تاریخچه فناوری شناسایی با امواج رادیویی (RFID)

فناوری RFID نوعی ارتباط بیسیم است که برای نخستین بار در سال ۱۹۴۸ توسط هری استاکمن (Harry Stockman) معرفی شد. او در پژوهش خود این فناوری را با عنوان «ارتباط از طریق توان بازتابی (Communications by means of reflected power)» توصیف کرد [1]. بعدها، ام. کاردولو (M. Cardullo) و دبلیو. پارکز (W. Parks) نخستین دستگاه غیرفعال (passive device) را که با سیگنال فرستنده یا خوانشگر (reader/interrogator) تغذیه می‌شد، به کاربران صنعتی بالقوه معرفی کردند. این اختراع در ۲۳ ژانویه ۱۹۷۳ به‌طور رسمی ثبت اختراع (Patent) شد [2].

مفاهیم سازنده RFID (رادیو و فرکانس رادیویی)

رادیو (Radio) بخش کوچکی از «طیف الکترومغناطیسی (Electromagnetic spectrum)» است که تمام اشکال تابش را در بر می‌گیرد. بخش‌های دیگر این طیف که ممکن است با آن‌ها آشنا باشید شامل فوتون‌های پرتوهای کیهانی (Cosmic-ray photons)، پرتوهای گاما (Gamma rays)، پرتوهای ایکس (X-rays) و نور مرئی (Visible light) هستند. ناحیه فرکانس رادیویی (Radio Frequency – RF) به چندین «باند» (یعنی گروه‌هایی از فرکانس‌ها) تقسیم می‌شود؛ برای مثال، باند فرکانس بسیار بالا (VHF) محدوده‌ای از ۳۰ مگاهرتز (MHz) تا ۳۰۰ مگاهرتز را پوشش می‌دهد. در ایالات متحده، استفاده از این باندها توسط کمیسیون فدرال ارتباطات (FCC) تنظیم می‌شود؛ این نهاد تعیین می‌کند چه کسانی مجاز به استفاده از هر باند هستند، با چه سطح توانی می‌توانند ارسال انجام دهند، و چگونه می‌توانند سیگنال‌ها را مدوله (modulate) کنند. بیشتر کشورهای دیگر نیز سازمان‌های تنظیم مقررات مشابهی دارند. بسیاری از کشورهای عضو اتحادیه اروپا تحت نظارت مؤسسه استانداردهای مخابراتی اروپا (ETSI) قرار دارند [3].

در سامانه‌های شناسایی با امواج رادیویی (RFID)، بیشتر سیستم‌ها از یکی از سه باند کلی زیر استفاده می‌کنند:

• باند فرکانس پایین (Low Frequency (LF)) در محدوده ۱۲۵ تا ۱۳۴ کیلوهرتز،
• باند فرکانس بالا (High Frequency (HF) در ۱۳٫۵۶ مگاهرتز،
• باند فوق‌العاده بالا (Ultra HF) در محدوده ۸۶۰ تا ۹۳۰ مگاهرتز.

میزان دقیق فرکانس‌های استفاده‌شده ممکن است بسته به مقررات هر منطقه یا کشور کمی متفاوت باشد. تولیدکنندگان تجهیزات RFID معمولاً باند مورد استفاده را بر اساس ویژگی‌های فیزیکی آن باند انتخاب می‌کنند؛ برای مثال، اینکه سیگنال در محیط‌های مختلف تا چه اندازه خوب منتشر می‌شود. ویژگی‌های هر باند همچنین بر اندازه فیزیکی آنتن‌ها و سطح توان قابل استفاده برای انتقال تأثیر می‌گذارد. برعکس، محدودیت‌های فیزیکی محیط یا کاربرد نیز می‌تواند تعیین کند که چه فرکانس‌ها و باندهایی برای یک کاربرد خاص مناسب‌تر هستند. مقدار دقیق فرکانس‌هایی که در RFID استفاده می‌شود، ممکن است بسته به قوانین هر کشور یا منطقه کمی فرق داشته باشد. شرکت‌های سازنده تجهیزات RFID معمولاً باند فرکانسی مناسب را با توجه به ویژگی‌های فیزیکی آن انتخاب می‌کنند؛ مثلاً اینکه سیگنال در محیط‌های مختلف تا چه اندازه خوب پخش می‌شود یا از موانع عبور می‌کند. این ویژگی‌ها روی اندازه آنتن‌ها و میزان توانی که می‌توان برای ارسال سیگنال به کار برد نیز اثر می‌گذارند. در مقابل، گاهی شرایط فیزیکی محیط یا نوع کاربرد است که مشخص می‌کند از کدام باند فرکانسی باید استفاده شود؛ مثلاً در یک محیط بسته یا صنعتی، ممکن است باندی مناسب‌تر از باندهای دیگر باشد.

ساختار و معماری کلی سامانه RFID

فناوری RFID یک فرایند شناسایی خودکار است که با استفاده از امواج الکترومغناطیسی (Electromagnetic waves)، داده‌ها را از یک تگ (Tag) یا برچسب RFID که به یک شیء متصل شده، انتقال می‌دهد. این فناوری برای شناسایی و ردیابی تگ‌های تجاری از یک دستگاه خوانشگر (Reader) استفاده می‌کند که سیگنال‌های پرسشگر (interrogating signals) را ارسال و اطلاعات تگ را دریافت می‌نماید [4]. RFID مخفف عبارت Radio Frequency Identification به‌معنای شناسایی با امواج رادیویی است؛ فناوری‌ای بیسیم که برای شناسایی منحصربه‌فرد اشیاء یا افراد دارای برچسب به‌کار می‌رود. این فناوری کاربردهای فراوانی دارد. چند نمونه‌ی امروزی از آن عبارت‌اند از [5]:

• ردیابی جعبه‌ها و پالت‌ها در زنجیره تأمین، مانند سامانه‌هایی که توسط شرکت Walmart، وزارت دفاع ایالات متحده (DoD) و تأمین‌کنندگان آن‌ها استفاده می‌شود.
• سامانه‌های کنترل دسترسی مانند ورود بدون کلید (Keyless Entry) یا کارت‌های شناسایی کارکنان.
• کاربردهای فروشگاهی و پرداخت سریع مانند Speedpass شرکت ExxonMobil.
• سامانه‌های خودکار دریافت عوارض جاده‌ای که به‌طور فزاینده در ورودی پل‌ها، تونل‌ها و آزادراه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• دستگاه‌های ردیابی حیوانات که سال‌هاست در مدیریت دام‌ها به‌کار می‌روند و امروزه برای حیوانات خانگی نیز استفاده می‌شوند.
• سیستم‌های ردیابی خودرو و قفل‌کننده‌های الکترونیکی (Immobilizers).
• دستبندها و پابندهای شناسایی برای نوزادان که برای امنیت و شناسایی در بیمارستان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

یک سامانه RFID از سه بخش اصلی تشکیل شده است: تگ (Tag)، خوانشگر (Reader)، و رایانه میزبان (Host Computer) که در ادامه توضیح داده می شوند[5].

• برچسب های RFID: تگ‌های RFID شامل تراشه‌های نیمه‌هادی (Semiconductor chips) بسیار کوچک و آنتن‌های مینیاتوری (Miniaturized antennas) هستند که درون نوعی پوشش محافظ یا بسته‌بندی قرار گرفته‌اند. این تگ‌ها به‌صورت منحصربه‌فرد توسط ترکیب خوانشگر (Reader) و رایانه میزبان (Host pair) شناسایی می‌شوند و هنگامی که روی یک شیء یا فرد نصب یا متصل شوند، آن شیء یا فرد را می‌توان به‌صورت بیسیم شناسایی و ردیابی کرد. تگ‌های RFID شکل‌های گوناگونی دارند. برای نمونه: برخی شبیه برچسب‌های کاغذی هستند و روی جعبه‌ها یا بسته‌بندی‌ها چسبانده می‌شوند، برخی دیگر درون دیواره‌های ظروف پلاستیکی قالب‌گیری‌شده قرار می‌گیرند، و نوعی نیز در دستبندها جاسازی می‌شود که افراد آن را به دست می‌پوشند. انواع زیادی از برچسب‌های RFID وجود دارد. برخی از آن‌ها شامل باتری‌های کوچک داخلی هستند که برای تأمین انرژی برچسب به کار می‌روند و به آن‌ها برچسب‌های فعال (Active Tags) گفته می‌شود. آن‌هایی که باتری داخلی ندارند، انرژی خود را از امواجی که توسط دستگاه خوانشگر (Reader) به آن‌ها تابانده می‌شود، دریافت می‌کنند و این نوع را برچسب‌های غیرفعال (Passive Tags) می‌نامند. علاوه بر این، بعضی از برچسب‌ها دارای حافظه‌هایی هستند که می‌توان روی آن‌ها نوشت و آن را پاک کرد، مانند یک هارد دیسک کامپیوتر، در حالی که برخی دیگر تنها قابل خواندن‌اند، مانند یک CD-ROM؛ به این ترتیب، به نوع اول برچسب‌های هوشمند (Smart Tags) و به نوع دوم برچسب‌های فقط‌خواندنی (Read-Only Tags) گفته می‌شود. هزینه و عملکرد برچسب‌ها می‌تواند بسته به ویژگی‌هایی که در طراحی آن‌ها گنجانده شده است، تفاوت زیادی داشته باشد. برچسب‌های RFID می‌توانند انواع مختلفی از اطلاعات مربوط به اشیایی را که به آن‌ها متصل هستند، در خود نگه دارند؛ از جمله شماره‌های سریال (Serial numbers)، برچسب‌های زمانی (Time stamps)، دستورالعمل‌های پیکربندی (Configuration instructions) و بسیاری داده‌های دیگر.

• خوانشگرهای RFID: خوانشگرها از دو بخش اصلی تشکیل شده‌اند: آنتن (Antenna) و ماژول الکترونیکی (Electronics module). آنتن برای ارتباط بیسیم با برچسب‌های RFID به کار می‌رود. ماژول الکترونیکی معمولاً از طریق کابل‌ها به رایانه میزبان (Host Computer) متصل می‌شود و پیام‌ها را بین رایانه و تمام برچسب‌هایی که در محدوده‌ی خوانش آنتن قرار دارند، رد و بدل می‌کند. این ماژول همچنین مجموعه‌ای از عملکردهای امنیتی مانند رمزگذاری/رمزگشایی (Encryption/Decryption) و تأیید هویت کاربر (User Authentication) را بر عهده دارد. علاوه بر این، یک وظیفه‌ی حیاتی دیگر به نام ضد برخورد (Anti-Collision) بر عهده دارد که به خوانشگر اجازه می‌دهد تا به‌طور هم‌زمان با صدها برچسب ارتباط برقرار کند.
• میزبان‌های RFID: میزبان‌های RFID در واقع «مغز» سامانه‌های RFID هستند و معمولاً به شکل یک رایانه شخصی (PC) یا ایستگاه کاری (Workstation) عمل می‌کنند. در این قیاس، خوانشگرها (Readers) نقش سیستم عصبی را دارند و برچسب‌ها (Tags) همان اشیایی هستند که باید حس شوند. بیشتر شبکه‌های RFID از تعداد زیادی برچسب و خوانشگر تشکیل شده‌اند. خوانشگرها، و در نتیجه برچسب‌ها، از طریق میزبان مرکزی به یکدیگر متصل می‌شوند. اطلاعاتی که از برچسب‌ها در یک سامانه RFID جمع‌آوری می‌شود، توسط میزبان پردازش می‌گردد. همچنین، میزبان مسئول انتقال داده‌ها بین شبکه RFID و سامانه‌های بزرگ‌تر فناوری اطلاعات سازمانی (Enterprise IT Systems) است؛ جایی که پایگاه‌های داده مدیریت زنجیره تأمین (Supply Chain Management) یا مدیریت دارایی‌ها (Asset Management) ممکن است در حال فعالیت باشند.

نحوه همکاری اجزای RFID در شکل زیر نشان داده شده است.

منابع

[1]        H. Stockman, “Communication by Means of Reflected Power”, Proc. IRE, vol 36, no 10, bll 1196–1204, 1948, doi: 10.1109/JRPROC.1948.226245.

[2]        M. W. Cardullo en W. L. Parks  III, “Transponder apparatus and system”, 1973 [Online]. Available at: https://patents.google.com/patent/US3713148A/en

[3]        F. Thornton, B. Haines, A. M. Das, H. Bhargava, A. Campbell, en J. B. T.-R. S. Kleinschmidt, Reds, “Chapter 1 – What Is RFID?”, Burlington: Syngress, 2005, bll 3–27. doi: https://doi.org/10.1016/B978-159749047-4/50004-1.

[4]        S. Suresh en G. Chakaravarthi, “RFID technology and its diverse applications: A brief exposition with a proposed Machine Learning approach”, Measurement, vol 195, bl 111197, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111197.

[5]        V. D. Hunt, A. Puglia, en M. Puglia, RFID: a guide to radio frequency identification. John Wiley \& Sons, 2007.