RFID. Что это такое?


19.08.2014

Вы, наверное, замечали, что в некоторых магазинах на товары закрепляют "противоугонные" приборы. Это могут быть какие пластиковые блямбы или наклейки. Если такую штуковину не снять на кассе, и выйти за специальную рамку, расположенную на выходе из магазина, то зазвенит веселый звоночек и возле Вас мгновенно появляется кубический человек (или несколько). И начинается практическое познание что такое RFID. Но вернемся к теории.

Также у многих из Вас есть ключи от подъезда, похожие на брелок. Достаточно его поднести к замку и двери открываются. В некоторых городах существует система оплаты за проезд (например в метро), где используются бесконтактные RFID карты. Аналогичные карты используются в некоторых фирмах для контроля доступа. На некоторых товарах производители наклеивают свои RFID метки в виде наклеек, которые не сразу можно заметить. Такими метками замечают животных, а иногда - и непослушных людей.

Сначала немного теории, собранной из Интернета. Затем (в следующих статьях) - на примерах я расскажу, каким образом можно подключить различные считыватели к микроконтроллерам, микрокомпьютеров, и к обычным компьютерам.

RFID

RFID (англ. Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация) - способ автоматической идентификации объектов, при котором с помощью радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система состоит из считывателя и транспондера (RFID-метка, или RFID-тег).

Считыватели (ридеры)

Приборы, которые читают информацию с меток и записывают в них данные. Эти приборы могут быть постоянно включен в учетную систему, или работать автономно. Считыватели могут быть как стационарные, так и переносные. Исполнение считывателей также может быть различным: в виде рамок (как в супермаркетах), в виде настенных считывателей, настольных и портативных карманных. Считыватели могут иметь различные протоколы связи (UART, RS-232, SPI, WG26, WG32, USB и т.п.) для подключения их к информационной системе.

RFID reader RFID_reader3 RFID reader RFID reader

RFID reader RFID reader RFID reader RFID_reader9

RFID reader RFID reader RFID reader RFID reader

Транспондеры, RFID-теги или RFID-метки

Транспондеры, RFID-теги или RFID-метки могут иметь различные исполнения и могут быть замаскированы под разные вещи. Также RFID-метки могут быть специализированны под конкретные задачи и иметь специальные крепления, например для маркировки животных или птиц.

Карточки:

RFID_cards1 RFID_cards2

Брелки:

RFID_trinket6 RFID_trinket5 RFID_trinket4 RFID_trinket3 RFID_trinket2 RFID_trinket1

Наклейки:

RFID_sticker2 RFID_sticker3 RFID_sticker4 RFID_sticker5 RFID_sticker7 RFID_sticker8 RFID_sticker10 RFID_sticker12

Для животных:

RFID_4animals1 RFID_4animals2 RFID_4animals3

Для торговых сетей:

RFID_shop1 RFID_shop2 RFID_shop3 RFID_shop4 RFID_shop5 RFID_shop7

Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая - интегральная схема для хранения и обработки информации, модуляции и демодуляции радиочастотного (RF) сигнала и некоторых других функций. Вторая - антенна для приема и передачи сигнала.

История 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.

История RFID начинается с 1945 года, когда Лев Сергеевич Термен сделал пассивное устройство (т.е. без любого питания), который модулировал отраженную радиоволну. Это был жучок, но его приписывают к истории RFID за то, что это устройство "искажал" приведенную на него радиоволну. Именно таким образом и работают современные RFID метки.

Но были и активные системы. То есть с автономным питанием. Они нас не интересуют. Я не буду рассказывать о системах свой-чужой который еще во время второй мировой стали использовать в авиации. Это тоже можно назвать RFID системами. Об этом можно при желании прочитать в Интернете. Нас интересуют RFID системы массового применения.

Итак первые RFID-чипы появились в 1973 году. С тех пор появилось несколько типов меток и их технология постоянно совершенствуется.

Классификация RFID-меток

RFID-мітки можна кваліфікувати за:

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

RFID-метки можно квалифицировать по:

  • дальности считывания
  • источнику питания
  • типу памяти
  • рабочей частоте
  • исполнению

Дальность

По дальности считыватели RFID-системы можно разделить на:

  • ближнего действия (до 20 см);
  • средней дальности (від 20 см до 5 м);
  • большой дальности (от 5 м до 100 м)

Источник питания

По типу питания RFID-метки делятся на:

  • пассивные
  • активные
  • полупассивным

Пассивные

Пассивные RFID-метки не имеют встроенного источника питания. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования микрочипа и передачи обратного сигнала.

Пассивные метки УВЧ и СВЧ диапазонов (860-960 МГц и 2,4-2,5 ГГц) передают сигнал методом модуляции отраженного сигнала несущей частоты (англ. Backscattering Modulation - модуляция обратного рассеяния). Антенна считывателя излучает сигнал несущей частоты и принимает отраженный от метки модулированный сигнал.

Пассивные метки ВЧ диапазона передают сигнал методом модуляции загрузки сигнала несущей частоты (англ. Load Modulation - нагрузочная модуляция). Каждая метка имеет идентификационный номер. Пассивные метки могут содержать энергонезависимую EEPROM память.

Дальность действия меток 1-200 см (ВЧ-метки) и 1-10 метров (УВЧ и СВЧ-метки).

Активные

Активные RFID-метки имеют собственный источник питания и не зависят от энергии считывателя, благодаря чему они считываются с большего расстояния. Такие метки имеют большие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Такие метки стоят достаточно много, а у батарей питания ограниченное время работы.

Активные метки в большинстве случаев более надежны и обеспечивают самую высокую точность считывания на максимальном расстоянии.

Активные метки, имея собственный источник питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяют использовать их в агрессивных для радиочастотного сигнала средах: в воде (включая людей и животных, которые в основном состоят из воды), металлах (корабельные контейнеры, автомобили).

Большинство активных меток позволяют передавать сигнал на расстояние в сотни метров при сроке жизни батареи питания до 10 лет.

Некоторые RFID-метки имеют встроенные сенсоры, например, для мониторинга температуры товаров, которые быстро портятся. Другие типы сенсоров в совокупности с активными метками могут использоваться для измерения влажности, регистрации толчков / вибрации, света, радиации, температуры и газов в атмосфере (например, этилен).

Активные метки обычно имеют значительно больший радиус считывания (до 300 м) объем памяти, чем пассивные, и способны хранить больший объем информации.

Полупассивные

Полупассивные RFID-метки, также называют полуактивными, очень похожи на пассивные метки, но оснащены источником питания, который обеспечивает чип энергопитанием. При этом дальность действия таких меток зависит только от чувствительности приемника считывателя и они могут функционировать на большем расстоянии и с лучшими характеристиками.

По типу памяти

По типу памяти RFID-метки делятся:

  • RO (англ. Read Only) - данные записываются только один раз, при изготовлении. Такие метки пригодны только для идентификации. Никакую новую информацию в них записать нельзя, поэтому их практически невозможно подделать.
  • WORM (англ. Write Once Read Many) - кроме уникального идентификатора такие метки содержат блок однократно записываемой памяти, которую в дальнейшем можно многократно читать.
  • RW (англ. Read and Write) - такие метки содержат идентификатор и блок памяти для чтения / записи информации. Данные в них могут быть перезаписаны многократно.

Рабочая частота

RFID-метка LF (125 кГц)

Пассивные системы этого диапазона имеют низкую цену, и по своим физическим характеристикам, могут использоваться также для подкожных меток при чипировании животных, людей и рыб. Но есть определенные проблемы с расстоянием считывания, связанные с длиной волны.

Метки диапазона HF (13,56 МГц)

Системы 13.56 МГц недорогие, не имеют экологических и лицензионных проблем, хорошо стандартизованы. Имеют достаточно широкую линейку решений. Используются в платежных системах, логистике, идентификации. Для частоты 13,56 МГц разработан стандарт ISO 14443 (вид A / B). В отличие от Mifare 1К в этом стандарте обеспечена система диверсификации ключей, позволяет создавать открытые системы. Используются стандартизированные алгоритмы шифрования.

Как и для диапазона LF, в системах, построенных в HF-диапазоне, существуют проблемы с считыванием на больших дистанциях, считывания в условиях высокой влажности, наличия металла вблизи.

Метки диапазона UHF (860—960 МГц)

Метки этого диапазона работают на дальних дистанциях. Ориентированы сначала для нужд складской и промышленной логистики, метки диапазона UHF не имели уникального идентификатора.

Предполагалось, что идентификатором для метки будет EPC-номер (Electronic Product Code) товара, который каждый производитель будет заносить в метку самостоятельно при производстве. Однако скоро стало ясно, что помимо функции носителя EPC-номера товара, хорошо бы положить на метку еще и функцию контроля подлинности. Возникло требование, которое противоречит само себе: одновременно обеспечить уникальность метки и позволить производителю записывать любой EPC-номер.

В 2008 году компания NXP выпустила два новых чипа, которые на сегодняшний день отвечают всем вышеперечисленным требованиям. Чипы SL3S1202 и SL3FCS1002 выполнены в стандарте EPC Gen 2.0, но отличаются от своих предшественников тем, что поле памяти TID (Tag ID), в которое при производстве обычно записывается код типа метки (и он в рамках одного артикула не отличается от метки до метки), разбито на две части. Первые 32 ​​бита отведены под код производителя метки и ее марку, а вторые 32 ​​бита - под уникальный номер самого чипа. Поле TID - неизменное, и, таким образом, каждая метка уникальна. Новые чипы имеют все преимущества меток стандарта Gen 2.0. Каждый банк памяти может быть защищен от чтения или записи паролем, EPC-номер может быть записан производителем товара в момент маркировки.

В UHF RFID-системах по сравнению с LF и HF ниже стоимость меток, при этом выше стоимость другого оборудования.

Преимущества радиочастотной идентификации по сравнению с другими популярными системами

  • Возможность перезаписи. Данные RFID-метки могут перезаписываться и дополняться много раз;
  • Отсутствие необходимости в прямой видимости. RFID-считыватель не требует прямой видимости метки, чтобы считать ее данные. Ориентация метки и считывателя часто не играет роли. Метки могут читаться через упаковку, что делает возможным их скрытое размещение. Для считывания данных метке достаточно хотя бы ненадолго попасть в зону регистрации, перемещаясь, в том числе, и на достаточно большой скорости. В отличие от считывания штрих-кода, где всегда необходима прямая видимость штрих-кода для его считывания;
  • Большее расстояние чтения. RFID-метка может считываться на значительно большем расстоянии, чем штрих-код. В зависимости от модели метки и считывателя, радиус считывания может составлять до нескольких сотен метров. В то же время подобные расстояния не всегда нужны;
  • Возможность хранения большего количества данных. RFID-метка может хранить значительно больше информации, чем штрих-код;
  • Поддержка считывания нескольких меток. Промышленные считыватели могут одновременно считывать множество (более тысячи) RFID-меток в секунду, используя так называемые антиколлизионные функции. Устройство считывания штрих-кода может единовременно сканировать только один штрих-код;
  • Считывание данных метки при любом ее расположении. В целях обеспечения автоматического считывания штрихового кода, комитеты по стандартам (в том числе EAN International) разработали правила размещения штрих-меток на товарной и транспортной упаковке. К радиочастотных меток эти требования не относятся. Единственное условие - нахождение метки в зоне действия считывателя;
  • Устойчивость к воздействию окружающей среды. Существуют RFID-метки, обладающие повышенной прочностью и сопротивляемостью жестким условиям рабочей среды, а штрих-код легко повреждается (например, влагой или загрязнением). В тех областях применения, где один и тот же объект может использоваться неограниченное количество раз (например, при идентификации контейнеров или возвратной тары), радиочастотная метка оказывается более приемлемым средством идентификации, так как ее не нужно размещать на внешней стороне упаковки. Пассивные RFID-метки имеют практически неограниченный срок эксплуатации;
  • Интеллектуальная поведение. RFID-метка может использоваться для выполнения других задач, помимо функции носителя данных. Штрих-код не может быть самозапрограмованим и является лишь средством хранения данных;
  • Высокая степень безопасности. Уникальное неизменное число-идентификатор, присваиваемое метке при производстве, гарантирует высокую степень защиты меток от подделки. Также данные на метке могут быть зашифрованы. Радиочастотная метка обладает возможностью закрыть паролем операции записи и считывания данных, а также зашифровать их передачу. В одной метке можно одновременно хранить открытые и закрытые данные.

Недостатки радиочастотной идентификации

  • Работоспособность метки теряется при частичном механическом повреждении;
  • Стоимость системы выше стоимости системы учета, основанной на штрих-кодах;
  • Сложность самостоятельного изготовления. Штрих-код можно напечатать на любом принтере;
  • Чувствительность к помехам в виде электромагнитных полей;
  • Недоверие пользователей через возможность использования ее для сбора информации о людях;
  • Установленная техническая база для считывания штрих-кодов существенно превосходит по объему решения на основе RFID;
  • Недостаточная открытость выработанными стандартами.

Как работает RFID система с пассивными тегами

Пассивные RFID-теги не имеют источника питания. Они используют энергию излучения антенны считывателя.

rfid system

Считыватель излучает электромагнитное поле определенной частоты. Когда RFID-тег попадает в поле действия этого излучения, в антенне RFID-тега индуцируется электрический ток, мощности которого достаточно для работы чипа. Таким образом питаются пассивные RFID-теги.

RFID-тег с помощью своей электроники может вызвать больший отток энергии от антенны. Это искажает магнитное поле и вызывает падение напряжения на антенне считывателя. Этот эффект используется для передачи данных от RFID-метки.

RFID и права человека

Использование RFID-меток вызвало серьезную полемику, критику и даже бойкот товаров. Четыре основных проблемы этой технологии, связанные с неприкосновенностью частной жизни, следующие:

  • Покупатель может даже не знать о наличии RFID-метки. Или не может ее удалить;
  • Данные с метки могут быть считаны дистанционно без ведома владельца;
  • Если обозначенный предмет оплачивается кредитной картой, то возможно однозначно связать уникальный идентификатор метки с покупателем;
  • Система меток EPCGlobal создает или предусматривает создание уникальных серийных номеров для всех продуктов, несмотря на то, что это создает проблемы с неприкосновенностью частной жизни и совершенно не является необходимым для большинства приложений.

Главное беспокойство вызывает то, что иногда RFID-метки остаются в рабочем состоянии даже после того, как товар куплен и вынесен из магазина. И уже после этого они могут быть использованы для слежения и других неблаговидных целей, не связанных с инвентаризационной функцией меток. Считывание с небольших расстояний также может представлять опасность, если, например, считанная информация накапливается в базе данных, или грабитель использует карманный считыватель для оценки "богатства" проходя мимо потенциальной жертвы. Серийные номера на RFID-метках могут выдавать дополнительную информацию даже после отделения от товара. Например, метки в перепроданных или подаренных вещах могут быть использованы для установления круга общения человека.

Некоторые эксперты по безопасности настроены против использования технологии RFID для аутентификации людей, основываясь на риске кражи идентификатора. Например, атака «человек посередине» делает возможным атакующему в реальном времени украсть идентификатор личности. На данный момент, из за ограничений в ресурсах RFID-меток, теоретически не представляется возможным защитить их от таких атак, поскольку это требует сложных протоколов передачи данных.

Безопасность

Возможность незаметного дистанционного считывания RFID-метки вызывает опасения по поводу безопасности людей. Например, вор может незаметно для человека считать RFID-ключ от ее подъезда. Для этого ему даже не нужно брать ваш ключ в руки.

Считыватель вора может находиться в сумке, кармане или в элементах одежды, мебели и т.д.. Достаточно на долю секунды приблизить замаскированный считыватель к вашей сумочке или к карману, где находится RFID-ключ. Это может быть сделано в транспорте, на улице. Никто даже не прикоснется к вашим вещам, а ключ уже скопирован.

Воспроизвести точно такую ​​же метку достаточно сложно, если говорить о брелке или карточке. Но вора вид вашего ключа не интересует. А скопировать сигнал простой RFID метки (ключа) - дело не очень сложное. Если повторитель вашей метки будет размером пусть и с чемодан, он все равно откроет в ваш подъезд.

Относительно платежных систем, все будет не столь просто (данные на платежных карточках шифруются), но тоже можно получить неприятности.

В некоторых городах используют RFID карты для уплаты за проезд в городском транспорте. В этих системах с карты не только считывается, но и записывается на карту информация. То есть, есть возможность если не использовать, то хотя бы повредить информацию, хранящуюся на карте. Это может вызвать некоторый дискомфорт для одного человека, а может вызвать транспортный коллапс для всего города.

Для того, чтобы сделать невозможным или затруднить нелегальное считывания RFID-меток, нужно экранировать антенну RFID-меток. Мы знаем, что металлические предметы и металлизированные поверхности препятствуют прохождению электромагнитных волн. Также наличие воды, теоретически, может осложнить прохождение электромагнитных волн.

Для того, чтобы выяснить какие именно бытовые вещи помогут нам обезопасить себя от несанкционированного считывания RFID-меток, ключей, карт доступа или платежных карточ, проведем эксперимент.

Возьмем RFID-считыватель, несколько RFID-меток и разные вещи, которые случаются нам на глаза, и проверим: смогут ли они защитить от нежелательного считывания.

В эксперименте использовался считыватель с рабочей частотой 125 КГц.

NO FRID Две карточки вместе. Осложняет считывания, но не препятствуют.
NO FRID Металлизированная упаковка от конфет. Не препятствует.
NO FRID Жевательная резинка. Не препятствует.
NO FRID Металлизированный скотч. Не препятствует.
NO FRID Ножницы. Не препятствуют.
NO FRID NO FRID Антистатический пакет. Не препятствует.
NO FRID NO FRID Батарейки. Не препятствуют.
NO FRID NO FRID NO FRID Медный провод. Не препятствует.
NO FRID NO FRID Это, вообще, для другой безопасности. Не препятствует.
NO FRID NO FRID Упаковка таблеток. Не препятствует.
NO FRID Вода. Не препятствует.
 
NO FRID NO FRID Шоколад;) Блокирует работу RFID.
NO FRID NO FRID Металлическая ложка. Блокирует работу RFID.
NO FRID NO FRID Смартфон. Блокирует работу RFID.
NO FRID NO FRID Пищевая алюминиевая фольга. Блокирует работу RFID.

Итак, для вашей безопасности, чтобы исключить нелегальное считывания ваших RFID тегов, рекомендую воспользоваться простым приемом: храните и перевозите RFID-метки в чехле из обычной фольги.

Успехов!

Читайте продолжение: RFID Reader + ATMEGA + Raspberry Pi

Коментарі:

Додати коментар

* - обов'язкові поля

Архіви