[22] Henrici, D. Rfid Security and Privacy: Concepts,
Protocols, and Architectures. Springer, Berlin, 2008.
[23] Sommerová, M. Základy RFID technologií. ILAB RFID
[online]. 2009 [cit. 29. 4. 2012]. Dostupný z:
http://rfid.vsb.cz/miranda2/export/sites-root/rfid/cs/
okruhy/informace/RFID_pro_Logistickou_akademii.pdf
[24] Dobkin, D. M. The RF in RFID: Passive UHF RFID in
Practice. Newnes, Oxford, 2007.
Poděkování
V článku jsou prezentovány výsledky výzkumu, který
byl podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR
v rámci řešení projektů č. FR-TI4/530, FR-TI1/057
a projektu CEITEC - Central European Institute
of Technology CZ.1.05/1.1.00/02.0068.
Slaboproudý obzor
Roč. 69 (2013) Číslo 1
Referáty
20
Tab. 5. Srovnání významných technologií automatické identifikace.
Čárový kód 2D
Datová kapacita:
OCR
Magnetický proužek
RFID
relativně malá
minimální
omezená
záleží na typu paměti
čipu
1D čárové kódy jsou
schopné uchovávat maximálně cca 20 znaků, 2D
kódy až 100 násobně více
(QR kód poskytuje v binárním kódu téměř 3kB).
Každý řádek OCR
identifikátoru je omezena na nejvýše 50 znaků.
První stopa 7 bitové
schéma (max. 76 znaků), druhá stopa 5
bitové schéma (max. 37
znaků), třetí stopa 7
bitové schéma (max.
104 znaků).
Read Only: čip nese
unikátní sériové číslo
(např. EPC), kapacita
2 kB uchování identifikačních údajů.
Read-Write: paměť až
32 kB.
Identifikační
rychlost:
(0,3 – 1) s
(4 – 8) s
(0,3 – 2) s
(0,3 - 0,5) s
Bitová chybovost
(bit error rate):
1/1000000
1/1000
až do životnosti
magnetického média
omezena šumem
a vzájemnou polohou
antén
ano
ano
nutnost kontaktu
ne
Dosah:
čtecí vzdálenost
(0 - cca 15) m
čtecí vzdálenosti
(3 - cca 30) cm
čtecí vzdálenost
do 2 cm
závisí na tagu
a frekvenci, až 100 m
Náklady na „tisk“
nízké (inkoust)
nízké
střední
vysoké
I jiná data než
identifikační kód
ano
spíše ne
spíše ano
ano
Negativní vlivy:
poškození, překrytí,
zašpinění
poškození, překrytí,
zašpinění
poškození, vliv
magnetizmu
zarušení, voda, kov
(dle frekvence)
Vliv opotřebení:
spíše ano, vliv média
spíše ano, vliv média
spíše ano
ne
Cena nosiče:
malá
malá
střední
velká
Cena čtečky:
střední
velká
střední
malá
ne
ne
ano
záleží na typu paměti
Technická
výhoda:
rychlé a přesné, snadné
a spolehlivé
rychlé ve zpracování
obrazu a symbolu
přenosné
a přepisovatelné
rychlé a dávkové
zpracování
Typické využití:
v oblasti identifikace
zboží 1D kódy, 2D kódy
jako DPM značky nebo
pro třídění zásilek
identifikace osob, komponent, DPM značky,
průmysl, logistika
i administrativa.
nosič klientských
informací, bankovní,
zákaznické či
zaměstnanecké karty.
výběr mýta, zajištění
dohledatelnosti, inventarizace, oběh
s obaly v uzavřené
smyčce.
Nutnost přímé
viditelnosti:
Zapisovatelnost:
Download

PŘEHLED IDENTIFIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ PRO „INTERNET VĚCÍ“