RFID Lesson 2

Radio Frequency (RF) Basics (ก่อนหน้านี้ได้ Post Lesson 1 ไว้แล้วครับ)
มาต่อกันในส่วนที่สองครับ RFID Tag จะแบ่งออกเป็น 3 ประเภทครับคือ

• Passive
• Semi-Passive หรือบางทีก็เรียกว่า Semi-Active
• Active

Passive Tag ก็จะไม่มี battery และก็อาศัยพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งมาจาก Reader ป้อนให้กับ IC ใน Tag เพื่อจะสามารถส่งข้อมูล UID กับไปยัง Reader ได้ โดยการติดต่อสื่อสารระหว่าง Reader กับ Tag ก็จะใช้การ coupling ในสองลักษณะคือ

• Load Modulation สำหรับการทำงานในระยะใกล้ๆ (เรียกกันว่า Near Field) มักจะใช้ในย่าน LF, HF และก็อาจจะมีใช้ในย่าน UHF ด้วย โดยเฉพาะใน Gen2 ที่จะเอาไปทำ Item Level Tagging (ไว้พูดในรายละเอียดทีหลังครับ)
• Backscatter สำหรับการทำงานในระยะไกล (เรียกกันว่า Far Field) มักพบในย่าน UHF และ Microwave

ในส่วนของการสื่อสารในแบบ near field นั้น ตัว Tag ก็จะสื่อสารกับ Reader โดยใช้หลักการเหนี่ยวนำของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเสาอากาศของ Reader และ Tag จะอยู่ใกล้กันทำให้เกิดลักษณะของ transformer เกิดขึ้น Reader ก็จะทำการเปลี่ยนแปลงค่า amplitude, phase หรือ ความถี่ ของคลื่น carrier หรือทำการ modulate คลื่น carrier นั่นเอง ด้วยข้อมูลที่ Reader ต้องการส่งไปให้ Tag ส่วน Tag ก็สื่อสารกลับโดยใช้การ modulation ในลักษณะคล้ายๆกัน

ในส่วนของการสื่อสารแบบ far field นั้นจะใช้ลักษณะของ backscatter หรือการสะท้อนกลับของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อคลื่นวิ่งมาชนสายอากาศของ Tag ปริมาณการสะท้อนกลับก็จะขึ้นอยู่กับว่าสายอากาศกับ load impedance ของ chip match กันมากน้อยแค่ไหน ถ้าไม่ match ก็จะมีการสะท้อนกลับเยอะ ถ้า match ก็จะมีการสะท้อนกลับน้อย การเปลี่ยน load impedance ของ chip ไปมาก็จะเป็นการ modulate คลื่นที่สะท้อนกลับไปที่ Reader นั่นเอง ทั้งนี้คลื่นที่เข้ามาที่ Tag จะต้องมีการ resonate กับสายอากาศด้วยเพื่อให้สามารถถ่ายทอดพลังงานได้สูงสุด ทั้งนี้การ resonate หรือ resonance ที่เราเรียนกันมาก็คือ การที่ระบบจะมีการ oscillate ด้วย amplitude สูงสุดที่ความถี่หนึ่งๆ ซึ่งสามารถทำการ tune ได้ด้วยการออกแบบสายอากาศให้เหมาะสม เปรียบไปก็เหมือนกับการสั่นของสายกีต้าร์ซึ่งจะไป resonate กับโพรงในตัวกีตาร์ทำให้ได้เสียงออกมากังวาลนั่นเอง ดังนั้นจะเห็นว่า RFID Tag แต่ละอันนั้นก็จะถูกออกแบบให้ resonate กับย่านความถี่ใดความถี่หนึ่ง เราจึงไม่สามารถเอา Tag ที่ออกแบบสำหรับย่าน 125 kHz ไปใช้กับย่าน 134.2 kHz ไม่ได้ถึงแม้ว่าจะดูเป็นย่านที่ใกล้กันก็ตาม

ในการสื่อสารในลักษณะ far field นี้ เราสามารถออกแบบ UHF Tag ให้มีการ resonate เต็มที่เมื่อเอา Tag ไปติดอยู่กับประเภทวัสดุที่ต้องการได้ เช่นเราอาจออกแบบ Tag สำหรับติดบน pallet ที่เป็นพลาสติกหรือไม้ หรือออกแบบ Tag สำหรับติดบนโลหะ ซึ่งก็จะต้องใช้งานให้ถูกต้องด้วย และถ้าเราพยายามวัดค่า Tag Read Rate หรือระยะการอ่าน โดยไม่ได้เอา Tag ไปแปะอยู่กัีบวัสดุที่ Tag ถูกออกแบบมาให้ติดเช่นโลหะ เราก็จะไม่ได้ค่าที่ถูกต้อง ในการสื่อสารแบบ passive backscatter นี้ พลังงานส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกใช้ในการจ่ายให้กับ IC ใน Tag ในขณะที่พลังงานส่วนที่เหลือก็จะเป็นพลังงานที่สะท้อนกลับก็จะเป็นส่วนที่ใช้ในการติดต่อสื่อสารกับ Reader

ประเภทของระบบ RFID
ดังที่ได้ว่ามายาวข้างบนครับ ระบบ RFID ก็จะมีอยู่สองแบบหลักๆ คือ Near Field กับ Far Field ซึ่งจริงๆแล้วก็คือแบบ Close Range (น้อยกว่า 1 เมตร) กับ Far Range (มากกว่า 1 เมตร) นั่นเอง

ลักษณะของระบบ Near Field :

• สาอากาศขดเป็นวงๆตามความยาวคลื่น
• ใช้หลักการ inductive coupling ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการสื่อสาร
• สายอากาศของ Reader กับ Tag ทำตัวเป็นเหมือน Transformer
• ระยะการอ่านสั้น
• อ่านผ่านน้ำได้
• เหมาะกับ item level tagging
• ย่าน 125 kHz กับ 134.2 kHz จะมีระยะอ่านสูงสุด 30cm โดยเฉลี่ยก็ประมาณ 15 cm ถ้า Tag ราคาถูกหน่อยก็ได้ไม่เกิน 10cm
• ย่าน 13.56 MHz จะมีระยะอ่านสูงสุด 1.5m โดยเฉลี่ยก็ประมาณ 1.2m ถ้า Tag ราคาถูกหน่อยก็ได้ไม่เกิน 1m

ลักษณะของระบบ Far Field :

• สาอากาศยาว 1 ความยาวคลื่นหรือมากกว่าเพราะความยาวคลื่นจะสั้นๆ(ความถี่สูง)
• ใช้หลักการ passive backscatter ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการสื่อสาร
• ระยะการอ่านไกล
• อ่านผ่านน้ำไม่ได้
• เหมาะกับ pallet และ box tagging
• ย่าน 868 MHz จะมีระยะอ่านน้อยกว่าย่าน 915 MHz เล็กน้อยเนื่องจากกฎระเบียบที่มีการกำหนดกัน ระยะอ่านก็จะประมาณ 5-7 เมตร

หมายเหตุ
หลังจากที่มาตรฐานอันใหม่ของ EPC Gen 2 ออกมา ก็มีผู้ผลิตหลายต่อหลายรายที่ทำการวิจัยและพัฒนา Tag ที่ใช้บนขวดที่บรรจุของเหลว Tag สำหรับใส่ใน laptop หรือมือถือ และอื่นๆอีกหลากหลาย กลายเป็นว่าข้อจำกัดที่เคยกลัวกันแต่ก่อนไม่ว่าจะเป็นของเหลวหรือโลหะนั้น ไม่เป็นปัญหาอีกต่อไปแล้ว มีแม้กระทั่ง Tag ที่ทนความร้อนได้สำหรับใช้ในเตาอบก็มีขึ้น หรืออีกตัวอย่างคือ Tag ที่ใช้ติดกับสาย Cat 5/6 และสาย fiber optic ก็มี

Communication Methods
สำหรับการสื่อสารในแบบ Near Field เช่นที่ใช้ในย่านความถี่ 125 kHz หรือ 134.2 kHz ก็จะมีการใช้ modulation ต่างๆกันไป เช่นใช้ phase shifting และก็จะมีการทำการ encoding สัญญาณก่อนส่งด้วย ระบบที่ใช้ก็มีทั้งแบบที่เป็น proprietary เพื่อความปลอดภัยสูงสุด หรือแบบที่เป็น standard เพื่อให้สามารถ interoperate ได้ง่าย สำหรับในแบบ standard นั้น ก็จะมีทั้งแบบที่เป็น half duplex กับ full duplex โดยแบบ full duplex ก็จะเร็วกว่าแต่ก็ต้องใช้ power มากกว่า เดี๋ยวไว้้ในตอนต่อไปเราค่อยมาลงรายละเอียดกันครับ

ส่วนการสื่อสารแบบ Near Field ในย่านความถี่ 13.56 MHz นั้นส่วนใหญ่จะคำนึงถึงเรื่อง security ค่อนข้างมาก ดังนั้นวิธีการสื่อสารก็จะขึ้นกับ IC ที่ใช้และการ encoding Tag ที่ใช้ในย่านนี้มักจะมีความ memory สูง มี feature ที่เกี่ยวกับ security ที่ดี สามารถอ่านเขียนได้หลายครั้ง และมีระบบ anti-collision เป็นต้น

ในส่วนของการสื่อสารแบบ Far Field ในย่าน UHF โดยทั่วไปก็จะใช้เทคโนโลยี spread spectrum frequency hopping และใช้วิธีการ encryption หลากหลายรูปแบบในการสื่อสารระหว่าง Reader กับ Tag ทั้งนี้ก็จะแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศครับ

Directional Antenna
สายอากาศแบบ directional หรือแบบมีทิศทางนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะ focus ไปในทิศทางหนึ่งมากกว่าทิศทางอื่นๆ ซึ่งต่างจากสายอากาศแบบที่เรียกว่า isotropic ซึ่งจะกระจายคลื่นออกไปรอบตัวเท่าๆกัน ดังนั้นสายอากาศแบบ directional ก็จะมี power ไปยัง Tag มากกว่าถ้า Tag นั้นมาอยู่ในบริเวณที่เรียกว่า Main Beam นอกจากนี้สายอากาศแบบ directional ก็จะสามารถรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนมาจาก Tag ได้ดีกว่าในทิศทางของ Main Beam เช่นกัน

Effective Isotropic Radiated Power
มาพูดถึงคำศัพท์อีกตัวที่จำเป็นต้องรู้ก่อนที่จะเป็น expert ทางด้าน RFID ครับ คำว่า Effective Isotropic Radiated Power หรือบางทีเราจะเห็นในข้อกำหนดของ กทช. เขียนว่า EIRP นั้น ประกอบไปด้วยค่า Gain (G) ของสายอากาศบวกกับค่า Power ที่เครื่องอ่านส่งออกมา และลบด้วยค่า Loss นั่นคือเขีึยนเป็นสมการได้ดังนี้ครับ

EIRP =Power (dBm) + gain (dBi) – loss (dB)  

แต่ทั้งนี้เนื่องจากสายอากาศที่ใช้ทั่วไปนั้นไม่ได้เป็นแบบ isotropic ก็จะมีการใช้ค่า ERP หรือ Effective Radiated Power แทน แต่อย่างไรก็ตามค่า EIRP ก้ยังคงเป็นค่าที่มีการกำหนดในมาตรฐานทั่วๆไปอยู่ดี สำหรับค่า ERP ก็จะคำณวณมาจากสมการดังนี้ครับ

ERP =Power (dBm) + gain (dBd) – loss (dB)

ถ้าจำนิยามของ dBi กับ dBd ไม่ได้อย่าลืมย้อนกับไปดูตอนที่ 1 นะครับ

ตัวอย่างเช่น ค่า Gain ของสายอากาศมีค่า 10 dB ค่า isotropic power 30 dBm เราก็จะได้ค่า EIRP เท่ากับ 30dBm + 10dB หรือ 40dBm นั่นเอง ทั้งนี้ในตัวอย่างนี้สายอากาศที่มี Gain 10dB นั้นจะเพิ่มระยะทางได้จาก 2.7m เป็น 8m หรือประมาณสามเท่า 

Interference
การรบกวนจากแหล่งของคลื่น RF โดยทั่วไปก็จะขึ้นอยู่กับค่า peak power density ว่าเป็นเท่าไำร (ไม่ใช้ค่า power เฉลี่ยนะครับ)