Etätunnistusteknologian kehitys meillä ja maailmalla

Transkriptio

1 Vallankumouksellinen RFID Etätunnistusteknologian kehitys meillä ja maailmalla Heikki Seppä Tekesin katsaus 249/2009

2

3 Vallankumouksellinen RFID Etätunnistusteknologian kehitys meillä ja maailmalla Heikki Seppä Marjo Uusikylä (toim.) Tekesin katsaus 249/2009 Helsinki 2009 Tekes

4 Tekes rahoitusta ja asiantuntemusta Tekes on tutkimus- ja kehitystyön ja innovaatiotoiminnan rahoittaja ja asiantuntija. Tekesin toiminta auttaa yrityksiä, tutkimuslaitoksia, yliopistoja ja korkeakouluja luomaan uutta tietoa ja osaamista ja lisäämään verkottumista. Tekes jakaa rahoituksellaan teollisuuden ja palvelualojen tutkimus- ja kehitystyön riskejä. Toiminnallaan Tekes vaikuttaa liiketoiminnan kehittymiseen, elinkeinoelämän uudistumiseen, kansantalouden kasvuun, työllisyyden vahvistumiseen ja yhteiskunnan hyvinvointiin. Tekesillä on vuosittain käytettävissä avustuksina ja lainoina noin 500 miljoonaa euroa tutkimus- ja kehitysprojektien rahoitukseen. Tekesin ohjelmat valintoja suomalaisen osaamisen kehittämiseksi Tekesin ohjelmat ovat laajoja monivuotisia kokonaisuuksia, jotka on suunnattu elinkeinoelämän ja yhteiskunnan tulevaisuuden kannalta tärkeille alueille. Ohjelmilla luodaan uutta osaamista ja yhteistyöverkostoja. Ohjelmien aiheiden valinnat perustuvat Tekesin strategian sisältölinjauksiin. Tekes ohjaa noin puolet yrityksille, yliopistoille, korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille myöntämästään rahoituksesta ohjelmien kautta. Copyright Tekes Kaikki oikeudet pidätetään. Tämä julkaisu sisältää tekijänoikeudella suojattua aineistoa, jonka tekijänoikeus kuuluu Tekesille tai kolmansille osapuolille. Aineistoa ei saa käyttää kaupallisiin tarkoituksiin. Julkaisun sisältö on tekijöiden näkemys, eikä edusta Tekesin virallista kantaa. Tekes ei vastaa mistään aineiston käytön mahdollisesti aiheuttamista vahingoista. Lainattaessa on lähde mainittava. ISBN ISSN Kannen kuva: VTT Toimitus: Info Plus Taitto: Promedia Studio Paino: Libris, 2009

5 Esipuhe Tekes on käynnistänyt joukon selvityksiä, joissa kuvataan jonkin tietyn avainteknologian tai tieteellisen perushavainnon kehityspolku liiketoimintaosaamiseksi. Tarkasteltaviksi on valittu jo liiketoiminnan käynnistymiseen johtaneita kohteita, joilla on kansainvälisillä markkinoilla merkittävää liiketoimintapotentiaalia. Useita yrityksiä koskettavana tämä tarkastelu poikkeaa olennaisesti yksittäisten yritysten historiikeista. Tekes on ollut vahvasti mukana kohteeksi valittujen alojen kehityksessä. Kansainväliseen menestykseen johtaneet kilpailukykytekijät ovat muodostuneet pitkän innovaatioprosessin aikana. Vankan kilpailuaseman saavuttaminen on vienyt aikaa muutamasta vuodesta kymmeniin vuosiin. Edellytyksenä on ollut pitkäjänteinen uurastus ja selkeät strategiset visiot. Verkostoilla on ollut keskeinen vaikutus kansainvälisen läpimurron toteutumiseen. Tekes on valinnut kunkin kuvauksen kirjoittajaksi kyseisen kehityspolun tuntijan, joka on saattanut itsekin osallistua kehitystyöhön sen eri vaiheissa. Kehityspolku pyritään kertomaan sellaisena, kuin osallistuneet ovat itse sen alan sisältä nähneet. Kuvaukseen on valikoitu olennaisimmat havainnot kehityspolun varrelta. Kevään ja kesän 2009 aikana julkaistaan ensimmäiset kehityspolkujen kuvaukset. Jatkossa vastaavia kuvauksia on tarkoitus tehdä lisää. Tässä raportissa Heikki Seppä valottaa RFID-teknologian kehitystä. Tekes on rahoittanut viimeisten kymmenen vuoden aikana RFID-teknologian kehitystä yli 70 tutkimus- ja kehitysprojektissa yliopistoissa, tutkimuslaitoksissa ja yrityksissä. Huhtikuussa 2009 Tekes 3

6 Tekijän alkusanat Tässä Tekesin toimeksiannosta laaditussa katsauksessa kuvataan radiotaajuustunnistamisen eli RFID-teknologian ja sen sovellusten kehitystä Suomessa vuosina Tarkastelussa keskitytään niin kutsuttuun RFID-rautaan ei niinkään järjestelmiin tai ohjelmistoihin. Raportti ei pyri olemaan täysin objektiivinen. Enhän ulkopuolisena henkilönä voi tuntea yritysten päätöksiä ja suunnitelmia jo hyvissä ajoin ennen mahdollisten tuotteiden julkistamista. Näillä on kuitenkin suunnaton merkitys innovaatioprosesseissa. Olen itse monella tavoin ollut mukana alan innovaatioprosessissa aina 1990-luvun alusta lähtien. Meillä VTT:llä lähtökohta ja kiinnostus alaan oli erikoinen. Jo 1980-luvun lopulla meitä kiinnostivat langattomat suurtaajuiset tiedonsiirtomenetelmät mittausantureiden lukemisessa. Tämä johdatti meidät RFID-alalle. Emme siis olleet kiinnostuneet tästä teknologiasta niinkään tieteellisesti, vaan välineenä päästä lukemaan käsilukulaitteen eli matkapuhelimen avulla ympäristön kohteita. Pidän RFID-teknologiaa sovelluksineen vallankumouksellisena, joten kykyni kirjoittaa tästä aiheesta tyynen harkitsevaisesti ja täysin objektiivisesti on hieman puutteellinen. Tästä huolimatta uskon katsaukseni antavan varsin hyvän kuvan RFID-teknologian historiasta ja nykytilasta sekä tarjoavan eväitä lähdettäessä vastaamaan alan tulevaisuuden haasteisiin. Espoossa, helmikuussa 2009 Heikki Seppä VTT 4

7 Tiivistelmä Katsauksessa kuvataan RFID-teknologian kehitys kansainvälisesti ja Suomessa. Alan tulevaisuuden näkymiä arvioidaan lyhyesti. RFID-teknologia ja sen ensimmäiset sovellukset syntyivät toisen maailmansodan aikana tarpeesta varustaa lentokoneet tunnisteilla, jotka voidaan havaita tutkan avulla luvulla integroitujen piirien kehitys mahdollisti niin kutsuttujen passiivisten ja myös edullisten RFID-piirien tuotannon. Voimakkaaseen kasvuun ala lähti vasta 2000-luvulla, jolloin etätunnistusratkaisuissa käytetyt radiotaajuudet vakiintuivat ja alalle syntyi riittävästi standardeja. Suomen asema alalla on hyvä. Maamme on ollut kehityksessä mukana 1980-luvun alusta alkaen ja on nyt kansainvälisesti vertaillen alan kärkimaita. RFID-teknologia tehostaa teollisuuden ja liike-elämän toimintoja ja sovellusten lisääntyessä koskettaa kaikkia kansalaisia. RFID merkitsee internetiin tai matkapuhelimeen verrattavissa olevaa teknistä murrosta. RFID-teknologia on jo laajasti käytössä, mutta sen todellinen merkitys nähdään 2010-luvulla. Katsauksessa tarkastellaan RFID-teknologian historiallista kehitystä, jonka pohjalta voidaan tehdä myös mitä tahansa muita teknologiamurroksia koskevia yleistyksiä. Raportin tärkeimpänä tavoitteena on kuvata RFID-teknologiaan liittyneitä innovaatioprosesseja. 5

8 Raportissa esiintyviä lyhenteitä RFID (Radio Frequency Indentification) etätunnistus eli tiedon etäluku ja -tallentaminen radiotaajuuksilla toimivien tunnisteiden avulla. RFID on sähkömagneettisia kenttiä hyödyntävä heijastustekniikkaan perustuva tiedonsiirtomenetelmä, jossa heijastunut signaali ilmaistaan vaiheherkkää ilmaisua hyödyntäen. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kanavatransistoreihin perustuva mikropiiritekniikka. EPC (Electronic Product Code) sähköinen tuotekoodi. Kansainvälisessä käytössä oleva koodi on tallennettu sähköisesti RFID-tunnisteeseen (yleensä 96 bittiä). Etätunnisteiden taajuusalueita: LF (Low Frequency): 100 khz 250 khz HF (High Frequency): 13,56 MHz UHF (Utra High Frequency): alin 865 MHz (Eurooppa) ja suurin 950 MHz (Japani) MW (Microwave Frequency), mikroaaltoalue: 2,54 GHz. NFC (Near Field Communication) lyhyen etäisyyden kommunikointi, joka perustuu HF RFID -teknologiaan. Kehitetty alunperin matkapuhelimia varten. PEC (Printed Electric Coding) yksinkertainen painettu koodi. ID-numero tuotteeseen tai pakkaukseen laitettu yksikäsitteinen koodi (vertaa viivakoodi). 6

9 Sisällys Esipuhe 3 Tekijän alkusanat 4 Tiivistelmä 5 Raportissa esiintyviä lyhenteitä 6 1 RFID-teknologian murros 8 2 RFID-liiketoiminnan kehitys maailmanlaajuisesti Historian alkutaival ( ) Kiinnostus lisääntyy ( ) Pioneerivaihe ( ) Pioneerivaiheesta sovelluksiin ( ) 16 3 RFID-liiketoiminnan kehitys Suomessa Alkutaival ( ) Uusia yrityksiä perustetaan ja toiminta laajenee ( ) Suomen asema tänään 31 4 Kansalliset ja kansainväliset tulevaisuuden haasteet 34 5 RFID ja innovaatioprosessit 36 Tekesin katsauksia 40 7

10 1 RFID-teknologian murros Radiotaajuustunnistaminen eli RFID on reaaliaikainen linkki tavaran, kohteen ja ympäristön sekä toisaalta tiedon välillä. Teollinen vallankumous synnytti aikanaan muun muassa tavaratuotannon ja kuljetusvälineet. Transistorin keksiminen puolestaan johti tieto- ja tietoliikennevallankumoukseen. RFID-teknologia johtaa kaikkialla läsnä olevaan tavaroiden internetiin ja sitä kautta kumoukselliseen muutokseen, joka koskettaa teollisuuden lisäksi tavallista kuluttajaa. RFID ja sen soveltaminen ovat nyt, 2000-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä, samassa tilanteessa kuin matkapuhelimet olivat 1990-luvulla. Suurin kasvu on vielä edessä. RFID-teknologian levittämiseen liittyy muitakin kuin teknisiä ongelmia. Kansalaismielipiteellä on suuri merkitys. Kuten useimpia muitakin teknologioita, myös RFID-teknologiaa voidaan käyttää kansalaisten yksityisyyden suojan loukkaamiseen. Vaatteissa ja muissa kulutustavaroissa olevat RFID-tunnisteet saattavat pelottaa kansalaisia. Toisaalta, jos sähköinen tunniste tehdään toimintakyvyttömäksi kaupan kassalla, kuluttajalle ei ole siitä mitään hyötyä. Tarvitaan ratkaisuja, joista myös kuluttaja hyötyy yksityisyyden suojaansa menettämättä. Teknisesti tämä on mahdollista. Uhkakuvista huolimatta, RFIDteknologian hyödyt kuluttajille ovat niin ilmeisiä, että teknologia leviää joka tapauksessa ennen pitkää kaikille elämänaloille. Suomen vahvuuksina nostetaan yleensä esiin koulutus ja tutkimus. Nämä ovatkin tärkeitä. RFID-teollisuudesta on kuitenkin tullut merkittävä liiketoiminta-ala, vaikka alan koulutusta Suomessa ei ole ollut lainkaan ja tutkimuskin on ollut vähäistä varsinkin vielä 1990-luvun alussa. Bioteknologia nostettiin 1990-luvulla keskiöön ja siitä toivottiin maahamme uusia Nokioita. Sen sijaan RFID ei esiintynyt yhdelläkään valtiovallan organisaatioiden agendoista. RFID osoittaakin vanhan totuuden: teknologisia murroksia ei voida ohjata ylhäältäpäin. Uudet aloitteet jäisivät syntymättä, jos kaikki toimisivat orjallisesti ylhäältä annettujen strategisten suuntaviivojen mukaan. Vasta kun uusi teknologia on lähes kaikkien huulilla ja teknologian elinkaaria selvittävät konsultit ja tutkimuslaitokset kirjaavat sen osaksi tiekarttaansa, se otetaan mukaan strategiaan. Yleensä tässä vaiheessa ollaan vuotta jäljessä. RFID-tutkimukselle kävi juuri näin. Toisen väitteen mukaan Suomi menestyy osaamisella, vaikka tuotanto ja asiakkaat olisivat muualla. Suomalaisen RFID-teknologian vahvuus on kuitenkin se, että omassa maassamme on sekä asiakkaita että tuotantoa. Innovaatiot syntyvät perustutkimuksen pohjalta joko asiakas- tai tuotantorajapinnassa. Ainakin meille VTT:llä oli 1990-luvulla äärimmäisen tärkeää yhteistyö yritysten kanssa. Kumppaneitamme olivat sekä RFID-tunnisteita valmistava UPM että sovellusratkaisuihin keskittyvä Nokia. Lisäksi monen suomalaisen yrityksen konkreettiset ongelmat edesauttoivat merkittävästi uusien ratkaisujen syntymistä. Pelkästään teoretisoimalla uusia ratkaisuja ei löydetä. On helppoa saada RFID-teknologiaan perustuva piiri tai antenni toimimaan, mutta haasteena onkin löytää ratkaisuja jotka toimivat eivätkä maksa juuri mitään. 8

11 Mitä RFID-teknologia on? RFID (Radio Frequency Indentification) tarkoittaa etätunnistusta eli tiedon etälukua ja -tallentamista radiotaajuuksilla toimivien tunnisteiden avulla. Etätunniste on heijastusperiaatteeseen perustuva tiedonvaihtomenetelmä. Lukulaite lähettää kantoaallon tai moduloidun kantoaallon ja vastaanottaa samaan aikaan tai välittömästi moduloinnin jälkeen etätunnisteen heijastamaa signaalia. Lähettimen modulaatio on aina amplitudimodulaatiota, mutta etätunniste voi moduloida joko amplitudia tai vaihetta. Lukulaitteeseen saapuva heijastuneen signaalin taajuus on sama kuin lähetetyn signaalin, joten ilmaisussa voidaan käyttää vaihelukitustekniikkaa. Se puolestaan parantaa signaali-kohinasuhdetta eli vähentää kohinaa ja häiriöiden vaikutusta merkittävästi. Tämä vaatimus erottaa RFID-tunnisteen viivakoodista, joka luetaan tavallisimmin laserilla ja vain signaalin (valon) heijastunutta tehoa tarkastelemalla. RFID on sähkömagneettisia kenttiä hyödyntävä heijastustekniikkaan perustuva tiedonsiirtomenetelmä, jossa heijastunut signaali ilmaistaan kantoaallon vaihetta hyödyntäen. RFID ei siis ole itsenäinen radio. Passiivinen etätunniste ei vaadi erillistä energialähdettä. Semipassiivinen etätunniste hyödyntää esimerkiksi patteria. Kuva 1. RFID-teknologia leviää ennen pitkää kaikille elämänalueille. Kuva: Tekes Radiosta poiketen RFID-lukulaite lähettää kantoaaltoa samaan aikaan kun se vastaanottaa kohteen etätunnisteesta heijastunutta modulaatiota. Tämä on vaikuttanut siihen, että vasta viime aikoina kaupalliset lukulaitteet ovat toimineet moitteettomasti. Ongelmia aiheuttaa myös suurehko lähetysteho, jonka vuoksi lukulaitteet häiritsevät toisiaan. Tilanne kärjistyy, jos monta lukulaitetta pyrkii lukemaan samoja tunnisteita yhtä aikaa. Laitekehityksen ja uusien standardien avulla tilanne on kuitenkin parantunut huomattavasti. Passiivisissa etätunnisteissa mikropiirin käyttöteho otetaan lähettimen kantoaallosta tasasuuntaamalla. Semipassiivisissa etätunnisteissa etäisyyttä voidaan pidentää jonkin verran käyttämällä energialähteenä esimerkiksi patteria. Ylimääräisen virtalähteen ansiosta etätunnisteet toimivat itsenäisesti silloinkin, kun lukulaitetta ei ole lähellä. Semipassiivisten etätunnisteiden täkein sovellutus on kuljetusten valvonta logistiikassa (esim. lämpötilan, kosteuden ja tärinän seuranta). Semipassiiviset etätunnisteet otettiin käyttöön ensimmäisinä, mutta viimeaikoina passiivisten tunnisteiden merkitys on noussut paljon näitä merkittävämmäksi. Jatkossa sovelletaan molempia tekniikoita, mutta passiivisten etätunnisteiden määrä on satoja kertoja suurempi kuin semipassiivisten. 9

12 Kaikki Suomen omissa käsissä Rohkenen lainata urheilussa paljon käytettyä ilmaisua: kaikki on Suomen käsissä. RFIDteknologiassa on juuri nyt näin. RFID-teknologian merkitys on vihdoin ymmärretty Suomessa. Meillä on alalla useita suuria yrityksiä sekä monia uusia pieniä toimijoita. Alan yritykset ovat verkottuneet keskenään. Tällä alalla verkottuminen tarkoittaa usein neljää osallistujaa: etätunnisteen toimittajaa, lukulaitteen valmistajaa, RFID-järjestelmätaloa sekä sovellusosaajaa. Toivottavasti Suomeen syntyy useita korkeatasoisia alan keskittymiä. En siis kiittele suomalaista koulutus- ja tutkimusosaamista RFID-teknologiassa. Voin kuitenkin luetella joukon kilpailukykytekijöitä, jotka edesauttoivat RFID-alan rantautumista Suomeen hyvin varhaisessa vaiheessa. Tällaisia ovat: 1) hyvä suomalainen peruskoulutus, 2) Suomen vankka osaaminen tietoliikennetekniikassa, jossa Nokian merkitys on ollut ratkaiseva, 3) sellu- ja paperiteollisuutemme, esimerkiksi UPM:n, tarve laajentaa liiketoimintansa uusille alueille, 4) suomalaisen teollisuuden kyky verkottua sekä 5) Tekesin vahva panostus alalle. Näiden lisäksi hyvä kehitys on edellyttänyt visioita, rohkeita yksilöitä ja pieniä pioneerihenkisiä yrityksiä. Turvattavana alan tulevaisuus RFID-teknologian hyvä asema Suomessa on mielestäni turvattava ja sitä on myös vahvistettava edelleen. Suomeen voitaisiin muun muassa luoda infrastruktuurihankkeita RFID-yritystemme toiminnan kehittämiseksi. Maahamme kaivataan logistiikkakeskittymiä, joissa RFID-teknologian mahdollisuudet otetaan alusta pitäen huomioon. Kauppakeskuksiin soisin tuotavan RFID-pohjaisia palveluja, jotka edesauttavat muun muassa paikannusta, tuotteiden löytämistä, tuotetietojen saantia ja maksamista. Liikenteen ohjauksessa ja valvonnassa Suomi voisi ottaa käyttöön passiiviset etätunnisteet esimerkiksi varustamalla kaikki suomalaiset autot sähköisillä rekisterikilvillä. Järjestelmästä olisi hyötyä tietullien perinnässä, kaistavalvonnassa tai autottomuuden valvonnassa sellaisiksi määritellyillä alueilla, parkkipaikkojen rahastuksessa sekä varastettujen autojen etsinnässä. Tällä alueella varsin pienillä investoinneilla on mahdollista luoda monipuolista valvonta- ja palveluliiketoimintaa. Tilaisuuteen kannattaisi tarttua nyt, suomalaisen teollisuuden etulyöntiasemaa hyödyntäen, ennen kuin muut maat siirtyvät passiiviseen etätunnisteteknologiaan tieliikennesovellutuksissa. Itse olen tehnyt aloitteen aseiden merkitsemisestä RFID-tunnisteella. Tämä ei tietenkään poista koulusurmien mahdollisuutta, mutta tarjoaa välineen valvoa asekaupoissa ja -varastoissa olevia aseita reaaliaikaisesti. Vielä ei voida varmuudella sanoa, onko RFID suomalainen menestystarina vai ei. Lähtökohdat ovat kuitenkin erittäin hyvät. Toivon päättäjien sitoutuvan rohkeasti ja laaja-alaisesti RFID-sovellusten kehittämiseen luku osoittaa, ettei RFID ole pelkkä teknologia, vaan sen merkitys ulottuu kaikille elämänaluille ja vaikuttaa ratkaisevasti sekä liiketoimintamalleihin että yksittäisen kuluttajan käyttäytymiseen. Väline on viesti kuten mediafilosofi Marshall McLuhan asian kiteytti jo 1960-luvulla. 10

13 Etätunnisteiden valmistus ja markkinoiden kehitys Lyhyen etäisyyden kommunikoinnissa RFIDteknologian merkitys on suuri; kustannukset ovat alhaiset ja pystytään toimimaan ilman erillistä teholähdettä. Heijastusperiaatteella toimiva radio voidaan toteuttaa yhdellä 0,25 mm 2 kokoisella CMOSpohjaisella piisirulla. Piisiru voidaan valmistaa prosessilla, jossa viivanleveys on 0,35 0,6 mm. Näin ollen puolijohdevalmistajat voivat käyttää vanhoja tuotantotilojaan ja laitteitaan niiden valmistamiseen. Halvimmillaan tällaisen piisirun valmistuskustannukset ovat noin 0,01 euroa. Antenneineen ja mahdollisine pakkauksineen kokonaishinnaksi tulee noin 0,03 euroa. Kuva 3. Tukin sisään naulattavia UHF RFID tunnisteita. Puumassasta valmistetut muovittomat tunnisteet hajoavat selluprosessissa. Kuva: VTT Etätunnisteen koko riippuu aina antennista, ei elektroniikasta. Suurtaajuusantenni voidaan kyllä integroida mikropiiriin, mutta lukuetäisyys jää äärimmäisen lyhyeksi. Tulevaisuudessa antennia voidaan pienentää merkittävästi suurtaajuisten magneettisten materiaalien kehityttyä luvulla etätunnisteiden tuotantomäärät nousevat 100 miljardiin kappaleeseen ja lukulaitteiden määrät miljardiin matkapuhelimiin sijoitettujen lukulaitteiden yleistyttyä. Lukulaitemodulien tuotantokustannukset ovat halvimmillaan joitakin euroja. Huomaamme, että lukulaitteiden kokonaistuotantokustannukset ovat samaa luokkaa kuin etätunnisteiden tuotantokustannukset. Molempiin RFIDkomponentteihin (lukija ja etätunniste) liittyvä liiketoiminta nousee erikseen yli 10 miljardiin euroon. Käytännössä kokonaismarkkinat ovat paljon suuremmat, koska useita käyttökertoja kestävien koteloitujen etätunnisteiden ja ns. porttilukijoiden hinnat ovat huomattavasti edellä mainittuja hintoja korkeammat. Raudan osuus RFID-liiketoiminnassa on pieni, alle 10 prosenttia kokonaisliikevaihdosta. Kuva 2. Hyvän hyötysuhteen UHF RFID tunnisteita, jotka toimivat myös metalli- ja nestepinnoilla. Antenni vasemmalla on viritetty kaikille eri mantereilla käytettäville taajuuksille. Kuva: VTT 11

14 2 RFID-liiketoiminnan kehitys maailmanlaajuisesti 2.1 Historian alkutaival ( ) RFID juontaa juurensa toiseen maailmansotaan ja tutkan kehittymiseen. Tutkalla voitiin havaita lentokoneita, mutta omia koneita ei kyetty erottamaan viholliskoneista. Pian lentokoneet varustettiinkin erillisellä antennilla ja modulaattorilla koneen tyypin tunnistamiseksi. Nykykielellä tätä tunnistetyyppiä voitaisiin kutsua pitkän lukuetäisyyden semipassiiviseksi RFID-tunnisteeksi. Harry Stockman julkaisi 1948 artikkelin Communication by Means of Reflected Power, jota voidaan pitää ensimmäisenä tieteellisenä RFID-tutkimuksena. Neuvostoliitossa RFID-teknologiaa sovellettiin jo vuodesta 1945 alkaen vakoilukäytössä. Semipassiivisten etätunnisteiden historia alkaa siis 1940-luvulta. Seuraavana kehitysaskeleena otettiin käyttöön passiivinen etätunniste. Passiivinen RFID pystyttiin valjastamaan järkevästi käyttöön vasta 1980-luvulla. Kehitystä vauhdittivat autenttisuussovellukset, joista tärkein oli tuotantoeläinten merkitseminen tunnisteilla eläinyksilöiden erilaisten ruokintavaatimusten vuoksi. Toinen merkittävä sovellus oli autojen käynnistyksen esto. Siinä auton lukkopesässä oleva lukija varmistaa että avaimessa on oikea RFID-tunniste. Ensimmäiset passiiviset RFID-tunnisteet perustuivat magneettikenttään ja toimivat LF (Low Frequency) -taajuusalueella. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -teknologian kehittyminen mahdollisti passiiviset etätunnisteet. Ne edellyttävät muistin lisäksi tasasuuntaajan, tilakoneen ja modulaattorin. Nopeuden tulee olla riittävä ja tehonkulutuksen niin alhainen, että lukulaitteen teho riittää toiminnan pyörittämiseen. RFID-historian alkutaipaleeseen sisältyy kolme merkittävää murroskohtaa: heijastusperiaatteella toimiva kommunikointi CMOS-pohjaisen passiivisen RFIDpiirin kehittäminen joukko RFID-teknologiaa hyödyntäviä sovelluksia. LF-taajuisia tunnisteita sovellettiin myös tuotantoautomaatioon jo hyvin varhain, mutta varsinaista läpimurtoa ei vielä kuitenkaan tapahtunut. Kuva luvulla tuotantoeläimiä alettiin merkitä RFID-tunnisteilla yksilöiden tunnistamiseksi. Kuva: Tekes 12

15 Taajuusalueet Etätunnistamisessa toimitaan ns. lähikenttätilanteessa silloin kun taajuus on matala etätunnisteen ja lukijan väliseen etäisyyteen nähden. Päinvastaisessa tilanteessa kyse on säteilykentästä. Käytetyn taajuuden perusteella etätunnisteet jaetaan eri luokkiin. Viranomaiset säätelevät taajuuksia ja kentänvoimakkuuksia. Käytännössä etätunnisteet toimivat neljällä eri taajuusalueella: LF (Low Frequency) alue: 100 khz 250 khz HF (High Frequency): 13,56 MHz UHF (Utra High Frequency): alin 865 MHz (Eurooppa) ja suurin 950 MHz (Japani) MW (Microwave Frequency): 2,45 GHz. Taulukossa 1 on annettu eri taajuusalueilla toimivien etätunnisteiden lukuetäisyys, tärkein sovellutusalue, edullisin tunnisteen hinta sekä standardointitilanne. Tärkeimmät teknologiat nykypäivänä ovat passiiviset HF- ja UHF-teknologiat. HF toimii aina lähikentässä. UHF-alueella aallonpituus on 30 cm, jolloin lukuetäisyys ratkaisee toimitaanko kaukokentässä (> 30 cm) vai lähikentässä (< 30 cm). Taulukko 1. RFID eri taajuusalueilla (etäisyysarvio koskee passiivisia RFIDpiirejä) Taajuus Etäisyys Sovellutus Sovellutusvuosi Hinta Standardit LF 0,1 m Avaimet/tehdasautomaatio ,2 ei HF 0,5 m Liput/Tuotantoautomaatio ,05 ISO/NFC UHF 5,0 m Logistiikka ,03 ISO/EPC Sekä HF- että UHF-alueella toimivia etätunnisteita koskevat viestintäviranomaisten määrittämät säännöt. Alan kehityksen ja yritysten kannalta standardoinnilla on kuitenkin keskeinen merkitys. Sekä uusia viranomaismääräyksiä että taajuuksia tulee lisää ja standardointiprosessit ovat vielä monilta osin kesken. Myös RFID-antureita koskeva standardointi on kesken. HF-alueella kaikkialla maailmassa ovat käytettävissä samat taajuudet. Sen sijaan UHF-alueella on joka maanosassa toisistaan poikkeavat taajuudet. Laajakaistainen antenni voi toimia kohtuullisesti koko taajuusalueelle, mutta matalia metallin päällä toimivia siirtolinjatyyppisiä antenneja ei niiden kapeakaistaisuuden vuoksi saada ilman hajaviritystä toimimaan kaikilla mantereilla. Ongelma ratkeaa osittain, kun Kiinassa otetaan käyttöön kaksi taajuutta, joista toinen lähellä Euroopan ja toinen USA:n taajuusaluetta. Eurooppa puolestaan tuo toisen taajuuden USA:n taajuuden sisälle. Nämä toimenpiteet helpottavat globaalisten etätunnisteiden soveltamista UHF-alueella. MWaluetta ei ole vielä laajasti käytetty passiivisissa etätunnisteissa. 13

16 Kuva 5. Palvelu- ja valvontaliiketoimintaan voidaan luoda RFID-sovelluksia varsin pienillä investoinneilla. Kuvat: Tekes ja Helsinki City Transport

17 2.2 Kiinnostus lisääntyy ( ) Passiivinen RFID-teknologian osoitettua toimivuutensa, CMOS-tekniikka kehittyi edelleen ja RFID vakiinnutti asemansa mm. autojen käynnistyksenestosovelluksissa. Lisäksi eläinten merkitseminen RFID-tunnisteiden avulla yleistyi. Sovellukset yleistyivät myös tuotantoautomaatiossa. Kehitys oli kuitenkin edelleen hidasta. Tärkein syy oli tekninen: LF-taajuisiin RFID-tunnisteisiin tarvittiin kallis lankakäämi, mikä nosti sen hinnan korkeaksi. Lukuetäisyys jäi myös hyvin lyhyeksi, mikä rajasi sovellusten määrää. Eräissä yrityksissä esitettiin, että standardien puute esti LF-tekniikan yleistymisen. Mielestäni kyse oli kuitenkin siitä, ettei tekniikka ollut vielä riittävän kypsä sovellutusalueiden laajentamiselle luku oli orastavan RFID-teknologian kokeiluvuosikymmen. Sen aikana havaittiin teknologian rajoitukset ja korkea hinta. Kuitenkin tietyissä erityissovellutuksissa se löi itsensä läpi ja synnytti paineen uuden HF (High Frequency) -tekniikan kehittämiselle luvun kehitysaskeleet jäivät vaatimattomiksi, mutta kiinnostus teknologiaan heräsi ja kokeilut viitoittivat tietä eteenpäin. 2.3 Pioneerivaihe ( ) Tarve kehittää HF-tekniikka juontui LFtekniikan kalleudesta ja standardien puutteesta. Tiedettiin, että taajuutta nostamalla lankakäämi voidaan korvata etsaamalla tai painamalla valmistetulla antennilla. Jo 1980-luvun lopussa oli kehitetty 8 MHz:n taajuudella toimivia ns. varasantureita. Näiden tuotantoa varten oli kehitetty etsaukseen perustuvia prosesseja. Yhdistämällä varasantureiden antennituotantotekniikka ja RFID-mikropiiri, etätunnisteiden hintaa voitiin merkittävästi alentaa. Näin valmistettu tarramainen etätunniste voidaan helposti kiinnittää esimerkiksi pakkausten pintaan. Se mahdollistaa myös muun muassa ohuet ja edulliset sähköiset liput ja kulunvalvontakortit. HF-taajuudella lukuetäisyys voitiin kasvattaa 50 cm:iin, kun se LF-taajuudella jää noin 10 cm:iin. Porttimaisella rakenteella päästiin jopa metrin lukuetäisyyteen. Nykyään HF-taajuutta käytetään kaikkialla maailmassa ja sen ympärille on syntynyt useita ISO-standardeja. HF-taajuutta käyttöön otettaessa oletettiin sen pohjalta voitavan kehittää lippu- ja kulunvalvontasovellutusten lisäksi myös logistiikan sovelluksia. Tässä ei kuitenkaan edetty toivotulla tavalla. Vaikka RFID-teknologia oli HF-alueella standardoitu, muistista ja numeroinnista ei ollut globaalia sopimusta. Kuviteltiin, että jos HF-muistiavaruudesta päästäisiin sopimukseen, myös RFID-sovellusten käyttö laajenisi. Jälleen siis syytettiin standardoinnin puutetta epäonnistumisesta. Tämän seurauksena amerikkalainen teollisuus aktivoi Massachusetts Institute of Technology (MIT) -instituutin perustamaan AutoID Centerin vuonna Keskuksen tehtäväksi asetettiin globaalin numerointijärjestelmän luominen. Tästä sai alkunsa kaikkien alalla toimivien tuntema lyhenne EPC (Electronic Product Coding). Harvat kuitenkin tietävät, että standardi oli tarkoitus rakentaa HF- eikä suinkaan UHF (Ultra High Frequency) -tekniikan pohjalta. Vierailin vuonna 2000 AutoID Cenrterissä ja taajuuden valinta näytti tuolloin olevan vielä kesken. Kuitenkin oli jo osoitettu, että UHFtekniikka pystyy tarjoamaan huomattavasti paremman pohjan pitkän etäisyyden luentaan kuin HF. Esimerkiksi 1990-luvun loppupuolella täällä Suomessa kehittämämme Palomar-tunniste saavutti jo tuolloin 0,5 W teholla yli 4 m lukuetäisyyden (vastaa yli 6 m:n etäisyyttä 2 W teholla). Palomar-tunniste kehitettiin EU-hankkeessa Atmelin ja 15

18 VTT:n yhteistyönä. Hankkeeseen liittyi Suomesta mukaan myös UPM Raflatac, jolla oli suuri merkitys EPC-standardin luomisessa luvulla CMOS-tekniikalla saavutettiin todella pitkä lukuetäisyys, kun prosessiin lisättiin tasasuuntaajaksi metallipuolijohdediodi. Tässä kehitystyössä VTT oli merkittävästi mukana. Hyvistä tuloksista huolimatta UHF ei vielä saavuttanut jalansijaa. UHFtekniikan markkinointi oli tuohon aikaan vaikeaa, vaikka tulokset olivat kiistattomat. Jopa useat tutkimuslaitokset jatkoivat HFsovellusten kehittämistä myös logistiikkaan oivaltamatta, ettei tekniikka lyö itseään läpi logistiikassa. Visiona RFID matkapuhelimessa Jo 1990-luvun alussa vakuutuin siitä, että matkapuhelimessa oleva RFID-lukija mahdollistaisi valtavan määrän sovellutuksia: liput, maksaminen, autenttisuussovellukset, palveluiden aktivointi jne. Tämä oli kuitenkin ennenaikaista. RFID-lukulaitteen integroiminen matkapuhelimeen olisi ollut valtava riski, sillä kun ei tuolloin vielä ollut yhtään kuluttajaa suoraan hyödyttävää sovellutusta. Markkinat olisi pitänyt synnyttää. Ottamatta kantaa sovelluksiin tai liiketoimintamahdollisuuksiin viehätyin RFID-teknologian mahdollistamasta käyttöliittymästä. Helppo käyttöliittymä mahdollistaisi joka paikassa olevien tavaroiden internetin ja läsnäolevien palveluiden aktivoimisen koskettamalla tai osoittamalla luvun lopulla ryhdyin itse käyttämään fyysisestä käyttöliittymästä seuraavia kolmea eri nimeä: TouchMe koskettamalla toimiva käyttöliittymä PointMe yhtä tunnistetta kerrallaan lukeva, kohdetta osoittamalla (esim. 0,5 1 m) toimiva käyttöliittymä SweepMe pintaa pyyhkäisemällä luettava sähköinen koodi (esim. näkymätöntä mustetta tai peitetty siten, ettei häiritse tuotteen pintaa) Taajuuden valintakin oli ongelma. UHF-tekniikkaa hyödyntävä matkapuhelin mahdollistaisi sekä pitkän että lyhyen lukuetäisyyden. Ajatus RFID-ratkaisulla varustetusta matkapuhelimesta fyysisenä käyttöliittymänä lienee syntynyt samoihin aikoihin riippumattomasti eri puolilla maailmaa. Yhtenä osoituksena tästä on Japanissa syntynyt Felica-tekniikka, joka muistuttaa NFC (Near Field Communication) -tekniikkaa. IBM patentoi 1990-luvun alussa UHFtaajuuden käytön RFID-teknologian yhteydessä, mutta myi myöhemmin oikeudet Intermecille. Patentin sisällöllä tuskin oli teknisesti suurta merkitystä, sillä jopa mikroaaltojen käyttö SAW (Surface Acoustic Wave) -tekniikan yhteydessä tunnettiin hyvin jo 1980-luvulla. Keksinnöllä oli kuitenkin se merkitys, että Intermec sitoutui UHF RFID-teknologian kehittämiseen. Yritys on edelleen merkittävä toimija alalla. Ehkä merkittävin 1990-luvun kehitysaskel oli HF-tekniikan syntyminen ja etsaamalla valmistettujen antennien tuotanto luku synnytti myös UHF-tekniikan, vaikka sen vaikutus jäi vielä vähäiseksi. UHF-antennit valmistettiin jo tuolloin samalla tekniikalla kuin HF-antennit. Matkapuhelimien yleistyminen ja RFID-teknologian kehitys synnytti 1990-luvulla vision näiden tekniikoiden yhdistämisestä. 2.4 Pioneerivaiheesta sovelluksiin ( ) 2000-luvulle tultaessa HF-teknologia oli kypsä ja standardoitu. UHF-tekniikan oli osoitettu toimivan logistiikan sovellutuksissa. MIT-instituutin AutoID Center ryhtyi 16

19 Kommunikointi lähietäisyydellä RFID matkapuhelimessa NFC (Near Field Communication) viittaa lyhyen etäisyyden kommunikointiin vastapainona pitkän etäisyyden RFID-teknologiaan, jonka tietoturvassa saattaa olla puutteita. Lähietäisyyden kommunikoinnissa matkapuhelimeen sijoitetulla NFC-modulilla on kyky simuloida sekä tunnistetta että RFID-lukijaa. Tämä mahdollistaa esimerkiksi kahden puhelimen välisen RFID-kommunikoinnin. Uudessa Bluetooth-standardissa kaksi Bluetooth-laitetta voidaan parittaa koskettamalla. Tämä yleistynee jatkossa myös muissa radioissa. Siten esimerkiksi Wlan-yhteyden voi rakentaa puhelimen avulla koskettamalla etätunnistetta ja sen jälkeen tietokonetta, jossa on Wlan. Etätunniste voi korvata fyysisen radion parituksessa. Kuva 6. Matkapuhelimien yleistyminen ja etätunnistusteknologian kehittyminen loivat ajatuksen yhdistää nämä teknologiat. Kuvat Tekes 17

20 Tiedonsiirtonopeus RFID-teknologiassa muisti ei ole rajoittava tekijä vaan tiedonsiirtonopeus. Nykyisten ja muutamien tulevaisuuden RFID-ratkaisujen ja standardien tiedonsiirtonopeus ja lukuetäisyys on esitetty karkeasti kuvassa 7. Nämä ovat käyttäjän kannalta ratkaisevia ominaisuuksia, koska toimenpide saa kestää vain sekunnin verran. Kaikki tekniikat pystyvät lukemaan 96 bittisen ID-numeron ja jonkin verran muuta, kuten mittaustietoja. NFC-sovelluksilla voitaisiin lukea jo esim. pieni musiikkinäyte tai perustietoja tuotteen sisällöstä. Vasta yhdistämällä esim. UHF-tekniikan energiansyötössä ja laajakaistaisen (esim. UWB, Ultra Wide Band) tiedonsiirron etätunnisteesta lukijalle, päästään nopeuksiin jotka mahdollistaisivat jopa videon siirtämisen passiivisesta etätunnisteesta matkapuhelimeen. Kuvassa 7 PEC tarkoittaa painettua pyyhkäisemällä luettavaa tunnistetta. Kuva 7. Eri RFID-ratkaisujen tiedonsiirtokapasiteetti ja lukuetäisyys, kun lukuaika on alle sekunnin. 18