RFID. Що це таке?

19.08.2014

Ви, мабуть, помічали, що у деяких магазинах інколи на товари закріплюють "протиугонні" прилади. Це можуть бути якісь блямби або наліпки. Якщо таку штуковину не зняти на касі, і вийти за спеціальну рамку, розташовану при вході до магазину, то задзеленчить веселий дзвоник і біля Вас миттєво з’являється кубічний чоловік (або декілька). І починається практичне пізнання що таке RFID. Але повернемось до теорії.

Також багато хто має ключі від під’їзду, схожі на брелок. Досить його піднести до замка і двері відчиняються. У деяких містах існує система оплати за проїзд (наприклад у метро), де використовуються безконтактні RFID картки. Аналогічні картки використовуються у деяких фірмах для контролю доступу. На деяких товарах виробники наклеюють свої RFID мітки у вигляді наліпок, які не відразу можливо помітити. Такими мітками помічають тварин, а інколи - і людей.

Спочатку викладу трохи теорії, зібраної з Інтернету. Потім (в наступних статтях) - на прикладах я розповім, яким чином можна під’єднати різні зчитувачі до мікроконтролерів, мікрокомп’ютерів, та звичайних комп’ютерів.

RFID

RFID (англ. Radio Frequency IDentification, радіочастна ідентифікація) — спосіб автоматичної ідентифікації об’єктів, при якому за допомогою радіосигналів читуються або записуються дані, які зберігаються в так званих транспондерах, або RFID-мітках. Будь-яка RFID-система складається з зчитувача і транспондера (RFID-мітка, або RFID-тег).

Зчитувачі (Рідери)

Прилади, які читають інформацію з міток і записують в них дані. Ці прилади можуть бути постійно увімкнуті до облікової системи, або працювати автономно. Зчитувачі можуть бути як стаціонарні, так і переносні. Виконання зчитувачів також може бути різним: у вигляді рамок (як у супермаркетах), у вигляді настінних зчитувачів, настільних, та портативних кишенькових. Зчитувачі можуть мати різні вихідні протоколи (UART, RS-232, SPI, WG26, WG32, USB і т.п.) для під’єднання їх до інформаційної системи.

Транспондери, RFID-теги або RFID-мітки

Транспондери, RFID-теги або RFID-мітки можуть мати різні виконання і можуть бути замасковані під різні речі. Також RFID-мітки можуть бути пристосовані для спеціальної мети та мати спеціальні кріплення, наприклад для маркування тварин або птахів.

Картки:

Брелки:

Наліпки:

 

Для тварин:

Для торгових мереж:

Більшість RFID-міток складаються з двох частин. Перша — інтегральна схема для зберігання і обробки інформації, модулювання і демодулювання радіочастотного (RF) сигналу та деяких інших функцій. Друга — антена для прийому та передачі сигналу.

Історія RFID

Історія RFID починається з 1945 року, коли Лев Сергійович Термен зробив пасивний пристрій (тобто без будь-кого живлення), який модулював відбиту радіохвилю. Це був жучок, але його приписують до історії RFID за те, що цей пристрій "викривляв" наведену на нього радіохвилю. Саме таким чином і працюють сучасні RFID мітки.

Але були і активні системі. Тобто з автономним живленням. Вони нас не цікавлять. Я не буду розповідати про системи свій-чужий який ще під час другої світової почали використовувати у авіації. Це теж можна назвати RFID системами. Це можна при бажанні прочитати у Інтернеті. Нас цікавлять RFID системи масового застосування.

Отже перші RFID-чіпи з’явилися у 1973 році. З того часу з’явилося декілька типів міток і їх технологія постійно вдосконалюється.

Класифікація RFID-міток

RFID-мітки можна кваліфікувати за:

• дальністю зчитування
• джерелом живлення
• типом пам’яті
• робочій частоті
• виконанням

Дальність

По дальності зчитувачі RFID-системи можна поділити на:

• ближньої дії (до 20 см);
• середньої дії (від 20 см до 5 м);
• дальньої дії (от 5 м до 100 м)

Джерело живлення

По типу живлення RFID-мітки поділяються на :

• пасивні
• активні
• напівпасивні

Пасивні

Пасивні RFID-мітки не мають вбудованого джерела енергії. Електричний струм, індукований в антені електромагнітним сигналом від зчитувача, забезпечує достатню потужність для функціонування мікрочіпа та передачі зворотнього сигналу.

Пасивні мітки УВЧ и СВЧ діапазонів (860—960 МГц і 2,4-2,5 ГГц) передають сигнал методом модуляції відбитого сигналу несучої частоти (англ. Backscattering Modulation — модуляція зворотного розсіювання). Антена зчитувача випромінює сигнал несучої частоти і приймає відбитий від мітки модульований сигнал.

Пасивні мітки ВЧ діапазону передають сигнал методом модуляції загрузки сигналу несучої частоти (англ. Load Modulation — загрузочна модуляція). Кожна мітка має ідентифікаційний номер. Пасивні метки можуть містити енергонезалежну пам`ять EEPROM-типу.

Дальність дії міток 1—200 см (ВЧ-мітки) и 1-10 метрів (УВЧ і СВЧ-мітки).

Активні

Активні RFID-мітки мають власне джерело живлення і не залежать від енергії зчитувача, завдяки чому вони читуються з більшої відстані. Такі мітки мають великі розміри і можуть бути оснащені додатковою електронікою. Такі мітки коштують досить багато, а у батарей живлення обмежений час роботи.

Активні мітки у більшості випадків більш надійні і забезпечують найвищу точність зчитування на максимальній відстані.

Активні мітки, маючи власне джерело живлення, також можуть генерувати вихідний сигнал більшого рівня, ніж пасивні, дозволяють використовувати їх у агресивних для радіочастотного сигналу середовищах: у воді (включно з людьми та тваринами, котрі в основному утворені з води), металах (корабельні контейнери, автомобілі).

Більшість активних міток дозволяють передавати сигнал на відстань у сотні метрів при терміні життя батареї живлення до 10 років.

Деякі RFID-мітки мають вмонтовані сенсори, наприклад, для моніторингу температури товарів, які швидко псуються. Інші типи сенсорів у сукупності з активними мітками можуть використовуватись для вимірювання вологості, реєстрації поштовхів/вібрацій, світла, радіації, температури і газів в атмосфері (наприклад, етилен).

Активні мітки зазвичай мають значно більший радіус зчитування (до 300 м) об’їм пам’яті, ніж пасивні, та спроможні зберігати більший об’єм інформації.

Напівпасивні

Напівпасивні RFID-мітки, також називають напівактивними, дуже схожі на пасивні мітки, але оснащені джерелом живлення, яке забезпечує чіп енергоживленням. При цьому дальність дії таких міток залежить тільки від чутливості приймача зчитувача і вони можуть функціонувати на більшій відстані і з кращими характеристиками.

По типу пам`яті

По типу пам`яті RFID-метки поділяються:

• RO (англ. Read Only) — данні записуються тільки один раз, при виготовленні. Такі мітки придатні тільки для ідентифікації. Ніяку нову інформацію в них записати не можна, тому їх практично неможливо підробити.
• WORM (англ. Write Once Read Many) — крім унікального ідентифікатора такі мітки містять блок одноразово записуваної пам`яті, яку надалі можна багаторазово читати.
• RW (англ. Read and Write) — такі мітки містять ідентифікатор і блок пам`яті для читання / запису інформації. Дані в них можуть бути перезаписані багаторазово.

Робоча частота

RFID-мітка LF (125 кГц)

Пасивні системи цього діапазону мають низьку ціну, і у зв`язку з фізичними характеристиками, використовуються також для підшкірних міток при чіпуванні тварин, людей та риб. Але є певні проблеми з відстанню зчитування, пов`язані з довжиною хвилі.

Мітки діапазону HF (13,56 МГц)

Системи 13.56 МГц недорогі, не мають екологічних та ліцензійних проблем, добре стандартизовані. Мають досить широку лінійку рішень. Використовуються у платіжних системах, логістиці, ідентифікації. Для частоти 13,56 МГц розроблений стандарт ISO 14443 (вид A/B). Навідміну від Mifare 1К в цьому стандарті забезпечена система диверсифікації ключів, що дозволяє створювати відкриті системи. Використовуються стандартизовані алгоритми шифрування.

Як і для діапазону LF, в системах, побудованих в HF-діапазоні, існують проблеми з зчитуванням на великих дистанціях, зчитування в умовах високої вологості, наявності металу поблизу.

Мітки діапазону UHF (860—960 МГц)

Мітки цього діапазону працюють на найбільших дистанціях. Орієнтовані спочатку для потреб складської і промислової логістики, мітки діапазону UHF не мали унікального ідентифікатора.

Передбачалося, що ідентифікатором для мітки буде EPC-номер (Electronic Product Code) товару, який кожен виробник буде заносити в мітку самостійно при виробництві. Однак скоро стало ясно, що крім функції носія EPC-номера товару, добре б покласти на мітку ще й функцію контролю справжності. Тобто виникла вимога, яка суперечить сама собі: одночасно забезпечити унікальність мітки і дозволити виробнику записувати будь-який EPC-номер.

У 2008 році компанія NXP випустила два нових чіпа, які на сьогоднішній день відповідають всім вищеперерахованим вимогам. Чіпи SL3S1202 і SL3FCS1002 виконані в стандарті EPC Gen 2.0, але відрізняються від усіх своїх попередників тим, що поле пам`яті TID (Tag ID), в яке при виробництві зазвичай пишеться код типу мітки (і він в рамках одного артикулу не відрізняється від мітки до мітки ), розбите на дві частини. Перші 32 біта відведені під код виробника мітки і її марку, а другі 32 біта - під унікальний номер самого чіпа. Поле TID - незмінне, і, таким чином, кожна мітка є унікальною. Нові чіпи мають всі переваги міток стандарту Gen 2.0. Кожен банк пам`яті може бути захищений від читання або запису паролем, EPC-номер може бути записаний виробником товару в момент маркування.

В UHF RFID-системах у порівнянні з LF і HF нижча вартість міток, при цьому вища вартість іншого обладнання.

Переваги радіочастотної ідентифікації у порівнянні з іншими популярними системами

• Можливість перезапису. Дані RFID-мітки можуть перезаписуватися і доповнюватися багато разів;
• Відсутність необхідності в прямій видимості. RFID-зчитувач не вимагає прямої видимості мітки, щоб зчитати її дані. Орієнтація мітки і зчитувача часто не грає ролі. Мітки можуть читатися через упаковку, що робить можливим їх приховане розміщення. Для зчитування даних мітці досить хоча б ненадовго потрапити в зону реєстрації, переміщаючись, в тому числі, і на досить великій швидкості. На відміну від зчитування штрих-коду, де завжди необхідна пряма видимість штрих-коду для його зчитування;
• Більша відстань читання. RFID-мітка може зчитуватися на значно більшій відстані, ніж штрих-код. Залежно від моделі мітки і зчитувача, радіус зчитування може становити до декількох сотень метрів. У той же час подібні відстані не завжди потрібні;
• Можливість зберігання більшої кількості даних. RFID-мітка може зберігати значно більше інформації, ніж штрих-код;
• Підтримка зчитування декількох міток. Промислові зчитувачі можуть одночасно зчитувати безліч (більше тисячі) RFID-міток в секунду, використовуючи так звану антиколізійну функцію. Пристрій зчитування штрих-коду може одноразово сканувати тільки один штрих-код;
• Зчитування даних мітки при будь-якому її розташуванні. В цілях забезпечення автоматичного зчитування штрихового коду, комітети по стандартам (в тому числі EAN International) розробили правила розміщення штрих-міток на товарній і транспортній упаковці. До радіочастотних міток ці вимоги не відносяться. Єдина умова - знаходження мітки в зоні дії зчитувача;
• Стійкість до впливу навколишнього середовища. Існують RFID-мітки, що володіють підвищеною міцністю і опірністю жорстким умовам робочого середовища, а штрих-код легко пошкоджується (наприклад, вологою або забрудненням). У тих сферах застосування, де один і той же об`єкт може використовуватися необмежену кількість разів (наприклад, при ідентифікації контейнерів або зворотної тари), радіочастотна мітка виявляється більш прийнятним засобом ідентифікації, так як її не потрібно розміщувати на зовнішній стороні упаковки. Пасивні RFID-мітки мають практично необмежений термін експлуатації;
• Інтелектуальна поведінка. RFID-мітка може використовуватися для виконання інших завдань, крім функції носія даних. Штрих-код не може бути самозапрограмованим і є лише засобом зберігання даних;
• Високий ступінь безпеки. Унікальне незмінне число-ідентифікатор, що привласнюється мітці при виробництві, гарантує високий ступінь захисту міток від підробки. Також дані на мітці можуть бути зашифровані. Радіочастотна мітка володіє можливістю закрити паролем операції запису і зчитування даних, а також зашифрувати їх передачу. В одній мітці можна одночасно зберігати відкриті і закриті дані.

 Недоліки радіочастотної ідентифікації

• Працездатність мітки втрачається при частковому механічному пошкодженні;
• Вартість системи вище вартості системи обліку, заснованої на штрих-кодах;
• Складність самостійного виготовлення. Штрих-код можна надрукувати на будь-якому принтері;
• Чутливість до перешкод у вигляді електромагнітних полів;
• Недовіра користувачів через можливості використання її для збору інформації про людей;
• Встановлена технічна база для зчитування штрих-кодів істотно перевершує за обсягом рішення на основі RFID;
• Недостатня відкритість вироблених стандартів.

 Як працює RFID система з пасивними тегами

Пасивні RFID-теги не мають джерела живлення. Вони використовують енергію випромінювання антени зчитувача.

Зчитувач випромінює електромагнітне поле певної частоти. Коли RFID-тег попадає у поле дії цього випромінювання, в антені RFID-тега індукується електричний струм, потужності якого повинно буди достатньо для роботи чіпа. Таким чином живляться пасивні RFID-теги.

RFID-тег за допомогою своєї електроніки може викликати більший відтік енергії від антени. Це викривляє магнітні поля та викликає падіння напруги на антені зчитувача. Цей ефект використовується для передачі даних від RFID-тега.

RFID і права людини

Використання RFID-міток викликало серйозну полеміку, критику і навіть бойкотування товарів. Чотири основних проблеми цієї технології, пов`язані з недоторканністю приватного життя, наступні:

• Покупець може навіть не знати про наявність RFID-мітки. Або не може її видалити;
• Дані з мітки можуть бути зчитані дистанційно без відома власника;
• Якщо позначений предмет оплачується кредитною карткою, то можливо однозначно пов`язати унікальний ідентифікатор мітки з покупцем;
• Система міток EPCGlobal створює або передбачає створення унікальних серійних номерів для всіх продуктів, не дивлячись на те, що це створює проблеми з недоторканністю приватного життя і абсолютно не є необхідним для більшості додатків.

Головне занепокоєння викликає те, що іноді RFID-мітки залишаються в робочому стані навіть після того, як товар куплений і винесений з магазину. І вже після цього вони можуть бути використані для стеження та інших непорядних цілей, не пов`язаних з інвентаризаційної функцією міток. Зчитування з невеликих відстаней також може становити небезпеку, якщо, наприклад, зчитана інформація накопичується в базі даних, або грабіжник використовує кишеньковий зчитувач та для оцінки "багатства" проходить повз потенційної жертви. Серійні номери на RFID-мітках можуть видавати додаткову інформацію навіть після відокремлення від товару. Наприклад, мітки в перепроданих або подарованих речах можуть бути використані для встановлення кола спілкування людини.

Деякі експерти з безпеки налаштовані проти використання технології RFID для аутентифікації людей, ґрунтуючись на ризику крадіжки ідентифікатора. Наприклад, атака «людина посередині» робить можливим атакуючому в реальному часі вкрасти ідентифікатор особистості. На даний момент, через обмеження в ресурсах RFID-міток, теоретично не є можливим захистити їх від таких атак, оскільки це потребує складних протоколів передачі даних.

Безпека

Можливість непомітного дистанційного зчитування RFID-мітки викликає занепокоєння щодо безпеки людей. Наприклад, злодій може непомітно для людини зчитати RFID-ключ від її під їзду. Для цього йому навіть не потрібно брати вашого ключа до рук.

Зчитувач злодія може знаходитись у сумці, кишені чи у елементах одягу, меблів, тощо. Достатньо на долю секунди наблизити замаскований зчитувач до вашої сумочки або кишені, де знаходиться RFID-ключ. Це може бути зроблено у транспорті, на вулиці. Ніхто навіть не торкатиметься ваших речей.

Відтворити точно таку ж мітку досить складно, якщо говорити про брелок або картку. Але злодія вигляд вашого ключа не цікавить. А скопіювати сигнал простої RFID мітки (ключа) - діло не дуже складне. Якщо повторювач вашої мітки буде розміром хай і з валізу, він все одно пройде у ваш під’їзд.

Стосовно платіжних систем, все буде не настільки просто (данні на платіжних картках шифруються), але теж можна отримати неприємності.

У деяких містах використовують RFID картки для сплачування за проїзд у міському транспорті. У цих системах з картки не тільки зчитується, але і записується на картку інформація. Тобто, є можливість якщо не використати, то хоча б пошкодити інформацію, яка зберігається на картці. Це може спричинити деякий дискомфорт для однієї людини, а може викликати транспортний колапс для усього міста.

Для того, щоб унеможливити або ускладнити нелегальне зчитування RFID-міток, треба екранувати антену RFID-міток. Ми знаємо, що металеві предмети та металізовані поверхні перешкоджають проходженню електромагнітних хвиль. Також наявність води, теоретично, може ускладнити проходження електромагнітних хвиль.

Для того, щоб з’ясувати які саме побутові речі можуть допомогти нам убезпечити від несанкціонованого зчитування RFID-мітку, ключ або картку доступу чи платіжну картку, проведемо експеримент.

Візьмемо RFID-зчитувач, декілька RFID-міток та різні речі, що трапляться нам на очі, і перевіримо: чи зможуть вони захистити від небажаного зчитування.

У експерименті використовувався зчитувач з робочою частотою 125 КГц.

	Дві картки разом. Ускладнює зчитування, але не перешкоджає.
	Металізована обгортка від цукерок. Не перешкоджає.
	Жувальна гумка. Не перешкоджає.
	Металізований скотч. Не перешкоджає.
	Ножиці. Не перешкоджають.
	Антистатичний пакет. Не перешкоджає.
	Батарейки. Не перешкоджають.
	Мідний дріт. Не перешкоджає.
	Це, взагалі, для іншої безпеки. Не перешкоджає.
	Упаковка пігулок. Не перешкоджає.
	Вода. Не перешкоджає.

 

	Шоколад ;) Блокує роботу RFID.
	Металева ложка. Блокує роботу RFID.
	Смартфон. Блокує роботу RFID.
	Харчова алюмінієва фольга. Блокує роботу RFID.

Отже, для вашої безпеки, щоб унеможливити нелегальне зчитування з ваших RFID тегів, рекомендую скористатися простим прийомом: зберігайте і транспортуйте RFID-мітки у чохлі зі звичайної фольги.

Успіхів.

Читайте продовження: RFID Reader + ATMEGA + Raspberry Pi