Centrum Informacji Naukowej i Biblioteka Akademicka (CINiBA)

15b
1
12
20
7
19
3
2
21
15b
1
12
20
7
19
3
2
21
tlo.png
SZUKAJJEDNYM ZDANIEMBIBLIOTEKA HYBRYDOWAUŻYTKOWNICYGALERIAFORUMKONTAKT

Dobór technologii systemów zabezpieczeń RFID-informacje dotyczące różnic pomiędzy technologiami HF i UHF

 

Materiał który prezentujemy został oparty na znajomości praw fizyki, oferty rynkowej systemów etykiet oraz po przeanalizowaniu publikacji Pan dr inż. Piotra Jankowskiego-Mihułowicza adiunkta w Zakładzie Systemów Elektronicznych Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Rzeszowskiej specjalizującego się w zastosowaniach technologii RFID. Równocześnie warte podkreślenia jest to że właśnie z jego inicjatywy PRz pozyskał środki i uruchomił jedyne w Polsce laboratorium technologii RFID.

Na wstępie krótka informacja co to jest RFID.

Sama nazwa jest to skrótem od “Radio-frequency identification” czyli reprezentuje technologię która umożliwia nam przesyłanie danych ze „znacznika” do układu odbiorczego z użyciem fal radiowych (elektromagnetycznych). Dla późniejszego zrozumienia  jak to przebiega i jakie są różnice w pracy różnych systemów RFID warto uświadomić sobie, że w stosunku do fal elektromagnetycznych (jak dla każdych fal) mamy do czynienia z kilkoma ważnymi zjawiskami:

· Odbicie fal lub pochłanianie fal przez różne materiały. Współczynniki odbicia lub pochłaniania w stosunku do fal EM są różne dla różnych ich częstotliwości jak i materiału z którym reakcja fal EM zachodzi

· Fale EM podlegają dyfrakcji czyli ugięciu na krawędziach (doświadczenie ze szkoły podstawowej  tj. fala płaska  na wodzie dochodząca do przeszkody ze szczeliną z której wychodzi fala kołowa)

· Fale EM podlegają interferencji – tj. sumowaniu się które w przepadku zgodnych częstotliwości i znajdowania się ich w tzw. przeciw fazie całkowicie je wygaszają

 

 

Zanim przystąpimy do porównania właściwości występujących w zastosowaniach przemysłowych elementów należy zdefiniować czym są tzw. elementy RFID HF i UHF poprzez określenie fizycznych ich parametrów:

· Elementy RFID HF tj takie które pracują z wyznaczoną jako standard światowy częstotliwością 13,56 MHz. Dla tak przyjętego standardu długość fali EM wynosi około 22 m.

· Elementy RFID UHF tj takie które pracują z wyznaczoną jako standard światowy częstotliwościami z zakresu 868…956 MHz tj wykorzystuje fale o długości około 315 – 335 mm.

Na pierwszy rzut oka zauważamy, że długość fali EM różni się około 70 razy – różnica ta jest znacząca i należy spodziewać się zdecydowanych różnic w zachowaniu się samych elementów przy pomocy których oznaczamy przedmioty jak i znacznych różnic w zastosowaniach technologii.

Dla zrozumienia różnic które będę omawiał w dalszej części informacji niezbędne jest omówienie model etykiety RFID. Budowa takiej etykiety (bez uwzględniania rzeczywistych wymiarów oraz jej kształtu) jest identyczna dla obydwóch standardów.

Do prostszego zobrazowania tego co będę pisał w dalszej części wykorzystam 2 ilustracje pochodzącą z publikacji Panów Piotra Jankowskiego-Mihułowicza, Włodzimierz Kality, Mariusza Skoczylasa i Mariusza Węglarskiego pod tytułem „Modelling and Design of HF RFID Passive Transponders with Additional Energy Harvester” pobranej elektronicznie z Hindawi Publishing Corporation International Journal of Antennas and Propagation Volume 2013, Article ID 242840, http://dx.doi.org/10.1155/2013/242840

 

 

Na ilustracji tej widzimy że standardowa etykieta skład się z dwóch części tj anteny, której gabaryty w powiązaniu z innymi właściwościami elektronicznymi dobrane są tak by prawidłowo pracowały przy założonej częstotliwości oraz układu elektronicznego wyposażonego w kumulator energii  (sama etykieta nie na zasilania lecz korzysta z energii pozyskanej z pola EM) oraz układu elektronicznego w którym mamy zaprogramowane różne informacje oraz nadajnika który korzystając z tej samej anteny wysyła te informacje w świat.

 

Na drugim rysunku pochodzącym z tego samego tekstu znajduje się tzw. schemat zastępczy (tj teki który mimo tego, że nie jest to konkretna konstrukcja elektroniczna lecz obrazuje parametry pracy systemu) etykiety RFID. Mimo tego że w pełni jest czytelny dla specjalistów lecz umożliwi mi on opisanie pewnych zjawisk które dzieją się w samej etykiecie i są w objawach różne dla częstotliowśi HF i UHF.

Dla zrozumienia pewnych zjawisk które występują w takich etykietach szczególne znaczenie mają następujące elementy

· Energy harvester – to opisywany przeze mnie kumulator energii

· LT – indukcyjność anteny

· RT – opór właściwy etykiety – mniejszy dla etykiet z antenami miedzianymi , większy dla tych które są wyposażone w anteny aluminiowe

· CTS – pojemność anteny zmienna wraz z natężeniem pola EM temperaturą czy ciśnieniem atmosferycznym

· CTC – pojemność wejściowa chipa  zmienna wraz z temperaturą  i wielkością napięcia UT

 

Obserwując zachowanie się takich układów w obydwóch zakresach częstotliwości możemy zauważyć następujące cechy takich układów.

 

Możliwość pracy przy różnych odległościach od anten:

· Chip HF – możliwość pracy w odległości nie większej niż 0,5 m, zalecane 0,45 m gdyż odległość ta nie powinna być większa niż dziesiętna część wielkości ¼ długości fali (zapewnia to największa stabilność strojeniową). Implikuje to konieczność takiego konfigurowania urządzeń łącznie z bramkami zabezpieczającymi by nie została przekroczona ona jako graniczna dla skutecznej pracy. Obrazowo skuteczność pracy związana jest z kształtem pola EM i rozkładem jego mocy w przestrzeni.

· Chip UHF możliwość pracy ze znacznie większych odległości (również bramek zabezpieczających) co wymaga jednak stosowania pól EM o znacznie większych mocach, które mogą znacząco przekraczać wartości bezpieczne dla człowieka. Z reguły stosując etykiety RFID anteny włączane są automatycznie w chwili kiedy istnieje potencjalna możliwość znalezienia się w zasięgu etykiem z których dane mają być odczytane. Nie wolno zapominać o tym, że pole wzbudzające wielu anten bo takie układy musimy stosować  np. w strefie przejścia podlega interferencji tworząc strefy martwe nawet bardzo blisko od pojedynczej anteny.

Ekranowanie etykiet – wrażliwość na zakłócenia:

Jak każde urządzenie korzystające z fal EM może ono być nieskuteczne w swoim działaniu, gdy zastosujemy odpowiednie techniki jego ekranowania. Skuteczność ekranowania można określić na dwóch poziomach kiedy dla pasywnych etykiet RFID (takie stosujemy w bibliotece) energia może okazać się za mała dla prawidłowego działania systemu. Dotyczy to w pierwszym etapie cyklu prawidłowego zadziałania kumulatora energii (Energy harvester), gdy wielkość energii będzie zbyt mała do wzbudzenia pracy chipa (może być to zależne od rzeczywistego użytkowego pola EM które dla większych częstotliwości można znacznie łatwiej zakłócić również oddziaływując na antenę w samej etykiecie) oraz na etapie wysyłania informacji gdy szum elektromagnetyczny dla wyższych częstotliwości jest znacznie bardziej przeszkadzający. Dla oceny pracy systemów HF i UHF jest również to z czym spotykamy się w systemach do tłumaczeń symultanicznych. Są one produkowane w dwóch wersjach z tzw. pętlą indukcyjną wykorzystując do modulacji fale elektromagnetyczne z zakresu HF oraz w drugiej wersji z falą nośną w głębokiej poczerwieni gdyż jak wykazały doświadczenia próba prowadzenia transmisji w częstotliwościach publicznych (tj powyżej pasm zastrzeżonych dla koncesjonariuszy nadawców publicznych i komercyjnych np. telewizyjnych) spotykają się z bardzo dużymi zakłóceniami pochodzącymi od nadajników pracujących w pasmach od około 800 MhZ do 862 MHZ jak również od innych szumów niezależnych od ingerencji człowieka. Należy również pamiętać o tym, że duże masy wody (jak np. znajduje się w człowieku) mogą w sposób negatywny wpływać na etykiety dla pasma UHF, gdyż to właśnie człowiek pochłania emisję strumienia informacji z etykiety. Można to porównać ze zjawiskiem kiedy dotknięty anteny telewizyjnej przez człowieka polepsza działanie odbiornika TV co szczególnie jest widoczne dla kanałów od 60-69. Podobne zjawiska mogą dotyczyć również etykiet UHF kiedy w ich pobliżu znajdują się stosunkowe duże masy typowych przewodników np. żelaza czy węgla. W stosunku do etykiet UHF stwierdzono również zakłócające właściwości większych mas dielektrycznych. Wg ocen praktyków związane jest to głownie z odbiciem fal i późniejszymi ich interferencjami. Należy również zauważyć że opisane powyżej zjawiska decydują o tym, że w praktycznych zastosowaniach zauważamy że systemy HF są bardziej kierunkowymi czyli ich czułość jest zależna od położenia względem anten. Dla etykiet UHF zauważono również zwiększoną wrażliwość na zakłócenia pochodzące z pracujących silników elektrycznych, robotów wykonujących prace na liniach produkcyjnych czy nawet taśm transportowych. Omawiając zdecydowanie większą  wrażliwość na zakłócenia etykiet UHF musimy zdawać sobie sprawę z tego, że oprócz ekranowania w etykietach takich następuje tzw. odstrojenie od częstotliwości roboczej, które w swoim efekcie jest identyczne jak ekranowanie ponieważ nie otrzymujemy odpowiedzi z etykiety w zadanym oknie częstotliwości. Odstrojenie to jest spowodowane zmianami sumy częstotliwości, anteny (CTS) i pojemności wejściowej chipa (CTC). Przy założeniu że konstrukcja etykiet HF i UHF daje możliwość dobrania indukcyjności anteny(LT) kilkukrotnej mniejszej dla etykiet UHF w stosunku do etykiet HF i korzystając wtedy z faktu że częstotliwość pracy etykiety jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu pojemności zastępczej i indukcyjności stwierdzamy że pojemność etykiet dla systemów UHF jest przynajmniej dziesięciokrotnie mniejsza niż dla HF. Fakt ten decyduje o tym, że etykiety takie będą zawsze bardziej wrażliwe na wszelkie zakłócenia zewnętrzne co jest bardzo niekorzystne w przypadku, gdy zależny nam na pewności zadziałania etykiety jako elementu zabezpieczającego przedmioty.

 

Możliwości przechowywania informacji

· Etykiety HF – zakres częstotliwości dla którego światowi producenci komercyjni produkuje etykiety o strukturze w której zastosowano układy pamięciowe od 1 kb do 64 kb. Daje to możliwość przechowywania 110 B informacji dla najmniejszych etykiet (pozostała część pamięci niezbędna jest do organizacji pracy chipa) do prawie 8 kB informacji ( dla większych chipów ilość pamięci organizacyjnej jest niewiele większa niż dla chipa najmniejszego)

· Etykiety UHF przeznaczone przez producentów komercyjnych do przechowywania mniejszej ilości informacji produkowane są w wersjach pamięcią  tylko do 1 kb.

Szybkość czytania informacji:

Ponieważ zasady kodowania informacji są identyczne dla etykiet HF I UHF więc w sposób uproszony można przyjąć, że ilość przekazywanie informacji pomiędzy etykietami znajdującymi się w zasięgu anten a układem dekodującego odbiornika jest proporcjonalna do częstotliwości sygnału nośnego czyli w ciągu 1 sekundy dla systemów UHF ilość informacji pozyskaniach z takich etykiet w teorii może być do 70 razy większa niż w systemach HF. W praktyce stwierdzono jednak że najbardziej wyszukane systemy HF potrafią odczytać do 20-25 etykiet, a UHF do około 200-250. Tak mała tj. 10 krotna różnica spowodowana jest wielokrotnym wzbudzaniem systemów etykiet i wielokrotnym odbieraniem powtarzających się danych.

 

Porównanie technologii w stosunku do bibliotek jako szczególnych miejsc
zastosowania technologii RFID

Biblioteka ze swoją organizacją pracy, niestandardowymi  zbiorami w stosunku do typowego zastosowania znaczników RFID w logistyce staje się miejscem, gdzie powinniśmy w sposób odpowiedzialny podjąć decyzję o rodzaju systemu jaki będziemy stosować do oznaczania, a w  szczególności do zabezpieczania zbiorów.

Po przeanalizowaniu za i przeciw obydwóch technologii w Centrum Informacji Naukowej i Bibliotece Akademickiej w Katowicach zdecydowaliśmy się stosować technologię HF – czyli wysokiej częstotliwości. Decyzję taką podejmowaliśmy już w chwili przygotowania się do przetargów w ramach realizacji projektu „Dostosowanie systemu zarządzania zbiorami do nowoczesnego modelu otwartych kolekcji dziedzinowych – MOK w Bibliotece Uniwersytetu Śląskiego i Bibliotece Głównej Akademii Ekonomicznej w Katowicach w 2010 roku kierując się właściwościami obydwóch grup systemów:

1) Ograniczony do 0,5 m obszar działania:

a) Dla bramek możliwość dokładnego określenia obszaru reagowania i znacznego uproszenia procedur ochrony, choć powinniśmy stosować systemy o wielokierunkowym generowaniu pola EM. (Np. w CINiBA i DCINiE zauważamy, że w bramkach RFID zastosowano anteny wpisujące się w wycinek walca). Należy przy tym pamiętać, że maksymalna odległość anten bramek zabezpieczających nie powinna przekraczać 90 cm co jednak pozwala na swobodne poruszanie się wózków inwalidzkich

b) Dla stanowisk kodujących pełne bezpieczeństwo nie ingerowania w etykiety leżące w pobliżu tych stanowisk (brak konieczności specjalistycznego ich konstruowania z zastosowaniem odpowiedniego ekranowania) umożliwiające wkomponowanie ich w meble z typowej aranżacji wnętrza

c) Dla stanowisk pracujących w wypożyczalni podobne cechy jak dla koderów i co najważniejsze zachowanie pewności, że czytelnikowi w sposób przypadkowy przypiszemy działa, które zostają w bibliotece lub powinny być na koncie innego czytelnika

d) Urządzenia do samodzielnego wypożyczania książek to również ta grupa w której ważne są cechy opisane w punktach b i c, a co najważniejsze zastosowanie technologii HF daje nam pewność, że czytelnikowi nie będą wyświetlały się przy pewnym splocie niekorzystnych okoliczności książki położone w pobliżu przez niego lub innych czytelników lub nawet znajdujące się na półkach regałów zlokalizowanych w pobliżu urządzeń do samowypożyczeń

e) Wrzutnia z sorterem do automatycznego zwrotu książek – brak zagrożenia, że w sposób niekontrolowany urządzenie będzie reagowało na książki znajdujące się w jego pobliżu w szczególności w wózkach transportowych

f) Łatwe prowadzenie selektywnych działań inwentaryzacyjnych bez zagrożenia rejestrowania etykiet znajdujących się na innych półkach lub regałach.

2) Sposób reagowania na ekranowanie – ważne dla na ze względu na pewność działania systemu zabezpieczania zbiorów

3) Sposób reagowania na zakłócenia – ważne jak opisano powyżej jak również z powodów związanych z bieżącą i późniejszą elastycznością działania instytucji w szczególności podczas wprowadzania nowych rozwiązań techniczno-technologicznych bez oglądania się na ich wpływ na pracujący system RFID. Ważne dla nas było również to by system RFID nie był wrażliwy na zakłócenia z urządzeń automatyki wrzutni i sortera (silniki, przekaźniki, pasy transportowe czy systemu kurtynowe).

4) Możliwość przechowywania informacji – ze względu na decyzje związane z pracą systemu bibliotecznego jako niezbędna minimalną wielkość pamięci programowalnej etykiety przyjęliśmy 2 kb co wykluczyło możliwość stosowania systemu UHF pozostawiając nam tylko możliwość wykorzystania z duża rezerwą na przyszłe zmiany systemu HF

5) Względy bezpieczeństwa dla ludzi– ponieważ w systemach UHF musimy stosować większe moce, których wartości maksymalne w trybie pracy ciągłej są określane przez odrębne akty normatywne jako bezpieczne dla ludzi (z wyraźnym wyodrębnieniem grup zwiększonego ryzyka w postaci np. kobiet w ciąży lub dzieci) postanowiliśmy wybrać rozwiązanie takie w których wartości dadzą nam marginesy bezpieczeństwa, które zwolnią nas ze specjalistycznych działań związanych z przepisami BHP określającymi warunki bezpieczne dla przebywania ludzi czyli wybraliśmy system HF.

Odpowiadając bezpośrednio na Państwa pytania dostrzegam możliwość wystąpienia wielu problemów związanych z tym co na etapie projektowania adaptacyjnego oraz ustalania programu użytkowego w ogóle nie uwzględniono bo nie było dostrzegalnych przesłanek do przeprowadzania tak dogłębnych analiz. Jak zaznaczałem w opisie porównującym działania obydwóch systemów zastosowanie systemu UHF z reguły stosowanego do płynnej obsługi dynamicznych działań logistycznych (np. przejeżdżające wózki transportowe z kontenerami zawierającymi np. części samochodowe co jest klasyczne w tej chwili) w miejscu gdzie najczęściej mamy duże nagromadzenie metalu przynajmniej w postaci regałów metalowych lub innych elementów technicznych i stanowiących elementy aranżacji wnętrz jest co najmniej ryzykowne. Opierając się na opisanych poprzednio zjawiskach fizycznych możemy być pewni, że działanie takiego systemu może być przypadkowe i zależne wielu zmiennych czynników. Informacje kluczowe dla Państwa zawarte są w znajdującej się powyżej analizie, gdzie zamieściłem wszystkie informacje decydujące o ty, że wykluczyliśmy możliwość zastosowania systemu UHF w CINiBA. W sposób jednoznaczny w części informacyjnej opisywałem zjawiska fizyczne, które wykluczają zastosowanie systemów UHF w bibliotekach jako stabilnego i bezproblemowego w późniejszej eksploatacji.

Oczywiście o problemach nie decyduje nieprawidłowe zrealizowane powierzonych Wykonawcy dostaw i prac uruchomieniowych lecz „sama fizyczność systemu”. W sytuacji kiedy wdrożony system UHF i kiedy występują problemy związane z jego stabilną pracą powinniśmy zlecić specjalistyczne pomiary pół EM i wpływu wyposażenia na jednorodność w przestrzeni emitowanych pól pobudzających, jak również korzystając z pobudzanych własną energią nadajników pracujących w paśmie etykiet UHF w celu zbadania zjawisk pochłaniania promieniowania przez elementy trwałego wyposażenia i imitowanych standardowych czynności czytelników (np. przemieszczenie się i w przestrzeni, uruchamianie urządzeń mobilnych emitujących promieniowanie EM, imitowanie wykonywania prac technicznych itp.). Pomiary takie są niezbędne ponieważ dla fal EM zakresu systemów UHF wszystkie powierzchnie metalowe działają również jak lustra i każda drobna nierówność może powodować dodatkowe nierównomierności pola tak jak typowe jak widzimy własnymi oczami w optycznych lusterkach wklęsłych lub wypukłych. Znamienne jest również zjawisko kiedy promieniowanie odbite w linii bramek zabezpieczających może wzbudzać etykiety w wielometrowej odległości.

Zdaje sobie sprawę, że takie przedsięwzięcie jest kosztowne tak wartością, którą należy zapłacić Wykonawcy (istniej konieczność wykorzystania drogiego i bardzo specjalistycznego sprzętu pomiarowego), jak i kosztami organizacyjnymi dla instytucji na terenie której będzie się to odbywało lecz nie wykluczam, że może być to droga to takiego przeprojektowania systemu (głównie anten, osłon, dobrania mocy emisji lub elementu wystroju wnętrz) by działał on stabilnie spełniając wszystkie wymagania biblioteki.

 

Przygotował

Mgr inż. Andrzej Koziara

Specjalista elektronik

Kierownik Departamentu Informatycznego CINiBA

 

 

 
 

Śledź z nami kolejne etapy urządzania CINiBA

wolny dostęp do ksiegozbioru

wirtualny spacer po ciniba
film

 podgląd online na CINiBA i  kampus
relacje z przebiegu budowy gmachu CINiBA


Naszą witrynę przegląda teraz 53 gości 
Projekt CINiBA jest współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Śląskiego na lata 2007-2013. Projekt jest również współfinansowany z budżetu Samorządu Województwa Śląskiego, Miasta Katowice, Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Uniwersytetu Ekonomicznego w Katowicach, Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

© 2008-2012 Centrum Informacji Naukowej i Biblioteka Akademicka

ul. Bankowa 11a, 40-007 Katowice, telefon 32 786 50 08, e-mail info@ciniba.edu.pl

Administrator serwisu: Zespół BUŚ ds. Promocji Projektu CINiBA

Powered by Joomla!