Emmi Hämäläinen RFID-tekniikka supermarketeissa Tulevaisuuden näkymät Opinnäytetyö Tietotekniikan koulutusohjelma Marraskuu 2007
KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä 30.11.2007 Tekijä(t) Emmi Hämäläinen Koulutusohjelma ja suuntautuminen Tietotekniikan koulutusohjelma, Media- ja verkkotekniikka Nimeke RFID-tekniikka supermarketeissa Tiivistelmä Opinnäytetyö, RFID-tekniikka supermarketeissa, käsitteli radiotaajuisen tunnistuksen toteutusta tulevaisuuden supermarketeissa. Tavoitteena oli tutustua RFID-tekniikan sovelluksiin ja perehdyttää lukija kyseiseen tekniikkaan. Työssä käytiin läpi tapahtumia kyseisen tekniikan alalta sen historiasta tähän päivään. RFID:tä on jo käytetty hyväksi etenkin logistiikan alalla, kirjastoissa, eläinten ja ihmisten tunnistamisessa sekä sairaaloissa. Opinnäytetyön oli tarkoitus tutkia kompastuskiviä ja uusia mahdollisuuksia, kuten RFID:n käyttö ja toiminta supermarkettien kassarivistössä. Tekniikka on jo valmis, mutta odottaa toteutustaan. Kirjoittaja on esitellyt omia visioitaan työn lopussa, kuinka tämä olisi mahdollista. Työssä tehtiin yksi laboratoriotyö, jossa testattiin RFID-lukijan ja -tunnisteiden toimivuutta erilaisilla pinnoilla ja etäisyyksillä. Etenkin metallin läheisyys järjestelmissä vaikuttaa RFID:n toimintaan negatiivisesti. Standardoinnin puute on jarruttanut RFID-tekniikan kehitystä aiempina vuosina, mutta kehitystä sillä saralla on tapahtunut huimin askelein eikä sovellusten myöhästyminen ole enää siitä kiinni. Järjestelmiä ja laitteistoja löytyy jo moniin eri sovelluksiin. Eri menetelmien testaus on erityisen tärkeää, jotta pystytään löytämään ihanteelliset ratkaisut. RFID-tekniikka on ennusteiden valossa yksi IT-alan suurin ja menestyvin osa-alue niin sovellusten kuin työllisyydenkin saralla. Opinnäytetyö valaisi RFID-tekniikan nykytilaa ja ennusteita, mihin ollaan menossa. Asiasanat (avainsanat) RFID, EPC, 18000-6, NFC, radiotaajuus, langaton tiedonsiirto, tunnisteet, lukijat, UHF Gen2, mikrosiru Sivumäärä 37 Kieli Suomi URN URN:NBN:fi:mamk-opinn200729738 Huomautus (huomautukset liitteistä) Ohjaavan opettajan nimi Osmo Ojamies Opinnäytetyön toimeksiantaja Mikkelin Ammattikorkeakoulu
DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis 30.11.2007 Author(s) Emmi Hämäläinen Degree programme and option Information Technology Name of the bachelor's thesis RFID-technology in the supermarkets Abstract The subject of this diploma work is to study RFID- technology; technics and achviements. The writer has focused on the different implementations from the past to the future. Radio Frequency Identification is very hot issue in the logistics nowadays and it is spreading to many branches in business world. Radio Frequency Identification is based on microchip, transmitter and reader and RFID-software. Identifier, tag, includes microship, that communicates with the reader by sending data. When the product leaves the manufacturer, it will be tagged with identifier, called RFID- tag. With this tag, the product can be identified where it is from and what kind its transportation chain has been and will be. The implementation of the RFID to the cashrows in the supermarkets arouses interest. RFID is bringing relief to the long customer queues and what is more important, savings in the future. It makes logistics easier and more reliable. The diploma work gives clear understanding of RFID-technics to the reader: What it is, How it is implemented and what will come in the future. Subject headings, (keywords) RFID, EPC, 18000-6, NFC, telecommunications, radiowaves, radio frequency, information technology, UHF GEN2, microchip Pages 37 Language Finnish URN URN:NBN:fi:mamk-opinn200729738 Remarks, notes on appendices Tutor Osmo Ojamies Bachelor s thesis assigned by Mikkeli Polytechnic
SISÄLTÖ 1 JOHDANTO...1 2 RFID-TEKNIIKKA...1 3 RFID-TUNNISTEET, TAGIT...3 3.1 Passiiviset RFID-tunnisteet...4 3.2 Puolipassiiviset RFID-tunnisteet...5 3.3 Aktiiviset RFID-tunnisteet...5 4 LUKU- JA KIRJOITUSLAITTEET...6 5 ANTENNITYYPIT...8 6 TOIMINTATAAJUUDET...9 6.1 Low Frequency- matala taajuus...9 6.2 High Frequency- korkea taajuus...10 6.3 Ultra High Frequency- Ultrakorkea taajuus...10 6.4 Mikroaallot...11 7 TIEDON SIIRTO...11 7.1 Fysikaalisia perusteita...12 7.2 Elektromagneettiset aallot...12 7.3 Aallon eteneminen ei- vapaassa tilassa...13 8 SOVELLUKSIA...14 8.1 Historiaa...14 8.2 Sovellusten toteutuminen ajallisesti...15 8.3 e-pedigree...17 8.4 NFC...18 8.5 Smart Parking...19 9 RFID:N TOIMINTA METALLIN LÄHEISYYDESSÄ...20 10 VIIVAKOODIEN KORVAAMINEN RFID- TAGEILLA...23 10.1 EPC...23 10.2 ISO/IEC 18000-6 Standardit...26 10.3 Skyetek, Skyemodule- M9...26 11 TULEVAISUUDEN NÄKYMÄT...28 12 KOKEET TUNNISTEIDEN TOIMINNASTA ERI PINNOILLA...31
12.1 Tunnisteiden testaaminen eri pinnoilla...31 12.2 Visioita supermarkettien kassarivistöjen muuttamisesta RFIDtekniikkaan...34 13 LOPPUPÄÄTELMÄT...35 LÄHTEET...37
1 JOHDANTO 1 Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on käsitellä radiotaajuisen etätunnistuksen tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä RFID-tekniikka. RFIDtekniikka on yksi tietotekniikan akuuteimmista ja nopeimmin kehittyvistä sovellusalueista. Sitä kehitetään kaupan, kuljetusalan ja teollisuuden tarpeisiin. Tekniikan kehityksen vuoksi radiotunnistustekniikkaa on alettu soveltaa yhä enemmän käytännössä. Teollisuuden tietoisuus teknologian mahdollisuuksista on lisääntynyt. Toteutuksissa ollaan siirtymässä pilotointivaiheesta oikeisiin tuotantosovelluksiin, jotka käsittävät jopa satoja lukulaitteita ja satojatuhansia RFID-tunnisteita [25]. Työssä esitellään erilaisia toteutuksia, joihin RFID-tekniikkaa on sovellettu. Erityisesti keskitytään uuteen, tulevaisuuden haasteeseen Suomessa, jolloin RFID tulisi supermarketteihin korvaamaan kassojen EAN-koodilukijat. Opinnäytetyö käsittelee RFID-tekniikan nykytilaa ja käyttömahdollisuuksia sekä sen tuomia tulevaisuuden hyötyjä. Työssä tehdään eräs koe, jossa selvitetään RFID:n toimintaa erilaisissa ympäristöissä, kuten metallin läheisyydessä. Kirjoittaja on valinnut muutamia päivittäistavaroiden paketteja, joiden pintaan kiinnitettiin RFID-tunnisteet ja tutkittiin, lukeeko lukija-antenni tunnisteen lähettämän ID:n. 2 RFID-TEKNIIKKA RFID-tekniikka, englanninkieliseltä nimeltään Radio Frequency Identification tarkoittaa tiedon etätallentamista ja -lukemista radiotaajuuksilla tapahtuvana menetelmänä, jossa käytetään RFID-tunnisteita, tageja. Sen jälkeen, kun lukija on lukenut tagin, sen sisäinen tieto saadaan selville. Etätunnistimia käytetään älykorteissa ja -tarroissa, muun muassa tuotetunnistuksessa ja varastonhallinnassa. RFID-tunniste on pieni laite, joka sisältää antennin voidakseen lähettää ja vastaanottaa radiotaajuisia signaaleja RFID-lähetinvastaanottimelta. Antenni on RFID- lukijan tai -tunnisteen osa, joka välittää
tiedon radioaalloilla. Mitä suurempi antenni on, sitä suurempi on sen lukuetäisyys. 2 Tunniste ja lukija on suunniteltu keskustelemaan keskenään radioteitse juuri tietyllä taajuudella. Eri taajuusalueilla keskusteluun kytketty fysikaalinen toiminta voi olla erilainen, LF- ja HF-taajuusalueilla kyseessä on induktiivinen kytkentä, kun taas UHF- ja mikroaaltotaajuuksilla radioaallot. Suomessa taajuusalueiden käyttöä kontrolloi viestintävirasto, joka asettaa rajoitteita ja vaatimuksia myös RFID-laitteistoille. Nykyään käytetään yleisesti neljänlaisia RFID-tunnisteita, jotka eroavat käytetyn radiotaajuuden perusteella: Matalan taajuuden tunnisteet (125 134 khz), korkean taajuuden tunnisteet (13,56 MHz), UHF- tunnisteet (868 956 MHz) ja mikroaaltotunnisteet (2,45 GHz). RFID-tekniikan kehityttyä olisi tarpeen luoda uusia, yhdenmukaisempia sääntöjä taajuusalueiden käyttöön, ettei sen kehitys rajoittuisi taajuusalueiden puutteeseen. Taajuusalue 2,45 GHz on ainut, kansainvälinen ja vapaasti käytettävissä oleva ISM- kaista, (Industrial Scientific Medical). Euroopassa tämän kaistan lähetystehot saavat olla ainoastaan 0,5 wattia, kun taas Amerikassa sallitaan 4 watin tehot. 0,5 watin tehorajoitus on liian alhainen monille laitteille. Taajuusalueella on langattomien lähiverkkojen lisäksi mm. langattomia kameroita, radioamatööriliikennettä, lyhyen kantaman radiolaitteita sekä ohjaus-, valvonta- ja hälytystutkia. Lisäksi mm. mikroaaltouunit toimivat tällä taajuusalueella. Viestintävirasto on hyväksynyt muutoksen UHFtaajuusalueen RFID-lukijoiden tehorajoituksiin ja 4. helmikuuta 2005 voimaan tulleen muutoksen jälkeen Suomessakin voidaan käyttää 2 watin teholla toimivia UHF-lukijoita aikaisemman 0,5 watin sijasta. Muutos mahdollistaa pidemmän lukuetäisyyden sovellukset. Vuonna 2005 valmistui myös eurooppalainen standardi 866 MHz UHF-taajuusalueelle. [1;2;3;4.] Toimivaan etätunnistukseen tarvitaan siis tunnisteet, lukijalaite ja sen ohjelmat, muun muassa RFID-väliohjelmisto sekä järjestelmä tiedon syöttämistä ja lukemista varten. Järjestelmä on tiedonkeruuohjelmisto, joka
sisältää mahdolliset kytkennät tietojärjestelmään. Lisäksi tarvitaan kaapeloinnit. [6.] 3 RFID-väliohjelmistoa käytetään sekä lukulaitteiden hallintaan, tunnisteiden lukemiseen ja kirjoittamiseen, lukutapahtumien tehokkaaseen suodattamiseen että olemassa olevien taustajärjestelmien rajapintana toimimiseen. RFIDinfrastruktuuria ei voi liittää suoraan yrityksen taustajärjestelmiin ilman sopivaa väliohjelmistoa. RFID-väliohjelmistoja on lukuisia ja niiden vertaileminen on melko hankalaa. Markkinoiden kehittyessä isot ohjelmointiyritykset kuten SAP, IBM ja Microsoft ovat tuoneet markkinoille omat RFID- väliohjelmansa. Nykyisin on myös open source-yhteisöjen kehittämiä ilmaisia RFIDväliohjelmistoja, kuten The Radio Active Foundationin RFID projekti. [25.] Tietojärjestelmä on keskus, joka kerää ja säilyttää luetut tiedot. Informaatio vaihtelee tietokannoissa. Se voi sisältää ID-tunnisteita, sijainnin tuotteista tai valmistajan tietoa. Tiedot riippuvat yhtiöistä, jotka ylläpitävät tietojärjestelmää. Tietojärjestelmällä voi olla myös linkki Internetiin, jotta tieto voidaan jakaa muille kyseistä järjestelmää käyttäville ihmisille. Henkilöllä täytyy olla luvat kirjautuakseen järjestelmään. Kirjautuminen tapahtuu yleensä käyttäjätunnuksella ja salasanoilla tai sormenjälkitunnistuksella. 3 RFID-TUNNISTEET, TAGIT RFID-tunniste voi olla hiekanjyvän ja postikortin koon välillä oleva, merkittävään kohteeseen kiinnitettävä tarra, kortti, nappi, tms. RFID-tunniste sisältää antennin ja sirun. RFID- tunnisteita on erilaisia eri käyttötarkoituksiin, kuten inletteja, älytarroja, RFID-kortteja, 3D-tarroja tai kovia tageja. Tunnisteita löytyy erityyppisiä mikropiirin valmistajan, kommunikointiprotokollan, taajuuden ja muiden vaatimuksien mukaan. Inletti on ohut, yksinkertainen tunniste. Se on tarkoitettu sijoitettavaksi tuotteeseen, johon se voidaan sijoittaa sisään tai pinnan alle. Pinta on yleensä synteettistä muovia ja sen koko voi olla määriteltävissä. Inlettiin voidaan laittaa myös liimapinta toiselle puolelle. Älytarrassa on joko valkoista,
4 printattua tai painettua pintamateriaalia, joka on joko paperia tai synteettistä muovia. Kääntöpuolella on pysyvä liimapinta. Älytarran koko ja tyyppi ovat määriteltävissä. RFID-kortti on luottokortin kokoinen ja näköinen tuote, jota käytetään henkilötunnistukseen. Kortin pintamateriaali on synteettistä muovia, johon voidaan tulostaa ja painaa kuvia, tekstiä, logoja, allekirjoituspalkkeja tai muita tunnisteratkaisuja. Kortin tunnistetyyppi ja tietosisältö ovat määriteltävissä. Kortit voidaan personoida ja varustaa kantakiinnikkeillä. 3Dtarrat ovat kestäviä tunnisteita, joita voidaan käyttää vaativissakin olosuhteissa, kuten ulkona. Myös kovat tagit ovat tarkoitettu vaativiin ympäristöolosuhteisiin, kuten kemikaalien lähettyville kestämään kulutusta. [6.] RFID-tunnisteita voi olla kolmenlaisia; passiivisia, aktiivisia sekä puolipassiivisia. Passiiviset tunnisteet eivät tarvitse omaa virtalähdettä, kun taas aktiiviset ja puolipassiiviset vaativat sisäisen virtalähteen, yleensä patterin. Suurin osa RFID-tunnisteista on passiivisia niiden edullisuuden vuoksi. [1] 3.1 Passiiviset RFID-tunnisteet Passiivisten RFID-tunnisteiden tarvitsema energia syntyy antenniin induktoituneesta virrasta, joka on peräisin radiotaajuiselta skannaukselta. Täten passiivinenkin tunniste pystyy lähettämään lyhyen vastauksen, kuten esimerkiksi ID-numeron. Suurin osa passiivisista tunnisteista lähettää signaalin heijastamalla takaisin kantoaallon, joka on peräisin lukijalta. Tämä tarkoittaa sitä, että antennin on oltava suunniteltu sekä vastaanottamaan tuleva signaali että lähettämään heijastuneen signaalin. Oman virtalähteen puuttuminen tekee komponentista varsin pienen, jolloin sen soveltaminen on helpompaa. Tunnisteen siru voi myös sisältää EEPROM-muistin tiedon tallentamiseen. Passiivisten tunnisteiden lukuetäisyydet ovat noin 10 cm. Passiivisten tunnisteiden elinikä on lähes ikuinen. Passiiviset tunnisteet jaetaan kahteen ryhmään jännitteen ja tiedonsyöttötekniikan suhteen. Sähkömagneettista induktiota käyttävät matalan (LF) ja korkean taajuuden (HF) tunnisteet, kun taas korkeampien
5 taajuuksien (VHF, UHF, SHF) tunnisteet käyttävät sähkökentän heijastumista tiedon ja käyttöjännitteen siirtoon. Tällä hetkellä passiivisten tunnisteiden hinnat ovat noin 0,02-0,10 euroa/ kappale. [6] [7] 3.2 Puolipassiiviset RFID-tunnisteet Puolipassiivinen tunniste sisältää virtalähteen, mutta ei omaa lähetintä. Omalla virtalähteellä saavutetaan parempi toiminnallisuus kuin passiivisella tunnisteella. Toimintasäde on suurempi sekä tietoa voidaan säilyttää laitteen omassa muistissa, kuten ROM- ja WORM- muistissa. 3.3 Aktiiviset RFID-tunnisteet Aktiiviset tunnisteet sisältävät sisäisen virtalähteen, joka mahdollistaa pidemmän kantomatkan. Niillä on suurempi muisti kuin passiivisilla tunnisteilla sekä ne voivat myös tallentaa lähetin- ja vastaanottimen lähettämiä lisätietoja. Aktiivisiin tunnisteisiin pystytään myös liittämään tietoa kerääviä sensoreita. Muistiin voidaan tallentaa tapahtumia ja tietoja tuotteesta sen toimitusketjun alkupäästä loppupäähän, kuten mitä, missä, milloin ja miksi. Tällä hetkellä pienimmät aktiiviset RFID-tunnisteet ovat suunnilleen kolikon kokoisia, mutta ohuempia. Useilla aktiivisilla RFID-tunnisteilla lukuetäisyydet ovat kymmeniä metrejä ja paristot kestävät muutamia vuosia. Aktiiviset tunnisteet ovat yleensä melko kalliita, noin 20-100 euroa kappale. Niitä käytetään yleensä arvokuljetuksissa ja ajoneuvojen sekä konttien tunnistuksessa. Aktiiviset tunnisteet ja lukijat toimivat joko UHF-tai VHFtaajuusalueilla. [6] UHF-tekniikka on saanut eniten mielenkiintoa sen lupaavasta tulevaisuudesta logistiikan sovelluksissa. UHF-tekniikkaa sovelletaan maailmalla tunnetuiksi tulleissa logistiikan toimitusketjuihin liitetyissä RFID-lukijoissa, joita muun muassa Wal-Mart, Tesco, Metro Group, jne. ovat ottaneet käyttöön. [10]. Seuraavassa kuvassa on esitettynä RFID-lava ja -tunnisteita, joita liimataan kontteihin lukijoiden luettavaksi, tiedonsaantia varten.
6 KUVA 1. RFID- tageja ja lava, [15] 4 LUKU- JA KIRJOITUSLAITTEET Lukijat ovat niin sanottuja skannauslaitteita, jotka on tarkoitettu lukemaan tunnisteet ja siirtämään informaation tietokantaan. Lukija käyttää omaa antenniaan kommunikoidakseen tunnisteiden kanssa. Kun lukija lähettää radioaalloilla, tunniste, joka on samalla alueella, vastaa. Lukijat voivat kommunikoida sellaisten tunnisteiden kanssa, joilla on tietty toimintataajuus ja tyyppi. Lukijat voivat lukea myös useita tunnisteita samanaikaisesti. Ja ne voivat olla myös liikkuvia, kuten käsissä pidettävät laitteet. Lukijoita on erilaisia perustuen niiden käyttämään taajuuteen, tiedonkeruuresursseihin sekä nopeuteen ja toimintavalmiuteen. Lukijoita on valmistettu myös eri käyttötarkoituksiin. Niitä ovat muun muassa OEM-, proximity-, mid- ja long range- sekä johdottomat lukijat. OEM-moduulit ovat PCB- kortteja, jotka pystytään sijoittamaan sisään laitteisiin ja aikaansaadaan täydet luku- ja kirjoitusmahdollisuudet. OEM-moduulit voidaan liittää RS232-, TTL- tai data/clock-liitännällä. Lukuetäisyys riippuu siitä, onko kyseessä ulkoinen vai integroitu antenni. OEM-moduulit toimivat 13,56 MHz:n taajuudella ja ne tukevat yleisimpiä protokollia, kuten Mifare Standard, Mifare UL, I-Code1 ja ISO15693. Proximity-lukijat ovat lähikentässä toimivia luku- ja kirjoituslaitteita, jotka kytketään päätelaitteeseen. Lukija voi olla myös paristokäyttöinen. Laitteet kytketään joko RS232- tai USB-liitännällä. Niiden lukuetäisyys on alle 20 cm
7 integroidulla antennilla. Proximity-lukijat toimivat 13,56 MHz taajuudella ja ne tukevat protokollia, kuten ISO15693, ISO18000 Part 3, I-Code1, Tag-it ja epc. Mid Range-lukijat ovat alle 0,7 metrin lukuetäisyyden omaavia luku- ja kirjoituslaitteita, jotka soveltuvat lukijoiksi kauppoihin, kirjastoille, teollisuudelle, logistiikalle ym. Ne kytketään päätelaitteeseen RS232 tai RS485-, USB- tai Ethernet-liitynnän avulla. Mid Range-lukijat toimivat 13,56 MHz:n taajuudella. Lukumoodivaihtoehtoja ovat host-, scan- ja BRM-moodi. Mid Range-lukijat tukevat seuraavia protokollia ISO15693, ISO18000 Part 3, I-Code1, Tag-it ja epc. Long Range-lukijat ovat pidemmän kantaman luku- ja kirjoituslaitteita. Niitä käytetään tiloissa, joissa joudutaan samanaikaisesti lukemaan suuria määriä tapahtumia. Lukuetäisyys on noin kaksi metriä. Long Range-lukijat kytketään yleensä RS232, RS485, USB- tai Ethernet-liitännällä päätelaitteeseen. Antenneiksi voidaan ottaa joko ulkoinen tai porttimainen ratkaisu. Lukijat toimivat 13,56 MHz:n taajuudella ja luku voidaan tehdä host-, scan- ja BRMmoodissa. Lukijat tukevat samoja protokollia kuin Mid Range-lukijat. Johdottomat lukijat on helppo ottaa mukaan kannettaviksi luku- ja kirjoituslaitteiksi. Ne toimivat paristoilla tai akuilla pitempiäkin aikoja. Johdottomissa lukijoissa on integroitu RFID- antenni, jonka lukuetäisyys on noin kymmenen senttimetriä. Ne toimivat myös 13,56 MHz:n taajuudella, ja käyttöjärjestelmänä voi olla Windows CE. [6]
8 KUVA 2. RFID-lukija [14] 5 ANTENNITYYPIT Antennia käytetään aina kahteen tarkoitukseen: elektromagneettisen energian generointiin ja sen keräämiseen. Lähettävässä järjestelmässä radiosignaali on vahvistettu, moduloitu ja siirretty antenniin. Kun RF- virta menee antenniin, elektromagneettinen kenttä vapautuu ilmaan. Vastaanottopäässä elektromagneettisten aaltojen lähestyminen antenniin aikaansaa virran vaihtelun vastaanottimessa. RFID -antenni on keskeinen komponentti radiotaajuustekniikkaan perustuvissa etätunnistimissa. Antennin valintaan vaikuttavat käyttösovellus ja haluttu taajuus. Antenni on LF- ja HF-taajuusalueilla induktiosilmukka, UHF- ja mikroaaltoalueilla normaali dipoliantenni. Vastaanottavan antennin polarisaation tulee olla sama kuin lähettävän antennin, esimerkiksi, jos lähettävä antenni on vertikaalinen; aalto, jonka se lähettää on vertikaalinen.
Kun vertikaalinen kenttä kohtaa horisontaalisen antennin, vastaanotettu signaali on teoreettisesti 0. 9 UHF- ja mikroaaltotaajuusalueilla tunniste ja lukija keskustelevat keskenään radioaaltoja välittämällä, samaan tapaan kuin matkapuhelimet tai radiot. Lukija lähettää antenninsa kautta radioaaltoja, ja tunnisteen dipoliantenni vastaanottaa aallot ja heijastaa niitä takaisin sisältäen sirun tiedot. Tunniste voi välittää heijastetussa signaalissa tiedot lukijalle monella eri tavalla, kuten nostamalla heijastuneen signaalin amplitudia, siirtämällä heijastuneen signaalin vaihetta tai muuntamalla heijastuneen signaalin taajuutta. Lukijan lähettämät radioaallot voivat olla polarisoituja, jolloin tunnisteen antennin asennolla on merkitystä. Lineaaripolarisoidut antennit vaativat tunnisteen antennin olevan vastaavasti suunnattu, ympyräpolarisoidut sallivat vapaamman sijoittelun. Kumpikaan tyyppi ei voi lukea kunnolla pitkittäin radioaaltojen kulkusuuntaa vasten sijoitettuja tunnisteita. [10] 6 TOIMINTATAAJUUDET Taajuuden valinta on olennaista RFID-tekniikassa. Taajuus määrää toiminnan, kommunikoinnin nopeuden ja siirtoalueen. Joidenkin laitteiden toiminta on mahdollista vain tietyillä taajuuksilla. Ja radioaallot käyttäytyvät eri tavoin eri taajuuksilla. Esimerkiksi matalat taajuudet voivat tunkeutua seinän läpi helpommin kuin korkeat taajuudet, mutta korkeammilla taajuuksilla voidaan käyttää nopeampaa tiedonsiirtoa. RFID-järjestelmässä käytetään neljää eri taajuusaluetta, Low Frequency (LF), High Frequency (HF), Ultra High Frequency (UHF) ja mikroaallot. 6.1 Low Frequency- matala taajuus Kaista ulottuu 125-134 khz-alueelle. Tällä taajuudella on voimakkain kyky lukea tagit, jotka on sijoitettu tuotteeseen, jolla on korkea neste- tai metallipitoisuus verrattuna muihin korkeampiin taajuuksiin, eli heijastus- ja
10 säteilyongelmia ei ole. Kyseisellä kaistalla on lyhyin lukuetäisyys, joka ulottuu vain puoleen metriin. Hidas lukunopeus ja herkkyys häiriöille ovat matalan taajuuden muita miinuspuolia. LF-järjestelmiä ei käytetä enää paljon uusissa sovelluskohteissa, käyttöä esiintyy yhä joissakin kulunvalvonnan, eläintunnistuksen sekä renkaiden tunnistuksen sovelluksissa. [10] 6.2 High Frequency- korkea taajuus Monet ensimmäisen sukupolven tunnisteet toimivat 120 khz taajuusalueella, mutta nykyisin kaikkein suotuisin taajuus RFID:n toimintaan on 13,56 MHz ja se on myös standardoitu. Tämä taajuus on muun muassa logistiikan alalla tarpeeksi korkea nopeisiin rutiineihin kuten luotettaviin tunnisteiden lukuihin jopa silloin, kun tunnisteet kulkevat nopeasti skannauslaitteiden ohitse. Tämän mahdollistaa se, että törmäyksenvastaiset protokollat toimivat parhaiten kyseisellä taajuudella. [26] Toimivuusalue on 13,56 MHz ja lukuetäisyys on alle yhden metrin. Kyseiseen taajuuteen on sovellettu myös muun muassa kirjastokirjojen tunnistaminen, terveydenhuollon potilaiden tunnistus, lääke- ja setelitunnistus ja lentoyhtiöiden matkatavarantoimitusjärjestelmät sekä jotkin logistiikan sovellukset. Verrattuna mataliin taajuuksiin, HF-alueella on pidempi lukuetäisyys, korkeampi lukunopeus sekä kyseisellä taajuusalueella järjestelmä toimii myös nesteen ja metallin läheisyydessä, ei niin hyvin, kuin LF-järjestelmät, mutta paremmin kuin UHF-järjestelmät. Tagien hinnat kyseisille taajuuksille ovat edullisimmat. 13,65 MHz- alueella jopa 10-100 passiivista tagia voidaan lukea samanaikaisesti metrin lukuetäisyydeltä. 6.3 Ultra High Frequency- Ultrakorkea taajuus Taajuusalue vaihtelee 868 MHz:stä 956 MHz:iin. Euroopassa taajuudeksi on määritelty 868 MHz ja Pohjois-Amerikassa 915 MHz. UHF-tagit voidaan lukea kauempaa kuin HF-tagit, noin metristä kolmeen metriin passiivisilla tageilla ja jopa 15 metriin aktiivisilla tageilla, joilla on sisäinen virtalähde.
11 Datanopeus on myös suurempi, noin 600 kertaa sekunnissa. Mikroaaltojen datanopeus on kaikkein suurin RFID-käyttöön. UHF-taajuusaluetta käytetään tietullisysteemeissä ja tuotteiden toimitusketjuissa. Niissä tunnisteet ja tukiasemat liikkuvat toisiinsa nähden melko nopeasti ja UHF-taajuudella lukemisen luotettavuus ja tarkkuus on hyvä. Maksimaalinen nopeus tunnisteiden lukuun on 400 kilometriä tunnissa, joka on saavutettu maantiekuljetukseen liittyvissä sovelluksissa. UHF-taajuuksilla tunnisteet ovat aktiivisia ja melko suuria korkeampien tehovaatimusten vuoksi. Automaattiset maanteiden tullisysteemit voivat käyttää UHF-signaaleja tunnistustietojen lähettämiseen jopa 50 metrin päähän. Yksi negatiivinen tekijä on se, että UHF-signaalit ovat heikompia kuin 13,56 MHZ:n signaalit, kun tutkitaan niiden läpäisyä eri materiaalien läpi. UHF-alue on myös standardoitu. [26] 6.4 Mikroaallot Mikroaaltoja käyttävät RFID-järjestelmät toimivat 2,45 GHz ja 5,8 GHz taajuuksilla, jotka tarjoavat kaikkein korkeimmat datansiirtonopeudet ja prosessorien kierrosajat. Mikroaaltotunnisteet pystyvät toimimaan melko monimutkaisissa, laskelmia vaativissa järjestelmissä, kuten kemikaalikuljetuksessa. Pitkät lukuetäisyydet onnistuvat tunnisteen sisäisellä virtalähteellä. Tunnisteet pystytään ohjelmoimaan siten, että ne tunnistavat muut kontit ja pystyvät antamaan itsenäisesti hälytyksen, jos esimerkiksi neljä säiliötä sattuu olemaan tietyn säteen päässä toisistaan. Järjestelmät, jotka toimivat mikroaalloilla, ovat kaikkein kalleimpia, vaikka tunnisteet ovat melko halpoja. Mikroaallot eivät pysty läpäisemään metallia tai nestettä, joten sillä on rajoittunut käyttöalue. Tällä hetkellä kyseistä aluetta on sovellettu elektroniseen tullitarkkailuun, ajoneuvotunnistukseen ja matkatavaroiden kuljetukseen. 7 TIEDON SIIRTO
12 Se, miten tieto siirretään lukijan ja lähettimen välillä, tapahtuu kolmen eri vaiheen kautta. Analoginen signaali muutetaan digitaalisiksi 1 ja 0. Signaali koodataan, eli muutetaan siirrettävään muotoon. Tämän jälkeen signaali moduloidaan, eli muutetaan sen parametrit korkean taajuuden kantoaaltoon. Modulointitapoja on kolme ASK (Amplitude Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying) tai FSK (Frequency Shift Keying). Signaali kulkee magneettikentässä ja elektromagneettisissa aalloissa. Signaalin vastaanotossa tapahtuu demodulointi, eli signaalin palauttaminen alkuperäiseksi ja dekoodauksella poimitaan ja rakennetaan oikea tieto demoduloidusta signaalista. 7.1 Fysikaalisia perusteita Kuten jo aiemmin tuli mainittua, passiiviset tunnisteet eivät sisällä omaa virtalähdettä. LF- ja HF-taajuusalueilla lukija ja tunniste muodostavat induktiivisen kytkennän muuntajan lailla. Tunnisteessa voi nähdä kuparisia silmukoita, jotka muodostavat käämin ja toimivat tunnisteen antennina. Lukijassa tulee olla myös samanlainen silmukka, jolloin tunniste ja lukija pystyvät kommunikoimaan keskenään moduloimalla oskilloivaa magneettikenttää. Oskilloiva magneettikenttä syntyy, kun lukija johtaa vaihtovirtaa antennisilmukkaansa. Tämä magneettikenttä indusoi vastaavan vaihtovirran tunnisteen käämiin, jos se on riittävän lähellä. Tagin siru saa virtaa indusoituneesta virrasta ja sirun EEPROM- muistissa olevaa tietoa käytetään moduloimaan tunnisteen käämin virtaa, joka näkyy magneettikentän yli lukijan antennisilmukan jännitteessä. UHF- ja mikroaaltotaajuusalueilla tunniste ja lukija kommunikoivat keskenään radioaaltoja välittämällä. 7.2 Elektromagneettiset aallot Elektromagneettinen kenttä koostuu sähkö- ja magneettikentästä. Nämä kaksi kenttää ilmenevät virtapiireissä, kun mikä tahansa virtaa johtava aine luo magneettikentän ympärilleen ja sähkökenttä syntyy kahden pisteen välille,
joissa on jännite-ero. Nämä kaksi kenttää sisältävät energiaa ja tämä energia tavallisesti palaa piiriin, kun kenttä purkautuu. 13 Heijastunut aalto on yleensä epätoivottua, koska se aiheuttaa häiriöitä elektronisissa laitteissa. Jos se on lähtöisin lähetyspäästä, sitä kutsutaan radiohäiriöksi, Radio Frequency Interference, (RFI) ja jos heijastuma on lähtöisin muusta lähteestä, sitä kutsutaan magneettiseksi sähköhäiriöksi, Electromagnetic Interference, (EMI) tai kohinaksi. Vaimeneminen ja häiriöt ovat pääsyitä siihen, miksi lukija ei pysty lukemaan tagia, joka on lähellä metallia UHF-taajuuksilla. [18] 7.3 Aallon eteneminen ei- vapaassa tilassa Käytännössä RFID:n soveltaminen tapahtuu ei- vapaassa tilassa, jolloin moni tekijä vaikuttaa RFID-järjestelmän toimintaan. Ympäristössämme on paljon erilaisia materiaaleja, jotka vaikuttavat radioaaltoihin. Kun sähkömagneettinen aalto etenee ei- vapaassa tilassa, se voi heijastua, diffraktoitua ja taittua. Kuten valon säteet heijastuvat peilistä, radioaallot heijastuvat samalla tavoin. Radioaalto heijastuu johtavasta pinnasta (metalli) niin, että sen tulokulma pinnan normaaliin nähden on sama kuin sen heijastumiskulma. Taittumisessa radioaalto muuttaa suuntaansa kohdatessaan esteen tai tiheyden muutoksen aineessa, jossa se kulkee. Diffraktio on ilmiö, jossa aalto interferoi itsensä kanssa, kun sen kulkuun on vaikuttanut jokin kappale, esimerkiksi rako tai kide. Tilaa, joka on tunnisteen ja lukijan välillä, kutsutaan kanavaksi. Vaimeneminen, monitie-eteneminen ja interferenssi vaikuttavat kanavassa järjestelmän toimintaan. Monet yleiset materiaalit, joiden läheisyyteen tunnisteet ovat kiinnitettyinä, kuten metalli tai vesi, vaikuttavat myös järjestelmään. Tästä lisää myöhemmissä luvuissa [18]. Toimintataajuus ei ole jatkuvasti sama, kun lukija ja passiivinen tagi kommunikoivat UHF-taajuuksilla RFID-toiminnassa. Lukija tekee taajuushyppelyä ISM-kaistalla kommunikoidessaan tagin kanssa. Taajuushyppely vähentää interferenssiä, joka syntyy muiden laitteiden toiminnasta kun ne käyttävät saman ISM-kaistan osia.
14 8 SOVELLUKSIA 8.1 Historiaa RFID-tekniikkaa on jo sovellettu mitä erilaisimpiin käyttötarkoituksiin. Toisen maailmansodan aikaan, vuonna 1939, Iso-Britannian armeija kehitti RFIDlaitteen, joka pystyi tunnistamaan omat ja vastustajien lentokoneet toisistaan. Järjestelmää kutsuttiin IFF-järjestelmäksi, joka tuli sanoista Identify Friend or Foe. Samankaltaiset lähettimet ovat käytössä vielä tänäkin päivänä armeijatoiminnassa. Léon Theremin kehitti vuosina 1945-1946 vakoilulaitteen Neuvostoliitolle. 1950-1960 luvuilla tutka- ja radiotekniikka kehittyi huimaa vauhtia ja RFIDtekniikkaa sovellettiin varashälyttimiin, joita on yhä markkinoilla. Electronic Article Surveillance (EAS)-järjestelmät ovat yksinkertaisia laitteita, joissa tunnisteet voivat säilyttää yhden bitin tietoa, 1 tai 0, hälytys on tai off. Vuonna 1973 myönnettiin ensimmäinen patentti aktiiviselle RFID-tunnisteelle ja -avaimelle. Avainta käytetään nykyisinkin kulunvalvonnassa. Kaupallisiin sovelluksiin automaattinen tunnistus tuli 1980- luvun puolivälissä. Tähän tarkoitukseen käytettiin aktiivista RFID-tunnistetta. Yhdysvaltain hallituksen tutkimusohjelma Los Alamos oli alun perin kyseisen sovelluksen kehityksen siemen, joka pyrki löytämään helpotusta radioaktiivisen materiaalin seurantaan. RFID-tekniikka on helpottanut myös eläinten hoitoa. Lehmien tunnistaminen ruokinnassa ja sairaiden yksilöiden lääkkeiden annostus sujuu nyt helpommin, kun lehmien ihon alle on asetettu passiivinen tunniste, joka toimii LFtaajuusalueella, (125 khz). Näin oikeat lehmät löytyvät laumasta ja saavat juuri oikean määrän lääkettä. Implantit ihmisillekin ovat olleet jo kokeilussa. Avainkortit ja avaimenperät toimivat myös LF-taajuusalueella. Kyseinen hanke on myös Los Alamosin ansiota. Älykortit, kuten esimerkiksi avainkortit ja
15 matkaliput käyttävät HF-taajuusaluetta, (13,56 MHz). Korkeammat taajuudet mahdollistavat pidemmät lukuetäisyydet ja suurempien tehojen käytön ja nopeamman datan siirron. IBM patentoi vuonna 1990- luvun alussa UHFtaajuusalueella, (860-930 MHz) toimivan RFID-järjestelmän. Intermec osti IBM:n patentin 1990-luvun puolivälissä ja kehittää sitä viivakoodijärjestelmiinsä. UHF-taajuusaluetta käytetään nykyisin paljon logistiikkasovellusten kehittämiseen. Suomeenkin RFID-tekniikan sovelluksia on otettu käyttöön etenkin teollisuudessa. Department of defence ja Wal-Mart Yhdysvalloissa, Tesco Britanniassa ja Metro Group Saksassa toteuttavat parhaillaan RFIDsovelluksia UHF- taajuusalueella. [11] KUVA 3. RFID-lava, [20] KUVA 4. Lukeminen RFID-lavalta, [20] 8.2 Sovellusten toteutuminen ajallisesti
16 Tavallista nopeammin RFID tulee kalliimpiin tuotteisiin, kuten lääkkeisiin, matkapuhelimiin ja korkeahintaisiin sijoitustuotteisiin. Suureen osaan vastavalmistettuja autoja tullaan sijoittamaan passiivisia RFID-tageja. Eri osiin sijoitetut tagit voivat antaa tärkeää tietoa auton toiminnoista, kuljetusketjusta ja ylläpidosta. Päivittäisiin kulutustuotteisiin RFID tulee, kun tagin, (sirun) hinnaksi tulee sentti. Lukulaitejärjestelmien rakentaminen on pidempiaikainen ja kallis prosessi. Viimeaikainen tutkimus Aino-ohjelmassa (Etätunnistuksen suuntaviivat logistiikassa, Logistiikan RFID- roadmap, 2006) on antanut viitteitä siitä, että kyseisellä alalla olisi mahdollisuuksia. Tämän hetkinen vaikutelma on, että RFID on saavuttanut niin sanotun valtavirta-aseman. Suuret kansainväliset yritykset ovat tähän asti seuranneet RFID-markkinoiden kehitystä ja päätellen myyntiluvuista ja tuotejulkaisuista, tavoiteltu kypsyminen on jo saavutettu. Microsoft on tullut mukaan RFIDväliohjelmistollaan. Intel on integroinut UHF-lukijan toiminnallisuuksia yhdelle mikrosirulle ja sirua hyödyntäviä, melko edullisia lukijalaitteita on toteutettu. Myös Opensource-puolelle on markkinoille tullut muutamia EPC Networkstandardeja tukevia vaihtoehtoja. Varsinkin suurten järjestelmien käyttöönotto tulee lisääntymään sen myötä, kun kustannukset ovat alentuneet. Suuret yhdysvaltalaisyritykset, kuten Walmart ja Boeing ovat esittäneet lisäävänsä yhä enemmän RFID-teknologian käyttöönottoa. Walmart on aloittamassa kolme RFID-hanketta, joissa tutkitaan erityyppisiä RFIDtekniikan hyödyntämistapoja, kuten RFID-pohjaista varastonhallintaa, RFIDtunnisteilla varustettujen promootiotelineiden seurantaa sekä tietyn tuotelajin koko valikoiman kattavaa laatikoiden ja lavojen RFID-seurantaa. Kesällä 2007 julkaistiin uusi standardi, EPCIS. Kyseessä on EPC Globalin kehittämä standardi, joka mahdollistaa eri osapuolien jakaa EPC-koodeihin perustuvaa tuoteinformaatiota standardilla tavalla keskenään. Tämä on tärkeää sen vuoksi, kun halutaan jakaa ja välittää tuotetietoa täysin avoimissa järjestelmissä. [12]
17 TAULUKKO 1. RFID- SOVELLUSTEN HYÖDYT KULUTTAJALLE RFID, sovellusalueet: Ruoka- ja lääke turvallisuus Terveyskortti Kehon kunnon arviointi Eläintunnistus Auton kunto ja sijainti Lentoturvallisuuden ylläpito Henkilön tunnistus Kuluttajan ostoskortti Varaston täydennys RFID- pohjainen lipunmyynti RFID- pohjaiset kännykät paikallisen tiedon hakemiseen Kuluttajan hyödyt: Parempi terveys Parempi turvallisuus Enemmän aikaa ja rahaa Arkitoimintojen keveneminen ja sujuvampi elämäntyyli Yllä oleva taulukko esittää RFID-sovellusten vaikutusta ihmisten jokapäiväiseen elämään. RFID tulee helpottamaan ihmisten asiointia ja lisää turvallisuutta. Pitemmällä aikavälillä sovellusten kehitys vähentää myös kustannuksia ja nopeuttaa toimintoja. 8.3 e-pedigree Tuoteväärennökset ovat erittäin yleisiä ja etenkin maailman terveysjärjestö WHO on arvioinut, että noin 10 prosenttia kehitysmaiden markkinoiden lääkkeistä on tuoteväärennöksiä ja kehittyneidenkin maiden lääkemarkkinoilla väärennöksien osuus olisi 1 prosentti. Kyse on kokonaisuudessaan kymmenistä miljardeista euroista ja ongelma on varsin kiusallinen.
18 Tähän ongelmaan on nyt kehitetty epedigree-seurantajärjestelmä (Electronic Pedigree), jonka tarkoitus on estää tuoteväärennöksiä ja parantaa tuotteiden hallintaa ja turvallisuutta. Järjestelmää pyritään käyttämään hyväksi myös muiden alojen tuoteväärennösten ehkäisemiseen, kuten esimerkiksi liikennevälineiden varaosien väärennöksien löytämiseen. Tuotteille annetaan yksilöllinen koodi, jonka avulla ne tunnistetaan lukemalla koodi aina, kun tuotetta käsitellään tai kuljetetaan eri pisteissä. RFID-tekniikka helpottaa tietojen automatisointia ja kun käytössä on suojattu tietokanta, voidaan lukutapahtumia seurata ja todeta tuote valmistetuksi juuri tietyssä paikassa, eikä myydyksi kopioksi. Nykyiset, väärennöksiltä suojaavat menetelmät, kuten tuotteeseen liitetyt hologrammit opitaan jäljentämään ennemmin tai myöhemmin, eivätkä täten ole kovin varmoja todisteita aidosta tuotteesta. 8.4 NFC Near Field Communication on uutta teknologiaa, joka käyttää myös RFIDtekniikkaa. Sovellus liittyy matkapuhelimiin ja niiden kommunikointiin koskettamisen avulla. Kun puhelimella kosketellaan esineitä, voidaan kerätä ja välittää palveluita, sekä käynnistää erilaisia palveluita. NFC- puhelimeen integroidaan lukija ja tunniste. Oletetaan, että suurin suosio saavutetaan mobiilimaksamisen ja mobiililippujen saralla. Puhelimeen voitaisiin ladata käteistä rahaa tai luottokorttiominaisuus. Matkapuhelimella maksaminen nopeuttaisi ja helpottaisi nykyisiä menetelmiä. Mobiilimaksaminen lisäisi toisaalta myös tietoturvaa, tunnusluvut voitaisiin suoraan näppäillä omalla puhelimella, jolloin ylimääräisiltä katseilta suojauduttaisiin. Lukuetäisyys on noin seitsemän senttimetriä, jolloin laiton signaalin sieppaaminen on miltei mahdotonta. Koreassa ja Japanissa on jo pitkään ollut käytössä sovelluksia, joiden avulla voidaan ladata erilaisia oikeuksia suoraan matkapuhelimeen. Tällaisia ovat esimerkiksi pääsyliput ja julkisen liikenteen kausikortit. Lukijalaitteet pystyvät hakemaan oikean lipputiedon automaattisesti ilman että puhelimesta tarvitsee painaa mitään nappulaa.
19 NFC tulee myös tiedonsiirtoon jatkamaan laitteiden ominaisuuksia, kuten tutut 3G, bluetooth tai WLAN. Laitteiden välinen kevyt tiedonvaihto, kuten salausavainten tai asetustietojen vaihto onnistuu NFC:n avulla. Tämän jälkeen voidaan jatkaa automaattista tiedonsiirtoa pidemmän kantaman ja nopeamman siirron sovelluksilla, kuten esimerkiksi bluetoothilla. Kehitystä ovat hieman hidastaneet turvaominaisuuksista syntynyt kiista, joka liittyy salasanojen ja henkilötietojen sijoittamiseen. Nyt kuitenkin operaattorit ja laitevalmistajat ovat päässeet yksimielisyyteen siitä, että turvaominaisuudet laitetaan SIM- kortille. Markkinoille on tulossa uusia puhelinmalleja, joissa on NFC- ominaisuus. KUVA 5. RFID- kännykkä [13] 8.5 Smart Parking Pysäköintimaksujen suorittamista seurataan Smart Parking hankkeella Oulussa. Järjestelmä toimii siten, että autoissa ja pysäköintipaikoilla on omat RFID- tunnisteet. Pysäköintiaika aloitetaan aktivoimalla tunnisteet kännykän avulla. Ja auton tunnistetta koskemalla lopetetaan pysäköinti. Tällöin maksetaan vain käytetystä ajasta ja tällainen käytäntö on kätevämpää, kuin tekstiviestipohjaiset ratkaisut. Laskutus tapahtuu joko matkapuhelinlaskun yhteydessä tai luottokorttilaskulla. Järjestelmän toteutuksesta vastaa ToP tunniste Oulun kaupungin, VTT:n ja Soneran kanssa. [12]
20 9 RFID:N TOIMINTA METALLIN LÄHEISYYDESSÄ Ympäristössämme esiintyy erittäin paljon metallia. Aiemmissa luvuissa on havaittu, että metalli vaikuttaa eniten RFID-järjestelmien toimintaan. Jos haluamme toteuttaa RFID:tä, on kehitettävä järjestelmiä, jotka toimivat myös metallin vaikutuksen alaisina. Metallipinnan muodolla on myös erilainen vaikutus, esimerkiksi onko kyseessä metalloitu verkko vai tasainen metallipinta. Myös lähetystehoilla on merkitystä. Kokeet, jotka osoittavat tulevia johtopäätöksiä, on tehty eräillä kaupallisilla lukijoilla ja antenni on myyty lukijan mukana. Seuraavat kokeet on tehnyt Zhang Jie opinnäytetyössään [18]. TAULUKKO 2. KOKEESSA KÄYTETTYJEN TUNNISTEIDEN OMINAISUUDET Kokeissa käytettiin neljää erilaista tunnistetta: Tunnisteen nimeke: Rafsec DogBone Tag Antennin koko: 92*23 mm Protokolla: EPC Class 1 Gen 2 Tunnisteen nimeke: Rafsec Frog Tag Antennin koko: 68*68 mm Protokolla: EPC Class 1 Gen 2 Tunnisteen nimeke: Rafsec Short Dipole Tag Antennin koko: 93*11mm Protokolla: EPC Class 1 Gen 2 Tunnisteen nimeke: Intermec UHF Tag Antennin koko: 32*14,7*10,2 mm Protokolla: EPC Class 1 Gen 2 ja ISO 18000-6B TAULUKKO 3. METALLIESINEIDEN OMINAISUUDET Metallit: Tasainen Verkko Tanko Koko: 60*200 cm 60*60 cm, jokainen alue 2,5*2,5 cm halkaisija 6,5 cm, korkeus 11,5 cm Oletusasetukset olivat: Lähetysteho: 600mW
Antenni: Ympyräpolarisoitu (circular polarization) Aallonpituus: noin 30cm 21 Ohessa kuvat tunnisteista: KUVA 6. Rafsec Frog Tag, [16] KUVA 7. Rafsec DogBone Tag, [16] KUVA 8. Intermec UHF Tag, [19] KUVA 9. Rafsec Short Dipole Tag, [16] KUVA 10. Rafsec G2 [23]
22 KUVA 11. RFID- lukija- antenni [18] Lopputuloksista oli havaittavissa, että mitä tahansa muotoa metalli on, alle 0,6 cm läheisyydessä suurinta osaa käytetyistä tunnisteista ei pystytty tunnistamaan. Kun tehoa kasvatettiin maksimiinsa, tunniste pystytään havaitsemaan lähempänä metallipintaa. Tehon laskeminen aikaansaa tunnisteen havaitsemisen kauempaa. Kun teho on alle 400 mw, ei tunnisteita havaita minkäänlaisessa ympäristössä. DogBone- ja Intermec-tunnisteilla on parhain toimintatehokkuus erilaisissa ympäristöissä. Ne pystytään lukemaan läheltä metallia ja laajalla tehoskaalalla. ShortDipole-tunniste ei ollut läheskään yhtä hyvä kuin kahden edellä mainitun. Mutta jos lähetysteho on tarpeeksi suuri, se pystytään myös tunnistamaan melko läheltä metallipintaa. Frog-tunnisteen toiminta oli kaikkein huonoin. Kun tunnisteet olivat lähellä tasaista metallia, tunnisteiden lukeminen oli vakio. Lukeminen onnistui huonommin verkotetun metallin läheisyydestä. Kun etäisyys metallista oli noin puoli aallonpituutta, tunnistetta ei pystytty lukemaan. Jos etäisyys oli joko neljännes- tai kahdeksannes aallonpituuden päässä, tunnisteet pystyttiin lukemaan, mutta toimintatehokkuus laski, sillä metallin heijastuma vaikutti tunnisteisiin. Lähetyssuunta vaikuttaa myös tunnisteiden lukemisen onnistumiseen. Kun suunta on kohtisuora, niin neljännesaallon ja puolenaallon etäisyydellä
23 metallista ei lukemista tapahtunut. Kun taas lähetyssuunta oli rinnakkain tunnisteen kanssa, ei se vaikuttanut sen tunnistamiseen. Jopa puolenaallon mitan päässä toiminta oli sujuvaa. Edelliset kokeiden tulokset antavat suuntaa tuleville suunnitelmille ja niitä pystytään soveltamaan nyt tuleviin sovelluksiin ja ideoihin. 10 VIIVAKOODIEN KORVAAMINEN RFID- TAGEILLA RFID-tagien tulemisesta joidenkin tuotteiden viivakoodien tilalle on keskusteltu ja tutkittu paljon viime vuosina. UPC (Universal Product Code)- ja EAN (European Article Number)- koodien korvaaminen RFID-tageilla voisi tuoda monia etuja kaupan tekoon ja tärkeän informaation säilyttämiseen tuotteissa. Ne eivät ehkä koskaan korvaa kokonaan viivakoodeja kalleutensa vuoksi, mutta ovat monipuolisempia muistinsa ja mahdollisen uudelleenohjelmoinnin vuoksi. Tämän lisäksi tagit eivät vaadi suoraa näkyvyyttä tullakseen tunnistetuksi, kuten viivakoodit sekä niiden lukeminen onnistuu nopeammin ja suuremman etäisyyden päässä. KUVA 12. RFID- hintalappu [16] 10.1 EPC
24 EPC (Electronic Product Code), elektroninen tuotekoodi on kehitysaskel vanhemmasta viivakoodista. Se toimii globaalina numerointistandardina ja yksittäisen tuotteen nimenä, jonka avulla varmistetaan se, että jokainen RFID- tunniste on yksilöity. Tämä mahdollistaa sen, että tuoteryhmäpohjaisesta tunnistustasosta päästään yksilöityjen tuotteiden tunnistukseen. Jokaisesta tuotteesta pystytään hakemaan yksilöity koodi ja tieto. EPC-koodin ohella suunnitellaan omaa EPC-tietojärjestelmää, joka ylläpitää ja kerää tietoja kaikkien EPC-koodattujen tuotteiden liikkeistä läpi koko toimitusketjun. EPC kehitettiin tuotteiden kuljetuksen avuksi ja siihen käytetään RFIDtekniikkaa. EPC on suunniteltu täyttämään erilaisten teollisuuden alojen tarpeet takaamalla kaikkien tagien yhteensopivuus. EPC-tagit suunniteltiin identifioimaan teollisuuden tuotteet, joihin sisältyy muun muassa valmistaja ja tuoteryhmä. Viivakoodiin verrattuna tunnisteen kestävyys likaa, kolhuja ja kosteutta vastaan on parempi. Lisäksi tunniste voidaan piilottaa näkymättömiin. Yrityksen on liityttävä maailmanlaajuiseen EPC Network-palveluun halutessaan EPC- järjestelmän. Sitä hallinnoi ja operoi Yhdysvaltalainen Verisign. Vuosimaksut EPC Networkin käytöstä vaihtelevat kymmenistä tuhansista euroista jopa miljooniin riippuen EPC-koodivolyymista, joka yrityksellä on. Toistaiseksi EPC Network ei ole kovin laajassa käytössä, vaan sitä ovat pilotoineet muutamat kaupan alan yritykset. Suomeen se ei ole vielä saapunut. [25.] KUVA 13. Esimerkki EPC- koodin sisällöstä
25 EPC:n kehitti MIT Auto- ID center, joka on yli 120 maailmanlaajuisen yrityksen ja yliopiston yhteistyöllinen ryhmittymä. Nykyisin EPC- toimintaa johtaa ja hallinnoi EPCglobal inc, GS1 ja UPC:n kehittäjät, jotka vastaavat nyt muun muassa tuttujen EAN- koodien hallinnoinnista. EPCglobal inc on liitto, johon kuuluvat GS1 (aiemmin tunnettu EAN International) ja GS1 US (aiemmin Uniform Code Council). Ryhmän päätyö on luoda maailmanlaajuinen standardi EPC- teknologialle eettisin ja käytännöllisin perustein. Ryhmän työnä on myös luoda standardi RFID:lle. GS1-organisaation määrittelemän EPC- koodin puitteissa pyritään luomaan maailmanlaajuista, avointa järjestelmää tiettyjä, sovittuja standardeja noudattaen. Ensimmäinen standardi määrittelee käytettävän radiotaajuuden UHFalueella, 860-960 MHz:n spektrinä. Tämä taajuusalue mahdollistaa lukuetäisyyden aina 5 metriin. Toinen standardi määrittelee RFID-tagin tietotai datasisällön. Näiden kahden standardin avulla käyttäjä tietää aina, että on kyse EPC-koodista ja sen sovelluksesta. Kiina on varannut kaksi UHF- taajuusaluetta (840,25-844,75 MHz ja 920,25-924,75 MHz) RFID-käyttöön. Taajuusalueet on jaettu kahteenkymmeneen 250 kilohertsin kanavaan ja suurin sallittu lähetysteho on asetettu kahteen wattiin. Ylempi taajuusalue menee osittain päällekkäin Pohjois-Amerikan taajuusalueen (902-928 MHz) kanssa, joten sen tunnisteet pystytään lukemaan myös Kiinassa. Euroopassa käytetty taajuusalue (865-868 MHz) on riittävän lähellä yhteensopivuuden kannalta. Käytettävät protokollat ja niiden yhteensopivuudet länsimaisten standardien kanssa selviää lähiaikoina. Luokka 0 protokolla on toteutus passiivisille RFID-tageille. Kommunikointi tapahtuu amplitudimoduloidulla kantoaallolla. Luokkaa 1 käytetään luku/kirjoitus-tageille. Kommunikointi lukijalta tunnisteelle tapahtuu ASKmoduloinnilla (Amplitude Shift Keying). Käytännössä lukija on kolmessa tilassa; herätys-, luku- ja uni-syklissä, jolla varmistetaan kaikkien samalla alueella olevien tagien lukeminen.
10.2 ISO/IEC 18000-6 Standardit 26 ISO (International Standards Organization), työskentelee parhaillaan IEC:n (International Electro technical Commission) kanssa valmistellen uutta standardia tunnistekorteille ja muille samantyyppisille laitteille. ISO/IEC 18000 sarjan standardit tarjoavat rungon yleisen kommunikointiprotokollan määrittämiseen kansainvälisen RFID:n käyttöön, ja jos mahdollista, samojen protokollien käyttöön myös muilla taajuuksilla siten, että ongelmat olisivat minimissä sekä järjestelmän hallinta ja ylläpito onnistuisivat. Kansainvälinen standardointiorganisaatio ISO on hyväksynyt GS1:n alaisen EPCglobalin Gen2- ilmatieprotokollan osaksi ISO/IEC 18000-6 standardia. ISO18000-6C on maailmanlaajuinen valmistajariippumaton standardi, joka on hyvin merkittävä askel UHF-taajuuden RFID-tekniikan leviämiselle. Taajuudet ovat 860-930 MHz. Jo ennen ISOn hyväksyntää Gen2 on ollut jo käytössä jonkin aikaa, ja on ottanut paikkansa de facto -standardina. Useat kansainväliset yritykset ovat ilmoittaneet siirtymisestään Gen2-standardiin. Kauan odotettu hyväksyminen on viimeinen niitti näkyvissä olleeseen konvergenssiin standardirintamalla. ISOn hyväksymisprosessi vei yhteensä 18 kuukautta. [8] [9] 10.3 Skyetek, Skyemodule- M9 Skyetek- niminen RFID- teknologian yritys on valmistanut SkyeModule M9- modulin, joka on tiettävästi maailman pienin EPC Gen 1 Class 1/2 ja ISO 18000-6B/C OEM, ETSI- yhteensopiva UHF-moduli. M9 on suunniteltu maailman suurimmille markkinoille, kuten Pohjois-Amerikkaan, Eurooppaan, Koreaan ja Japaniin. Moduli on toteutettu mihin tahansa laitteeseen, jonka tunnisteen toiminta perustuu UHF RFID-lukijatekniikkaan. Niitä ovat esimerkiksi käsilukijat, tunnistekooderit, kontit ja se on myös kustomoitavissa NFC UHF:n käyttöön. M9 vie vähän virtaa, on erittäin toimintakykyinen ja edullinen alusta, joka on
yhteensopiva radiostandardi EN 302 208 (Eurooppa) kanssa. M9 perustuu SkyeTekin AURA- nimiseen arkkitehtuuriin, (Advanced Universal Reader Architecture). Monen protokollan hallitseva OEM-moduli lukee ja kirjoittaa perustuen EPC:hen ja käyttää ISO18000-6 mukaisia rajapintaprotokollia kattaen 862-955 MHz. 27 M9 tarjoaa tuen törmäyksen estoon, tiheästi lukevan tilan, turvallisuuden ja laajan varustuksen EPC Class 1 Gen1/2 ja ISO 18000-6B/C tunnisteita. Kun tunnisteen muisti kasvaa, asiakkaat voivat nostaa lukijalaitteen turvallisuutta saadakseen yksityisyyden, ettei kukaan pääse käsiksi tietoon sekä suojan väärennöksiä vastaan. Asiakkaat tarvitsevat lisenssin saadakseen M9- modulin. RF-ulostuloteho on ohjelmallisesti säädettävissä 15mW-500mW. Jännite on 3,3 V-5 V sekä virta pystytään säätämään jopa 100 µa (Sleep Mode). Ohjelmointirajapinnat ovat USB, UART (TTL) ja SPI (Software Process Improvement), jotka ovat asetettu systeemiparametrein tarjotakseen kommunikointimahdollisuuden erilaisten järjestelmien toimintaan. M9 sisältää 50 Ω impedanssisen ulkoisen antennin liittimen. M9:n etuja ovat muun muassa valmius myös tulevaisuuden tarpeisiin ja uusiin sovelluksiin, globaali toiminta, täyttää tarkat sääntövaatimukset, helppo integroida, vähäinen tehonkulutus, edullisuus sekä pieni koko. Muun muassa Wal- mart ja ATA (Air Transport Association) ovat suosineet kyseistä modulia. [21] KUVA 14. SkyeTek M9 Lukijamoduli, [21]
28 KUVA 15. SkyeTek M9 tarvikkeet, [22] 11 TULEVAISUUDEN NÄKYMÄT IT-teollisuuden kehityksen eteneminen jatkuu kovaa vauhtia tulevina vuosikymmeninä. TEKES on laatinut Update of GIGA-VAMOS Technology Roadmap- nimisen ennusteen siitä, mihin suuntaan IT-teollisuus on menossa. Kirjoittaja on tutustunut RFID-tekniikan kehitykseen kyseisen ennusteen pohjalta. Ihmiset tulevat käyttämään yhä enemmän suuren tiedonsiirtokapasiteetin, lyhyen kantaman radioverkkoa, jossa tukiasema on lähellä ihmistä. Ympäristöään havainnoivia antureita tullaan upottamaan yhä enemmän elinympäristöön ja niiden määrä tulee olemaan erittäin suuri jo vuonna 2017. Kännyköihin on tulossa vähäenergisempi vaihtoehto kuulokemikrofonien radiotekniikassa jo vuonna 2008. Laitteet, laitteiden osat ja rakennusten osat merkitään RFID:llä jo ennen vuotta 2010. Pientavaroiden viivakoodit
korvataan vuosina 2009-2011. Vuosi 2010 tulee olemaan RFID- tekniikan todellista sovellusaikaa ja RFID mahdollistaa yhä enemmän tavaravirtojen täydellistä hallintaa. 29 Liikennetelematiikkaan perustuvat tienkäyttömaksut ovat käytössä vuonna 2010. Käyttäjän tunnistaminen ja tietoturva tulevat olemaan suuri aihealue ATK- palvelujen kehityksessä. Neljäsosaan kodeista tulee olemaan langaton paikallisverkko ja 3G-verkoissa tulee olemaan 25-kertainen käyttäjämäärä WiMAX-verkkoihin verrattuna. Matkapuhelimien siirtonopeudet nousevat viisinkertaisiksi LTE- tekniikan (Long Term Evolution) ansiosta. 3G-verkon datanopeus nousee sataan megabittiin sekunnissa. [16] Eräiksi pullonkauloiksi RFID-tekniikan nopealle kehitykselle on todettu yhä korkea hinta ja rajoittunut kehittäjien määrä. Lisäksi RFID: n integrointi tuotteisiin vaatii tekijöitä, niin yrityksiä, kuin henkilöstöäkin eikä tekniikka ole antanut vielä tarpeeksi hyviä tuloksia, että se pystyisi syrjäyttämään vanhat toimivat järjestelmät. Siruja on vielä kehitettävä, lisää lukijoita on saatava ja niiden hintojen on laskettava 20-200 euroa. Kehityksen tukipilareiksi on löydetty suuret jälleenmyyjäketjut, kuten Wal-Mart, Tesco, Marks and Spencer sekä Metro Group, jotka mahdollistaisivat tekniikan käyttöön oton ja odottavat sitä jo hankkijoiltaan. Myös USA:n hallitus ja suuret tekniikan yritykset ovat avaintekijöitä viemään asiaa eteenpäin. [16, s. 26] Seuraava kuva, 16 esittää eri teknologioiden merkitystä ja suosiota laitteiden väliseen kommunikointiin tulevaisuudessa. Absoluuttisella arvolla ei ole merkitystä, vaan kuvaaja ilmaisee painoarvoa siitä, minkä teknologian toiminta on tärkeää tulevina vuosina.
30 KUVA 16. Teknologioiden merkitys laitteiden välisen kommunikoinnin kehitykseen tulevaisuudessa, [16, s. 18.] Kuvasta 17 nähdään, kuinka RFID-tekniikka on avainasemassa teollisuuden ja jälleenmyynnin alueella. Suuret tekniikan yritykset ja jälleenmyyjäketjut ovat ottamassa käyttöön RFID: n ja muut tulevat perässä. Teknologia tulee täydentämään viivakoodeja, mutta ei ehkä kokonaan syrjäyttämään niitä. RFID tulee vähentämään virheitä sitä mukaa kun nopeus kasvaa ja kuljetusketjun eri pisteet on jäljitettävissä. Logistiikan yritykset tulevat arvostamaan tehokkaampaa valvottavuutta, tehokkaampaa toimintaa, parempaa tilausten käsittelyä sekä kehittyneempää tilastojen käsittelyä. Talouden kehitys on parempaa, kun tuotteiden hallinta toimii ja varastot ovat mahdollisimman pienet.
31 KUVA 17. Eri teknologioiden merkitys navigointi- paikallistaminen- jäljitys- tunnistamiseen tulevaisuudessa. [16, s. 27]. KUVA 18. Kun tavarat toimitetaan tehtaaseen, niistä luetaan RFID- tagit, [17] 12 KOKEET TUNNISTEIDEN TOIMINNASTA ERI PINNOILLA 12.1 Tunnisteiden testaaminen eri pinnoilla