Коммерциялық емес акционерлік қоғам
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Радиотехника  кафедрасы

РАДИО ЖИІЛІКТІ СӘЙКЕСТЕНДІРУ ТЕХНОЛОГИЯСЫ (RFID)
5В071900- Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығының студенттеріне арналған
дәрістер жинағы

Алматы 2014

Құрастырушылар: Рутгайзер О.З., Сүйеубаев О.Б. Радиожиілікті сәйкестендіру технологиясы (RFID). 5В071900 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығының студенттеріне арналған дәрістер жинағы. – Алматы: АЭжБУ, 2014. – 49 б.

Радиожиілікті сәйкестендіру технологиясы (RFID) жүктерді, транспорттарды маркалау кезінде, адамдар мен жануарлардың орналасуына іздеу салуда кең қолданыс тапқан. Ұсынып отырған дәрістер жинағында қолдану сферасы мен осы технология негізіндегі нақты қосымшалар қарастырылған, RFID жүйесін эксплуатациялау және өңдеуге қатысты негізгі физикалық тәуелділіктер көрсетілген.

Дәрістер жинағы техникалық мамандар мен магистранттар үшін пайдалы болып табылады.

Сурет 13, кесте 2, әдеб. көрсеткіштері – 3 атау

Пікір берушілер: АЭжБУ доценті Қалиева С.А

«Алматы энергетика және байланыс университетінің» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2014 ж. басылым жоспары бойынша басылады.

ã «Алматы энергетика және байланыс университеті» КЕАҚ, 2014 ж.

1 дәріс.   Кіріспе. RFID технологиясының даму тарихы

Дәрістің мазмұны: RFID технологиясының артықшылықтары.

Дәрістің  мақсаты: Радиожиілікті сәйкестендіру технологиясына жалпылай түсінік беру.

Соңғы жылдарда ұялы телефон, цифрлық теледидарлама, жерсеріктік жүйе арқылы ақпаратты таратуды ұйымдастыру үшін қолданылатын сымсыз байланыс технологиясының қарқынды дамуымен қоса адам немесе басқа да физикалық жүйелердің жай күйін бақылауға болатын құрылғысы бар сымсыз байланыс жүйесі кеңінен таралуда. Мұндай құрылғылар радиожиілікті  идентификация (RFID) технологиясы негізінде жасалуы мүмкін.

Радиобелгілер дүкендерде, ауруханаларда, дәріханаларда, әуежайларда, транспортта, оқу орындарда және тағы да басқа жерлерде орналасуы мүмкін. Мұндай радиобелгілер көрсеткіш болып табылады, ақпараттарды жинап, оларды өңдеп және шешім шығару үшін радиосигналдарды технологиялық процестер орындау жүйелеріне жібере алады.

RFID-ны енгізуде жиналған ақпараттарды пайдалану компаниялар үшін өте тиімді, ал тұтынушылар заманауи және сапалы қызметтер ала алады. RFID-ны енгізудегі пайда, мысалы тауарды контейнер көмегімен дүкендерге жеткізу кезінде келесі түрде көрінеді:

- буферлі қосалқыны қысқарту (тауар бағасының 0,25-0,3%);

- қызмет көрсету арнасының ұзындығының кемуімен (0,13-0,16%);

- қызмет көрсету бағасының төмендеуі (0,08-0,1%);

- әкімшілік шығынының төмендеуі (0,04-0,05%);

- ұрлық пен жоғалу санының азаюы (0,04-0,05%).

Осындай пайдалардың жиынтығы тауар бағасының 0,54-0,66% үнемдейді. Сонымен қатар жекелей атасақ: белгі бағасы, санауыш, антенна, эксплуатацияға енгізу бағасы мен бағдарламалық қамтамасыз ету бағасы, қызмет көрсету бағасы да есепке алынады. RFID технологиясын енгізу кезіндегі экономикалық әсер жүйе жұмысы мен оны енгізу инженерлік тұрғыдан сауатты орындалғанда ғана жүзеге асады.

Радиожиілікті идентификациялау немесе RFID (Radio Frequency Identification) – бұл идентификацияның басқа түрлерімен салыстырғанда айтарлықтай үлкен мүмкіншіліктері бар, заманауи технология. Оның негізінде идентификациялық та, қолданушылық та ақпарат тасымалдайтын арнайы ен-таңба бекітілген объектілерді анықтауға арналған ақпаратты радиотолқындар арқылы жіберу технологиясы жатыр‎.

RFID технологиясын нақты жүзеге асыру оның қолданыс аймағы секілді аз болып табылады. Одан басқа оның жаңа нарық көшіне енуі көбінесе әр елдің мемлекеттік саясатына байланысты «жоғары технологиялар және жаңартулар» жөніндегі үкіметтік комиссиясымен мемлекеттің технологиялық дамуының басым бағытының бірі ретінде анықталады. Бұл әрине болашаққа айқын сенім туғызады.

Арнайы RFID стандартымен қарастырылған антиколлизия алгоритмі бірден (әрі сенімді) көптеген ондаған белгіні оқуға мүмкіндік береді. Осылайша, бір өткенде тұрақты қоймалық салыстырып оқығышпен бүкіл бума тауарды өңдей алады. RFID белгісін (штрихкодтан басқасы) тура көруге қажеттілік болмағандықтан, белгісі бар объектіні жекелей ашу қажет емес, ал белгінің өзі орауыштың түкпіріне орналастырылуы мүмкін. Бұл оны жағымсыз сыртқы әсерлерден қорғанысын арттырады.

Іс жүзінде RFID белгісін қолдан жасау мүмкін емес (ең болмағанда, бұл штрихкодты оқуға карағанда айтарлықтай шығын қажет етеді). Белгіні оқу уақыты ондаған миллисекундты құрайды, ал өздері іс жүзінде автономдық қоректенуді қажет етпейтіндіктен және жылжымалы бөліктері жок болғандықтан мәңгі жойылмайды. Сонымен қатар активті RFID технологиялары да, ақпаратты жазуды рұқсат ететін «ақылды» белгілер де бар, алайда олардың қолданыс аймақтары  әр сала түріне байланысты.

Радиожиілікті идентификациялау – объектіге орнатылған электрондық белгі және сигнал белгісін оқитын арнайы радиоэлектрондық құрылғы арасындағы радиосигнал арқылы ақпаратпен сымсыз алмасу технологиясы. Белгі ішінде объект түрі, құны, салмағы, температурасы, логистика мәліметтері туралы, сонымен қатар объект жайлы кез келген оқуға ыңғайлы мүмкіндігі бар ақпарат болуы мүмкін. Бұл –  дәстүрлік таңбалаумен салыстырғанда айтарлықтай көп мүмкіндіктер ұсынатын заманауи идентификация технологиясы. Ең көп таралған белгілер көптеген штрих-кодтар секілді өзі жабысатын заттаңба болып саналады. Егер де штрих-кодта ақпарат график түрінде сақталған болса, онда белгіге ақпарат енгізу және оны оқу радиотолқындар арқылы жүзеге асады. RFID технологиясының негізгі артықшылықтары мыналар болып табылады:

- сақталатын ақпараттың үлкен көлемі;

- ақпаратты контактісіз тәсілмен оқу;

- топтық операциялардың мүмкіндігі;

- белгіде сақталған ақпаратқа өзгерту енгізу мүмкіндігі;

- жоғары жылдамдық және ақпарат оқу растығы;

- RFID белгілерін кір, бояу, пластмасса, ағаш және басқалардың үстінен оқуға болады;

- RFID белгілерін іс жүзінде қолдан жасау мүмкін емес;

- RFID белгілеріндегі ақпарат жасырын болуы мүмкін;

- белгілерді оқу және жазба енгізуді арақашықтықта орындау мүмкіндігі;

- төзімділік, «тек қана оқу» операциясына белгінің өміршеңдік мерзімі іс жүзінде шектелмеген;

- қауіпсіздіктің жоғары деңгейі белгінің зауытта дайындалуы кезінде иеленетін бірегей идентификаторын қолдану және белгіге жазылатын ақпаратты шифрлау арқылы қамтамасыз етіледі;

- қоршаған орта әсеріне тұрақтылық, өйткені белгіні әрқашанда кез келген қорғаныштық полимерлі қабықшаға орнатуға болады.

Сарапшылардың бағалауына сәйкес радиожиілікті идентификациялау болашақтағы негізгі технологияларға жатады. RFID технологиясының қолданыс аймағы үнемі кеңеюде. RFID технологиясын адам қызметінің әр түрлі саласында қолдануының мысалдарын келтірейік:  

- қоймалық шаруашылық;

- логистика және өндірушіден тұтынушыға келетін жеткізілім тізбегін нақты уақыт режимінде басқару;

- нақты уақыт ауқымында жылжымалы объектілерді идентификациялау;

- көлік тұрақтарында, автобекеттерде автокөліктік құралдарын идентификациялау;

- өнеркәсіптік өндірістегі құрастырма конвейерлерді идентификациялауды автоматтандыру;

- бөлмелер мен ғимараттарда қатынауды бақылау жүйелері;

- жолаушыларды электрондық билетпен қамтамасыз ету;

- сәлемдемелерді жедел жеткізу;

- әуе жолдарында жүкті өңдеу және жеткізу;

- автокөліктік қорғау жүйелері;

- төлем жүйесінің транзакциясының дұрыстығын тексеру;

- әр түрлі санаттағы тауарларды қолдан жасауды болдырмау;

- дүние-мүлік, құжаттар, кітапханалық мәліметтерді таңбалау (идентификация);

- автоматтандырылған автокөліктік май құю бекеттері.

Қоймада RFID технологиясының көмегімен нақты уақытта тауарлардың жылжуы автоматты түрде бақыланады, негізгі қабылдау және тиеу үрдістерін елеулі жылдамдатады, адамдық фактордың әсерін төмендетумен қатар операциялардың өнімділігін, сенімділігін, айқындылығын  жоғарылатады.

Өндірісте RFID технологиясы арқылы нақты уақытта жартылай фабрикаттардың және дайын өнімдердің қозғалуын есепте алу жүргізіледі, технологиялық операциялар және алынатын өнімнің сапасы бақыланады. Өнім өзіндік «электронды төлқұжатты» иеленеді, бұл өнім сапасымен жаңа деңгейде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Тұтынушылық тауар және бөлшектік сауда өнеркәсібінде  RFID жүйелері жеткізілім тізбегінің барлық кезеңінде, өндірушіден сатушы сөресіне дейін қадағалайды. Тауар сөреге дер кезінде шығарылады, қоймада өтпей қалмай, сол тауарға жоғары сұраныс болған дүкендерге жіберіледі. Кітапханаларда осы технология көмегімен автоматты түрде кітап қорының барлық қимылы бақыланады. Ол үшін кітап қорының әрбір бірлігі таңбалануы және оқырмандар электрондық оқырман билеттерін алу қажет. Оқырман кіре берісте тіркеуден өтіп, өзіне керекті кітаптарды таңдап алып, олардың жазбасын өзінің электрондық оқырман билетіне енгізеді. Оқырман абонементіне жазылмаған кітаптарды залдан шығару мүмкін емес, өйткені салыстырып оқығыштар шығарда осыны қадағалайды. Одан әрі жетілдірілетін қолданыстағы RFID технологиясының тәсілдерінен басқа осы технологияны қабылдауға дайын көптеген салалар бар. Күн сайын осы технологияны қолданудың жаңа тәсілдері жайлы хабарламалар пайда болуда.

Тұтынушылық тауардың көптеген өндірушілері логистиканы оңтайландыру үшін бір мезетте қабылдап тарататын транспондер деген құрылғыны қолданады. RFID технологиясы қоймалық қорды басқарудың жетілдірілген түрін қамтамасыз етеді және логистикалық үрдістердің тиімділігін елеулі жоғарылатуға мүмкіндік береді.

Өз тауарыңды қолдан жасаудан қорғау үшін АҚШ-тың фармацевтикалық кәсіпорындары дәрі-дәрмектер орауышына транспондерлер орналастырады. Осының арқасында дәрі-дәрмектердің өндірушіден дәріханаға дейінгі жолын қадағалауға болады.  

Канадада фермерлер жануардың құлағына транспондерлер орнату арқылы ірі қара малды таңбалайтын болды. Осылайша, егер кенеттен ауру таралса немесе эпидемия болған жағдайда мал табынын дереу оқшаулауға мүмкін болады.

Кейбір кітапханалар RFID технологиясын өздерінің кітап алмасу жүйесіне енгізген. Сондай-ақ кітаптарға, қабықшаларға және компакт дискілерге транспондер орнатады. Нәтижесінде келіп кетушілер өз еркімен жылдам өздері таңдаған ақпарат тасымалдаушыны ала алады, осылайша, транспондерлер арқылы осы ақпарат тасымалдаушылар ұрлықтан қорғалады.

Сонымен қатар АҚШ-тағы және Германиядағы ауруханалар да радиожиіліктік идентификацияны емделушілердің идентификациясын жеңілдетуге және палаталарға орналастыруды оңтайландыру үшін қолданады. Ішіне интегралданган транспондер орнатылған, электрондық дерекқорда сақталынатын емделушінің аты-жөні және оның ауру тарихының нөмірі кодталған қол білезікпен емделушілер жабдықтанады. Салыстырып оқығыш құрылғысы бар мобильдік компьютер арқылы емдеуші дәрігер өзінің емделушілерінің ауру тарихына жылдам қол жеткізе алады.

Мұражайларда келіп кетушілер дербес сандық көмекші PDA (Personal Digital Assistant) арқылы көрме экспонаты туралы ақпарат сұрай алады, ол үшін экспонаттар RFID транспондерлерімен жабдықталады. Сондай-ақ мұражай қызметкерлері қай экспонатқа айрықша жиі қызығушылық болғаны жайлы ақпарат алып отырады.  

Германияда зерттеушілер RFID технологиясының көмегімен аралардың өмірін бақылады. Жәндіктердің арқасына кіп-кішкентай чиптер жабыстырылған. Осылайша алынған аралардың әрекеті туралы ақпарат басқасын айтпағанда аурулармен тиімді күресуге көмектеседі.

АҚШ ғалымдары RFID технологиясының көмегімен өзгерген ағаштардың генетикалық өсуін бақылаған. Бұл жүйе барлық алдыңғы таңбалау тәсілдерінен едәуір асып түсті. Өйткені ағаш ішіне орнатылған транспондер қоршаған орта әсерінен қорғалған. 

2006 жылғы Германиядағы әлемдік футбол біріншілігі ойынына билеттер RFID транспондерлерімен жабдықталды. Халықаралық футбол ассоциацияларының федерациясы (ФИФА) дербес билеттер көмегімен алыпсатарлармен күресуді және стадиондардағы қауіпсіздікті жоғарылатуды жоспарлады.  

АҚШ-тың кейбір демалу саябақтарында келіп кетушілер RFID көмегімен бір-бірімен байланыс ұстай алады. Салыстырып оқығыш құралдар интегралданған транспондері бар білезіктерді тіркеп, тұтынушының орналасқан орнын тұрақты орналастырылған экрандарда көрсетеді. Осы сенсорлық экрандар арқылы келіп кетушілер хабарлама жіберіп және қабылдай алады.

RFID технологиясын қолдану мүмкіндігі орасан зор. Болашақта өмірдің көптеген салаларында RFID технологиясын қолдану арқылы пайда түсіре алатын болады. Бұл технология тұтынушылардың қызығушылықтарын тиімді қорғау үшін мүмкіндіктер ашады. Мысалы, азық-түлік тауарлар  саласында тағам өнімдерін тұтынудағы қауіпсіздікті жоғарылатуға себепші болады, өйткені сапасы төмен тауарлар өндірушілерге қайтарылып берілуі мүмкін.

Алайда бұл технология халық кеңінен мойындағанда ғана барынша көп пайда әкеле алады. Жаңа техникаға сенім білдіру үшін, тұтынушылар әуелі оның қалай жұмыс істейтінін және де қандай артықшылықтарды қамтамасыз ете алатынын білген жөн. Сондықтан осы технологияның дамуының заманауи кезеңіндегі маңызды мәселенің бірі халыққа ол туралы барынша көп ақпарат ұсыну қажет.

RFID технологиясын қолдану саласының негізгілерінің бірі бақылау жүйесі және қатынауды басқару (БЖҚБ) болып табылады, дегенмен әлемде радиожиіліктік идентификация өндіріс, логистика, тіпті сауда болмасын, тауарларды таңбалау саласында әлдеқайда көбірек таралған. 

RFID технологиясын енгізу келешегі мына салаларда жүзеге асады: қауіпсіздік және қатынауды бақылау, қызмет көрсету саласында (көп кешікпей нағыз «жақын өріс әрекеті», яғни NFC (Near Field Communication), сонымен қатар КВ-RFID-ке қатысты технологиясының серпілісі күтілуде), негізгі қаражатты есепке алу, қоймалық және транспорттық логистика, өндірістік логистика (жиынтықтаушы бұйымдардың құрастыру желісіне жіберілуін бақылау, қордың ашықтығы, дайын өнімді есепке алу, жіберілімді қадағалау), сауда (өндіріс үрдісінде тауарларға таңбаланған белгілерді дұрыс қолдану ритейлдің шығындарын айқын төмендетеді).

Радиожиілікті идентификациялау технологиясын (RFID) енгізу елімізде болжағанымызда баяу дамуда. Көптеген компаниялар осы әжептәуір қымбат «ғанибетті» қолдануға асықпайды, алайда заттаңбалардың көптеген өндірушілері олардың жаппай шығарылуын реттеп жатыр, ал ақпаратты жинаудың автоматтандырылған жүйесінің жеткізушілері олардың қолданылуына қажетті барлық құрылғыларды ұсынуға дайын. Өткен жылдары RFID онша көп емес радикалдық қадам жасады. Дегенмен, кейбір үлкен көтерме қойма-дүкендер, сауда павильондары, гипермаркеттер айтарлықтай едәуір материалдық шығынға қарамастан, тауарды бақылау үрдісін автоматтандыру үшін RFID сымсыз жүйелерін табысты қолдана бастады.

2 дәріс. RFID қосымшаларының қолданылу  аумағы

Дәрістің мазмұны: RFID-ны қолдану нұсқалары.

Дәрістің  мақсаты: технологияның мүмкіндіктері туралы түсінік беру және оған қызықтыру. Дербес компьютерлердің көбі үлкен көлемді ақпараттарды өндіруге, ғылыми зерттеу жұмыстарын жүргізуге, коммерциялық ақпараттармен жұмыс істеуге жағдай туғызады. Ұялы телефондардың жүздеген миллиондары желіге біріктірілген және ол желілік қызметтердің үлкен көлеміне ие болуға мүмкіндік береді (серверлерге ену, тікелей телефондық байланыс, электронды байланыс, коммерция, банк қызметтері). Жақында желіге әрқайсысының өзіндік цифрлық құрылғылары бар миллиардтаған құрылғылар қосылады.                                                    

Жүйелердің күрделі мәселесі ақпараттарды бір түрден екінші түрге түрлендіру болып табылады: физикалық түрден - виртуалды түрге. Осындай түрдегі көптеген құрылғыларда – радиожиілікті сәйкестендіру (идентификация) технологиясы қолданылады (Radio Frequency Identification  - RFID). Бұл технология радиобелгілердің барын назарда ұстайды.

Элементтері, түйіндері және бұйымдары (сонымен қатар сол бұйымның параметрлері) бар таратқыштармен жабдықталған әр түрлі бағыттағы технологиялық жүйелер объектідегі ақпараттарды жинап, оларды бақылап, біріктіріп және өзге қызығушылық тудырған жүйелерге немесе тапсырыс берушілерге жіберуге мүмкіндік береді.

RFID технологиясын жүйелерде орнату үшін қойылатын радиобелгілердің саны үнемі өсіп отырады. Радиобелгі сызбасының қарапайым түрлері 5 центке ие болуы мүмкін.

Ұсынылып отырған дәріс курсы RFID технологиясын түсінуге және оның шаруашылықтың әртүрлі салаларында қолданылуының ерекшеліктері жайлы керекті ақпарат алуға мүмкіндік береді.

2.1 RFID – жүйесінің қарапайым көрінісі

RFID жүйесінде объектілерге радиобелгілер (радиомаяктар) орнатылады немесе қойылады, олар осы объекті  жайлы кейбір мәліметтерді жазып, тіркеп алуға мүмкіндік береді. Радиосигналдарды сәулелендіре отырып радиобелгілер объектілер жайлы мәліметтерді оларды қабылдау мен өңдеу қызметін атқаратын санаушы құрылғыға береді. Мұндай радиобелгілердің және санауыштардың сымсыз байланысы объектілерді табуда, тануда немесе олардың орын ауыстыруын бақылауда талап етілетін әртүрлі қосымшалардың көбін орындауға мүмкіндік береді.

RFID қосымшасының қолданыстағы ең көп тараған нұсқаларын 2.1 кесте түрінде көрсетейік.

2.1 кесте - RFID қосымшаларының белгілі нұсқалары

RFID-ны қолдану қосымшалары	Пайдасы мен артықшылықтары
Тауарларды электронды бақылау	Жалғандықтың расталуы, оны қорғау
Куәлік, құжаттар	Жалғандық факті, қорғау
Ғимаратқа кіру құқығы	Қауіпсіздік,қорғау
Дәрілік препараттардың шығуы және пайда болуы	Қауіпсіздік, жалғандық факті
Массалық жиналған адамдар мен  жүктердің орналасу фиксациясы	Қауіпсіздік, бақылау тиімділігі
Емделуші жағдайының мониторингі	Емдік процедураның тиімділігі
Өнеркәсіптік автоматизация	Процесті ұйымдастырудың тиімділігі
Өнімді жеткізу айналымының интеграциясы	Процестердің тиімділігі

2.2 Объектілерді бақылау және олардың жалғандығына баға беру

2.2.1 RFID қосымшаларының ең көп тараған нұсқасы – өнімдерді электронды бақылау. Қорғаудағы объектілерге (мысалы, киім, азық-түлік) ең қарапайым RFID белгілері (1-биттік) орнатылады. Мұндай қарапайым белгілер арқылы объектінің типін анықтау мүмкін емес, бірақ олар объект ұрланған жағдайда дабыл тудырады. Дабыл сигналы ұры кассалық аппараттан өткеннен кейін санаушы құрылғы орнатылған аумақта қағылады.   

2.2.2 Әлемде дүкендерде болатын ұрлық шығыны жыл сайын миллиард долларға жетеді. Қарастырылып отырған RFID белгілерінің қолданылуы осы ұрлықтан келетін шығынды едәуір азайтуға көмегін тигізеді.

2.3 Құжаттардың жалғандығын растау

2.3.1 Белгілерді құжаттарға жабыстыру әртүрлі құжаттардың жалғандығын растап, сәйкестендіруге көмектеседі. Радиобелгілерді жабыстырудың мысалына мыналарды келтіруге болады: әуежайдағы немесе теңіз порттарындағы жүктерді жеткізудің түрлі куәліктері, нотариус құжаттары, азаматтардың төлқұжаттары, ақша белгілері.

2.3.2 Құжаттарды аутентификациялау азаматтардың жалған әрекеттерінің алдын алуға және арнайы құрылымдардағы қауіпсіздік деңгейін арттыруға көмектеседі.

2.4 Қолжетімділікті бақылау

2.4.1 Карточкалардағы, кілттердегі орнатылған белгілерді қолдану тыйым салынған аймақтарға: тұрғын үйдің подъездеріне, гаражға, автокөлікке, кеңсеге ену құқығына ие болуға мүмкіндік береді. Арнайы қиындатылған белгілерді қолдану түрлі қызметкерлердің әртүрлі ғимараттарға ену құқығын дифференциалдауға мүмкіндік береді. Мысалы, нақты қызметкер ақпараттар сақталатын ғимаратқа және кассадан өзге фирманың барлық ғимараттарына ену құқығына ие.

2.4.2 Ену құқығын бақылау үшін арналған белгілер қосымша қауіпсіздікті қорғау ұйымының деңгейін арттыруға көмектеседі. Белгілердің және санауыштардың болуы ұйымның сызбасын қажетті кезде санауыштың бағдарламасын өзгерту арқылы жеткілікті түрде өзгертуге мүмкіндік береді.

2.5 Дәрілердің ауысуын бақылау және олардың шығуына баға беру

2.5.1 Өндірушіден нақты емделушіге жететін дәрілердің үлкен көлемдегі айналым элементтері дәрі-дәрмектің шығуы жайлы шынайы мәліметтерді және оның нақты параметрлері жайлы мәліметтерді алу мүмкіндігін әлсіретеді, яғни тасымалдау және орау кезінде өндіруші жайлы мәліметтер өзгертілуі мүмкін немесе дәрілік бұйымдардың өзі алмасып кетуі мүмкін.

2.5.2 Жасанды дәрі-дәрмектер пайдаланушылар мен өндіруші фирмаларға зиянын тигізеді. Ондай дәрілер төмен сапалы болуы мүмкін немесе зиянды заттардан тұруы мүмкін, ал оларды қолдану кезінде денсаулықтың нашарлап кету қаупі бар. RFID технологиясы жеткізілу айналымының әр қадамында дәрі-дәрмектердің мониторингін қолдану арқылы   жасанды бұйымдар жасау және алмастырылу қауіпін төмендетеді.

2.6 Адамдар мен жүк жиынтықтарының орын ауыстыруы және орналасу фиксациясы

2.6.1 Адамдардың орналасқан жері жайлы ақпарат және олардың орын ауыстыруын бақылау массалық мерекелік жиындарды ұйымдастыру жобасын өзгертуге арналған қимыл-әрекеттердің және адамдардың қауіпсіздігіне қатысты қажетті мәліметтерді алуға септігін тигізеді. Сонымен қоса адамдарды олардың өздерінің келісімінсіз бақылау олардың жеке өміріне қолсұғушылық  екендігін ұмытпау керек, алайда белгілерді қолдануға рұқсат етілген немесе арнайы келісімшарт арқылы қолдануға болатын жағдайлар тізімі де жеткілікті. Ондай жағдайларға жататындар: бала-бақша мекемелеріндегі балалардың орын ауыстыруын анықтау, медициналық орталықтардағы қарттардың орын ауыстыруын анықтау, оқу ғимараттарындағы, мекемелердегі қызметкерлердің орын ауыстыруын анықтау және т.б. Әуежайдағы лайнердің жүктеуі кезінде жүктің белгіленген бағыттағы тасымалдануына қатысты маңызды тапсырмалар белгілерді қолдану арқылы жүзеге асуы мүмкін. RFID-ның келесі қосымшалары әуежайдағы клиенттің жүгінің орналасқан жерін тез анықтап беруде қолданылады.

2.6.2 Бұл қосымшаны қолдану жүйенің сенімділігін арттыруға, қауіпті төмендетуге, реттілікті жоғарылатып және қателердің санын азайтуға, күрделі жүйелердің қарапайым баптауларының қабілеттілігін арттыруға көмектеседі.

2.7 Өнеркәсіптік автоматтандыру процессіндегі RFID

2.7.1 Өнеркәсіпті автоматтандыру адамның қатысуын жояды, сол себепті бұйым бөлшектері дайындалу процесінде жүздеген тізбектей операциялардан өтеді. Сонымен қатар тек қатаң тізбек сақталып, барлық қажетті операциялар орындалған жағдайда ғана бұйымның қажетті сапасына жетуге болады. Бұл қажеттіліктер бұйымның өңделу сатыларын тіркеп отыратын RFID технологиясын қолдану арқылы жүзеге асады.

2.7.2 RFID қосымшаларының болуы бұйымдарды тануға мүмкіндік беретін технологиялық процестерді бақылаудың маңызды құралы болып табылады, әсіресе, бір-бірінен қатты айырмашылығы жоқ үлкен бұйымдар спектрі болған кезде маңызды. Белгілер қателіктер санын едәуір азайтып және өндірісті жоғарылатуға мүмкіндік береді.

2.8 Тауарды жеткізу тізбегінің интеграциясы

2.8.1 Бұл қосымша өндірістің шикізат күйінен бастап дайын өнімдерді жеткізу тізбегінің маршруттары мен барлық элементтерін  біріктіреді. Орын ауыстырудың сатылары жайлы мәліметтердің жиынтығы мен интеграциясы технологиялық үрдіс жайлы толықтай көрініс береді және тауарды жеткізу кезіндегі қателіктердің алдын алуға көмектеседі.

2.8.2 Тауарды жеткізу тізбегі  мысалы, әр түрлі континенттердегі 50 фирманы құрай алады. Сонымен қатар 20 сауда жолымен жүріп өтетін 800 транспорттық контейнерлерді бақылап отыру қажет. Тізбекте интеграциялаушы элементті жеткізу неғұрлым көп болса, соғұрлым  RFID-ны қолдану тиімдірек. Бұйымдардың жеңілдіктеріне сәйкес бұйымдарды жеткізуді синхронизациялайтын мүмкіндігі бар және тауарлардың класын көрсетуге ғана қарастырылған штрихті кодтау технологиясына қарағанда RFID технологиясы әр бұйымның идентификациясын қарастырады. Сонымен қоса RFID мүкіндіктері барлық жеткізу тізбектеріндегі аппараттық және бағдарламалық құралдар стандартталған жағдайда ғана жүзеге асады.

3 дәріс. RFID жүйесінің технологиясы 

Дәрістің мазмұны: жүйенің құрылымы және мәліметтерді тарату технологиясы.

Дәрістің мақсаты: RFID технологиясының ерекшеліктерін көрсету.

3.1 Жүйе жұмысының сипаттамасы

3.1.1 Жүйені ұйымдастыру үшін жүйенің екі жақ соңына да бекітілген мына элементтер қажет: радиобелгі (транспондер),  санаушы (ридер), антенналар (байланыс құрылғысы) (3.1 суретті қараңыз).

Санаушы белгіден келіп түскен мәліметтерді қашықтықтан өңдеуге мүмкіндік беретін компьютерге жалғана алады. Компьютер интернетке немесе басқа мекеме желісіне қосыла алады. Осыған орай белгілерді дүкендерде қолданудың төмендегідей тізбектей шешімдері бар:

- өнімді ұрлау кезінде дабыл сигналы қағылады;

- өнімді жүйенің басқа басынан алған кезде дүкендегі осы өнім жайлы мәліметтерді жаңалау жүреді;

- мәліметтерді жаңалау ұйымның қаржы жүйесінде және сөрелердегі қорды толтыру қажеттілігі кезінде жүреді;

Жүйенің маңызды элементі мәліметтерді тарату құрылғысы болып табылады. Белгілердің және санаушылардың өз антенналары болады.

              

                                                                                                                                                    

3.1 сурет - RFID жүйесінің мәліметтер таратуының функционалды сызбасы

RFID жүйесінің маңызды сипаттамасы болып байланыстың жұмыс жиілігі есептеледі. Белгі мен санаушының жұмыс жиілігін таңдау жүйенің қажетті параметрлеріне тәуелді: идентификацияның қажетті жылдамдығына, дәлдігіне, таралатын ортаның жағдайына, сонымен қоса берілген қолданбаның жұмыс істеуін жүзеге асыратын стандарттарға тәуелді. 

Санаушы құрылғы мен белгінің коммуникациясы үшін кеңінен пайдаланылатын қарапайым жүйеде қайта шағылуы бар сигналдың модуляция принципі қолданылады. Осы принципке сәйкес байланыс жүріп жатқан уақытта санаушы сигналды бұйымның параметрлеріне сәйкес қабылданған сигналды өзгертіп (модуляциялап) және қабылданған энергия бөлігін қайта санаушыға шағылдыратын белгіге жібереді. Мұндай шағылу белгіде орналасқан конденсатор арқылы жүзеге асады. Конденсатор зарядты жинайды, сонан соң пайда болған энергия белгідегі сигналды қайта санаушыға жіберу үшін қолданылады. Белгі мен санаушылар элементтерінің синхронизациялау жұмысын белгі қосымшасының қамтамасыз етілген бағдарламасы  жүзеге асырады.           

RFID элементтерінің байланысы электромагниттік принциптермен қатар магниттік (индуктивтік) принциптерді қолдану арқылы жүзеге асатынын ұмытпау керек. Мысалы, байланыс қашықтығы аз (миллиметр) рұқсатты жүйесінің жасалуы кезінде (есік құлпысының бұғаттауын өшіру) магниттік байланыс қолданылуы мүмкін.

3.2  Сигнал қуатын қабылдау, бөлу және пайдалану

3.2.1 Сигнал қуаты. Кеңістіктің кейбір нүктелеріндегі өріс кернеулігін анықтағаннан кейінгі мәселе қуатты қабылдау болып табылады. Максималды индуцияланған кернеуге және қолжетімді қуатқа ие болу үшін өрістің сәуле шығаруына қатысты белгі антенасын оптималды бағдарлау керек. Тәжірибеде бұл өте қиын тапсырма болуы мүмкін. Егер конвейердегі маркерленген объект жылжып, оның бағдарының өзгеруі шектеулі болса,  максималды қолжетімді қуат қабылдануы мүмкін.  Бірақ көп жағдайлар үшін мұндай шарттар орындалмайды. Геометриясы мен сипаттамасына байланысты белгі антеналары бағдарға көбірек немесе азырақ сезімтал болуы мүмкін. Оған қоса белгі антенасы секілді санаушы антеннасы да өзіндік бағытқа ие. Қабылдау кезіндегі ауытқуларды азайту үшін арнайы антеналар, ортогональды рамкалар қолданылуы мүмкін, бірақ, қандай жағдайда да жүйенің конфигурациясын және оның қолданылуын таңдаған кезде антена бағдары жайлы сұрақтар мұқият қарастырылуы тиіс. Өріс кернеулігі мен қуат ағымының тығыздығы кеңістіктің кейбір нүктелерінде сигнал таралуының регламенттерімен және шарттарымен анықталады. Өріс кернеулігі және қуат тығыздығы оның геометриясы мен бағытын ескере отырып белгі антенасы ретінде қабылданады. Антенаның бекітілген геометриясы мен бағытына байланысты белгіні функционалдау оның электронды сызбасы мен параметрлеріне тәуелді. Әсіресе, антенаның  тізбек пен жүктемеге сәйкес келетін импеданстары маңызды. Индуцияланатын кернеуге тәуелді олар белгінің электронды сызбасының тізбегі арқылы жүретін тоқты анықтайды. Өрістің алыс және жақын аймақтарындағы жұмыс жиілігіне   байланысты индуцияланатын кернеуді максимизациялау үшін түрлі құрал-жабдықтар қолданылады.

3.2.2  Жақын аймақтағы сигнал қуаты. Жақын аймақтағы және байланыстың реактивті желісінде белгі энергия ағыны ретінде ұсынылады. Белгі резонанстың көмегімен белгі антеналары мен санауыш та ағынның өткізгіштік қабілетін жоғарылатады. Белгінің индуктивті катушкасына сыйымдылықты параллель жалғаумен немесе санаушының индуктивті орауышына сыйымдылықты  параллель жалғаумен резонансты қамтамасыз ету жоғары сапаға жетуге мүмкіндік береді. Бұл сапалылықты резонансты тізбектің импедансы немесе электронды сызбаның қалған бөлігіндегі эквивалентті импедансы анықтай алады. Сапалылық жиналған энергияның шашыраған энергияға қатынасымен немесе орталық жиіліктің 3дБ деңгейіндегі өткізу жолағына қатынасымен анықталады. Сондықтан сапалылыққа  байланысты біз жиіліктің сүзгі сызбасымен жұмыс істейміз. Бұл сүзгінің өткізу жолағын белгі антеннасының өткізу жолағымен сәйкестендіру керек. Жоғары сапалылық кезінде өткізу жолағы жүктелген болуы мүмкін, сол үшін ақпаратты жоғалтып  алмау үшін алдын ала шаралар қолданылуы керек. Көріп отырғанымыздай, модуляция немесе спектрді тасушы жиілікке ауыстыру бүйір жолақтардың пайда болуына алып келеді. Егер оларды сүзетін  болсақ, онда ақпарат жоғалады. Сонымен қатар, шектен тыс жоғары сапалылық қоршаған ортаның қатты әсеріне алып келеді. Антеннаны қоршаған өткізгіш заттар, оған қоса басқа белгілер, резонансты жиілікті, сонымен қатар жүйенің сапалылығын өзгертеді. Егер бір белгіге жақын басқа белгілер орналасатын болса, онда мұндай жағдайда белгі жиілігін қалыпты жағдайдан жоғарғысына өзгерту арқылы ғана шыға аламыз.

3.2.3 Шалғай аймақтағы сигнал қуаты. Шалғай аймақта жағдай басқаша. Жүктемеге түсетін қуат электронды сызбаның эквивалентті импедансымен белгі антенасының импедансының келісу деңгейімен анықталады. Егер бұл импеданстар комплексті түрде түйіндес болса, бұл олардың реалды бөліктерінің тең екендігін көрсетеді, ал реактивті бөліктері заң бойынша тең және қарама-қарсы болады. Сонда, электронды сызбаға жеткізілетін максималды қуатпен қамтамасыз етіледі. Егер ақаулар болатын болса қуаттың бөлігі электронды сызбадан шағылысады және кеңістікте антеннадан сәулеленеді. Шындығында осы құбылыс кері шашырау модуляциясының негізі болып табылады. Импедансты басқару белгіге түсетін электромагниттік толқынның модуляциясына алып келеді. Сигналдың шағылатын бөлігі көп болған сайын, жұтылатын бөлігі аз болады және керісінше болады. Жүктемеге түсетін қуат бөлігін қарастыру кезінде сол жүктеменің конфигурациясының өзі де маңызды болып табылады. Жүктемеге жеткен қуат тек оның энергия қорегіне ғана емес, сонымен қатар ақпараттық алмасу мен  синхронизацияға жұмсалады. Жүктеменің конфигурациясына келетін болсақ, онда түзеткіш диодтар энергия қоректі қамтамасыз ету үшін және ақпаратты бөлу үшін қажет. Энергия конденсатор арқылы жинақталады және шешім қабылдау үрдісін жүзеге асыратын цифрлық сызбаларға жеткізіледі. Шешім ақпарат анализінің негізінде қабылданады. Белгі қабылданған ақпаратты жадыда сақталған ақпаратпен салыстырады да шешім қабылдайды: сақталған ақпартты жіберу, жауап бермеу, әлде керісінше әрекет жасау. Бұл әрекеттердің барлығы,  шындығында, қуаттың жоғалуына алып келеді. Қолданылатын қуат белгіге кіретін вентильдің активтілігіне, электронды сызбаның паразиттік сыйымдылығына және қорек көзінің кернеуіне баланысты.

3.2.4 Жүйедегі қателіктер және байланыс қашықтығы. Логикалық сызбалар кернеудің айқын табалдырықты деңгейіне ие. Электронды сызбаға келіп жеткен қуат осы кернеу деңгейін қамтамасыз ете отырып белгінің функциялауы үшін жеткілікті болуы керек. Егер белгі өз функцияларын орындауға қабілетсіз болса, онда өріс кернеулігі мен жеткізілген қуат өсу үшін, оны сәулелену көзі – санаушыға жақын орналастыру керек. Сигнал қуатының жеткілікті болуы белгінің энергияқажеттілігін қамтамасыз ету үшін ғана емес, сонымен қатар ол белгі сигналын іздеп табу үшін де жеткілікті болуы керек. Егер белгінің табалдырықты сызбасынан сенімді қабылданатын сигнал деңгейінің әр түрі жеткіліксіз болса немесе сигнал/шуыл қатынастары жеткіліксіз болатын болса, онда іздеп – табу қанағаттанарлықсыз болады. Сол себепті, белгі мен санаушы антенналарының арасында сигнал мен шуыл деңгейлерінің қатынасы жеткілікті болу үшін және белгінің табалдырықты сызбасының сенімді жұмысына ие болу үшін осындай қашықтық қажет және BER биттік қателіктерінің берілген ықтималдылығын қамтамасыз ету қажет.

Жоғарыда біз санаушыдан белгіге дейінгі тікелей байланыс желісін қарастырдық. Енді белгіден санаушыға дейінгі кері байланыс желісін қарастырамыз. Бұл желіде белгі жадында сақталатын ақпарат сигналының модуляциясы жүреді. Бұл жүктеме импедансының вариациясы есебінен немесе кері шашырау модуляциясы есебінен қамтамасыз етіледі. Бірақ, санаушыдағы сигналдың күрделі өңделуінің арқасында, бұл әдетте жүйе әрекетінің қашықтығына тосқауыл болмайды.

Осындай жолмен, біз қашықтыққа бір ғана емес бірнеше факторлардың әсер ететінін көреміз. Бұл факторларды қолдануға болады. Негативті факторлар минимизацияланған болуы мүмкін, ал позитивті факторлар алынып тасталынуы мүмкін. Электродинамиканың, регламенттердің, байланыстың бар шектеулеріне сәйкес аппаратураны және антиколлизионды алгоритмдерді жобалап, жүзеге асыру кезінде де еркіндік деңгейінің жеткілікті саны қалады. Қашықтық әртүрлі факторларға тәуелді параметр болып табылады. Қашықтыққа сәйкес сұрақтарды қарастырып болғаннан кейін RFID технологиясының басқа сұрақтарымен жүйе конфигурациясының

тәжірибеде қолданылуын қарастыруға көшу керек.

4 дәріс. Белгілердің параметрлері мен құрылымы

 Дәрістің мазмұны: белгілердің түрлері мен оларды дайындау технологиясы.

Дәрістің мақсаты: белгінің сипаттамасы мен технологиясының ерекшеліктерін көрсету.

   

4.1 Белгілердің алуан түрлері

4.1.1 Транспондер деп аталатын, белгі (transmitter – таратқыш және  responder – жауап бергіш), белгіге сұраныс жүргізу кезінде санаушыға берілетін мәліметтерден тұрады. Белгілер екі түрлі болады:

 - жадылы интегралды сызбадан (ИС) тұратын белгілер;

 - интегралды сызбасы жоқ микросызбасыз белгілер.

Микросызбасыз белгілер фунцияның кіші диапазоны қажет етілетін қосымшаларда қолданылуы мүмкін. Мұндай жағдайда олар  (ИС) тұратын белгілермен салыстырғанда байланыстың үлкен қашықтығы мен жоғары дәлдікті жүзеге асыра алады.

ИС әртүрлі типтері үшін белгі жадысы түрлі бола алады:  тек оқуға ғана қолжетімді болуы мүмкін (read-only,RO) немесе бірретті жазба үшін және көпретті санау үшін (write once –read many,WORM) қолжетімді немесе қайта жазуға мүмкіндік беруші (read – write, RW) болуы мүмкін.

       

                            4.1 сурет – Пассивті белгі компоненттері

4.1.2  Белгі типтері. Өндіріс пассивті белгіні, активті белгіні және жартылай активті белгіні шығарады. Қазір де көпшілік сұранысқа ие пассивтік белгі (4.1,4.2 суреттерін қараңыз). Ондай белгілер бөліктің жарты бағасына ие болатындай арзан болады, өйткені олар санаушыдан сәулелендіретін электромагниттік толқын энергиясын қолданғандықтан қорек көзі болмайды.

            4.2 сурет – Пассивті RFID-белгілерінің сызғышы

Активті белгі (4.3 суретті қараңыз) пассивті белгіге қарағанда кірістірілген қорек көзіне ие (батарея). Ондай белгілер көмегімен санаушылардың үлкен қашықтығында және үлкен дәлдікпен жұмыс жасауға болады және ондай белгілер аса күрделі ақпараттық алмасуды жүзеге асырып, ақпаратты өңдеудің жетілдірілген мүмкіндіктер жиынтығын қолдануға мүмкіндік береді. Оған қоса, активті элементтердің қорек көзі болғандықтан олар қызметтің шектеулі мерзіміне ие болады.

                           4.3 сурет – Активті RFID-белгісі

МС қоректендіру үшін және қарапайым тапсырмаларды орындау үшін жартылай активті белгі қоректендіру батареясының энергиясы қолданады бірақ, санаушыдағы мәліметтерді тарату үшін энергияны қайта тудырып, жинақтау үшін ол оның электромагниттік өрісін пайдаланады. Мұндай жағдайда батарея энергиясы тек санаушы зонасындағы белгінің жетуі мен белсенділігі үшін пайдаланылса, онда кейбір қосымшалар үшін батареяның жұмыс істеуі айқын түрде өзгереді (бірнеше жыл).

4.1.3 Белгінің ROM және WORM жадылары. Белгілер тек санайтын немесе санайтын-жазатын болуы мүмкін. Ереже бойынша пассивті белгілер тек саналатын болады. Тек саналатын белгілер ғана өндіріс процесінде немесе белгілі объектіге орнатылу кезінде идентификациялық код арқылы программаланады.

Мұндай белгілердің жадысы тек қана оқылатын жады (ROM) немесе бір рет қана программалаушы және бірнеше рет оқылатын (WORM) болуы мүмкін.    

Санайтын-жазатын белгілер оларды пайдалану кезінде бірнеше рет қайта программалануы мүмкін. Әдетте олардың өндіріс кезінде жазатын сәйкестендіру коды немесе сериялық номері болады. Сондай-ақ, оларға әр-түрлі қосымша ақпарат жазылуы мүмкін. Мұндай белгілер көпфункционалды болады, бірақ бұл олардың бағасының көтерілуіне алып келеді.                                              

4.1.4 Сенсорлық белгі.  Сенсорлық  белгілер қоршаған ортаның  әртүрлі  жағдайларын басқаруға және тіркеуге мүмкіндік береді. Бір корпуста датчик анықтайтын сол технологиялық  көрсеткіштерді тіркейтін датчикпен белгінің өзін біріктіреді. Басым жағдайда бұл датчик және MC үшін қуат көзі бар белсенді белгілер. Сенсорлық белгілер атмосфералық қысымның, тем-ператураның, сұйықтың, көлемнің, химиялық заттардың болуының өзгерісі жайлы ақпараттарды жеткізуі мүмкін.

4.2 Пассивті белгілер және технологиялар

Пассивті белгілердің дайындалу технологиялары жеткілікті түрде әртүрлі болып келеді. Пассивті белгілерді дайындау технологиясының көп бөлігі микросызбаның қолданылуын қажет етпейді, белгілердің жоғары бөлігі әртүрлі материалдардан жасалған шағылатын кодтық шаблонның негізінде жасалған. Мұндай шаблон бірқалыпты арнайы санаушыда радиосигнал түрінде шағылатын ақпарат болып қала береді. Мұндай белгіде энергия тек қана радиосигналды жібергенде ғана керек болады. Пассивті белгілердің ерекшеліктері:

- металдардың және сұйықтықтардың жанында белгілердің оқылуы кезіндегі жоғары дәлділік;

- радиосигналдар интерференциясынан үлкен қорғау;

- экстремалды температура кезінде жұмыс істеу қабілеттілігі;

- арзан баға.

4.2.1 БАТ (SAW) типті белгілер (4.4 суретке қараңыз). Бұл белгілердің микрочиптері болмайды. SAW құрылғысы ұялы телефондарда, түрлі-түсті теледидарларда және басқа да электрондық құрылғыларда кең қолданылады. SAW типті белгімен жұмыс істеу үшін 2,45 ГГц жиілік диапазонындағы төмен қуатты радиотолқындар қолданылады. Микрочипі бар белгілерден айырмашылығы, бұл белгілерге мәліметтерді тарату кезінде белгіні қоректендіру үшін тұрақты тоқты қоректендіру көзі қажет емес.

Белгі пъезоэлектрондық төсенішке литий танталынан орнатылған, қарсы келген қадауышты түрлендіргішіне жалғанған дипольдық антеннадан тұрады. Жеке электродтардың күйі жобамен алюминийден жасалған рефлекторлар ретінде әсер етуші болып есептеледі.

4.4 сурет – Беттік активті толқынды қолданатын БАТ (SAW) белгі

Белгі антеннасы SAW санаушысынан радиосигнал қабылдағаннан кейін сигналды қарсы келген – қадауышты түрлендіргішінің кірісіне жібереді. Бұл сигнал Реле толқындары деп аталатын беттік толқындарды қалыптастырады. Бұл толқындар 3000-4000 м/с жылдамдығымен төсеніш үстімен ауысады. Бұл толқындардың бір бөлігі қарсы келген-қадауышты түрлендіргіщтің рефлекторларымен шағылысады ал, қалған бөлігі төсенішпен жұтылады. Шағылған толқындар санымен және рефлекторларының орналасуымен анықталатын және де берілген белгілерді кодтауға рұқсат ететін шағылған сигналдың мәнсіз құрылымын қалыптастырады. Бұл толқындар қадауышты түрлендіргішті радиосигналға түрлендіреді және антенналық белгіден жағымды сигналдарды декодтайтын және берілген белгілерді қалыптастыратын кері RFID санаушыға жеткізіледі.

Белгілер жоғары тұрақтылық бөлігінде пайдаланушылық әсерге (температура, электромагниттік өріс, радиация т.б) сөзсіз басымдылықпен ие болады.

5 дәріс. Белгі антенналары

Дәрістің мазмұны: антенналар және олардың дайындалу технологиясы, пассивті белгілер.

Дәрістің мақсаты: белгілер мен антенналар сипаттамаларын нақтылау.

5.1 Белгілер мен антенналардың сыртқы қабы

Белгілердің сыртқы қабының пішіні және өлшемі көп жағдайда оның антеннасының өлшемі және пішінімен анықталады. Белгілер сондай-ақ  иілгіш негізде (смарт-этикетка) шығарылады. Мұндай белгі жабыстырыла-тын үйреншікті этикетка негізінде жұмыс жасайды. Смарт-этикетка объектілерге орнатылады және жүк көрсеткіш сияқты және объектілердің көшіру секілді қосымшаларда қолданылуы мүмкін. Бұдан басқа белгілер келесі объектілерге енгізілуі мүмкін:

- автоматтық есептеу жүйесінің пластикалық карталары;

- автокөліктің кілттері және ену құқығын басқару үшін брелоктар;

- адамның немесе жануарлардың терісіне енгізу үшін шыны имплантаттары;

- жануарлардың ішіне енгізу үшін ерітілмеген капсулалар;

- киімнің белгілеріне тігілетін белгілер.

Белгі антеннасы ридер сигналынан белгіні қоректендіретін энергияны алу үшін және белгімен ридер арасындағы мәліметтердің қабылдап-жіберу үшін қолданылады. Белгінің жұмысы үшін маңызды параметр болып антеннаның геометриясы саналады. Антеннаның әртүрлі конструкциялары болуы мүмкін, мысалы, дипольдық және микрожолақтық. Микрожолақтық антенна классикалық нұсқада тікбұрышты металдық фольга бетінен және төсенішке жабыстырылатын пластинкадан тұрады, мысалы, тефлоннан. Төсеніштің қарама-қарсы жағы металдық затпен жабылған. Фольганың бетіне қосылған микрожолақ арқылы антеннаға энергия беріледі. Энергияны жіберу әдісі антеннаның дөңгелек және сызықтық  поляризациясын қамтамасыз етуі мүмкін.

Антеннаның рұқсат етілген қуаты ұлттық және халықаралық нормативтерімен шектеледі. Антеннаны таңдау конструкциясы  келесі факторларға тәуелді:

- санаушымен белгінің арасындағы арақашықтық;

- белгінің ридерге қатысты қатты бағыт-бағдары;

- белгінің ридерге қатысты көлемдік бағыт-бағдары;

- таңбаланатын объектінің көлемі және материалы;

- таңбаланатын объектінің қозғалу жылдамдығы;

- жұмыстың ерекше жағдайлары (қоршаған орта);

- санаушы антеннасының поляризациясы.

5.2 Антенна

Антеннаның орналасуы мен құрылымы әрекет ету аймағының анық-талуында, байланыстың қашықтығында және сенімділігінде айтарлықтай маңызды рөл атқарады. Сызықтық-поляризацияланған антенналар объектінің  бағыт-бағдары белгімен барлық жағдайда тұрақты болатын қосымшалар үшін көбірек сәйкес келеді, мысалы, автоматтандырылған желілерде. Белгі антеннасы МС мен бір корпусқа сыйатындай бетке орналастырылады. Қолданылатын жиілік белгі антеннасының  құрылымдық параметрлерін анықтайды. Төменгі жиілікті белгілер көпконтурлы (оншақты орама) орамдар түріндегі кірістірілген антенналардан тұрады. Жоғары жиілікті белгілер бірконтурлы орамдардан тұрады. МС белгілер бірнеше миллиметрдан аспауы мүмкін, ал белгінің сыртқы қабының көлемі антеннаның көлемі мен формасына қарай анықталады.

Санаушы антеннасы конфигурациясының нұсқалары санаушының түріне (стационарлық және ауыспалы) байланысты нақты ерекшеленуі мүмкін. Стационарлы санаушыларда сапасын жоғарылату үшін және радиобайланыстың сигналының қашықтығын үлкейту үшін белгілі ретпен орналастырылған бірнеше антенна болуы мүмкін.

Радиосигналдардың таралу шарты және радиошуылдың паразиттік көздері RFID  жүйесіне заттық шектеулерді енгізеді. Мұндай шектеулер  келесі объектілермен және құбылыстармен байланысты болуы мүмкін: су белгісінің жақын арада болуы, металдық заттардың жақын арада болуы, ауаның жоғары ылғалдылығының жақын арада болуы, ауаның жоғары  және төмен  температурасының жақын арада болуы, электрлік машиналардың жақын арада болуы, ұялы телефондардың жақын арада болуы.

Төменгі жиілікті және жоғары жиілікті белгі антенналарын  дайындау үшін әдетте өте жіңішке металдық сым қолданады (мысалы, мыс). Металды балқыту (мыс) ультра жоғары жиілікті  және микротолқындық белгі антенналарын дайындау үшін қолданылады. Мұндай жиілік диапазондары үшін антенна құрамына никель, көміртегі немесе мыс кіретін, электрлік тоқ өткізетін қара сия көмегімен дайындалуы мүмкін.

5.2.1 Рамкалық антенна. Рамкада индукцияланған кернеу орамдар саны мен жиілік рамкасы қоршап тұратын көлемге тәуелді:

V 1→2 = jωN2 μ H1 A2 cos ψ .                               (5.1)

Кеңістіктік бағыт-бағдарды қоса алғанда, барлық басқа параметрлерді максимизацияланған деп есептейміз, ал µ - бос кеңістікке сәйкес келетін өтімділік дейміз. Ферритті жүрекшені қолдану арқылы  µ өтімділігін жоғарылатуға болады, осыған орай антеннаның бағыттылығы біртіндеп өседі. Әсіресе  маңыздысы болып  ω жиілік, орама саны  N және А көлемінің арасындағы қатынас болып табылады. 

5.1 сурет - Микрожолақтық антеннаның базалық нұсқасы (патч-антенналар)

Алайда материалдың өлшемі мен бағасында шектеулер болғандықтан,  белгі рамкасының өлшемін минималды қылып алуға талпынады. 125 кГц төменгі жиілікте жұмыс істейтін белгілерде, мысалы, сондай сипаттамалар-дың өзінде 13.56 МГц жиілігіне қарағанда 110 рет көп ораманы талап ететінін айта кеткен жөн.

Сондай-ақ, рамкалық антеннаның орама саны рамканың индуктивтілігі мен шығынына әсерін тигізеді. Мысалы ретінде біз дөңгелек рамканы қарастыра аламыз (тікбұрышты рамка аналогтық нәтиже береді). Дөңгелек рамканың индуктивтілігі мына өрнекпен өрнектеледі:

L2 = μ b N2 [ln (8 b/a) – 1,75] .                                 (5.2)

Сондай-ақ, рамканың радиусымен  немесе көлемімен бірге индуктивтілігі өсіп отырады. Дөңгелек рамканың кедергісі мына өрнекпен өрнектеледі:

                       RL2 = N2 (b/a) (ω μ / 2σ) ½ ,                                    (5.3)

мұндағы σ - материалдың өткізгіштігі.

Сонымен, рамка көлемінің әсер етуі және орам санының бағаға әсері

негізінде материалдың түрімен анықталады. Рамкалық антенналар жиыстырылған сым түрінде немесе жазбалық өткізетін паста түрінде дайындалады. Рамканың түрі оның сипаттамасын және бағасын анықтайды. Рамкалық антеннаның индуктивтілігі және кедергісі  материалдың түріне тәуелді. Максимизациялау үшін Q резисторлық шығындар минималды, ал индуктивтілігі - максималды болуы керек. Бұл максималды кернеуді V  қамтамасыз етеді.

5.3 ИС базасында белгілердің жады

Әртүрлі қосымшаларда RFID-ті қолдану кезінде белгінің жады объектінің идентификаторын сақтай алады. Жадыда берілгендер жаңара  алады, сақтала алады және санала алады. Мұндай берілгендерге мыналарды жатқызуға болады: технологиялық процесті өткізу нәтижесі операцияларының  тізімі, бұйымның соңғы адресі, ортаның сандық параметрлері. Белгі жадының көлемі физикалық талаптарына және бағасына тәуелді түрде өзгеруі мүмкін. Ең арзан МС жадылардың бір разряд жадысы болады, мұндай белгілердің құрамында жеке идентификаторлары болмайды және санаушымен басқарылатын злектромагниттік өріске түсу кезінде тек қана өзінің  қатысу сигналы үшін қызмет етеді. Әдетте МС жадының көлемі  16 биттен  жүздеген килобитке дейін өзгеруі мүмкін (кейбір активті белгілер үшін).

5.3.1 Белгі үшін бұйымның электрондық коды. Кез-келген физикалық объектіге ерекше идентификатор алуға рұқсат ететін белгілеу сұлбасы өнімнің электрондық коды болып табылады. Бұл кодты ұсынатын берілген мәліметтердің пішіні келесідей өрістерден тұрады (5.2 суретке қараңыз): тақырыпша ( электрондық кодтың номер түрін білдіреді, иеленушінің номері (идентификатор қолданатын мекемені көрсетеді), объектінің класы ( өнімнің категориясы), сериялық номері (өнім данасының коды).

Егер 96 разрядтық спецификациясы қолданылса, онда ол 268 млн. компанияны біркелкі тануға рұқсат етеді, олардың әрқайсысы 68 млрд. сериялы номерлерден құралатын 16 млн. класс объектісінен тұруы мүмкін.

    

5.2 сурет - Бұйымның электрондық кодының санмен белгіленуінің форматы

6 Дәріс. Санауыштың параметрлері

Дәрістің мазмұны: байланыс сигналының санауышы мен жиілігі.

Дәрістің мақсаты: белгілердің сипаттамаларын анықтау.

6.1 Санауыш

Санауыш (ридер) (6.1 суретті қараңыз)  берілген мәліметтерді RFID белгімен санауға және оған берілген мәліметтерді жазуға мүмкіндік береді. Белгі ридерінің жазба параметрлері белгінің құрылуы деп аталады. Белгінің құрылу үрдісі және оның объектімен байланыс орнатуы белгінің  эксплуатацияға енуі деп аталады. Эксплуатациядан белгінің қорытындысы белгіленген объектімен белгінің байланысының істен шығуын және жойылуын білдіреді. Пассивті және жартылай активті белгілермен жұмыс кезінде санауыш белгінің электромагниттік өрісіне келіп түсетін энергиясын қамтамасыз етеді. Бұл өрістің  әсер ету қашықтығы бәрінен бұрын  ридердің және белгінің антеннасының өлшеміне  тәуелді. Алайда шағылатын сигналдың қуаты стандарттармен шектеледі.

6.1.1 Ақпараттың оқылуы. Санауыштың басты мақсаты белгіде сақталынатын ақпараттардың оқылуы болып саналады. Бұл үрдістің орындалуы үшін қиын бағдарламалық  өнімдер керек.

6.1.2 Берілген мәліметтердің жазылуы. Белгілер үлкен партиялармен өндіріледі және белгінің бұл жағдайында, өндіруші зауытында қандай болмасын мәліметтерді жазбайды. Бұл жағдайда санауыш, мысалы, нақты өнімнің жеке идентификациялық  номерін жазуға рұқсат етеді. Санауыш кез- келген уақытта ескі белгілерді жойып, жаңа белгілерді енгізуге мүмкіндік береді.

6.1 сурет – Станционарлы RFID-ридерлер

6.1.3 Компьютермен байланыс. Санауыш сондай-ақ, тізбектелген порт арқылы немесе Ethernet немесе сымсыз желі  арқылы хост - компьютермен  байланысты қамтамасыз етеді.

Кірістірілген RFID ридерімен берілген мәліметтер жиынтығының терминалы  RFID терминалы деп аталады. Ол өзін мамандандырылған бағдарламалық қамтамасыз етумен қорғалған микрокомпьютер түрінде ұсынады және ол тек қана RFID белгісімен өзара әсерлесу үшін ғана арналмаған, ол сондай-ақ, мәліметтердің өңделуіне, мәліметтердің локальді базасының сақталуы және хост-компьютермен мәліметтер алмасуына арналған.

6.2 Байланыс сигналының жиілігі

Санауыш пен белгінің арасындағы физикалық байланыс электромагниттік, магниттік және электрлік өрістердің көмегімен жүзеге асады. Белгіге жеткізілетін санауыштың және кері сигналдың электромагниттік сәулеленуінің жиілігі стандарттарға және жиілік диапазондарына қатысты мемлекеттің талап ету заңдарына, сондай-ақ, қосымшалар  түріне тәуелді. RFID жүйесінде келесі жиіліктер қолданылуы мүмкін:  төменгі жиілікті, ТЖ (30-300 КГц), жоғары жиілікті, ЖЖ (3-30 МГЦ), аса жоғары жиілікті, АЖЖ (300 МГц-2 ГГц), микротолқындық  сәулелену (2,45-5,8 ГГц). Шамамен 100 кГц-тен 30 МГц-ке дейінгі жиілік диапазонын қолданатын RFID жүйелер индуктивтік байланысты қолдана отырып жұмыс істейді. Төменгі жиілікті диапазонында электрлік байланысты қолданатын жүйелерде жұмыс істейді. RFID микротолқындық жүйелері магниттік және сыйымдылықтық байланысты қолданады. Жүйелерді жиілік диапазондары бойынша топтастыру белгілерді санаудың қашықтығын шектеуге мүмкіндік береді (6.2 суретке қараңыз). RFID жүйесінің әсер ету қашықтығы бірнеше миллиметрден 15 метрге дейін және одан да көп метрге дейін өзгереді. Нақты қосымшалар үшін байланыстың жұмыс жиілігін таңдауда қоршаған орта жағдайының әсері (металдардың, сұйықтардың, ылғалдардың жақындылығы) маңызды рөл атқарады.  Жүйенің жұмыс істеу  сапасының нашарлауы  интерференциямен байланысты басқа сәулелену көздерінің радиотелефон мен аса жоғары жиілікті пештермен байланысты болуы мүмкін.

6.2 сурет – Жиілік ара-қашықтығы мен белгілерді санау ұзақтығы бойынша RFID жүйесінің жіктелуі

6.3 Хост-компьютер және бағдарламалық құраушылар

Компьтердің талап етілетін аппараттық сипаттамалары RFID-жүйесінің мақсатының орындалуын қамтамасыз ететін бағдарламалық қосымшалармен (хост-қолданбалар) анықталады. Бағдарламалық қосымшалар – бұл жүйенің мақсатын іске асыру үшін бағдарламалық құрал-жабдықтары бар немесе талап етілетін жиынтық.

Бағдарламалардың орындалатын орны болып, белгінің өзімен қоса, санауыш, хост-компьютер де болуы мүмкін (6.3 суретке қараңыз). Бағдарламаның барлық осы үш құраушысы да практикалық түрде бірге жұмыс істейді және функционалды түрде жабылады. Белгіден санауышқа жіберілетін және кері бағытта мәліметтерді басқару үшін төменгі деңгейдегідей жоғары деңгейде де бағдарламалық қамтамасыз ету қажет. Бұл  қажетті   бағдарламалық құралдардан басқа, коллизиямен күресу үшін бағдарламалар қажет. Бұл бағдарламалар егер санауыштың бағыттылық диаграммасы бірнеше белгілерді қамтыса, яғни бір мезгілде тану мен бақылау жүргізілетін болса қолданылады. Мысалы,  аптекалық қойма жағдайында бір санауыш жүздеген препараттардың қорапшаларын тіркеуі қажет.

Коллизиямен күрес белгі мен санауыш әсерінің келесі алгаритмдерін талап етеді, яғни бірнеше белгілерден бір мезгілде ақпараттардың келіп түсуін минималды ететін қауіптің болуы.   

Мәліметтерді алмастыру қауіпсіздіктің берілген деңгейінің қамтамасыз ету режимінде жүзеге асуы мүмкін. Мұндай режимнің қамтамасыз етілуі үшін шифрлау, авторизациялау және нақтылау бағдарламалық құралдары қажет. Бұл жағдайда санауыш пен белгі арасындағы мәліметтерді алмастыру  тек қана құпия кодын алмастыру арқылы жүзеге асады.

6.3 Саналатын белгінің ридерден арақашықтығы

Жүйені оқылу қашықтығының үлкеюі берілген деңгейден төменгі оқылу сенімділігінің кеміп кетуіне әкеліп соқпайтындай жолмен жобалау қажет. Жақын өріс аймағында функциялайтын индуктивтілік және сыйымдылықтық жүйелерде әсер ету қашықтығы жоғары емес – ол ондаған сантиметрлі бірліктерге қол жеткізеді. Мұның себебі болып, электрлік ( кері шаршылық тәуелділігі) және  магниттік (кері квадраттық тәуелділігі) өрістің электромагниттік сәйкестілік пен санитарлық нормалардың қатаң талаптарын сақтау қажеттілігінің жиынтықтықтарының қашықтығымен кернеулігінің кенеттен төмендеп кетуі болып табылады.  Бұл кезде мұндай жүйелердің қашықтығының өсу мүмкіндігі практикалық түрде жойылған.

Тура әсерден басқа әсер ету ұзақтығының өсуі қаламаған жағдайларға алып келуі мүмкін. Көбінесе әрекет қашықтығының үлкеюі санау аппараттарының аймағының кеңеюіне алып келеді және белгілердің санының көптігінен сигналдар коллизиясының рұқсат ету қажеттілігінен тез әсер ету қабілеті төмендеуі мүмкін. Сонымен қатар, электромагниттік сәйкестендірудің басқа радиоэлектрондық құрылғылармен пайда болуы мүмкін, мысалы, басқа RFID жүйелерінің жақын орналасқан санауыштарында. Сондықтан, іс-әрекет қашықтығына әсер ететін параметрлердің жақсы таңдауы RFID жүйесінің функционалды әсерін толықтай жоғарылатуы мүмкін.

tag– белгі, base station – санауыш, oscillator – генератор, control – басқару, demodulator – демодулятор, decoder – декодер, content of  tag memory – белгі жадының құрамы.

6.3 сурет – Бір белгіден тұратын радиожиіліктік жүйенің идентификациясы

7 дәріс. Техникалық  ауыспалылық  және сигналдың моделдері

Дәрістің мазмұны: оқылатын мәліметтер, энергетикалық және модуляциалық қашықтық теңдеуі.

Дәрістің мақсаты: жүйенің аналитикалық сипаттамасын және белгінің параметрлер байланысын бағалау.

RFID (радиожиілікті сәйкестендіру технологиясы) - жүйені зерттеу кезінде техникалық ауыспалылық қатарын толық есепке алу қажет. Бұл ауысулар жүйенің ақырғы қасиетіне түрлі бағыттағы әсер етуін көрсету мүмкін. Аппаратураның техникалық сипаттамасы фундаменттік шек қоюға тура немесе жанама байланысты, сонымен қатар сыртқы пішінінен және RFID жүйенің қолданатын шартына байланысты. Стандартты зерттеу және белгіні жобалау кезінде кедергі жасауға, жүйенің сыртқы пішінін және оның нақты қолданылуы мен аппаратураның техникалық сипаттамалары арасында өзара байланыс айқын көрінеді.

7.1 Техникалық сипаттамалары

7.1.1 Оқылу. Оқылу маңызды ауыспалы болып табылады, белгімен байланысқан және нақты жұмыс ортасында белгілер мәліметін сәтті оқылуын кепілдендіреді және сол сияқты RFID жүйенің жетістігі немесе сәтсіздігін қамтамасыз етеді. Тиісінше келесі ауыспалыны есепке алу керек.

7.1.1.1 Оқу сенімділігі. Белгінің оқу сенімділігін ридермен қайта-қайта санағанда сәтті әрекеттер санымен анықтауға болады. Табысты әрекет саны үлкен болған сайын сенімділігі де үлкен болады. Ондай болса, жоғарғы оқу сенімділігі, жоғары мүмкіншілікті белгі бір рет болса да белгілі әрекет саны кезінде оқылғанын білдіреді, яғни керекті оқу әрекетінің санын бағдарламалық үлкейтуге болады.

Цифрлық жүйеде екіншілік разрядтың бірінде қателіктің  болу ықтималдылығы немесе қате биттердің пайда болу ықтималдылығы  белгінің сапа критерийі болып табылады (bit error rate - BER). BER–жүйе мүмкін болатын сигналдың біреуінен қабылдау жайлы шешім қабылдау керек кезде қателік пайда болатын ықтималдылық. ASK модуляциясы кезінде жоғары немесе төмен сатыдағы сигналдар болады. Қабылдағышта шешім қабылдау шегі болады, жоғары деңгейдегі сигнал – жоғары сигнал, ал төменгі деңгейдегі сигнал – төмен сигнал болып саналады. Толық қателік ықтималдылығы 2 сигналмен байланысқан қателік ықтималдылығының қосындысы.

Модуляциаланған ASK және ООК сигналдардарда тек 2 деңгейдегі сигнал болады. Бұл деңгейлердің бөлек бит болып табылуы кодтаудың қолданатын түріне байланысты. Кодтың түріне тәуелсіз, егер қателік сигналдың деңгейін анықтау кезінде жасалынса, онда биттік қателік туындайды. Мұндай қателікті кейбір кодтаудың түрі таба алады, ал басқалары таба алмайды. Бұл жағдайда қателікті дұрыстайтын және таба алатын басқа да әдістер қолданылуы мүмкін.

Байланыстың жақын әсер ету құрылғысында, әсіресе құндылығы жоғары емес RFID пассивті жүйесінде  әдетте импульсті кедергілер  маңызды, олар көптеген басқа да кедергі келтіретін сәулелендіру интерференция нәтижесі болып табылады.

7.1.2 Белгі антеннасының құрылымы. Бұл параметр белгі оқылуына тікелей әсер етеді. Антеннаны дайындау саны өте үлкен, бірақ белгілі шарттар жиынтығында жақсы жұмыс істейтін басқа шарттар кезінде айтарлықтай өзінің сипаттамасын нашарлатуы мүмкін. Сол себепті жүйе жұмысының шартын дайындаушымен келісу арқылы жасау жүйені сәтті енгізу кезінде қажетті шарт болып табылады.

7.1.3  Белгі тығыздығы. Бұл параметр ридердің бағытталған диаграмма рамкасында бола алатын максималды белгі санын реттейді. Белгі тығыздығының үлкеюі оқу сенімділігін төмендетеді.

7.1.4 Белгілерді ығыстыру. Обьектінің қозғалыс жылдамдығы, а, сәйкесінше, белгілердің оқылуына белгілер де әсер етуі мүмкін, белгі мәліметтерді беру мен қабылдау үшін ток көзі мен микросызбалардың қозуына қажет уақыт аралығында оқу терезесі шекарасында болуы керек. Бұл параметр күрделі шектеулер енгізуі мүмкін, өйткені жүйеде техналогиялық процессте міндетті түрде ығыстыру кезінде мәліметті санау қажет.

7.1.5 Бағдарлану белгісі. Белгінің орналасуы антенна санауышына қарағанда жүйенің жүмыс сенімділігі мәнді рөл ойнай алады. Бағдарлану белгісі антеннаның түріне тәуелді. Сызықты – полярлы белгі антеннасы санауышқа қарағанда, антенна электромагнитті өрісте дұрыс орналасу үшін міндетті түрде бағдарлау керек. Соған сәйкес, егер мұндай антенна бағытталса, онда белгіде де горизонталь бағытталу болады, ал вертикалды үшін – бағытталған белгі антеннаны вертикалды бағыттау қажет. Домалақ бағдарлау антеннасы үшін белгі бағдарының айырмашылығы жоқ.

7.1.6 Жұмыс істеу ортасы. RFID жүйесін орнату әр обьект үшін жұмыс істеу ортасы мәнді ерекшеленеді. Сонымен, қолдану шарты RFID жүйенің жұмыс сапасына мәнді әсер көрсете алады. Жүйеге әсер ететін негізгі ауыспалығына мыналарды жатқызуға болады: радиожиілікті кедергі, қоршаған ортаның құрамы, сигналдың интерференциясы.

7.1.6.1 Радиожиілікті кедергі. Бұл кедергілер мөлдір емес радио обьекті болғанда және мобильді обьектінің үлкен саны кезінде туады. Қоршаған ортада радиотолқындар шағылысатын металдық обьектілер және санауыштың белгіге берілу қуатының азаюына әсерін тигізеді. Ортада әлсіз обьектілер орын алады, мысалы, адамдар, радиосіңіргіш сұйықтар, сигналды әлсіретіп, санауыш қателігіне алып келетін құрылыс материалдары. Адамдар ағымының болуы айтарлықтай мәселе туғызуы мүмкін. Аталған фактілердің әсері сигналдың жиілігіне байланысты болады. Бұл барлық факторлардың әсері АЖЖ жиілікте және микротолқынды диапазонында және ТЖ мен ЖЖ диапазонының төменгі жиілігінде көрсетіледі.

7.2  Энергетикалық және модуляциялық қашықтық теңдеуі

7.2.1 Қашықтық теңдеуі. Көбіне кең таралған санауыштың қабылдау және тарату антеннасы және осы аппаратураның сипаттамалары мен параметрлерінің пассивті чиптік белгілерімен біріктірілген аппарат түрінің жұмыс істеу қашықтық тәуелділігін қарастырамыз. Жұмыс істеу қашықтығы, мұндай жүйені екі теңдеумен көрсетеміз. Оның біріншісі, «энергетикалық»  деп аталатын теңдеу, оның санауыштан белгіге энергия тасымалдайтын арнасы түзу сызықты (forward line)  сипаттайды, ол чиптің активті элементінің энерия көзін қамтамасыз ету үшін қажет. Дәл осы теңдеу, ереже бойынша, RFID жүйесін типтік белгілермен қашықтық жағдайын шектейді :

RЕ = ( kE ·P ·GR ·Ae /4π S )^1/2 ,                                                (7.1)

мұндағы  –  белгі санауышының энергетикалық қашықтығы;

Р – санауыш генераторының қуаты;

– санауыш антеннасының күшейту коэффициенті;

және – антеннаның және сәйкес белгінің сезімталдылығының эффективтік аумағы.

kE – энергетикалық коэффициент.

Белгілі радиобайланыс теңдеуінен (7.1) формуласының айырмашылығы  энергетикалық коэффициенті енгізілген. Бұл коэффициент антеннаның кедергісіне түсетін сигнал мен RFID техниканың жұмыс істеу принципі бойынша белгімен көрінетін және сәйкестендіретін обьект жайлы мәлімет тарататын қуат арасындағы қатынасты есептейді.  сезімталдылығы антеннаның чипіне қосылған минималды қажет энерго көзіне кепілдеме беретін белгілер антеннасының шығысындағы қуат. Екіншісі – кері сызықты сипаттайтын «модуляциялық» теңдеу (7.2) , ол кері сызықты (reverse line), яғни белгі ақпараттары немесе сәйкестендірілген номерлердің модуляцияланған кодтары арқылы белгі сигналынан шағылысқан санауышпен қабылдау.

RМ = [P ·G R2 · λ2 ·Δσ / (4π)³ · SR ]^1/4 ,                    (7.2)

мұндағы RM – белгілер санауышының модуляциялық қашықтығы;

λ - сигналдың электромагнитті толқын ұзындығы;

 белгі  антеннаның  ШБЭ вариациясы;

SR – санауыш қабылдағышының жұмыс сезімталдығы.

 және  параметрлері белгі антеннасының кері шашырау модуляциясымен және кедергі вариациасын қамтитын ШБЭ максималды және минималды мағынасы болып табылады. Теңдеу (7.2)  ерекшелігі  RFID технологиясын ШБЭ вариациасымен операциялаудан тұрады. Бұл теңдеу (яғни  және ) ШБЭ модуляция принципінен басқасын, радиолакатор теңдеуінің дәстүрлі түріне әкеледі. Есепте көріп отырғанымыздай, 100-биттік номер үшін және 0,9999 белгілердің санауыш шындығының сигналмен қатынасы 20 дБ ден аз болуы керек.

Энергетикалық теңдеу (7.1) RFID аппаратының пассивті чиптік белгімен максималды қашықтығын сипаттайды. Ол бұрыштық және поляризациялық санауыш пен белгі антеннаның келісуі кезінде қол жеткізетін, сондай ақ антенаның импеданты келісуі және белгінің келісуі кезінде максималды қашықтықтығын көрсетеді. Модуляциялық теңдеу (7.2) чиптің энергоқажеттілігі қоректену элементімен қамтамасыз етілетін  жартылай активті RFID құрылғысы әсерінің максималды қашықтығын сипаттайды.

7.2.2 Тасушы жиілікке әсер ету қашықтығының тәуелділігі. Пайдаланушылар мен жүйелік интеграторлардың дұрыс бағыт бағдары болуы мақсатымен нақты аппаратура таңдау процесінде RFID жүйесінің әсер ету ұзақтығының тасушы жиіліктен немесе сигналдың тоқын ұзындығы мен тәуелділігін қарастыру жөн болады. Бұл үшін 2 болжам қабылдаймыз: P және  параметрлері тұрақты деп санаймыз. Бұл болжам тең энергетикалық потенциалдар мен кеңістік санау зоналары жүйелерін салыстыруға мүмкіндік береді.

Теңдеу (7.1) және (7.2) арқылы келесі түрде жазуға болады :  

        

RЕ ≈ λ (kE ·P ·GR · k1/ 4π S ) ^1/2~ λ ,                           (7.3)

RМ ≈ λ [P ·G R2 · k2/ (4π) ³· SR ] ^1/4 ~ λ .                      (7.4)

Сәйкесінше, қашықтық тең шарты үшін пассивті және жартылай активті чиптік белгілермен радиожиілікті сәйкестендіру жүйесінің жағдайы сигналдың толқын ұзындығына шамамен пропорционалды. Бұндай қорытынды әр түрлі өндірілген аппаратуралардың  техникалық сипаттамасынан сәйкес келеді: 900 Мгц диапазонында қашықтық жағдайы 5…6 м құрады, ал 2,45 Ггц диапазонында  1,5…2 м құрайды, бұл толқын ұзындық қатынасы 3-ке жақын. Жетістік көзбен қарағанда максималды қашықтық 433 Мгц диапазонға жобаланады. Бірақ, бұл жерде сәулелендіру эффективтілігін қамтамасыз ету үшін, қатты үлкен антенаның габариттері керек. Осы себептен, қазіргі уақытта  860-960 Мгц диапазонында RFID UHF жүйесі кең таратылады.

8 дәріс. Кеңістік пен антенна импедансы моделдері

Дәрістің мазмұны: электрлік және магниттік өріс, кеңістік пен антенна импедансы.

Дәрістің мақсаты: алыс және жақын зоналар шекарасын ескере отырып кеңістік пен антенна сипаттамаларына талдау жүргізу.

8.1 Жақын және алыс зона. Кеңістік пен антеннаның имподансы

Екі сигналдың құрылымына олардың максималды шамалары сигналдың толқын  ұзындығынан айтарлықтай аз деп қарап, талдау жасаймыз. Белгілі Герц диполі сияқты және аз рамкалық идеалды дипольді қарастырамыз. Идеалды диполь ұзындығы бойынша фазасы мен амплитудасы теңдей бөлінген ток өтетін шексіз аз элемент болып табылады. Аз рамка сигналдың толқын ұзындығы периметрінің төрттен  бір бөлігін алатын жабық токты ілмек болады.

8.1.1 Ара-қашыққа байланысты электрлік және магниттік өріс. Электрлік және магниттік өрісті анықтаудың ортақ әрекеті бәрінен бұрын токтың тығыздығынан шығатын векторлық потенциалды есептеуден тұрады. Векторлық потенциалдан электрлік өріс анықталады, соған сәйкес электрлік өрістен магниттік өріс анықталады.

Бос кеңістіктегі толқын саны:

ko = ω ( μ o εo) ^1/2 = ω /c = 2π / λo = β,                       (8.1)

мұндағы с- жарық жылдамдығы, ≈ 3×10⁸ (м/с);

- кеңістіктің диэлектрлік өтімділігі , 8,8542×10^-12 (ф/м);

- кеңістіктің магнит өтімділігі, 4π ×10^-7 (Гн/м).

Бос кеңістіктегі кедергі :

ηo= (μo / εo) ^1/2.                                            (8.2)

dl  ұзындығымен идеалды диполь тудыратын өріс мына түрде болады:

           E = −(I dl/ 4π )η₀ β² 2cos θ [(jβ r) ^-2 + (jβ r) ^-3 ] e^{- jβ r} r) −

−(I dl/ 4π )η₀ β² sin θ [(jβ r) ^-1 + (jβ r) ^-2 + (jβ r) ^-3 ] e ^{- jβ r} θ);              (8.3)

H = −(I dl/ 4π ) β² sin θ [(jβ r) ^-1 + (jβ r) ^-2] e^{- jβ r} ϕ ) .                   (8.4)

Жақын зонада теңдеуді толық қарастыратын  болсақ,  мұндағы  << 1,

e- ^jβr шамасы 1-ге жуықтайды. Электрлік  және магниттік өрістің теңдеуін қысқартуға болады :

Enf = j(I dl/ 4π β r³)η₀ (2cosθ r) + sinθ θ ),                           (8.5)

Hnf = (I dl/ 4π r² ) sinθ ϕ ) .                                       (8.6)

Бұл теңдеуден электрлік және магниттік өрістің дипольға дейінгі r  қашықтығына тәуелділігі көрініп тұр. Мұндай қашықтық үшін электрлік өрістің кернеуі 1/ теңдеуіне пропорционалды кемиді, ал магниттік өрістің кернеуі 1/ пропорционалды болады. Бұл облысты антеннаның жақын зонасы деп атаймыз.

(8.5) және (8.6) теңдеуінен сәйкесінше жылжытылған  /4  магнитті өрістен электрлік өрістің минимумы болатыны көрініп тұр. Бұл өрістің реактивтілігінің белгісі – энергия тұрақты болып, екі өрістің арасында жайылады. Пойтинг векторы бағалануы  бұндай жағдайда энергияның шын ағымы болмайтынын көрсетеді. Жақын зонадағы электрлік және магниттік өріс бір бірімен байланыспайды және квазистатикалық болып табылады.

8.1.2  Алыс және жақын зонадағы электрлік және магниттік өріс. Электромагнитті өріс жақын және алыс зоналарда мүлде әр түрлі әсер ететінін есепке алу қажет.

8.1 сурет – а - идеалды диполь, b - кіші рамка

Өрістің алыс зонасында олар таралатын толқындар  болған кезде өрістің жақын зонасында реактивті және квазистатикалық болады. Бұл әсіресе RFID жүйелерге қолдану кезінде маңызды.

Ол жүйелер төменгі жиілікте функцияланады және жақын өрістің қоршаған кеңістігі болып табылады, барлық қатынастар квазистатикалық толқын арқылы орындалады.

Жоғары жиілікте жұмыс істейтін RFID жүйелері әдетте алыс зонаға жатады; сондықтан олардың әсері  электромагниттік толқын арқылы орындалады. r қашықтығы неғұрлым /2 үлкен болғанда электрлік және магниттік екі өріс те  кернеулі және бірінші дәрежелі болады, яғни 1/r  пропорционалды кемиді.

Шындығында алыс және жақын зоналардың арасындағы шекара антеннаның геометриясына байланысты. r=/2 нүктесін электромагнитті өрістің алыс және жақын зоналары арасындағы шекараның стандартты мағынасы түрінде қарауға болады.

Өрістің алыс және жақын зоналарында  RFID жүйелерінің айырмашылығына әрі қарай анализ жасамас бұрын антенна мен тізбек және кеңістік импедансын қарастыру керек. Сонымен, импеданстың физикалық мағынасы, ағым мен әсер арасындағы қатынаспен анықталады.

Электромагниттік өріс пен толқындар теориясында импеданс электрлік  өріс пен магниттіттік өрістің ара қатынасын сипаттайды:

Z = E / H.                                               (8.7 )

Антеннада немесе электрлік тізбекте бұл кернеу мен ток арасындағы қатынасқа тең:

Z = U / I.                                                  (8.8)

Импеданстың қолдану облысына тәуелсіз Z пайдалы параметр, өріс пен толқынның жұмысын, антеннаның шағылуы мен реакциясын және де фидер, жүктеме және антенна арасындағы қуаттың таралуын сипаттай алады.

8.2, a суретте идеалды электромагниттік дипольмен аз рамкалардың бос кеңістіктегі импеданс мағынасы көрсетілген. 8.2, a суретте көрсетілгендей алыс және жақын зона арасындағы (/2) шекаралық нүктеден кейін импеланстары жақындасады және тұрақты болады. Сондай-ақ, әр түрлі екі антенна импеданс модулі алыс зонада ұқсас және бос кеңістік импедансына тең. Бірақ, жақын зонада олар әр түрлі болады.

a) – идеалды электрлік диполь                       b) – идеалды электрлік

мен аз рамкалы модульдің импедансты        диполь мен аз рамкалы

 графигі;                                                            фазалық импедансты      

                                                                           графигі.

8.2 сурет

8.2, b суретте екі антеннаның импедансы фазасының өзгерісі көрсетілген. Біз жақын зонада фазаларқарама- қарсы және   ге тең ал алыс зонада олар 0-ге жақындайтынын байқаймыз.

Антенналар өзінің кіріс қысқышында өзіндік импедансқа ие болады. Бұл импеданстың шындық бөлігі өзімен бірге  шағылу кедергісі және  омдық шығын құрылымын ескереді, ал реактивті бөлігі Х антеннаның қосалқы өрісіндегі энергияны анықтайды:

j X.                                      (8.9)

Үлкен емес антенналар толқын ұзындығының мөлшерімен  салыстырғанда кіші резистивті компонентті сәулелену және үлкен реактивті компонентті болады. Мұндай компоненттер қатынасы эффективті емес сәулеленуге әкеледі. Егер біз қайтадан 8.2 суретке көңіл бөлсек, онда аз рамка үлкен оң реактивті компонентке ие болатынын, ал идеалды диполь үлкен теріс реактивті компонентке ие болатынын көреміз. Оң компонент индуктивтілікке, ал теріс компонент сыйымдылыққа сәйкес келеді. Бұл әсіресе жақын зонада жұмыс істейтін RFID жүйесі үшін маңызды. Егер антеннаның мөлшері толқын ұзындығымен салыстырғанда үлкейсе,  резесивті компоненті өседі, ал реактиві кішірейеді. Антеннаның ұзындығы немесе периметрі кезінде, толқын ұзындығының тең жартысы реактивті компоненті нөлге ұмтылады, ал резесивті компоненті максимумға жетеді. Бұл жағдайда антенна резонатор болады және эффективті сәулелендіреді.

9 дәріс. Энергия шығыны және байланыс моделдері

Дәрістің мазмұны: өрістің жақын зонасындағы шығын мен байланыс.

Дәрістің мақсаты: шығын мен байланыс моделдердің анализін бақылау.

9.1 Өрістің жақын зонасындағы байланыс

Басында көрсетілгендей, жақын зонадағы электромагнитті өріс өз бетінше реактивті және квазистатикалық болады. Электрлік өріс магниттік өріспен байланыссыз және антеннаның қолданатын түріне тәуелді, біреуі басқаларын түрлендіре алады. Идеалды диполь кезінде электрлік өріс болады, ал аз рамкалы кезінде магниттік өрісті бағындырады. Белгі мен санауыш арасындағы байланыс сыйымдылықты, электрлік өрісті қолданған кезде немесе индуктивтілік магниттік өрісті қолданған кезде болады. RFID жүйесінің жақын зона арасында индуктивті байланысқан жүйелер сыйымдылыққа қарағанда кең таралған. Сол үшін біз индуктивті байланысқан жүйелерді нақты қарастырамыз.

9.1.1 Индуктивті байланыс. Индуктивтілік жүйе антеннасында магнитті квазистатикалық өріс қатынасын болжайды. Бұл жүйелер бірінші кезекте ток өтетін, магниттік өрісті индукциалайтын, ток пен кернеуді екінші орамда индукциалайтын трансформатор түрінде кездеседі. RFID кезінде бірінші орам санауышқа енгізілген, ал екіншілік орам белгіге енгізілген.

Үлкен емес рамкалы антенна дипольдік антеннаға сәйкес, жақын зонада магниттік өріс рамкалық антенаны дипольдік антеннаның магниттік өрісіне көтереді. Аз және үлкен рамкалардың арасындағы айырмашылығын анықтаймыз. Жоғарыда айтылғандай, аз рамканың периметрі толқын ұзындығының төрттен бірінен аз. Жақындау өріс пен сәулелену алыс зонадағы кіші және үлкен рамкалардан ерекшеленеді.

Үлкен рамкада периметр бойынша токтың таралуы тегіс емес, онда кіші рамкада ол тегістеу келеді. Сондай - ақ, кіші рамкалы өріс теңдеуінде барлық жағдайда орындалмайтындай белгінің рамкаға дейінгі қашықтығы оның мөлшерінен үлкен.

Екінші ағымда индукциалайтын қуатты анықтау үшін рамкалық антеннаның жақын зонадағы магниттік өріс теңдеуін қарастыруымыз қажет. Рамкалық антеннаның кіші жағдайында, белгінің рамкаға дейінгі қашықтығы радиусынан үлкен деп қараймыз. Үлкен рамка үшін теңдеудің дұрыс есептелуі қиын болғаны үшін, магниттік өріске жуықтау келетін Био - Савар заңын қолданамыз. Cәйкесінше Био Савар заңы Н магниттік өрісті векторлық потенциалды есептеусіз токтың таратылуымен байланыстырады. Био Савар заңына сәйкес, рамкадағы токтың таралуы N орамға тең деп аламыз :

H = (NI/4π) ∫ R∙dI/ R³ .                                    (9.1)

Соңғы теңдеудің көмегімен оның радиусының рамкаға дейінгі арақашықтығы, өстің магниттік өрісін есептеуге болады. Рамканың перпендикуляр жазықтығы максималды интенсивті және сәйкесінше максималды санауыш қашықтығын қамтамасыз етеді.

     9.1 сурет - Санауыш пен белгілердің эквивалентті сызбасы

Жақын зонада аз рамка үшін мынаны аламыз:

H = 0,5I                                 (9.2)

мұндағы b - рамкалар радиусы.

Магнитті өрісті есептеп, біз оның екінші антеннаға әсерін анықтай аламыз. Өріс байланысының максималды қуатына жету үшін, екіншілік антенна максималды мүмкін болатын магниттік өрісті ұстау керек.

9.2 Жақын зонадағы шығын

RFID жүйесінде жақын зонаны функциялайтын өріс кернеуі   1/ немесе 1/ пропорционалды төмендейді, алыс зонадағы 1/r кемуіне қарағанда элементтердің сигналға әсері сәйкесінше жақсы белгілі. Бұл жерде аз ара-қашықтықта жүйенің басқа да сипаттамаларына диаграмманың бұрмалануы мен кеңістік әсерінен интенсивтіліктің жоғалуын ескеруге болады деп есептелінеді. Жақын зонаның индуктивтілік және сыйымдылық жүйесі ортаның материалдары мен заттары, әсіресе өтетін материалдар әсерінен қатты зақымданған.

Индуктивті жүйелер токқа сезімтал болатын магнит өрісімен оперецияланады. Өткізгіштік қасиеті бар құралдар көбейсе, магнит өрісі уақытқа байланысты өзгереді  және онда ток индукцияланады. Бұл токтар құйынды токтар деп аталады, магнит өрісіне қарсы тұрады, индукциялайды, сонымен қатар шығынға ұшырайды. Құйындық токтар магнит өрісін әлсіретеді және RFID  жүйесінде антеннаны бұзады және жұмыс қашықтығын азайтады. Үлкен экрандық өткізгіштерде құйындық токқа төтеп беру үшін мысты-ұнтақ материалдарды және ферриттарді  қолданылады. Сыйымдылықты байланыс жүйесі қоршаған ортаға өте сезімтал болады. Сыйымдылықты жүйелер электр өрісі әсерінен байланыс орнатады, потенциалдар арасы бұрмалануға ұшырайды. Әр түрлі жергілікті объектілер электр өрісі антеннасын өзіне тартып алады және санауыштың, белгінің зоналық конфигурациясын айтарлықтай өзгертеді.

9.3 Резонанс және сапалылық

Екінші орауыштың қуатын максималдау үшін, белгіде және санауышта LC  резонансының тізбегін құру керек. LC-тізбегінің резонанстық жиілігі:

.                                          (9.3)

Санауышта максимал кернеуді алу үшін, шығыс токты максималдау керек. Сәйкесінше, резонанс жиілігінің импедансы нөлге ұмтылу үшін, орауыш индуктивтілігі мен сыйымдылығын тізбектей қосу керек. Белгіде басқарушы сызба қорегін қамтамасыз ету үшін, кернеуді максималдау  керек, сондықтан резонанс жиілігінің импедансы шексіздікке ұмтылу үшін сыйымдылықты катушка индуктивтілігіне параллель қосу керек. Орауыш, байланыстырушы тізбек т.б компоненттердің резистивті құраушылары болады, санауыш және белгінің ақырғы сапалылығы Q болады. Сапалылық Q    дисспативті энергия шығынына энергия қорының қатысын анықтайды немесе өткізу жолағы 3 Дб болатын орталық жиіліктің қатысы болып табылады. Ол келесі өрнекпен өрнектеледі:

Q = ωL / R или Q = f0 /Δ f3dB.                                (9.4)

Q-ды максималдау үшін кедергіні азайту керек немесе индуктивтілікті жоғарылату керек. Байланыс қуатын жоғарылату үшін Q максималды болу керек. Алайда  Q жоғарылауы жіңішке өткізу жолағына сәйкес келеді, байланыс жүйесінің қажеттілік сипаттамасын қамту үшін өткізу жолағы кең болу керек.

9.4 Жүктеме модуляциясы

Магнит өрісінің кернеулігі және индукция арасындағы кернеулік, энергияны тарату және санауыш пен белгінің арасындағы байланысты орнату үшін қолданылады, сондай-ақ белгі және санауыштың да арасындағы байланысты орнату үшін қолданылады. Белгі және санауыш арасындағы байланыс вариация белгісінің импедансының әсерінен болады. Осы импедансты өзгертсек ,белгінің  бірінші ток орамы  өзгеріп, ол магнит өрісінің вариациясына әкеп соғады. Бұл вариацияны қабылдағыш санауышы таба алады. Белгі кедергінің немесе сыйымдылықтың өзгеруі әсерінен өзінің импедансын вариациялайды; сондықтан  омдық немесе сыйымдылықты модуляция жүктемесі жүзеге асырылады. Омдық модуляция кезінде резистор, параллель жүктеме, тактылық жиілікпен бірге қосылады немесе басқа әлдеқайда жоғары жиілікте қосылады. Резисторлардың параллель қосылуы ортақ кедергіні азайтады, ол белгінің тогын жоғарылатады. Бұл өз кезегінде санауыштағы кернеудің азаюына әкеп соғады. Осылайша сигналдың амплитудалық модуляциясы қамтамассыз етіледі. Сыйымдылықты модуляция кезіде, жүктемеге параллель қосылған  конденсатор қосылады немесе өшеді. Бұл манипуляциялар санауышта амплитудалы және фазалық модуляция сигналы бейнесінде табылады.

9.4.1 Жүктемедегі кернеу. Резонанстық конденсатор  жағдайында, сызбаға  параллель эквивалентті импеданс қосылады, ал белгінің кернеуін ескермеуге  болады. 9.1 суретке назар аударып біз ең алдымен V2 кернеуіне және қосылған сызбаның эквивалентті импедансына және резонанс конденсаторына түзетілген және параллель қосылған импедансқа тәуелді антенна белгісінің I2 тогын анықтаймыз:

 

I2 = V2 (ZC2 -1 + Zeq -1) ^-1= V2 (Zeq -1 + jωC2 );                   (9.5)

V2 = = jωN2 μ0 H1 A2 cos ψ [1 + (jωL2 + RL2) (Zeq -1 + jωC2 )] ^-1.         (9.6)

Бұл кернеу антенна орауышына параллель қосылған жүктемеде белгіленіп шығады. Жүктеме импедансына байланысты Ом заңын қолдана отырып жүктеменің тогын табуға болады. (9.6) өрнегінен орауыштағы орам санына байланысты белгі кернеуі өседі  және магнит өрісінің кернеулігі, ілмек ауданы мен өзара антенналар бағдарына тәуелді болады. Бұл параметрлер резонанс жиілігін және белгінің өткізу жолағын анықтайды.

10 дәріс. Сыйымдылықты байланыс және өрістің алыс аймағындағы байланыс

        

Дәріс мазмұны: сыйымдылықты байланыс, өрістің алыс аймағындағы шығындар.

Дәріс мақсаты: байланыс моделінің талдауын көрсету.

10.1 Сыйымдылықты байланыс

Сыйымдылықты байланыс жүйесінде санауыш антеннасы және белгі квазистатикалық электр өрісі әсерінен байланыс орнатады. Мұндай жүйелерде өріс кернеулігі токпен анықталмай, байланыстың интенсивтілігін анықтайтын зарядтардың таралуымен анықталады. Байланыс интенсивтілігі токқа тәуелді емес, жинақталған зарядқа байланысты, индуктивті жүйелерге қарағанда өткізгіштік қасиеттің маңызы болмайды. Сыйымдылықты жүйеде қоршаған ортаның әсері маңызды фактор болып табылады. Сыйымдылықты байланыс жүйесі үшін электр өрісі бар болғандықтан ең тиімді антенналар болып өткізгіш немесе жазық диполь табылады. Егер біріншілік және екіншілік антеннада диполь қолданылатын болса, идеал диполь моделі қолданылуымен  электр өрісі күрт жақындайды. Бұл қорытынды тек жобаланады, біріншілік және екіншілік антенна арақашықтығы оладың өлшемінен әлдеқайда жоғары болуы мүмкін. Бірақ практикада мұндай жұмыстың жасалуы мүмкін емес. Сонықтан біз ұзындығы L заряды бірқалыпты таралған сымды диполь антеннсының электр өрісін анықтаймыз:

E= .                                   (10.1)

                                                                                    

Екіншілік антеннада зарядтың өзгеруі уақыт бойынша токты индуциялайды. Электрод сыйымдылығы  әсерінін екіншілік антеннаның өзінің импедансы болады, оның активті кедергісі және тағы басқа тізбек элементі болады. Индуцияланған ток, тізбекке жалғанған антеннаның эквивалентті импедансына сәйкес келеді, ол әр жүктеме элементіне әр түрлі потенциалдар шақырады.

10.1.1 Резонанс және жүктеме модуляциясы. Сыйымдылықты байланыс жүйесінде, сондай-ақ индуктивті байланыс жүйелерінде максимал байланыс орнату үшін резонанс тізбек қажет. Сондай-ақ антеннаның өзінің сыйымдылығы болады, ол индуктивтілік белгіге параллель, ал санауышқа тізбектей жалғанады. Аналогты түрде индуктивті байланыс жүйесінде белгі мен санауыш өзінің импедансы вариациясының әсерінен бір-бірімен байланысады. Сыйымдылықты жүйелерде санауыш арқылы белгі энергия таратады және байланыс орнату мақсатында қолданылады, сондай-ақ индуктивті де байланысты максимизациялау үшін қолданады. Егер электормагнитті толқынды қолданатын болсақ мақсат сондай болғанымен, байланысты орнататын механизм мүлде басқаша болады.

10.2 Алыс зоналы өрістегі байланыс

Алыс өріс зонасында жұмыс жасайтын сымсыз коммуникация жүйелерінде, осы жүйелер элементтерінің арасындағы байланыстың  таралуы электромагнит толқындарының таралу және қабылдануы  әсерінен таралады. Электромагнит толқынының пайдалы бөлігімен танысып, антеннаның шағылатын құрамдас бөлігі, қажет параметріне тоқталамыз. Содан соң электромагнит толқынының таралуы мен қабылдануына тоқталамыз, ол кезде антеннадан бөлініп шығатын және жүктемеге жалғанған қуатқа ерекше назар аударамыз.

 10.2.1 Антенна параметрі. Біз қарапайым электр дипольді және рамалық антеннаны қарастырамыз. Бұл антенналардың жоғары реактивті кедергісі болады, құрамы эффективті емес шағылуы және келісілуі күрделі болып келеді. Ол жақын зоналарда жұмыс жасауға тиімді де, ал алыс зонада жұмыс жасауға мүлде болмайды, ол жерде энергияны тарату және қабылдау эффективті түрде болу керек. Осы себептерге байланысты алыс зоналарға көбіне резонансты антенналар қолданылады,оның шағылатын сигналдың толқын ұзындығымен бірдей болып келеді. Резонансты антенналардың эффективті шағылу қасиеттері бар және  олардың импеданс құрамдас бөлігі аз болып келеді. RFID жүйелерінде көбінесе жартылай толқынды диполь және микрожолақтық антенналар қолданылады. Антенналары шағылатын электромагнитті толқындар электр және магнит өрістерімен байланысқан суперпозиция ережесін түсіндіреді.

Электромагнит тоқынының интенсивтілігі антенна типіне және генератордың шығыс қуатына байланысты және қуат көзіне арақашықтық үлкейген сайын жоқ бола бастайды.

Толқындардың бұрыштық таралуы тек антеннамен анықталады. Өрістің бұрыштық таралу интенсивтілігін сипаттау үшін біз антенна бағытының диаграммасын қолданамыз. Антенна бағытының диаграммасы электр өріс  құрамдастарының нормасымен анықталады. Бірөлшемді шағылу диаграммасы келесідей анықталады:

.                                    (10.2)

Фазалық қатынасты ескеру керек болған кезде нөлдік фаза ретінде электр өрісі максимум нүктесінде қабылданады.

Антенналар өрісті кең түрде шағылыстырып концентрациялайды. Сол арқылы тарату қашықтығы мен қуат тығыздығының қысымы көбейеді. Шағылудың  құрамдас бағытын тек антенна бағытының диаграммасымен ғана анықтай аламыз. Антеннаның тек бағытталу құрамын зерттемей біз оның кіріс қуаты әсерін шығыс шағылу қуатына түрлендіре аламыз. Сол үшін күшейткіш деген термин қолданылады. Кейде күшейткіш антеннаға жеткізетін берілген бағытта шағылу интенсивтілінің қуатқа қатынасымен анықталады. Анығырақ айтсақ, күшейту коэффициенті деп эталонды антеннаға жалғанған қуат қатынасын айтады, мұндағы  бағытталған антеннаға жалғанған қуат қабылдау нүктесінде өріс кернеулілігі бірдей жағдайда алынады.

10.2.2 Алыс зоналардаағы шығындар және алыс зонада көп шағылудың таралуы. Алыс зоналы антенналардың шағылуы қоршаған ортаға электромагнит толқынының таралуымен анықталады. Өріс кернеулігі пропорционал түрде жоғалайды, яғни ол үлкен қашықтықта байланысады. Интенсивтіліктің еркін таралуы мен әлсіреуі RFID жүйесі үшін сезімталдылығы жоғары болады және алыс зоналарда шағылады, әлсіреуі немесе өзінің шағылу дифракциясы немесе басқа қорек козінің шағылуы болып табылады.

Алыс зоналардағы шығындарды үлкен масштабты немесе кіші масштабты бірқалыпсыздық деп сипаттауға болады. Үлкен масштабты бірқалыпсыздықтар үлкен қашықтықта өрісте кернеу өзгерісінің түрі ретінде болады. Кіші масштабты бірқалыпсыздық көбінесе көпшағылысу таралу түрінде, егер толқын қабылдағышқа әр түрлі жолмен таралса қабылдау нүктесінде үлкен өріс интенсивтілігінің өзгеруін және интерферлауға ұшырайды. Кіші масштабты бірқалыпсыздық аз қашықтықты жылдам флуктациясымен сипатталады. Үлкен масштабты бірқалыпсыздықтар моделдері таратқыштың  қашықтығына байланысты қуат сигналының өшуін сипаттайды. Олар кері квадрат заңын, бос кеңістік және өшу сипаттамасы үшін теңдеуге модификациялайды, атмосфера және материалдар әрекеттесуі жүреді. Өшу теңдеуі:

,                                           (10.3)

мұндағы n бос кеңістік үшін  2-ге тең.

Электр өрісінің ұзындығы L өткізгішті  диполь антеннасының теңдеуі мына түрде болады:   

.                                         (10.4)     

 

Бөлме ішіндегі шығын бағасының кеңістікте таралу моделі логарифмдік модельмен анықталады:

PL(R)[дБ]=PL(R_σ)+10nlog(R/R_O)+X_σ .                             (10.5)

 

мұндағы n - бөлме қасиетіне байланысты, X ауыспалы таралудың стандартты ауытқуы децибелмен анықталады.

R-өлшем жүргізілетін бекітілген қашықтық, әдетте өріс бөлме ішінде таралатын болса  1 м тең болады.

10.1 кестеде әр түрлі жиіліктерде және өріс таралуының әр түрлі жағдайында σ n мәнін көрсетеді, кеңістікте таралуы. σ мәні аз болса нақты модельге сәйкес келеді.

Көп шағылатын таралулар аз масштабты федингты моделді сипаттайды. Көп шағылатын таралулар үлкен ара қашықтықта кідіретін қатты флуктуацияны, амплитуданы және фазаны, кездейсоқ жиілікті модуляцияны, уақыттық дисперсияны шақырады. Құрамында металл заттары  және шағылу объектісі бар кеңістікте көп шағылатын таралулар және сигнал интерференциясы орын алады.

10.1 к е с т е- Бөлме ішінде n және σ параметрлерінің логорифмдік моделінің кеңістіктегі шығын таралуы.

Ғимарат	Жиілік (МГц)	n	Σ
Жекелме дүкен Бакалеялық дүкен Тығыз кеңсе Тығыз емес кеңсе Текстилді, химиялық  кәсіпорын Текстильді, химиялық кәсіпорын Кітап дүкені Металөңдейтін кәсіпорын Тұрғылықты бөлме  қабырғасы	914 914 1500 900 1300 4000 1300 1300 900	2.2 1.8 3.0 2.4 2.0 2.1 1.8 1.6-3.3 3.0	8.7 5.2 7.0 9.6 3.0 7.0-9.7 6.0 5.8-6.8 7.0

Көп шағылыс таралуын сипаттау үшін әр түрлі статикалық моделдер қолданылады, таралуды кешіктіретін ортақквадратты ауытқу ортақ шектеу болып табылады. Аз металдық фрагменті бар ғимараттар және аз  ортақ квадратты ауытқуы бар кешігулер 30 дан 60 нс таралады. Көптеген металл фрагменттері бар және ашық бүйірлі салынған ғимараттардың таралуы кідіреді, ол 400 нс таралады. Көп шағылыс таралу әсерін минимизациялауға рұқсат беретін технологияларға эквалайзерлеу, көпарналылық және арналық кодтау жатады. RFID кезінде санауыштарда эквалайзерлі және көпарналы антеннаны кодтау қолданылады. Ал белгілерде шектеу өлшемі қатты болғандықтан күрделі және бағасына байланысты мұндай тәсіл қолданылмайды.

11 дәріс. Интеграл тізбегінің энергоқолданысы және болашақтағы зерттеулердің бағыты

Дәріс мазмұны: микросызбалардың сипаттамасы және энергоқолданысы, командалар, болашақ зерттеулер.

Дәріс мақсаты: белгіге әсер ететін қуаттың қолданылатын параметріне баға беру, команданың нұсқасын бағалау, мақсаттарды белгілеу.

11.1 Интеграл тізбегінің энергоқолданысы

Интегралды сызбада энергоқолданыс сипаттамасының маңыздылығын түсіну белгіде айтарлықтай жоспарлаумен ғана емес, сондай-ақ байланыс хаттамасын жасаумен де байланысты. Кодтау, модуляция және командалар қолданылатын қуаттың сипаттамасын ескере отырып жүзеге асырылады. RFID пассивті белгінің қуатты минимизацияда қолдануы санауыштың қашықтығы мен көбеюіне тікелей байланысты. Белгіде аналогты және сандық элементтер қолданылады. Сандық тізбектер аналогты тізбектерге қарағанда көп, ал аналогты тізбекте энергоқолданыс әлдеқайда көп болып келеді. Сондықтанан аналогты  қуаттың қолданылуымен өте жақсы жобалануы тиіс. Келісілген антенна тізбегі кіріс және қорек көзінің қуат максимал тарату коэффициентін ескере отырып жүзеге асырылады. (MOS) Металоксидті құрылғылар жасалған. MOS технология өлшемді және энергоқолданысты азайтуға мүмкіншілік береді. Ең бірінші р-типті   (PMOS) құрылғылар шықты, содан n-типті (NMOS) қолданыстағы қуатты азайту үшін комплиментарлы құрылғылар (CMOS) жасалды, ол сыйымдылық өлшемді ұзартумен жасалады. Комплиментарлы металоксидтер (CMOS) PMOS  және NMOS құралдарының комбинациясы. Сондықтан ол қолданылатын энергияның азаюына әкеп соғады. Транзисторлар интегралды микросызбалардың негізгі компоненті болып табылады, ол сонымен қатар пассивті компоненттің рөлін атқарып, мысалы конденсатор  және резистор сондай-ақ активті компоненттердің сапасында да қолданады.

 biCMOS құралдары биполярлы технологияда жоғары жылдамдықта  CMOS технологиясы төмен энергоқолданысты біріктірді. Қазіргі таңда жартылай өткізгішті технологияда CMOS технологиясы болып табылады және болашақта осы технология жобаланады, ол өзінің бағалы қасиеттерін сақтап қалады.

CMOS сандық тізбегінің жоғары энергоқолданыстық сипаттамасы және осы тізбектің ортақ чип қуатының қолданысы өте маңызды. Сондықтан CMOSтізбегінің энегоқолданысы статикалық және динамикалық болып бөлінеді. Тізбектің тыныш күйіндегі қуаты статикалық қолданыс деп аталады. Идеалда ол 0-ге тең. Диодта және басқа элементте паразитті шығындар болады, бірақ оларды ескермеуге болады. Негізінде сандық CMOS тізбекте энергоқолданыс динамикалық қолданыспен анықталады. Динамикалық энергоқолданыстың 2 құраушысы болады: қысқа тұйықталу және сыйымдылықты қолданыс. Қысқа тұйықталу қуаты вентилдердің қосылуынан ток қуат көзінен жерге қарай ұмтылады. Кейбір жағдайда сыйымдылықты құраушының 10% компонент құрамына енеді, сондықтан көп жағдайда оны ескермейді.

Сыйымдылықты қуат құраушысының қолданысы интегралды сызба сыйымдылығының аса қуатталған паразитіне негізделген. Электронды сызбалар және тізбектер, олардың байланысы көптеген паразитті сыйымдылықтар негізінде  жұмыс жасайды. Сыйымдылық зарядының энергиясы келтірілген кернеуге байланысты, сондықтан қолданылатын ортақ қуат белсенділігі және жиілік ауыстырғышымен байланысты. Қысқа түйықталудың құрамдас бөлігін қолданып, динамикалық қуатты қарастырамыз:

=αfC,                                         (11.1)

 

α-белсенділік коэффициенті, f-ақпарат тасымалдау жылдамдығы, C-соммалы паразитті сыйымдылық, V-қорек көзінің кенеуі.

Белсенділік коэффициенті α уақыт мезетінде 0 ден 1-ге ақпараттың таралуын көрсетеді. Ақпарат таралуының орташа жылдамдығы f сихронизация жүйесінің жиілігі болып табылады. Осы арқылы динамикалық қуаттың қолданылуы негізгі үш параметрлермен анықталады: беріліс ауысуының белсенділігімен, кернеу көзінің сыйымдылығы және квадратымен. Квадраттық тәуелділікке байланысты (11.1) өрнектен қорек көзінің азаюы, белгі энергоқолданысының азаюына алып келеді. Энергоқолданыстың азаюы  жүйелік фактордың негізгі құрамдас бөлігі болып бөлінеді. Қорек көзінің кернеуі азаюымен белгінің уақыттық кідірісі көбейеді, RFID жүйесінің жұмыс жасауы азаяды, бұл негізгі  келеңсіздік болып табылады. Бірақ қосқыштың белсенділігі мен  сыйымдылықтың көбеюі әсерінен кернеу азаяды.

Паразитті сыйымдылықтар  тізбек элементінде және олардың арасындағы байланыста да кездеседі. Бұл сыйымдылықтар байланыс жолағы енінің  азаюы, тізбек элемент өлшемі және олардың арасындағы ара қашықтық әсерінен азаяды. Бүйірлік әсерлерді де ұмытпау қажет, сыйымдылық зарядындағы токтың азаюына алып келеді, сондай-ақ ол жұмыстың жылдамдығын азайтады, ол кернеу көзін жоғарылатуды қажет етеді. 

Үшініші параметрлерге, қолданыс қуатқа әсер етілуі белсенділік коэффициенті болып табылады. Ақпарат жылдамдығының өзгеруі негізінен қосылу жиілігі болып табылады. Синхронды жүйелердің кеңдігі жиілік синхронизациясына сәйкес келеді. Импульсті бөгеуілдерді ескерілмеуі белсенділік коэффициентінің ықтималдылығы болып табылады, деңгейлердің ауысуы бір бит ішінде өтеді.

Жоғарыжиілікті импульсті бөгеуілдерде α 1-ден жоғары болады. Осындай жағдайды жақсы жобалануы минимизациялау болып табылады.  Кез-келген сигналдың максимал белсенділік  коэффициенті  0,5 тең; ал жәй логикалық вентилдерде ол 0,4-0,5, ал ақырғы автоматтарда 0,08-0,18 арасында болады. Көрсетілген параметрлердің кеңдігі азаюы әсерінен қолданылатын қуатты азайтуға болады. Қуат азаюының басқа түрі анықталған тізбектің параллель түрінің құрамына кіреді. Ол оның ауданының үлкендеуіне алып келеді, бірақ кернеуді азайтқан кезде сипаттамасын жақсартуға болады. Басқа да практикалық әдіске пайдасыз энергожаратуға жол бермеу жатады, пассивті аппарат құрамындағы уақыттық генератор синхронизациясы немесе оның  қолданылуына жол берілмеу де жатады. Жылу түрінде таралатын  энергия сақтайтын энергожинаушы CMOS элементі жатады.

11.2 Командалар

Хаттамалардың және командалардың көздеуі бойынша RFID жүйесінде негізгі екі класс бар: белгі сөйлейді (ақпарат тасымалдайды) біріншілік (TTF-Tag Talk First) және санауыш сөйлейді (командыларды таратушы) бірінші (RTF-Reader Talk First). TTF жүйесінде энергияның қамтамассыз етілуімен белгі бірден жауап қатады. RTF жүйесінде энергия қамтамассыз етілсе де  белгі үнсіз режимінде сақталады. Ол тек санауыш командысына жауап береді. RTF көптеген жағдайларға арналған, осы жағдайда белгіге сәйкес келмейтін сигналдардың интерференциясы жоққа шығарылады. Мысалы, егер өрісте көптеген өндірушілердің белгілер орналасса, әр түрлі стартты  командаларға байланысты белгілер тек өздерінің  санауышымен ғана байланысты болады. TTF жүйесінде  барлық белгілер бір уақытта жауап береді, ал олардың сигналдары интерфирленеді және бір-біріне бөгеуіл жасайды. Антиколлизионды алгоритмдер сияқты командалар да техникалық параметрлерімен және орындалуымен сипатталады. Командалардың үлкен көлемі жақсы сипаттама береді, алайда үлкен көлемді аппаратты қамтамассыз етеді. Командаларды тергенде құрамында стартты команда және командалар болады, олар антиколлизионды алгоритмі және сипаттама белгілі дәрежеге жетуге қажет. Байланыс сапасы мен идентификация жылдамдығы маңызды сипаттама болып табылады. Функционалдылықты және өрісті кеңдету үшін қосымша командалар қолднылады. Кез-келген арзан оқылатын белгіге тек идентификациялы кодты тарату керек.

11.3 Болашақ зерттелудің бағыттары

RFID пассивті  жүйесінде негізгі фактор белгінің орналасу  қашықтықты шектейтін қуат болып табылады. Ара қашықтық барлық факторларға маңызды болмағанымен, бірақ көп жағдайға ол қажетті  болады. Қазіргі таңда санауыш шағылатын, белгінің энергия көзі электромагнит өрісі болып табылады. Энергияны қоршаған ортадан шығаратын технология –«энергожинаушы (energy harvesting)» технология болып табылады. Бұл технология энергетикалық шектеуді жояды және қашықтықты көбейтеді, сонда шектеуші фактор қашықтығы болып белгі сигналының ақпаратты қабылдауыш-санауыш сезімталдылығы болып табылады. Қазіргі таңда бұл жұмыс реализациясы энергожинаушы технология болып табылады.

Вибрацияны электр энергиясына түрлендіреттін үрлендіргіштер жасап шығарылған. Жаяу жүрген кезде энергияны жоғалтатын аяқ киімдердің үлгілері жасалған және жылу энергиясын электр энергиясна түрдендіретін интегралдық құрылғы жасалды. RFID белгілері электромагнит энергиясының қоршаған ортаға шашырауының қолданылуы әсерінен аналогты шешімдерді және параметрледі жоғарылату үшін қажет.

RFID жүйесінде арнайы шартты эксплуатациялау үшін электродинамикалық жобаға назар аударылады. Логикалық және нақты қолданыста қоршаған заттар саны көп. Қоршаған өткізгішті заттар өріс вариациясын және бағыттау диаграммасы шақырады, сондықтан мәнді техникалық аппаратураланың сипаттамасына әсерін тигізеді.

Антеннаны жобалау үлкен жан-жақты шешімді қажет етеді, сондықтан зерттеу жұмыстарын жүргізу керек. Қазіргі таңда арналарды таратуды оптимизациялау және өңдеу айтарлықтай қол жетімді прогреске айналды, бірақ сигналдарды кодтау және модуляциялау әрі қарай өз жұмысын жалғастыруда.

 

Әдебиеттер тізімі

1. Бхуптани М., Морадпур Ш. RFID – технологии на службе вашего бизнеса. Пер. с англ.-М.: Альпина Бизнес Букс , 2007.- 281с.

2. Лахири С. RFID. Руководство по внедрению. Пер. с англ.-М.:КУДИЦ-ПРЕСС.2007.-312 с.

3. Шарфельд Т. Системы RFID низкой стоимости. Перевод с английского и научная редакция - С. Корнеева. -Москва. 2006.- 197 с.

4. http://www.secretlock.ru/index.php/primenenie-rfid-tekhnologii

5. http://www.pcweek.ru/idea/article/detail.php?ID=137896

6. http://www.egovernment.ru/articles2/Inf_security/problemy-i-resheniya-rfid/‎

Мазмұны

1 дәріс. Кіріспе. RFID технологиясының даму тарихы 

2 дәріс. RFID қосымшаларының қолдану  аумағы  

3 дәріс. RFID жүйесінің технологиясы 

4 дәріс. Белгілердің параметрлері мен құрылымы

5 дәріс. Белгі антенналары  

6 дәріс. Санауыштың параметрлері  

7 дәріс. Техникалық  ауыспалылық  және сигналдың моделдері

8 дәріс. Кеңістік пен антенна импедансы моделдері 

9 дәріс. Энергия шығыны және байланыс моделдері                                  

10 дәріс. Сыйымдылықты байланыс және өрістің алыс аймағындағы байланыс    

11 дәріс. Интеграл тізбегінің энергоқолданысы және болашақтағы зерттеулердің бағыты Әдебиеттер тізімі              

Жинақтық жоспар 2014 ж., реті. 340

Рутгайзер Олег Зиновьевич
Сүйеубаев Олжас Біләлұлы

РАДИОЖИІЛІКТІ СӘЙКЕСТЕНДІРУ ТЕХНОЛОГИЯСЫ (RFID)
5В071900 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығының студенттеріне арналған дәрістер жинағы

Редактор: Б.С. Қасымжанова
Стандарттау жөніндегі маман: Н.Қ. Молдабекова

______ басуға қол қойылды 
Пішіні  60х84 1/16
Таралымы_50_дана 
Баспаханалық
қағаз №1
Көлемі  2,8
оқу.бас.әд.  
Тапсырыс_____Баға 1400 тг.

Алматы энергетика және байланыс университетінің
Коммерциялық емес акционерлік қоғамының
көшірмелі-көбейткіш бюросы
050013, Алматы, Байтұрсынұлы, 126