Система контроля багажа в транспортном терминале аэропорта с использованием технологии радиочастотной идентификации

При регистрации пассажиров в аэропорту отправки и в аэропорту прибытия осуществляется контроль багажа путем просвечивания на специальном терминале каждого места груза, внешний осмотр с собаками, натасканными на наркотики или взрывчатые вещества. При возникновении подозрений возможен тщательный досмотр багажа и даже личный обыск. За нарушение правил перевозки багажа пассажир может быть привлечен к административной, гражданской или уголовной ответственности. По прибытию международного рейса в некоторых странах устанавливается два варианта прохода:

а) через контрольный пункт: по «зеленому коридору» без проверки;

б) по «красному коридору» с проверкой и досмотром. Пассажир сам выбирает вариант прохода, но контрольная служба имеет полное право остановить любого пассажира и произвести досмотр багажа, личный досмотр [16].

1.6 Цели и задачи дипломной работы

Целью выпускной работы является разработка RFID системы для системы контроля грузов в транспортном терминале.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- оценить возможные характеристики системы RFID и ее узлов;

- рассчитать параметры системы RFID;

- выбрать соответствующее оборудование для транспортного терминала;

- исследовать безопасность жизнедеятельности после внедрения RFID-технологии;

- исследовать экономику после внедрения RFID-технологии.



2. Характеристика RFID-системы и ее основных узлов

2.1 Описание компонентов RFID-технологии

RFID-система - это составляющий единое целое набор компонентов, реализующий RFID-решение. Общий принцип работы RFID-системы прост.

RFID-система состоит из следующих компонентов, рассматриваемых в виде сквозной среды:

- метка (обязательный компонент любой RFID-системы);

- ридер (тоже обязательный компонент);

- антенна ридера (обязательный компонент; некоторые ридеры, выпускаемые в настоящее время, имеют встроенную антенну);

- контроллер (обязательный компонент; однако он встраивается в большинство ридеров нового поколения);

- датчик, исполнительнее и оповещающее устройство (эти дополнительные устройства необходимы для ввода и вывода внешних сигналов);

- система хост-компьютер и программное обеспечение (ПО) (теоретически RFID-система может функционировать независимо от данного компонента; на практике, без него RFID-система становится почти бесполезной);

- коммуникационная инфраструктура (этот обязательный компонент объединяет в себе как проводную, так и беспроводную сеть и инфраструктуру последовательных соединений, которые нужны для взаимной связи ранее перечисленных компонентов и эффективного информационного обмена между собой).



2.2 Основные виды и принцип работы RFID-меток

RFID-метки (теги), которые также называются транспондерами или радиометками, служат для хранения данных, считываемых посредством RFID ридеров. RFID радиометки состоят из двух основных частей - микрочипа, на которой хранятся все данные, и внутренней антенны, принимающей радиосигналы от излучающего радиоволны ридера (считывателя), тем самым обеспечивая обратную передачу данных с микрочипа RFID метки [21].

Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая - интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного сигнала. Вторая - антенна для приёма и передачи сигнала.

Классификация RFID-меток в зависимости от технических характеристик:

- по наличию/отсутствию источника питания;

- по рабочему частотному диапазону;

- по типу памяти;

- по исполнению.

Ниже рассмотрим первый способ классификации RFID-меток, основанный на наличии в метке встроенного источника питания и/или возможности поддержки специализированных задач:

- пассивные;

- активные;

- полуактивные.

2.2.1 Пассивные метки

Пассивные метки обладают устойчивой дальностью считывания и более зависимы от регламентных ограничений и влияния окружающей среды. Тем не менее они имеют максимальный рыночный потенциал из-за наименьшей стоимости. RFID-метка этого типа не содержит встроенного источника питания (например, батарею) и вместо этого для своего питания и передачи данных ридеру использует энергию, излучаемую ридером. Пассивная метка конструктивно проста и не содержит движущихся частей. В результате такая метка имеет большой срок службы и в общем случае хорошо выдерживает жесткие условия окружающей среды. При обмене информацией в направлении от метки к ридеру первым инициирует связь ридер, а затем обмен осуществляет метка. Для передачи данных такими метками обязательно наличие ридера [2].

Пассивная метка, как правило, меньше активной или полуактивной метки. Значение расстояния считывания у нее может быть самым различным - от менее 1 дюйма и примерно до 30 футов (около 9 м).

Стоимость пассивной метки также в общем случае меньше, чем у активной или полуактивной метки [9].

На рисунке показаны компоненты пассивной метки.

Рисунок 2.1 Пассивная метка (антенна и чип)

Пассивная метка состоит из следующих основных компонентов:

1) Микрочип. Устройство управления питанием/выпрямитель преобразует питающее напряжение переменного тока, получаемое от сигнала с антенны ридера, в питающее напряжение постоянного тока. Это устройство подает питание на остальные компоненты микрочипа. Выделитель тактовой частоты извлекает тактовый сигнал из сигнала, получаемого от антенны ридера. Модулятор модулирует получаемый от ридера сигнал. В модулированный сигнал вводится ответ метки, и этот сигнал затем передается обратно ридеру. Логическая схема отвечает за реализацию протокола информационного обмена между меткой и ридером. Для хранения данных используется память микрочипа [11];

2) Антенна. Антенна метки используется для извлечения энергии, питающей метку, из сигнала ридера и приема-передачи данных между меткой и ридером. Эта антенна физически прикреплена к микрочипу. Центральным для работы метки параметром является геометрия антенны [9].

Длина антенны метки значительно превышает размеры микрочипа метки и, следовательно, является главным параметром, определяющим физические характеристики метки. На выбор конструкции антенны оказывают влияние следующие факторы:

- расстояние считывания между меткой и ридером;

- известная ориентация метки относительно ридера;

- произвольная ориентация метки относительно ридера;

- размер и материал маркируемой продукции;

- скорость движения маркируемого объекта;

- особые условия работы (окружающей среды);

- поляризация антенны ридера.

Точки соединения микрочипа метки и ее антенны являются самыми слабыми местами метки. Если повреждается любая из этих точек соединения, то метка перестает работать или значительно ухудшает свои рабочие характеристики.

Формула полезной модели:

1) Пассивная радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах, содержащая антенну и пьезоэлектрическую подложку, на которой размещены встречно-штыревой преобразователь и система отражателей, отличающаяся тем, что система отражателей состоит из двух групп и расположена по одной группе с каждой стороны встречно-штыревого преобразователя.

2) Метка по п.1, отличающаяся тем, что система отражателей выполнена с одинаковым количеством отражателей в каждой группе.

3) Метка по п.1, отличающаяся тем, что в системе отражателей количество отражателей одной группы отличается от количества отражателей другой группы на единицу.

4) Метка по п.1, отличающаяся тем, что антенна расположена на пьезоэлектрической подложке симметрично относительно центра встречно-штыревого преобразователя и выполнена в виде ломаной линии.

5) Метка по п.4, отличающаяся тем, что антенна выполнена S-образной с центром, совпадающим с центром встречно-штыревого преобразователя.

6) Метка по п.5, отличающаяся тем, что длина каждого антенного электрода лежит в диапазоне от 0,2л до 0,4л , где л - длина замедленной электромагнитной волны.

2.2.2 Активные метки

Активные RFID-метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего они могут быть прочитаны на дальнем расстоянии, имеют большие размеры, могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако, у батарей ограничен срок работы, и такие метки являются наиболее дорогими.

Активные метки в большинстве случаев являются более надежными (например, имеют меньшее количество ошибок), чем пассивные благодаря установлению канала между меткой и устройством считывания (ридером). Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяя применять из более агрессивных для радиочастотного сигнала средах типа воды (включая людей и животных, которые на большую часть состоят из воды), металлов (корабельные контейнеры, автомобили), либо в воздухе на больших расстояниях. Большинство активных меток позволяют передать сигнал на расстояния в сотни метров при жизни батареи питания до 10 лет. Некоторые RFID-метки имеют встроенные сенсоры, например, для мониторинга температуры скоропортящихся товаров или для измерения готовности бетона. Активные метки обычно имеют гораздо больший радиус считывания и объем памяти, чем пассивные, и хранить больший объем информации для отправки приемопередатчиком [22].

В обмене информацией от метки к ридеру при таком типе метки связь всегда инициируется меткой с последующим участием ридера. Так как для передачи данных присутствие ридера не является обязательным, то активная метка может транслировать данные в окружающую среду даже при отсутствии ридера. Активная метка такого типа, непрерывно передающая данные при наличии ридера и при его отсутствии, также называется передатчиком. В другом типе активной метки предусмотрен переход в спящее состояние, или состояние малой мощности, если нет запроса от ридера. Ридер выводит такую метку из спящего состояния, посылая соответствующую команду. Такое состояние экономит энергию батареи, и поэтому метка такого типа, как правило, имеет более продолжительный срок службы по сравнению с активной меткой-передатчиком. Кроме того, так как метка ведет передачу только при запросе, то уровень радиочастотных помех в окружающей ее среде снижается. Этот тип активной метки называется передатчиком-приемником (или приемопередатчиком) [9].

Расстояние считывания активной метки может составлять 100 футов (около 30,5 м) и более при использовании активного передатчика такой метки [22]. Активная метка состоит из следующих компонентов:

- микрочипа;

- антенны;

- внутреннего источника питания;

- внутренней электроники.

При использовании батареи активная метка работоспособна в течение 2-7 лет в зависимости от срока службы батареи. Одним из факторов, определяющих срок службы батареи, является периодичность передачи данных - чем больше интервал между передачами, тем больше срок службы батареи и, следовательно, срок службы метки [11, 22].

Внутренняя электроника позволяет метке действовать в качестве передатчика и позволяет ей оптимальным образом выполнять вычисления, отображение значений определенных динамических параметров, работать в качестве датчика и т.п. этот компонент также может обеспечивать дополнительную возможность подключения внешних датчиков. Следовательно, в зависимости от типа присоединяемого датчика такая метка может выполнять целый ряд задач для чувствительных элементов. Другими словами, диапазон функциональных возможностей данного компонента практически безграничен. Нужно обратить внимание на то, что по мере расширения функций и, следовательно, физических размеров этого компонента может увеличится и сама метка. Такой рост является допустимым, так как на размеры активных меток не накладывается жестких ограничений до тех пор, пока они могут применяться. Активные метки могут использоваться в широком диапазоне прикладных систем, некоторых из которых сегодня еще даже не существует [11, 22].

Рисунок 2.2 Активная метка



2.2.3 Полуактивные (полупассивные) метки

В полуактивных метках имеется свой внутренний источник питания (например, батарея) и электроника для выполнения специализированных задач. Внутренний источник питания дает энергию для работы метки. Однако для передачи данных полуактивная метка использует энергию, излучаемую ридером. Полуактивная метка также называется меткой со вспомогательной батареей. Обмен информацией между ридером и меткой такого типа всегда инициирует ридер, а затем начинает работу метка. Но полуактивная метка, в отличие от пассивной, не использует сигнал ридера для своего возбуждения [11, 22].

На рисунке показаны компоненты полуактивной метки.

Рисунок 2.3 Полуактивная метка

2.3 RFID-считыватель

RFID-считыватель (ридер), называемый также устройством опроса, является прибором, способным читать данные из совместимой с ним RFID-метки и записывать в нее данные. Таким образом, читающее устройство-ридер является также и записывающим устройством. Значения рабочих циклов ридеров ограничиваются международными нормативами. Ридер являются неотъемлемой частью RFID-технологий, являясь при этом необходимым RFID-оборудованием.

RFID-считыватель представляет собой «центральную нервную систему» всей аппаратной части RFID-среды. Установление связи с ридером и управление им является наиболее важной задачей любого объекта, которому необходимо взаимодействовать с этим аппаратным компонентом [11].

Ридер состоит из следующих основных частей:

- передатчика;

- приемника;

- микропроцессора;

- памяти;

- каналов ввода-вывода для внешних датчиков, исполнительных и оповещающих устройств;

- контроллера;

- интерфейса связи;

- источника питания.

Рисунок 2.4 Структурная схема типичного ридера

2.3.1 Передатчик

Передатчик ридера применяется для передачи меткам (в своей зоне чтения) питания переменного тока и тактовой частоты с помощью своих антенн. Он входит в состав блока приемопередатчика, отвечающего за посылку сигнала ридера в окружающую среду и прием ответного сигнала метки через антенну (антенны) ридера. Выводы (порты) для антенн ридера подключаются к своим компонентам приемопередатчика. К каждому такому антенному порту может быть подключена одна антенна ридера. В настоящее время некоторые ридеры могут поддерживать до четырех антенных портов.

2.3.2 Приемник

Этот компонент также входит в состав модуля приемопередатчика. Он принимает аналоговые сигналы метки через антенну ридера. Затем он посылает эти сигналы в микропроцессор ридера, где они преобразуются в эквивалентную этим сигналам цифровую форму (т. е. в цифровое представление данных, которые метка передала на антенну ридера).

2.3.3 Микропроцессор

Этот компонент отвечает за реализацию протокола информационного обмена ридера с совместимыми метками. Он декодирует получаемый от приемника аналоговый сигнал и находит в нем ошибки. Кроме того, микропроцессор дополнительно может содержать логическую схему для низкоуровневой фильтрации и обработки считанных данных метки [11,16].

2.3.4 Память

Память используется для хранения таких данных, как параметры конфигурации ридера и список считанных меток. Следовательно, при потере связи между ридером и программного обеспечения будут теряться не все данные считанных меток. Если связь отсутствует в течение продолжительного времени и в этот период ридер будет читать метки, то может происходить переполнение памяти и потеря части хранимых данных



2.3.5 Каналы ввода-вывода

Данный компонент обеспечивает механизм для включения и выключения ридера в зависимости от внешних событий. Это может быть датчиком определенного типа (например, датчиком движения или светочувствительным элементом), обнаруживающим присутствие отмеченных объектов в зоне чтения ридера. Такой датчик затем может отдавать команду ридеру на чтение метки. Подобным же образом данный компонент позволяет ридеру осуществлять вывод локального сигнала по некоторым условиям на устройство оповещения (например, звуковую сигнализацию) или на исполнительное устройство (например, открывающее или закрывающее двери системы безопасности, перемещающее манипулятор робота и т.д.) [11,16].

2.3.6 Контроллер

Контроллер - это устройство, позволяющее внешнему объекту обмениваться информацией с ридером и управлять функциями, а также оповещающими и устройствами, соединенными с данным ридером.

2.3.7 Интерфейс связи

Компонент интерфейса связи обеспечивает команды информационного обмена ридера с внешними объектами. В нем с помощью контроллера передаются хранящиеся в ридере данные, принимаются команды и отсылается назад соответствующий ответ. В ридере может быть как последовательный, так и сетевой интерфейс связи.

2.3.8 Источник питания

Этот компонент снабжает энергией компоненты ридера. Его питание, как правило, осуществляется с помощью электрического шнура, включаемого в соответствующую внешнюю розетку [16].



2.4 Рабочая частота RFID-системы

Важным является выбор правильной рабочей частоты. Для этого необходимо определить конкретные ее предназначения. Нужно учитывать, что основной целью использования частоты является эффективная работа всей системы. Вопрос связан с определением максимального расстояния между считывателями и метками, количеством меток, с учетом необходимости видимости. Предлагается выбор рабочей частоты, основанный на максимальной дальности считывания информации с метки ручным считывателем, что необходимо при идентификации.

Для правильного выбора рабочей частоты, необходимо учитывать следующие основные параметры:

- максимальное расстояние чтения;

- тип прикладной системы;

- условия эксплуатации.

Во время процесса идентификации груза во время передачи, важную роль играет скорость и расстояние считывания. При этом наиболее подходящим частотным диапазоном является 860 - 960 МГц, что позволяет на расстоянии в несколько метров беспрепятственно считывать информацию с большого количества меток одновременно [23].

2.5 Информационный обмен между ридером и меткой

В зависимости от типа метки информационный обмен между ридером и меткой может осуществляться одним из следующих способов:

- модулированным обратным рассеянием;

- в режиме передатчика;

- в режиме приемопередатчика.



2.5.1 Модулированное обратное рассеяние

Связь с помощью модулированного обратного рассеяния применяется как для пассивных, так и для полуактивных меток. В таком типе связи ридер посылает метке радиочастотный сигнал незатухающей волны. Для обеспечения питания микрочипа в режиме чтения обычно требуется напряжение 1,2 В. Микрочип модулирует или разбивает входной сигнал на последовательность участков включения и выключения, которые представляют собой данные, и передает его обратно. Когда ридер получает такой модулированный сигнал, он декодирует его структуру и получает данные метки [11].

2.5.2 Передатчик

Этот тип информационного обмена используется только для активных меток. В нем метка транслирует свое сообщение в окружающую среду через регулярные интервалы, независимо от того, присутствует в ней ридер или нет. На рисунке 2.9 показан обмен в режиме передатчика.

Рисунок 2.5 Информационный обмен в режиме передатчика

2.5.3 Приемопередатчик

Этот тип информационного обмена используется для меток специального типа, называемых приемопередатчиками. В этом режиме метка переходит в «спящее» состояние при отсутствии запроса ридера. В данном состоянии метка может периодически передавать сообщение для проверки, слушает ли ее какой-либо ридер. Когда ридер принимает такой запрос, то может отдать команду на «пробуждение» метки и выход ее из «спящего» состояния. При получении меткой такой команды запуска от ридера она выходит из своего текущего состояния, чтобы снова действовать как метка-передатчик. На рисунке 2.10 показан обмен в режиме приемопередатчика [11].

Рисунок 2.6 Информационный обмен в режиме приемопередатчика.

2.6 Стандарты RFID-технологии

2.6.1 Стандарты ISO/IEC в области RFID-технологии.

Изначально, технология RFID использовала диапазон низких частот, поэтому LF (Low Frequency) - технология, принятая для самого старого варианта RFID, которая использовалась главным образом в производстве и сельскохозяйственных направлениях деятельности. ISO 11784 и ISO 11785 - два широко распространенных стандарта в области низких частот (125 кГц), которые широко использовались и используются в области идентификации и слежения за животными. При этом ISO 11784 определяет структуру данных признака животных (в этом стандарте, животные могут быть идентифицированы кодом страны и уникальным национальным удостоверением личности). ISO 11785 был посвящен техническим аспектам коммуникации [24].

2.6.2 Стандарты ISO по частотному диапазону

В настоящее время для каждого из выделенных частотных диапазонов действуют свои стандарты со своей степенью проработки.

Выделяются следующие диапазоны частот, для которых существуют международные стандарты ISO: 125-135 кГц, 860-930 МГц, 13.56 МГц и 2.45 ГГц (диапазоны 5.8 ГГц и 433.22 МГц в настоящее время практически не используется).

На каждом из выделенных диапазонов работают приложения и прикладные системы, схожие по функциям. В таблице 2.1 приведены стандарты ISO по частотному диапазону [24].

Таблица 2.1 Стандарты ISO по частотному диапазону

Рабочая частота	Стандарт	Приложения
125 кГц	ISO 14223 ISO 11784	Используются достаточно широко, например, в автомобильных иммобилайзерах
13.56 МГц	ISO 14443 ISO 15693	Бесконтактные смарт-карты для широкого круга приложений
860-930 МГц	ISO 15961 ISO 15962 ISO 15963 ISO 18000-6	Бесконтактные метки для приложений логистики, идентификации товаров со средней дальностью
2,45 ГГц	ISO 15962 ISO 15963 ISO 18000-6 ISO 18000-4	Бесконтактные метки для приложений логистики, идентификации товаров с увеличенной дальностью



2.7 Системы RFID, работающие в СВЧ и микроволновом диапазоне

Системы RFID, у которых расстояние между считывателем и транспондером больше 1 метра, называют системами дальнего действия.

Эти системы работают на СВЧ частотах 865-870 МГц (Европа) и 915 МГц (США), а также на микроволновых частотах 2,5 и 5,8 ГГц.

2.7.1 Подача энергии на транспондер

Для оценки мощности, нужной для работы пассивного транспондера в СВЧ и микроволновом диапазонах, используют понятие потери энергии в свободном пространстве. Потери в свободном пространстве определяют соотношение между ВЧ энергией, излучаемой считывателем в свободное пространство, и ВЧ энергией, принимаемой траспондером. Эти потери зависят от расстояния d между траспондером и антенной считывателя, частоты передачи f считывателя, коэффициентов усиления антенны транспондера и антенны считывателя.

Значение потерь в децибелах в свободном пространстве для различных частот передачи f и расстояний d между транспондером и антенной считывателя приведены в таблице 2.2. Коэффициент усиления антенны транспондера принят равным 1,64 (диполь), коэффициент усиления антенны считывателя принят равным 1 (изотропный излучатель) [16].

При использовании полупроводниковой технологии малых мощностей можно изготовить чипы для транспондера с расходом энергии не более 5 мкВт.

Эффективность интегрального выпрямителя в СВЧ и микроволновом диапазонах обычно составляет 5-25 %.

Если принять эту эффективность равной 10 %, тогда для работы чипа транспондера потребуется принимаемая антенной транспондера энергии PТ=50 мкВт. Это означает, что если эффективная изотропная излучаемая мощность передатчика считывателя PС=0,5 Вт и если на антенне транспондера должна быть получена достаточно высокая мощность, тогда потери в свободном пространстве не должны превышать 40 дБ (PСPТ).

При частоте передачи 868 МГц может быть реализована дальность немного более 3 м, при частоте 2,45 ГГц можно достичь немного более 1 м. Если бы чип транспондера имел более высокий расход энергии, тогда бы соответственно упала бы достижимая дальность [16].

Для того чтобы обеспечить дальность действия до 15 м транспондеры с обратным рассеянием часто снабжают батареей резервного питания чипа транспондера. Чтобы предохранить эту батарею от излишней нагрузки, микрочипы, как правило, имеют возможность сбережения энергии в режиме «выключение питания» или «резерв».

Если транспондер выходит из зоны действия считывателя, тогда чип автоматически переключается в энергосберегающий режим «выключение питания». В этом состоянии потребление энергии составляет всего несколько микроампер. Чип не реактивируется до тех пор, пока не будет принят достаточно сильный сигнал в рабочей зоне считывателя, где он переключается обратно в нормальный режим. Следует отметить, что батарея активного транспондера используется исключительно для электропитания микрочипа и никогда не дает энергию для передачи данных между транспондером и считывателем. Для передачи данных от транспондера к считывателю используется только энергия электромагнитного поля, излучаемого считывателем.

2.7.2 Передача данных на считыватель

В системах RFID, работающих в СВЧ и микроволновом диапазонах, для передачи данных от транспондера на считыватель обычно используется метод модуляции обратного отражения. Из радиолокационной технологии известно, что электромагнитные волны отражаются объектами, имеющими размеры больше половины длины волны. Эффективность, с которой объект отражает электромагнитные волны, описывается его эффективной площадью отражения (reflection cross-section). Объекты, оказывающиеся в резонансе с фронтом волны, которая сталкивается с ними, как происходит, например, с антеннами на соответствующей частоте, имеют особенно большую эффективную площадь отражения [16].

2.8 Особенности передачи данных в системе RFID

Обычно для передачи информации в RFID-системах используется радиочастотный канал, работающий по схеме передатчик-приемник. Общая схема информационной системы с использованием радиотехнического канала связи для передачи дискретных данных показана на рисунке 2.13.

Рисунок 2.7 Структурная схема информационной системы с радиотехническим каналом связи

Объект А - считыватель, а объект В - транспондер RFID-системы. Передача данных в RFID-системе от считывателя к транспондеру предусматривает выполнение следующих операций:

- цифрового кодирования сообщения, выдаваемого считывателем;

- модуляции кодированного сообщения;

- передачи по каналу связи;

- демодуляции принятого транспондером сообщения;

- декодирования принятого цифрового кода [16].

При цифровом кодировании сообщения, подлежащего передаче, формируется его представление в виде цифрового кода, согласованного оптимальным образом с характеристиками канала передачи. Для осуществления передачи цифрового кода сообщения необходимо выполнить модуляцию несущего сигнала на передающей стороне и демодуляцию принятого модулированного сигнала на приемной стороне.

Для передачи сигнала используется модуляция сигнала высокой несущей частоты в соответствии с модулирующим сигналом. Частоты модулирующего сигнала, как правило, малы по сравнению с несущей частотой. Основная характеристика процесса модуляции - степень соответствия между изменением параметра высокочастотного колебания и модулирующим сигналом [16].

Основной функцией передатчика радиотехнического канала связи является генерация высокочастотных колебаний несущей частоты. В зависимости от назначения радиоканала связи мощность колебаний может изменяться в широком диапазоне. Основными характеристиками высокочастотного генератора являются частота, мощность и КПД. Особенно важное значение имеет стабильность частоты колебаний. Требования к техническим характеристикам RFID-систем диктуют применение высоких несущих частот. Условия же обработки сигналов на фоне помех заставляют добиваться максимально возможного уменьшения абсолютных изменений частоты. Это приводит к жестким требованиям к относительной стабильности частоты.

Приемник осуществляет усиление слабых принимаемых сигналов. Антенна приемника улавливает малую долю энергии, излучаемой антенной передатчика. Мощность на входе приемника зависит от ряда факторов: расстояния между считывателем и транспондером, степени направленности антенн, условий распространения радиоволн и др. В современных приемниках уверенная обработка сигнала обеспечивается при напряжениях на входе порядка 1 мкВ. Решение этой сложной задачи оказывается возможным благодаря достижениям современной электроники. Проблема усиления в приемнике неотделима от проблемы выделения сигнала на фоне помех. Поэтому одним из основных параметров приемника является избирательность, под которой подразумевается способность выделять полезные сигналы из совокупности сигнала и посторонних воздействий (помех), отличающихся от сигнала частотой. Частотная избирательность осуществляется с помощью резонансных колебательных цепей [16].

После усиления сигнала осуществляется выделение сообщения из высокочастотного колебания, то есть выполняются процедуры демодуляции (детектирования) и декодирования. В результате демодуляции должно быть получено напряжение (ток), изменяющееся во времени так же, как изменяется один из параметров (амплитуда, частота или фаза) модулированного колебания, то есть должно быть восстановлено передаваемое сообщение. Детектор, как правило, включается на выходе приемника, следовательно, к нему подводится модулированное колебание, уже усиленное предыдущими ступенями приемника. Основное требование к детектору - точное воспроизведение формы сигнала. После детектирования осуществляется декодирование сигнала. Задача декодирования сигнала заключается в восстановлении исходного сообщения из закодированного принятого сигнала.

При передаче данных в обратном направлении - от транспондера к считывателю - выполняются аналогичные операции с учетом перемены ролей передающей и приемной сторон. Естественно, на транспондере и считывателе должны быть дополнительно установлены соответствующие функциональные блоки. В частности, для обеспечения поочередной передачи информации в обоих направлениях считыватель и транспондер обычно содержат как модулятор, так и демодулятор, которые часто объединяются в модеме. Основным назначением модема является преобразование цифрового сигнала в аналоговый для передачи его по каналу связи и соответственно обратное преобразование на принимающей стороне. Модем выполняет функции модуляции несущего сигнала на передающей стороне и демодуляции принятого модулированного сигнала на приемной стороне [16].

2.8.1 Возникновение коллизий в системе RFID

Чтобы считыватель RFID-системы мог взаимодействовать одновременно со многими транспондерами, считыватель и транспондеры распознают и устраняют ситуацию, когда несколько транспондеров одновременно передают свои данные. В противном случае модулированные сигналы этих транспондеров одновременно появятся на входе считывателя и произойдет их взаимное искажение. Это явление называется коллизией. При коллизии данных на входе считывателя последний не получит от транспондеров никакой достоверной информации.

Интерфейс транспондер-считыватель подобен последовательной шине, несмотря на то, что эта «шина» проходит по воздуху. В приложениях, использующих проводную последовательную шину, для предотвращения конфликтов на этой шине необходим арбитраж. Интерфейс RFID-систем также нуждается в подобном арбитраже, чтобы в каждый момент времени по этому интерфейсу передавал данные считывателю только один транспондер.

Рисунок 2.8 Общая схема взаимодействия считывателя и транспондеров

Каждый канал связи имеет определенную пропускную способность, которая определяется максимальной скоростью передачи данных в этом канале связи и временным диапазоном их доступности. Полная пропускная способность канала RFID-системы должна быть разделена между отдельными участниками (транспондерами) так, чтобы можно было без взаимных коллизий передавать данные от нескольких транспондеров к одному считывателю. Например, в индуктивной RFID-системе всем транспондерам, находящимся в зоне опроса, доступна только приемная часть считывателя в качестве общего канала для передачи данных считывателю. Максимальная скорость передачи данных определяется эффективной шириной полосы пропускания антенн транспондера и считывателя [16].

Для обеспечения взаимодействия считывателя с отдельным устройством из группы транспондеров каждый транспондер должен быть заблаговременно идентифицирован, тогда считыватель сможет к нему обратиться. Считыватель начинает взаимодействие с транспондерами с запросами.

Процесс разделения всех этих ответов и фиксации неискаженных идентификационных кодов транспондеров называют антиколлизионным процессом.

Для выделения и идентификации отдельного транспондера из группы аналогичных устройств применяются различные антиколлизионные методы мультидоступа.

Различают четыре основных метода мультидоступа:

- с разделением в пространстве;

- с разделением по частоте;

- с разделением во времени;

- с разделением по коду.

В контексте RFID-систем, реализация технической процедуры, обеспечивающей обработку мультидоступа без каких-либо коллизий, называется антиколлизионной системой [16].

Мультидоступ с разделением в пространстве SDMA (space division multiple access) относится к методам, которые используют определенный ресурс (пропускную способность канала) в пространственно разделенных областях.

Недостатком метода SDMA является относительно высокая стоимость реализации сложной антенной системы. Поэтому использование антиколлизионной процедуры в соответствии с этим методом ограничивается несколькими специализированными приложениями.

Мультидоступ с разделением по частотной области FDMA (frequency domain multiple access) относится к методам, в которых участникам коммуникации одновременно доступно несколько каналов передачи на разных несущих частотах.

Недостатком процедуры, реализующей метод FDMA, является относительно высокая стоимость считывателей, поскольку каждому каналу приема должен быть придан специализированный блок считывания. Эта антиколлизионная процедура также ограничена несколькими специализированными приложениями [16].

Мультидоступ с разделением во времени TDMA (time domain multiple access) относится к методам, в которых вся доступная пропускная способность канала делится между участниками во времени. В RFID-системах процедуры TDMA являются самой большой группой антиколлизионных процедур. Различают процедуры TDMA, управляемые транспондерами или считывателем.

2.8.2 Влияние факторов окружающей среды

Если рабочая среда содержит большое количество металла, жидкости и др., то это может влиять на точность чтения меток в зависимости от частоты. Отражение сигналов антенны ридера от радионепрозразных обьектов вызывает так называемое многолучевое распространение. Надежным вариантом при таком типе рабочей среды будет обеспечение прямой видимости меток со стороны ридера. В человеческом теле содержится большое количество воды, являющейся поглотителем радиочастотного излучения в УВЧ- и микроволновом диапазоне. Из этого следует, что если между меткой и ридером находится человек, то высоко вероятность, что ридер не сможет прочесть метку. Это может привести к серьезному ухудшению рабочих характеристик системы. Также работе ридера могут создавать помехи беспроводные сети всех типов, существующие в рабочей среде. Источником помех могут служить электродвигатели и их блоки управления [8].

2.8.3 Температура и влажность

Изменение температуры окружающей среды вызывают изменения параметров согласующих цепей, следовательно могут приводить к неэффективной передачи мощности. При этом системы с высокой добротностью из-за сдвига резонансной частоты могут подвергаться серьезной расстройке. Поэтому максимально по возможности должны применяться компоненты с низким температурным коэффициентом.

Влажность также может приводить к деградации характеристик. В общем случае эти эффекты наиболее вредны на высоких частотах [2].

2.8.4 Влияние соседних антенн

Когда множество меток находится на близком расстоянии друг от друга, связь между их антеннами может оказывать вредное влияние на прием и передачу сигналов.

В ближней зоне близко расположенные метки могут вызывать расстройку соседних антенн. Особенно чувствительными являются метки с высокой добротностью. Один из способов решения этой проблемы в системах ближнего поля состоит в том, что антенны меток, которые предполагается эксплуатировать близко друг к другу, следует настраивать на более высокую частоту. В системах RFID дальней зоны диаграммы направленности антенн меток также могут существенно искажаться при их близком взаимном расположении, соответственно эффективность передачи мощности и сигналов будет снижаться.



2.9 Выводы

В этой главе описаны особенности передачи данных в системе RFID, основные характеристики и описаны причины возникновения коллизии. Дано описание основных узлов RFID системы. По основным особенностям RFID-меток, сравнив активные и полуактивные, я рекомендую выбрать пассивные метки. Для быстрой инвентаризации грузов работникам транспортного терминала аэропорта предлагаю использовать стационарный RFID-считыватель. Для контроля багажа в системе транспортного терминала желательно использовать метки, работающие в диапазоне ВЧ.



3. Расчет параметров RFID системы

3.1 Применение схемы конвейера

В этой главе произведем расчет необходимых параметров RFID-системы для реализации данной технологии в системе транспортного терминала. Произведем расчет связи в дальней зоне и определим тем самым расстояние считывания от мощности используемого RFID-считывателя. Произведем расчет возможности реализации RIFD-системы, посчитав зону покрытия считывания, количество при этом должно удовлетворять результатам программы, потери мощности, рассчитаем длину антенны диполя и построим ее диаграмму направленности. По результатам расчетов произведем необходимые выводы.

Рассмотрим вариант рисунка прохождения багажа по конвейерной ленте:

Рисунок 3.1 вариант прохождения багажа по транспортерной ленте



Моя задача упростить технологии при выдаче багажа пассажиром, снизить поток ожидаемых, вместе с самоклеющимися наклейками со встроенными чипами повышая скорость получения багажа. Ожидаемый может снять багаж без трудности с конвейера. В момент прибытия багажа высвечивается на табло номера пяти чемоданов, что способствует сокращению очередей и уменьшает количество потерянных чемоданов. Для того что бы реализовать все это, будем использовать технологии радиочастотной идентификации и арки считыватели. Найдем коэффициент усиления антенн, размер сечения антенны, расположение арок, их высоту. Определим связь дальней зоны, размеры антенн, размеры багажа, антиколлизии.

3.1.1 Применение схемы конвейера

На рисунке представлена схема с конвейерной лентой. На одной стойке устанавливаем считыватель. Длина конвейера занимает приблизительно 30 метров и включает в себя 3 считывателя.

Рисунок 3.2 считыватель радиационного излучения



В действующих аэропортах имеются такие системы идентификации груза и его оценки. Подобная схема распознавания может быть использована для контроля багажа.

3.1.2 Варианты грузов

По конвейеру перемещаются грузы, которые сдали пассажиры. Эти грузы включают в себя небольшие сумки, чемоданы, багажи. Максимальная высота груза 60 см., длина 140 см., ширина 30 см. Таким образом, установим арку вместе со считывателем на высоте 200 см. Чем меньше высота арок, тем меньше свобода пространства и тем меньше потерь.

3.2 Расчет потери мощности

Для начала нужно определить длину волны, на которой будет работать система. Рассмотрим диапазон частот UHF 868 МГц.

Определим длину волны по формуле (3.1) [28]:

где ?? - длина волны, м;

с - скорость света, м/с;

f - рабочая частота, Гц.

Одной из важнейших характеристик распространения радиосигнала является его затухание в канале связи. Затухание L определяется как отношение передаваемой мощности сигнала к принимаемой и выражается в дБ как положительная величина [29].

Для того чтобы рассчитать затухание сигнала нужно знать коэффициенты усиления антенн передатчика и приемника. Для его нахождения воспользуемся формулой 3.2 [30].

где G - коэффициент усиления антенны;

S - сечение антенн считывателя и метки.

Найдем усиление антенны метки (Gr) для частоты 868 МГц:

Найдем усиление антенны считывателя (Gt) для частоты 868 МГц:

Для свободного пространства затухание (единица измерения дБ) в зоне Фраунгофера (дальней зоне) определяется из выражения (3.3) [29]:

(3.3)

где Gt - коэффициент усиления антенны считывателя;

Gr - коэффициент усиления антенны метки;

?? - длина волны;

d - удвоенное расстояние от считывателя до метки.

Для частоты 868 МГц затухание в свободном пространстве составит:



Так как присутствуют потери между передатчиком и его антенной, их также необходимо учесть при расчете мощности. Примем длину фидера между передатчиком и его антенной примерно 0.3 м. Примем потери в фидере по формуле (3.4) [31]:

, (3.4)

где f - частота работы системы в МГц;

d - расстояние между передатчиком и его антенной в км.

Для частоты 868 МГц потери составят:

Также нужно учитывать потери мощности между антенной и микрочипом в метке. Так как антенна и микрочип находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга, этими потерями можно пренебречь.

Учитывая затухание и потери в фидере между передатчиком и антенной, можно определить передаваемую мощность сигнала по формуле (3.5) [29]:

(3.5)

где Pt - мощность передатчика 0,3 Вт (25 дБм);

L - суммарное значение потерь в фидере и затухания.

Для частоты 868 МГц принимаемая мощность составит:

Переведем дБм в Вт, используя формулу (4) [32]:

(3.6)

Примем мощность перед :

.

Рассчитаем мощность перед :

.

Чем меньше высота арок, тем меньше свобода пространства и тем меньше потерь. Максимальная высота груза 60 см., длина 140 см., ширина 30 см. (стандарт 55Ч45Ч25). Таким образом, установим арку вместе со считывателем на высоте примерно 200 см. Ширина метки около 2.8 мм. Считыватель должен зафиксировать 3 больших багажа (7 не больших сумок), при этом максимальную длину примем 5м. Скорость конвейерной ленты 0.5 м/с. Частоту выбираем исходя из высот арки и багажа. Количество потраченного времени на считывании меток, исходя из скорости 0.5 м/с и расстояния 5 м., равно 10 сек., что вполне обеспечивает работу на участке транспортера. Обычно метку используют 70Ч25 размера с 30 количеством витков. Минимальное количество чемоданов, за которое просвечивает метка равно 3. На высоте приблизительно 2 м., антенны размером 310Ч20Ч80 засвечивают груз.

3.3 Расчет связи в дальней зоны

Особенность связи зависит от нормы системы. В расчете особенности RFID антенны главным параметром, который необходимо определить является расстояние считывания. Для получения этой нормы определим промежуточные переменные. Параметры исходной системы являются:

- ток в антенне считывателя: i1=400мА;

- количество витков антенны считывателя: N1=40;

- количество витков антенны транспондера: N2=30;

- диаметр провода: d1=d2 =0.005 м;

- радиус антенны считывателя: r1=0.08 м;

- радиус антенны транспондера: r2= 0.05 м;

- частота взаимодействия: f=868 МГц.

3.3.1 Расчет напряженности магнитного поля. Распределение напряженности магнитного поля с индуктивной связью, описываются следующим выражением

3.3.2 Расчет площади поверхности катушки транспондера. Формула для нахождения площади

где

Тогда площадь равна:

3.3.3 Расчет индуктивности витков катушки. Формула для нахождения витков катушки

где м=1,257•10-6 (B•c/A•m) - магнитная постоянная, описывающая магнитную проницаемость вакуума.

Тогда индуктивность L1 и L2 равны:



3.3.4 Расчет емкости катушки. Формула для нахождения емкости катушки

где f = 868 МГц - частота работы антенны.

Тогда емкости катушек C1 и C2:

3.3.5 Расчет резонансной частоты

Для того чтобы проверить правильность вышеприведенных вычислений необходимо найти резонансную частоту.

Формула для нахождения резонансной частоты:

Подставив значения L1, C1 и L2, C2 резонансная частота равна:



3.3.6 Расчет входного напряжения. Формула для нахождения входного напряжения

где w = 2рf;

k = 0,01 - коэффициент связи;

RL = 20 Ом - сопротивление нагрузки;

R2 = 1 Ом - эффективное сопротивление.

Тогда напряжения равно:

3.3.7 Расчет добротности контура

Необходимо рассчитать добротность контура, которая показывает, насколько возрастает напряжение и ток в колебательном контуре при возникновении резонанса.

Формула для нахождения добротности контура:

Тогда добротность равна:



3.3.8 Расчет минимальной напряженности Hmin

Для того, чтобы определить максимальное расстояние, при котором работает транспондер, необходимо вычислить минимальную напряженность. Формула для нахождения минимальной напряженности:

Тогда минимальная напряженность равна:

3.3.9 Расчет энергетической дальности действия транспондера

После подсчета минимально допустимой напряженности магнитного поля, определим «энергетическую» дальность действия.

Это расстояние не обязательно эквивалентно максимальной дальности действия RFID-системы, поскольку данные, передаваемые транспондером, не всегда могут быть корректно приняты считывающим устройством на таком расстоянии:

Тогда энергетическая дальность равна:



Энергетическая дальность представляет собой максимальную дальность, при которой считыватель способен реагировать на присутствие в своей зоне считывания транспондера.

3.4 Связь в дальней зоне поля

Определим, в какой зоне поля работает система. Взаимодействие частоты системы 868 МГц, следовательно, длина волны по формуле (3.1):

тогда

r =

Таким образом r>>л/2р, где r - расстояние между считывателем и самоклеющейся меткой. Приходим к тому, что в системе преобладает работа в дальней зоне поля.

Используя параметры системы, построим график зависимости уменьшения мощности при увеличении расстояния между считывателем и меткой:

- мощность передатчика: Р=0,3 Вт;

- усиление антенны: G=0,5;

- коэффициент поляризационного рассогласования: р=1.



Рисунок 3.4 зависимость мощности, принимаемой антенной метки, от расстояния

На рисунке 3.4 видно, что с увеличением расстояния уменьшается мощность. В нашем случае на расстоянии 2 метра мощность, принимаемая считывателем, составляет Вт.

3.5 Разработка программы антиколлизий

В системах RFID процедура ALOHA используется исключительно с транспондерами типа «только чтение», которые обычно представляют лишь небольшие объемы данных (порядковые номера). Как только пакет данных оказывается готовым к передаче, он посылается от транспондера к считывателю[16].

Введения в антиколлизионную процедуру мер синхронизации позволяет значительно повысить пропускную способность этой процедуры. Под временными слотами понимают специально выделяемые считывателем синхронные промежутки времени, в течение которых транспондеры могут выполнять передачу пакетов данных. Процедура ALOHA с использованием временных слотов получила название S-ALOHA (Slotted ALOHA). Синхронизацию работы всех транспондеров должен осуществлять считыватель. Поэтому процедуру S-ALOHA является управляемой считывателем стохастической антиколлизионной процедурой типа TDMA.

Рассмотри особенности функционирования антиколлизионной процедуры S-ALOHA на конкретном примере. Введем в зону считывания пять транспондеров (см. таблица 3.1). Считыватель передает транспондерам через циклические промежутки времени команду опроса REQUEST(Запрос). Как только транспондеры приняли команду REQUEST, каждый из них выбирает с помощью собственного генератора случайных чисел один из доступных временных слотов для того, чтобы отправить считывателю свой порядковый номер[16].

Таблица 3.1 Антиколлизионная процедура с использованием временных слотов

Считыватель	REQUEST	Слот 1	Слот 2	Слот 3	SELECT
Транспондер 1	Слот 1	10000100			11010100
Транспондер 2	Слот 2		10010100
Транспондер 3	Слот 2		10010101
Транспондер 4	Слот 3			11010100
Транспондер 5	Слот 1	11010101
К считывателю	__	Коллизия	Коллизия	11010100

В рассматриваемом примере в результате произвольного выбора транспондерами слотов возникают коллизии между транспондерами в слотах 1 и 2. Только в слоте 3 порядковый номер транспондера 4 может быть передан без коллизий. Если порядковый номер транспондера принят считывателем без ошибок, тогда этот транспондер может быть выбран считывателем команды SELECT (Выбрать), и затем считыватель проводит с ним необходимые операции считывания или записи без коллизий с другими транспондерами. Если при первой попытке порядковый номер транспондера не выявлен, считыватель снова повторяет команду опроса REQUEST в циклическом режиме.

После обработки выбранного транспондера считыватель переходит к поиску остальных транспондеров в зоне опроса с помощью новой команды опроса REQUEST[16].

Для решения проблемы возникновения коллизий разработана программа, основанная на алгоритме двоичного поиска. Двоичный поиск является весьма эффективным алгоритмом, поскольку при каждом последовательном обращении число просматриваемых номеров транспондеров сокращается вдвое. Это позволяет относительно быстро определить номер требуемого транспондера. По запросу программы, можно ввести любое количество транспондеров в диапазоне шестнадцатеричных чисел 00 - FF, что соответствует десятичным числам 0 - 255 или двоичным числам 00000000 - 11111111. Антиколлизионный алгоритм двоичного поиска порядкового номера транспондера является итеративным процессом. Путем выборочного ограничения диапазона адресов поиска в последующих итерациях можно достигнуть ситуации, при которой считывателю будет отвечать только один транспондер.

Программа написана на языке Pascal (ABCNET) [24, 25]. Блок-схема и листинг программы представлен в приложениях А и Б. Процесс работы программы представлен на рисунке 3.5.

Пример работы программы, изображенный на рисунке 3.5, показывает, что из 6 транспондеров, находящихся в зоне видимости считывателя в данный момент, на обработку попадает первым транспондер с порядковым номером 4 (что в действительности соответствует его UID номеру). Процесс обработки шести транспондеров занял 219 мс.

В ходе проведенных испытаний было выявлено, что при неизменном количестве меток (100 шт), программа с первого раза не пропускает ни один транспондер в 3 случаях из 20, что говорит об ограниченности только лишь 8-битовой последовательностью. Но этим никак не снижается ее эффективность, так как обработка занимает миллисекунды.

Рисунок 3.5 Скриншот работы программы алгоритма двоичного поиска

Время обработки программой транспондеров так же зависит от количества меток, находящихся в данный момент в зоне действия считывателя, чем меньше меток, тем меньше времени требуется на обработку.



3.6 Расчет длины антенны

, (3.18)

где - длина волны, м;

- длина антенны диполя, м.

Так как рассматриваемая антенна является узконаправленной, определим угол (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 вид считывания с конвейерной ленты

Рациональным расстоянием от груза к грузу возьмем 0,5 метра. На таком расстоянии работникам склада будет удобно производить вмешательство. Рассчитаем угол:

(3.19)

где R - радиус зоны покрытия, м;

L - расстояние от груза к грузу, м.

Зная длину волны и угол , определим длину антенны диполя:



;

Полученная величина длины антенны диполя удовлетворяет размерам RFID-считывателя.

На рисунке 3.7 представлена диаграмма направленности антенны диполя.

Рисунок 3.7 диаграмма направленности

...