Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Použití metody RFID ve světě a u nás

číslo 8-9/2005

Použití metody RFID ve světě a u nás

Metoda radiofrekvenční identifikace (Radio Frequency Identification – RFID) v současné době dospěla do stadia skutečného používání v praxi. Tato věta zatím v plné míře platí pro Severní Ameriku a pro Asii, nicméně poslední dění dává tušit, že i u nás je první skutečná implementace „na spadnutí„. Podívejme se tedy na tuto oblast blíže.

Technický průlom, nebo bezprecedentní útok na soukromí?

Jak to bývá u každé nové, jen málo známé nebo zcela neznámé techniky, rozdělil se pohled společnosti na používání čipů RFID na dva tábory. Skutečnost hledejme, jako vždy, někde uprostřed. Co se tedy o metodě RFID nejčastěji povídá?

„Je to převratná, levná a zcela nová metoda. Úplně automaticky nám vyřeší veškeré problémy s evidencí a logistikou.„

Každé slovo předchozího tvrzení je špatně. Metoda RFID není převratná. K vytvoření opačného, nesprávného názoru značnou měrou přispívá skutečnost, že údaj zapsaný v čipu je nepostřehnutelný lidskými smysly a navíc ho lze přenášet např. i skrz zeď. Štítek (tag) RFID však představuje jenom nový způsob zápisu dat na nový typ nosiče, nic víc. Vlastně ani nelze hovořit o novosti. Pravděpodobně všichni znají implantaci podkožních čipů pro identifikaci zvířat, imobilizér v automobilu nebo různé vstupní systémy reagující na přiložení karty, hodinek či přívěsku na klíče. Možná překvapí, jak daleko do minulosti sahá historie této technické „novinky„. Jak plyne z tab. 1, je metoda RFID po technické stránce skoro stejně stará jako všudypřítomné čárové kódy.

Tab. 1. Stručná historie metody RFID

1935

Watson a Watt patentují systém radaru

1952

Harrisův patent radiového přenosu informace s pasivním prvkem

1969

Mario Cardullo zveřejňuje koncept systému RFID

1973

Cardullo patentuje systém RFID

2003

vzniká organizace EPCglobal

2005

realizuje se iniciativa obchodního řetězce Wal-Mart a Ministerstva obrany USA

S nízkou cenou a návratností to je trochu ošidné, jak bude vysvětleno později. Tato technika vůbec není tak levná, jak se tvrdí! Jeden papírový štítek RFID (samolepicí štítek s vestavěnou anténou a čipem na papírové bázi) za cenu 0,07 USD (7 centů) sice není z říše pohádek, ale musí jít o stálé odběry v počtech stovek milionů kusů. Při obvyklé potřebě několika set tisíc kusů je třeba počítat s cenou nejméně dvacetinásobnou. A pokud již ve firmě není dávno zaběhnutý podnikový nebo skladový systém založený na identifikaci jednotek např. s použitím pomocí čárových kódů, žádný nový způsob označování firemní problémy sám o sobě nevyřeší. Ani „zázračná“ metoda RFID.

„Jakmile se štítky RFID začnou používat v obchodech a na úřadech, všichni se staneme bezmocnými oběťmi reklamních agentur a Velkého bratra.„

Ale ne. Technika radiofrekvenčních čipů je jenom jeden technický stupeň už dávno používaných metod. Jestliže se to s průlomem do osobních údajů mělo někdy přihodit, již se to dávno stalo. Mnohem větší zásahy do soukromí každého z nás představovaly např. první písmeno napsané lidskou rukou, vynález papíru, zavedení osobních průkazů, rozšíření mobilních telefonů anebo zdvojnásobování výkonu počítačových procesorů (a rychlosti zpracování údajů uložených v databázích) každé dva roky.

Debata o začátku biblické apokalypsy a skrytém znamení šelmy v každém štítku RFID v sobě kupodivu spojuje oba extrémní pohledy do jednoho univerzálního. Čipu RFID se v takové diskusi přiznává nadpřirozená moc a zároveň je lidstvo varováno před používáním tohoto ďábelského daru a před následnou ztrátou svobody.

Zpátky na pevnou zem! Jak to tedy funguje?

Základní idea se podobá radaru, jenom v miniaturní podobě, na mnohem menší vzdálenost a odrážející objekt (čip) je vybaven anténou proto, aby vracený signál byl co nejkvalitnější. Samotný čip o sobě nic neřekne, pokud jde o většinou používaný pasivní štítek. K tomu je nutný vysílač, který odešle radiofrekvenční (RF) signál směrem ke štítku, a anténa pro zachycení „odraženého„ (vráceného) signálu. Každý jednotlivý čip přitom vrací signál jedinečně modifikovaný podle údajů, které má uloženy ve své paměti. Od navozené představy čipu jako upraveného zrcadla je ovšem lépe přejít k představě miniaturního jednoduchého počítače, kterým čip RFID ve skutečnosti je. Čipy RFID používané v současné době jsou schopny vykonávat jednoduché instrukce. Na tom jsou založeny jejich další vlastnosti, jako je např. možnost přepisovat údaje v paměti čipu anebo schopnost případné deaktivace pro další použití. Dále, při spolupráci se čtečkou, kdy se po vyslání aktivačního signálu zpět ohlásí desítky či stovky čipů zároveň, jde o důležitou vlastnost umožňující činnost antikolizních algoritmů.

Pro úplnost budiž poznamenáno, že pro názornost zjednodušené přirovnání k radaru je výstižné pouze pro systém RFID s pasivními štítky. Existují také štítky RFID na bázi magnetického pole a u novějších systémů je iniciátorem komunikace štítek, nikoliv čtečka.

Jak se jednotlivé části systému RFID nazývají a k čemu je která z nich určena, je přehledně uvedeno v tab. 2.

Tab. 2. Jednotlivé části systému RFID a jejich skladba a funkce (tag - štítek)

Základní pojmy

čtečka RFID

přístroj vybavený mikroprocesorem, vysílačem a přijímačem RF signálu, mnohdy i anténou

anténa

součást štítku a nutné příslušenství čtečky, slouží k zesílení RF signálu

RFID tag, štítek RFID

jednotka schopná uchovávat data a komunikovat se čtečkou RFID, skládá se z čipu, antény a obalu (pouzdra, nosiče)

čip RFID

součást štítku, mikroprocesor s pamětí a jednoduchou sadou instrukcí

Další často se vyskytující pojmy

RO tag

štítek read only: nemá v instrukční sadě příkazy pro zápis, nesená data z něj lze pouze číst

WORM tag

štítek write once read many: umožňuje data jednou zapsat o poté již pouze číst

RW tag

štítek read write: přepisovatelné médium

smart tag

štítek RFID ve formě samolepky, na kterou lze tepelnou tiskárnou natisknout např. čárový kód nebo zrakem čitelné orientační či doplňující údaje

RFID transponder

doslova přenašeč, nosič RFID; alternativní název ke kratšímu a stále častěji používanému označení štítek RFID (anglicky tag, tedy visačka, štítek)

aktive tag, aktivní štítek

tento typ štítku úplně neodpovídá přirovnání k radaru použitém v článku: štítek svá data nevysílá až po aktivaci čtečkou, ale naopak své okolí o své přítomnosti neustále aktivně informuje; k tomu však potřebuje vlastní zdroj energie, tj. baterii; lze z něj číst na mnohem větší vzdálenost, má ale větší rozměry a jeho funkceschopnost je omezená dobou života zdroje

pasive tag, pasivní štítek

potřebuje pro svoji činnost energii vyzařovanou čtečkou RFID; protože nemá vlastní zdroj energie, je mnohem menší, levnější a má podstatně delší dobu života než aktivní štítek (teoreticky neomezenou);

komunikační protokol

přesně definovaný způsob komunikace mezi čtečkou a štítkem: rozlišují se protokoly typu RTF (Reader-Talks-First), kdy první podnět pro zahájení výměny dat dává čtečka, a protokoly typu TTF (Tag-Talks-First), kdy tomu je naopak

Standardy, specifikace a normy

Na začátku článku bylo řečeno, že samotná metoda RFID není ani nic převratného, ani něco úplně nového. Technické řešení je však pouze jedna část nutná pro uvedení do praxe. Další potřebný krok je ustanovení standardů, a jak bude vidět dále, ani to ještě není všechno.

Nejdříve tedy ke standardizaci. Je zřejmé, že čím větší bude výkon vysílače čtečky RFID, tím větší bude vzdálenost, ze které je možné spolehlivě získat údaje z příslušného štítku. Je také zřejmé, že pro různá prostředí jsou vhodné různé nosné frekvence – dlouhé vlny (tedy nižší frekvence) jsou vhodnější v členitém prostoru pro svou schopnost „jít za roh„, zatímco kratší vlny (vyšší frekvence) při stejném výkonu „dosáhnou dále„. Některé vlnové délky jsou silně ovlivněny kapalinami, jiné např. kovy. Nejlépe pro RFID by tedy bylo, kdyby bylo možné u každé implementace RFID zvolit nosnou frekvenci zcela libovolně, naměřenou jako nejvhodnější pro konkrétní prostředí, a výkon vysílače nastavit také zcela podle potřeby.

Jenže z hlediska maximálního výkonu vysílače je nutné pamatovat na zdraví uživatelů, a proto musí mít svou mez. Ani s volbou nosné frekvence to není tak jednoduché. Vedle systému založeného na metodě RFID se používá také rozhlas, televize, mobilní telefon, bezdrátový internet apod., s nimiž instalovaný systém RFID nesmí kolidovat. I pro frekvenci je tedy zapotřebí stanovit určité hranice (kanály).

Radiofrekvenční pásma povolená pro každou konkrétní oblast lidské činnosti stanovují národní telekomunikační úřady, sdružené do International Telecommunication Union (ITU). V Evropě působí European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Aby zůstala alespoň částečně zachována možnost výběru nejvhodnější frekvence pro konkrétní prostředí a požadavky systému, je dnes pro systémy RFID povoleno pět oddělených frekvenčních pásem (tab. 3).

Tab. 3. Frekvenční pásma určená pro systémy RFID a odpovídající vlastnosti systémů

Frekvenční pásmo

Označení

Vlastnosti

125 až 135 kHz

LF (Low Frequency)

– malý dosah, většinou do 10 cm (maximálně 50 cm),
– vysoké výrobní náklady,
– malá přenosová rychlost,
– kovy a kapaliny nemají vliv na signál,
– neexistují antikolizní mechanismy.

13,56 MHz

HF (High Frequency)

– čtecí dosah do 1 m,
– nízká cena štítku,
– signál se odráží od kovů a obtížně prochází kapalinami,
– dostatečná přenosová rychlost.

860 až 930 MHz

UHF (Ultra High Frequency)

– čtecí dosah do 3 (Evropa) nebo 5 m,
– nejnižší cena štítku,
– signál je značně absorbován kovy a zcela kapalinami,
– vysoká přenosová rychlost.

2,45 GHz a 5,8 GHz

MW (Microwave)

– čtecí dosah až 10 m,
– vysoká cena tagu;
– signál extrémně absorbují kapaliny;
– možnost kolize s některými typy bezdrátových počítačových sítí a jiných zařízení;
– nejvyšší přenosová rychlost;

Tab. 4. Maximální povolené výkony v systémech s pasivními štítky RFID v pásmu UHF

Frekvenční pásmo

Zeměpisná oblast

Max. povolený výkon

865 až 870 MHz

Evropa

0,5 W

902 až 928 MHz

Amerika

4 W

917 až 922 MHz

Čína

2 W

918 až 926 MHz

Austrálie

1 W

865 až 867 MHz

Indie

4 W

Co se týče regulace výkonu vysílače, v různých částech světa se od sebe značně liší. V Evropě je maximální povolený výkon menší než jinde, jak je patrné z tab. 4. Podobné tabulky existují i pro ostatní frekvence.

Vedle úřadů přidělujících frekvenční pásma a mnoha regulačních úřadů existuje ještě jedna důležitá organizace, kterou nelze opomenout. Je to EPCglobal, organizace zodpovědná za technickou standardizaci v oblasti využití RFID v praxi. Výsledkem činnosti EPCglobal jsou např. standardy EPC Class 0 (GEN1) a EPC Class 1 Ver. 2 (GEN2). V České republice je zástupcem EPCglobal společnost EAN ČR.

Zdá se, že Evropa poněkud zaostává. Má to nějaký důvod?

Má. Pomiňme na chvíli skutečnost, že veškerá aktivita v souvislosti s vývojem RFID od samého počátku až dodnes vždy přicházela ze Severní Ameriky. Wattson a Watt, kteří rozpracovali systém radaru, byli američtí inženýři. Americká armáda to byla, která během druhé světové války začala radar skutečně používat. Ucelený koncept metody RFID z roku 1969 je dílem také amerického vědce, Maria Cardulla. Nakonec, systém EPC i organizace EPCglobal pocházejí z MIT (Massachussetts Institute of Technology).

Obr. 1.

Obr. 1. Frekvenční pásma určená pro štítky RFID typu UHF

I přes to, že bychom zapomněli „na zásluhy„, hodně nám napoví mapa světa a frekvenční pásma vyčleněná pro štítky RFID typu UHF, v současné době nejpoužívanější (obr. 1).

Je zde vidět, že svět lze zhruba rozdělit do tří regionů, ve kterých se v pásmu UHF používají stejné nebo velmi podobné frekvence. První region zahrnuje Evropu, Afriku a Rusko, druhý Asii, Austrálii a Tichomoří a třetí region je reprezentován Severní Amerikou a Jižní Amerikou (obr. 2).

Všimněme si, že většina asijského regionu „se domluví“ s kýmkoliv, kdežto euroafrický region s americkým nikoliv. (I když štítky jsou univerzální a jednou označené zavazadlo či zásilku lze identifikovat kdekoliv na světě.) Proto musí být systém vybaven čtečkou po příslušné pásmo.

Obr. 2.

Obr. 2. Světové regiony se stejnými nebo velmi podobnými frekvencemi pro RFID v pásmu UHF

V Evropě totiž nelze použít celou horní polovinu pásma určeného pro štítky RFID typu UHF. Oblast 900 až 915 MHz byla již dříve vyhrazena pro operátory mobilních telefonů. A k naší smůle se v Asii i Americe prosazuje právě frekvence 915 MHz, u nás nepoužitelná.

Až potud to zdánlivě není nic podstatného. Fyzikální charakteristiky pro frekvenci 868 MHz (nejčastější pro naši oblast) a pro frekvenci 915 MHz (Asie a Amerika) se téměř neliší. Přístroje a systémy pracují skoro stejně a rozdíly v použitelnosti neexistují.

Je tady však jedno velmi důležité ale. Možná to nejpodstatnější na celé věci.

Startovním výstřelem se stala vynucená solidarita

Ministerstvo obrany USA (US Department of Defense, DoD) si nechalo v roce 2002 vypracovat studii o použitelnosti metody RFID pro své logistické operace. Závěry, které ze studie vyplynuly, slibovaly teoretické možnosti podstatného zefektivnění všech procesů, zrychlení operací a snížení chybovosti. Shodou okolností si ve stejné době nechal zpracovat podobnou studii velký severoamerický řetězec obchodních domů Wall-Mart. Studie vypracovaná pro Wall-Mart došla k podobným závěrům a další shodou okolností obě vypracované studie nezávisle doporučily svým zadavatelům jako nejvhodnější pro jejich potřeby systémy RFID s pasivními štítky pracující na frekvenci UHF.

Jediným zásadním problémem byla cena štítku RFID, v té době asi 40 centů. U Wall-Mart i u DoD mohli několik let počkat, až náklady na výrobu štítku klesnou alespoň na polovinu, a potom začít novou techniku postupně instalovat. Teoretické možnosti úspor v důsledku snížení chybovosti a eliminace lidské práce však byly pro oba zadavatele tak lákavé, že čekat nechtěli. Rozhodli se k poněkud riskantnímu kroku – přesunu velké části nákladů na někoho jiného.

Řetězec Wall-Mart zaslal svým dodavatelům dopis, ve kterém do budoucna požaduje označení všech palet a dodávaného zboží štítky RFID. Pro 100 největších dodavatelů byl určen jako nejzazší termín, kdy tomu tak má být, leden 2005. Všichni ostatní dodavatelé zboží do řetězce Wall-Mart musí tuto podmínku splňovat nejpozději od ledna 2006. Ministerstvo obrany USA postavilo své dodavatele před téměř totožné požadavky. Jeden by řekl, skoro jako by to bylo předem dohodnuto.

Ekonomicky přemýšlející čtenář si dokáže představit, co následovalo. Naprostá většina postižených firem udělala totéž – označování svých výrobků požadovanými štítky zajistily na vlastní náklady jenom v případech, kdy to jinak nešlo. A zbytek své povinnosti přesunuly na své subdodavatele. Poptávka po konkrétních čipech UHF pro frekvenci 915 MHz vzrostla geometrickou řadou a dále už to byla záležitost trhu. Současná cena pasivního štítku typu UHF 915 MHz je sedm centů. Ve chvíli, kdy cena štítku RFID klesne k hranici pět centů, přijde to na úplně stejné peníze jako označování maticovým (2D) grafickým („čárovým„) kódem.

Z předchozího příkladu je zřejmé, že pro zavedení metody RFID do praxe bylo nutné sladit tři aspekty:

  • technický základ: existence řešení ověřeného v laboratorních podmínkách (patent z roku 1973),

  • legislativní základ: vytvoření nezbytných standardů a norem (rokem 2005 lze považovat tuto část za kompletní),

  • lidský faktor: bez průkopnické odvahy by nemohlo nastat masové rozšíření a technika RFID by zůstala příliš drahou pro skutečné používání.

Evropa ještě stále postrádá třetí předpoklad pro úspěšné zavedení metody. Iniciativní použití metody RFID v obchodních řetězcích Tesco nebo Metro, to je třeba si přiznat, přece jenom není tím správným impulsem. Také je docela možné, že nová technika bude do Evropy víceméně zavlečena z okolního světa, jak se to už stalo např. s automobily nebo s čárovými kódy.

Je škoda, že se v našem regionu nepřihodilo dříve to, co se stalo v Americe. Asijskému regionu ještě před dvěma lety nezáleželo na tom, zda budou štítky RFID typu UHF pracovat na frekvenci 915 MHz nebo 868 MHz. Nyní už je, bohužel, situace úplně jiná. Osobní názor autora je, že Evropě nyní zbývají pouze dvě možnosti. Buď se zde budou nadále používat štítky UHF s frekvencí 868 MHz, a ty pro nás zůstanou navždy nejméně dvakrát dražší než v okolním světě (popř. do doby, než se vzchopí ruský a africký trh, kde se používají stejné frekvence). Anebo se Evropa přizpůsobí okolním kontinentům i za cenu toho, že mnoha operátorům GSM vzniknou vážné problémy s přesunutím jejich licencí do jiného frekvenčního pásma.

Použití v praxi: zveřejněné průzkumy potvrzují očekávání

Po prvním roce skutečného používání techniky RFID v praxi se objevují první výsledky průzkumů, které informují o zkušenostech uživatelů. Odezvy nejsou vždy jen kladné, ačkoliv většinou potvrzují teoretická očekávání.

Zpráva vydaná dvěma významnými systémovými integrátory (R4 Global Solutions a Intelligent Solutions) např. potvrzuje úbytek nedostatků ve skladech o téměř 60 % a snížení ztrát o 20 až 50 %. Průzkum byl proveden v řetězcích Tesco, Mark&Spencer, Prada a několika dalších.

Takový výsledek ale nelze zobecnit na všechny instalace RFID. V obchodním řetězci Wall-Mart a jeho dodavatelů se štítky RFID označují především palety a kartony na úkor označování jednotlivých kusů, jak tomu naopak je právě v řetězci Tesco. Kromě toho obchodní řetězce jako Tesco nebo Mark&Spencer se převážně soustřeďují na dražší typy zboží, jako jsou ledničky, pračky, oděvy nebo přehrávače DVD. V již zmíněné zprávě se přímo konstatuje: „Náklady na pořízení a použití pasivních štítků RFID na úrovni jednotlivých výrobků omezuje použitelnost této metody jen na některé kategorie zboží. Například použití štítku RFID v ceně 20 centů na plechové konzervě s tuňákem o ceně 1 dolaru představuje přinejmenším velmi odvážný ekonomický model, bez ohledu na skladové zásoby, obrátkovost apod. Nicméně u dražšího a rychloobrátkového zboží takový model ekonomicky funguje, a to docela dobře.„

Futuristická představa o nákupu potravin v supermarketu, kdy nakupující pouze projede s plným nákupním košíkem bránou u pokladny a cena nákupu se prostřednictvím platební karty automaticky odečte z jeho účtu v bance, zůstane ještě dlouho jenom na stránkách literatury sci-fi. V dohledné době určitě nebude možné narazit na prodavače potravin, který by na jednotlivé kusy zboží v regálu lepil štítky RFID.

Dokonce i v případě použití čipů RFID pouze na úrovni palet nebo kartonů lze u mnoha amerických prodejců v brzké době očekávat obtíže při stanovování ceny zboží, a to právě pro cenu štítku. Vyplývá to z loňského průzkumu provedeného svazem amerických výrobců potravin (Grocery Manufacturers of America) ve spolupráci s agenturou A. T. Kearney. Problém je v tom, že mnoho výrobců jenom čipuje zboží, ale neprovozuje systém, který by dokázal takové označení využít. Vznikají tak pro ně pouze dodatečné výrobní náklady, které nejsou ničím kompenzovány. Lapidárně řečeno, každý prostředek se musí také používat, jinak s sebou přináší jenom problémy.

Jiná americká agentura, Accenture, sledovala dopad identifikace prostřednictvím čipů na výrobní operace. Závěrem je zjištění, že nutná meziskladová evidence v průběhu celého subdodavatelského řetězce může být díky větší transparentnosti pohybu polotovarů redukována o 10 a někdy až o 30 %. Další závěry této zprávy jsou: úspora na nezbytném hmotném majetku výrobních podniků (stroje, budovy, vozidla) ve výši od 1 do 5 % díky lepšímu využití skladových prostor a zařízení a pokles potřebného provozního kapitálu podniků o 2 až 8 %.

Bez jakéhokoliv snižování hodnověrnosti podobných průzkumů je zatím namístě číst jejich závěry s notnou dávkou konzervatismu. Na skutečné vyhodnocení výsledků je přece jenom ještě příliš brzy. Mnoho dotazovaných firem totiž může mít v příliš čerstvé paměti své nedávné velké investice. Tváří v tvář takovému faktu se odpovědnému vedení dvakrát nechce přiznávat problémy, a naopak přínosy raději trochu zveličují. Samozřejmě, že „pro dobro věci„.

I když si ale při čtení statistik zásadně vybereme vždy tu nejmenší hodnotu, výsledek stále zůstává kladný.

Tak nastupovat, prosím. Vlak bude za chvíli připraven k odjezdu.

Vladislav Zvelebil,
člen pracovní skupiny RFID při EAN ČR