RFID, eller Radiofrekvensidentifikasjon, er en grunnleggende teknologi innen automatisk identifikasjon og datainnsamling. I motsetning til vanlige definisjoner er RFID teknisk sett et asymmetrisk trådløst kommunikasjonssystem som bruker elektromagnetiske felt eller radiobølger for å overføre data mellom en spørreenhet og en responseenhet.

Dette dokumentet gir et dypere innblikk i de fysiske lagene, modulasjonsmekanismer, antenneteknikker, miljøfaktorer som påvirker signalet, og en analyse av faktisk driftseffektivitet.

1. Fysiske prinsipper og koblingsmekanismer

RFID-ens evne til å overføre data er basert på to distinkte fysiske prinsipper, avhengig av driftsfrekvens og avstand fra feltet.

Magnetisk induksjonskobling - Nærfelt

Denne mekanismen gjelder for lavfrekvente LF 125 kHz og høyfrekvente HF/NFC 13.56 MHz systemer.

Nærfeltsregionen defineres av avstanden d < λ / 2π (der λ er bølgelengden).

Driften er basert på Faradays lov om elektromagnetisk induksjon. Antennen til leseren er en spole som genererer et varierende magnetfelt. Når RFID-brikken som inneholder en sekundær spole kommer inn i dette magnetfeltet, oppstår en indusert elektromotorisk kraft, som genererer en strøm som driver mikrobrikken.

Data overføres tilbake til leseren via metoden Lastvariasjon. Mikrobrikken på brikken vil slå av og på en lastmotstand parallelt med antennen, og endre den gjensidige impedansen, og dermed forårsake et spenningsfall i leserens spole. Leseren dekoder denne spenningsendringen til binære data. Siden magnetfeltet avtar i forhold til 1/r³, er leseområdet vanligvis begrenset til under 1 meter.

Tilbakespredningskobling - Fjernfelt

Denne mekanismen gjelder for UHF 860~960 MHz og mikrobølge 2.4 GHz systemer.

Driften er basert på radarprinsippet. Leseren sender ut elektromagnetiske bølger som forplanter seg i rommet. Mikrobrikken på brikken endrer refleksjonstallet eller radar-tverrsnittet RCS til antennen ved å endre inngangsimpedansen mellom to tilstander. Leseren oppdager endringen i intensiteten til den reflekterte bølgen for å dekode dataene.

Der dempningen er proporsjonal med kvadratet av avstanden (d²), noe som gir en rekkevidde på opptil mer enn 10-15 meter.

2. Antennteori og bølgepolarisering

Ytelsen til et UHF RFID-system er sterkt avhengig av antennedesign og polarisasjonssynkronisering.

Lineær polarisering

Elektromagnetiske bølger svinger i et enkelt plan, som horisontalt eller vertikalt.

• Fordeler: Lengst leseavstand på grunn av konsentrert energi.
• Ulemper: Krever at brikkeantennen og leserantennen er parallelle. Hvis brikken er vinkelrett på bølgen eller det oppstår kryss-polarisering, vil ikke leseren motta signalet.

Sirkulær polarisering

Elektromagnetiske bølger roterer i en spiralform når de beveger seg, og kan rotere til høyre eller venstre.

• Fordeler: Kan lese brikker i alle retninger, egnet for detaljhandel der varer er tilfeldig plassert.
• Ulemper: Taper omtrent 3dB effekt (50% energi) sammenlignet med lineær polarisering, noe som resulterer i en litt kortere leseavstand.

Forsterkning og strålebredde

• Høy forsterkning (f.eks. 9-12 dBi): Smal stråle, rekker langt. Egnet for lagerporter, transportbånd.
• Lav forsterkning (f.eks. -20 til 3 dBi): Bred stråle, nærfelt. Egnet for smarte hyller eller betalingspunkter for å unngå å lese feil brikker i nærheten.

3. Arkitektur og klassifisering av brikker

RFID-brikker er teknisk klassifisert basert på energikilde og minnestruktur.

Klassifisering etter energikilde

• Passive brikker: Ingen intern strømkilde. Fungerer ved hjelp av RF-bølgeenergi. Lav kostnad, lang levetid.
• Semi-passive brikker: Integrert batteri som driver brikken og sensorene, men bruker fortsatt tilbakespredning for å overføre informasjon. Høyere følsomhet enn passive brikker (-30dBm sammenlignet med -18dBm).
• Aktive brikker: Har batteri og aktiv bølge sender. Leseavstand >100m.

EPC Gen 2 minnearkitektur

ISO/IEC 18000-63-standarden spesifiserer 4 minnepartisjoner:

1. Sikkerhetspartisjon (Bank 00): Inneholder 32-bits tilgangspassord og 32-bits brikke-deaktiveringspassord.
2. EPC-partisjon (Bank 01): Inneholder elektronisk produktkode fra 96-bit til 496-bit. Dette er hovednøkkelen for identifikasjon. Inkluderer også protokollkontrollbiter og CRC-16 feilkontrollkode.
3. TID-partisjon (Bank 10): Transponderidentifikasjonskode. Inneholder produsentkode og unikt serienummer for brikken. Disse dataene er vanligvis fastskrevet fra fabrikken for å forhindre forfalskning.
4. Brukerpartisjon (Bank 11): Tilpassbart minne for brukere (512 bit - 8 Kbyte). Brukes til å lagre tilleggsinformasjon når det ikke er noen nettverkstilkobling.

4. Luftgrensesnitt og signalmodulasjon

Fra leser til brikke

Bruker amplitudemodulasjon. Datakoding bruker teknikken Pulsavstandskoding. I denne teknikken er verdien '0' en kort puls, '1' er en lang puls. En viktig egenskap er å alltid opprettholde bølgeenergien i høy tilstand i mesteparten av bitsyklusen, og sikre at brikken ikke mister strøm mens den mottar data.

Fra brikke til leser

Brikken svarer svakt ved å endre refleksjonstallet. Kodingen som brukes er FM0 eller Miller Subcarrier.

• FM0: Høyeste hastighet, men lett påvirket av støy.
• Miller (M=2, 4, 8): Lavere hastighet, men ekstremt god støyimmunitet. I miljøer med mye metall eller støy, vil leseren be brikken om å bytte til Miller M=4 eller M=8 modus.

5. Antikollisjonsalgoritme

Når hundrevis av brikker svarer samtidig, oppstår signalkollisjoner. UHF Gen 2-systemet bruker en tilfeldig ALOHA-sporalgoritme, også kjent som Q-algoritmen.

1. Leseren sender en Query-kommando som inneholder parameteren Q (f.eks. Q=4, tilsvarende 2^4 = 16 tidsluker).
2. Hver brikke genererer et tilfeldig 16-bits tall i området [0, 2^Q-1].
3. Brikken som trekker tallet 0 vil svare umiddelbart.
4. Leseren sender et bekreftelsessignal sammen med det tilfeldige tallet.
5. Brikken sender tilbake den fullstendige EPC-koden.
6. Hvis det oppstår en kollisjon (flere brikker trekker tallet 0 samtidig), sender leseren en kommando som ber brikken om å velge et annet tall.

6. Miljøfaktorer og demping

RFID-implementering i praksis er mer komplisert enn teorien på grunn av fysiske miljøfenomener.

• Flerveisfading: UHF-bølger reflekteres gjennom vegger, gulv, metall og skaper flere overføringsveier til antennen. Disse bølgene kan forstyrre hverandre og skape døde punkter i leseområdet. Dette er grunnen til at brikker noen ganger ikke kan leses selv om de er veldig nær antennen.
• Energiabsorpsjon: Vann og polare væsker absorberer sterkt UHF-bølgeenergi. Menneskekroppen forårsaker også betydelig signaldemping.
• Frekvensforskyvning: Når RFID-brikken plasseres for nær en metalloverflate, endrer parasittisk kapasitans resonansfrekvensen til brikkeantennen, slik at den ikke lenger fanger opp 915 MHz-bølgen fra leseren. Det er nødvendig å bruke en spesiell brikke med et isolasjonslag.

7. Sikkerhet og Gen 2 V2-standard

For å bekjempe risikoen for avlytting og forfalskning har Gen 2 Version 2-standarden lagt til sikkerhetsfunksjoner:

• Kryptografisk autentisering: Brikken og leseren må bevise identiteten sin gjennom en Spørsmål-Svar-mekanisme som bruker AES-128-algoritmen. Forhindrer forfalskning av brikker.
• Anonymitetsfunksjon: Lar brikken skjule en del av eller hele minnet, eller endre tilfeldige svar for å forhindre sporing av plasseringen til personen som bærer brikken.
• Lås for brukerminne: Låser permanent spesifikke minneområder for å forhindre uautorisert overskriving av data.

8. Mellomvare og kantbehandling

Rådata fra leseren må filtreres gjennom mellomvarelag i henhold til Application Layer Events-standarden:

1. Filtrering: Fjerner duplikater. En brikke kan leses 50 ganger/sekund, systemet trenger bare å rapportere "Brikke A har dukket opp".
2. Utjevning: Håndterer fenomenet brikkeflimmer, det vil si at den leser bra, men plutselig mister signalet på grunn av støy og får det tilbake.
3. Logisk kartlegging: Konverterer EPC-koden (f.eks. 303405...) til forretningsinformasjon (f.eks. Skjorte størrelse M, Forsendelse 123).

9. Analyse av forretningsfaktorer og driftseffektivitet

Anvendelsen av RFID er ikke bare et teknisk problem, men også en strategi for å optimalisere kostnader og prosesser.

Optimalisering av forsyningskjeden

• Lager nøyaktighet: Øker fra et gjennomsnitt på 65% (med strekkoder) til over 99%. Dette reduserer virtuelle utsolgte situasjoner og død lagerbeholdning.
• Inventarhastighet: Reduserer inventartiden med opptil 90-95%. En ansatt kan skanne 20 000 produkter i timen sammenlignet med noen hundre produkter ved bruk av manuelle metoder.
• Sporbarhet: EPC-koden identifiserer hver enkelt produktenhet, og gir mulighet for nøyaktig sporing av reisen fra fabrikk til salgssted, og støtter anti-forfalskning og effektiv tilbakekallingsadministrasjon.

Analyse av investeringskostnader ROI

• Brikkekostnader (Variable kostnader): Er den største kostnadsfaktoren på lang sikt. Prisen på passive brikker varierer fra 4-10 amerikanske cent avhengig av antall. For varer med lav verdi kan brikkekostnadene påvirke fortjenestemarginen.
• Infrastrukturkostnader (Faste kostnader): Inkluderer faste lesere, portantenner, håndholdte enheter og kodingsmaskiner.
• Integrasjonskostnader: Mellomvare og innsats for å integrere i eksisterende ERP-systemer.
• Avkastning: Bedrifter når vanligvis break-even etter 12-24 måneder takket være besparelser i arbeidskraftkostnader, redusert tap av varer og økt salg på grunn av at varer alltid er tilgjengelige i hyllene.

10. Typiske praktiske applikasjoner

Intelligent transport: Bompengeinnkreving uten stopp (VETC/ePass)

Formål: Eliminerer tiden det tar å stoppe bilen for å betale kontant, reduserer trafikkork ved bomstasjoner og gjør inntektene mer transparente.

Teknisk konfigurasjon:

• Identifikasjonsbrikke (E-tag): Bruker en passiv UHF-brikke festet på billysene eller frontruten. Brikken er designet for å tåle sol og regn og er vanskelig å fjerne.
• Langdistanseleser: Installert på portaler, bruker lineært polariserte antenner med høy forsterkning (12 dBi) for å fokusere strålen på et bestemt kjørefelt.

Driftsmekanisme: Når bilen beveger seg inn i bompengebanen med en hastighet på 40-60 km/t, aktiverer leseren E-tag-en fra en avstand på 6-8 meter. Backend-systemet autentiserer bilens identifikasjonskode, sjekker saldoen i den elektroniske lommeboken og trekker penger automatisk på mindre enn 0.2 sekunder.

Motehandel: Uniqlo/Decathlon-modell

Formål: Øke betalingshastigheten (selvbetjening), redusere antall kasserere og sikre absolutt lager nøyaktighet.

Teknisk konfigurasjon:

• Integrert RFID-brikke: RFID-brikken er innebygd direkte i papirprislappen (hangtag) eller stoffetiketten (care label).
• Betalingsmaskin (POS): Mottaksområdet er en "boks" dekket med bølgeskjermende materiale (Faraday-bur) for å begrense signalet.

Driftsmekanisme: Kunden plasserer hele handlekurven i maskinboksen. Leseren inni skanner alle brikkene samtidig (Batch reading) uavhengig av posisjon eller retning på produktet. Dataene sammenlignes med ERP-systemet for å vise fakturaen.

Eiendomsforvaltning og logistikk

Formål: Automatiserer registreringen av varer som går inn og ut av lageret uten å måtte stoppe gaffeltrucken.

Driftsmekanisme: Leseportaler (RFID Portal) er installert ved lagerdøren (Dock door). Når gaffeltrucken som bærer paller med varer passerer, vil leseportalen skanne alle brikkene på kartongene og identifikasjonsbrikken til gaffeltrucken. WMS-systemet oppdaterer automatisk statusen "Lagerinn" eller "Lagerut".

11. Sammendrag

Moderne RFID-teknologi er en syntese av elektromagnetisk feltfysikk, lav-effekt mikrobrikketeknikk, sannsynlighetsstatistikk og kryptografi. Vellykket implementering krever en balanse mellom tekniske faktorer som valg av frekvens, antennedesign og forretningsfaktorer som kontroll av brikkekostnader og restrukturering av driftsprosesser.