О. Стариков

Системы радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments

Радиочастотная идентификация - это самостоятельное направление, входящее в группу автоматического распознавания и регистрации объектов.

К автоматической идентификации относятся технология штрихового кодирования, идентификация при помощи инфракрасного канала связи, контактная, биометрическая, а также радиочастотная идентификация, при помощи которой производится определение (опознавание) различных предметов, людей и животных с использованием радиочастотного канала связи.

Предлагаемая вниманию читателей публикация предполагает установление обратной связи со всеми предприятиями и организациями, тем или иным образом связанными с продажей или интеграцией систем радиочастотной идентификации для делового и партнёрского сотрудничества.

Системы и компоненты радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments первоначально были разработаны для автоматизации складского хозяйства и идентификации крупного рогатого скота. В настоящее время, сфера применения таких систем весьма обширна. К её приоритетным компонентам относятся:

• дистрибутивное (распределённое) материально-техническое обеспечение;
• идентификация крупного рогатого скота;
• системы контроля доступа в помещения и сооружения;
• автомобильные охранные системы;
• проверка транзакции платёжных систем на достоверность;
• измерение (установление) времени в спортивных состязаниях;
• управление процессом сбора и утилизации отходов (мусора);
• экспресс-доставка посылок;
• обработка и доставка багажа на авиалиниях;
• обеспечение пассажиров электронными билетами;
• предотвращение от подделки различных категорий товаров;
• маркировка (идентификация) имущества, документов, библиотечных материалов и т.п.

Компоненты и системы радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments, в зависимости от технологии исполнения и частотного диапазона, подразделяются на:

• низкочастотные компоненты и системы TIRIS, работающие на частоте 134,2 кГц;
• среднечастотные, выполненные по технологии Tag-It и функционирующие на частоте 13,56 МГц;
• высокочастотные, работающие в диапазоне 850 МГц и выше.

Системы радиочастотной идентификации TIRIS включают в себя ридеры (считывающие устройства), транспондеры, работающие в полудуплексном режиме по принципу "запрос-ответ" и антенны для ридеров. Запрос от ридера в виде радиочастотного сигнала-посылки частотой 134,2 кГц формируется приблизительно каждые 50 мс. Передача ответного сигнала от транспондера осуществляется с помощью частотной манипуляции (FSK) на частотах 134,2 и 123,2 кГц. Информация об объекте идентификации представляет собой двоичный код, который может быть записан на заводе-изготовителе или запрограммирован пользователем. Ридер, при помощи подсоединённой к нему антенны, принимает данные от транспондера, декодирует и передаёт их через один из стандартных интерфейсов в центральный компьютер, который осуществляет проверку и идентификацию принятых данных. Расстояние, при котором происходит считывание информации, передаваемой транспондерами, колеблется от 20 почти до 200 см и зависит от типа транспондера, радиочастотных настроек, определяющих излучаемую мощность (зависит от страны использования транспондера), от типа антенны ридера и условий окружающей среды.

TIRIS-транспондеры выполняются в виде стеклянных трубок (капсул) длиной 50, 32 и 23 мм, в виде карточек и брелоков, в форме цилиндров длиной 120 мм и диаметром 21 мм, выполненных из специального прочного состава, в виде плоских дисков разных диаметров, непосредственно устанавливаемых на металл, а также в виде клинообразных пластиковых корпусов длиной 12 мм. По способу записи в них информации, TIRIS-транспондеры различаются на Read Only (только для чтения), Read/Write (чтение/запись), MPT - Multipage Transponder (многостраничные транспондеры) и SAMPT - Selective Addressable Multipage Transponder (многостраничные транспондеры с выбором адреса). Объём информационной памяти для Read Only транспондеров составляет 64 бит, для Read/Write транспондеров - 80 бит, и 1360 бит для MPT и SAMPT транспондеров. Причём для трёх последних типов объём информационной памяти рекомендуется разбивать на страницы по 64 бит и добавлять блок бит для коррекции и контроля ошибок. Все вышеперечисленные типы транспондеров являются пассивными, и напряжение питания для их внутренних схем поступает за счёт энергии наведённого поля ридера. Среди TIRIS-транспондеров существует группа DST (Digital Signature Transponder) - транспондеров с цифровой подписью, которые используются в автомобильных охранных системах. Первая страница памяти таких транспондеров содержит 8 бит, представляющих своего рода пароль доступа, вторая содержит 8 бит идентификационного кода, третья - уникальный, последовательный номер и код производителя и четвёртая страница содержит 40 бит, представляющих собой защитный ключ или своего рода случайное число. В настоящее время фирмой Texas Instruments разработаны DST + транспондеры, предназначенные для построения противоугонных автомобильных систем нового поколения. На рис. 1 показано многообразие TIRIS- транспондеров.

Рисунок 1. Внешний вид транспондеров системы TIRIS

Ридеры или считывающие устройства, предназначенные для приёма частотно-манипулированных (FSK) сигналов от транспондеров, их демодуляции и обмена данными между блоком управления или центральным компьютером, по исполнению условно можно разделить на микро-, мини-, стандартные и модульные. Для связи микроридера RI-STU-MRD1 с центральным компьютером используется интерфейс типа SCI (Serial Communications Interface) с TTL-логическими уровнями. Также, для связи ридеров с центральным компьютером используются RS232 и RS422/485 интерфейсы.

На рис. 2 показан внешний вид микроридера типа RI-STU-MRD1.

Рисунок 2. Внешний вид микроридера типа RI-STU-MRD1

Существует группа ридеров, имеющих модульную конструкцию (RFM-модули).

Такой радиочастотный модуль представляет собой ядро ридер-системы и вместе с антенной образует интерфейс между TIRIS-транспондером и процессорным модулем. RFM-модули обеспечивают достаточно высокую напряжённость поля в антенне, что обеспечивает максимальную эффективность передачи данных на значительном расстоянии от транспондера. Для некоторых из этих RFM-модулей связь с антенной может осуществляться при помощи симметричного экранированного коаксиального кабеля длиной до 120 метров!

На рис. 3 показаны некоторые из RFM-модулей.

Рисунок 3. Внешний вид RFM-модулей типа (слева направо): RI-RFM-007B, RI-ACC-008B и RI-RFM-008B

Для осуществления связи между RFM-модулями и центральным компьютером разработаны интерфейсные или так называемые Control Module (CTL) управляющие модули типа RI-CTL-MB2A и RI-CTL-MB6A, управляющие функциями передачи и приёма данных от RFM-модуля, в соответствии с командами центрального компьютера. CTL-модули используют дифференциальные последовательные интерфейсы типа RS232 и RS422/485, соответственно.

В группу ридеров входит ИС серии RI-RFM-006A, представляющая собой интегральную корпусную схему приёмопередатчика. В результате усовершенствования и улучшения технических характеристик своей продукции, фирма Texas Instruments рекомендует данное изделие для замены более ранней версии ИС приёмопередатчика, известной разработчикам как серия RI-45538NS. Также в группу ридеров входит ИС серии RI-TMS3705ADR - это интегральная корпусная схема более высокой степени интеграции, предназначенная для построения радиочастотного канала в базовых станциях ридеров и иммобилайзеров.

Антенны для ридеров и RFM-модулей выполняются в виде коротких ферритовых цилиндрических стержней, вокруг которых намотан провод литцендрат (так называемые Stick-антенны) и в виде пластмассовых каркасов прямоугольной формы (Gate-антенны), вокруг которых также намотан провод литцендрат. Stick-антенны используются в стационарных применениях, где имеются ограничения в пространстве, и позволяют производить точное распознавание близко расположенных друг от друга транспондеров благодаря острой диаграмме направленности. Gate-антенны имеют достаточно большую зону чтения и предназначены для установки в дверных проёмах, входах и коридорах, рядом с конвейерами и поточными линиями. Внешний вид антенн показан на рис. 4.

Рисунок 4. Внешний вид Stick- (внизу) и Gate-антенн

На рис. 5 приведены возможные варианты конфигурации системы на основе вышеназванных ридеров, RFM, CTL-модулей и антенн.

Рисунок 5. Конфигурирование системы на основе ридеров, RFM, CTL модулей и антенн технологии TIRIS

Для первоначального ознакомления и проведения экспериментальных работ с системами и компонентами радиочастотной идентификации, выполненных по технологии TIRIS, фирма Texas Instruments выпускает комплекты инструментальных отладочных средств типа RI-K2A-001A и RI-K3A-001A, в состав которых входят по одному ридеру, антенны (Stick и плоская в виде диска диаметром 80 мм, соответственно), наборы транспондеров в различных корпусах, а также демонстрационное программное обеспечение.

TIRIS-технология позволяет создавать как законченные высокоэффективные системы радиочастотной идентификации, работающие в низкочастотном диапазоне 134,2 кГц, так и интегрировать отдельные её компоненты в уже действующие системы, созданные на её основе. К основным достоинствам TIRIS-технологии относится достаточно высокая дальность действия (радиообмена) между ридером и транспондером, при относительно невысокой мощности излучения. При использовании транспондеров больших размеров, соответствующих радиочастотных настройках и определённых условиях внешней среды, дальность считывания может доходить до двух метров. К основным недостаткам TIRIS-технологии относится невысокая скорость обмена данными между транспондером и ридером.

Системы и компоненты радиочастотной идентификации, выполненные по технологии Tag-It, обеспечивают более высокую скорость обмена данными между транспондером и ридером, что позволяет ридеру различать несколько находящихся в поле его действия транспондеров одновременно. Протокол такого обмена SID (Simultaneous Identification — одновременная, синхронная идентификация) с алгоритмом антиколлизии позволяет осуществлять одновременную идентификацию находящихся в поле действия одного ридера транспондеров вплоть до 50 в секунду. Реально же количество одновременно идентифицируемых транспондеров зависит от размера антенны ридера, мощности радиочастотного сигнала, расстояния от ридера до транспондера, а также от периода времени, выделенного на идентификацию конкретного объекта.

Основные особенности Tag-It технологии:

• рабочая несущая частота 13,56 МГц;
• связь ридера с транспондером осуществляется путём использования широтно-импульсного кодированного радиочастотного сигнала со 100-% амплитудной модуляцией;
• связь транспондера с ридером осуществляется передачей радиочастотного кодированного (манчестерский код) сигнала с поднесущими частотами 423,75 и 484,29 кГц.

Переход от частоты 423,75 кГц к частоте 484,29 кГц формирует низкий логический уровень, высокий уровень формируется путём частотного перехода от 484,29 к 423,75 кГц.

Оба направления передачи и приёма синхронизируются и сопровождаются передачей контрольной суммы — CRC (cyclic redundancy check — контроль при помощи циклического избыточного кода). Tag-It транспондеры — это маломощные устройства, работающие в режиме полного дуплекса, содержащие 32-бит цифровой код Read Only (только чтение), запрограммированный производителем и 256-бит пользовательской памяти, размещённой в 8 блоках по 32 бита в каждом. Внешний вид Tag-It транспондеров показан на рис. 6.

Рисунок 6. Внешний вид Tag-It транспондеров с размерами 17x93, 45x45, 22,5x38,0 и 45x76 мм

Существует группа Tag-It транспондеров, поддерживающих единый стандарт ISO/IEC 15693 и полностью совместимых с ним. Данный стандарт поддерживает ряд фирм производителей компонентов радиочастотной идентификации. В соответствии с этим стандартом, связь от ридера к транспондеру осуществляется с использованием амплитудной манипуляции (ASK - amplitude-shift keying) с индексом от 10–30% (оптимальное значение - 20%) или 100%. Кодирование данных осуществляется с использованием фазоимпульсной модуляции с коэффициентом 1/4 или 1/256. Связь от транспондера к ридеру может быть осуществлена на одной поднесущей частоте с использованием амплитудной манипуляции (ASK) или на двух поднесущих с использованием частотной манипуляции (FSK). Оба режима могут функционировать с высокой или низкой скоростью передачи данных. Каналы связи (ридер – транспондер и транспондер – ридер) синхронизированы и сопровождаются передачей блока CRC. Данные транспондеры имеют 2 Кбит энергонезависимой пользовательской памяти, размещённой в 64 блоках. Каждый блок содержит 32 бит с возможностью программирования пользователем и может быть использован индивидуально для хранения и модификации данных.

Ридеры или считывающие устройства, предназначенные для работы с Tag-It и ISO15693 транспондерами и работающие на основной несущей частоте 13,56 МГц, состоят из передатчика, приёмника, цифрового управляющего и интерфейсного модуля, обеспечивающего передачу данных через RS232 или RS485 конфигурируемый порт.

Передача данных может производиться со скоростью до 38,400 бит/с.

Ридер типа RI-R00-321A со встроенным интерфейсным модулем с RS232 асинхронным последовательным портом содержит управляющий блок на основе цифрового сигнального процессора типа TMS320F206. Внешний вид этого ридера показан на рис. 7.

Рисунок 7. Внешний вид ридера типа RI-R00-321A со встроенным интерфейсным модулем

Среди считывающих устройств, работающих с Tag-It и ISO15693 транспондерами, существуют модули ридеров средней и большой дальности действия. Примерами таких устройств являются модули типа S6350 RI-STU-TRDC-02, S6500 RI-STU-650A и S6550 RI-STU-655A. Модуль типа S6350 RI-STU-TRDC-02 - средней дальности, а два последних - большой дальности действия. Выходная мощность передатчиков модулей типа S6500 RI-STU-650A и S6550 RI-STU-655A находится в пределах от 0,5 до 10 Вт и устанавливается программно с шагом 0,25 Вт. Внешний вид модуля типа S6550 RI-STU-655A показан на рис. 8.

Рисунок 8. Внешний вид ридер модуля большой дальности действия типа S6550 RI-STU-655A

В августе 2002 года фирма Texas Instruments анонсировала выпуск новых ридеров серии S6400 и идентификационных карт Tag-it^TM ISO - Vicinity Badge Transponders и Vicinity Card Transponder с высокой скоростью передачи данных, для систем контроля доступа (СКД) с повышенными требованиями к безопасности. Новые ридеры серии S6400 с улучшенными характеристиками обеспечивают больший диапазон чтения и высокую скорость передачи данных в сочетании с повышенной точностью. Эти модули могут применяться в системах управления контролем доступа на жизненно важных объектах, а также для быстрого и безопасного доступа к сейфам. Необходимо также отметить, что эти ридеры поддерживают стандарт ISO 14443A/В, позволяющий применять их в беспроводных системах транзакции и различных платёжных приложениях.

Tag-it^TM ISO Vicinity Badge Transponders и Vicinity Card Transponder - это механически устойчивые пластиковые карты близкого действия, выполненные в соответствии с требованиями ISO 10373, совместимые с ISO/IEC 15693 стандартом и работающие на основной частоте 13,56 МГц. Эти карты, содержащие 2 Кбит энергонезависимой пользовательской памяти, размещённой в 64 блоках, способны нести жизненно важную информацию, например, такую как коды аутентификации личности или медицинскую карту истории болезни. Идентификационные коды таких карт фактически невозможно подделать, что гарантирует отсутствие их дубликатов и предотвращает ошибочное распознавание личности.

В заключение хотелось бы сказать несколько слов о компонентах и системах радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments, функционирующих в высокочастотном диапазоне и предназначенных для идентификации объектов, расположенных на относительно большом расстоянии (до 10…15 м) и движущихся с достаточно высокой скоростью (до 200 км/ч). К таким применениям могут относиться учёт автотранспорта на автомагистралях или подсчёт вагонов в движущихся железнодорожных составах. Достаточно большие расстояния действия высокочастотных RFID-систем достигаются за счёт применения остронаправленных антенн ридеров, высоких мощностей запросного сигнала, а также использования активных транспондеров. Такой транспондер принимает амплитудный ASK-сигнал с частотой 134,2 кГц от ридера, а передаёт ридеру частотный FSK-сигнал в диапазоне 850–950 МГц. Низкая частота запросного сигнала от ридера гарантирует отсутствие перекрёстного чтения между близко расположенными ридерами, а высокая частота передачи активного транспондера гарантирует быструю и надёжную передачу данных. Имеются следующие распределения по частотам для высокочастотных активных транспондеров: 868,3 МГц / 902,8 МГц. Частота 868,3 МГц разрешена в Европе, но не разрешена в США; частота 902,8 МГц разрешена в США, но не разрешена в Европе. Высокочастотные, активные транспондеры фирмы Texas Instruments разработаны в соответствии со стандартами США, удовлетворяют некоторым требованиям Европейского Института Стандартизации в области связи и поставляются на американский и европейский рынки.

Более подробную информацию о системах и компонентах радиочастотной идентификации, выпускаемых компанией Texas Instruments, можно получить на сайте www.ti-rfid.com и в ЗАО "КОМПЭЛ".

Литература

1. Сайт компании Texas Instruments: www.ti.com/tiris/docs/docntr.htm.
2. Стариков О. Радиочастотная идентификация: технологии, системы, компоненты // Электронные компоненты. 2002. № 7. С. 103–105.
3. Стариков О. Радиочастотная идентификация: технологии, системы, компоненты. Часть 2 // Электронные компоненты. 2003. № 1.