Saavuttuasi tänä aamuna töihin olet saattanut käyttää RFID-tekniikkaa neljä kertaa tietämättä siitä. RFID ei ehkä ole vielä kaikkialla, mutta siihen ollaan menossa.

Kirjoittaja Jack Shandel on vapaa toimittaja, joka on erikoistunut useisiin elektroniikan teknologioihin, kuten langattomiin, älykkäisiin sähköverkkoihin ja puolijohteisiin. Hän on toiminut useiden elektroniikkalehtien - esimerkiksi Electronic Design ja ChipCenter - päätoimittajana. Freelancerina hän on kirjoittanut satoja artikkeleita lehtiin kuten EE Times, EDN, CommsDesign ja TechOnline. Lisäksi hän on kirjoittanut usean yrityksen omaan julkaisuus, esimerkiksi ARM:n IQ Magazineen ja Xilinxin Xcell Journaliin.

Käytit todennäköisesit RFID-tekniikkaa, kun laitoit autonavaimen pesäänsä ja poistit käynnistykseneston, kun ajoit miehittämättömän tietullin läpi, kun maksoit aamuisen capuccinosi kännykälläsi ja kun henkilökorttisi rekisteröi saapumisesi toimistoon. RFID on tulossa vauhdilla lähes kaikkialle.

Ensimmäiset passiiviset lähettimet, jotka saivat virtansa tulevasta RF-signaalista esiteltiin jo 1970-luvun alkupuolella. Samoihin aikoihin syntyivät visiot tämän päivän monista RFID-sovelluksista. Tarvittiin kuitenkin kehitystä puolijohdetekniikassa - Mooren laista puhumattakaan - että RFID-kehitys lähti toden teolla liikkelle.

Yrityksille ja liiketoiminnalle RFID antaa ennen näkemättömät mahdollisuudet kasvattaa tuottavuutta ja parantaa asiakaskokemusta. Sillä voidaan automatioida palveluita kuten maksaminen ja rekisterien ylläpitäminen. RFID käytetään laajasti hyvin erilaisissa sovelluksissa karjan tunnistamisesta kaupan varastonhallintaan, potilastietojen hallintaan, sähköiseen maksujen keräämiseen, elektronisiin passeihin, ja viime aikoina matkapuhelimiin, josta tulee joidenkin spesifien RFID-tekniikoiden tärkein alusta.

RFID-tagien markkina kasvaa nopeasti ja kasvun on ennustettu kiihtyvän. Esimerkiksi IDTechEx ennustaa, että passiivisten RFOD-tagien määrä kasvaa vuoden 2011 lle kolmesta miljardista tagista noin 250 miljardiin vuonna 2021.

Suunnittelijan näkökulmasta RFID ei ole yksi yksittäinen teknologia, ja se vaihtelee taajuuden mukaan. On mahdollista käyttää useita taajuusalueita, mutta kolme hallitsee markkinaa: LF, joka käyttää aluetta 125-135 KHz; HF, joka toimii 13.56 MHz alueella, selä UHF jota käytetään pääasissa 865-955 MHz alueella (2,4 GHz alue voidaan myös sisällyttää UHF-alueeseen).

Taulukko 1 kokoaa yhteen kolmen tärkeimmän RFID-alueen sovellukset ja lukuetäisyyden.

Taulukko 1.

Iso osa RFID-järjestelmäsuunnittelusta keskittyy lukulaitteisiin. Suunnittelua määrittävät ennen kaikkea sovellus ja lähettimien (tagien) ominaisuudet, joita suunnittelevat ja valmistavat puolijohdeyritykset. Laajasti puhuen kaksi eri tagityyppiä voi kommunikoida lukulaitteiden kanssa. Aktiivisissa tageiss aon sulautettu paristo, passiivisissa ei ole. Passiiviset tagit ovat selvästi yleisempiä ja tämä artikkeli käsittelee vain niitä.

Yhteystekniikat

Sähkömagneettinen kytkentä on tärkein passiiviste tagien lukuetäisyyttä määrittävä tekijä. LF- ja HF-alueen RFID-järjestelmä käyttävät induktiivistä kytkentää: energiaa siirtyy lukulaitteen käämistä tagin käämiiin jaetun magneettisen kentän yli. Lukuantenni muodostaa LF- ja HF-järjestelmissä voimakkaan sähkömagneettisen alueen, jota kutsutaan termillä "near field" (aina yhden aallonleveyden päähän antennista). Tämä magneettikenttä on riittävän voimakas herättämään tagin ja varustamaan sen teholla, joka tarvitaan ID-datan lähettämisene lukulaitteelle. Induktiivista kytkentää voidaan käyttää myös tagien kirjoittaiseen samalla energian siirron tekniikalla. Kuva 1 esittää induktiivisen kytkennän konseptia.

Kuva 1: LF- ja HF-järjestelmien - myös NFC:n - induktiivinen kytkentä tapahtuu lähietäisyydellä (near field).

UHF-alueen RFID-järjestelmien lukuetäisyys on pidempi kuin LF- ja HF-alueella. Kantama yltää noin kahdesta aallonpituudesta äärettömiin. Backscatter-kytkennän avulla lukulaitteen antennin sähkömagneettinen energia vastaanotetaan tagin antennissa ja RFID-piiri käyttää energiaa muuttamaan signaalin sisältöä ja heijastamaan takaisin muuttuneen signaalin, joka sisältää identifikaatioinformaation.

Käytännön syistä tagit suunnitellaan hyvin erikoistuneisiin sovelluksiin, ja niiden taajuus, muistin määrä, tuettu standardia ja antennisuunnittelu vaihtelevat. Texas Instrumentsin Tag-it HF-I Plus Transponder (595-RI-I03-112A-03) sisältää kaksi kilobittiä muistia miniatyrisen suorakulmion muodossa. Se sopii tuotteen autentikointiin, tavaroiden hallintaan ja toimitusketjun hallintaan. Tagi toimii 13,56 megahertsin HF-taajuudella.

Muistivalikoimaan toisess apäässä on NXP:n HITag μ transponder -siru (771-HTMS1101FTBAF1), jossa on muistia 128 kilobittiä. LF-alueen tagi sopii esimerkiksi karjan tunnistamiseen, automaattipesuloihin, sekä vaikkapa oluttynnyrien ja kaasupullojen logistiikkaan.

Suunnittelun tavoitteet

RFID-lukulaitteiden ominaisuudet määrittyvät pitkälti sovelluksen perusteella, vaikka useat suunnittelun tavoitteet ylittävät sovellusten väliset rajat. Kuten useimmissa suunnitteluprojekteissa kustannukset ovat tärkeässä roolissa, mikä yleensä tarkoittaa materiaalikustannusten minimoimista ja tagin valmistajan kehitystyökaluina, referenssisuunnitteluina ja ohjelmistoina tulevan lisäarvon maksimoimista. Mekaniikkasuunnittelun pitäisi olla kestävää ja estää vandalismi. Suunnittelussa pitäisi myös harkita viranomaisten taajuusjakoa niillä alueilla, joilla järjestelmää tullaan käyttämään. On myös tärkeää, että järjestelmä on helppo ottaa käyttöön ja käyttää, koska loppukäyttäjät eivät ole teknisiä ihmisiä.

Near Field Communication

Myös tehonkulutus on tärkeää, erityisesti akkukäyttöisissä sovelluksiss akuten älypuhelimissa, joihin on sulautettu NFC-toiminnallisuus (near field communication). Vaikka kyse on RFID-tekniikan alalajista, NFC:ssä on joitakin leimaa-antavia parannuksia:

Lyhyempi etäisyys: NFC:n erittäin lyhyt kantama (<10 cm) estää linkin aktivoinnin vahingossa tai luvattomasti. Salaus takaa vieläkin paremman tietoturvan.

Intuitiivinen yhdistämiskäytäntö: NFC vaatii käyttäjältään minimaalisen vähän. NFC-älypuhelimet ryhtyvät kommunikoimaan keskenään tai lukulaitteen kanssa, kunhan ne viedään toisen laitteen lähelle.

Kyky kommunikoida paristottomien RFID-tuotteiden kanssa: NFC tukee kommunikointia myös passiiviste laitteiden kuten kontaktoimattomien älykorttien tai RF-lähettimien kanssa.

Synergia bluetoothin ja Wi-Fin kanssa: RFID-tekniikan täydentämisen lisäksi NFC:ssä on sisäänrakennettuna kyky kommunikoida bluetooht- ja wlan-verkkoja käyttävien laitteiden kanssa. Sellaisena NFC tarjoaa moniprotokollaisen sillan eri teknologioiden välille.

IMS Researchin mukaan NFC-sovellusten määrä tulee kasvamaan nopeasti pääasiassa matkapuhelinten voimalla. NFC-puhelinten määrä tulee kasvamaan kymmenkertaiseksi vuosina 2012-2017. Kun valmistajat omaksuvat langattoman viestinnän ja maksamisen tuotteissaan standardina, NFC-puhelinten määrä yltää 1,2 miljardiin. Tämä vuonna toimitukset kasvavat 268 miljoonaan laitteeseen, mikä on 123 prosenttia enemmän kuin 120 miljoonaa laitetta vuonns 2012. Tärkeimpiin NFC-sovelluksiin kuuluvat:

- Viihdelippujen, taksimatkojen ja vastaavien maksaminen. Lisäksi kauppojen lahjakortteja voi tallentaa NFC-kännykkään.

- Autentikointi ja sisäänpääsy suojattuihin rakennuksiin NFC-älypuhelimella. Myös PC-kirjautuminen, auton ovien avaaminen ja sulkeminen, jne.

- Laitteiden välinen datansiirto esimerkiksi NFC-älypuhelinten, -digikameoriden ja tablettien välillä.

- Tietoliikennelinkit datansiirtoon bluetoothin ja wlanin välityksellä.

- Pääsy digitaaliseen informaatioon: NFC-laitteet pystyvät lukemaan aikatauluja älyjulisteista NFC-kännykkään, lataamaan puhelimeen karttoja älyjulisteesta sekä tallentamaan puhelimeen auton parkkipaikan sijainti.

NFC-tekniikan perusteet

NFC toimii 13,56 megahertsin alueella ja sen datanopeus on 106-424 kilobittiä sekunnissa. Sen käyttökelpoisuuden kasvattamiseksi tekniikka on taaksepäin yhteensopiva ISO/IEC 14443 A- ja ISO/IEC 14443 B-pohjaisten älysiruprotokollien kanssa, kuten myös Sonyn FeliCa-korttien (JIS X 6319-4) kanssa.

Informaation vaihtamiseen kahden NFC-laitteen välille kehitettiin uusi protokolla, joka määriteltiin standardeissa ECMA-340 ja ISO/IEC 18092. NFC Forum kehittää määrityksiä, jotka varmistavat NFC-tuotteiden yhteensopivuuden. NFC:llä on kolme toimintamoodia:

- Korttia emuloiva moodi (passiivimoodi): NFC-laite toimii kuten olemassaoleva kontaktoimaton kortti.

- Luku/kirjoitusmoodi (aktiivimoodi): NFC-laite on aktiivinen, ja lukee tai kirjoittaa passiivisia RFID-tageja.

- Laitteiden välinen moodi (peer-to-peer): Kaksi NFC-laitetta vaihtaa informaatiota. Käynnistävä laite (initiator) vaatii vähemmän tehoa kuin luku/kirjoitusmoodissa, koska kohde laite käyttää omaa teholähdettään.

Jokaisella kolmella moodilla on oma siirtotekniikkansa. NFC-A (taaksepäin yhteensopiva ISO/IEC 14443 A:n kanssa), NFC-B ( taaksepäin yhteensopiva ISO/IEC 14443 B:n kanssa) ja NFC-F ( taaksepäin yhteensopiva JIS X 6319-4:n kanssa).

Tukeakseen vanhoja RFID-tekniikoita NFC-laitteen täytyy saada kuunteleva laite (tagi) määrittelemään, mitä protokollaa (NFC-A, NFC-B and NFC-F) käyttää. Kuva 2 esittää tämän määrittelyn kulkua.

Kuva 2: Käytettävän NFC-protokollaan määrittelyn kulku.

NFC-järjestelmän suunnittelussa ohjainpiirillä on keskeinen rooli. Tietoliikennemoodin valitseminen on vasta alkua. Muiden MCU-tehtävien lisäksi ohjaimen täytyy monitoroida ja valvoa lähetintä, tehonhallintaa ja isäntätietokokeen liitäntää. NFC-spesifeihin liitäntöihin kuuluvat SAM-liitäntä (Secure Access Module), SIM-liitäntä (Subscriber Identity Module) ja kontaktoimattoman liitännän tekniikka (CLESS).

NXP:n PN544 (771-PN5441A2EC20501) on sulautetulla 80C51-ytimekkä varustettu NFC-ohjain, joka sopii matkapuhelimiin integroitavaksi. Lukupuolella sovelluksiin kuuluvat mobiilimaksaminen, joukkoliikenne- ja tapahtumalippujen tarkistus sekä erilaisten objektien, kuten vCard-tietojen ja digitaalisten oikeuksien vaihtaminen. Texas Instumentsin TRF7970ARHBT (595-TRF7970ARHBT) tukee samaa sovellusvalikoimaa.

Työkaluilla menestykseen

Vaikka RFID-sovellukset eivät tyypillisesti edellytä suurta suorituskykyä ja toimitanopeutta, järjestelmätasolla on melko lailla monimutkaisuutta erilaisten standardien, taajuusvaihtoehtojen ja - ennen kaikkea - sovellusvaatimusten takia. Jokainen uusi suunnittelu vaatii ottamaan huomioon tietoturvan, kantaman, signaalin suuntaamisen, ympäristön olosuhteet, tehonkulutuksen, muistivaatimukset ja liitännän. Kun järjestelmän arkkitehtuuri on huolellisesti mietitty, lukuisat suunnittelun työkalut ja kehityspaketit avaavat tien menestyksekkääseen projektiin.