Radio Frequency Identification

 

RFID คืออะไร

            RFID เป็นระบบฉลากที่ได้ถูกพัฒนาตั้งแต่ปี่ ค.ศ. 1980 เพื่อวัตถุประสงค์หลักในการใช้กับงานที่ระบบฉลากแบบบาร์โค้ด (Bar code) ไม่สามารถใช้การได้

 

องค์ประกอบในระบบ RFID

            จะมีอยู่ 2 ส่วนหลักๆ คือ ส่วนฉลาก (ป้ายขนาดเล็ก) ที่จะถูกผลึกอยู่กับวัตถุที่เราสนใจ โดยฉลากที่ว่าจะบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุชิ้นนั้นๆ เอาไว้ ฉลากดังกล่าวมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า ทรานสพอนเดอร์ (Transponder, Transmitter & Responder) หรือที่ต่อไปจะเรียกว่าว่า แทกส์ (Tags) ส่วนที่สองมีชื่อเรียกว่า ทรานสซิฟเวอร์ (Transceiver, Transmitter & Receiver) หรือที่ต่อไปจะเรียกว่า เครื่องอ่าน (Reader)

รูปแสดงระบบ RFID

 

จุดเด่นของระบบ RFID

q       การอ่านข้อมูลของฉลากที่ได้โดยไม่ต้องมีการสัมผัส

q       สามารถอ่านค่าได้แม้ในสภาพที่ทัศนวิสัยไม่ดี

q       ทนต่อความเปียกชื้น แรงสั่นสะเทือน การกระทบกระแทก

q       สามารถอ่านข้อมูลได้ถูกต้องรวดเร็ว

 

ปัจจุบันมีการนำระบบ RFID มาใช้งานในงานหลายประเภท ไม่ว่าจะเป็นในบัตรชนิดต่างไ เช่น บัตรประจำตัวประชาชน บัตรเอทีเอ็ม บัตรสำหรับผ่านเข้าออกสำนักงาน บัตรโดยสารของสายการบิน บัตรจอดถ จนกระทั่ง ฉลากสินค้าต่างๆ หรือแม้แต่ฝังลงในตัวสัตว์เพื่อบันทึกประวัติ เป็นต้น การนำระบบ RFID มาใช้งานก็เพื่อประโยชน์ในการตรวจสอบการผ่านเข้าออกบริเวณใดบริเวณหนึ่งหรือเพื่ออ่านหรือเก็บข้อมูลบางอย่างเอาไว้ ยกตัวอย่างในกรณีที่เป็นฉลากสินค่า ระบบ RFID ก็จะถูกนำมาไปใช้เก็บข้อมูลเกี่ยวกับสินค่า เพื่อให้สามารถทราบที่มาที่ไปของสินค้าชิ้นนั้นๆ ได้เป็นต้น สำหรับรูปแบบของเทคโนโลยี RFID ที่ใช้ในการดังกล่าวก็มีทั้งแบบสมาร์ตการ์ดที่สามารถถูกเขียนหรืออ่านข้อมูลออกมาได้โดยไม่ต้องมีการสัมผัสกับเครื่องอ่านบัตร หรือคอมแทคเลสสมาร์ตการ์ด (Contractless smartcard) เหรียญ (Coin) ป้าย (Tag) หรือฉลากซึ่งมีขนาดเล็กจนสามารถแทรกลงระหว่างชั้นของเนื้อกระดาษหรือฝังเอาไว้ในตัวสัตว์ได้เลยที่เดียว

 

แทกส์ (Tags)

            โครงสร้างภายในของแทกส์จะประกอบไปด้วย 2 ส่วนใหญ่ๆ ได้แก่ ส่วนของไอซีหรือชิปและส่วนที่สองคือขดลวดซึ่งทำหน้าที่เป็น้สาอากาศสำหรับรับส่งสัญญาณ แทกส์ที่มีการใช้งานอยู่นั้นจะมีอยู่ 2 ชนิดใหญ่ๆ โดยแต่ละชนิดก็จะมีความแตกต่างกันในแง่ของการใช้งาน ราคา โครงสร้างและหลักการทำงานอยู่ ซึ่งจะขอกล่าวและอธิบายแยกเป็นหัวข้อดังนี้

รูปแสดงรูปแบบต่างๆ ของ Tags

 

Passive RFID Tags

            แทกส์ชนิดนี้ไม่จำเป็นต้องรับแหล่งจ่ายไฟใดๆ เพราะมีวงจรกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำขนาดเล็กเป็นแหล่งจ่ายไฟในตัวอยู่แล้ว ระยะการสื่อสารข้อมูลที่ทำได้สูงสุด 1.5 เมตร มีหน่วยความจำขนาดเล็ก (ทั่วไปประมาณ 32 – 128 บิต) มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ราคาต่อหน่วยต่ำ

ไอซีของแท็กส์ชนิดพาสซีฟที่มีการผลิตออกมาจะมีทั้งขนาดและรูปร่างเป็นได้ตั้งแต่แท่งหรือแผ่นขนาดเล็กจนแทบไม่สามารถมองเป็นไปจนถึงขนาดใหญ่จนสะดุดตา ซึ่งต่างก็มีความเหมาะสมกับชนิดงานที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปโครงสร้างภายในส่วนที่เป็นไอซีของแท็กส์นั้นก็จะประกอบด้วย 3 ส่วนหลักๆได้แก่ ส่วนของหน่วยความจำ, ส่วนควบคุมภาคลอจิก และส่วนของควบคุมการทำงานของภาครับส่งสัญญาณวิทยุ

 

Active RFID Tags

แท็กส์ชนิดนี้จะใช้แหล่งจ่ายไฟจากแบตเตอรี่ขนาดเล็ก มีหน่วยความจำภายใจขนาดใหญ่ได้ถึง 1 เมกะไบต์ มีระยะการสื่อสารข้อมูลที่ทำได้สูงสุดถึง 6 เมตรแม้ว่าแท็กส์ชนิดนี้จะมีข้อดีอยู่หลายข้อแต่ก็มีข้อเสียอยู่ด้วยเหมือนกัน เช่น มีราคาต่อหน่วยแพง มีขนาดค่อนข้างใหญ่ และมีระยะเวลาในการทำงานที่จำกัด

นอกจากการแบ่งจากชนิดที่ว่ามาแล้วแท็กส์ก็ยังถูกแบ่งประเภทจากรูปแบบในการใช้งานได้เป็น 3 แบบ คือ แบบที่สามารถถูกอ่านและเขียนข้อมูลได้อย่างอิสระ (Read – write), แบบเขียนได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้นแต่อ่านได้อย่างอิสระ (Write-Once, Read-Many หรือ WORM) และแบบอ่านได้เพียงอย่างเดียว (Read-only) ด้วย อย่างไรก็ตามเนื่องจากในการใช้งานเพื่อเป็นฉลาก นิยมใช้แท็กส์ชนิดพาสซีฟมากกว่าในที่นี้จึงจะขอกล่าวถึงเฉพาะแท็กส์ชนิดนี้เป็นหลัก

 

เครื่องอ่าน (Reader)

หน้าที่หลักของเครื่องอ่านก็คือการเชื่อมต่อเพื่อเขียนหรืออ่านข้อมูลจากแท็กส์ ด้วยคลื่นวิทยุ ดังรูปประกอบ ด้วย

q       ภาครับและส่งสัญญาณวิทยุ

q       ภาคการสร้างสัญญาณพาหะ

q       สายอากาศ

q       วงจรจูนสัญญาณ

q       ภาคการติดต่อกับคอมพิวเตอร์ (ใช้ RS232)

การถอดรหัสสัญญาณ (Decoding) ที่ได้รับ กระทำโดย ไมโครคอนโทรเลอร์ อัลกอริทึ่มที่อยู่ในเฟิร์มแวร์ (firmware) ของตัวไมโครคอนโทรเลอร์จะทำหน้าที่ในการส่งสัญญาณ, ถอดรหัสสัญญาณที่ได้รับ และทำหน้าที่ติดต่อกับคอมพิวเตอร์

 

รูปแสดงโครงสร้างของเครื่องอ่าน

 

 

    

รูปแสดงตัวอย่างเครื่องอ่านแบบต่างๆ

 

วิธีการรับและส่งข้อมูลระหว่างแท็กส์และเครื่องอ่าน

 

            โดยมากมักจะใช้การมอดูเลตทางแอมปลิจูดหรือใข้การมอดูเลตทางแอมปลิจูดบวกกับการเข้ารหัสแมนเชสเตอร์ (Manchester encoded AM) แต่ทว่าในปัจจุบันก็มีแท็กส์ที่ใช้การมอดูเลตแบบอื่นๆด้วย เช่น การมอดูเลชั่นแบบเฟสชิฟคีย์อิ้ง  (Phase Shift Keying: PSK), ฟรีเควนซี่ชิฟคีย์อิ้ง (Freqeuecy Shift Keying: FSK) หรือการใช้การมอดูเลตทางความถี่ (Frequency Modulation: FM)

            ในการรับส่งข้อมูลหรือสัญญาณวิทยุระหว่างแท็กส์กับเครื่องอ่าน จะทำได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อเมื่อสายอากาศมีความยาวที่เหมาะสมกับความถี่พาหะที่ใช้งาน เช่น เมื่อความถี่ใช้งานเป็น 13.56 เมกะเฮิรตซ์ ความยาวของเสาอากาศ (เป็นเส้นตรง) ที่เหมาะสมก็คือ 22.12 เมตร แน่นอนว่าในทางปฎิบัติเราคงไม่สามราถนำเสาอากาศที่ใหญ่ขนาดนั้นมาใช้งานกับแท็กส์ขนาดเล็กของเราได้ สายอากาศที่ดูเหมาะจะใช้ร่วมกับแท็กส์มากที่สุดก็คือสายอากาศที่เป็นขดลวดขนาดเล็กหรือที่มีชื่ออย่างเป็นทางการว่า สายอากาศแบบแมกเนติกไดโพล (Magnetic dipole Antenna) รูปแบบของสายอากาศแบบนี้ก็จะมีอยู่หลากหลายทั้งแบบที่เป็นขดลวดพันยนแกนอากาศหรือแกนเฟอร์ไรต์, แบบที่เป็นวงลูปที่ทำขึ้นจากลายทองแดงบนแผ่นวงจรพิมพ์ ทั้งที่เป็นลูปแบบวงกลมและสี่เหลี่ยม ทั้งนี้ความเหมาะสมในการใช้งานก็แตกต่างกันไปตามความถี่พาหะและประเภทของงานด้วยเช่นกัน

            นอกจากการรับส่งข้อมูลแล้วสายอากาศก็ยังทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายไฟให้กับแท็กส์ด้วย โดยอาศัยหลักการทำงานตามแนวคิดของไมเคิล ฟาราเดย์ เรื่องแรงดันเหน่ยวนำในขดลวดที่เกิดขึ้นจากเส้นแรงแม่เหล็ก (จากเครื่องอ่าน) ที่มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา (Time-varying magnetic field) พุ่งผ่านสายอากาศของแท็กส์ เมื่อแท็กส์และเคื่องอ่านตั้งอยู่ห่างกันในระยะ 0.16 เท่าของความยาวคลื่นพาหะที่ใช้ เรียกปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ว่า Transformer-type Coupling ซึ่งเป็นปรากฎการณ์แบบเดียวกับการเกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นระหว่างขดลวดปฐมภูมิ (Primary) และขดลวดฑุติยภูมิ (Secondary) ในทรานสฟอร์เมอร์ (Transformer) จะเป็นวงจรพื้นฐานสำหรับอธิบายกลไกที่เกิดขึ้นในการส่งข้อมูลของแท็กส์

            กลไกในการส่งข้อมูลของแท็กส์จะเกิดขึ้นโดยมีมอสเฟต T1 (ที่แท็กส์) ซึ่งทำงานเป็นสวิตซ์เป็นผู้ควบคุมอีกที เพราะการเปิด/ปิดที่มอสเฟต T1 จะทำให้ค่าความต้านทานของโหลดเกิดการเปลี่ยนแปลงส่งผลให้ค่าแรงดันตกคร่อมเสาอากาศเปลี่ยนตามไปด้วย ซึ่งถ้าหากว่าการเปิด/ปิดที่มอสเฟต T1 ถูกควบคุมด้วยข้อมูบที่ต้องการส่งก็จะทำให้เกิดการส่งข้อมูลด้วยการมอดูเลตทางแอมปลิจูดขึ้น กรรมวิธีในการส่งข้อมูลแบบนี้เรียกว่า โหลด มอดูเลชั่น (Load Modulation) เนื่องจากว่าเป็นการส่งด้วยการมอดูเลตทางแอมปลิจูด เมื่อรับข้อมูลจึงต้องใช้ด้วย    วงจรพีคดีเท็กเตอร์ (Peak Detector) เพื่อดึงเอาส่วนขอบของสัญญาณที่ได้รับกลับออกมา (ซึ่งนั่นก็คือข้อมูลนั่นเอง)

 

การเข้ารหัสแบบแมนเชสเตอร์(Manchester)

 

            คือการเข้ารหัสข้อมูลดิจิตอลวิธีหนึ่ง ก่อนที่ข้อมูลซึ่งผ่านการเข้ารหัสแล้วจะถูกส่งไปมอดูเลต เพื่อแก้ปัญหาเกี่ยวกับการซิงโครไนซ์ของข้อมูล เนื่องจากการส่งกระจายสัญญาณตามปกตินั้นหากมีการส่งสัญญาณดิจิตอลในระดับเดียวติดต่อกันเป็นช่วงยาว เช่น ส่งสัญญาณดิจิตอลที่มีค่าลอจิกเป็น 1 ออกไป 20 บิตติดต่อกัน จะทำให้การซิงโครไนซ์ของข้อมูลเกิดการคลาดเคลื่อน (เพราะโดยปกติวงจรดิจิตอลจะปรับการซิงโครไนซ์ของข้อมูลได้เฉพาะในช่วงที่มีการเปลี่ยนระดับของข้อมูลจาก 1 เป็น 0 หรือจาก 0 เป็น 1) และทำให้รับข้อมูลผิดพลาด เพื่อป้องกันปัญหาดังกล่าวจึงจะต้องมีการนำสัญญาณดิจิตอลปกติไปผ่านเข้ารหัสเสียก่อน โดยการเข้ารหัสแบบแมนเชสเตอร์จะเปลี่ยนให้สัญญาณดิจิตอลลอจิก 0 ถูกแทนด้วยการเปลี่ยนค่าจาก ลอจิก 0 เป็น 1 และสัญญาณดิจิตอลลอจิก 1 แทนด้วยการเปลี่ยนค่าจากลอจิก 1 เป็น 0 ข้อดีของการเข้ารหัสแบบนี้ก็คือทำให้การเปลี่ยนระดับของข้อมูลทุกๆครั้งเป็นไปอย่างแน่นอนหรือเกิดการเข้าจังหวะ (Synchronize) กันของข้อมูลนั่นเอง แต่ว่าการเข้ารหัสแบบนี้ก็มีข้อเสียอยู่กล่าวคือช่วงความถี่ที่ใช้ในการส่งข้อมูลต้องเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า

รูปแสดงการเข้ารหัสแบบแมนเชสเตอร์ (Manchester)

 

ขั้นตอนการติดต่อระหว่างเครื่องอ่านและแท็กส์

 

1. ตัวเครื่องอ่านจะทำการส่งสัญญาณวิทยุอย่างต่อเนื่อง และรอคอยสัญญาณตอบจากตัวแท็กส์

2. เมื่อแท็กส์ได้รับพลังงานจากสัญญาณวิทยุที่ส่งมาโดยเครื่องอ่านในระดับที่เพียงพอแล้ว ก็จะทำการส่งสัญญาณนาฬิกาเพื่อเป็นการกระตุ้นให้แท็กส์ทำงาน

3. ข้อมูลจากแท็กส์ก็จะถูกส่งออกมาจากหน่วยความจำ ให้กับวงจรของสายอากาศ (Antenna)

4. วงจรของสายอากาศจะทำการ มอดูเลตข้อมูล

5. ตัวเครื่องอ่านจะสามารถรับสัญญาณการเปลี่ยนแปลงของแอมปลิจูดจากแท็กส์ได้ และใช้ พีค ดีเทคเตอร์ (Peak detector) ในการแปลงสัญญาณข้อมูลที่มอดูเลตแล้วจากแท็กส์

 

คลื่นพาหะและมาตรฐานของระบบ RFID ที่ใช้กันในปัจจุบัน

สำหรับคลื่นพาหะที่ใช้กันในระบบของ RFID แบ่งออกได้เป็น 3 ย่านหลักได้แก่

q       ย่านความถี่ต่ำ 125-400 กิโลเฮิรตซ์

q       ย่านความถี่ปานกลาง 4-24 เมกะเฮิรตซ์

q       ย่านความถี่สูง 0.9-2.45 กิกะเฮิรตซ์

ในแง่การใช้งาน 2 ย่านความถี่แรกจะเหมาะสำหรับใช้กับงานที่มีระยะการสื่อสารข้อมูลในระยะใกล้เช่น การตรวจสอบการผ่านเข้าออกพื้นที่ การตรวจหาและเก็บประวัติในสัตว์ ส่วนย่านความถี่ท้ายสุดจะถูกใช้กับงานที่มีระยะการสื่อสานข้อมูลในระยไกล เช่น ระบบเก็บค่าบริการทางด่วนเป็นต้น

ในแง่ของราคาและความเร็วในการสื่อสารข้อมูล เมื่อเทียบกันแล้ว RFID ซึ่งใช้คลื่นพาหะย่านความถี่สูงเป็นระบบที่มีความเร็วในการส่งข้อมูลสูงสุดและมีราคาแพงที่สุดด้วยเช่นกัน ส่วน RFID ที่ใช้คลื่นพาหะในอีก 2 ย่านความถี่จะมีระดับราคาและความเร็วลดหลั่นกันไป

รูปแสดงย่านความถี่มาตรฐานของระบบ RFID

 

การป้องกันการชนกันของสัญญาณข้อมูล (Anti-Collision)

ในการที่จะรับข้อมูลจากแท็กส์หลายๆอัน ทั้งแท็กส์และตัวเครื่องอ่านต้องได้รับการออกแบบให้รองรับกับสภาวะที่มีแท็กส์มากกว่า 1 อันทำงาน (ส่งสัญญาณ) มิเช่นนั้นสัญญาณพาหะก็จะมีการส่งออก ในเวลาเดียวกันทำให้เกิดการชนของสัญญาณ (Collision) จะทำให้ไม่มีข้อมูลใดๆส่งถึงตัวเครื่องอ่านเลย การติดต่อระหว่างแท็กส์กับตัวเครื่องอ่านเปรียบเสมือน บัสแบบอนุกรม แต่บัสชนิดนี้จะในการส่งสัญญาณจะใช้อากาศเป็นตัวกลาง ในระบบบัสที่ใช้เคเบิ้ลเป็นตัวกลางก็ต้องมีการควบคุมไม่ให้เกิดการชนกันของสัญญาณ RFIDก็จำเป็นที่จะต้องมีการป้องกันให้มีการส่งสัญญาณจากแท็กส์อันเดียวต่อช่วงเวลานั้นเช่นกัน