Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

DESIGNING OF RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION (RFID) - PROBLEM SITUATION

Bondarevskiy A.S. Zolotov R.V.
The problem in the field of designing RFID systems is related with the projection of the RFID labels due to their big profitableness. Then the declared problem can be formulated, as unacceptability (because of they extremely financial and time expenses) taking place working out the RFID labels by a casual testing method. The solution to design RFID labels is to use an analytical method based on a mathematical model of RFID-labels.

Радиочастотная идентификация (radio frequency identification - RFID) - это тех­нология автоматического бесконтактного дистанционного обнаружения, распозна­ния и оперативного сопровождения, не­подвижных и подвижных пространствен­но распределённых объектов.

Здесь, - объектов неживой («вещей» -товаров, полуфабрикатов, готовых изде­лий и документации) и живой (людей, жи­вотных) природы.

В соответствии с означенной сущно­стью в процессе радиочастотной иденти­фикации осуществляется:

-  обнаружение, распознание и опера­тивное сопровождение неподвижных и подвижных объектов неживой природы («вещей») на стадиях их жизненного цик­ла (производства, транспортирования, хранения, реализации),

- обнаружение, распознание и опера­тивное сопровождение неподвижных и подвижных объектов живой природы (людей, животных).

-  распознание различных видов доку­ментации (паспортов, виз, квитанций, пропусков, авиа- и железнодорожных билетов) и отметок в ней.

В настоящее время системы RFID, со­ставленные из таких средств, как главные ЭВМ, приёмо-передающие RF-станции и «умные» («смарт») этикетки (ярлыки, инлеи, транспондеры, таги), - рис. 1, нахо­дят самое широкое применение в сферах бизнеса - производства, торговли, перевозок, а также, - в сферах контроля досту­па, безопасности, культуры и других, са­мых разных, общественных отношений.

RFID-этикетками, наряду с объектами живой природы, маркируют самые разные артефакты - вещи, лекарства, культурные ценности. Маркируют - с целью отслежи­вания их по стадиям жизненного цикла -пунктам производственно-транспортно-сбытовой-пользовательской дислокации. В свою очередь, отслеживая, - с целью обнаружения, инвентаризации-учёта и рас­пределения-сортировки по категориям качества и привязки к необходимым средст­вам хранения-транспортировки-поставки.

Большое применение RFID -технологии находят также в области безо­пасности и контроля доступа. Так, уже сегодня в ряде стран (США, Великобрита­ния, Таиланд, Австралия) на основе RFID разрабатываются электронные паспорта и визы. В них встраиваются специальные-на основе смарт-этикеток, фрагменты, ко­торые    обеспечивают    предотвращение подделок. В перспективе такое встраива­ние станет возможным для самых разных ценных бумаг и денег в том числе.

С помощью RFID-технологий осуще­ствляется также контроль доступа к раз­личным режимным арт-объектам - ядерным реакторам, радиоэлектронным и ком­пьютерным системам, биологическим контейнерам, а также - к помещениям ог­раниченного пользования - лаборатори­ям, складам, сейфам, кабинетам.

А ещё может быть осуществлён RFID-учёт рабочего времени сотрудников ком­паний. А ещё с помощью RFID-технологий может быть осуществлено, напри­мер, взимание платы за проезды по доро­гам и мостам (США): на лобовые стёкла автомобилей устанавливаются RFID-этикетки, а на дорогах размещаются мощ­ные считыватели - приёмо-передающие RF-станции.

RFID-этикетки также значительно об­легчают учет и каталогизацию книг в биб­лиотеках, отслеживание и локализацию

А далее следует отметить, что необхо­димое количество систем RFID определя­ется их назначением - многочисленными сферами экономических и общественных отношений, в которых эти системы ис­пользуются. Здесь, - сферами:

-  производства,

-  торговли,

-  перевозок,

-  контроля доступа,

-  безопасности,

-  культуры.

Этим же - назначением систем RFID, определяется и количественное соотно­шение устройств в составе этих систем.

Например, при достаточно ограничен­ном (например, потребностями одних только аэропортов и вокзалов) числе тре­буемых паспортных терминалов (приёмо­передающих RF-станций систем RFID) число обслуживаемых этими станциями

RFID-этикеток - соответственно исполь­зующих их электронных паспортов, в масштабе только одной средней страны составляет многие десятки миллионов.

Примерно то же можно сказать и о числе RFID-этикеток, требуемых для сис­тем RFID, используемых в торговле, производстве и при перевозках (авто, мор­ских и воздушных).

В связи с этим выделяемую ниже про­блемную ситуацию в области проектиро­вания средств RFID следует, в первую очередь, адресовать к RFID-этикеткам.

Адресовать к ним, тем более, что в составе устройств систем RFID (рис.1) RFID-этикетки, в силу их относительной (например, по сравнению штрих-код-этикетками) дороговизны и специфиче­ского (по сравнению с главной ЭВМ и приёмо-передающими RF-станциями) микроэлектронного аналого (антенна) -дискретного (чип) исполнения, являются наиболее схемно-конструктивно-технологично критичными. Критичными - к эко­номике их производства.

Здесь, - критичными к экономике в том смысле, что снижение, - например, в результате эффективного проектирования, затрат на изготовление одной только RFID-этикетки даже на доли цента (доли процента от её цены) приводит к много­миллионным долларовым прибылям фирм, производящих системы RFID [например, вытекает из того, что в сред­нем пассивная RFID-этикетка, работаю­щая на средних частотах (13,56 МГц) сто­ит примерно $1].

В настоящее время изготовление RFID-этикеток с сопряжено с множеством самых разных - схемных, конструктивных и технологических, проблем.

Например, какие этикетки - пассив­ные, полуактивные или активные [1], на­до использовать в системах RFID? Или же - как правильно выбрать материал, разме­ры и расположение антенны в этикетке? Или имеет место проблема соединения антенны с чипом, а следовательно и определяемые этим соединением помехо­устойчивость и частотный диапазон пере­дачи при RFID. Или до сих пор не обосно­ваны способ и режим (температура, продолжительность, давление) соединения антенны с чипом - нанесение клея, грави­ровка, травление, печать и т.д.

Очевидно, что, в силу многочисленно­сти и сложности этих проблем, принятое в настоящее время стихийное - эмпириче­ское случайное, их решение в процессе проектирования (метод «тыка») является неэффективным - материально- и времен­но затратным, трудоёмким и, соответст­венно, дорогим.

При этом, как правило, не следует рассчитывать и на, подчас, спасительную эвристику - она даётся не каждому.

Тогда в результате остаётся три при­емлемых, - как системных, метода реше­ния означенных проблем - три метода проектирования средств RFID. Здесь, -проектирования RFID-этикеток:

1)  Эмпирическое случайно-детерминированное (случайно-поисковое) проектирование, которое отличается от такового эмпирического случайного методом
верификации результатов:

а)  у реализованного объекта проектирования - RFID-этикетки, целевая функция проектирования не, как это имеет место при эмпирическом случайном методе,
контролируется, а измеряется,

б)   значения характеристик объекта проектирования - схемно - конструктивно-технологические, задаются не, как это имеет место при эмпирическом случайном методе, случайным образом, а - по результатам измерения п. а) в процессе случайного поиска [например, - задаются по алгоритмам Л. Растригина (непрерывному, дискретно-шаговому, с самообучением [2]].

2)  Эмпирическое детерминированное (детерминированно-поисковое) проектирование, которое отличается от такового
эмпирического случайного методом верификации результатов:

а)  у реализованного объекта проектирования, целевая функция проектирования не, как это имеет место при эмпирическом случайном методе, контролируется, а измеряется,

б)   значения характеристик объекта проектирования - схемно - конструктивно-технологические, задаются не, как это имеет место при эмпирическом случайном методе, случайным образом, а - по результатам измерения п. а) в процессе детерминированного поиска [например, по алгоритмам Бокса-Уилсона (градиентному, Гаусса-Зайделя, наискорейшего спуска [3]].

3) Аналитическое проектирование. Заключается в выполнении следующих блоков процедур:

а)  Разработка и верификация математической модели объекта проектирования - RFID-этикетки.

б)  Определение - на математической модели п. а), оптимальных - по избранной целевой функции проектирования, значений характеристик проектирования - аналитически обоснованных характеристик RFID-этикетки.

в)  Разработка - под оптимальные значения характеристик п. б), проектной документации на объект проектирования -
RFID-этикетку.

А далее следует обратить внимание на предпочтительный характер использо­вания при проектировании RFID-этикеток именно аналитического метода.

Причина. В отличие от случайно-поискового и детерминированно-поисковового методов проектирования, хотя и вполне системных, но чрезвычайно за­тратных как материально, так и во време­ни (они являются тем же эмпиризмом, но только не случайно- «ползучим» -«тыком», а всего лишь таковым направ­ленным) аналитическое проектирование является свободным от этих недостатков.

Являясь свободным от недостатков случайно-поискового и детерминирован-нопоисковового   методов   проектирова­ния, таковое аналитическое является при том столь же системным - позволяющим совместно, а, следовательно, и с макси­мальной эффективностью решать имею­щие место - в том числе и приведенные выше, схемные, конструктивные и техно­логические проблемы.

Плата за эту системность - трудно­сти создания математической модели RFID-этикетки.

Однако. В современных рыночных условиях в качестве целевой функции этой модели следует использовать при­быль, получаемую от замены «ручной» -антропогенной, идентификации AID на радиочастотную RFID. А это - использо­вание такой целевой функции, даёт воз­можность построить априори адекват­ную и по причине этой априорности не требующую верификации математиче­скую модель RFID-этикетки.

В данном случае, - математическую модель на уровне характеристик свойств RFID-этикетки:

-  затратных (НИОКР, производство),

-    потребительски-эксплуатационных [ ресурс (долговечность) функционирова­ния, подверженность сбоям, дальнодейст­вие,   быстродействие   и   достоверность RFID].

Здесь следует отметить, что имеющая место адекватность такой модели являет­ся ещё одним достоинством избираемого метода аналитического проектирования. Достоинством этого метода - в отличие от таковых случайно-поискового и детерминированно-поискового, также использую­щих (хотя и неявно) модели RFID-этикеток, которые (эти модели), на этот раз, являются всего лишь приближениями (как правило, - линейными) модели ана­литического проектирования.

На этой - аналитического проектиро­вания, модели (как правило, нелинейной -по причине её адекватности) тем или иным методом оптимизации - в общем случае невыпуклой, определяются (по критерию избранной целевой функции), соответственно   оптимальные   значения характеристик означенных выше затрат­ных и потребительски - эксплуатацион­ных свойств RFID-этикетки.

А далее эти значения могут быть ис­пользованы, например, как контрольные цифры для последующего, на этот раз, -уже эвристического, воспроизведения со­ответствующих им схемных, конструк­тивных и технологических свойств RFID-этикетки.

Выводы. 1. В составе систем RFID число входящих RFID-этикеток на мно­гие-многие порядки превышает число других входящих средств - главных ЭВМ и приёмо-передающих RF-станций.

2.   В результате получается, что если в результате эффективного проектирования затраты на изготовление лишь одной RFID-этикетки снизить хотя бы на доли цента (доли процента от цены), то это приведёт к многомиллионным долларо­вым прибылям фирм, производящих сис­темы RFID.

3.   В связи с этим выделяемую про­блемную ситуацию в области проектиро­вания средств RFID следует, в первую очередь, адресовать к RFID-этикеткам.

4.   В настоящее время их изготовление сопряжено с множеством самых разных -схемных, конструктивных и технологиче­ских, проблем.

5.   Тогда соответствующую проблем­ную ситуацию можно сформулировать, как неприемлемость (по причине чрезвы­чайно большой финансовой и временной затратности) имеющего место случайного решения этих проблем - проектирования RFID-этикеток методом «тыка».

6.  Выход - в использовании для проек­тирования RFID-этикеток аналитическо­го метода, основанного на математиче­ской модели RFID-этикеток.

7.  В условиях рыночной экономики в качестве целевой функции этой модели следует принять прибыль, получаемую от замены «ручной» - антропогенной, иден­тификации AID на радиочастотную RFID.

8.  Как оказывается, принятие такой целевой функции обусловливает возможность построения априорно адекватной и по причине этой адекватности, не требующей верификации математической модели RFID-этикетки.

Здесь, - построения модели на уровне главных - определяющих, свойств RFID-этикетки:

-  затратных

-  потребительски-эксплуатационных.

9.  Требуемая задача аналитического проектирования RFID-этикеток решается на математической модели п.8) тем или иным методом оптимизации (в общем случае - невыпуклой). 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.   K Finkenzeller. RFID Handbook, 2nd ed. - «Wiley», 2003

2.  Растригин Л.А. Случайный поиск в за­дачах оптимизации многопараметрических систем. - Рига: Изд-во «Зинатне», 1965

3.  Налимов В.В., Чернова Н.А. Статисти­ческие методы планирования эксперимента. -М.: Изд-во «Наука», 1965