RFID (فناوریِ شناسایی با امواجِ رادیویی)

از زمانِ پیدایشِ تولیدِ انبوه، فنونِ شناساییِ سریعِ اجناس شتابِ قابلِ توجهی به معامله‌یِ کالا و مواد بخشیده است. از نظر تاریخی برچسب‌هایِ چاپی پرمصرف‌ترین شیوه یِ شناسایی در صنعتِ تولیدی بوده‌اند. در دهه‌یِ 1970 ، عرضه‌یِ کد جهانیِ محصولات، به نام بارکدها (bar codes)، پیشرفتِ چشم‌گیری در فرایندِ برچسب‌زنی به‌وجود آورد. بارکدها فرآیندِ شناسایی را خودکار و استاندارد نمودند و امتیازِ دیگرِ آنها هزینه یِ اندکِ تولیدشان بود. با این وجود، بارکدها احتیاج به خطِ دیدِ واضح بینِ برچست و برچست‌خوان دارند که ممکن است با عواملی مانند کثیف شدنِ برچسب و یا نور شدیدِ خورشید مختل گردد. RFID (فناوریِ شناسایی با امواجِ رادیویی) فناوریِ برچسب‌زنیِ دیگری است که برخلافِ بارکدها نیاز به یک خط دید ثابت ندارد و شناسایی از یک مسافت را ممکن می‌سازد. هم‌چنین برچسب‌هایِ RFID می‌توانند اطلاعاتِ منحصر به‌فردِ بیشتری را نسبت به بارکدها در خود جای دهند، مشخصاتی مانندِ تولیدکننده، نوعِ محصول و اندازه‌گیریِ فاکتورهایِ محیطی مانندِ دما. با کمکِ این فناوری نه تنها می‌توان تعدادِ زیادی از کالاهایِ متفاوتی را که در یک مکان واقع شده‌اند بدونِ احتیاج به مداخله‌یِ انسان از هم تمیز داد بلکه هنگامی که به همراه پایگاه داده‌های کامپیوتری (computerized databases) و فهرستِ کنترلِ موجودی مورد استفاده قرار گیرد و به شبکه‌های ارتباط دیجیتال (بین یک دسته‌یِ جامعِ مکان‌ها) مرتبط شود، می‌تواند مکانِ دقیقِ اجناس را هنگامی که بینِ کارخانه‌ها، انبارها و فروشگاه‌ها جابه‌جا می‌شوند تعیین نماید.

بریتانیایی‌ها در جریانِ جنگ جهانیِ دوم سیستمِ RFID را در شناساییِ هواپیماهایِ دوست از دشمن به‌کار بردند. در دهه‌یِ 1960 تلاش شد با افزودنِ برچسب‌هایِ RFID به اوراقِ شناساییِ کارمندان امکانِ شناساییِ خودکارِ افراد، ایجادِ محدودیتِ دسترسی به محدوده‌هایِ امنیتی و دشوارتر نمودنِ جعلِ کارت شناسایی به‌وجود آید. هم‌چنین این فناوری در شناساییِ حیوانات، برچسب‌زنیِ چمدان‌ها در مسافرت‌هایِ هوایی، زمان‌سنجیِ دوندگانِ ماراتُن، جلوگیری از سرقت و مکان‌یابیِ اشیاءِ مسروقه به‌کار گرفته شده است.

انواع گوناگونی از RFID ها وجود دارند، اما سیستم‌هایِ RFID را می‌توان به دو دسته‌یِ کلی تقسیم نمود: فعال و غیرفعال.
برچسب‌هایِ فعال احتیاج به یک منبعِ انرژی دارند بنابراین یا به یک باتری و یا به یک زیرساختارِ تغذیه شده متصل می‌گردند. به این ترتیب طول عمرِ برچسب‌ها به میزانِ انرژیِ ذخیره شده در آنها محدود می‌شود. یک نمونه از برچسب‌هایِ فعال پاسخ‌گرِ خودکارِ (transponder) متصل به ماهواره‌هاست که مشخص کننده‌یِ کشورِ مبدا آنها است. با این حال، وجودِ باتری‌ها قیمت، اندازه و طول عمرِ برچسب‌ها را برای خرده‌فروشی نامناسب می‌نمایند. اما برچسب‌هایِ غیرفعال به این دلیل که احتیاج به باتری و نگهداری ندارند برای این منظور مناسب‌اند. این نوع از برچسب‌ها دارای طول عمرِ نامحدود و اندازه‌یِ به میزانِ کافی کوچک برای استفاده در برچسب‌ها هستند. یک برچسبِ غیرفعال از سه قسمت تشکیل شده است: یک آنتن، یک تراشه‌یِ نیمه-رسانایِ متصل به آنتن (یک مدار مجتمع) و یک نوعی از پوشش. برچسب‌خوان (tag reader) مسئولِ تغذیه کردن و برقراریِ ارتباط با برچسب است. آنتن انرژی را دریافت کرده و شناسه‌یِ برچسب (tag’s ID) را انتقال می‌دهد (ریزتراشه‌یِ برچسب این فرایند را هماهنگ می‌نماید).   پوششِ برچسب می‌تواند یک لوله‌یِ کوچکِ شیشه‌ای و یا یک لایه‌یِ چسب‌دار (برای سهولت در چسبیدن به اجناس) باشد.

دو روی‌کردِ کاملاً متفاوت در طراحیِ RFID برایِ انتقالِ انرژی از برچسب‌خوان به برچسب وجود دارد: القایِ مغناطیسی و گیراندازیِ موج الکترومغناطیسی. این دو طراحی از خاصیتِ الکترومغناطیسیِ آنتنِ فرکانس رادیویی سود می‌جویند (به‎ترتیب از خواصِ میدان نزدیک و میدان دور). هر دو طرح می‏توانند انرژیِ کافی را به برچسب منتقل کنند و از طریق فنونِ گوناگون مدولاسیون (به معنیِ تغییر بسامد یا دامنه) اطلاعات را منتقل و دریافت نماید.

اصلِ القای مغناطیسیِ فارادی اساسِ جفت‌شدگیِ میدانِ نزدیک بینِ برچسب و برچسب‌خوان است. هنگامی که برچسب‌خوان یک جریانِ متناوب بزرگ را از سیم‌لوله‌اش عبور دهد میدان مغناطیسیِ متناوبی در اطرافِ سیم‌لوله ایجاد می‌شود. حال اگر یک برچسب که دارایِ سیم‌لوله‌یِ کوچک‌تری است در این میدان قرار گیرد، یک ولتاژِ متناوب در آن ایجاد می‌شود که در صورتی که این ولتاژ به ولتاژِ مستقیم تبدیل شود می‌تواند در یک خازن ذخیره گردد و برای تغذیه‌یِ تراشه‌یِ برچسب به‌کار رود. برچسب‌هایی که در جفت‌شدگیِ میدان نزدیک به‌کار می‌روند با استفاده از مدولاسیونِ بار، اطلاعات را به برچسب‌خوان بازمی‌گردانند. زیرا هر جریانی که از سیم‌لوله‌یِ برچسب عبور داده شود میدان مغناطیسی کوچکی ایجاد می‌کند (که با میدانِ برچسب‌خوان مخالفت می‌کند) و سیم‌لوله‌یِ برچسب‌خوان می‌تواند این میدان را به شکل ِافزایشِ کوچکی در جریان عبوری از خود آشکارسازی کند. این جریان متناسب با باری است که به سیم‌لوله ی برچسب اعمال شده است. این همان اصلی است که در مبدل‌های خانگی به کار می‌رود. بنابراین اگر قطعاتِ الکترونیکیِ برچسب یک بار را بر روی سیم‌لوله‌یِ آنتنِ خود اعمال کنند و آن را با زمان تغییر دهند یک سیگنال به شکلِ تغییراتِ کوچک در قدرتِ میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که در واقع رمزگذاریِ شناسه‌یِ برچسب (tag’s ID) خواهد بود. 
 


 جفت‌شدگیِ میدان نزدیک مستقیم‌ترین روی‌کرد در به‌کارگیری یک سیستم RFID غیرفعال است، اما دارای محدودیت‌هایِ فیزیکی است. بُردی که در آن بتوان از القای مغناطیسی استفاده کرد تقریبا c/2πf2 است (که c سرعت نور و f فرکانس است) پس با افزایش فرکانس، بُرد کاهش می‌یابد و هم‌چنین میدان مغناطیسی به شکل r³ /ا1میرا می‌شود (که r در آن فاصله مراکز دو سیم‌لوله است)، پس با افزایش فاصله، میدان به‎سرعت میرا می‎شود. این محدودیت‎ها به طراحی برچسب‎های میدان دور انجامید.
 

RFID میدان دور

برچسب‌هایِ RFID که بر اساس تابشِ میدانِ دور کار می‌کنند موج الکترومغناطیسیِ ساطع شده از یک آنتن دو قطبیِ متصل به برچسب‌خوان را دریافت می‌کنند. یک آنتن دوقطبیِ کوچک‌تر در برچسب این انرژی را به شکلِ یک اختلاف پتانسیلِ متناوب که بینِ دو بازویِ دوقطبی ایجاد می‌شود دریافت می‌نماید.
 



یک دیود (diode) این پتانسیل را یک سو نموده و به یک خازن انتقال می‌دهد تا به‌شکلِ انرژیِ ذخیره برایِ تغذیه‌یِ قطعات الکترونیکی به‌کار رود. اما دراین حالت برچسب دور از میدان نزدیکِ برچسب‌خوان قرار دارد. بنابراین اطلاعات نمی‌تواند با استفاده از مدولاسیونِ بار به برچسب‌خوان بازگردد. شیوه‌ای که در برچسب‌هایِ میدان دورِ تجاری استفاده می‌شود بازپراکنش (back scattering) است. یک آنتن با ابعادِ معین می‌تواند بخشِ عمده‌یِ انرژی را که در یک فرکانسِ خاص به آن می‌رسد جذب نماید. با این وجود اگر یک عدم هم‌خوانی (mismatch) در این فرکانس اتفاق بیافتد آنتن مقداری از انرژی را به شکل موج‌های کوچکی به‌سمت برچسب‌خوان بازتاب می‌دهد و برچسب‌خوان می‌تواند انرژی را با استفاده از یک گیرنده‌یِ رادیوییِ حساس آشکارسازی نماید. با تغییرِ امپدانسِ (مقاومت) آنتن با زمان، برچسب میزانِ کمتر یا بیشتری از سیگنالِ فرودی را به شکل یک طرحی که در واقع رمزگذاریِ شناسه‌ی برچسب است بازتاب می‌دهد. این کار را می‌توان با جاسازیِ یک ترانزیستور در دوقطبیِ برچسب و خاموش و روشن کردنِ گه‌گاهِ آن انجام داد. خوشبختانه ابعادِ محصولاتِ نیمه-رسانا در حالِ کاهش یافتن است بنابراین در یک فرکانسِ خاص انرژی کمتری برای تغذیه‌یِ برچسب‌ها مورد نیاز است. به این ترتیب با نیمه-رساناهای مدرن می‌توان برچسب‌هایی طراحی نمود که از فاصله‌ی بیشتری قابل خواندن باشند. علاوه بر این گیرنده‌هایِ رادیوییِ قوی‌تری طراحی شده‌اند که تواناییِ آشکارسازیِ سیگنال‌ها را از فواصلِ بیشتر و با بهایِ کمتر دارا هستند.

کاربردها و توانایی‌ها

یکی از اهدافِ تجاریِ سیستم‌هایِ  RFID خواندن و حساب کردنِ بهای تمامیِ کالاهای خریداری شده در بخشِ فروشِ یک فروشگاه است، به این معنی که باید چندین برچسبِ هم‌مکان به طورِ تقریباً هم‌زمان خوانده شوند. برای مثال برچسبِ  96-بیتیِ Class-1 Generation-1 به شکلی طراحی شده که بتوان 10¹⁵×5 کالا را با آن برچسب زد به شکلی که هر کدام از این برچسب‌ها دارای اطلاعاتِ منحصر به کالایِ مربوط به خود باشد و در این طرح 500 برچسبِ هم‌مکان می‌توانند در هر ثانیه خوانده شوند. با این حال اطلاعاتِ خاصِ هر کالا برایِ کنترل موجودی الزامی نیست بلکه برای ردیابیِ نقص در کالا، اجناس ربوده شده و کشف تقلب به‌کار می‌رود.
یکی از جالب‌ترین قابلیت هایِ RFID هایِ مدرن این است که تواناییِ انتقالِ اطلاعاتی به غیر از اطلاعاتِ ذخیره شده در حافظه یِ داخلی خود را دارند یعنی داده هایی که از حس‌گر هایِ (sensors) متصل به آنها مخابره می‌شوند. این حس‌گرها می‌توانند ضربه‌یِ وارده به کالا، بالا رفتنِ بیش از حدِ دما در اجناسِ فاسد‌شدنی و دست‌کاری در کالا را حتی در هر یک از مراحل تولید نشان دهند. علاوه بر این برچسب‌هایِ RFID می‌توانند دارای حافظه‌یِ جانبی قابل نوشتن باشند. برایِ مثال با این روش محصولاتِ تجاری می توانند دارای تاریخچه یِ مالکیت گردند تا بتوان مالکانِ پیشینِ یک کالایِ دست دوم و مکان و زمان معامله ها را تعیین نمود تا خریدار با اطمینانِ بیشتری کالایِ مورد نظر را خریداری نماید.

چالش‌های پیش رو و چشم انداز آینده

سه مسئله‌ی عمده کاربردِ گسترده‌یِ RFID را به چالش می‌طلبد: اول قیمت، دوم طراحی و سوم مقبولیت. با توجه به کاربردهایِ روزافزونِ این فناوری و تلاش‌هایی که در جهتِ از بین بردن محدودیت‌هایِ فنی و ملاحظاتِ امنیتی انجام می‌پذیرد، برای مثال تعریف استانداردها و مقرراتِ به‌کارگیریِ این فناوری، اگر به کارگیری این فناوری به تولید انبوه آن بیانجامد در نهایت به کاهش هزینه‌ها نیز خواهد انجامید.