TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto
Antti Jokela
RADIOTAAJUISEN TUNNISTUSTEKNOLOGIAN
KÄYTTÖ YRITYKSEN LOGISTIIKKAKETJUN OSANA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 24.5.2006.
Valvoja:
Ohjaaja:
Professori Kari Koskinen
Diplomi-insinööri Juha Karttunen
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto
Tekijä: Antti Jokela Päiväys: 24.5.2006
Sivumäärä: 94
Työn nimi: Radiotaajuisen tunnistusteknologian käyttö yri
tyksen logistiikkaketjun osana
Professuuri: Automaation tietotekniikka Koodi: AS-116
Työn valvoja: Professori Kari Koskinen
Työn ohjaaja: Diplomi-insinööri Juha Karttunen
Tässä diplomityössä tarkastellaan radiotaajuisen tunnistusteknologian (REID) käyttöä yrityksen logistiikkaketjun osana. Teoriaosassa perehdytään tunnistusteknologioihin sekä niiden hyödyntämiseen logistiikassa ja tuotannossa. Tämän jälkeen syvennytään RFID-teknologian perusteisiin ja teknologian fysikaaliseen toimintaan. Seuraavaksi tarkastellaan RFID-järjestelmän suunnittelussa ja toteutuksessa huomioitavia asioita kehitetyn etenemismallin avulla ja esitellään aiemmin toteutettuja sovelluksia.
Työn kokeellisessa osuudessa suunnitellaan ja toteutetaan RFID-sovellus yhteistyös
sä HK-Ruokatalo Oyj:n ja Siemens Osakeyhtiön kanssa. HK-Ruokatalo Oyj oli kiin
nostunut kokeilemaan RFID-teknologiaa Euran tuotantolaitoksessaan. Sovelluskoh
teena oli rullakuljettimilla siirrettävien vakuumisäkkien tunnistus. Tavoitteena oli, että toteutettava jäijestelmä parantaisi nykyisen linjaston toimintaa, ja että diplomi
työstä saatuja kokemuksia voitaisiin hyödyntää HK-Ruokatalo Oyj:n tulevien RFID- laitehankintojen suunnittelussa ja toteutuksessa. Kokeiden perusteella todettiin, että vakuumisäkkeihin kiinnitettyjen etätunnisteiden lukeminen on epävarmaa ja edellyt
tää jatkokehitystyötä. Sen sijaan laatikot, joiden sisällä vakuumisäkit ovat, on mah
dollista tunnistaa etätunnisteiden avulla luotettavasti jo nykyisten tunnisteiden avulla.
Avainsanat: REID, etätunniste, tunnistaminen, logistiikkaketju, testaus
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Department of Electrical and Communications Engi
neering
Author: Antti Jokela
ABSTRACT OF MASTER’S THESIS
Date: May 24, 2006
Number of pages: 94
Name of thesis: Utilization of radio frequency identification in part of an enterprise supply chain
Professorship: Information and Computer Systems in Auto- Professorship Code:
mation AS-116
Supervisor: Professor Kari Koskinen
Instructor: Juha Karttunen, M. Sc
The object of this master’s thesis is to examine the use of radio frequency identifica
tion (RFID) as part of a company’s supply chain. In the theoretical part of the thesis, different identification methods and their utilization in logistics and manufacturing are introduced. In addition, the principles and physical layer operation of RFID are studied. The key issues affecting the development of an RFID system are evaluated using a developed process model. Finally, a couple of RFID case examples are intro
duced.
In the experimental part of the thesis, an RFID system is designed and implemented in cooperation with HK Ruokatalo Corporation and Siemens Corporation. HK Ruo- katalo was interested in experimenting with the RFID technology in their plant in Eura. The aim of the experiment was to improve the function of the existing produc
tion line and to use the findings in the future RFID systems planning and implemen
tation. The RFID system was developed and tested for identifying vacuum bags. Ac
cording to the experiment, reading the tags attached on vacuum bags was uncertain and requires more development. However, the identification of the tags attached on the transport cases of the vacuum bags was reliable even with the existing technol
ogy.
Keywords: RFID, tag, identification, supply chain, testing
Alkusanat
Tämä diplomityö on tehty Oy Delta-Enterprise Ltd:ssä HK-Ruokatalo Oyj:n toimek
siantona.
Haluan kiittää työn valvojaa professori Kari Koskista ja työn ohjaajaa diplomi- insinööri Juha Karttusta heidän antamistaan ideoista ja mielenkiinnosta työtäni koh
taan.
Erityisen suuret kiitokset haluan esittää HK-Ruokatalo Oyj:lle ja kunnossapidon käyttöpäällikölle Tomi Ojaselle työn toteuttamisen mahdollistamisesta. Esitän par
haimmat kiitokset toimitusjohtaja Bengt Janssonille, jonka aloitteesta työn tekeminen käynnistyi. Lisäksi haluan kiittää kaikkia työkavereita asiantuntevista neuvoista, mit
kä ovat edesauttaneet työn etenemistä. Kiitos myös Siemens Osakeyhtiölle, joka lai
nasi tarvittavan laitteiston työn kokeellista osuutta varten.
Haluan kiittää perhettäni runsaasta kannustamisesta ja avusta, jota olen saanut työtä tehdessäni ja muutenkin elämän varrella. Kiitos tyttöystävälleni Anni Ahoselle huo
lehtimisesta ja välittämisestä.
Antti Jokela
Espoossa 24.5.2006
ALKUSANAT 4
LYHENTEET JA KÄSITTEET... 7
1 JOHDANTO... 9
2 KAPPALEIDEN TUNNISTAMINEN JA TUNNISTAMISMENETELMIÄ...11
2.1 Kappaleidentunnistaminenjaidentifiointilogistisessaprosessissa... 11
2.2 Optinentunnistaminen... 11
2.3 Radiotaajuinentunnistaminen...12
2.4 rfid-.nhyödytlogistiikassajateollisuustuotannossa...14
2.4.1 ECR.n kehittämä malli jäljitettävyyden parantamiseksi...15
2.5 JOHTOPÄÄTÖKSET...17
3 RFID-TEKNOLOGIAN PERUSTEET...18
3.1 RFID-JÄRJESTELMÄN RAKENNE...18
3.2 Etätunnisteet... 19
3.2.1 Etätunnisteiden rakenne ja niiden toimintaperiaate...20
3.2.2 Etätunnisteiden antennitekniikka...22
3.3 Lukijalaitteetjaetätunnisteisiinkirjoittaminen...23
3.4 Lukijalaitteidenantennit... 24
3.5 RFID-järjestelmänohjelmistorakenne...27
3.6 KÄYTETTÄVÄT TAAJUUSALUEET... 28
3.7 RFID-standardit...29
3.7.1 EPCglobal...29
3.7.2 ISO-standardit...51
3.7.3 Johtopäätökset...52
4 RFID:N TOIMINTA FYSIKAALISELLA TASOLLA... 33
4.1 Yhteydenmuodostaminenjatiedonvälitys...33
4.1.1 Induktiivisesti kytkeytyvät järjestelmät...55
4.1.2 Sähkömagneettisesti kytkeytyvät järjestelmät...54
4.1.3 Modulointi-, johtokoodaus- ja törmäyksenestotekniikat...35
4.2 Fysikaalisetedellytyksetkytkeytymiseen...36
4.2.1 Induktiiviseen kytkeytymiseen vaikuttavat tekijät...36
4.2.2 Sähkömagneettiseen kytkeytymiseen vaikuttavat tekijät...37
4.3 HÄIRIÖITÄ AIHEUTTAVAT VÄLIAINERAJ AP INNAT... 38
4.3.1 Magneettivuon käyttäytyminen väliainerajapinnassa...38
4.3.2 Radioaaltojen käyttäytyminen väliainerajopinnoissa...39
4.3.3 Yhteenveto...44
5 RFID-JÄRJESTELMÄN KÄYTTÖÖNOTTO OSAKSI YRITYKSEN
LOGISTIIKKAKETJUA...45
5.1 Luotettavuussuunnittelu... 45
5.1.1 Häiriötekijät ja niiltä suojautuminen...45
5.2 RFID-tuotekehitysprosessi... 47
6 TOTEUTETTUJA SOVELLUKSIA... 53
6.1 Rahtikonttienlastauksenseuranta... 53
6.2 RFID-etätunnisteellavarustettupuinenkuuetuslava...54
6.3 Suomen Posti Oyj...55
7 RFID-SOVELLUKSEN TOTEUTTAMINEN JA TESTAUS... 57
7.1 Tavoitteet...57
7.2 RFID-järjestelmänsuunnittelu... 59
7.2.1 Järjestelmäarkkitehtuuri...59
7.2.2 Tekniikan ja laitteiston valinta...60
7.2.3 Ohjelmistoarkkitehtuuri...62
7.2.4 Antennien sijoittaminen ja suuntaus...64
7.3 Sovelluksentoteuttaminen... 65
7.4 Sovelluksentoimintakäytännössä... 65
7.4.1 Ensimmäiset kokeet...66
7.4.2 Käännettyjen vakuumisäkkien tunnistaminen...69
7.4.3 Vakuumisäkin sisällön vaikutus...7/
7.4.4 Peräkkäin saapuvat laatikot...72
7.4.5 Vakuumisäkkien pakastaminen...73
7.5 Yhteenveto...73
7.5.1 Vakuumisäkkien tunnistaminen...73
7.5.2 Pakastetut vakuumisäkit ja laatikoihin kiinnitetyt etätunnisteet...74
7.5.3 Päätelmät... 75
8 JOHTOPÄÄTÖKSET... 76
9 LÄHTEET...78
LIITE 1: HEIJASTUSTEHOKAAVAN JOHTAMINEN... 82
LIITE 2: TAULUKKOARVOJA JA LASKENNAN TARKKOJA TULOKSIA... 84
LIITE 3: TAITEKULMIEN JA HEIJASTUSKERTOIMIEN LASKEMINEN VÄLIAINERAJAPINNASSA VINOSSA HEIJASTUKSESSA... 85
LIITE 4: KOEPÖYTÄKIRJA...86
Lyhenteet ja käsitteet
AC Alternating Current
ALE Application Level Event
AM Amplitude Modulation
ANSI American National Standards Institute
ASK Amplitude Shift Keying
ASTM American Society for Testing and Materials
CCD Charge Coupled Device
DC Direct Current
DCS Distributed Control System
DNS Domain Name System
EAN European Article Numbering Council
ECR Efficient Consumer Response
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
EPC Electronic Product Code
EPCIS EPC Information Service
ERO European Radio communications Office
ERP Enterprise Resource Planning
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FM Frequency Modulation
FSK Frequency Shift Keying
GLN Global Location Number
OTIN Global Trade Item Number
HF High Frequency
ISO International Organization for Standardization
LF Low Frequency
MES Manufacturing Execution System
NRZ Nonreturn to Zero
OCR Optical Character Recognition
ONS Object Naming Service
PIE Pulse Interval Encoding
PLC Programmable Logic Controller
PM Pulse Modulation
PSK Phase Shift Keying
RF ID Radio Frequency Identification
RW Read Write
RZ Return to Zero
SCM
sscc ucc
UHF
Supply Chain Management Serial Shipping Container Code
WORM XML
Uniform Code Council Ultra High Frequency Write Once Read Many Extensible Markup Language
Kaavoissa käytetyt suureet
E = S ähkökenttävektori H = Magneettikenttä t = Aikamuuttuja
ф = Magneettivuo
Ln = Antennien välinen keskinäisinduktanssi I = Lukijalaitteen antennissa kulkeva virta
|/?|" = Heijastusteho a = Johtavuus
со = Radioaallon kulmanopeus 5 = Tunkeutumissyvyys
er = Väliaineen suhteellinen kompleksinen permittiivisyys S r - Suhteellinen permittiivisyys
£0 = Tyhjiön permittiivisyys pr = Suhteellinen permeabiilisuus ju0 = Tyhjiön permeabiilisuus
1 Johdanto
Tämä diplomityö käsittelee radiotaajuisen tunnistusteknologian (Radio Frequency Identification, RFID) käyttöä osana yrityksen logistiikkaketjua. Tällä hetkellä RFID- teknologian tekee ajankohtaiseksi uusien UHF-taajuusalueella toimivien etätunnis- teiden tulo markkinoille. Niiden aiempaa pidemmät lukuetäisyyden mahdollistavat logistiikkaketjuissa liikkuvien tuotteiden tai kuljetuserien merkitsemisen ja tehok
kaamman tiedonkeruun logistisesta prosessista.
RFID-teknologian käytössä on kuitenkin rajoituksia. Järjestelmien suunnittelu edel
lyttää tietoa teknologian perusteista ja soveltuvuudesta yrityksen prosesseihin ja tuot
teisiin. Soveltaminen logistiikkaketjussa vaatii järjestelmiltä toimintavarmuutta ja luotettavuutta. RFID-teknologian hyödyntäminen yrityksissä tapahtuu siten vaiheit
tain testausten ja pilotointien kautta.
Yritykset ovat suorittaneet jo muutaman vuoden ajan yksittäisiä logistisissa proses
seissa käytettävien RFID-järjestelmien kokeiluja. Kiinnostus teknologiaan on jatku
vasti lisääntynyt. Eräät yritykset ovat jo ottaneet RFID-teknologian keskeiseksi osak
si logistiikkastrategiaansa. Muun muassa yhdysvaltalainen ruokakauppaketju Wal- Mart vaatii alihankkijoiltaan myyntierien ja lavojen merkitsemistä RFID- etätunnisteilla (Wal-Mart 2006).
Diplomityö on tehty HK-Ruokatalo Oyj:n toimeksiantona. Tavoitteena oli vastata kysymyksiin, mitä RFID-teknologia on ja mitä hyötyä siitä voisi olla yritykselle. Li
säksi työssä selvitettiin mitä tekijöitä RFTD-järjestelmän suunnittelussa tulee huomi
oida. Työn kokeellisen osan tavoitteena oli tutkia RFID-teknologian soveltuvuutta HK-Ruokatalo Oyj:n Euran tuotantolaitoksessa valmistettavien vakuumisäkkituottei- den tunnistamiseen. Työssä kehitettiin oma RFID-sovellus ja kokeiltiin sitä tuotanto
laitoksessa.
Työ alkaa perehtymisellä tunnistusteknologioihin ja RFID:n tuomiin hyötyihin. Tä
män jälkeen tutustutaan RFID-tekniikkaan ja fysikaalisten ilmiöiden vaikutuksiin, jotka on otettava huomioon RFID-jäijestelmän suunnittelussa. Näiden osuuksien jäl
keen pohditaan RFID-jäijestelmän suunnittelussa huomioitavia asioita ja perehdy
tään aiemmin toteutettuihin sovelluksiin. Työn lopussa suunniteltiin ja toteutettiin RFID-testauslaitteisto sekä suoritettiin ratkaisujen valitsemiseksi ja toimivuuden varmistamiseksi tarvittavat mittaukset tuotantolaitosympäristössä.
2 Kappaleiden tunnistaminen ja tunnistamismenetelmiä
Tässä luvussa käsitellään teollisuusautomaatiossa käytettäviä tunnistusperiaatteita ja - menetelmiä. Luvussa perehdytään tarkemmin optisiin tunnistusmenetelmiin ja ra
dioaaltojen avulla tapahtuvaan tunnistamiseen. Lopussa esitellään yleisesti RFID- teknologiaa ja sen etuja muihin tunnistustekniikoihin nähden.
2.1 Kappaleiden tunnistaminen ja identifiointi logistisessa proses
sissa
Logistista prosessia voidaan ohjata ja seurata tehokkaimmin sähköisen tunnistamisen avulla. Sähköinen tunnistaminen mahdollistaa prosessin automaattiset ohjaustoimin
not ja jatkuvan tiedonkeruun prosessiin liittyvän tietokannan ylläpitämiseksi. Tunnis- tusjäijestelmä voi olla liitettynä suoraan yrityksen tietojärjestelmään, johon voidaan jatkuvasti päivittää tunnistustietoja. Sähköisen tunnistustapahtuman avulla vältytään tietojen syöttämiseltä tietojärjestelmään manuaalisesti, mikä on usein hankalaa ja virhealtista.
Kappaleen identifioinnilla tarkoitetaan sen tunnistamista tietyksi kappaleeksi eli sen identiteetin tunnistamista. Kappaleiden identifiointitavat jakautuvat sähkömekaani
siin, magneettisiin, optisiin ja radiotaajuisiin (RFID) tunnistusteknologioihin.
Sähkömekaanisella tunnistamisella tarkoitetaan kappaleen jotain piirrettä (esimerkik
si nokka, tappi tai kolo), joka voidaan tunnistaa sähköisellä tai sähkömekaanisella anturilla. Magneettisissa tunnistusmenetelmissä tunniste on magneettinen (esimer
kiksi pankkikortti). Tämä tunniste voidaan lukea asettamalla se tunnistuslaitteeseen.
2.2 Optinen tunnistaminen
Optisella tunnistamisella tarkoitetaan tunnistusmenetelmiä, joissa kappaleen ja antu
rin välillä on oltava suora näköyhteys. Tunnistamiseen liittyvä informaatio tulkitaan valotaajuuksien avulla. Optisia tunnistusmenetelmiä ovat viivakoodi, konenäkö, pis
tekoodi ja standardoitu teksti (OCR).
Viivakoodien avulla voidaan esittää numeroita ja kirjaimia optisesti luettavassa
tun tiedon. Viivakoodin korkeudella ei ole merkitystä. Viivakoodeista on useita kan
sainvälisiä standardeja. Lukijalaitteilla pystytään yleensä lukemaan erityyppisiä vii
vakoodeja. Yleisimmät sovellukset liittyvät kauppojen tuotteiden sekä kuljetusyksi- köiden tunnistamiseen ja merkitsemiseen logistisessa prosessissa. Viivakoodit sisäl
tävät tarkistusmerkkejä, jotka estävät niiden virheellisen lukemisen.
Laajassa käytössä olevat viivakoodit tarjoavat helpon tavan tunnistaa kappaleita.
Viivakoodeilla on kuitenkin ominaisuuksia, jotka heikentävät mahdollisuuksia käyt
tää niitä automaatiosovelluksissa. Ongelmia tuottavat etenkin viivakoodien kestä
vyys. Viivakoodit vahingoittuvat herkästi lukukelvottomiksi, esimerkiksi likaantu
malla tai repeytymällä. Viivakoodien tallennuskapasiteetti on pieni. Lisäksi ne ovat kertatallenteisia, eli tallennettua tietoa ei voi muuttaa. Viivakoodit vaativat myös nä
köyhteyden lukijalaitteeseen. Onnistuneen lukutapahtuman edellytyksenä on lisäksi viivakoodin oikea asento lukijalaitteeseen nähden.
Konenäöllä (Machine vision tai Robot vision) tarkoitetaan kappaleen kuvaamista kameralla tai laser-skannerilla. Analysoidusta kuvasta voidaan tulkita erilaisia tietoja.
Konenäköä voidaan hyödyntää laaduntarkastuksessa, kappaleiden tunnistamisessa tai paikan määrittämisessä. Konenäössä käytetään CCD-matriisi-, viiva- ja lämpökame- roita tai laser-skannereita. Kameralla otettu kuva analysoidaan. Analysoidusta kuvas
ta kerätään tarvittava tieto, joka voidaan välittää tietokantaan tai ohjauslaitteille.
Pistekoodit muodostuvat matriisimuodossa olevista pisteitä. Pisteiden sijainti määrit
tää koodatun tiedon. Pistekoodit luetaan kameran avulla.
Standardoidun tekstin (OCR) avulla voidaan siirtää tekstidokumentteja ja lomakkeita sähköiseen muotoon. Tätä varten on standardoitu erityisiä fontteja, esimerkiksi OCR- A ja OCR-В (ANSI). Lukeminen tapahtuu lähietäisyydellä hyvissä valaistusolosuh
teissa kameralla tai laser-skannerilla (TKK 2005).
2.3 Radiotaajuinen tunnistaminen
RFID (Radio Frequency Identification) tarkoittaa radiotaajuuksilla tapahtuvaa tun
nistamista. RFID-sovelluksessa jokin kappale tai esine tunnistetaan siihen liitetyn etätunnisteen avulla. Etätunnisteen sisältämä tieto luetaan lukijalaitteella. Etätunniste
ja lukijalaite kommunikoivat keskenään radioaaltojen tai magneettikentän välityksel
lä.
Terminä RFID on suhteellisen uusi. Sen käyttö on yleistynyt 2000-luvun alussa. Ra
diotaajuuksilla toimivaa tunnistamista on käytetty jo paljon aikaisemmin. RFID- teknologian juuret ulottuvat 1930-luvulle, tutkatekniikan keksimiseen. Tutka lähettää radioaaltoja, jotka heijastuvat takaisin kohdatessaan etsittävän kohteen. Ensimmäisiä nykyistä RFID-tekniikkaa muistuttavia jäijestelmiä otettiin käyttöön kauppojen va- rashälyttimissä 1960-luvulla. Tuotteisiin kiinnitettiin tunniste, joka lähetti yksi- bittistä signaalia, joka kertoi hälyttimen toimintatilan. Ensimmäinen RFID-patentti myönnettiin Yhdysvalloissa vuonna 1973 aktiiviselle RFID-tunnisteelle. Ensimmäi
nen kaupallistettu RFID-sovellus esiteltiin 1980. Siinä teknologiaa hyödynnettiin au
tomaattisissa tietulleissa (Shepard 2005, RFID Lab 2006).
RFID-jäijestelmä muodostuu etätunnisteesta ja lukijalaitteesta, joka on yhdistetty tietojärjestelmään tai toimilaitteeseen. Sen tehtävänä on lähettää ja vastaanottaa sig
naaleja etätunnisteelta. Lukijalaitteeseen kuuluu lisäksi antenni. Etätunniste muodos
tuu niin ikään antennista ja siihen liitetystä mikropiiristä. Pääkaupunkiseudun jouk
koliikenteen käyttäjät ovat tutustuneet RFID-teknologiaan matkakorttijäijestelmää käyttäessään. Matkustajan matkakortissa on RFID-etätunniste, joka luetaan esimer
kiksi bussien matkakortinlukijalla (RFID Lab 2006a).
RFID-tekniikkaa voidaan hyödyntää useissa erilaisissa sovelluksissa. Käyttökohteet voivat olla mitä tahansa yksilöllisistä tuotekoodeista ihmisten valvontaan. Mahdolli
siksi yleistyviksi käyttökohteiksi on arveltu logistiikkaa ja teollisuustuotantoa, joissa RFID-teknologia korvaisi viivakoodit. Arvioissa on esitetty, että jokaiseen valmistet
tavaan ja myytävään tuotteeseen on mahdollista kiinnittää yksilöllinen RFID- tunniste. Tämä tunniste sisältäisi yksilöllistä tietoa tuotteesta (Bhuptani, Moradpour 2005).
RFID-etätunnisteiden käytössä ei ole viivakoodeissa esiintyviä ongelmia. Etätunnis- teet kestävät likaantumista ja mekaanista kulutusta. Etätunnisteen lukeminen ei vaadi suoraa näköyhteyttä. Etätunniste voi myös sijaita tunnistettavan tuotteen tai kappa
leen sisällä (Shepard 2005).
2.4 RFID:n hyödyt logistiikassa ja teollisuustuotannossa
Yritykset ovat jatkuvasti kiinnostuneet teknologioista, joiden avulla voidaan alentaa kustannuksia. Raaka-aineisiin, keskeneräiseen tuotantoon ja valmiisiin tuotteisiin sitoutuu paljon pääomaa. Pääomakustannuksien lisäksi tuotteiden hallinta aiheuttaa muun muassa kuljetus- ja varastointikustannuksia.
Edullisten RFED-tunnisteiden avulla on mahdollista merkitä jokainen logistiikkaket- jussa liikkuva kappale. Etätunnisteeseen voidaan sisällyttää yksilöllinen tuotenume
ro. Logistiikkaketjuun sijoitetut lukijalaitteet keräävät tietoa kappaleista ja niiden si
jainnista. Tietoa välitetään korkeamman tason informaatiojärjestelmiin (kuva 1).
Ylimmällä tasolla tunnistustietoja hyödynnetään toimitusketjun ohjaamisessa. Tun
nistustietoa on mahdollista levittää myös intemet-teknologian avulla kaikille logis- tiikkaketjun toimijoille (EPCglobal 2006).
RFID-laitteisto Muut toimilaitteet Toimitusketjun hallinta (SCM)
Toiminnan ohjaus (ERP)
Prosessiohjaus (PLC, DCS) Valmistuksen ohjaus (MES)
Kuva 1: Tietoa yksittäisistä tunnistustapahtumista on mahdollista välittää korkeam
man tason informaatiojärjestelmiin. Yrityksen oman toiminnanohjauksen lisäksi tie
toa voidaan jakaa intemet-teknologian avulla kaikille logistiikkaketjun toimijoille.
Yksittäiselle toimijalle laajempi informaatio mahdollistaa muun muassa parempien kysyntäennusteiden tekemisen. Toimijan ei tarvitse olla riippuvainen pelkästään asi
akkaan arvioista, vaan se voi tarkkailla kysyntätietoja aina loppukäyttäjälle asti. Tä
mä mahdollistaa tarkempien kysyntäennusteiden tekemisen. Täsmällisemmät kysyn- täennusteet auttavat optimaalisen tuotannon tason määräämisessä. Mitä tarkemmin tuotteita osataan valmistaa tulevan kysynnän mukaan, sitä vähemmän toimitusketjus
sa liikkuu ylimääräistä tuotantoa.
Tunnistustiedot mahdollistavat myös tuotteiden paremman jäljitettävyyden, kun yk
sittäisen tuotteen tai kuljetuserän tunnistustietoja kerätään toimitusketjun eri vaiheis
ta. Elintarviketeollisuudessa tämä helpottaa ja nopeuttaa elintarvikkeiden alkuperän selvittämisen aina maanviljelijälle asti. Yksilöllisten tuotenumeroiden ansiosta mark
kinoilta voidaan tarvittaessa vetää takaisin rajatumpia tuote-eriä (EPCglobal 2006).
Tuotantolaitoksen sisäisessä logistiikkaketjussa REID mahdollistaa keskeneräisen tuotannon tehokkaamman seuraamisen. Lisäksi keskeneräisten tuotteiden etätunnis- teisiin on kirjoitettavissa tietoa tuotteen työvaiheiden etenemisestä. Yksittäisiä tun
nistustietoja on mahdollista käyttää myös prosessin ohjauksessa. Esimerkiksi varas
toissa RFID-etätunnisteiden avulla voidaan suorittaa automaattisia inventaarioita:
varaston hyllyille sijoitetaan lukijalaitteita, jotka tunnistavat tuotteiden määrän (Bhuptani, Moradpour 2005).
Harkittaessa RFID-järjestelmän hankintaa on tarkasteltava edellä tarkasteltujen hyö
tyjen taloudellista merkitystä suhteessa investointi- ja tuotannon vaatimiin lisäkus
tannuksiin.
2.4.1 ECR:n kehittämä malli jäljitettävyyden parantamiseksi
Efficient Consumer Response (ECR) on 1990-luvun puolivälissä perustettu järjestö, jonka eräs päätavoite on logistiikkaketjun toimijoiden yhteistyön lisääminen. ECR pyrkii muun muassa hyödyntämään informaatioteknologian tuomia mahdollisuuksia ja yhtenäistämään toimintatapoja. Yhteistyön avulla voidaan palvella kuluttajia pa
remmin sekä vastata tuotteiden laadun ja turvallisuuden tarpeisiin tavaraketjun seu
rannassa (ECR 2006).
ECR kehitti toimintamallin (ECR 2004), jonka tavoitteena on toimitusketjun jäljitet
tävyyden parantaminen. Jäljitettävyys edellyttää, että tuotteet on mahdollista paikal
listaa logistiikkaketjussa ja että tuotteiden alkuperä sekä koostumus voidaan selvit
tää. Toimintamalli perustuu tuotteiden merkitsemiseen yksilöllisillä tuotekoodeilla (muun muassa EPC-tunnisteella, jota käsitellään myöhemmin tässä työssä), tunnis
tustiedon keräämiseen, tallentamiseen sekä sen jakamiseen logistiikkaketjun toimi
joiden välillä. Mallissa tuotteiden merkitseminen perustuu E AN- ja UPC-järj estojen standardeihin. Malliin kuuluvia merkintäkoodeja on useita muun muassa:
• Global Location Number (GLN): määrittää yksilöllisen sijaintipaikan, esi
merkiksi varaston tai lastauspaikan.
• Serial Shipping Container Code (SSCC): yksilöi kuljetusyksikön.
• Global Trade Item Number (GTIN): kuluttajapakkauksen merkintään käytet
tävä tuotekoodi.
Sähköinen tiedonvälitys suoritetaan EANCOM- ja XML-muotoisten EDI-viestien avulla. Kuvassa 2 on esitetty mallin mukainen merkitsemistapa ja tiedonkeruu val
mistavassa teollisuudessa.
Alkuperä Raaka-aineiden Tuotantolinja Myyntierät Jakeluerat Yhdistetyt Valmiiden Määränpää
kuljetusyksiköt jakeluerat «ei tuotteiden
välttämätön) kuljetusyksiköt
Kuva 2: ECR. n kehittämän mallin mukaiset tuotemerkinnät ja tiedonkeruu valmista
vassa teollisuudessa
2.5 Johtopäätökset
Keskeisimmät hyödyt automaattisesta tunnistamisesta ovat henkilötyön vähentymi
nen, tietojen luotettavuuden parantuminen ja käytettävissä olevan informaation li
sääntyminen. RFID-teknologian avulla toimitusketjussa liikkuvasta materiaalista voi
daan kerätä tehokkaasti sähköistä tunnistustietoa tosiaikaisesti. Se mahdollistaa lo- gistiikkaketjun tehokkaamman ohjauksen ja ketjun läpinäkyvyyden.
3 RFID-teknologian perusteet
Tässä luvussa tutustutaan RFID-teknologian perusteisiin. Niiden ymmärtäminen aut
taa hahmottamaan järjestelmien toimintaa käytännössä. RFID-jäijestelmän rakenne esitellään ja perehdytään eri osien toimintaan. Luvussa tutustutaan tarkemmin etä- tunnisteisiin, lukijalaitteisiin, niiden antenneihin ja RFID-jäijestelmän ohjelmistora- kenteeseen. Lopussa kerrotaan käytettävistä taajuusalueista ja RFID-standardeista.
3.1 RFID-järjestelmän rakenne
RFID-jäijestelmä muodostuu seuraavista osista:
• Etätunni steet
• Lukijalaite
• Lukijalaitteen antenni
• Ohjain
• Anturit, toimilaitteet
• Tietojärjestelmä
• Kommunikointiraj apinnat
Järjestelmä rakentuu etätunnisteiden ja lukijalaitteen ympärille, mutta siihen on mah
dollista liittää lisäosia käyttötarkoituksen mukaan. Lukijalaitteen antennilla vaikute
taan järjestelmän lukuominaisuuksiin. Lukijalaitteen yhteydessä voi toimia ohjainlai- te, jonka avulla RFID-jäijestelmää ja siihen liitettyjä toimilaitteita ohjataan. Se voi olla fyysinen laite tai ohjelmistokomponentti. Ohjaamisella tarkoitetaan esimerkiksi lukijatoimintojen käsittelyä ja lukijalaitteeseen liitettyjen toimilaitteiden ohjausta.
Anturit ja toimilaitteet voivat avustaa tunnistustapahtumassa, esimerkiksi sammutta
malla ja käynnistämällä RFID-j äij estelmän tarpeen mukaan. RFID-j äijestelmä on yleensä myös integroitu yrityksen tietoj äij estelmään. RFID-j äij estelmään on mahdol
lista olla yhteydessä useiden eri kommunikointirajapintojen avulla. Rajapinnat sisäl
tävät langallisia ja langattomia yhteydenmuodostustapoja. Näitä ovat muun muassa saijaliikenneprotokollat, RS-232 ja RS-485 sekä ethemet-rajapinta. Kuvassa 3 on hahmoteltu RFID-j äij estelmän rakennetta ja eri osien suhdetta (Lahiri 2005).
Etä- tunniste
Lukija
laitteen antenni
Kom muniko inti-inf rastruktuuri
Kuva 3: RFID-järjestelmän rakenne (Lahiri 2005)
3.2 Etätunnisteet
RFID-etätunnisteet voidaan jakaa ryhmiin kahdella eri tavalla. Ensimmäinen jaottelu erottelee saattomuistit sen mukaan onko etätunnisteessa paristo vai ei: puhutaan pas
siivisista, aktiivisista ja puoliaktiivisista1 tunnisteista. Yksinkertaisimmat, passiiviset saattomuistit ovat paristottomia. Ne saavat tarvittavan sähkötehon lukijalaitteen lä
hettämästä signaalista. Aktiivisissa saattomuisteissa on paristo. Aktiiviset saatto- muistit kykenevät pariston avulla lähettämään itsenäisesti radioaaltoja ilman ulko
puolista energialähdettä. Aktiivisia etätunnisteita hyödynnetään muun muassa auto
jen kaukosäätöisessä keskuslukituksessa. Puoliaktiivisissa etätunnisteissa käytetään paristoa lähetystehon kasvattamiseen. Puoliaktiivisten etätunnisteiden ominaisuudet ovat muuten samanlaiset kuin passiivisten etätunnisteiden, mutta niiden luentaetäi- syys on pidempi. Etätunnisteissa käytettävien paristojen kestoikä on usein pitkä.
Etätunnisteet voidaan jaotella myös sen mukaan, kuinka monta kertaa niihin voidaan tallentaa tietoa. Yksinkertaisimmat (ja edullisimmat) passiiviset tunnisteet ovat kerta- tallenteisia, jolloin niiden sisältämää tietoa ei voida muuttaa ensimmäisen tallennuk
sen jälkeen. Tallennus tehdään yleensä etätunnisteen valmistuksen yhteydessä.
WORM-tyyppisiin tunnisteisiin voidaan periaatteessa tallentaa tietoa vain kerran, mutta käytännössä muutaman kerran uudelleen. WORM-tyyppiset tunnisteet toimi
tetaan yleensä ohjelmoimattomina, jolloin ohjelmointi suoritetaan käyttöönoton yh-
1 Saattomuistin valmistajasta riippuen nimitys voi olla myös puolipassiivinen saattomuisti
täydessä. RW-tunnisteet on tarkoitettu uudelleen killitettäviksi, jolloin niiden sisäl
tämää tieto on muokattavissa lähes rajattomasti, jopa 100 000 kertaa (Kleist Robert et ai. 2004).
Taulukko 1: Saattomuistien vertailua (Kleist Robert et ai. 2004)
Malli Selite
Passiivinen Ei sisällä paristoa Aktiivinen Sisältää pariston Puoliaktiivinen Sisältää pariston
Vain luettava Ei voida tallentaa tietoa
WORM Tietoa voidaan tallentaa kerran RF Tietoa voidaan tallentaa rajattomasti
3.2.1 Etätunnisteiden rakenne ja niiden toimintaperiaate
Kuvassa 4 on esitelty passiivisen etätunnisteen rakenne. Passiivisten ja puoliaktiivis- ten etätunnisteiden mikropiiri saa tarvittavan sähköenergian lukijalaitteen lähettä
mästä signaalista. Signaali indusoi jännitteen etätunnisteen antenniin. Etätunnisteessa oleva AC/DC-muunnin muuttaa indusoituneen jännitteen tasajännitteeksi ja jakaa sen tunnisteen eri osille. Modulaattori ja dekooderi purkavat vastaanotetun signaalin si
sältämän tiedon. Käsittelijä tuottaa lukijalaitteelle lähetettävän tiedon, joka muunne
taan enkooderin ja modulaattorin avulla. Etätunnisteen vastaus yhdistetään lukijalait
teen lähettämään signaaliin esimerkiksi ASK-modulaation avulla. Modulaattori oi- kosulkee ja avaa etätunnisteen antennipiiriä (kuvassa antenniliitäntä). Tämä tuottaa modulaation signaalimuutokset.
Antenniliitäntä
Enkooderi Modulaattori
Dekooderi
Käsittelijä
EEPROM- Muisti Jännite-
ohjain Muunnin
AC/DC
Kuva 4: Passiivisen etätunnisteen rakenne (Kleist Robert et ai. 2004)
Aktiivisten etätunnisteiden rakenne poikkeaa passiivisen etätunnisteen rakenteesta käyttötarkoituksen mukaan. Aktiivisiin etätunnisteisiin voi olla liitettyinä antureita (esimerkiksi lämpötila-anturi) tai muita komponentteja sisään- ja ulostuloliitäntöjen avulla (Lahiri 2005, Intelleflex 2006).
Etätunnisteiden muistialueet muodostuvat muun muassa EPC-tunnisteesta ja vapaas
ta tilasta. Esimerkiksi suurimmat etätunnisteet, joita voidaan lukea Siemensin val
mistamalla RF600-lukijalaitteella, ovat 2048 bittisiä (Siemens 2006). Niihin voidaan kirjoittaa enimmillään 256 ASCII-merkkiä.
Etätunnisteita varten on kehitetty erilaisia kotelointiratkaisuja, joiden avulla tunnis
teita on mahdollista kiinnittää metallipinnoille. Kotelo on valmistettu esimerkiksi PVC-muovista, joka erottaa tunnisteen metallipinnasta. Koteloituja tunnisteita on mahdollista käyttää myös kosteissa ympäristöissä tai toisten kappaleiden sisällä. Ku
vassa 5 on esitelty etätunnisteen kotelointiratkaisuja (Idesco 2006, Wisteq 2006).
Kuva 5: Etätunnisteen kotelointiratkaisuja
3.2.2 Etätunnisteiden antennitekniikka
Etätunnisteen antennia tarvitaan sähkötehon vastaanottamiseen lukijalaitteelta sekä tiedon lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Se on liitetty etätunnisteen mikrosiruun.
Antenneja on useita eri malleja. Ne voivat olla valmistettu muun muassa kuparista, alumiinista tai hopeasta. Suunnitteilla on myös antenneja, joita voitaisiin tulostaa suoraan pakkauksiin. Tulostuksessa käytettäisiin sähköä johtavaa mustetta, joka si
sältää esimerkiksi kuparia, hiiltä tai nikkeliä (Lahiri 2005). Induktiivisen kytkeyty
misen avulla toimivien etätunnisteiden antenni on fysikaalisesti tarkasteltuna kela (kuva 6). Sähkömagneettisen kytkeytymisen avulla toimivien etätunnisteiden antenni on usein dipoliantenni (kuva 7).
Kuva 6: LF- ja HF-taajuusalueilla toimivien tunnisteiden antenni toimii kelana.
Kuva 7: UHF-taajuusalueella käytettävä dipoliantenni
Yksinkertaisin dipoliantenni on suora johdin, joka on katkaistu tavallisesti keskeltä niin, että sitä voidaan syöttää aaltojohdosta. Tärkein dipoliantenneista on puolen aal
lon pituinen dipoli. Muita dipoliantenneja ovat muun muassa taittodipoli- ja kaksois- dipoliantennit (Räisänen, Lehto 2003).
3.3 Lukijalaitteet ja etätunnisteisiin kirjoittaminen
RFID-etätunnisteisiin ollaan yhteydessä lukijalaitteen avulla. Lukijalaitteet voivat olla asennetut kiinteästi osaksi logistista prosessia tai ne voivat olla kannettavia. Lu
kijalaitteet ovat rakenteeltaan yleensä kuvan 8 mukaisia.
Antenniliitäntä
Lähetin
Vastaanotin
Enkooderi Dekooderi
Mikroprosessori Logiikka
Virtalähde
X
r
Tiedonsiirtorajapinta
*>
L ______ /
Sisään-ja ulostuloliitännät
Ethernet-ja sarjaporttiliitännät
Kuva 8: Lukijalaitteen rakenne (Lahiri 2005)
Lähetettävät ja vastaanotettavat signaalit välittyvät lukijalaitteen antennin kautta. Lä- hetinosa lähettää sähkötehon ja kellosignaalin etätunnisteelle. Vastaanotin ottaa vas
taan etätunnisteen lähettämiä signaaleja. Vastaanotin välittää tiedot mikroprosessoril
le, joka luo etätunnisteelle lähetettävät viestit. Se myös purkaa vastaanotetut viestit ja suorittaa virheentarkistuksen. Mikroprosessori voi lisäksi suorittaa vastaanotetun tie
don suodatusta ja muokkausta. Lukijalaitteen muisti sisältää tietoa lukijalaitteen ase- tusparametreista ja etätunnisteiden lukutapahtumista. Lukijalaitteessa on yleensä si
sään-ja ulostuloliitäntöjä ulkoisia antureita ja toimilaitteita varten. Antureiden avulla on mahdollista muun muassa käynnistää ja sammuttaa lukijalaite tarpeen mukaan.
Lukijalaitteen kommunikointirajapinnan muodostavat yleensä sarjaportti-ja ethemet- liitynnät. Niiden avulla voidaan välittää tietoa luetuista tunnisteista sekä ohjata luki
jalaitetta.
Kiinteät lukijalaitteet on kiinnitetty pysyvästi tunnistuspisteeseen. Lukijalaitteet ovat yhteydessä tietojärjestelmään, joka sisältää tietoa etätunnisteista. Etätunnisteita on mahdollista lukea myös kannettavalla lukijalla. Siinä on yhdistetty näyttöpääte ja näppäimistö. Kannettavasta lukijassa voi olla myös langaton verkkoyhteys yrityksen tietoverkkoon.
Saattomuisteihin tallentaminen vaihtelee käytettävän muistin mukaan. Niihin tallen
netaan tietoa lukijalaitteella, jossa on tallennusominaisuus. Käytettäessä kertakäyt
töistä saattomuistia, esimerkiksi älytarraa, tieto tallennetaan tunnisteeseen tarratulos- timen avulla. Tarratulostin tulostaa tarraan halutun tekstin tai viivakoodin ja samalla tallentaa tietoa etätunnisteeseen (Lahiri 2005).
3.4 Lukijalaitteiden antennit
Lukijalaitteen lähettämät signaalit välitetään siihen liitetyn antennin avulla etätunnis- teelle. Antenni voi olla lukijalaitteen sisällä tai irrallinen. Antennin polarisaation avulla vaikutetaan järjestelmän lukuominaisuuksiin. Polarisaatiolla tarkoitetaan säh
kömagneettisen aallon sähkökenttävektorin ajallista käyttäytymistä. Kuvataan säh- kökenttävektori seuraavasti:
E(t) = 93{(Er + yE,.)e7'u'} = Er costyi - E,, sin ¿ai (3.1) E = sähkökenttävektori
со = kulmanopeus t = aikamuuttuja
Kenttävektorin ajan mukaan piirtämä käyrä riippuu reaali- ja imaginääriosavektorien suhtautumisesta toisiinsa. Vektori kiertää ajan mukana Er :stä - E,. :hin ja siitä edel
leen -Er :hin. Käyttäytymisestä voidaan erottaa kolme eri tapausta:
1. Lineaaripolarisaatio 2. Ympyräpolarisaatio 3. Elliptinen polarisaatio
Lineaarisella polarisaatiolla tarkoitetaan tilannetta, jossa sähkökenttävektori piirtää ajan suhteen suoraa viivaa edestakaisin aallon taajuuden määräämässä tahdissa. Tä-
mä tapahtuu, kun Er = O tai E,. = O tai ErxE,. = O, eli silloin kun komponenteista toi
nen on nolla tai ne ovat yhdensuuntaiset.
Ympyräpolarisaatio syntyy, kun komponentit ovat amplitudiltaan yhtä suuret ja koh
tisuorassa toisiaan vastaan: |E,.| = |E,.| ja Er - E, = 0.
Elliptisellä polarisaatiolla tarkoitetaan tilannetta, jossa kumpikaan edellä esitetyistä ehdoista ei ole voimassa. Tällöin sähkökenttävektori piirtää ajan funktiona ellipsiä, joka sijaitsee aallon etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa (Sihvola, Lindell
2004).
Lukijalaitteen antenneja on pääsääntöisesti kahdenlaisia: lineaari- ja ympyräpolari- soituja. Lineaaripolarisoidut antennit jakautuvat horisontaali- ja vertikaalipolarisoi- tuihin. Radioaallon osuessa rajapintaan horisontaalisesti polarisoidun radioaallon sähkökenttävektori on samassa tasossa radioaallon ja pinnan normaalin kanssa. Ver
tikaalinen polarisaatio tarkoittaa, että radioaallon sähkökenttävektori on kohtisuoras
sa radioaallon ja pinnan normaalin muodostamaa tasoa vasten. Ympyräpolarisoidut antennit lähettävät radioaaltoja spiraalimaisesti. Ympyräpolarisaatiot voidaan jakaa sähkökentän pyörimissuunnan (myötä- tai vastapäivään) mukaan (Sihvola, Lindell 2004).
Järjestelmän suunnittelussa tulee huomioida lukijalaitteen antennin polarisaatio. Jos antennit ovat väärässä polarisaatiossa, signaalin kulku estyy. Käytettäessä lineaaripo- larisoituja antenneja on etätunnisteen antennin polarisaatio oltava samoin päin kuin lukijalaitteen antennin polarisaatio. Esimerkiksi, jos lukijalaitteen antenni on verti
kaalisesti polarisoitunut, on etätunnisteen antenni asetettava vertikaalisesti. Käytettä
essä ympyräpolarisoituja antenneja etätunnisteen asennolla ei ole niin suurta merki
tystä (Lahiri 2005).
Kuvissa 9 ja 10 on esitetty lineaari- ja ympyräpolarisoituneet lukijalaitteen antennit.
Lineaaripolarisoidut antennit lähettävät radioaaltoja tiettyyn suuntaan ja pidemmälle kuin ympyräpolarisoidut antennit. Ne sopivat hyvin tilanteisiin, joissa tiedetään etä
tunnisteen tarkka sijainti. Ympyräpolarisaation luonteesta johtuen tekniikka sopii hyvin tilanteisiin, joissa etätunnisteen asentoa ei ole tarkasti määrätty (Kleist Robert
et al. 2004). Ympyräpolarisoidussa antennissa on suurempi lähetysalue, joten se lu
kee suuremmalta alueelta kuin lineaaripolarisoitu (Lahiri 2005).
Lukuetäisyys ei ole kuitenkaan aina tärkein ominaisuus. Liian voimakkaat signaalit voivat häiritä muita RFID-sovelluksia ja aiheuttaa tarpeettomia heijastuksia. Oleelli
sempaa on muodostaa haluttuun lukualueeseen tasaisen voimakas kenttä ilman kat
vealueita.
Lukijalaitteen antennien sijoittelussa on huomioitava, etteivät vierekkäisten järjes
telmien antennien lähettämät kentät häiritse toisiaan, esimerkiksi antennien säteily- kuviot eivät osu lukualueella päällekkäin. Käytännössä tilanne voidaan välttää sijoit
tamalla antennit riittävän kauaksi toisistaan, laskemalla lähetystehoa tai kiinnittämäl
lä antennien väliin Faradayn häkkiä jäljittelevä rei’itetty suojalevy.
Kuva 9: Lineaaripolarisoitunut antenni (Kleist Robert et ai. 2004)
Kuva 10: Ympyräpolarisoitunut antenni (Kleist Robert et ai. 2004)
3.5 RFID-järjestelmän ohjelmistorakenne
RFID-jäijestelmän ohjelmistorakenne vaihtelee käyttötarkoituksen ja ominaisuuksien mukaan. RFID-jäijestelmän ohjelmistorakenne voidaan jaotella eri tavoin, mutta pääsääntöisesti se jakautuu kolmeen eri osaan:
• RFID-laitteiston ohjelmisto
• Integrointiohjelmisto (middleware)
• Tietojärjestelmä
RFID-laitteiston ohjelmisto sisältää tarvittavat toiminnot lukijalaitteen ja etätunnis- teen viestiliikenteen hoitamiseksi. Alemman tason ohjelmisto (firmware) suorittaa fyysisen tason kommunikoinnin muokkaamalla radiosignaalia. Ylemmän tason oh
jelmisto suorittaa tietovirtojen ohjausta tunnisteen ja lukijan välillä. Näitä toimintoja ovat tunnisteiden lukeminen ja kirjoittaminen, törmäyksen esto, virheiden käsittely sekä tietoturvaan liittyvät toiminnot.
Lukeminen ja kirjoittaminen ovat ohjelmiston perustoimintoja. Lukijalaitteisto voi pyytää etätunnisteelta tietoja sen muistista tai kirjoittaa tähän muistiin. Törmäyk- senestotoimintoja tarvitaan, kun lukijalaitteen kentässä on useampia etätunnisteita, joita täytyy lukea samanaikaisesti. Ohjelmiston täytyy estää, etteivät tunnisteet vas
taa lukijalaitteelle yhtä aikaa.
RFID-laitteiston ohjelmistossa voi olla myös virheiden tunnistus- ja korjausjärjes- telmä, joka havaitsee ja koijaa tiedonsiirrossa tapahtuneita virheitä. Tietoturvaan liit
tyvät toiminnot sisältävät valtuutuksen, salauksen ja vastaanottajan tunnistamisen.
Näitä toimintoja käytetään, kun tietoliikenteessä välitetään arkaluontoisia tietoja.
Integrointiohjelmisto (middleware) yhdistää RFID-laitteiston ohjelmiston yrityksen tietojärjestelmään. Lisäksi se ohjaa lukijalaitetta ja valvoo sen toimintakuntoa. Kun
nonvalvonnan tehtävänä on vikatilan sattuessa lähettää tarvittava hälytys. Integroin
tiohjelmisto välittää lukijalaitteen lähettämiä tietopaketteja tietojäijestelmään muoka
ten niitä tietojäijestelmän ymmärtämään muotoon. Muokkaaminen käsittää ylimää
räisen tiedon poistamisen ja siirrettävän tiedon muuttamisen oikeanmuotoiseksi. Tie
don prosessointi on erityisen tärkeää jäijestelmissä, joissa on usean eri valmistajan toimittamia laitteita, jotka välittävät erimuotoisia tietopaketteja.
Tietojärjestelmällä tarkoitetaan tässä yhteydessä yrityksen tuotannonohjausjärjestel
mää tai sen osaa, esimerkiksi varastonhallintaohjelmistoa. Tietojärjestelmän ei tarvit
se olla kehitetty RFID-järjestelmää varten, koska integrointiohjelmisto hoitaa tarvit
tavan tiedon välityksen. Tietojärjestelmä vastaanottaa integrointiohjelmiston käsitte
lemän tiedon. Integrointia helpottaa, jos tietojärjestelmään voidaan syöttää tietoa au
tomaattisesti. Mikäli yrityksellä ei ole käytössään tarvittavaa tietojärjestelmää, sellai
nen on kehitettävissä RFID-järjestelmää ja tarvittavan tiedon keräämistä varten.
RFID:n tuottamaa tietoa käsitellään etätunnisteissa, lukijalaitteessa sekä yrityksen tietoverkossa. Alemman tason ohjelmisto suoritetaan etätunnisteissa ja lukijalaittees
sa. Integrointiprosessi voidaan suorittaa lukijalaitteen ja erillisen tietokoneen välillä.
Erillinen tietokone on yhteydessä yrityksen tietoverkkoon (Bhuptani, Moradpour 2005, Lahiri 2005).
3.6 Käytettävät taajuusalueet
RFID-jäijestelmässä käytettävä taajuusalue määrää sen toimintaperiaatteen ja sen myötä etätunnisteen luentaetäisyyden. Eri taajuusalueilla olevat radioaallot käyttäy
tyvät eri tavoin osuessaan materiaalirajapintoihin (Kleist Robert et ai. 2004). Taulu
kossa 2 on vertailtu eri taajuuksilla toimivien RFID-järjestelmien aallonpituuksia ja luentaetäisyyksiä.
28
Taulukko 2: Taajuusalueiden ominaisuuksia (Lindell 2002, Kleist Robert et ai. 2004)
Luokituskoodi Taajuusalue [MHz]
Taajuus [MHz]
Aallonpituus [m]
Lukuetäisyys [m]
LF 0,03 - 0,30 0,100-0,500 3000 - 600 0,5
HF 3-30 13,56 22,1 1
UHF (Eurooppa) 300 - 3000 866 0,346 6
UHF (USA) 300 - 3000 915 0,328 6
Mikroaallot 1000-30000 2450 0,122 1-3
3.7 RFID-standardit
RFID:stä on joukko standardeja, joiden avulla on pyritty yhtenäistämään laitteiden välisiä rajapintoja. Toimiva RFID-standardointi mahdollistaa eri laitevalmistajien etätunnisteiden ja lukijalaitteiden välisen tiedonvälityksen. Tämän etuna on riippu
mattomuus laitetoimittajista ja edullisemmat laitekustannukset. Tällä hetkellä keskei
simmät RFID-standardit ovat EPCglobal ja ISO-jäijestojen julkaisemat. RFID:hen liittyviä standardeja ovat julkaisseet myös muun muassa American National Stan
dards Institute (ANSI), European Telecommunications Standards Institute (ETSI), European Radio communications Office (ERO) sekä American Society for Testing and Materials (ASTM) (AIM 2006).
3.7.1 EPCglobal
EPCglobal on European Article Numbering CounciV.in (EAN) ja Uniform Code Councikin (UCC) vuonna 2003 perustama organisaatio, jonka tavoitteena on luoda kansainvälinen sähköinen tunniste EPC (Electronic Product Code). Sen avulla voi
daan identifioida mikä tahansa logistiikkaketjussa oleva tuote. EPC on numerosaija, joka on ryhmitelty tietokenttiin. Ne muodostavat yksilöllisen tuotenumeron. Tieto- kentät sisältävät tiedon käytettävästä EPCversiosta, tuotteen valmistajasta, tuoteryh
mästä ja yksilöllisestä sarjanumerosta. EPC-tunnisteet on määritelty 96-256 bittisek-
si. 256-bittisen tunnisteen avulla voidaan muodostaa 1,2*1077 yksilöllistä tuotenume
roa (Kleist Robert et ai. 2004).
EPCglobal Network on EPCglobalin kehittämä toimintamalli, jonka avulla pyritään luomaan automaattinen tunnistusmenetelmä toimitusketjuihin. Tavoitteena on RFID-jäijestelmien yhteensopivuus, mikä puolestaan mahdollistaisi kansainvälisesti yhteensopivan sähköisen tunnisteen. Malli muodostuu viidestä pääosasta. Ne ovat EPC, tunnistusjäijestelmä, EPC-integrointiohjelmisto, EPC-informaatiopalvelut (EPCIS) sekä tiedon etsimispalvelu. Tunnistusjäijestelmä muodostuu lukijalaitteista ja etätunnisteista, joihin on tallennettu EPC-tunniste. EPC-integrointiohjelmisto yh
distää tunnistusjäijestelmän yrityksen informaatiojärjestelmään. EPC- informaatiopalvelut mahdollistavat EPC-tunnisteisiin liittyvän tiedon välittämisen toimitusketjun toimijoiden välillä. Tiedon etsimispalvelun avulla voidaan löytää tie
toa EPC-tunnisteista. Tiedon etsimispalvelun keskeinen osa on Object Name Service (ONS), avulla voidaan etsiä tiettyyn EPC-tunnisteeseen liittyvää tietoa (EPCglobal 2006a ja Bhuptani, Moradpour 2005).
EPCglobal on lisäksi julkaissut määritelmiä ja standardeja, jotka kuuluvat osittain EPCglobal Network:iin. EPCglobalin julkaisemat standardit ovat (EPCglobal 2006b):
• EPC etätunnisteen tietorakennestandardi, joka määrittelee ECP-tunnisteen tie
torakenteen (EPC Tag Data Standard)
• Luokkaan 1 kuuluvien toisen sukupolven UHF-tunnisteiden fyysisen tason toimintastandardi, joka määrittelee alemman tason yhteiskäytännön lukijalait
teen ja etätunnisteen välillä (Class 1 Generation 2 UHF Air Interface Protocol Standard)
• Ohjelmistotason tapahtumien (Application Level Event, ALE) määrittelyyn liittyvä standardi (versio 1.0) käsittelee rajapintaa, jonka kautta voidaan välit
tää vakiomuotoisia tietopaketteja RFID-jäijestelmästä (esimerkiksi lukijalait
teilta) (Application Level Event (ALE) Specification)
• Kappaleiden nimeämispalvelu (Object Naming Service, ONS) - standardi, joka määrittelee kuinka intemet-teknologian domain name system:iä (DNS)
käytetään hyödyksi EPC-tunnisteisiin liittyvän metatiedon etsinnässä. (Object Naming Service (ONS) Specification)
EPCglobalin julkaisemat määrittelyt ovat (EPCglobal 2006b):
• Taajuusalueilla 900 MHz (luokka 0), 13,56 MHz ISM kaista (luokka 1) ja 860-900 MHz (luokka 1) toimivien etätunnisteiden määrittelyt. Ne käsittele
vät kommunikointirajapintaa ja - protokollaa, jotka mahdollistavat etätunnis
teiden ja lukijalaitteiden viestinvälityksen. (900 MHz Class 0 Radio Fre
quency (RF) Identification Tag Specification, 13.56 MHz ISM Band Class 1 Radio Frequency (RF) Identification Tag Interface Specification ja 860MHz - 930 MHz Class 1 Radio Frequency (RF) Identification Tag Radio Frequency
& Logical Communication Interface Specification)
• Toisen sukupolven UHF-taajuusalueella (luokka 1) toimivien etätunnisteiden ja lukijalaitteiden välisen kommunikoinnin määrittely, joka käsittelee fyysi
sen tason viestin muodostusta ja viestien välittämistä etätunnisteiden ja luki
jalaitteiden välillä. (Class-1 Generation-2 UHF RFID Conformance Require
ments Specification)
• Määrittely EPCglobal network:istä. (EPCglobal Architecture Framework) Luokkakoodit määrittelevät etätunnisteen mallin. Luokkaan 0 kuuluvat etätunnisteet ovat passiivisia, tehtaalla valmiiksi ohjelmoituja tunnisteita. Luokka 1 tarkoittaa WORM-tunnisteita. Luokka 3 sisältää puoliaktiiviset tunnisteet. Luokkaa 4 kuuluu aktiiviset tunnisteet. Toisen sukupolven tunnisteilla tarkoitetaan UHF-taajuusalueella toimivia tunnisteita, joissa on muun muassa tuhoamis- ja virheenkoijaustoiminto (Kleist Robert et ai. 2004).
3.7.2 ISO-standardit
International Organization for Standardization (ISO) on kansallisten standardointijär
jestöjen liitto. Sillä on useita kymmeniä RFID-teknologiaan liittyviä standardeja.
EPCglobal on pyrkinyt muokkaamaan omia vastaavia standardejaan ISO:n vastaavi
en standardien mukaisiksi. Merkittävimmät ISO:n julkaisemat logistisiin prosessei
hin liittyvät standardit ovat (Bhuptani, Moradpour 2005):
• ISO 10374, joka käsittelee rahtikonttien automaattista tunnistamista
• ISO 15961, 15962 ja 15963, jotka käsittelevät automaattista tunnistamista ja tiedon keruuta logistiikassa. Standardit sisältävä RFID:hen liittyviä määritte
lyjä muun muassa tavaroiden hallinnasta, käytettävästä protokollasta, ohjel
mistorajapinnasta ja tiedon enkoodauksesta.
• ISO 18000 - saija, joka sisältää useita RFID-teknologian käyttöön tavaroiden hallinnassa liittyviä standardeja. ISO 18000-standardin osat 1-6 sisältävät määrittelyjä käytettävistä ilmatiekommunikointirajapinnoista eri RFID- taajuusalueilla. 18046 ja 18047 - standardit sisältävät määrittelyt laitteistojen yhteensopivuus- ja suorituskykytestauksesta.
ISO 18000-6:2004 - standardi käsittelee UHF-taajuusalueella (860MHz - 960 MHz) toimivien RFID-jäijestelmien toimintaa. Standardi sisältää kommunikointimallit Aja B, jotka käyttävät erillisiä koodaus- ja törmäyksenestotekniikoita. Standardi sisältää myös määritelmät muun muassa käytettävästä taajuusalueesta, kanavan tarkkuudesta (operating channel accuracy), varatun kaistan leveydestä sekä tiedon pakkaamisesta ja laadusta (ISO 2006).
3.7.3 Johtopäätökset
RFID-teknologiaan liittyviä standardeja on runsaasti, mikä on varmasti osaltaan hi
dastanut yksittäisten standardien käytön yleistymistä. RFID-teknologian käyttö yleis
tyisi nopeammin, jos etätunnisteiden ja lukijalaitteiden tiedonvälitys perustuisi pie
neen määrään standardeja. Hyväksi todetut standardit lisäävät luottamusta uuteen tekniikkaan ja alentavat yrityksien kynnystä ottaa RFID-tekniikkaan käyttöön.
Markkinoilla olevien laitteiden ominaisuuksia tutkimalla saa käsityksen, että tuki tie
tyille standardeille olisi yleistymässä. Nämä ovat EPCglobalin julkaisema luokkaan 1 kuuluvien toisen sukupolven UHF-tunnisteiden fyysisen tason toimintaa käsittelevä ja ISO 18000-6 standardit. Ne määrittelevät etätunnisteen rakennetta ja lukijalaitteen välistä tiedonsiirtoa. EPCglobalin julkaisemassa standardissa määriteltyä tekniikkaa hyödyntävät etätunnisteet ovat edullisia valmistaa.
4 RFID:n toiminta fysikaalisella tasolla
Tässä luvussa käsitellään RFID:n toimintaperiaatetta fysikaalisella tasolla. Lisäksi selvitetään, mitkä fysikaaliset tekijät vaikuttavat RFID-teknologian toimivuuteen.
Fysikaaliset ilmiöt kuvataan vain lyhyesti, koska teorioiden tarkempi fysikaalinen käsittely ei sisälly diplomityön aihepiiriin. Luvussa on käsitelty kattavammin UHF- jäijestelmiä kuin LH- ja HF- taajuusalueella toimivia järjestelmiä, koska diplomityön
kokeellisessa osassa kehitetään UHF-tekniikkaa käyttävä sovellus.
4.1 Yhteyden muodostaminen ja tiedon välitys
RFID-jäijestelmien toimintaperiaate riippuu käytettävästä taajuusalueesta. Lukijalai
te ja etätunniste muodostavat toisiinsa fyysisen tason yhteyden kytkeytymällä. Kyt
keytyminen voi tapahtua induktiivisesti, kapasitiivisesti tai sähkömagneettisesti. Seu- raavassa käsitellään induktiivista ja sähkömagneettista kytkeytymistä, koska ne ovat yleisimmät logistisissa prosesseissa käytettävien RFID-järjestelmien kytkeytymista- vat (Finkenzeller 2003).
LF- ja HF-taajuusalueita käyttävät etätunnisteet toimivat niin sanotussa lähikentässä (near field). UHF-tunnisteet toimivat puolestaan kaukokentässä (far field). Lähiken- tällä tarkoitetaan aluetta, joka on alle yhden aallonpituuden mitan päässä lukijalait
teesta. Kaukokenttä on puolestaan yli yhden aallonpituuden päässä lukijalaitteesta.
Lähikentän vaihtuessa kaukokentäksi sähkömagneettinen säteily irtoaa antennista muodostaen radioaallon. Alempitaajuiset LF- ja HF-tunnisteet käyttävät tiedonväli
tyksessä induktiivista kytkentätapaa, joka vastaa muuntajan toimintatapaa. UHF- tunnisteiden ja lukijalaitteiden välinen tiedonsiirto tapahtuu radioaaltojen välityksellä (Lahiri 2005).
4.1.1 Induktiivisesti kytkeytyvät järjestelmät
Lukutapahtuman alkaessa lukijalaitteen antennin ympärillä oleva magneettikenttä synnyttää virran etätunnisteen antenniin ja se puolestaan toisen magneettikentän, jon
ka lukijalaite havaitsee. Tämä ilmiö kytkee lukijalaitteen ja etätunnisteen sähköisesti toisiinsa (induktiivinen kytkeytyminen).
Tiedonvälitys lukijalaitteen ja etätunnisteen välillä tapahtuu kuormamodulaation avulla (load modulation). Siinä muutetaan etätunnisteen virtapiirin vastusta tai impe
danssia, mikä aiheuttaa muutoksen antennin kautta kulkevaan virtaan. Virran muutos puolestaan muuttaa lukijalaitteen havaitseman magneettikentän voimakkuutta. Virta
piirin kuorman muutos suoritetaan kytkemällä esimerkiksi antennin kanssa samassa virtapiirissä olevaa vastusta tai kondensaattoria transistorikytkimen avulla. Kytkey
tymistä ohjataan etätunnisteen sisältämän tiedon mukaan (Finkenzeller 2003).
4.1.2 Sähkömagneettisesti kytkeytyvät järjestelmät
Sähkömagneettisella kytkeytymisellä tarkoitetaan viestintää radioaaltojen välityksel
lä. Radioaaltojen avulla voidaan viestiä antennin kaukokentässä. Tällöin lukijalaite ja etätunniste lähettävät toisilleen itsenäisiä radioaaltoja (Finkenzeller 2003).
Lukijalaitteen ja etätunnisteen välinen viestintä tapahtuu takaisinsirontamodulaation (modulated backscatter) avulla. Kommunikointitapahtuma lukijalaitteen ja etätunnis
teen välillä alkaa, kun lukijalaite lähettää signaalin (kuva 11). Signaali sisältää säh
köenergian ja kellosignaalin etätunnistetta varten. Kellosignaali on asetettu taajuu
teen, jolla etätunniste toimii (carrier frequency). Radioaallon kohdatessa etätunnis
teen se indusoi etätunnisteen antenniin jännitteen. Jännite käynnistää etätunnisteessa olevan mikropiirin. Käynnistymisen jälkeen mikropiiri muokkaa etätunnisteeseen indusoitunutta signaalia kytkemällä antennin kanssa rinnan olevaa vastusta. Tämä kytkentä suoritetaan mikropiirin sisältämän tiedon mukaan. Lukijalaite vastaanottaa moduloidun signaalin ja tulkitsee sen sisältämän tiedon. Passiivisten ja puolipassii- visten etätunnisteiden sekä lukijalaitteen välinen viestintä alkaa aina lukijalaitteen lähettämästä signaalista (Lahiri 2005, Finkenzeller 2003).
Lukijalaite
Tiedonsiirto
Kellosignaali
Sähköenergia
rK Etätunniste
Kuva 11: Lukijalaitteen ja etätunnisteen välinen kommunikointi
4.1.3 Modulointi-, johtokoodaus- ja törmäyksenestotekniikat
Sähköisessä viestinvälityksessä tietoa siirretään signaalin ominaisuuksia muuttamal
la. Moduloinnissa yhdistetään vakiotaajuinen kantoaalto ja moduloiva signaali, joka sisältää välitettävän informaation. Moduloivan signaalin muutokset muuttavat modu
lointitekniikasta riippuen yhdistämisestä syntyvän signaalin amplitudia, taajuutta tai vaihetta. Näistä käytetään nimitystä amplitudimodulaatio (AM), taajuusmodulaatio (FM) tai vaihemodulaatio (PM). Moduloinneilla on vastaavat digitaaliset muunnok
set: ASK-, FSK-ja PSK-modulaatiot.
Digitaalisen signaalin siirtämiseen käytetään johtokoodausta. Se määrää, minkälaisen sähköisen esitysmuodon bitit saavat. Yksinkertaisimmillaan johtokoodaus syntyy kahdesta eri jännitetasosta, joista toinen kuvaa ykköstä ja toinen nollaa (NRZ- koodaus). Muita johtokoodaustekniikoita on Manchester-koodaus ja RZ-koodaus (Willa, Uusitupa 2001).
Törmäyksenestotekniikoita tarvitaan, jos lukijalaitteen kentässä on useita etätunnis- teita. Tilanne on ongelmallinen, jos useat etätunnisteet yrittävät lähettää tietoa lukija- laitteelle samanaikaisesti. Tällöin etätunnisteiden lähettämät signaalit sekoittuvat, eikä lukijalaite pysty lukemaan niitä. RFID-tekniikassa käytettävät törmäyksenesto
tekniikat perustuvat usein satunnaisiin lähetysviiveisiin. Yksinkertaisimmillaan toi
minnon voi toteuttaa siten, että lukijalaite käskee tunnisteet satunnaiseksi ajaksi odo
tustilaan, jonka aikana etätunnisteet eivät lähetä tai vastaanota viestejä (Finkenzeller 2003, Bhuptani, Moradpour 2005).
RFID-tekniikassa käytettävät modulointi-, johtokoodaus ja törmäyksenestotekniikat riippuvat käytettävästä standardista. EPCglobalin toisen sukupolven UHF- etätunnisteita koskeva standardi (EPCglobal 2006c) määrittelee käytettäväksi lukija- laitteelta etätunnisteelle välitettävälle tiedolle ASK-modulaatiota ja PIE-koodausta.
Etätunnisteelta lukijalaitteelle välitettävässä tiedonsiirrossa käytetään ASK- tai PSK modulaatiota ja FM0- tai Miller-koodausta. Törmäyksiä pyritään estämään siten, että etätunnisteet vastaavat satunnaisesti lukijalaitteiden viesteihin. ISO 18000-6a- standardi määrittelee käytettäväksi pulssi-intervallikoodausta (Pulse Interval Enco
ding, PIE) sekä ALOHA-törmäyksenestoa. ISO 18000-6b-standardi käyttää binääri- puutörmäyksenestoa (adaptive binary tree collision arbitration algorithm) sekä Man-
4.2 Fysikaaliset edellytykset kytkeytymiseen
Edellä käsiteltiin lukijalaitteen ja etätunnisteen välistä yhteydenmuodostamista ja tiedonsiirtoa. RFID-j äij estelmässä tunnistustapahtuman tulee olla mahdollisimman luotettava. Epäonnistunut tunnistamistapahtuma saattaa johtua liian heikosta signaa- litiestä, jolloin lukijalaite ja etätunniste eivät saa yhteyttä toisiinsa. Seuraavassa pe
rehdytään tarkemmin, mitkä asiat vaikuttavat muodostetun yhteyden syntyyn ja voi
makkuuteen.
Kuten aiemmin jo todettiin, passiiviset ja puolipassiiviset etätunnisteet saavat tarvit
tavan sähköenergian lukijalaitteen lähettämästä signaalista. Induktiivisessa kytkey
tymisessä (LF- ja HF-taajuusalueet) lukijalaitteen antennin ympärillä oleva magneet
tikenttä indusoi virran etätunnisteeseen. Sähkömagneettisessa kytkeytymisessä (UHF-taajuusalue) puolestaan lukijalaitteen lähettämän radioaallon magneettikenttä- komponentti indusoi virran etätunnisteen antenniin.
4.2.1 Induktiiviseen kytkeytymiseen vaikuttavat tekijät
Tarkastellaan induktiivista kytkeytymistä lukijalaitteen ja etätunnisteen väillä. Olete
taan, että lukijalaitteen antennin magneettivuosta фх kulkee osa фи etätunnisteen an
tennin kautta. Tällöin on voimassa:
Фм
~L\2I\
(4.1)Ln = Antennien välinen keskinäisinduktanssi /j = Lukijalaitteen antennissa kulkeva virta
Keskinäisinduktanssi määrää etätunnisteen antennin läpikulkevan magneettivuon, jonka lukijalaitteen antenni synnyttää. Mitä suurempi keskinäisinduktanssi, sitä suu
rempi virta syntyy etätunnisteen antenniin. Jos antennit ovat samalla akselilla, keski- näisinduktio on verrannollinen antennien pinta-aloihin ja silmukoiden kierroslukui
hin sekä kääntäen verrannollinen niiden väliseen etäisyyteen. Jos antennit eivät ole samalla akselilla, tarkastelu muuttuu monimutkaisemmaksi. Tällöin keskinäisinduk- tion voimakkuuteen vaikuttaa pinta-alan ja silmukoiden kierrosluvun lisäksi lukija- laitteen antennin synnyttämän magneettikentän muoto sekä etätunnisteen antennin asema tähän kenttään nähden (Lindell, Sihvola 2002).
RFID-järjestelmän suunnittelun kannalta merkittävin tekijä on lukijalaitteen antennin synnyttämän magneettikentän muoto ja sen voimakkuus. Antennien ominaisuudet riippuvat usein laitteistovalmistajasta. Aseteltaessa etätunnisteita tulee huomioida, että riittävän voimakas magneettivuo kulkee antennin läpi.
4.2.2 Sähkömagneettiseen kytkeytymiseen vaikuttavat tekijät
Radioaalloissa on sähkö- ja magneettikenttäkomponentit, jotka ovat kohtisuorassa toisiaan nähden (Räisänen, Lehto 2003). Etätunnisteen antenniin indusoituva jännite riippuu tasoaallon voimakkuudesta ja tulosuunnasta. Antennin vastaanottamaan te
hoon voidaan vaikuttaa sovittamalla antennin polarisaatio vastaanotettavan aallon polarisaation kanssa. Antenneille voidaan määrittää tehollinen pituusvektori, johon vaikuttaa antennin ominaisuuksien lisäksi vastaanotettavan aallon tulosuunta. Esi
merkiksi dipoliantennillle tehollinen pituusvektori on sama kuin dipolin pituus aallon tullessa kohtisuoraan dipolia vastaan. Tulevan kentän ollessa lineaarisesti polarisoi
tunut antennin tehollisen pituusvektorin on oltava samaan suuntaan lineaarisesti po
larisoitunut vektori. Jos kenttä on elliptisesti polarisoitunut, pituusvektorin tulee olla samalla tavoin elliptisesti polarisoitunut, mutta sen kiertosuunnan on oltava päinvas
tainen (Lindell, Nikoskinen 1995). Kuvassa 12 on esitetty dipoliantennien polarisaa
tioita, kun radioaalto saapuu kohtisuoraan antennia kohden.
E = Sähkökenttä H = Magneettikenttä
Kuva 12: Vertikaalisen ja horisontaalisen dipoliantennin polarisaatiot aallon saapu
essa kohtisuoraan vasten antennia (Finkenzeller 2003)
Kohdassa 3.4 on käsitelty lukijalaitteen antenneja ja niiden lähettämien aaltojen pola
risaatioita. Käytettäessä lineaarisesti polarisoituja antenneja tulee etätunnisteen dipo- liantenni sijoittaa oikein lukijalaitteen antenniin nähden. Ympyräpolarisoitujen an
tennien sijoittelu on vapaampaa, sillä dipoliantennin kiertokulma ei vaikuta signaali- tien voimakkuuteen. Vinossa kulmassa etätunnisteen antenniin saapuvan radioaallon tarkastelu on hieman monimutkaisempaa. Voimakkain yhteys saadaan, kun aalto tu
lee kohtisuorassa antenniin nähden. Mitä loivemmassa kulmassa aalto saapuu, sitä enemmän yhteyden voimakkuus heikkenee.
4.3 Häiriöitä aiheuttavat väliainerajapinnat
Seuraavassa tutustutaan magneettivuon ja radioaaltojen käyttäytymiseen niiden osu
essa väliaineraj apintoihin. RFID-teknologian etu muihin tunnistustekniikoihin näh
den on, ettei se välttämättä vaadi suoraa näköyhteyttä tunnisteeseen. Tilanne ei kui
tenkaan ole käytännössä näin yksinkertainen. Tehdasympäristössä olevat materiaalit aiheuttavat häiriöitä sekä estävät magneettivuon ja radioaaltojen etenemistä. Tällä on vaikutusta yhteydenmuodostukseen ja tunnistustapahtuman onnistumiseen.
4.3.1 Magneettivuon käyttäytyminen väliainerajapinnassa
Magneettivuon osuessa magneettisesti polarisoivaan aineeseen sen muotoja voimak
kuus muuttuvat. Tällaisten aineiden suhteellinen permeabiilisuus on suurempi tai pie
nempi kuin yksi (Lindell, Sihvola 2002). Magneettivuon käyttäytymiseen vaikuttavat erityisesti ferromagneettiset ja hyvin sähköä johtavat materiaalit. Magneettivuo ete- nee tällöin esimerkiksi sähköisten eristeiden läpi vaimentumatta lainkaan.
Ferromagneettisille aineiden suhteellinen permeabiilisuus (jur) on paljon suurempi kuin yksi (jur »1). Ferromagneettiset aineet johtavat tällöin hyvin magneettivuota.
Magneettivuon osuessa ferromagneettiseen aineeseen se vaimenee merkittävästi.
Osuessaan diamagneettiseen kappaleeseen magneettivuo indusoi siihen sähkövirran.
Se aiheuttaa puolestaan ympärilleen magneettivuon, joka pyrkii kumoamaan alkupe
räisen kappaleeseen tunkeutuneen magneettivuon (TTY 1997). Taulukossa 3 on esi
telty muutamia dia- ja ferromagneettisia materiaaleja.
Taulukko 3: Eri materiaalien suhteellisia permeabiilisuuksia ja johtavuuksia Materiaali Suhteellinen
permeabiilisuus, /tr
Johtavuus,
a [1/ÎÎ m]
Tislattu vesi 0,999991 1,0*10"4
Kupari 0,999991 58,0 *106
Hopea 0,99998 62,0*106
Lyijy 0,999983 5,0*106
Nikkeli 600 684,0*106
Teräs 2000 2,0*106
Rauta 5000 1,0*106
Magneettivuo läpäisee pääsääntöisesti kaikki muut kuin hyvin sähköä johtavat ja fer
romagneettiset materiaalit. Induktiivisesti kytkeytyvät jäijestelmät (LF- ja HF- taajuusalueet) sopivat siten käytettäväksi myös ympäristöissä, joissa on nesteitä tai metallipintoja (Lahiri 2005).
4.3.2 Radioaaltojen käyttäytyminen väliainerajapinnoissa
Radioaaltoja tarkastellaan tässä työssä tasoaaltoina. Tasoaalto on radioaalto, joka ete- nee vain yhden paikkakoordinaatin suhteen. Todellisuudessa tasoaaltoja ei ole ole
massa, sillä ne kuljettavat ääretöntä tehoa. Syvällisempää radioaaltojen tarkastelua ei tehdä tässä diplomityössä. Tarkastelu tasoaallon avulla antaa kuitenkin riittävän hy
vän tarkkuuden, koska antennin säteilemää radioaaltoa voidaan pitää paikallisesti tasoaaltona (Sihvola, Lindell 2004).
Tarkastellaan tasoaallon käyttäytymistä, kun se saapuu väliaineesta 1 kohtisuoraan väliaineen 2 rajapintaan. Radioaallon osuessa väliainerajapintaan 2 osa aallosta lä
päisee rajapinnan ja osa heijastuu takaisin. Saapuneen radioaallon rajapinnan läpäi
sevän ja takaisin heijastuvan tehon osuus riippuu materiaalirajapintojen permitiivi- syyksistä ja radioaallon taajuudesta. Heijastuneen aallon teho lasketaan kaavasta (kaava johdettu liitteessä 1):
\r\2 =
V
№r2 л1£г2 л[К.
ег ,
'J
Mr2 + у1£г2 лIK
£Г ,
(4.2)
