Ідентифікація потоків вантажів RFID-мітками на основі бездротових мереж ZigBee

1. Активна RFID-мітка
2. Об'єднання RFID-міток в мережу ZigBee
3. Проектування мережі з RFID-міток
4. Області застосування систем активних RFID
5. Контроль за майном
6. Автоматизація управління рухом громадського транспорту
7. RFID-контроль місцезнаходження транспортних засобів на СТО
8. висновки
9. література
10. Інші статті на цю тему:

2011

Зростання вантажообігу у всьому світі змушує шукати ефективні засоби ідентифікації вантажів, щоб забезпечити надійний і оперативний контроль за їх збереженням і місцезнаходженням. Найпростішим методом автоматизації обліку товарів є нанесення позначок зі штрих-кодами і їх зчитування за допомогою оптичних сканерів. Однак властиві цьому методу серйозні недоліки - повільна обробка при великому потоці, вразливість до механічного пошкодження, залежність зчитування від орієнтації предмета, короткий радіус дії при зчитуванні - привели до необхідності пошуку більш ефективних рішень. Таким рішенням стала радіочастотна ідентифікація RFID (Radio Frequency Identification), що надає значно більше можливостей по ідентифікації. В її основі лежить технологія отримання за допомогою радіохвиль інформації від спеціальної мітки, розміщеної на об'єкті. По суті, це метод запиту-відповіді, який використовували для впізнання «своїх» літаків ще під час Другої світової війни.

У 1948 р теоретичні основи RFID-технології виклав Гаррі Стокман в роботі «Комунікації за допомогою відбитого сигналу» (Communication by Means of Reflected Power). Теорія втілилася в практику в 1973-м, коли в США Маріо Кардулло отримав патент на «Пасивний радіопередавач з пам'яттю», в якому була, по суті, описана сучасна RFID-технологія. Патент Кардулло передбачає використання в якості засобу передачі інформації радіохвиль, світла і звуку. Перша демонстрація діючих прототипів сучасних RFID-чіпів (на ефекті зворотного розсіювання), як пасивних, так і активних, була проведена в Дослідницької лабораторії Лос-Аламоса в 1973 р Портативна система працювала на частоті 915 МГц і використовувала 12-бітові мітки. Перший патент, в якому вже прямо згадувалася абревіатура RFID, був виданий Чарльзу Уолтону в 1983 р В даний час технології РЧ-міток активно розвиваються, їх сфера застосування неухильно розширюється, і з'явилося безліч типів міток, які розрізняються по робочій частоті, джерела живлення, типу пам'яті, форм-фактором і т. п. [1, 2]. За типом використовуваної пам'яті розрізняють такі RFID-мітки:

• RW (Read and Write) - містять ідентифікатор і блок пам'яті для читання / запису інформації. Дані в них можуть бути перезаписані багаторазово.
• WORM (Write Once Read Many) - крім унікального ідентифікатора, містять блок одноразово записуваної пам'яті, яку в подальшому можна багаторазово читати.
• RO (Read Only) - дані записуються лише один раз, при виготовленні. Такі мітки придатні тільки для ідентифікації. Нову інформацію в них записати не можна і їх практично неможливо підробити.

За типом харчування все РЧ-мітки можна розділити на пасивні і активні. Пасивні мітки не мають власного джерела живлення і за-пітиваются енергією зчитувального пристрою. Вони найпростіші, компактні і дешеві. Активні мітки містять власне джерело живлення, вони складніше і значно дорожче пасивних, але дальність їх дії і швидкість роботи в десятки і сотні разів більше. Ці відмінності визначають переважні сфери застосування РЧ-міток [3]. Дешеві пасивні мітки вже використовуються для маркування щодо недорогих товарів масового попиту, наприклад в супермаркетах. Завдяки застосуванню РЧ-міток можна вдосконалити процес покупки аж до повного самообслуговування, включаючи оплату. Вже не потрібно кожен товар підносити до зчитувача, як у випадку зі штрих-кодами, досить провести візок з покупками поблизу зчитувача, і інформація про всі товари виявиться в касі. Залишається тільки розплатитися за рахунком. При наявності банківської карти покупець просто підносить карту до терміналу, касир вже не потрібен. До речі, такі карти використовуються також в турнікетах громадського транспорту. Однак для ідентифікації вантажів в контейнерах при масових перевезеннях пасивні мітки не придатні через малої дальності дії, тут потрібні тільки активні мітки. Наприклад, при перевезенні партії вантажів на кораблі, поїзді чи в автофургоні може бути відсутнім доступ до кожного контейнера. Якщо ж кожен контейнер забезпечений активної РЧ-міткою, то його можна ідентифікувати на відстанях в десятки і сотні метрів за частки секунди. Переваги використання активних міток на багато разів, якщо ці мітки є вузлами мережі ZigBee [4]. В цьому випадку, підключившись до одного з вузлів, можна увійти в мережу і по ланцюжку отримати інформацію про всі вантажі, розташованих на великій території - на складі, в трюмі, в вагоні. Обмін даними відбувається дуже швидко, і тому ідентифікаційну інформацію можна отримати без зупинки транспорту, наприклад при перетині прикордонного поста автофургоном або поїздом. Ще однією перевагою об'єднання міток в мережу є можливість отримання інформації про координати будь-якої мітки, що може бути корисним, наприклад, при пошуку місцезнаходження певного контейнера на складі або на кораблі. Мета даної статті - звернути увагу розробників на клас мережевих систем РЧ-ідентифікації. Оскільки вони тільки починають розвиватися, а цінність практичних додатків цілком очевидна, то для розробників виникає досить широке поле діяльності. Розглянемо особливості технічної реалізації активних систем РЧ-ідентифікації.

Активна RFID-мітка

Системи РЧ-ідентифікації (RFID) використовують радіочастотне електромагнітне випромінювання для читання / запису інформації на невеликий пристрій, зване міткою, або транспон-формальним лідером. RFID-система складається з пристрою, що зчитує і безлічі радіочастотних датчиків - міток з вбудованою антеною, приймачем і батарейкою. Датчик-мітка може містити дані про тип об'єкта, вартості, вазі, температурі, логістичних кодах і т. П. Обов'язковими елементами активної РЧ-мітки є ресивер (приймач), мікропроцесор, пам'ять, антена, батарея харчування і інтерфейс для запису інформації (програмування ). У сучасних розробках ресивер і мікропроцесор об'єднані в одну БІС, звану бездротовим мікро контролером. На рис. 1 приведена функціональна схема одного з кращих бездротових мікроконтролерів універсального призначення JN5148 фірми NXP (раніше компанія lennic). Для роботи МК потрібно підключити зовнішній кварцовий резонатор, кілька резисторів і конденсаторів і мікросхему флеш-пам'яті з послідовним зчитуванням для забезпечення початкового завантаження системи в момент включення (рис. 2). Програмування РЧ-мітки можна здійснювати через один з двох портів UART. Нижче наведені основні характеристики МК. приймач:

• частота 2,4 ГГц, відповідність стандарту IEEE802.15.4;
• система позиціонування;
• 128-бітове шифрування даних AES;
• МАС-прискорювач з пакетним форматуванням, CRC, перевіркою адреси і перезапроса при неприпустимому кількості помилок, таймери;
• можливість передачі даних на швидкостях 500 і 667 кбайт / с;
• «Сплячий» режим для економного споживання;
• напруга живлення 2,0-3,6 В, можливість роботи від літієвої батарейки;
• споживання в сплячому режимі 0,12 мкА;
• споживання в сплячому режимі з включеним таймером 1,25 мкА;
• струм споживання при передачі 18 мА;
• струм споживання при прийомі 15 мА;
• чутливість приймача -95 дБм;
• потужність передавача 2,5 дБм. мікроконтролер:
• 32-бітовий RISC-процесор з частотою 4-32 МГц;
• низьке енергоспоживання;
• змінна величина кодових слів для ефективного програмування;
• ПЗУ 128 кбайт і ОЗУ 128 кбайт; MAC IEEE802.15.4 і елементи бездротових мережевих стеків включені в ПЗУ пристрою;
• інтерфейс lTAG для налагодження;
• чотири 12-розрядних АЦП, два 12-розрядних ЦАП, два компаратора;
• три таймера / лічильника;
• два порти UART;
• порт SPI з п'ятьма режимами;
• двухпроводной послідовний інтерфейс;
• чьотирьох цифровий аудіоінтерфейс;
• охоронний таймер і схема Power-on-Reset;
• до 21 DIO.

Мал. 1. Функціональна схема бездротового мікроконтролера JN5148

Мал. 2. Електрична схема включення мікроконтролера JN5148

Діапазон робочих температур -40 ... + 85 ° C. Корпус QFN з 56 висновками 8x8 мм. JN5148 підтримує сплячий режим з низьким споживанням (близько 1 мкА), в якому тактова частота ЦПУ знижується до 4 МГц. Завдяки цьому режиму термін служби літієвої батареї РЧ-мітки може становити кілька років. Наявність ПЗУ обсягом 128 кбайт дозволяє підтримувати як стек ZigBee PRO (близько 90 кбайт), так і додаток користувача одночасно. МК підтримує протоколи IEEE802.15.4 і ZigBee PRO і сумісний з протоколом 6LoWPAN і з власним стеком lenNet.

Для зчитування інформації з РЧ-мітки даного типу можна використовувати точно такий же прилад (рис. 2), але запрограмований для підключення до комп'ютера. Така можливість є завдяки мережевим принципом роботи. Оскільки розглянутий МК спроектований для роботи в мережі ZigBee, то він має вбудоване програмне забезпечення (пакет протоколів) для автоматичного пошуку і з'єднання з аналогічним пристроєм. Виконати рідер можна у вигляді USB-донгла, що вставляється в порт комп'ютера з відповідним програмним забезпеченням для дешифрування даних за протоколом IEEE802.15.4. Струм споживання такого адаптера не перевищує 32 мА. Для МК JN5148 є також програмне забезпечення для організації інтернет-шлюзу (по протоколу IPv4), тому з рідером можна працювати безпосередньо через Інтернет. Як приклад реалізації на рис. 3 показані зовнішній вигляд РЧ-мітки і конструкція друкованої плати на МК JN5148. Така РЧ-мітка працює на частоті 2,4 ГГц, виявляється на відстані до 100 м і може працювати без заміни батареї до п'яти років. Всі елементи RFID-датчика, включаючи антену і літієвої батареї, розміщуються на двосторонній друкованої платі 30x32,5 мм.

Мал. 3. Конструкція RFID-мітки на мікроконтролері JN5148 для діапазону частот 2,4 ГГц

Об'єднання RFID-міток в мережу ZigBee

Мережа ZigBee є розподіленою самоорганізується мережею з безлічі однотипних елементів, з'єднаних радіоканалом. Кожен вузол являє собою описану вище мітку. Протокол роботи будь-якого вузла передбачає прийом даних, передачу власних даних і ретрансляцію даних суміжних вузлів. Завдяки взаємозв'язку суміжних вузлів область покриття подібної мережі може становити багато кілометрів. Стандарт ZigBee визначає, якими якостями повинні володіти пристрою, що входять в мережу; яким чином пакет інформації передається від одного вузла мережі до іншого; як забезпечується безпека передачі інформації; як новий пристрій підключається до мережі, яка її топологія (який вузол в мережі є головним, який - підлеглим). У специфікації стека передбачені три типи пристроїв: координатор, маршрутизатор і кінцевий пристрій. Координатор инициализирует мережу, управляє її вузлами, зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, задає номер частотного каналу і ідентифікатор мережі PAN ID, а в процесі роботи може бути джерелом, приймачем і ретранслятором повідомлень. Маршрутизатор відповідає за вибір шляху доставки повідомлення, переданого по мережі від одного вузла до іншого, і в процесі роботи також може бути джерелом, приймачем або ретранслятором повідомлень. Термінал не бере участі в управлінні мережею та ретрансляції повідомлень, будучи тільки джерелом / приймачем повідомлень.

ZigBee підтримує складні топології мереж (рис. 4), в яких дані від кінцевого вузла можуть йти в центр збору не тільки безпосередньо, а й через проміжні вузли. За рахунок цього дальність зв'язку може бути досить значною, незважаючи на короткий радіус дії окремих пристроїв. У мережі теоретично може бути об'єднано до 65 тис. Пристроїв, оскільки можлива 16-розрядна адресація вузлів (216 = 65536). У розширеному варіанті розрядність адрес може бути збільшена до 64.

Мал. 4. Варіанти топології мереж ZigBee

Чудовою особливістю мережі ZigBee є збереження її працездатності в разі появи або зникнення будь-якого вузла. Це властивість грунтується на тому, що кожен вузол стежить за своїми «сусідами», постійно оновлюючи маршрутні таблиці на основі оцінки потужності прийнятих від них сигналів. В результаті при зміні просторового розташування «сусідів» або видаленні з мережі одного з пристроїв обчислюється новий маршрут прямування повідомлення. Для роботи складу або при перепакування вантажу це властивість стає обов'язковою умовою - контейнери можуть прибувати і спадати. Очевидно, в цьому випадку мережа повинна мати топологію MESH - кожен вузол пов'язаний з кожним (рис. 4), а координатором мережі є пристрій, що зчитує. При використанні мікроконтролерів JN5148 з'являється можливість визначення координат міток [5]. Ця можливість заснована на наявності в МК вбудованого модуля (блок Ranging Engine на рис. 1) визначення відстані між вузлами на основі вимірювання часу прольоту сигналу - технологія ToF (Time of Flight). Знання координат дозволяє, наприклад, легко знайти вантаж з заданим ідентифікаційним номером.

Проектування мережі з RFID-міток

Розглянемо основні етапи процесу проектування системи ZigBee. Сполучення з датчиком, вибір типу антени і флеш-пам'яті, джерела живлення і корпусу модуля - ось все, що потрібно зробити на «залізному» рівні. Вся інша частина розробки проводиться на програмному рівні і полягає в програмуванні специфікацій мережі, датчиків і кінцевих пристроїв (зазвичай це комп'ютери). У комплект програмного забезпечення входить кілька типових застосувань, і тоді досить просто поставити деякі специфікації. Спочатку формуються вузли мережі, які працюють з кінцевими пристроями. Розробнику необхідно забезпечити поєднання датчика з МК по одному з портів, визначити режими роботи, формати даних, скласти формати для виведення даних з мережі і прописати все це в ПЗУ МК. Мережевий стек бездротових протоколів містить унікальний MAC-адресу IEEE802.15.4, яким забезпечується кожен з офіційно поставляються модулів. Завдяки обсягом пам'яті 128 кбайт, JN5148 може підтримувати стек ZigBee PRO і майже будь-який типове додаток одночасно. При необхідності може бути забезпечена сумісність з мережевим протоколом для IP-з'єднання 6L0WPAN і з власним стеком lenNet. Для розробників, які використовують МК JN5148, є безкоштовні програмні пакети кількох рівнів складності (бінарний пакет початкового рівня, lN-SW-4041, lN-SW-4040, lN-SW-4035, lN-SW-4031, Cygwin Command Line інтерфейс і ін .) і ряд бібліотек до них (SDK Libraries). Розробникам надається комплект програмного забезпечення lN-RD-6009-Active-RFID, в який входять всі необхідні програми для прошивки ПЗУ мікроконтролера які дозволяють з мінімальними зусиллями адаптувати алгоритм роботи RFID-системи до особливостей задачі користувача.

• Пакет lN-SW-4041 Eclipse Integrated Development Environment (IDE) є другим поколінням платформи для розробки програмного забезпечення lennic. Містить засоби створення і управління проектом, редактор коду з вбудованим контролем синтаксису, навігацію за джерелами кодів, утиліту конфігурації графічного RTOS і інструменти візуальної налагодження. Підтримувані продукти: lN5148 802.15.4, ZigBeePRO, lenNet. Пакет дозволяє розробляти програми на основі мови програмування C / C ++. У нього входять інтегроване середовище проектування (IDE) фірми Eclipse (версія Ganymede-SR2-win32), налагоджувальні інструменти для ініціалізації і створення бінарних файлів, компілюються інструменти і програматор флеш-пам'яті. Є драйвери для роботи з послідовними портами, програмування по порту lTAG і проведення перевірки функціонування дерева мережі.
• Пакет lN-SW-4031 Code :: Blocks Integrated Development Environment (IDE) надає всі можливості, які вимагаються від інтегрованого середовища проектування (IDE), включаючи повне управління проектом, редагування кодів джерел, управління конфігурацією і побудовою проекту, утиліту для програмування флеш- пам'яті і вбудований відладчик. Підтримувані продукти: lN5148 802.15.4, lenNet, ZigBee2004, 6LoWPAN.
• Пакет Cygwin Command Line Interface (CLI) є загальним для обох SDK, містить пакет інструментів розробки для Linux-подібного інтерфейсу, який працює в Windows і призначеного для користувачів, які вважають за краще використовувати файли для створення і управління проектом.

Області застосування систем активних RFID

Автоматизація обліку вантажів на складах

При транспортуванні і розміщенні на складі вантажу, забезпеченого РЧ-міткою, його місцезнаходження легко відстежувати і автоматично реєструвати в загальній базі даних. Система дозволяє різко скоротити час обробки вантажу при проходженні пунктів огляду і спрощує пошук великогабаритних вантажів на великих складах.

Контроль за майном

У багатьох видах діяльності, що мають справу з майном, губляться мільйони доларів на те, щоб забезпечити гарантію безпеки майна, або на відстеження умов його зберігання. Бездротові МК lennic з відповідним ПО дозволяють розробити системи оперативного контролю і супроводу майна. Платформа супроводу майна на основі стандарту IEEE802.15.4 надає можливість створювати надійне RFID-рішення активного типу з тривалим часом роботи датчика від батареї. Вбудовані в мікроконтролер lN5148 датчики можуть вимірювати температуру і вологість в місці знаходження майна: вони посилають на заздалегідь обраний приймач дані періодично, залишаючись більшу частину часу в режимі сну, в якому практично немає споживання енергії. 64-розрядний ідентифікаційний адресу MAC ID датчика забезпечує унікальність інформації при передачі її по мережі. Така система відстеження майна знижує число помилок при його зберіганні. Ключові особливості системи:

• наявність шифрування AES для безпечної передачі;
• датчики для вимірювання поряд з функцією бирки;
• мережеві можливості зчитувачів полегшують розгортання системи;
• низька вартість референс-дизайну;
• більше п'яти років роботи від батареї в типових задачах.

Автоматизація управління рухом громадського транспорту

Технологія RFID може бути використана для обліку часу в'їзду і виїзду транспортних засобів (автотранспорту, тролейбусів, трамваїв) на території підприємств [6]. Автоматизація передбачає присвоєння кожному транспортному засобу РЧ-мітки з унікальним ідентифікаційним номером. При виїзді з парку або під час проїзду повз контрольних облікових точок відбувається реєстрація цих подій в єдиній базі даних підприємств для подальшого аналізу. Облік автобусів, трамваїв, тролейбусів на проміжних ділянках може допомогти у формуванні картини потоку громадського транспорту протягом дня. У таких випадках на мітку накладаються певні вимоги:

• робота при негативних температурах;
• вандалоустойчивость;
• водонепроникність;
• зчитування даних на великій відстані.

RFID-контроль місцезнаходження транспортних засобів на СТО

На транспортний засіб прикріплюється РЧ-мітка, в момент попадання її в зону дії зчитувача в базу даних заноситься відповідний запис. Аналогічно заноситься запис про вихід мітки з контрольованої зони. Це дозволяє відстежувати місце розташування автомобілів в боксах, на підйомниках або в інших місцях станцій техобслуговування, в яких буде вестися контроль. Можлива реалізація сервісу з надання клієнту інформації про транспортний засіб через веб-сервер, автоматичне оповіщення клієнта про завершення робіт по електронній пошті, SMS. Активні РЧ-мітки дозволяють відмовитися від використання мережі для контролю за маршрутом транспортних засобів. За межами контрольних точок мітка може з певною періодичністю накопичувати інформацію від приймача GPS про місцезнаходження автомобіля. При проходженні пункту зчитування ця інформація автоматично скидається диспетчеру, який може переглянути основні точки маршруту і проконтролювати тим самим рух автомобіля без використання GSM-каналу. Хоча вартість активної мітки порівнянна з вартістю недорогого GSM-модему, відсутність витрат на трафік і підтримку окремого номера в мережі дозволяє в багато разів знизити витрати на утримання системи контролю транспортних засобів.

висновки

Основні переваги технології активної RFID:

• Для зчитування інформації не потрібна пряма видимість радіочастотної мітки, тому з метою забезпечення скритності і збереження вона може розташовуватися всередині упаковки (якщо вона не металева).
• Швидкість читання команд можуть досягати 1000 шт. в секунду.
• Можливо практично одночасне читання великої кількості міток.
• Назва може складатися з великим обсягом інформації, причому є можливість її зміни.
• З міткою можна працювати віддалено на великій відстані.
• Пристрій довговічне і має високий ступінь безпеки, яка забезпечується застосуванням унікального ідентифікатора, що призначається на заводі при її виготовленні, а також шифруванням даних, що записуються в мітку.
• Мітка стійка до впливу навколишнього середовища, оскільки її завжди можна помістити в будь-яку захисну полімерну оболонку.

література

1. Василик О. Радіочастотні мітки в поле зору // Мережі та телекомунікації. 2007. № 12.
2. RFID: спірна технологія майбутнього. www.nestor.minsk.by/kg/2009/10/kg91018.html .
3. RFID-рішення. www.vital-ic.com .
4. Єркін А. Н. Особливості проектування бездротових ZigBee-мереж на базі мікроконтролерів фірми lennic // Бездротові технології. 2010. № 2.
5. Єркін А.Н. Нові можливості бездротових мереж ZigBee: вимір координат і швидкостей вузлів lennic // Бездротові технології. 2011. № 1.
6. Keytex rfid traffic registration system. www.keytex.ru/index.php?page=products_view&id=1 .

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку