بخشی از مقاله
رديابي ناوگان ريلي به کمک سامانه راديويي RFID
خلاصه
در سامانه کنوني راه آهن ايران کليه اطلاعات مربوط به قطار همچون راننده ، مشخصات واگن ها و مشخصات بار همگي به صورت دستي توسط نيروي انساني در هر ايستگاه .واحد ثبت و به ساير مراکز ارسال مي شود. درصد خطاي بالا در ثبت اطلاعات بدليل کثرت اطلاعات ، زمان نسبتا زياد لازم جهت ارسال اطلاعات به مراکز و مشکل گلوگاه هاي سامانه ريلي بدليل توقف هاي بي مورد و... از جمله مهم ترين مشکلات سامانه کنوني راه آهن ايران است . نصب تجهيزات ماهواره اي همچون ردياب هاي GPS بر روي واگن ها و به طور کل استفاده از سامانه رديابي ماهواره اي هزينه زيادي را بهمراه دارد. از اين رو استفاده از سامانه هاي راديويي همچون
RFID که به رديابي ناوگان ريلي البته نه در تمامي طول مسير بلکه تنها در ورودي و خروجي ايستگاه ها.واحد ها مي پردازد مي تواند کمک بسيار شايسته اي به مديريت ترافيک ريلي و مانيتورينگ موجودي واگن ها و وضعيت هر قطار در هر ايستگاه باشد.
مرور کلي فناوري تشخيص راديويي RFID
RFID يک فناوري است که امکان برچسب گذاري الکترونيکي و تعيين هويت اشياء را بوسيله ارتباطات راديويي از راه دور ممکن مي سازد. RFID
همچنين بخش وسيعي از فناوري هاي تشخيص خودکار و گردآوري داده (AIDC٥) را نيز شامل مي شود. که اين فناوري هاعمدتاعبارتند از تشخيص علائم ميله اي (بارکد)، تشخيص نوري حروف (OCR) و تشخيص مادون قرمز[١].
از جنبه عملي، يک سامانه RFID شامل سه قسمت است :
- برچسب (Tag) که در آن داده هاي شناسايي قرار مي گيرند. برچسب ها موجب شناسايي اشيايي مي شوند که برروي آن ها نصب هستند.
برچسب هاي RFID را همچنين فرستنده .گيرنده (Transponder) يا به طور کلي حامل داده غير تماسي ( Contactless Data Carrier) مي گويند.
- قرائت گر(Reader) که ارتباط بدون سيم را با برچسب برقرارمي کند.
- نرم افزار کاربردي (Backend Software) که خواندن و يا نوشتن داده هاي برچسب را به کمک قرائت گر انجام مي دهد.
نرم افزارهاي کاربردي مقدمات ارتباطات بين قرائت گر و برچسب را فراهم مي کنند. هم قرائت گر و هم برچسب ها مجهز به آنتن هايي هستند که کار دريافت و انتشار امواج الکترومغناطيسي را انجام مي دهند[ ٢].
قرائت گر هاي RFID
يک قرائت گر RFID دو کار اصلي را انجام مي دهد :
- دريافت فرامين از نرم افزار کاربردي
- ارتباط با برچسب ها
قرائت گرها مي توانند به صورت دستي و يا مستقر در يک جايگاه خاص مورد استفاده واقع شوند. در حالت دستي قرائت گرها، بخش رايانه اي که نرم افزار کاربردي را اجرا مي کند، آنتن و قرائت گر همگي در قالب يک دستگاه قابل حمل بکار برده مي شوند. داده هاي مبادله شده با برچسب ها مي توانند ذخيره شده و بسته به کاربرد،در مرحله بعد به يک واحد پردازش اصلي انتقال يابند[ ٣].
يک قرائت گر RFIDعملا به صورت يک پل ارتباطي بين نرم افزار کاربردي و آنتن ، که وظيفه انتشار امواج راديويي به سمت برچسب ها را بعده دارد، عمل مي کند. امواج راديويي که بوسيله آنتن انتشار مي يابد در فضاي اطراف پخش مي گردد. در نتيجه داده ها بطريق بي سيم به سمت برچسب ها که در نزديکي آنتن قرار دارند انتقال پيدا مي کنند[ ٣].
برچسب هاي RFID
برچسب هاي RFID اجزايي هستند که از يک مدار الکترونيکي و يک آنتن تشکيل شده اند و به صورت يکپارچه عرضه مي شوند. مدار الکترونيکي يک برچسب RFID بطور کلي شامل يک حافظه است که داده ها را در خود جاي مي دهد. اين حافظه بصورت فيزيکي و منطقي به زيربخش هايي تقسيم مي شود. بعضي از اين زيربخش ها داده هايي را در خود نگه مي دارند که صرفا قابل خواندن هستند، مانند شماره واحدي که در مرحله ساخت برروي حافظه نوشته مي شود و اين شماره مي تواند براي تعيين هويت برچسب بکار رود. ساير زيربخش هاي حافظه يک برچسب RFID براي خواندن و نوشتن مکرر داده ها در نظر گرفته مي شوند[ ٤].
برچسب هاي RFID بسته به نحوه تغذيه مدار الکترونيک آن ها به انواع فعال (Active) و غيرفعال (Passive) تقسيم مي شوند.
- برچسب هاي فعال توان مصرفي قرائت گر را کاهش داده و مي توانند اطلاعات را تا فاصله دورتري انتقال دهند. اين برچسب ها داراي باتري هايي هستند که از دو تا ده سال عمر مي کنند. برچسب هاي RFID توابع بيشتري را نيز مي توانند اجرا کنند (مثلا اينکه امکان گزارش دماي محيط را داشته باشند) که در اين صورت بر پيچيدگي آن ها افزوده شده و در نتيجه اندازه و قيمت آن ها افزايش خواهد يافت .
- برچسب هاي غيرفعال نسبت به برچسب هاي فعال از پيچيدگي کمتري برخوردار هستند. چرا که قرائت گر توان اجرايي آن ها را ايجاد مي کند. اين برچسب ها کوچک ، سبک و ارزان بوده و تا حدود بيست سال قابل استفاده هستند. محدوده انتقال داده توسط اين برچسب ها نسبتا کوتاه است و سامانه هاي RFID مجهز به برچسب هاي غيرفعال به قرائت گرهايي با توان بالاتر احتياج دارند.
برچسب هاي RFID غالبا به عنوان نسل بعدي بارکدها در نظر گرفته مي شوند. قرائت آن ها به يک ديد مستقيم يا تماس نياز ندارد. به علت قابليت هاي مدار مجتمع ، برچسب RFID مي تواند حجم بيشتري از اطلاعات را نسبت به بارکدهاي متداول ذخيره کند.
از ديدگاه مخابراتي برچسب ها مي توانند به سه صورت زيرعمل کنند :
- همواره تحت يک زمان بندي معين سيگنال خود (شناسه خود) را به محيط ارسال نمايند. اين نوع برچسب ها TTF يا Tag Talks First
ناميده مي شوند.
- تگ همواره مانند يک گوش شنوا به محيط گوش دهد و پس از دريافت سيگنال مجازي که به مفهوم بيدارباش کامل از طرف قرائت گر ارسال شده باشد، به محيط پاسخ دهد. به اين نوع برچسب ها RTF يا Reader Talks First گفته مي شود.
- تگ مانند يک آينه خاص به صورت Reflection Back Scatter به محيط پاسخ گويد.
اما آن چه در ميان همه انواع برچسب ها در سامانه هاي ردگيري و رديابي مهم به نظر مي آيد اين است که اين قطعه کوچک فرستنده و گيرنده يک شماره شناسايي(Identification Number) واحد را به طرف مقابل خود ارسال مي کند. شايد بتوان اين شاخصه را مهم ترين نقش برچسب در يک سامانه شناسايي خودکار نام برد[ ٥].
فرکانس کاري
يک عامل مهم در بررسي قابليت هاي يک سامانه RFID فرکانس کاري آن براي فعال سازي قرائت گر جهت ارتباط با برچسب است . چندين باند فرکانسي قابل دسترس براي کاربرد هاي ويژه يک سامانه RFID وجود دارد. به طور کلي سامانه هاي RFID به سامانه هاي فرکانس بالا و فرکانس پايين تقسيم و دسته بندي مي شوند. انتخاب فرکانس کاري برروي فاصله قرائت ، تداخل با ساير سامانه هاي راديويي، سرعن تبادل داده و اندازه آنتن اثر مي گذارد. سامانه هاي فرکانس پايين معمولا از برچسب هاي غيرفعال استفاده مي کنند در حاليکه سامانه هاي فرکانس بالا با برچسب هاي فعال کار مي کنند[٦].
به عنوان يک قاعده کلي در فرکانس هاي پايين تر برچسب هاي غيرفعال به دليل محدوديت هاي توان قادر به انتقال داده هاي خود براي فواصل بيش از يک يا دو متر نيستند. البته ارتباط بي سيم بين قرائت گر و برچسب مي تواند از مسيري که ديد مستقيم نباشد انجام شود مانند اين که امواج از ميان موانعي با جنس هاي مختلف بگذرند. البته براي برخي مواد با مسئله تضعيف امواج عبوري مواجه خواهيم بود.
براي مثال برچسب هاي غيرفعال نمي توانند روي يک سطح فلزي قرار گيرند. چرا که فلزات به طور اساسي جريان ميدان مغناطيسي را کاهش مي دهند. در نتيجه اين برچسب ها در چنين شرايطي حداقل توان لازم براي شروع کار خود را دريافت نمي کنند.
در فرکانس هاي بالاتر فاصله قرائت بين برچسب هاي فعال که از باتري داخلي استفاده مي کنند و قرائت گر به طور کلي افزايش مي يابد. سيگنال هاي الکترومغناطيسي با فرکانس بالاتر وقتي برچسب بوسيله آب يا يخ پوشيده مي شود، تضعيف بيشتري را متحمل مي شوند. در بدترين حالت ، برچسبي که توسط يک لايه فلزي پوشانيده شده باشد، توسط هيچ قرائت گري در خارج از لايه قابل قرائت نيست . در فرکانس هاي بالا ماهيت الکترومغناطيسي امواج مشابهت زيادي با نور پيدا مي کند که نمي تواند از لايه هاي غيرشفاف عبور نمايد.[ ٤] و [٦].
البته فاصله قرائت تنهاعاملي نيست که برروي فرکانس تاثير مي گذارد بلکه عوامل ديگري مانند تداخل الکتريکي با سيستم هاي موجود و نرخ تبادل داده بين قرائت گر و برچسب نيز مطرح هستند. اگر تداخل الکتريکي زياد باشد آنگاه قرائت گرها بايد تا حد خوبي از يکديگر دور باشند و منابع نويز (Noise) مي توانند ارتباط بين قرائت گر و برچسب را مختل سازند. اگر نرخ تبادل داده پايين باشد، مقدار داده اي که مي تواند بين قرائت گر و برچسب در يک فاصله زماني ثابت انتقال يابد ممکن است براي کاربرد خاص رضايت بخش نباشد.
اندازه آنتن مورد استفاده براي انتقال داده معمولا با طول موج امواج الکترومغناطيسي رابطه معکوس دارد. به اين معني که اندازه بزرگ براي فرکانس هاي پايين و اندازه کوچک براي فرکانس هاي بالا بکار مي رود. اين واقعيت فيزيکي بيان مي دارد که ابعاد يک آنتن RFID در فرکانس هاي پايين مي تواند از مرتبه متر مربع باشد[ ٧].
آنتن در سامانه ردگيري و رديابي نقش دريافت و ارسال سيگنال راديويي را بعده دارد. از انواع آنتن ها مي توان سه مورد زير را برشمرد :
- آنتن هاي تمام جهت Omni-directional که داراي بهره کم اما جهت انتشار يکسان در فضاي سه بعدي هستند.
- آنتن هاي بيضوي Elliptical که داراي زاويه ديد محدود و بهره متوسط هستند اما براي مواردي که بهره در پلاريزاسيون افقي وعمودي چندان نگران کننده نباشد کاربرد مناسبي دارند.
- آنتن هاي خطي Linear که داراي بهره بيشتري نسبت به دو نوع ديگر آنتن مي باشند ولي در آن ها جهت يا پلاريزاسيون سيگنال مهم است و زاويه ديد محدودتري دارند.
آنتن ها معمولا توسط يک کابل رابط به قرائت گر وصل مي شوند. اين کابل امواج RF دريافتي از محيط را جهت شناسايي به قرائت گر تحويل مي دهد.
البته امواج ارسالي از قرائت گر توسط همين کابل به آنتن تحويل و در محيط ارسال مي گردد. امواج دريافت شده از آنتن توسط قرائت گر دمدوله و رمزگشايي شده و سپس متناسب با برچسب هايي که در محيط (ميدان ديد آنتن ) قرار دارد يک گزارش از آن رويداد يا يک پيغام که معمولا Event Message گفته مي شود، در داخل حافظه قرائت گر ثبت مي گردد.
کار قرائت گر ارسال و دريافت سيگنال هاي RF از طريق آنتن است . ابتدا امواج دريافت شده به اندازه کافي تقويت مي شوند. سپس دمدوله شده ، آنگاه سگنال پيغام آن استخراج و کد شناسايي برچسب جهت ارسال از طريق درگاه هاي خروجي قرائت گر، ثبت مي گردد.
قرائت گرعلاوه بر ارسال و دريافت امواج RF مي تواند قابليت هاي اضافي ديگري را هم درون خود داشته باشد، مانند بدست آوردن جهت حرکت برچسب و يا خروجي هاي چندگانه TCP.IP، RS٢٣٢ يا RS٤٨٥ که براي ارسال اطلاعات قرائت گر به يک PC يا شبکه مورد استفاده قرار مي گيرند.[ ٤]
بررسي ويژگي ها، مزايا و معايب آنتن (Antenna)
وظيفه آنتن دريافت و ارسال امواج در سامانه RFID است . بر اساس نوع کاربرد، انواع آنتن ها مي توانند مورد استفاده قرار گيرند. در چنين سامانه هايي، آنتن ها بر اساس مشخصاتي از قبيل پلاريزاسيون ، زاويه ديد (يا زاويه رأس ) و بهره طبقه بندي مي شوند. از آنجائيکه آنتن ها از اجزاء غيرفعال (Passive) سامانه هاي RFID هستند، هيچ گونه تنظيمي نياز ندارند و تعمير و نگهداري آن ها نيز به راحتي قابل انجام است .
- آنتن با پلاريزاسيون بيضوي : اين آنتن به دليل زاويه ديد ١٢٠ درجه ، زاويه قرائت وسيعي را مهيا مي کند و اين مشخصه در مواقعي که لازم است تعداد برچسب هاي زيادي در يک لحظه قرائت شوند يا در مواقعي که سرعت حرکت برچسب ها بسيار زياد است ، مفيد واقع مي شود.
- آنتن با پلاريزاسيون خطي : از آنجا که زاويه ديد چنين آنتن هايي کوچکتر از نوع قبلي است ، براي مواقعي که جمع آوري اطلاعات به صورت انتخابي مدنظر باشد بسيار مناسب هستند. اين نوع آنتن ها را مي توان به گونه اي قرار داد که داراي پلاريزاسيون عمخودي يا افقي باشند.
بديهي است که در هر حالت بايد نحوه نصب برچسب متناسب با نوع همان پلاريزاسيون انجام شود. هر چند زاويه ديد چنين آنتني محدودتر است ولي بهره آن بيشتر است ، در نتيجه عمق ميدان ديد آن بيشتر است . (يا گيرندگي آن در طول بيشتر است )[ ١].
بررسي ويژگي ها، مزايا و معايب برچسب (Tag)
در فناوري ILR محصول شرکت Identec Solutions دو خانواده از برچسب ها مورد استفاده قرار مي گيرند :
- برچسب هاي i-D
- برچسب هاي i-Q
