Аспекты ЭМС современных систем радиочастотной

Теория цепей, систем и сигналов
137
УДК 621.396.7:621.395
В.В. Волошнюк, В.Б. Швайченко, канд. техн. наук
Аспекты ЭМС современных систем радиочастотной
идентификации
В работе рассмотрены технологии бесконтактной идентификации, применяемые в различных отраслях. Показаны особенности современных технологий радиочастотной идентификации,
выявлены ограничения, определяющие электромагнитную совместимость (ЭМС) таких систем.
Представлены рекомендации по выбору нормативных документов, регламентирующих параметры ЭМС. Показано, что для обеспечения ЭМС необходимо учесть требования как по эмиссии помех от систем радиочастотной идентификации,
так и восприимчивость этих систем к помехам.
The technologies of identification without contact applied in different industries are considered in
the paper. The features of modern technologies of
radio frequency identification are shown, limitations
determining electromagnetic compatibility (EMC) of
such systems are exposed. Recommendations are
represented on the choice of normative documents
regulating the EMC parameters. It is shown that for
providing of EMC it is necessary to take into account
the requirement both on emission of disturbances
from the systems of radio frequency identification
and receptivity of these systems to the disturbances.
Введение
Под бесконтактной идентификацией обычно подразумевают возможность надежно распознавать
объекты по индивидуальным естественным или искусственно присвоенным им признакам без непосредственного контакта с ними. Технологии бесконтактной идентификации применимы в разных отраслях для автоматизации процесса работы, и наиболее
полно соответствуют всем требованиям компьютерной системы управления, где требуется распознавание и регистрация объектов и прав в реальном масштабе времени.
На сегодняшний день известны как минимум пять
разновидностей идентификации [1-3]:
• оптическая: системы, основанные на штрих-кодах,
распознавании символов;
• магнитная: магнитная полоса, распознавание меток, нанесенных магнитными носителями;
• радиочастотная идентификация (RFID) и передача данных: пластиковые смарт-карты со встроенной микросхемой, радиометки (теги);
• биометрическая: распознавание отпечатков пальцев, сканирование рисунка радужной оболочки
глаза;
• акустическая: идентификация по звуковым параметрам (голосу).
Системы радиочастотной идентификации (Radio
Frequency Identification) обычно состоят из трех основных компонентов: считывателя, транспондера
(TRANSmitter/resPONDER, обычно называемого меткой или тегом, от англ. tag) и компьютерной системы
обработки данных. Закрепленные за объектом специальные метки несут идентификационную и другую
информацию. Для сбора информации, которую несут
в себе метки, служат считыватели (сканеры) RFID.
Антенны сканеров излучают электромагнитные волны, активизирующие RFID-метку и позволяют производить запись и считывание данных с этой метки.
Антенна контролирует весь процесс получения и передачи данных. Они могут быть встроены в специальные портативные устройства, а также в ворота,
турникеты, дверные косяки и т.п. для получения информации от предметов или людей, проходящих через зону действия антенны. В случае непрерывного
считывания большого количества меток электромагнитное поле излучается антенной постоянно. Если
постоянный опрос не требуется, то поле может активироваться по команде оператора. Конструктивно
антенна и приемопередатчик с декодером могут находиться в одном корпусе. Сигнал, поступающий с
антенны, демодулируется, расшифровывается и передается через стандартный интерфейс в компьютер
для дальнейшей обработки [2].
Теги бывают активными и пассивными. Активные
теги работают от присоединенной или встроенной
батареи, они требуют меньшей мощности считывателя и, как правило, имеют большую дальность чтения. Пассивная метка функционирует без источника
питания, получая энергию из сигнала считывателя.
Пассивные метки меньше и легче активных, менее
дороги, имеют фактически неограниченный срок
службы. Активные и пассивные теги бывают следующих типов: только для чтения, с чтением-записью
и однократно записываемые, данные в которые могут
быть занесены пользователем.
По сравнению с перечисленными выше методами RFID-технологии имеют существенные преимущества:
• для RFID не нужен механический или оптический
контакт;
• RFID-метки читаются быстро и точно, обеспечивая практически достоверную идентификацию;
• RFID-метки могут использоваться даже в агрессивных и высокотемпературных средах, читаться
через грязь, краску, пар, воду, пластмассу, древесину (последние разработки позволяют использовать их даже на поверхности и в толще металла);
• у пассивных RFID-меток, не имеющих источника
питания, фактически не ограничен срок эксплуатации;
• RFID-метки несут большое количество информации и могут активно взаимодействовать с внешними системами, поскольку многие из них допускают не только чтение, но и запись информации;
138
Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, 2008
•
варианты геометрии и дизайна метки легко адаптируются к характеристикам носителя и требованиям системы контроля;
• существует возможность использования RFIDидентификации для объектов, находящихся на
больших расстояниях от считывателя (десятки
метров) и движущихся со скоростями до 300
км/час.
В ближайшем будущем штрих-код во всех его
ипостасях предполагается заменить на соответствующие электронные эквиваленты радиометок. На
данный момент ведется разработка стандартов передачи данных из RFID-считывателей в различные
приложения, а также стандартов их обмена между
приложениями, управляющими цепочками поставок.
Это должно упростить электронные транзакции, происходящие между системами двух компаний, ведущих товарообмен. Стандарты будут определять, как
связующее ПО должно обрабатывать полученные
RFID-считывателем данные при поступлении товаров
на склад и передавать эти данные в корпоративное
приложение.
Широкое распространение подобных технологий
существенно изменит электромагнитную обстановку,
что требует проведение оценки совместимости как на
организационном уровне, так и на техническом. Поэтому целью данной работы является определение
основных нормативных документов и предусмотренных ними мероприятий, которые позволят в дальнейшем обеспечить электромагнитную совместимость.
Принципы идентификации объектов
Считыватель имеет приемопередающее устройство и антенну, которые посылают сигнал к тегу и
принимают ответный; микропроцессор, который проверяет и декодирует данные; а также память, которая
сохраняет данные для последующей передачи, если
это необходимо. Основные компоненты тега - интегральная схема, управляющая связью со считывателем, и антенна. Чип содержит память, которая хранит
идентификационный код или другие данные. Тег обнаруживает сигнал от считывателя и начинает передавать данные, сохраненные в его памяти, обратно в
считыватель.
Нет никакой потребности в контакте или прямой
видимости между считывателем и тегом, поскольку
радиосигнал легко проникает через неметаллические
материалы. Таким образом, теги даже могут быть
скрыты внутри тех объектов, которые подлежат идентификации.
Считыватель содержит генератор высокой частоты, который запитывает его антенну. За счет наличия
электромагнитной связи между антенной считывателя и антенной идентификатора в последней наводится переменное напряжение, величина которого зависит от конструктивного исполнения и расстояния между тегом и считывателем. Наведенное напряжение
используется для питания микросхемы идентификатора. Именно она модулирует напряжение в антенне.
За счет связи антенн модуляция появляется в антенне считывателя и поступает на его микросхему. По
такому принципу работали первые пассивные RO
(Read Only – только для чтения) идентификаторы и
считыватели. Затем были созданы идентификаторы,
способные не только передавать информацию считывателю, но и получать ее для целей программирования (записи информации в энергонезависимую
память). С точки зрения основных принципов построения RFID-системы в считывателе появился модулятор, который модулировал излучаемую считывателем несущую, а в идентификаторе - детектор и
перепрограммируемая энергонезависимая память, в
которую записывалась передаваемая считывателем
информация. При такой технологии идентификаторы
называются R/W (Read/Write - чтение и запись). Из
принципа работы этой пары устройств однозначно
следует вывод: чем больше требуемая дальность
считывания, тем больших размеров будет считыватель и тем выше должна быть мощность его излучения [3].
Схематически действия системы RFID возможно
проиллюстрировать схемой по рис 1.
Рис. 1. Взаимодействие RFID-элементов
Теория цепей, систем и сигналов
RFID-теги сегодня, в зависимости от частотного
диапазона работы, подразделяют на четыре категории:
• низкочастотные (125 и 134 кГц);
• высокочастотные (13,56 МГц);
• УКВ (800-900 МГц);
• "микроволновые" (2,45 ГГц).
Естественно, что в каждом из частотных диапазонов RFID-системам присущи вполне конкретные
особенности: с ростом частоты диапазона сильней
сказывается влияние температуры на метки, уже
диаграмма направленности, сильней отражение от
встречных поверхностей, однако меньше размеры
антенны и энергопотребление. Поэтому для каждого
из диапазонов используют специфическме методы
кодирования сигналов в паре считыватель - идентификатор, разные скорости передачи и алгоритмы
разрешения коллизий.
Механизм антиколлизий используется для того,
чтобы при одновременном нахождении в поле считывателя нескольких идентификаторов можно было
выбрать для диалога только один, который необходим в данный момент времени.
Если несколько модулей чтения, установленных
близко друг к другу, одновременно передавали меткам сигнал, то они создавали взаимные помехи.
Стандарт режима плотной установки считывающих
модулей позволит размещать в одном месте 20 модулей и больше, причем они не будут мешать друг
другу при работе. Кроме того, в новейших тегах аппаратно реализовано шифрование, благодаря чему
узнать содержимое тегов смогут только пользователи
с соответствующими полномочиями.
Сферы применения устройств RFидентификации
RFID-системы применяются в самых разных случаях, когда требуется оперативный и точный контроль, отслеживание и учет многочисленных перемещений различных объектов. Радиочастотные
средства идентификации применяю в основном для
учета единиц товара в коммерции, контроля перемещения и контроля безопасности. А именно это электронный контроль за доступом и перемещениями
персонала на территории предприятий, управление
производством, товарными и таможенными складами
(в особенности крупными), магазинами, выдачей и
перемещением товаров и материальных ценностей.
На транспорте RFID-системы могут обеспечить контроль, планирование и управление движением, интенсивностью графика и выбор оптимальных маршрутов; на общественном транспорте они служат для
управления движением, оплаты проезда и оптимизации пассажиропотоков. На их базе можно создавать
системы электронных платежей для всех видов
транспорта, организующие автоматический сбор
данных и при необходимости начисление оплаты на
железных дорогах, платных автомобильных трассах,
на грузовых станциях и терминалах, платных автостоянках. Кроме того, RFID-системы подходят для
обеспечения безопасности (в комплексе с другими
139
техническими средствами аудио- и видеоконтроля),
включая защиту и сигнализацию на транспортных
средствах.
Для каждого из частотных диапазонов действуют
свои стандарты разной степени проработки (таблица
1).
Таблица 1. Стандарты для частотных диапазонов
Рабочая
частота
Стандарт
Приложения
125 кГц
ISO
14223
ISO
11784/11785
13,56
МГц
ISO 14443
13,56
МГц
ISO 15693
13,56
МГц
2,45 ГГц
ISO 10373
Разработаны
для
идентификации животных (домашнего скота),
но достаточно широко
используются в автомобильных
иммобилайзерах
Бесконтактные смарткарты для широкого
круга приложений
Бесконтактные метки
для приложений логистики, идентификации
товаров и т. д.
Методы тестирования
ISO 18000
Бесконтактные метки
для приложений логистики, идентификации
товаров (с увеличенной дальностью)
УКВ и "микроволновые" RFID-теги используются
там, где требуются большое расстояние и высокая
скорость чтения; это, например, контроль железнодорожных вагонов, автомобилей, системы сбора отходов. Например, считыватели устанавливают на
воротах или шлагбаумах, а транспондер закрепляется на ветровом или боковом стекле автомобиля. За
счет большой дальности действия возможна безопасная установка считывателей вне пределов досягаемости людей. Системы высокой частоты эффективны там, где требуется передавать большие объемы данных. Низкочастотные RFID-теги находят широкое применение там, где допустимо небольшое
расстояние между объектом и считывателем. Обычное расстояние считывания составляет 0,5 м, а для
тегов, встроенных в маленькие объекты, дальность
чтения, как правило, еще меньше - около 0,1 м.
Большая антенна считывателя может в какой-то мере компенсировать малую дальность действия небольшого тега, но излучение высоковольтных линий,
моторов, компьютеров, ламп и т. п. мешает ее работе. Так, большинство систем управления доступом,
управления складами и производством, бесконтактные карты используют низкую частоту [1].
Проблемы, связанные с использованием
технологии
Проблемы, связанные с применением RFID:
подверженность помехам электромагнитных полей,
140
Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, 2008
программная совместимость и стандартизация, небольшое расстояние работы наиболее применимых
радиометок, проблемы защиты от взлома и хранения
конфиденциальной информации, малая скорость
внедрения из-за относительной дороговизны.
Существует так же опасность использования
технологии RFID для аутентификации людей, основываясь на риске кражи идентификатора, или взлома
баз данных, содержащих личную информацию.
Устройства SRD (Short Range Devices – малого
радиуса действия), к которым относят RFID, могут
содавать электромагнитные помехи для других систем, и сами могут подвергаться воздействию внешних помех [4]. Наиболее распространным механизмом негативного влияния является интерференция.
Интерференция возникает, если устройства работают с перекрытием частоты; в непосредственной близости друг от друга одновременно; если существует
перекрытие диаграмм направленности антенн; а также зависит от плотности размещения передатчиков в
пространстве.
Постоянное увеличение плотности размещения
радиоэлектронных средств при ограниченном частотном ресурсе приводит к увеличению уровня взаимных помех, нарушая нормальную работу этих
средств. Весьма остро проблема взаимных помех
проявляется там, где целые комплексы должны размещаться на ограниченной территории. Число антенн
на объекте может достигать несколько десятков, а
расстояние между ними могут составлять единицы
метров и менее. Плотное и размещение антенн приводит к тому, что электромагнитные поля, излучаемые антеннами радиопередатчиков, могут создавать
в антеннах радиоприемников высокочастотную ЭДС,
что может привести к перегрузке входных каскадов и
нарушение нормального функционирования или даже выхода устройства из строя.
Не менее опасным являются одновременное
воздействие нескольких сигналов, порождающих в
выходных каскадах и выходных каскадах радиоприемных устройств интермодуляционные помехи, которые могут попасть в полосу рабочих частот приемников и ухудшить условия приема полезных сигналов.
Для того, чтобы оценить на этапе проектирования электромагнитную обстановку и принять решение
о том, будет ли обеспечена ЭМС, необходимо руководствоваться требованиями международных и национальных нормативных документов [5-8]. В таблице 2 приведены родовые стандарты по электромагнитной совместимости, которыми следует руководствоваться для правильного выбора устройств и
обеспечения их нормальной работы в сфере RFID.
Другим аспектом ЭМС является воздействие излучений на биологические объекты. Гипотетическая
полезность RFID-чипа под кожей всегда вызывала
сильнейшие сомнения. Еще в 2004 году, при выдаче
разрешения на использование технологии Verichip в
медицине, в официальных документах отмечались
сопутствующие риски: капсулы могут мигрировать по
телу, затрудняя извлечение; могут нарушать работу
дефибрилляторов;
несовместимы
с
ЯМРсканированием, поскольку вызывают ожоги. Теперь
же выяснилось - и это третья, самая главная новость,
- что некоторые медицинские исследования свидетельствуют о возрастании рисков раковых опухолей,
возникающих в области RFID-инъекции [9].
Таблица 2. Нормирование параметров ЭМС для
систем RFID
ДСТУ EN
55013
ДСТУ IEC
61000-6-1
ДСТУ ІEС
61000-6-2
ДСТУ
CISPR 24
Допустимые значения и методы измерения характеристик радиопомех бытовых
приемников и подключаемого к ним оборудования.
Устанавливает допустимые значения электромагнитных помех:
- Допустимые значения уровня помех на
соединительной сети;
- Допустимые значения уровня помех на
соединителе антенны;
- Допустимые уровни измеримых помех;
- Допустимые значения мощности помех;
- Полезный сигнал и уровень помех на
радиочастотных выходных соединениях
подключенного оборудования.
Электромагнитная
совместимость.
Часть 6-1. Родовые стандарты
Невосприимчивость оборудования в жилой и торговой среде
и в производственных зонах с малым
энергопотреблением.
Устанавливает требования к невосприятию электрического и электронного оборудования торговых или производственных зон с малым энергопотреблением.
Электромагнитная
совместимость.
Часть 6-2. Родовые стандарты.
Невосприимчивость в промышленной
среде.
Устанавливает требования к невосприятию электрического и электронного оборудования промышленных зон.
Данным стандартом руководствуются,
если нет определенного стандарта невостприятия помех на группу однотипных приборов
Электромагнитная совместимость. Оборудование информационных технологий.
Характеристики невосприимчивости к
помехам. Нормы и методы измерений.
Целью стандарта является установление требований, которые могут
обеспечить такой уровень собственной
невосприимчивости, с которым оборудование может работать в электромагнитной среде, для которой оно предназначено.
Двум тысячам людей во всем мире уже имплантированы RFID-чипы Verichip (осень 2007 года). Производители этих устройств надеются на увеличение
продаж, а ученые предлагают отсрочить их массовое
использование. Исследования, проведенные на животных, которые ведутся уже 11 лет, показывают, что
Теория цепей, систем и сигналов
эти чипы могут вызывать развитие опухолей. Кроме
того, сочетаное воздействие излучения RFID-чипов и
мобильных телефонов также оказывают влияние на
электромагнитную экологию, ухудшая ЭМС и увеличивая риски заболеваний.
141
4.
5.
Выводы
Увеличение количества и расширения сферы
применения систем радиочастотной идентификации
существенно влияют на электромагнитную обстановку. Для обеспечения ЭМС необходимо решить две
задачи – во- первых, не превысить уровень эмиссии
выше допустимого, и, во-вторых, применить оборудование с большей невосприимчивостю к помехам.
Другим аспектом ЭМС для биологических объектов
является определения рисков сочетанного воздействия разных источников излучений.
6.
7.
8.
Литература
1.
2.
3.
Шаров В. Технология радиочастотной идентификации // Платформы и технологии. – 2005. – №5.
Павлов Д. Однокристальные радиочастотные
приемопередатчики ISM-диапазонов// Современная электроника. – 2005. – №1.
Стариков О. Компоненты и системы радиочастотной идентификации фирмы Phillips Semiconductors// Chip News. – 2004. – №3.
9.
Куюн А. Электромагнитная совместимость электротехнических систем малого радиуса действия
. – М.: ГОУ ВПО «МГУС», 2007. – 10 с.
ДСТУ ІЕС 61000-6-1:2007 (IEC 61000-6-1:2005,
IDT) Електромагнітна сумісність. Частина 6 –1.
Родові
стандарти.
Несприйнятливість
обладнання у житловому і торговому середовищі
та у виробничих зонах з малим енергоспоживанням
ДСТУ ІЕС 61000-6-2:2008 (IEC 61000-6-2:2005,
IDT) Електромагнітна сумісність. Частина 6 –3.
Родові стандарти. Несприйнятливість обладнання у промисловому середовищі
ДСТУ EN 55013:2004 Норми та методи
вимірювання
характеристик
приймальних
пристроїв та підключеного до них обладнання
(EN 55013:1997, IDT)
ДСТУ CISPR 24 (CISPR 24:1997, IDT)
Обладнання
інформаційних
технологій.
Характеристики несприйнятливості до завад.
Норми та методи вимірювання
Киви Б. Раковый опус // Компьютерра. – 2007. –
№9.