Kako da napravite RFID čitač?

Radio frequency identification – RFID je sistem daljinskog slanja i prijema podataka pomoću RFID kartica/odašiljača. RFID kartica je dosta mali objekat koji se može zalepiti ili ugraditi u željeni proizvod i uređaj. RFID kartice sadrže u sebi antenu koja im omogućava prijem i slanje radio-talasa od RFID primopredajnika.

Može se reći da je preteča RFID tehnologije jedna vrsta bubice (nastala 1945.godine), koja je preko radio talasa slala signale. Izumitelj je ruski naučnik Leon Termin.

Slična tehnologija korišćena od strane Britanaca u Drugom svetskom ratu jeste IFF (Identification friend or foe) razvijena 1939. i korišćena od strane saveznika da identifikuje avione kao savezničke i neprijateljske - korišćenjem kodiranih radarskih signala i identifikacionih tagova.

U nekoj široj primeni, kao i primeni u aplikacijama za praćenje, RFID se pojavio osamdesetih godina i brzo zadobio veliku pažnju zbog svoje sposobnosti da prati pokretne objekte. Kao prefinjena tehnologija, sa neslućenim mogućnostima primene, on se stalno razvija i spektar mogućih upotreba ove tehnologije se stalno širi.

Pretpostavlja se da je prvi istraživački rad koji je objavljen, delo Hari Stokmana koji je taj rad objavio 1948. godine pod naslovom ”Komunikacija kao odraz moći” i bilo je potrebno skoro 40 godina da bi RFID kartice zaživele u praksi.

Razvoj RFID tehnologija

Problem koji se danas nastoji rešiti uvođenjem nove tehnologije je – kako pratiti jedinstveni proizvod od njegovog nastanka do krajnjeg potrošača. Standardni bar-kod identifikuje samo proizvođača i proizvod, ali ne i jedinstveni artikal.

Bar-kod na omotu čokolade je isti na svakom omotu iste vrste čokolade, pa je nemoguće putem samog bar-koda izdvojiti tačno određeni proizvod. RFID transponder, naprotiv, nosi identifikator – serijski broj jedinstven samo za taj specifični proizvod.

Aplikacije gde je potrebna sigurna i jedinstvena identifikacija te dugotrajnost i izuzetna otpornost identifikatora na razne specifične uticaje okoline, a nije potrebna direktna vidljivost, idealne su za primenu RFID tehnologije. U većini okruženja, RFID postiže 99,5 % do 100% očitanja u prvom skeniranju.

Takođe RFID je bez pokretnih delova ili optičkih komponenti, održavanje je daleko jednostavnije. RFID njegova primena i standardizacija su još uvek u početnoj fazi. Za sada RFID ne mora u potpunosti zameniti postojeći sistem identifikacije i praćenja zasnovan na bar-kodu, ali ga može uspešno dopunjavati.

Nekoliko različitih kategorija sistema pretpostavlja različitu opremu:

EAS (Electronic Article Surveillance) — sistem za elektronsko praćenje artikala je potreban transponder sa samo jednim bitom memorije. To je dovoljno za detekciju prisutnosti proizvoda.

Ovakvi se sistemi susreću u trgovinama gde je svaki artikal označen, a čitač-antena smešten je na izlazu.

Sistem mobilnog prikupljanja podataka. Sistem pretpostavlja korišćenje ručnih prenosnih terminala s integrisanim RFID čitačem, a prema potrebi i čitačem bar-koda.

Dobar primer je prenosni laserski terminal za prikupljanje podataka, s integrisanim čitačima za obe tehnologije. Takav uređaj omogućuje i upisivanje novih podataka u aplikaciji gde se koriste Čitaj / Piši transponderi, a može imati veliku memoriju za čuvanje prikupljenih podataka.

Mrežni sistem se obično sastoji od fiksnih čitača, smeštenih tako da mogu čitati informacije s transpondera koji pored njih prolaze. Ti transponderi mogu biti učvršćeni na neki objekat, proizvod ili na odeću osoblja neke ustanove, zavisno od primene.

Čitači su spojeni putem mreže na sistem upravljanja informacijama i omogućavaju kontrolu u realnom vremenu.

U sistemu za pozicioniranje transponderi se koriste za automatsko lociranje i navigaciju za vođena vozila. Čitači su smešteni na vozila i povezani s računarom, a transponderi (opremljeni informacijom o lokaciji) pričvršćeni su duž puta kojim se vozila moraju kretati.

RFID tehnologija – Kako radi sitem, koji su osnovini elementi, frekvencije

Osim nosilaca informacije, RFID sistem zahteva i sredstvo kojim će te informacije biti pročitane, i zatim prenesene računaru odnosno informacionom sistemu.

Naravno, deo sistema mora biti i način kojim će se uneti ili programirati transponderi ako to nije već učinjeno u trenutku njihove proizvodnje.

RFID uređaj (čitač, odnosno terminal za prikupljanje informacija) koristi radio transmisiju za slanje energije transponderu (RFID Tag) koji onda emituje povratnu informaciju: jedinstveni identifikacioni kod i/ili niz podataka, ranije smešteni u samom transponderu. Podatke prikupljene na taj način, kao i u slučaju bar-koda, moguće je dalje obrađivati.

Transponder. Reč transponder izvedena je od termina transmitter/responder, prema funkciji tog uređaja koji na transmisiju čitača odgovara (respond) podatkom. Osnovne komponente transpondera su mikročip i antena, zaliveni u kućište otporno na uticaj okoline.

RFID pločica (PCB)

Nosilac informacije u obliku transpondera, nalepnice, ili PCB-a obično se postavlja na objekt, ambalažu, paletu, kontejner ili čak na sam proizvod, tako da može putovati s njim i na svakom koraku ga identifikovati.

Podaci u transponderu mogu biti raznovrsni — svakako će identifikovati: proizvod na traci, robu u tranzitu, lokaciju, vozilo, takođe i životinju ili osobu, ali mogu predstavljati i instrukcije o daljim postupcima.

Pravljenje RFID čitača

U tekstu koji sledi, videćemo kako je u kućnoj izvedbi moguće napraviti RFID čitač. Ovaj čitač očitava tagove koji rade na frekvenciji od 125 kHz. Korišćen je protokol EM4100. U projektu su korišćeni tagovi u obliku kartice (veličine kreditne kartice) i priveska za ključeve. Uređaj se napaja jednosmernim naponom od 5V.

Najpre, da vidimo kako funkcioniše naš uređaj. Glavna komponenta uređaja, čija je šema prikazana na slici 1, je AVR mikrokontroler ATtiny13.

Mikrokontroler koristi funkciju generisanja PWM-a, kako bi proizveo pravougaoni signal frekvencije 125 kHz. Ovaj signal se generiše na pinu PB0.

Pri pojavi opadajuće ivice na PB0 (logička nula), T1 ne provodi, pa se kalem L1, preko otpornika R1, dovodi pod napon. Kada dođe do rastuće ivice na PB0 (logička jedinica), T1 provodi, pa jedan kraj kalema ode na GND.

U tom slučaju kalem sa kondenzatorom C1 čini LC oscilator. Promena logičkog stanja na PB0 se dešava 125 000 puta u sekundi (125 kHz).

RFID čitač obezbeđuje energiju tagu stvaranjem elektromagnetnog polja. Prenos energije između čitača i taga je isti kao kod transformatora koji, na primer, pretvara mrežni napon od 230 VAC u napon od recimo 12 VAC, gde elektromagnetno polje stvara primarni namotaj. 

U našem slučaju, primarni namotaj je RFID čitač, a sekundarni RFID tag.

Prenos podataka između taga i čitača

Kako tag komunicira sa čitačem? Ideja je jednostavna ali veoma pametna. Kada tag treba da pošalje logičku nulu ka čitaču, on zahteva više energije sa čitača. Usled toga dolazi do malog pada napona na RFID čitaču.

Taj naponski nivo predstavlja logičku nulu. Istovremeno, dok čitač šalje signal od 125 kHz, on i očitava napon poslatog signala preko filtera koji čine dioda D1, kondenzatori C1 i C3 i otpornik R5.

Znači, kada tag “obori” napon na LC oscilatoru, čitač ovaj pad napona registruje kao logičku nulu, a kada ne dođe do pada napona, čitač registruje logičku jedinicu.

Na slici 2, sa leve strane prikazan je signal koji sadrži samo logičke jedinice, dok je sa desne strane prikazan signal koji sadrži i logičke jedinice i logičke nule.

Struktura podataka iz RFID taga

RFID tag koji radi pri frekvenciji od 125 kHz šalje 64 bita. Na slici 3 prikazana je struktura podataka. Prvih 9 bitova su zaduženi za početak komunikacije. Svih 9 bitova su jedinice.

Narednih 4 bita su bitovi nižeg značaja korisničkog ID-a (D00,…,D03). P0 je bit parnosti prethodna 4 bita.

Naredna četiri bita predstavljaju bitove višeg značaja korisničkog ID-a (D04,…,D07). P1 je, kao i P0, bit parnosti prethodna četiri bita. Narednih 32 bita (D08,…,D39) predstavljaju serijski broj taga. PC0 bit predstavlja bit parnosti za bitove D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 i D36 (bitovi u istoj koloni). PC1, PC2 i PC3 predstavljaju takođe bitove parnosti za naredne tri kolone.

Provera podataka vrši mikrokontroler računanjem bitova parnosti za svaki red i svaku kolonu i upoređivanjem istih, sa bitovima parnosti dobijenim od taga.

Konstruisanje kalema 

Kalem sadrži 58 zavojaka i prečnika je 120 mm. Za svaki slučaj, treba ostaviti bakarnu žicu za još 2-3 zavojka. Kako bi se ostvarilo maksimalno rastojanje između RFID taga i čitača (taga i antene – kalema), potrebno je kalibrisati kalem.

Ako povežete osciloskop na čvor gde se spajaju kalem L1 i otpornik R1 videćete da se javlja šum, koji je prikazan i obeležen na slici 4. Ovo je razlog zbog kog kalem mora biti kalibrisan.

Kako ga možete kalibrisati? Uključite RFID čitač, povežite osciloskop kao što je već objašnjeno i probajte da produžite ili skratite bakarnu žicu od koje je napravljen kalem (dodavanje ili oduzimanje zavojaka) sve dok se šum ne eliminiše.

U slučaju da vam osciloskop nije dostupan možete probati i drugi način. Približite tag kalemu, sve dok se tag ne očita. Ako je vaš tag prepoznat na distanci od 2 cm od kalema, probajte da dodate još zavojaka, pa vidite da li će vaš tag sada biti prepoznat sa veće udaljenosti (na primer 3 cm).

Probajte i sa oduzimanjem zavojaka pa ćete na taj način utvrditi koja je najveća daljina sa koje čitač može da prepozna tag.

Na slici 5 prikazan je gotov uređaj (sa gornje i donje strane). Na ovom uređaju kalem je imao 116 zavojaka prečnika 60 mm.

Gde se primenjuje RFID tehnologija?

RFID tehnologiju možemo koristiti u bilo kojoj oblasti gde nam je potrebna obrada podataka.

Trenutno, RFID se najviše koristi u transportu i logistici, proizvodnji i kontroli. Još neki od primera su označavanje životinja u uzgoju, praćenje proizvoda u lancu nabavke, kontejnera koji se ponovno koriste, delova koji se kreću kroz pogon u proizvodnom lancu, praćenje poštanskih pošiljaka i prtljaga u avio-prevozu, naplata putarine i parkinga, kontrola pristupa vozilima, zatim EAS aplikacije u trgovinama, zaštita vrednih predmeta od krađe, praćenje osnovnih sredstava.

Kontrola ulaza i radnog vremena je još jedna tipična aplikacija, i sigurnosna kontrola pristupa određenim lokacijama.

Izvor: Automatika.rs