RFID-технологии

RFID-технологии

Справочное пособие

Klaus Finkenzeller






RFID-Handbuch



Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten




3., aktualisierte und erweiterte Auflage












HANSER

Клаус Финкенцеллер






RFID-технологии



Справочное пособие



2-е издание, электронное




Перевод с немецкого













—

Москва
А ДМК Пресс, Додэка—XXI —                         2023

УДК 621.396.6(035)
ББК 32.844я22
      Ф59







     Финкенцеллер, Клаус.
Ф59 RFID-технологии : справочное пособие / К. Финкенцеллер ; пер. с нем. Н. М. Сойунха-нова. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 490 с. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
        ISBN 978-5-89818-620-3
        Данный справочник представляет собой исчерпывающий обзор систем RFID (систем радиочастотной идентификации), который ориентирован, главным образом, на практические вопросы их применения. Системы RFID находят применение в самых разнообразных областях, например в системах контроля допуска на предприятия или в гостиничные номера, в качестве электронных иммобилайзеров или же как средства предотвращения краж в супермаркетах. Основой подобных систем являются электронные носители данных, не обладающие собственным источником питания (транспондеры). Информация с такого носителя считывается бесконтактным способом.
        В книге описываются физические принципы работы систем радиочастотной идентификации, содержится информация по действующим в этой области стандартам и основным областям практического применения RFID-систем. Представлены также материалы, касающиеся физических принципов функционирования СВЧ и микроволновых систем, которые приобретают все большее значение в связи с открытием соответствующих частотных диапазонов.
        Для иллюстрации достаточно сложных понятий используются многочисленные рисунки. Приводятся примеры, которые поясняют вопросы, связанные с практическим применением систем радиочастотной идентификации. В приложении содержится контактная информация, а также обзор стандартов и рекомендаций, приводятся ссылки на литературу и на источники информации в Интернете.
        Предназначена для разработчиков систем радиочастотной идентификации, инженеров, студентов, а также будет полезна менеджерам, занимающимся вопросами применения устройств RFID.

УДК 621.396.6(035)
ББК 32.844я22




       Электронное издание на основе печатного издания: RFID-технологии : справочное пособие / К. Финкенцеллер ; пер. с нем. Н. М. Сойунханова. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2016. — 490 с. — ISBN 978-5-97060-356-7. — Текст : непосредственный.







           Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.



В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.



ISBN 978-5-89818-620-3

                      © Hanser
                      © Макет, Издательский дом «Додэка-XXI»
                                             © Издание, ДМК Пресс

                         ОГЛАВЛЕНИЕ




     Предисловиектретьемуизданию................................................13

     Список используемых сокращений.............................................15

     Глава 1. ВВЕДЕНИЕ..........................................................20
     1.1. Системы автоматической идентификации..................................21
       1.1.1. Системы с использованием штриховых кодов..........................22
       1.1.2. Системы оптического распознавания текста..........................23
       1.1.3. Биометрическиесистемы.............................................23
         1.1.З.1. Идентификация по голосу.......................................23
         1.1.З.2. Идентификация по отпечаткам пальцев (дактилоскопия)...........24
       1.1.4. Чип-карты (Smart-cards)...........................................24
         1.1.4.1. Картыпамяти...................................................25
         1.1.4.2. Микропроцессорные карты.......................................25
       1.1.5. RFID-системы......................................................26
     1.2. Сравнениеразличныхсистемидентификации.................................26
     1.3. OсновныекомпонентыRFID-систем.........................................28

     Глава 2. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ RFID-СИСТЕМ..................................30
     2.1. Основные характеристики систем радиочастотной идентификации ..........30
     2.2. Основныеконструкциитранспондеров......................................33
       2.2.1. Транспондеры, выполненные в форме монеты или диска................33
       2.2.2. Корпус из стекла..................................................34
       2.2.3. Пластмассовыйкорпус...............................................35
       2.2.4. Идентификация инструмента и газовых баллонов......................35
       2.2.5. Ключ или брелок...................................................37
       2.2.6. Часы..............................................................37
       2.2.7. Конструкция ID-1, бесконтактные чип-карты.........................38
       2.2.8. Этикетки (Smart Label)............................................39
       2.2.9. Антенна на кристалле..............................................40
       2.2.10. Другие конструкции...............................................41
     2.3. Рабочая частота, дальность действия и принцип взаимодействия .........41
     2.4. Обработкаданныхтранспондером .........................................43
     2.5. Критерии, которыми следует руководствоваться при выборе RFID-системы .45
       2.5.1. Рабочаячастота ...................................................45
       2.5.2. Дальностьдействия.................................................46
       2.5.3. Требования к безопасности данных..................................47
       2.5.4. Объемпамяти.......................................................48

     Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ................................49
     3.1. Однобитныетранспондеры................................................50
       3.1.1. Используемая радиочастота.........................................50
       3.1.2. Микроволновыесистемы..............................................54
       3.1.3. Делитель частоты..................................................56
       3.1.4. Системы электромагнитного типа....................................57

■ Оглавление

          3.1.5. Акустомагнитные системы...........................................59
        3.2. Дуплексные и полудуплексные системы ..................................61
          3.2.1. Системы с индуктивной связью......................................63
            З.2.1.1. Передача энергии пассивномутранспондеру.......................63
            З.2.1.2. Передачаданныхоттранспондераксчитывающемуустройству...........66
          3.2.2. Связь с помощью электромагнитного рассеяния.......................69
            3.2.2.1. Энергоснабжение транспондера..................................69
            3.2.2.2. Передача данных от транспондера к считывающему устройству....71
          3.2.3. Системы Close-coupling............................................72
            3.2.3.1, Источник питания транспондера.................................72
            3.2.3.2. Передача данных от транспондера к считывающему устройству.....74
          3.2.4. Передача данных от считывающего устройства к транспондеру........74
          3.2.5. Электрическаясвязь................................................75
            3.2.5.1. Передача энергии пассивному транспондеру......................75
            3.2.5.2. Передача данных от транспондера к считывающему устройству....77
        3.3. Последовательныеметоды................................................77
          3.3.1. Системы с индуктивной связью......................................77
            3.3.1.1. Передача энергии транспондеру.................................77
            3.3.1.2. Сравнение дуплексных/полудуплексных и последовательных систем.78
            3.3.1.3. Передачаданныхоттранспондераксчитывающемуустройству...........80
          3.3.2. Транспондеры, использующие поверхностные акустические волны.......81

        Пава 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ RFID-СИСТЕМ......................................85
        4.1. Магнитное поле .......................................................86
          4.1.1. Напряженность магнитного поля Н...................................86
            4.1.1.1. Распределение напряженности магнитного поля Н(х) для индуктивного витка    87
            4.1.1.2. Оптимальный диаметр антенны...................................90
          4.1.2. Магнитный поток и плотность магнитного потока.....................91
          4.1.3. Индуктивность L...................................................92
            4.1.3.1. Индуктивность витка катушки...................................93
          4.1.4. Взаимная индуктивность М..........................................93
          4.1.5. Коэффициентсвязи к................................................95
          4.1.6. Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея)...................96
          4.1.7. Резонанс..........................................................99
          4.1.8. Примеры практического использования транспондеров................103
            4.1.8.1. Напряжение питания транспондера..............................103
            4.1.8.2. Стабилизация напряжения питания..............................104
          4.1.9. Минимальная напряженность магнитного поля Нₘᵢₙ, при которой транспондер еще способен работать.......................................106
            4.1.9.1. Энергетическая дальность действия транспондера...............108
            4.1.9.2. Зона считывания ридера.......................................110
          4.1.10. Системаридер —транспондер.......................................112
            4.1.10.1. Трансформированныйимпеданстранспондера Zy                   114
            4.1.10.2. Параметры, которые влияют на Zy ...........................117
            4.1.10.3. Модуляция нагрузкой.........................................124
          4.1.11. Измерениепараметровсистемы......................................131
            4.1.11.1. Измерение коэффициента связи к..............................131
            4.1.11.2. Измерениерезонанснойчастотытранспондера.....................132
          4.1.12. Материалы с магнитными свойствами .............................134
            4.1.12.1. Материалы с магнитными свойствами и ферриты.................134

Оглавление ■ 7

         4.1.12.2. Ферритовые антенныдля низкочастотныхтранспондеров.........136
         4.1.12.3. Ферритовое экранирование при наличии металлических объектов.136
         4.1.12.4. Установка транспондеров в металл..........................137
     4.2. Электромагнитные волны.............................................140
       4.2.1. Возникновение электромагнитныхволн.............................140
         4.2.1.1. Переход от ближней кдальней зонедля индуктивного витка.....141
       4.2.2. Плотность излучения 5..........................................143
       4.2.3. Волновое сопротивление и напряженность поля Е..................143
       4.2.4. Поляризация электромагнитных волн..............................144
         4.2.4.1. Отражение электромагнитныхволн.............................145
       4.2.5. Антенны........................................................148
         4.2.5.1. Коэффициент усиления и направленность......................148
         4.2.5.2. Е1КРиЕЛР...................................................150
         4.2.5.3. Входной импеданс...........................................150
         4.2.5.4. Эффективная площадь и эффективное сечение рассеяния........151
         4.2.5.5. Эффективнаядлина...........................................154
         4.2.5.6. Дипольная антенна..........................................154
         4.2.5.7. Антенна типа «волновой канал»..............................156
         4.2.5.8. Плоская, или микрополосковая, антенна......................157
         4.2.5.9. Щелевые антенны............................................160
       4.2.6. Практическое применение транспондеров с щелевыми антеннами.....160
         4.2.6.1. Эквивалентная схематранспондера............................161
         4.2.6.2. Питаниепассивноготранспондера..............................162
         4.2.6.3. Питание активного транспондера.............................170
         4.2.6.4. Отражение и затухание......................................170
         4.2.6.5. Чувствительность срабатывания транспондера.................172
         4.2.6.6. Модуляция эффективного сечения рассеяния...................172
         4.2.6.7. Дальность считывания.......................................175
     4.3. Поверхностные акустические волны...................................178
       4.3.1. Возникновение поверхностных акустических волн..................178
       4.3.2. Отражение поверхностных акустических волн......................181
       4.3.3. Функциональная схема транспондера на ПАВ.......................181
       4.3.4. Сенсорный эффект...............................................184
         4.3.4.1, Отражательная линия задержки...............................186
         4.3.4.2. Резонансныедатчики.........................................187
         4.3.4.3. Импедансныедатчики.........................................189
       4.3.5. Коммутируемые датчики..........................................189

     Diaea 5. ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ И ПРАВИЛА, РЕГЛАМЕНТИРУЮЩИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТ...............................................190
     5.1. Используемые частотные диапазоны...................................190
       5.1.1. Диапазон частот 9...135 кГц....................................191
       5.1.2. Диапазон частот 6.78 МГц.......................................193
       5.1.3. Диапазон частот 13.56 МГц......................................194
       5.1.4. Диапазон частот27.125 МГц......................................194
       5.1.5. Диапазон частот40.680 МГц......................................194
       5.1.6. Диапазон частот 433.920МГц.....................................195
       5.1.7. Диапазон частот 869.0 МГц......................................195
       5.1.8. Диапазон частот 915.0 МГц......................................195
       5.1.9. Диапазончастот2.45 ГГц.........................................196
       5.1.10. Диапазон частот 5.8 ГГц.......................................196
       5.1.11. Диапазон частот 24.125 ГГц....................................196

■ Оглавление

          5.1.12. Выбор рабочей частоты для RFID-системы с индуктивной связью.196
        5.2. Действующие в Европе правила, регламентирующие использование радиочастот.........................................................199
          5.2.1. Стандарт CEPT/ERC REC 70-03 .................................199
            5.2.1.1. Приложение 1. SRD-устройства общего назначения...........201
            5.2.1.2. Приложение^ Применениенажелезнодорожномтранспорте........202
            5.2.1.З. Приложение 5. Устройствадля автомобильного транспорта и телематические устройства для отслеживания дорожного движения...202
            5.2.1.4. Приложение9. Индуктивныеустройства.......................202
            5.2.1.5. Приложение 11. Устройстварадиочастотной идентификации....203
            5.2.1.6. Частотныйдиапазон 868 МГц................................203
          5.2.2. Стандарт EN 300330: 9 кГц.,,25 МГц...........................204
            5.2.2.1. Мощность несущей — предельные значения для передатчиков, использующих Н-поле...............................................205
            5.2.2.2. Паразитноеизлучение......................................206
          5.2.3. Стандарты EN 300220-1, EN 300220-2 ..........................207
          5.2.4. Стандарт EN 300440...........................................208
        5.3. Национальные правила, действующие в странах Европы...............209
          5.3.1. Федеративная Республика Германия.............................209
        5.4. Национальноезаконодательствовдругихстранах.......................211
          5.4.1. США..........................................................211
          5.4.2. Взглядв будущее: США — Япония — Европа.......................213
        Енава 6. СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ И МОДУЛЯЦИИ..............................214
        6.1. Кодирование в основной полосе частот.............................215
        6.2. Способы цифровой модуляции.......................................218
          6.2.1. Амплитудная манипуляция (ASK)................................219
          6.2.2. Модуляция2-FSK...............................................221
          6.2.3. Модуляция 2-PSK..............................................222
          6.2.4. Модуляция с использованием поднесущей .......................223
        Енава 7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИДАННЫХ................................225
        7.1. Использованиеконтрольнойсуммы....................................225
          7.1.1. Проверка четности............................................225
          7.1.2. Метсд^С......................................................226
          7.1.3. Метсд^С......................................................227
        7.2. Методы множественного доступа — предупреждение коллизий..........231
          7.2.1. Пространственное разделение каналов (SDMA)...................233
          7.2.2. Частотное разделение каналов (FDMA)..........................235
          7.2.3. Временноеразделениеканалов (TDMA)............................236
          7.2.4. Примеры практической реализации методов предупреждения коллизий.238
            7.2.4.1. МетодАЕОНА...............................................238
            7.2.4.2. Метсд^1оИей-АЕОНА........................................241
            7.2.4.3. Алгоритмыдвоичного поиска................................245
        Е1ава 8. БЕЗОПАСНОСТЬ ДАННЫХ..........................................254
        8.1. Двусторонняя симметричная аутентификация.........................255
        8.2. Аутентификация с производным ключом..............................256
        8.3. Шифрованиеприпередачеданных......................................257
          8.3.1. Последовательное шифрование..................................259

Оглавление ■ 9

     Пава 9. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ.............................................262
     9.1. Идентификацияживотных................................................262
       9.1.1. ISO 11784 — Структура кода.......................................263
       9.1.2. ISO 11785 — Техническая концепция................................263
         9.1.2.1. Требования...................................................264
         9.1.2.2. Дуплексные и полудуплексные системы..........................266
         9.1.2.З. Последовательные системы.....................................266
       9.1.3. ISO 14223 — Транспондеры с расширенными функциями................267
         9.1.З.1. Часть 1 — Радиочастотный интерфейс..........................267
         9.1.З.2. Часть 2 — Структура кодов и команд..........................270
     9.2. Бесконтактные чип-карты..............................................272
       9.2.1. ISO 10536 — Чип-карты Close-coupling.............................273
         9.2.1.1. Часть 1 — Физическиехарактеристики...........................273
         9.2.1.2. Часть 2 — Размер и положение зон, которые обеспечивают электромагнитное взаимодействие.......................................273
         9.2.1.3. Часть 3 — Электронные сигналы и процедура перезагрузки ......274
         9.2.1.4. Часть 4 — Ответ на сигнал сброса и протокол передачи.........275
       9.2.2. ISO 14443 — Чип-карты Proximity-coupling.........................276
         9.2.2.1. Часть 1 — Физическиехарактеристики...........................276
         9.2.2.2. Часть 2 — Радиочастотный интерфейс...........................276
         9.2.2.3. Часть 3 — Инициализация и предотвращение коллизий ...........281
         9.2.2.4. Часть 4 — Протокол передачи..................................289
       9.2.3. ISO 15693 —Чип-картыМсшйу-соирйод...............................294
         9.2.3.1. Часть 1 — Физическиехарактеристики...........................294
         9.2.3.2. Часть 2 — Радиочастотный интерфейс и инициализация...........295
       9.2.4. ISO 10373 — Методы испытаний чип-карт............................299
         9.2.4.1. Часть 4 — Методы испытаний чип-карт, относящихся к категории Close-coupling........................................................300
         9.2.4.2. Часть 6 — Методы испытаний чип-карт, относящихся к категории Proximity.............................................................301
         9.2.4.3. Часть 7 — Методы испытаний чип-карт, относящихся к категории Vicinity-coupling.....................................................304
     9.3. DIN/ISO 69873 — Носителиданныхдля инструмента и зажимных устройств...305
     9.4. ISO 10374 — Идентификация контейнеров................................305
     9.5. VDI 4470 — Системы охраны товаров....................................306
       9.5.1. Часть 1 — Правила приемки RFID-системы на основе контрольных ворот .... 306
         9.5.1.1. Определение доли ложных срабатываний.........................307
         9.5.1.2. Определение коэффициента обнаружения.........................307
         9.5.1.3. Формыдокументов, которыеустанавливаются в стандарте VDI 4470.308
       9.5.2. Часть 2 — Правила приемкидеактивирующего устройства..............308
     9.6. Логистика и управление товарными запасами............................309
       9.6.1. Серия стандартов ISO 18000.......................................309
       9.6.2. Инициатива GTAG..................................................310
         9.6.2.1. Транспортный уровень GTAG....................................312
         9.6.2.2. Коммуникационный уровень и уровень приложений GTAG...........313

     Пава 10. АРХИТЕКТУРА ЭЛЕКТРОННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ.... 314
     10.1. Транспондер, который обеспечивает функции хранения данных...........315
       10.1.1. Высокочастотный интерфейс.......................................315

10.1.1.1. Пример схемы

модуляция нагрузкой с использованием поднесущей. . . 316

■ Оглавление

            10.1.1.2. Типовая схема — высокочастотный интерфейс для транспондера, соответствующего18О 14443 .........................................317
          10.1.2. Схема адресации и обеспечения защитыданных...................320
            10.1.2.1. Конечный автомат.........................................321
          10.1.3. Организацияпамяти............................................322
            10.1.3.1. Транспондер Read-only....................................322
            10.1.3.2. Транспондеры, которые позволяют записывать данные........324
            10.1.3.3. Транспондеры, которые поддерживают криптографические функции.... 324
            10.1.3.4. Сегментация памяти.......................................327
            10.1.3.5. Директории приложений MIFARE® ...........................330
            10.1.3.6. Двухпортовая EEPROM-память...............................333
        10.2. Микропроцессоры..................................................336
          10.2.1. Карты с двумя интерфейсами...................................338
            10.2.1.1. КартыMIFARE-plus.........................................340
            10.2.1.2. Современная концепция карт с двумя интерфейсами..........341
        10.3. Технологии микросхем памяти......................................344
          10.3.1. RAM-память...................................................344
          10.3.2. EEPROM-память................................................345
          10.3.3. FRAM-память..................................................346
          10.3.4. Сравнение возможностей двух типов памяти: FRAM и EEPROM......348
        10.4. Измерение физических величин.....................................349
          10.4.1. Транспондер с функциямидатчика...............................349
          10.4.2. Проведение измерений с помощью микроволнового транспондера...351
          10.4.3. Сенсорный эффектдлятранспондеров на поверхностных акустических волнах..................................................352

        Енава 11. СЧИТЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.......................................355
        11.1. Поток данных в приложении........................................355
        11.2. Компоненты, из которых состоит считывающее устройство............356
          11.2.1. Высокочастотный интерфейс....................................358
            11.2.1.1. Система с индуктивной связью, FDX/HDX....................358
            11.2.1.2. Микроволновая система полудуплексного типа...............359
            11.2.1.3. Транспондеры последовательного типа......................361
            11.2.1.4. Микроволновая система с использованием ПАВ-транспондера..362
          11.2.2. Схемауправления..............................................363
        11.3. Конструкция недорогого считывающего устройства на основе микросхемы U2270B...............................................................364
        11.4. Подключение антенны для системы с индуктивной связью.............367
          11.4.1. Непосредственное подключение антенны с согласованием по току.367
          11.4.2. Подключение с помощью коаксиального кабеля...................370
          11.4.3. Влияниедобротности...........................................373
        11.5. Формы исполнения считывающих устройств...........................374
          11.5.1. OEM-ридеры...................................................374
          11.5.2. Считывающие устройства для промышленного применения..........375
          11.5.3. Портативные считывающие устройства...........................376

        Ешва 12. ПРОИЗВОДСТВО ТРАНСПОНДЕРОВ И БЕСКОНТАКТНЫХ ЧИП-КАРТ...............................................................377
        12.1. Стеклянные и пластиковые транспондеры............................377
          12.1.1. Изготовлениемодуля...........................................378
          12.1.2. Полуфабрикаты для производства транспондеров.................379
          12.1.3. Корпусирование...............................................380