RFID (Radio Frequency Identification) eli radiotaajuinen tunnistaminen
RFID-tekniikassa perusperiaate on se, että kohteet tunnistetaan langattomasti niihin kiinnitettyjen elektronisten tunnisteiden (tagi tai trandponder) eli saattomuistien avulla. Toisena osapuolena RFID-järjestelmässä on lukijalaite, joka lähettää antennin kautta radioaallon toiminta-alueellaan oleville tunnisteille, pyytäen näitä toimittamaan tietonsa lukijalle. Tunniste hakee tarvittavat tiedot mikrosirultaan ja lähettää lukijalle. Lukija voi vastaanottamansa tiedon perusteella tunnistaa miltä tunnisteelta tiedot ovat peräisin. Tunnisteille voidaan usein myös tallentaa muutakin tietoa tunnistetietojen lisäksi.
RFID-järjestelmän tärkeimmät ominaisuudet ovat käytettävä toimintataajuus sekä lukuetäisyys.
Toimintataajuus on se taajuus, jota RFID-lukija lähettää ja useissa tapauksissa tunniste käyttää samaa taajuutta. Käytössä olevat taajuusalueet jaetaan neljään eri luokkaan, joita ovat matala taajuiset- (LF, Low Frequency) 125 kHz – 134 kHz ja 140 kHz – 148,5 kHz, korkea taajuiset- (HF, High Frequency) 13,56 MHz, UHF-taajuiset- (Ultra High Frequency) 868 MHz – 928 MHz ja mikroaaltotaajuiset-tunnisteet 2,45 GHz tai 5,8 GHz. Lukuetäisyyden perusteella RFID-järjestelmät voidaan luokitella kolmeen eri ryhmään, joita ovat lyhyen kantaman järjestelmät (lukuetäisyys 0-1 cm), keskikantaman järjestelmät (lukuetäisyys 0-1 m) ja pitkänmatkan järjestelmät (lukuetäisyys >
1 m).
ISO/IEC JTC 1/SC31 työryhmän alta löytyy iso määrä eri RFID standardeja mm. ISO/IEC 18000 Standardit (7 kpl) ovat RFID:n ilmarajapintaa koskevia, taajuuksien mukaan jaettu. Tiedonsiirto tunnisteesta lukijalle tapahtuu ASK-tekniikalla (Amplitude Shift keying) amplitudimoduloimalla lukulaitteen kantoaaltoa. Kuvan 1 ylin signaali esittää binäärimuotoista tietoa tunnisteessa, joka on keskimmäisessä Manchester-koodattu. Tunniste amplitudimoduloi kantoaaltoa, jonka verhokäyrän muutoksista lukulaite pystyy havaitsemaan vastaanotetun tiedon. ASK-muutokset kantoaallossa näkyvät kuvassa 1 alimmaisena (RF-field).
Kuva 1. Tunnisteen tiedon muodostuminen RF-kentän verhokäyrään JÄRJESTELMÄN OSAT:
RFID-järjestelmä (kuva 2) koostuu neljästä komponentista, jotka ovat lukija, antennit ja tunniste.
Lukija voi olla, joko kirjoittava-/lukijalaite tai pelkkä lukijalaite järjestelmästä riippuen. Tunniste sijaitsee tunnistettavassa objektissa. Antennit ovat tunnisteessa integroitu ja lukijassa, joko integroitu tai erillinen. Lisäksi voidaan pitää ei-fyysisenä komponenttina lukijan ja tunnisteen välistä radiokanavaa.
Kuva 2. RFID-järjestelmä (komponentit ja tiedonsiirto)
Lukija:
RFID-lukijan päätehtävät ovat tunnisteen aktivointi, tiedonsiirtoyhteyden muodostaminen tunnisteeseen sekä sovelluksen ja tunnisteen välisen datan välittäminen. Eli lukija vastaa kaikista kontaktittoman tiedonsiirron vaatimista toimenpiteistä kuten yhteyden muodostamisesta sekä törmäysten estämisestä ja autentikoinnista. Lukijalaite sisältää yleensä lähettimen, vastaanottimen, ohjausyksikön ja antennin (integroitu tai ulkoinen) joiden avulla kommunikoidaan tunnisteen kanssa. Useat lukijat sisältävät lisäksi liitännän, jonka avulla data voidaan ohjata taustajärjestelmälle kuten tietokoneelle tai toiminnanohjausjärjestelmälle.
RFID-lukijat ovat perinteisesti olleet joko kiinteitä tai käsikäyttöisiä. Kiinteitä ovat esimerkiksi kulunvalvontajärjestelmissä ja porttiohjauksessa käytettävät lukijat. Käsikäyttöisiä ovat erilaiset kannettavat käsilukijat, jotka voivat olla esimerkiksi langattomasti yhteydessä tietojärjestelmiin.
Tiedonsiirto lukijan ja taustajärjestelmän välillä voidaan toteuttaa sarjaliitännän (RS 232 tai RS 485), USB-, WLAN- tai Ethernet-liitynnän kautta.
Antenni:
Tunniste sekä lukija sisältävät antennin jonka avulla tietoa siirretään tunnisteelta lukijalle ja päinvastoin. Antennin rakenne ja sijoittelu vaikuttavat antennin lähetysalueen suuruuteen, ulottuvuuteen ja tiedonsiirron tarkkuuteen. Lukijan antenniominaisuudet vaihtelevat suuresti riippuen käyttötarkoituksesta. Esimerkiksi kädessä pidettävässä lukijassa itse lukija ja antenni ovat yhdistetty samaan laitteeseen, kun taas esimerkiksi isossa varastotilassa yhden lukijan antenneja voi olla ympäri varastoa.
Tunniste:
Tunniste on RFID-järjestelmän dataa sisältävä osa, se sisältää antennin sekä mikrosirun. Antennin koko riippuu kommunikoinnissa käytettävästä radiotaajuudesta. Tunnisteen antenni on usein joko johdin tai printattu tunnisteelle. Yleensä tunniste (passiiviset) ei sisällä omaa virtalähdettä eli se pysyy passiivisena silloin kun se ei ole lukijan vaikutusalueella ja aktiivisena silloin, kun se on lukijan vaikutuksen alla. Kun tunniste tulee lukijan vaikutusalueelle saa se lukijalta aktivoinnin vaatiman tehon antennin välityksellä yhdessä aikapulssin ja datan kanssa (kuva 2).
RFID-tunnisteet voidaan jaotella taajuuden, fyysiseen koon, aktiivisuuden, passiivisuuden, muistin sekä luku-/kirjoitusmahdollisuuden mukaan. Pienillä taajuuksilla lukeminen ei-metallisten (esim.
betoni, lika, rasva ja puu) esteiden läpi onnistuvat parhaiten eikä lukijan ja tunnisteen välillä tarvita näköyhteyttä. Pienillä taajuuksilla lukuetäisyys on lyhyt. Korkeilla taajuuksilla ympäristö vaikuttaa enemmän kuten esimerkiksi esteet ja heijastukset. Tunnisteita on erikokoisia ja mallisia. Yleisimpiä ovat halkaisijaltaan erikokoiset kolikon malliset tunnisteet. Lisäksi on olemassa muun muassa eläinten tunnistamiseen käytettäviä ihon alle sijoitettavia lasista valmistettuja tunnisteita. Tunniste voi olla myös kortti, tarra, lappu tai implantti eli RFID-tunnisteita on markkinoilla erittäin monenlaisia.
Aktiiviset tunnisteet:
Aktiiviset tunnisteet sisältävät itsessään tehonlähteen, joka tuottaa kaiken tai osan tunnisteen tarvitsemasta tehosta. Oman tehonlähteen myötä aktiiviset tunnisteet lähettävät voimakasta signaalia, jonka avulla lukijat pääsevät niihin kiinni pitkänkin matkan päästä. Oman tehonlähteen haittapuolena on se, että aktiiviset tunnisteet ovat suuri kokoisia ja kalliita. Aktiivisia tunnisteita käytetäänkin kohteiden tunnistamisessa pitkien etäisyyksien päästä. Aktiiviset tunnisteet voivat lähettää kokoajan signaalia, tai pysyä toimimattomana kunnes tulevat lähettimen toiminta-alueelle.
Aktiivisten tunnisteiden toimintataajuus on yleensä 2.45 Ghz.
Passiiviset tunnisteet:
Passiiviset tunnisteet eroavat aktiivisista tunnisteista siinä, ettei niillä ole omaa virtalähdettä. Tämän vuoksi tarvittava virta indusoituu tunnisteelle lukijan lähettämästä sähkömagneettisesta aallosta, jonka tunniste vastaanottaa antennillaan ollessaan lukijan toiminta-alueella. Tätä tekniikkaa kutsutaan induktiiviseksi kytkeytymiseksi. Tämän jälkeen tunniste lähettää moduloidun signaalin lukijalle, mikä sisältää tunnisteelle tallentunutta tietoa. Lukija ja passiivinen tunniste voivat kommunikoida kahdella eri tavalla. Matalien taajuuksien (< 100 MHz) tunnisteet välittävät tietoa vapauttamalla energiaa kondensaattorilta keloille vaihtuva tehoisesti. Tehon vaihtelu vaikuttaa lähetettävän radioaallon taajuuteen. Lukija havainnoi radioaaltojen taajuuksien vaihtelua, ja käyttää siitä saamansa tietoa vastaanotetun radioaallon demoduloinnissa. Tätä tekniikkaa kutsutaan nimellä load modulation. Korkeiden taajuuksien (> 100 MHz) tunnisteet puolestaan käyttävät takaisinsirontaa signaalin lähetyksessä. Tunnisteen virtapiiri vaihtelee antennin resistanssia, ja tämä aiheuttaa radioaaltojen lähettämisen, joita lukija voi vastaanottaa ja demoduloida.
Passiiviset tunnisteet ovat halvempia, kevyempiä ja pienempiä kuin aktiiviset tunnisteet. Lisäksi passiivisilla tunnisteilla on rajoittamaton käyttöikä. Passiiviset tunnisteet käyttävät usein 128 KHz, 13.6 MHz, UHF-alueen tai 2.45 GHz taajuusalueita. Järjestelmän käyttämään taajuuteen vaikuttaa toimintaympäristö, minkä materiaalin läpi signaali joutuu kulkemaan ja lukuetäisyys.
Puoli-passiiviset tunnisteet:
Puoli-passiiviset tunnisteet toimivat samalla tavalla kuin passiiviset, mutta niissä on lisäksi oma virtalähde kuten aktiivisissa tunnisteissa, jota käytetään mikrosirun voimanlähteenä.
Kommunikointi tapahtuu lukijalta saadun virran avulla. Aktiiviset ja puolipassiiviset tunnisteet ovat hyödyllisiä arvokkaiden hyödykkeiden jäljittämiseen, mitkä pitätää skannata pitkältä etäisyydeltä, mutta maksavat euron tai enemmän, tehden niistä liian kalliita matalahintaisten hyödykkeiden käyttöön lisäksi niissä on rajoitettu käyttöikä.
Tunnisteiden muistit:
RFID-tunnisteissa olevan datan määrä vaihtelee yleensä muutamista tavuista useisiin kilotavuihin.
Yksinkertaisimmissa tapauksissa tieto liitetään valmistusvaiheessa mikrosirulle, eikä dataa voida sen jälkeen muuttaa eli tunniste on R/O-tyyppinen (Read Only). R/O-tyyppisestä eräs esimerkki on tunnisteen sarjanumero, joka on tallennettu tuotantovaiheessa. Kirjoitettavia tunnisteita on kahdenlaisia: WORM-tyyppisiä (Write Once Read Many), jossa tunnisteelle tallennetaan tieto kerran, jonka jälkeen siitä voidaan vain lukea tietoa ja R/W-tyyppisiä (Read/Write), jossa voidaan lukea ja kirjoittaa tietoa useasti. R/W-tunnisteet ovatkin kalliimpia, mutta monikäyttöisempiä, kuin R/O-tunnisteet.
KÄYTTÖ ESIMERKKEJÄ HYVINVOINTITEKNOLOGIASSA:
Alun perin eläimille suunniteltuja ihon alle istutettavia RFID-siruja on istutettu myös ihmisiin.
Siruilla voidaan valvoa pääsyä mm. rakennuksiin, tietokoneelle, potilastietoihin ja jopa pyrkiä ehkäisemään kidnappauksia. Kehon tilaa tarkkaileviin antureihin yhdistettynä tunnisteella voidaan tarkkailla potilaiden tilaa. Lääketeollisuus hyödyntää RFID-tekniikkaa lääkkeiden aitouden varmistamiseen. Esimerkiksi joihinkin lääkepurkkeihin on liimattu HF 13,56MHz RFID-tunniste ja lähetyslaatikot on merkitty UHF RFID-tunnisteilla. Järjestelmän avulla jälleenmyyjät voivat varmistua myytävän lääkkeen aitoudesta. Saatuaan tuotteet jälleenmyyjät lukevat lääkepurkit RFID- lukijalla. Jos tuotteen tiedot eivät täsmää, järjestelmä ilmoittaa siitä.
Käyttö sairaaloissa tunnisteisiin syötetään potilaan nimi, suunnitellun toimenpiteen suunnitelma ja sairaskertomus jonka jälkeen tunniste sijoitetaan potilaaseen. Potilaassa olevan tunnisteen avulla toimenpiteessä on mahdollista tarkistaa potilaan tiedot ja tehtävät toimenpiteet ja verrata niitä paperiseen sairauskertomukseen. RFID:n avulla on myös mahdollista pitää listaa leikkausinstrumenteista; näin vältytään ikävistä tilanteista, joissa potilaan sisälle on jäänyt esimerkiksi neuloja.
Yksi sovellus on langaton liikuntatietojärjestelmä Sportmonitor, jossa käytetään mm. RFID- tekniikkaa. Järjestelmä tuottaa palvelun, jolla voi seurata liikunta-aktiivisuutta liikuntakeskuksissa.
Henkikilön tunnistus tapahtuu RFID-tunnisteella, josta lukija lukee tunnistenumeron ja laite tallentaa sen muistiinsa. Laitteen muistista RFID-tunnistetiedot lähetetään GPRS-yhteydellä GSM- verkon kautta palvelimella olevaan tietokantaan. Tietokannassa olevia tietoja henkilö voi tarkastella www-portaalin kautta.
Lähteet
Junkkari, Sami 2006. Langaton liikuntatietojärjestelmä. Oulu: Oulun seudun ammattikorkeakoulu, tietotekniikan koulutusohjelma. Insinöörityö.
Koskinen, Lari 2007. RFID-tekniikka ja sen sovellukset. Tampere: Tampereen ammattikorkeakoulu, tietotekniikan koulutusohjelma. Insinöörityö.
RFID Lab Finland – Etusivu. 2008. Saatavissa: http://www.rfidlab.fi/, linkki RFID-tietoutta.
Hakupäivä 3.11.2008.
RFID Standards - SC31. 2006. Saatavissa:
http://www.hightechaid.com/standards/RFID_Standards_SC31.htm. Hakupäivä. 6.11.2008.
Saarinen, Peter 2007. RF-ID-tekniikan tutkiminen. Tampere: Tampereen ammattikorkeakoulu, tietotekniikan koulutusohjelma. Insinöörityö.
Wikipedia. 2008. Vapaa tietosanakirja. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org, hakusana RFID.
Hakupäivä 3.11.2008.
Yleistä tietoa rfid:stä – S. Sarekoski Oy. Saatavissa: http://www.sareskoski.fi/rfid.htm. Hakupäivä 6.11.2008.
Ylitalo, Antti 2008. Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden käyttö terästuotteiden logistiikkaketjussa. Oulu: Oulun yliopisto, sähkö- ja tietotekniikan osasto. Diplomityö.
