Allt om RFID

Radio-frequency identification (RFID) är möjligen den mest anonyma tekniken som existerar. Det är en teknik som används över allt i vårt moderna samhälle, men det är få som reflekterar över tekniken, och ännu färre som har en grundläggande förståelse för hur tekniken fungerar. I den här artikeln tänkte vi fokusera på tekniken RFID i allmänhet och vi beskriver den underliggande tekniken bakom chippen. Men vi tycker att en teknik som låter dig komma in på jobbet, hemmet, gymmet, simhallen, som låter dig betala småsummor i butiken, som identifierar ditt husdjur, som håller koll på dina mellantider när du springer ett marathon, som öppnar grindarna i kollektivtrafiken och så vidare förtjänar en bättre plats i rampljuset än vad den har i dagsläget.

Den grundläggande fysiken bakom RFID

RFID har visat sig komma till nytta vid många olika situationer för att identifiera individer och produkter och det kan vara svårt att tro att tekniken är begränsad av samma typ av fysik som gör den möjlig. Det finns få tekniker som är så utbredda i samhället som RFID-tekniken, och som samtidigt är baserad på väldigt grundläggande fysikaliska principer.

Som står i dess förkortning använder tekniken radiovågor för att kommunicera med andra enheter. Radiovågor är den mest lågfrekventa formen av elektromagnetisk strålning. De har frekvenser från 300 GHz ner till 3 kHz. Det är härifrån frekvenserna 13,56 MHz och 125 kHz kommer från (båda ingår i frekvens spannet för radiovågor). Andra typer elektromagnetisk strålning är till exempel synligt ljus.

Som hörs på namnet består elektromagnetiska fält till lika delar av elektriska som magnetiska fält. Det elektromagnetiska fältet kan utöva en elektromagnetisk kraft. Energin i denna elektromagnetiska kraft kallas för elektromagnetisk energi. Denna energi transporteras från en punkt till en annan genom elektromagnetiska vågor (till exempel radiovågor, synligt ljus och så vidare). En våg kan beskrivas i termer av amplitud, frekvens och våglängd.

Radiovåg

Som återigen hörs i namnet RFID är det frekvensen på vågorna den viktigaste parametern i detta fall, och frekvensen på vågen är också vad som ofta används i dagligt tal för att skilja de olika RFID-teknikerna åt från varandra.

Hur RFID fungerar

I grund och botten är RFID en metod för identifiering. Det kan vara identifiering av varor i en affär, av husdjur och även identifiering av människor (för att till exempel ge tillträde till avgränsade område). Identifieringen sker genom kommunikation mellan två enheter: en tagg (också kallat en transponder) som innehåller ett unikt id-nummer och en läsare som behöver den unika informationen på chippet. Kommunikationen mellan dessa två enheter sker genom elektromagnetiska vågor i radiospektrumet.

Kommunikationen mellan de två enheterna sker genom fyra grundläggande komponenter:

En datasignal som innehåller själva informationen (till exempel id-numret)

En bärsignal som bär datasignalen

En modulator som kodar om datasignalen till bärsignalen och skapar radiovågen som skickas genom antennen

En antenn som skickar och tar emot radiosignaler

Kommunikation mellan två RFID-enheter

Att en bärsignal bär datasignalen innebär att datasignalen slås ihop med en signal som helt saknar information, och den nya signalen som blir resultatet överförs till den andra enheten. Anledningarna till att använda en bärsignal när man vill överföra en datasignal är dels för att få en stabilare signal när signalen överförs genom luften. Låga frekvenser störs väldigt lätt och RFID tillhör låg frekvens spektrumet. När dessa låga frekvenser slås ihop med en högre bärsignalfrekvens blir signalen som helhet stabilare när det överförs i luften.

Den andra anledningen är att en låg frekvens innebär en väldigt stor våglängd. En stor våglängd kräver en väldigt stor antenn för att skicka och ta emot signalen. Om en våg till exempel är 4 km lång kommer det krävas en antenn som är 1 km lång för att skicka och ta emot vågen. Lösningen på detta problem med en låg frekvens våg är återigen att slå ihop det med en hög frekvens våg, och därmed kan man även använda små antenner.

Olika typer av modulationer kan användas, där olika egenskaper av den elektromagnetiska vågen ändras för att koda in informationen till bärsignalen. Man kan antingen ändra vågens frekvens, amplitud eller fas.

När den analoga bärvågen (inklusive datavågen) översätts till en digital datasignal kallas modulationstekniken för Amplitude Shift Keying (ASK) om det är amplituden som är den varierande faktorn. Om frekvensen är den varierande faktorn kallas modulationstekniken för Frequency Shift Keying (FSK) och för fasen kallas den för Phase Shift Keying (PSK). Dessutom finns det en type modulationsteknik som kallas för On-off keying (OOK). Med denna typ av modulation kommer avsaknaden av en analog våg representera en digital nolla och närvaron av en analog våg betyder en digital etta.

Det finns i huvudsak en teknik som används för en läsare och en tagg att kommunicera med varandra och kallas på engelska för coupling. Coupling är generellt när energi överförs från ett medium (till exempel optisk fiber) till ett annat liknande medium. Den mest relevanta typen av coupling för RFID-tekniken är elektromagnetisk induktion. Under elektromagnetisk induktion överförs energi från en krets till en annan krets genom ett gemensamt magnetiskt fält. Genom att både läsaren och RFID-taggen både har antenner som består av en spole kan induktion användas på ett effektivt sätt för att skicka och ta emot information. Men det finns också faktorer som begränsar överföringen av information mellan en läsare och en tagg med denna teknik. Begränsande faktorer kan vara frekvensen som systemet använder, antalet varv på spolen, spolens storlek, vinklarna mellan de båda spolarna (bäst om de är i samma plan) och avståndet mellan spolarna. Magnetiska fält kan dessutom bara överföra energi över små avstånd.

RFID- och NFC-taggar

Nu tittar vi närmare på de RFID- och NFC-taggar som används i RFID-systemen. En tagg innehåller som sagt den unika informationen som identifierar en vara eller en individ, men för de mer moderna taggarna är det även möjligt för taggarna att spara mer information än id-numret. En tagg består av komponenter som gör att det går att spara information på taggen, behandla inkommande kommunikation från en läsare och behandling av signaler för att skicka tillbaka till läsaren. Tre huvudenheter på en tagg används för att kunna utföra dessa uppgifter: Ett chipp, en antenn och ett substrat.

Chippet sköter om signalerna från läsaren, innehåller minnet där id-numret och annan information sparas, modulerar och demodulerar signaler och sköter om strömmen som krävs för driva alla processer.

Taggens antenn tar emot och skickar signaler fram och tillbaka mellan taggen och läsaren. De typer av tekniker som använder låga och höga frekvenser använder antenner som består av spolar och utnyttjar induktion för kommunikationen. För ultra-höga frekvenser används andra typer av antenner.

Substratet är det fysiska materialet som chippet och antennen befinner sig på. Exempel på substratet är plast, papper eller glas.

Det finns olika sätt att kategorisera taggar. Ett är att dela upp dem baserade på den frekvens som används för kommunikationen och ett annat sätt är baserat på vilken strömkälla som taggen använder. Det finns en rad olika frekvenser som taggarna brukar använda, men de vanligaste i Sverige är 13,56 MHz (hög frekvens) och 125 kHz (låg frekvens). En tagg som är passiv använder ingen egen strömkälla. Den får sin ström genom induktion från läsare. En aktiv tagg har en egen strömkälla i form av ett batteri. Aktiva taggar kan ha mycket längre avstånd till läsaren (tiotals meter) medan passiva taggar inte kan ha längre avstånd än i vanliga fall noll till ett par centimeter till läsaren (beroende på form och storlek på taggens antenn men även frekvensen).

Det finns konsortium inom det här fältet som har officiella klassificeringar av taggar, men de ligger utan denna artikelns omfattning.

RFID-Läsare

En läsares uppgift är att samla informationen från en tagg, och baserat på resultatet kommunicera tillbaka till användaren eller kommunicera vidare instruktioner med en dator. Det är även från läsaren som en tagg får ström.

De viktigaste komponenterna i en läsare är modulatorn, en central enhet för att behandla signalerna, en antenn och ett gränssnitt för kommunikationen med datorn. Precis som med taggen behövs en modulator som kan översätta datasignalen och bärsignalen fram och tillbaka. Antennen skickar bärsignalen till taggen och den centrala enheten innehåller processorn och minnet. Det enda som i grund och botten skiljer en tagg från en läsare är att läsaren har ett gränssnitt mot en dator. Datorn tar emot data från läsaren och jämför informationen med till exempel en databas, och skickar sedan tillbaka ett resultat till läsaren.

Läsare kommer i många olika typer, former och storlekar. Det finns läsare som både kan skriva till taggar och läsa informationen på taggen, och det finns läsare som bara kan läsa från taggen. Viktigt att notera är att termen läsare används trots att vissa läsare även kan skriva till taggar. Läsarna kan även sitta fast på en vägg (till exempel passeringssystem), de kan vara handhållna (biljettkontrollanter), de finns i alla moderna mobiltelefoner, som betalterminaler och så vidare.

En viktig aspekt med läsare är att de endast kan läsa en tagg i taget. Passiva taggar som är tillräckligt nära en läsare kommer automatisk att sända sin information. Om en eller flera taggar sänder sin information kommer läsaren inte att kunna skilja mellan de olika signalerna från de olika läsarna, vilket resulterar i ett läsfel. Dessa typer av del kallas för kollisioner. För att lösa problemet med kollisioner finns det antikollisionsprotokoll. Det finns olika typer av protokoll som fungerar på olika sätt. Vissa typer fungerar så att varje tag väljer en specifik tid att skicka sin information. Om två olika taggar väljer att skicka sin information under samma tidsperiod uppstår det en kollision. Enligt en annan typ av protokoll genererar taggen godtyckliga nummer, och bara de som genererar ett visst nummer får skicka ut sin information till läsaren. Om flera taggar genererar gällande nummer upprepas processen tills bara en tagg genererar numret. Svagheten med denna metod är att det kan ta relativt lång tid att läsa av en tagg. Viktigt att veta är att problem med kollisioner inte uppstår i passersystem, utan när många varor som är märkta med RFID-taggar behöver hanteras.

Det är också viktigt att veta att olika typer av material kan blockera signalerna också. De flesta typer av material blockerar faktiskt signalen. Alltifrån betong till glas och vatten droppar, men även hud och underhudsfett blockerar signaler, vilket är viktigt att tänka om chippet sätts in i husdjur eller i handen på människor.

RFID-standarder och reglementen

Om man skulle mäta hur moget en industri är i termer av hur många standarder som omgärdar fältet så skulle RFID fältet troligen kunna räknas som en av de mest mogna industrierna. Fältet är nämligen på gott och ont en djungel av standarder. En teknik som är så utbredd som RFID-tekniken är kräver standarder för att alla involverade parter ska kunna jobba smidigt med varandras produkter, men det har också lett till att det finns många olika standarder att förhålla sig till.

En parameter inom RFID-tekniken som det finns ett regelverk kring är vilka frekvenser som får som får användas av RFID-produkter. Eftersom RFID-tekniken använder elektromagnetiska vågor inom radiospektrumet är det viktigt att det inte stör annan teknik som också använder radiovågor. Man kan sammanfatta frekvenserna på följande sätt för RFID-tekniken:

Lågfrekvens: 125 kHz eller 134 kHz (nästan alla länder)

Högfrekvens: 13,56 MHz (nästan alla länder)

Ultra-högfrekvens: Olika frekvenser för olika länder

Mikrovågor: Olika frekvenser för olika länder

För ultrahögfrekvens (UHF) och mikrovågor tog det tid innan standarderna började utvecklas och olika regioner i världen började tilldela egna frekvenser för de nya frekvensområdena. Frekvensen 433 MHz är vanlig över hela världen, men 865-868 MHz är förekommer i Europa och 902-928 MHz förekommer i USA.

Det är Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) som den Internationella elektroniska kommissionen (IEC) som har arbetat fram de standarder som är vanligast förekommande inom fältet. Dessa standarder täcker till exempel protokoll för gränssnitten som sköter kommunikationen mellan taggen och läsaren och dataprotokoll för datan ska sparas på taggen och läsas från dem. Det finns också standarder för säkerhetsaspekterna av RFID-tekniken.

En annan organisation som utvecklat standarder inom RFID-fältet är EPCglobal. EPCglobal har utvecklat standarder och tjänster som tillsammans kallas för EPCglobal network för att identifiera och hantera handelsvaror. Enkelt beskrivet har de utvecklat standarder som ersätter streckkoder på produkter med motsvarigheten in RFID-tekniken.

RFID-tekniken är väldigt fascinerande eftersom den finns överallt i dagens moderna infrastruktur, samtidigt som den inte märks av alls och det är inte många som känner till tekniken, eller hur det är möjligt med trådlös kommunikation mellan ett kort eller nyckeltagg och en läsare. Men RFID-tekniken förenklar vardagen i många olika aspekter, var sig det handlar om trådlösa betalningar, sophämtning, inpasseringssystem eller låset i simhallen. Skulle tekniken försvinna över en natt skulle vi bli varse om det direkt. Framtiden för tekniken är snarare att dess användning kommer utökas till fler användningsområden och kommer bli en naturlig del av framtidens smarta samhälle.

Chipsters utbud av RFID-produkter

På Chipster tycker vi att RFID är en väldigt spännande teknik och vi vet att det är en framtidsteknik, även om det inte är lika uppenbart som det är med andra tekniker såsom AI, solceller eller genteknik. Vi jobbat med den här tekniken i fem år och vi tycker att det blir roligare desto mer vi lär oss.

Vi vet att andra också har ett stort intresse för RFID-tekniken både bland företag och privatpersoner och vi vill med den här webbsidan göra det enklare att hitta information och produkter inom denna teknik. I vår webbutik kan både företag och privatpersoner köpa produkter inom RFID-fältet. Vi försöker ständigt utöka utbudet i webbutiken med relevanta produkter. Vi är även öppna för förslag både vad gäller vilka produkter ni vill se i webbutiken men även om det finns någon specifik aspekt av RFID-tekniken som ni vill lära er mer om. Vi skriver gärna artiklar och guider i ämnet.