UHF RFID ÉS NFC MÉRÉSEK VALÓS KÖRNYEZETBEN

Átírás

1 Leírás UHF RFID ÉS NFC MÉRÉSEK VALÓS KÖRNYEZETBEN R11B - ALKALMAZÁSOK, TÍPUSOK TRANSZPONDEREK VIZSGÁLATA HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA R1 - A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA BUDAPEST, 2013

2 Tartalomjegyzék 1. A DOKUMENTUM POZICIONÁLÁSA A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA R11 TRANSZPONDEREK CÉLJA EREDMÉNYEI R11B VIZSGÁLAT KÖRNYEZETBEN CÉLJA MEGVALÓSÍTÁS EREDMÉNYEI UHF RFID TRANSZPONDER MÉRÉSEK VIZSGÁLT TAG-EK MÉRÉSI ELRENDEZÉS MÉRÉSI MÓDSZER MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV VALÓS KÖRNYEZETI PARAMÉTEREK HATÁSAI FÉMES KÖRNYEZET FOLYADÉKOKAT TARTALMAZÓ KÖRNYEZET REFLEXIÓK NFC TRANSZPONDER MÉRÉSEK

3 1. A dokumentum pozicionálása 1.1. A térbeli rádiófrekvenciás azonosítás lehetőségeinek kutatása Az olvasók/antennák dinamikus, kontextus függő vezérlésére szükség van, ami nagyrészt a környezettől függ. Ezért szükséges az RFID rendszerben működő, több objektumra is alkalmas okos lokalizációs és azonosító algoritmusok kidolgozása, amire a jelenlegi rendszerek nem képesek. A projekt során kutatjuk az RFID rendszer összetevőit annak érdekében, hogy az egyes alkalmazási területek speciális kihívásainak való megfelelés biztosított-e a jelenleg használt elemekkel, milyen korlátai vannak a rendszereknek, azokat milyen módon lehet a feladat megoldására optimalizálni. E speciális kihívások például: az objektumok anyaga sok esetben fém az objektumok nagy méret- és alakszórása az objektumok tartalmának kiszámíthatatlansága a rendszer működésének jellemzően extrém, különféle területre kell kiterjednie nagyszámú objektumot kell kezelni A projekt fenti speciális kihívásoknak való megfelelés szempontjából az RFID rendszert hardver és szoftver oldalról az alábbi részterületeken vizsgálja: rádiójelek terjedése, transzponderek, antennák, protokollok (air interface), olvasók, hálózatok, helymeghatározás, adatbázis tervezés. Az egyes alkalmazási területek, azok extrémitásai és az RFID technológia jellemzői alapján a kutatás célja olyan követelményrendszer megfogalmazására, amelyek a jövőbeni konkrét gyakorlati alkalmazhatóságot nagymértékben elősegítik. Meg kell vizsgálnunk, milyen típusú, karakterisztikájú és elhelyezésű antennával, olvasóval lehet a térbeli rádiófrekvenciás azonosítás pontosságát növelni Hardverelemek vizsgálata Az RFID rendszerek jelenleg használt hardver komponenseit elengedhetetlen mélyreható vizsgálat tárgyává tenni az általuk szolgáltatott funkcionalitás szempontjából. A vizsgálatot tehát az adott alkalmazástípus elvárásainak és környezeti jellemzőinek figyelembevételével kell végezni. Ennek során deríthető ki, hogy a megvalósítandó rendszer által elvárt teljes funkcionalitás-halmaz lefedhető-e az elemek ''effektív funkcionalitásával''. Amennyiben nem, akkor egy vagy több olyan speciális rendszerelemet kell tervezni, amely alkalmas a mutatkozó hiányosság kiküszöbölésére R11 Transzponderek Célja Transzponderek vizsgálata (UHF RFID és NFC), alkalmazhatósági feltételek feltárása a jelenleg használt transzponderek és különböző körülmények esetén. Tervek a hatékonyság növelésére adott területeken. -3-

4 Eredményei Tanulmány dokumentum Kutatás dokumentálása 1.4. R11B Vizsgálat környezetben Célja Alkalmazható transzponderek vizsgálata az adott környezetben, körülmények esetén. Mérések dokumentálása. Ide tartozik a potenciális veszélyek és visszaélések vizsgálata is Megvalósítás Méréseket végzünk valós, illetve a konkrét alkalmazási területhez hasonló környezetben. Megvizsgáljuk a kapott adatokat, valamint a potenciális visszaélési lehetőségeket is elemezzük Eredményei Mérésekből levont következtetések Visszaélési lehetőségek elemzése -4-

5 2. UHF RFID transzponder mérések 2.1. Vizsgált tag-ek Az előzetes mérések során több féle kivitelezésű passzív működésű transzpondert vizsgáltunk, ezek között szerepeltek különböző típusú egyszerű címke alapú tag-ek valamint több kifejezetten fémre tervezett transzponder. A címke alapú tag-ek szabad térben, vagy a rádióhullámok terjedését nem befolyásoló anyagok környezetében hasonló olvasási teljesítményt nyújtanak, mint a tokozott, ellenállóbb kiszerelésű ún. metal tag-ek. Azonban közvetlenül fémre helyezve a címke alapú tag-ek megbízhatatlanok, legtöbbször egyáltalán nem olvashatóak. Ezt a hatást azonban ki lehet szűrni a fém felület és a tag közé helyezett speciális anyagokkal, pl. vékony poliuretán szivaccsal. Ezek alkalmazása - hacsak a tag nincs mechanikailag védett helyen - nem célszerű. Az alkalmazási környezetben előreláthatólag ez a feltétel nem biztosítható, így mindenképpen a speciális metal-tag-ek használata javallott. A mérések során kiderült, hogy egy fém lapra felszerelt metal-tag már 10 m távolságból is olvasható a fixált RFID olvasóval, míg az Alien ALH-9001 mobil olvasóval kevésbé hatékonyan, 7-8 m távolságból működött. 1. ábra Címke alapú passzív tag-ek -5-

6 2. ábra: Fémre szerelhető passzív tag, Omni ID 3. ábra: Fémre szerelhető passzív tag, CaenRFID 2.2. Mérési elrendezés A méréseket szabad térben végeztük, épületektől és egyéb RF hullámterjedést befolyásoló objektumtól távol. Mivel a talaj reflektáló hatását nem tudtuk kiküszöbölni, ezért a mérési körülményeket úgy állítottuk fel, hogy a talajreflexió a lehető legkisebb hatással befolyásolja az eredményeket. Ehhez az olvasó és a transzponder távolságát, valamint ezek talajtól vett távolságát állítottuk be úgy, hogy a talaj okozta reflexió biztosan ne okozzon kioltást a tag pozíciójában. Ehhez a kétutas hullámterjedés modellt használtuk fel, melyben a vevőantennára, jelen esetben a tag-re érkező térerősség abszolút értéke a következő képlettel számolható: (1) A képletben szereplő szinusz argumentuma befolyásolja a térerősséget, melybe beírva az olvasó illetve a tag talajtól vett magasságát, illetve a hullámhosszt (962 Mhz frekvencia esetén 31 cm), kiszámolhatjuk a távolság függvényében vett csillapítást. -6-

7 4. ábra: Kétutas terjedési együttható Az ábrán az olvasó és transzponder közötti távolság függvényében vett térerősség együttható látható, ez alapján egy olyan távolságot választottunk, melynél csillapítás nélkül az olvasás sikeressége garantált (kb. 2 m) valamint a közvetlen és a reflektált hullám nem okoz teljes kioltást, kismértékű pontatlan elhelyezés esetén is. Így a választás 1.8m távolságra esett, mivel így egy nagyjából 30 centiméteres távolság tartományban nincs kioltási pont Mérési módszer A méréseket egy Alien ALH-9001 típusú mobil UHF RFID olvasóval végeztük, mely crossdipol antennával rendelkezik, ezzel elkerülve a transzponder és az olvasó orientációjából adódó, polarizáció okozta kedvezőtlen hatásokat. A mérések eredménye a transzponderről az olvasóra visszaérkező jelteljesítményt indikáló RSSI érték, melyet az olvasó kijelez. A fémes környezetet vizsgáló mérések során a transzponder és olvasó közötti távolságot nem változtattuk, csak az orientációt változtattuk, 5 fokos felbontással. A tag-eket fém felületre rögzítettük, majd 3 olvasási ciklust végeztünk el, ezek eredményeit rögzítettük. A folyadékokat tartalmazó környezet vizsgálata során a transzpondert egy vizet tartalmazó PET palackra ragasztottuk, és az olvasótól folyamatosan távolítottuk Mérési jegyzőkönyv A mérési jegyzőkönyvekben minden egyes mérési konstelláció esetén 3 mérési ciklust hajtottunk végre, és ezek eredményét rögzítettük táblázatban. A három mért értékből vett átlag-értéket vettük az adatok feldolgozása során az adott konstelláció eredményének. Olvasás teljesítménye Tag pozíció [m] Tag szöghelyzete [ ] RSSI Olvasás Sikeres olvasás [dbm] X Y Z Oα Oβ Oγ [dbm] [db] [db] [átlag dbm] ábra: Részlet a jegyzőkönyv táblázatából -7-

8 3. Valós környezeti paraméterek hatásai RFID rendszerben az egységek közötti kommunikációs csatornát a környezet nagymértékben befolyásolja, a tervezés során figyelembe kell venni az alkalmazási környezet hatásait. Ezek forrásai egyrészt a környezet passzívnak tekinthető elemei, melyek a rádiófrekvenciás jelek terjedését befolyásolják, valamint az olvasótól független, aktív elemek, pl. egyéb rádiófrekvenciás eszközök. A mérések során fixált valamint mobil olvasó eszközöket és több féle transzpondert használunk. A mérések során a környezeti hatásokat a tag-ek leolvasásának eredményességével vagy a tag-ről az olvasóantennára visszaérkező jel teljesítményével jellemezzük Fémes környezet Olyan alkalmazási környezetben, ahol a transzponder környezetben nagyobb fémfelületek vannak, a transzponder antennája elhangolódik a fémfelületekkel létrejövő kapacitív csatolás hatására. Mivel hulladékkezelésben az UHF RFID transzponderrel szerelt tárgyak általában fém alapúak, ezért a mérések során fémtárgyakra elhelyezett transzponderek leolvashatóságát vizsgáljuk Folyadékokat tartalmazó környezet Az UHF tartományban lévő elektromágneses sugárzást az elektromosan vezető tulajdonságokkal rendelkező folyadékok, így a szabad ionokat tartalmazó víz is elnyeli. Így az olvasó és a transzponder közé helyezett, vizet tartalmazó tárgyak nagymértékben csökkentik az a transzponder olvashatóságát. A mérések során azt tapasztaltuk, hogy a transzponder az olvasó antennájának közelterében (kb. 5 cm távolság, = /2) még jól olvasható, azonban a transzponder és olvasó közti távolság növelésével rohamosan csökken az olvasóra visszaérkező jelteljesítmény, és 30 cm távolságból már nem is olvasható a tag. Ugyanezzel az adóteljesítménnyel víz közbeiktatása nélkül a tag 4-5 méterről is olvasható. -8-

9 3.3. Reflexiók 6. ábra: OMNI ID tag vizsgálata Alien ALH-9001 olvasóval Az alkalmazási környezetben elkerülhetetlen a reflexiók hatása, melyet a fém felületek, a falak és a talaj okozhatnak. A reflexiók vizsgálatát elvégeztük többféle környezetben, ilyen viszont az olvasóra visszaérkező jelteljesítmény adat nem ad releváns eredményt, mivel a jel terjedése valamint a kioltási és erősítési pontok számítása bonyolult, nagy számításigényű feladat. Azonban a reflexiók hatása nem feltétlen kedvezőtlen, több utas terjedés esetén a kioltási pontok hatása gyengül, az olvasó környezetében a térerősség homogénebb lesz. -9-

10 4. NFC transzponder mérések Az NFC transzponderekről általánosságban elmondható, hogy leolvashatóságuk 4-5 cm távolságnál nem nagyobb, továbbá az okos telefonokban használt NFC olvasók kimeneti teljesítménye tovább korlátozza az olvasási távolságot ideális esetben max. 1-2 cm-re. Ezen felül további kedvezőtlen tulajdonság, hogy a transzpondert közvetlenül fém felületre helyezve az antenna elhangolódás miatt egyáltalán nem tudjuk olvasni, csak nagyjából cm-re eltávolítva a fémfelülettől. Természetesen ennek kiküszöbölésére léteznek megoldások, speciálisan kialakított NFC tag-ek formájában, melyet több, különböző anyagú rétegből építenek fel, egy izolációs réteget létrehozva a tag antennája és a fém felület között. Ezeket a körülményeket figyelembe véve releváns mérések kivitelezése nagy érzékenységű műszereket és pozícionáló eszközöket igényelt volna, és a mérési tartomány nagyjából 1-2 cm-t jelentett volna, és a potenciális alkalmazási területekre nézve értékes adattal nem szolgált volna úgy, mint az UHF tag-ek méréséből keletkező karakterisztika adatok. 7. ábra: NFC tag tesztmérés -10-