Basics of Radio Frequency Identification (1)
Vastleggen van de communicatieparameters

Draadloze communicatie wordt beschouwd als de sterkste groeipool van Auto-ID. Het is een vrij nieuwe technologie, die slechts recentelijk tot wasdom is gekomen. Hoewel het ontwerpen en implementeren van een RFID-systeem tot de opdracht van gespecialiseerde bedrijven behoort, dient ook de gebruiker op de hoogte te zijn van de basis-beginselen om een keuze te maken. Control & Automation Magazine ging ten rade bij de internationale AIM-vereniging.

De toepassing, standaardisatie en innovatie van Radio Frequency Identification (RFID) veranderen voortdurend. Het gebruik ervan is nog relatief nieuw en daardoor zijn er nog talrijke elementen van de technologie die nog niet goed begrepen zijn door de grote massa. Ontwikkelingen in de RFID technologie blijven grotere geheugenmogelijkheden voortbrengen, ruimere leesbereiken, en snellere verwerking. Het is hoogst onwaarschijnlijk dat deze technologie uiteindelijk de barcode volledig zal vervangen. Het geïntegreerde circuit in een RF tag zal nooit zo goedkoop worden als een simpel barcode-etiket. Desondanks is het de verwachting dat RFID zal blijven groeien in zijn gevestigde niches waar barcode of andere optische technologieën niet zo doeltreffend zijn. Hoe dan ook is een standaardisatie nodig om RFID uitrustingen van verschillende fabrikanten onderling uitwisselbaar te maken en éénmaal dit bereikt zal de markt hoogstwaarschijnlijk exponentieel groeien. Control & Automation Magazine ging ten rade bij de internationale AIM-vereniging om de ‘basics’ van de RFID-technologie in kaart te brengen. In een reeks van meerdere artikelen in dit en de volgende nummers komen de voornaamste aspecten van RFID als een mogelijke oplossing aan bod. Klaar en duidelijk, en zonder commerciële ballast. Alleszins onze dank aan AIM.

Complementair
Wie even nadenkt over de van radio en GSM, ziet direct de voordelen van draadloze communicatie van en naar goedkope draagbare datadragers. RFID is een onderdeel van automatische identificatie dat de voorbije jaren geleidelijk aan en onopvallend aan stootkracht heeft gewonnen. Het wordt vandaag beschouwd als een efficiënte manier om data verwerkingsprocessen te verruimen en is op vele vlakken complementair aan andere technologieën zoals ondermeer barcodes. De markt biedt inmiddels een hele rits toestellen, maar ondanks de verscheidenheid zijn de principes waarop ze gestoeld zijn eigenlijk vrij ongecompliceerd. Wat wel complex is of kan lijken zijn de technologieën en de technieken met betrekking tot de manier waarop RFID functioneert. Net zoals het niet vereist is om de technische kenmerken te kennen van een mobiele telefoon of een PC om die te gebruiken, is het niet nodig om de volledige technologie te kennen. Een beknopte technische woordje kan echter een meerwaarde zijn bij het vastleggen van systeemvereisten en in het contact met consultants en leveranciers.

Wat is RFID?
Het doel van een RFID systeem is het dragen van gegevens in geschikte ‘transponders’, algemeen gekend als ‘tags’. Deze gegevens worden door aangepaste leessystemen opgevraagd, op een gepast ogenblik en geschikte plaats om aan specifieke toepassingseisen te voldoen. Zulke data leveren informatie over een voorwerp in productie, goederen in transit, een locatie, de identiteit van een voertuig, een dier of een individu. Door extra gegevens toe te voegen worden item-specifieke informatie of instructies beschikbaar op de tag. Bijvoorbeeld: de verfkleur voor een wagen die de spuitcabine op de productielijn ingaat, de set-up instructies voor een flexibele productiecel of de laadbrief die een goederenverzending vergezelt. Naast tags, vereist een systeem een methode om deze te lezen of te ondervragen en een manier om de gegevens door te spelen aan een host computer of een informatiebeheersysteem. Een systeem zal eveneens de mogelijkheid voorzien om gegevens in te brengen of te programmeren in de tag, indien dit niet reeds direct door de fabrikant gedaan werd. Wie een RFID systeem evalueert, dient echter rekening te houden met alle componenten en factoren die zijn of haar keuze kunnen beïnvloeden. Factoren als de aard van de gegevensstroom en de praktische aspecten van radiocommunicatie spelen een belangrijke rol. De eerste vraag is echter: wat is draadloze communicatie?

Draadloze communciatie en de interface ‘lucht’
RFID systemen zijn – globaal gezien – gebaseerd op twee methodes.
De eerste is gebaseerd op korte afstands electromagnetische of inductieve koppeling, en de tweede op het verspreiden van electromagnetische golven. Koppeling geschiedt via antennestructuren op zowel de tags als de lezers. Beide methoden maken gebruik van antennes, zowel in de tags als de lezers.

Ruimtelijke grillen
Het verzenden van gegevens is onderworpen aan de eigenschappen, grillen en invloeden van de media of kanalen via dewelke de gegevens dienen te stromen, inclusief dus het luchtruim. Lawaai, interferentie en vervorming zijn de oorzaken van datacorruptie die voorkomt in alle bruikbare communicatiekanalen. Ze dienen daarom beveiligd te worden om foutloze terugwinning van gegevens te garanderen. Maar, omdat gegevensprocessen van nature uit asynchroon of niet-gesynchroniseerd zijn, moet ook speciale aandacht geschonken worden aan de vorm waarin deze gegevens gecommuniceerd worden. Het structureren van de bit-stroom om deze vereisten tegemoet te komen, wordt vaak omschreven als ‘het coderen van een kanaal’ en hoewel transparant voor een RFID-systeem gebruiker, maakt het coderingsschema in kwestie onderdeel uit van de systeemspecificaties zelf. Er zijn verschillende coderingsschema's, elk met zijn eigen karakteristieken. Om gegevens efficiënt door te sturen via het luchtruim of de ruimte tussen de 2 communicerende componenten, is het vereist dat de gegevens bovenop een ritmisch variërend (sinusoïdaal) veld of draaggolf komen te liggen. Dit proces van 'superimpositie' heet ‘modulatie', en naargelang de toepassing, zijn er ook hier weer meerdere methoden. Ze zijn hoofdzakelijk gebaseerd op het wijzigen van de basiskenmerken van een alternerende sinusoïdale bron, de modulus, frequentie of fase in overeenstemming met de gegevens dragende bit stroom. Op basis hiervan kan men het onderscheid maken tussen 'amplitude shift keying' (ASK), 'frequency shift keying' en 'phase shift keying' (PSK).

Draagfrequentie
In communicatiesystemen via bekabeling zorgt de bedrading ervoor dat verbindingen en netwerken effectief van elkaar gescheiden zijn. Bij RF-communicatie geschiedt dit op basis van de frequentietoekenning. Dit vereist een ingreep van de wetgever, die de verschillende bestemmingen van het elektromagnetisch spectrum aan verschillende doelen toekent. Toewijzingen kunnen per land of wetgever van elkaar verschillen en dit is een factor waar de potentiële RFID gebruiker dient rekening mee te houden. Er zijn initiatieven om tot een vorm van internationale normalisering te komen. Voor RFID worden algemeen drie frequentiebereiken, nl. laag, intermediair (medium) en hoog onderscheiden. Tabel 1 vat deze drie frequentiebereiken samen met de typische systeemkenmerken, en met voorbeelden van belangrijke toepassingsgebieden.

Drie regio's
Er wordt thans een uniformiteitsgraad nagestreefd voor drie regelgevende geografische gebieden: Europa en Afrika (Regio 1), Noord en Zuid Amerika (Regio 2), en het Verre Oosten en Australië (Regio 3). Elk land beheert haar frequentietoekenningen binnen de richtlijnen bepaald door deze 3 gebieden. Jammer genoeg is er in het verleden weinig tot geen samenhang geweest , zodoende zijn er bitter weinig beschikbare frequenties als een globale basis voor de technologie. Dit zal (hopelijk) mettertijd veranderen aangezien de landen verplicht zijn om een bepaalde uniformiteit te bereiken voor het jaar 2010.
De drie draagfrequenties die snel aandacht genoten als representatief voor de lage, intermediaire en hoge bereiken zijn 125 kHz, 13.56 MHz, en 2.45 GHz. Er zijn echter wereldwijd acht frequentiebanden in gebruik voor RFID. De toepassingen die deze frequentiebanden gebruiken zijn opgenomen in Tabel 2. Niet alle landen in de wereld hebben toegang tot al de hierboven vermelde frequentiebanden, aangezien sommige landen deze banden aan andere gebruikers hebben toegekend. Binnen elk land en binnin elk frequentiebereik zijn specifieke voorschriften die het gebruik van de frequentie bepalen. Deze voorschriften kunnen zowel betrekking hebben tot energieniveaus en storingen, als tot frequentietoleranties.

Overdrachtsnelheid en bandbreedte
De keuze van veld of draaggolffrequentie is van toonaangevend belang voor het bepalen van de transmissiesnelheid. Praktisch gezien wordt deze data-overdracht snelheid hoofdzakelijk beïnvloed door de frequentie van de draaggolf of het veranderlijke veld dat gebruikt wordt om de gegevens te dragen tussen tag en lezer. Algemeen gesteld: hoe hoger de frequentie hoe sneller de gegevensoverdracht die kan worden bereikt. Dit is nauw verbonden met beschikbare bandbreedte of bereik binnen het frequentiespectrum. De bandbreedte dient minstens tweemaal de vereiste bit snelheid te zijn die men nodig heeft voor een bepaalde toepassing. Vooral voor smalband toewijzing moet terdege rekening gehouden worden met de beperking van de transmissiesnelheid. Het is duidelijk dat dit in mindere mate van belang is waar breedband gebruikt wordt. Op de 2.4 – 2.5 GHz spread spectrum band kunnen bijvoorbeeld snelheden tot 2 Mbps bereikt worden, met extra ruisongevoeligheid eigen aan de spread spectrum modulatiemethode.

Bereik en vermogenniveau
Het bereik dat in een RFID systeem kan worden verwezenlijkt, wordt hoofdzakelijk bepaald door:
- de beschikbare energie in het uitleestoestel om te communiceren met de tags
- de beschikbare energie binnen de tag om te antwoorden
- de ruimtelijke omstandigheden en structuren, waarbij de eerste belangrijker is bij hogere frequenties inclusief de signaal tot ruis-ratio.
Alhoewel de hoeveelheid beschikbare energie de primaire determinant is van het bereik, wordt deze laatste ook beïnvloed door de manier en efficiëntie waarmee die energie aangewend wordt. Het veld of de golf uitgezonden door de antenne reikt in de omringende ruimte en de signaalsterkte daalt naarmate de afstand groter wordt. Het ontwerp van de antenne zal de vorm van het gegenereerde veld of de golf bepalen, zodat het bereik eveneens beïnvloed zal worden door de hoek tussen tag en antenne.
In een zuivere ruimte, zonder hindernissen of absorberende voorwerpen, neemt de sterkte van het veld omgekeerd evenredig af met de afstand in het kwadraat. De daling in signaalsterkte van een golf in een ruimte met reflecties van de grond en vanaf objecten, kan aanzienlijk zijn. Waar verscheidene banen op deze manier opduiken, spreekt men van het "multi-path attenuation"-fenomeen. Bij hogere frequenties kan absorptie, door de aanwezigheid van vocht, het bereik nog meer beïnvloeden. Daarom is het voor tal van toepassingen van belang na te gaan hoe de omgeving, intern of extern, invloed kan hebben op het bereik van de communicatie. Voor bepaalde toepassingen, waar een variërend aantal reflecterende metalen hindernissen op onregelmatige tijdstippen te verwachten is, kan zelfs een grondige omgevingsmilieu-evaluatie nodig zijn.
Het vermogen in de tag is doorgaans veel lager dan dat van de lezer. Daarom is een sterke detectiecapaciteit van de lezer nodig om de responssignalen te verwerken. In sommige systemen vormt de lezer de ontvanger en is deze gescheiden van de leesbron of zender. Dit is vooral het geval wanneer de ‘up-link’ (van zender-naar-tag) drager verschillend is van de ‘down-link’ (van tag-naar-lezer).
Hoewel het mogelijk is om vermogenniveaus te kiezen om aan verschillende toepassingsbehoeften te voldoen, is het niet mogelijk om over een volledige keuzevrijheid te beschikken. Net zoals er beperkingen zijn voor de draagfrequenties, zijn er ook wettelijke beperkingen inzake vermogenniveaus. Hoewel 100 – 500 mW waarden zijn die vaak worden aangehaald voor RFID systemen, dient men de werkelijke waarden voor te leggen aan de wetgevende instanties ter plaatse. Deze autoriteiten kunnen eveneens de vorm bepalen waaronder het vermogen geleverd wordt, onder puls of continu, alsook de geassocieerde toegestane waarden.

Basics of Radio Frequency Identification (1)
Etablir des paramètres de communication

L’application, la standardisation et l’innovation de l’Identification par Radio Fréquence (RFID) change continuellement. Son utilisation est encore relativement neuve et de ce fait, de nombreux éléments de la technologie ne sont pas bien compris par le grand public. Les développements réalisés dans le domaine technologique de la RFID ne cessent de créer de plus grandes capacités de mémoire, des portées de lecture plus grandes et un traitement plus rapide. Il est cependant peu probable que cette technologie remplace en définitive complètement le code-barre. Le circuit intégré d’un tag RF ne pourra jamais rivaliser avec le prix d’une étiquette code-barre. Et pourtant, l’on escompte une croissance de la RFID dans des niches bien précises où le code-barre et les autres technologies optiques n’offrent pas la même efficacité. Quoi qu’il en soit, une standardisation s’impose afin de permettre l’échange mutuel des équipements RFID des différents constructeurs. Ensuite, le marché connaîtra fort probablement une croissance exponentielle.

Control&Automation s’est informé auprès de l’association internationale AIM pour survoler les ‘bases’ de la technologie RFID. Nous aborderons les principaux aspects de la RFID dans une série de plusieurs articles qui paraîtront dans ce numéro et dans les numéros suivants. Des articles clairs et simples, sans propos commercial. D’avance, un grand merci à l’AIM.

Complémentaire
Si vous réfléchissez un tant soit peu aux principes de la radio et du GSM, vous comprendrez directement les avantages de la communication sans fil, de et vers les vecteurs de données portables et bon marché. La RFID fait partie de l’identification automatique qui a gagné, ces dernières années, progressivement et discrètement en performances. Elle est considérée aujourd’hui comme une méthode efficace pour élargir les processus de traitement de données et est, à bien des niveaux, complémentaire aux autres technologies parmi lesquelles on retrouve le code-barre. Le marché offre depuis toute une série d’appareils. Malgré la diversité, les principes de base sont peu complexes. Ce qui peut néanmoins sembler complexe ou qui l’est effectivement, ce sont les technologies et techniques liées au mode de fonctionnement de la RFID. Tout comme il n’est pas nécessaire de connaître les caractéristiques techniques d’un téléphone mobile ou d’un PC pour pouvoir l’utiliser, il n’est pas nécessaire non plus de connaître toute sa technologie. Un mot technique succinct peut néanmoins représenter une plus-value lors de la définition des exigences d’un système et dans le cadre de contacts avec des consultants et des fournisseurs.

Que signifie la RFID ?
L’objectif d’un système RFID est de stocker les données dans des ‘transponders’ adéquats, mieux connus sous le nom de ‘tags’ (étiquettes intelligentes). Ces données sont captées par des systèmes de lecture adaptés, à un moment et en un lieu appropriés pour répondre aux exigences spécifiques des applications. De telles données fournissent des informations sur un objet en production, des marchandises en transit, un emplacement, l’identité d’un véhicule, un animal ou un individu. Des informations ou des instructions spécifiques à l’objet sont ainsi disponibles dans le tag par simple ajout de données supplémentaires. Par exemple, la couleur de la peinture d’une voiture qui entre dans la cabine de peinture d’une ligne de production, les instructions de réglage d’une cellule de production flexible ou la lettre de chargement qui accompagne un envoi de marchandises.
Outre les tags, le système exige une méthode de lecture ou d’interrogation et un moyen de transfert des données vers un ordinateur hôte ou un système de gestion des informations. Le système prévoira également la possibilité d’écrire ou de programmer des données dans le tag, si cela n’a pas déjà été fait par le constructeur. Si vous évaluez un système RFID, vous devez toutefois tenir compte de tous les composants et facteurs pouvant influencer votre choix. Des facteurs tels que le type de flux de données et les aspects pratiques de la communication radio jouent un rôle important. Mais voyons d’abord ce que signifie la communication sans fil.

La communication sans fil et le support ‘aérien’
Les systèmes RFID reposent, globalement, sur deux méthodes. La première se base sur un couplage électromagnétique ou inductif à courte distance et la seconde sur la propagation d’ondes électromagnétiques. Le couplage s’effectue au travers des structures d’antennes qui se trouvent tant sur les tags que sur les lecteurs. Les deux méthodes ont recours aux antennes, tant dans les tags que dans les lecteurs.

Les caprices de l’espace
L’envoi de données est soumis aux caractéristiques, caprices et influences des médias ou canaux au travers desquels les données doivent transiter, y compris l’espace. Le bruit, l’interférence et la déformation sont des causes de corruption des données qui se présente dans tous les canaux de communication utilisables. Ils doivent, pour cela, être protégés afin de garantir une récupération parfaite des données. Comme les processus de données sont de nature asynchrone ou non synchronisée, il faut toutefois accorder une attention toute particulière à la forme dans laquelle ces données seront communiquées. La structuration d’un train de bits répondant à ces exigences, est souvent décrite comme la ‘codification d’un canal’. Et bien que ce schéma de codification soit transparent pour l’utilisateur d’un système RFID, il fait partie des spécifications du système. Il existe différents schémas de codification qui sont tous dotés de leurs propres caractéristiques.

Pour assurer l’envoi efficace des données au travers du support aérien ou de l’espace entre deux composants de communication, les données doivent se superposer à un champ ou à une onde porteuse variant cycliquement (sinusoïdale). Ce processus de ‘superposition’ s’appelle ‘modulation’. Selon l’application, nous retrouvons, ici aussi, plusieurs méthodes. Elles se basent essentiellement sur la modification des caractéristiques de base d’une source alternative sinusoïdale, à savoir l’amplitude, la fréquence ou la phase conformément au train de bits, porteur des données. Sur cette base, on peut faire une distinction entre l’‘amplitude shift keying’ (ASK), le ‘frequency shift keying’ et le ‘phase shift keying’ (PSK).

Fréquence porteuse
Dans les systèmes de communication par câble, le câble permet de séparer les communications et les réseaux. Dans la communication RF, cela se fait sur la base de l’attribution de la fréquence. Ceci requiert l’intervention d’un législateur qui attribue les différentes parties d’un spectre électromagnétique à différentes fins. Les attributions peuvent différer selon le pays ou le législateur. Il s’agit là d’un facteur dont doit tenir compte l’utilisateur potentiel de RFID. Des initiatives sont en cours pour mettre en place une normalisation internationale. On distingue en général trois plages de fréquences pour la RFID, à savoir les basses fréquences, les fréquences intermédiaires (médium) et les hautes fréquences. Le tableau 1 résume ces trois plages ainsi que leurs principales caractéristiques et des exemples de domaines d’applications importants.

Trois régions
A l’heure actuelle, on cherche à instaurer une uniformité au sein de trois régions géographiques : l’Europe et l’Afrique (Région 1), l’Amérique du Nord et du Sud (Région 2) et l’Extrême-Orient et l’Australie (Région 3). Chaque pays gère ses propres attributions de fréquences tout en respectant les directives établies par ces régions. Ces régions ont malheureusement fait preuve de peu ou pas de cohésion dans le passé. Le nombre de fréquences disponibles comme base globale pour cette technologie est par conséquent très faible. Ceci devrait, espérons-le, changer progressivement étant donné que les pays sont obligés d’arriver à une certaine uniformité d’ici à l’an 2010.

Les trois fréquences porteuses, qui ont rapidement suscité de l’intérêt et été considérées comme représentatives pour les basses fréquences, les fréquences intermédiaires et les hautes fréquences, sont le 125 kHz, le 13.56 MHz et le 2.45 GHz. Huit bandes de fréquences sont toutefois utilisées dans le monde pour la RFID. Les applications utilisant ces bandes de fréquence sont reprises dans le Tableau 2. Tous les pays n’ont pas accès à ces bandes de fréquences, puisque certains pays ont déjà attribué ces bandes à d’autres utilisations. Chaque pays et chaque plage de fréquence ont leurs propres prescriptions qui déterminent l’utilisation de la fréquence. Ces prescriptions peuvent porter sur les niveaux d’énergie et sur les perturbations, ainsi que sur les tolérances des fréquences.

Vitesse de transmission et bande passante
Le choix d’un champ ou d’une fréquence d’onde porteuse est d’un intérêt capital pour déterminer la vitesse de transmission. D’un point de vue pratique, cette vitesse de transmission de données est principalement influencée par la fréquence de l’onde porteuse ou le champ variable utilisé pour transférer les données entre le tag et le lecteur. On peut dire qu’en général, plus la fréquence est élevée, plus on peut atteindre un transfert de données rapide. Ceci est étroitement lié à la bande passante ou la plage disponible dans le spectre de fréquence. La bande passante doit être au minimum deux fois égale à la vitesse de transfert de bits nécessaire pour une application déterminée. Pour l’attribution des bandes étroites, il faut surtout bien tenir compte de la limite de la vitesse de transmission. Il est clair que cela a moins d’importance lorsqu’on utilise une large bande. Sur la bande spread spectrum 2.4 – 2.5 GHz, on peut par exemple atteindre des vitesses allant jusqu’à 2 Mbps, avec une insensibilité supplémentaire aux bruits propres à la méthode de modulation du spread spectrum.

Portée et niveau de puissance
La portée que l’on peut atteindre avec un système RFID est principalement déterminée par :

- l’énergie disponible dans l’appareil de lecture pour communiquer avec les tags

- l’énergie disponible dans le tag pour répondre

- les conditions et dispositions spatiales. Les conditions sont plus exigeantes pour les hautes fréquences y compris en termes de rapport signal/bruit.

Bien que la quantité d’énergie disponible soit le déterminant fondamental de la portée, cette dernière est également influencée par la méthode et l’efficacité avec lesquelles cette énergie est utilisée. Le champ ou l’onde émis par l’antenne atteint l’espace environnant mais la puissance du signal diminue au fur et à mesure que la distance augmente. Le design de l’antenne déterminera la forme du champ ou de l’onde généré, de sorte que la portée est également influencée par l’angle existant entre le tag et l’antenne. Dans un espace parfait, sans obstacles ni objets absorbants, la puissance du champ diminue de façon inversement proportionnelle au carré de la distance. La baisse de puissance du signal d’une onde dans un espace sujet à des réflexions sur le sol et sur des objets peut être considérable. Lorsque différentes voies apparaissent de la sorte, on parle du phénomène de ‘multi-path attenuation’. Dans les fréquences élevées, l’absorption provoquée par la présence d’humidité peut influencer encore davantage la portée. C’est pourquoi il est important de vérifier pour de nombreuses applications comment l’environnement, interne ou externe, peut exercer une influence sur la portée de la communication. Pour certaines applications, où l’on peut s’attendre à un nombre variable d’obstacles en métal réfléchissant à des moments irréguliers, une étude approfondie de l’environnement peut s’avérer nécessaire.
La puissance dans le tag est généralement plus faible que celle du lecteur. Raison pour laquelle le lecteur doit avoir une grande capacité de détection afin de pouvoir traiter les signaux de réponse. Dans certains systèmes, le lecteur constitue le récepteur. Celui-ci est alors séparé de la source de lecture ou de l’émetteur. C’est souvent le cas lorsque le porteur ‘up-link’ (de l’émetteur vers le tag) diffère du ‘down-link’ (du tag vers le lecteur).
Il est effectivement possible de choisir des niveaux de puissances qui répondent à différents besoins d’application. Il n’est toutefois pas possible de disposer d’une entière liberté de choix. Tout comme il existe des restrictions pour les fréquences porteuses, il y a des restrictions légales dans le domaine des niveaux de puissance. Même si les valeurs 100 – 500 mW sont souvent annoncées pour les systèmes RFID, il convient de présenter les valeurs réelles aux instances légales locales. Ces autorités peuvent également déterminer la forme sous laquelle la puissance est délivrée, sous impulsion ou continue, ainsi que les valeurs associées autorisées.