ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΥΕΛΙΚΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΣΕ ΓΡΑΦΙΚΟ (C.A.D.) ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΠΟΡΕΙΑΣ ΣΕ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΧΩΡΟ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ RFID ΒΡΕΝΑΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΕΟΝΤΙΟΣ Ι. ΧΑΤΖΗΛΕΟΝΤΙΑΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΜΑΡΤΙΟΣ 2010

3 I ABSTRACT As devices become smarter and more able to interact with other devices via wireless channels, location aware computing is gaining ground. In fact, path and location tracing systems occupy a ey position in robotics and form a fundamental technology in several inds of robotic systems. Furthermore, the nowledge of location is the significant potential of advanced computing systems with multiple benefits to security systems and health care systems, as well as navigation devices which can assist people with disabilities (P.W.D.). Real Time Location Systems provide the ability of finding the path and managing information concerning people s location or assets, both indoors and outdoors, and therefore provide the optimal solution according to the existing requirements. Although the outdoor navigation procedure through the G.P.S. technology has become particularly accurate and effective, indoors things turn out to be different. Unfortunately, implementations based on the above mentioned technology are totally ineffective. As expected, several inds of approaches have been introduced, mainly based on wireless networs and the promising RFID technology, as well. This thesis describes a C.A.D (Computer Aided Design) software implementation, for indoor localization simulation based on RFID sensors. The software that has been developed uses an indicative particle filters algorithm, in order to approximate the path of a mobile entity. Furthermore, the interface provides the user with the ability to study tracing scenarios on different geometries of tags and paths and to see the comparative results. In addition, the implemented in this thesis could form the basis of a mobile indoor localization application.

4 II ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σε μια εποχή που χαρακτηρίζεται από ταχείς ρυθμούς και ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις, με ολοένα αυξανόμενη επιρροή σε κάθε τομέα της ζωής μας, η ανάγκη για αποτελεσματικότερη πληροφόρηση είναι έντονη. Σε αυτήν την κατεύθυνση έχουν συμβάλλει θετικά τόσο η εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών και του διαδικτύου, όσο και η συνεχόμενη αύξηση της υπολογιστικής ισχύος, βελτιστοποιώντας τη διακίνηση πληροφορίας και καθιστώντας την κινητήριο δύναμη σε κάθε είδους ανθρώπινη δραστηριότητα. Ένας από τους σημαντικότερους τεχνολογικούς τομείς που γνωρίζει ιδιαίτερη άνθηση τα τελευταία χρόνια, είναι αυτός του Ubiquitous and Pervasive Computing. Αποτελεί μια περιοχή σημαντικού ερευνητικού ενδιαφέροντος, που έχει ως βασικό στόχο την ενσωμάτωση της τεχνολογίας στην καθημερινή μας ζωή, καθιστώντας την κατά κάποιο τρόπο δεύτερη φύση του ανθρώπου, με όσο το δυνατόν διακριτικότερη παρέμβαση. Δεν είναι μακριά η εποχή που διαφόρων ειδών υπολογιστικά συστήματα θα συγκεντρώνουν και θα αξιολογούν κάθε είδους πληροφορία, χωρίς την παρέμβαση μας και θα πραγματοποιούν τις κατάλληλες ρυθμίσεις προς όφελος μας. Χωρίς καμία αμφιβολία η γνώσης της φυσικής θέσης, είτε ατόμων, είτε αντικειμένων είναι μια πολύτιμη πληροφορία. Οι άνθρωποι καθημερινά στη ζωή τους παίρνουν αποφάσεις που βασίζονται στη γνώση θέσης. Όταν χρειάζεσαι κάτι, πρέπει να γνωρίζεις την τοποθεσία του. Αν θες να δείξεις κάτι, πρέπει να το τοποθετήσεις στη σωστή θέση. Όσο απλά και αν ακούγονται αυτά, αποτελούν καθημερινές διαδικασίες και η δυνατότητα να έχουμε αποτελεσματικότερο έλεγχο των ενεργειών μας βασίζεται κατά μεγάλο ποσοστό στη γνώση της θέσης ατόμων ή αντικειμένων. Πληθώρα τεχνολογιών έχει βοηθήσει προς την κατεύθυνση αυτή, με σημαντικότερη ίσως το G.P.S. (Global Positioning System), μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως για εντοπισμό σε εξωτερικό χώρο με μεγάλη ακρίβεια. Πέραν αυτού όμως, η έρευνα, η ανάπτυξη και η προτυποποίηση των RFID (Radio frequency identification), του Wi fi και άλλων ασύρματων τεχνολογιών τα τελευταία χρόνια, πάντα σε συνδυασμό με την τεχνολογία λογισμικού, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς συστημάτων με το όνομα R.T.L.S (real time location systems). Τόσο σε επίπεδο καταναλωτών χρηστών, όσο και σε επίπεδο

5 III επιχειρήσεων και οργανισμών, τα πλεονεκτήματα χρήσης τέτοιων συστημάτων είναι αδιαμφισβήτητα, και αυτό διότι με τον τρόπο αυτό ο εντοπισμός θέσης και πορείας γίνεται εφικτός. Στον τομέα των επιχειρήσεων ειδικά, middleware εφαρμογές εντοπισμούπαρακολούθησης εμπορευμάτων και εξοπλισμού(asset tracing) χρησιμοποιούνται κατά κόρον, με θετική συμβολή στη βέλτιστη οργάνωση του κινούμενου δυναμικού και την αύξηση των περιθωρίων κέρδους. Όσον αφορά στους καταναλωτές βέβαια, η ανάγκη για ασφαλείς και γρήγορες μετακινήσεις οδηγεί σε αύξηση των προσδοκιών για αποτελεσματικότερες location based εφαρμογές. Αν συνυπολογίσουμε δε, την εξάρτηση νεότερου πληθυσμού κυρίως από το Internet, τις υπηρεσίες κοινωνικής δικτύωσης και την κινητή τηλεφωνία, η σύγκλιση με συστήματα R.T.L.S. θα πρέπει να θεωρείται δεδομένη. Η εργασία αυτή, πραγματεύεται την ανάπτυξη ευέλικτου λογισμικού προσομοίωσης εντοπισμού πορείας σε εσωτερικό χώρο με χρήση αισθητήρων RFID. Τα συστήματα εντοπισμού που βασίζονται στην τεχνολογία αυτή, παρέχουν μια μοναδική προσέγγιση στον τρόπο με τον οποίο κινούμενες οντότητες εξοπλισμένες με RFID ανιχνευτές μπορούν να πληροφορούνται τη θέση τους μέσα σε εσωτερικούς χώρους, εκεί που η χρήση του G.P.S. απλά είναι αδύνατη. Τα UHF RFID συστήματα με χρήση passive tags ειδικότερα, μπορούν να θεωρηθούν μια καλή και αποτελεσματική επιλογή, δεδομένου του κόστους, του εύρους ανίχνευσης και της αξιοπιστίας. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας αυτής, χρησιμοποιεί ενός Monte Carlo αλγορίθμου για να εντοπίσει έναν κινούμενο RFID reader σε περιβάλλον εξοπλισμένο με passive tags, βοηθά το χρήστη να προσομοιώσει τη διαδικασία, να ελέγξει την αξιοπιστία της και να αναλύσει την επίδοση της. Πέραν αυτών, του δίνει τη δυνατότητα να δοκιμάσει διαφορετικές γεωμετρίες tags, και μέσω συγκριτικών αποτελεσμάτων να αποφασίσει ποια είναι η καταλληλότερη για εφαρμογή σε πραγματικές συνθήκες εντοπισμού. Η ουσιαστικότερη χρήση όμως, της εφαρμογής αυτής, δεδομένης της δυσκολίας αυστηρού καθορισμού του προβλήματος, έγκειται στο ότι μπορεί να αποτελέσει ένα host περιβάλλον δοκιμής διαφορετικών αλγορίθμων, ή επιπρόσθετα μια καλή

6 IV προεργασία, καθότι οι κλάσεις του σχεδιαστικού panel θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση μιας mobile εφαρμογής. Η παρούσα εργασία είναι οργανωμένη σε τέσσερα κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μια εισαγωγή στην ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογία των RFID. Το δεύτερο, αναφέρεται με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στα συστήματα R.T.L.S. (Real Time Location Systems) και τις σημαντικότερες εργασίες που έχουν δημοσιευτεί στην επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια, όσον αφορά τον εντοπισμό θέσης και πορείας σε εσωτερικούς χώρους. Το τρίτο κεφάλαιο, περιλαμβάνει την περιγραφή των βασικών μαθηματικών εννοιών, τους Monte Carlo αλγορίθμους, τη χρήση των Particle Filters, καθώς και λεπτομέρειες επί του αλγορίθμου δοκιμής που αναπτύχθηκε στην εν λόγω υλοποίηση. Τέλος το τέταρτο, αφορά στο λογισμικό που αναπτύχθηκε και αποτελεί μια περιγραφή του γραφικού περιβάλλοντος (U.I.) με σύνοψη των βασικότερων λειτουργιών. Επιπρόσθετα, περιγράφονται σενάρια δοκιμής του συγκεκριμένου λογισμικού για διάφορες τιμές του αλγορίθμου και παραθέτονται τα αποτελέσματα. Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για περαιτέρω εξέλιξη παραθέτονται στο τέλος του κεφαλαίου. Κλείνοντας, στα πλαίσια του προλόγου αυτού, θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Λεόντιο Ι. Χατζηλεοντιάδη που μου έδωσε την ευκαιρία να δουλέψω υπό την καθοδήγηση του και τη δυνατότητα να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα που συνδυάζει πλήθος πεδίων όπως C.A.D. προγραμματισμό, Statistical Engineering καθώς και Ubiquitous και Pervasive Computing. Η καθοδήγηση του υπήρξε καταλυτική στην περάτωση τις εργασίας αυτής. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω τον Δρ. Θεόδωρο Γ. Βασιλειάδη και τον Ιωάννη Ι. Μουρούτσο της εταιρείας Trinity Systems για την πολύτιμη βοήθεια τους, ιδιαίτερα στο κομμάτι της εργασίας που αφορά στην τεχνολογία RFID. Θέλω να τονίσω πως ήταν τιμή μου που συνεργάστηκα μαζί τους, και είμαι απόλυτα βέβαιος πως όσα αποκόμισα κατά τη διάρκεια της ενασχόλησης μου με το συγκεκριμένο θέμα, θα αποτελέσουν γερά θεμέλια στη μετέπειτα επαγγελματική και επιστημονική μου πορεία.

7 V ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RFID RFID Γενικά Ιστορία και εξέλιξη των RFID RFID συστήματα και ορολογία RFID Tags: Chips και Antennas Air Interface και Bul Reading RFID αναγνώστης και κεραία Ιδιότητες του Η/Μ Πεδίου στο σχεδιασμό RFID κεραιών Near Field Based RFID Design Far Field Based RFID Design Ιδιότητες των Bacscatter RF συστημάτων Τεχνικές διαμόρφωσης στα RFID Σύγκριση των ιδιοτήτων των RFID βάσει συχνότητας λειτουργίας Πρότυπα της RFID βιομηχανίας ISO Standards EPCGLOBAL Το NFC Forum Εφαρμογές της τεχνολογίας RFID ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 R.T.L.S. (Real Time Location Systems) Συστήματα R.T.L.S Βασικές ιδιότητες των συστημάτων εσωτερικού χώρου (indoor localization systems) Απαιτήσεις και μέτρηση απόδοσης Ακριβής (absolute) και σχετική (relative) διαδικασία ανάκτησης θέσης... 55

8 VI Relative Positioning Absolute Positioning Localization schemes Trilateration Multilateration Received Signal Strength Indicator (RSSI) Μετρήσεις χρόνου άφιξης (Time of arrival measurements) Μεταβολή φάσης (phase shift) Hyperbolic localization Triangulation Μέτρηση γωνίας άφιξης Στοχαστικές μεθοδολογίες Signal τεχνολογίες Σχετικές εργασίες GNSS based positioning συστήματα Ultrasonic και ακουστικά συστήματα Συστήματα βασισμένα σε narrow band RF ranging Proximity Positioning συστήματα Positioning συστήματα βασισμένα σε RF RSS ranging ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Particle Filters Αλγόριθμος Εφαρμογής Εισαγωγή Βασική θεωρία Πιθανοτήτων Non Linear Bayessian Tracing Φίλτρα Σωματιδίων (Particle Filters) Sequential Importance Sampling (SIS) Algorithm Sampling Importance Resampling (SIR) φίλτρο Αλγόριθμος Εφαρμογής Εισαγωγή Αλγόριθμος Εφαρμογής... 96

9 VII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 U.I, Εφαρμογή, Συμπεράσματα User Interface Λογισμικού και λειτουργίες Μπάρα λειτουργιών και πάνελ σχεδιασμού Monte Carlo Algorithm Configuration/Reader Localization αναδυόμενο μενού παραμέτρων Αναδυόμενα μενού προβολής ρυθμίσεων και αποτελεσμάτων Συμπεράσματα Γενικά Περαιτέρω εξέλιξη Εφαρμογή Ενδεικτικά αποτελέσματα Σενάριο χρήσης α) Αποτελέσματα προσομοίωσης για προσχεδιασμένη πορεία (σε πλέγμα από tags με Tag to Tag distance = 1 meter) Real Time simulation, με κίνηση του mouse cursor στο σχεδιαστικό πάνελ και παράλληλη εφαρμογή αλγορίθμου (σε πλέγμα από tags με Tag to Tag distance=1 meter) Δοκιμή για προσχεδιασμένο path και μεταβαλλόμενη Tag2Tag απόσταση Βιβλιογραφία

10 VIII ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΙ ΠΙΝΑΚΩΝ Εικόνα Ε.1 User Interface του λογισμικού προσομοίωσης Εικόνα 1.1 Παραδείγματα 1D και 2D barcodes Εικόνα 1.2 RFID reader και tag Εικόνα 1.3 Βασικά τμήματα ενός RFID συστήματος Εικόνα 1.4 Σύγκριση χαρακτηριστικών Barcode RFID Εικόνα 1.5 Χρονολογίες ορόσημα στην εξέλιξη της τεχνολογίας RFID Εικόνα 1.6 Πρόβλεψη της πώλησης RFID tags μεταξύ Εικόνα 1.7 RFID middleware αρχιτεκτονική Εικόνα 1.8 RFID Tags στα 13,56 MHz (HF) Εικόνα 1.9 RFID Tags στα 868 ΜΗz (UHF) Εικόνα 1.10 Αντανακλάσεις στο εύρος ανίχνευσης της κεραίας του αναγνώστη Εικόνα 1.11 RFID Reader anti collision πρωτόκολλο Εικόνα 1.12 Compact και mobile RFID readers Εικόνα 1.13 Πεδίο Overlapping από RFID readers Εικόνα 1.14 Συστοιχία κεραιών Εικόνα 1.15 Near Field μηχανισμός τροφοδότησης/επικοινωνίας για RFID tags που λειτουργούν σε συχνότητες κάτω των 100 MHz Εικόνα 1.16 Far Field μηχανισμός επικοινωνίας για RFID tags που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 100 MΗz Εικόνα 1.17 Bacscatter signal strength σε απόσταση x Εικόνα 1.18 Bacscatter signaling physics σε απλοποιημένη μορφή Εικόνα 1.19 Τεχνικές κωδικοποίησης σήματος στα RFID Εικόνα 1.20 Ιδιότητες των RFID βάσει συχνότητας λειτουργίας Εικόνα 1.21 RFID μπάντες συχνοτήτων Εικόνα 1.22 Πίνακας κλάσεων των EPC tags Εικόνα 1.23 Format ενός 96 bit EPCglobal tag Εικόνα 1.24 Το κινητό Noia 3200 με ενσωματωμένο NFC reader Εικόνα 1.25 Εφαρμογή των RFID σε α) αποσκευές β) έλεγχο εισόδου γ) διαδραστικά παιχνίδια Εικόνα 1.26 RFID tag με ενσωματωμένο αισθητήρα θερμοκρασίας και χρήση RFID σε συστήματα αυτόματης πληρωμής διοδίων... 49

11 IX Εικόνα 2.1 Τα βασικά τμήματα ενός R.T.L.S Εικόνα 2.2 R.T.L.S. Location models Εικόνα 2.3 Three axis accelerometer Εικόνα 2.4 Trilateration scheme Εικόνα 2.5 Χρήση roundtrip time Εικόνα 2.6 Χρήση ΤΟΑ για εντοπισμό σε τρείς διαστάσεις Εικόνα 2.7 Σχήμα hyperbolic localization Εικόνα 2.8 Σχήματα triangulation Εικόνα 2.9 Πίνακας τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για διαδικασίες εντοπισμού θέσης Εικόνα 2.10 Bat ultrasonic Location System Εικόνα 2.11 Cricet unit/rs232 cable assembly Εικόνα 2.12 Medusa node σε AHLos Εικόνα 2.13 DOLPHIN units Εικόνα 2.14 LocataLites Sensors Εικόνα 2.15 Χρήση ενός Active Badge σε εσωτερικό χώρο Εικόνα 2.16 Active badge φορεμένο από το χρήστη Εικόνα 2.17 Smart Floor και Load cell Εικόνα 2.18 RF radio map σε διαδικασία εντοπισμού Εικόνα 2.19 Συγκεντρωτικός πίνακας βάσει υλοποιήσεων που έχουν προταθεί Εικόνα 2.20 Συγκεντρωτικός πίνακας βάσει positioning τεχνικών Εικόνα 3.1 Πρόβλημα εκφυλισμού Εικόνα 3.2 Απεικόνιση ενός generic particle filter Εικόνα 4.1 User Interface Εφαρμογής Εικόνα 4.2 Toolbar και Design Panel Εικόνα 4.3 Επιλογές αναδυόμενου menu Grid/Reference Tags Configuration Εικόνα 4.4 Πληροφορίες X, Y, SSE σε m Εικόνα 4.5 Zoom/Scale/Keep menu Εικόνα 4.6 Παράμετροι αναγνώστη (σε απλοποιημένη μορφή) Εικόνα 4.7 Monte Carlo Algorithm Configuration menu Εικόνα 4.8 Εμφάνιση actual path, calculated path και particles

12 X Εικόνα 4.9 Real Time Simulation καθώς κινείται το mouse cursor επάνω στο πάνελ σχεδιασμού Εικόνα 4.10 Επιλογή Chart Analysis από μενού Results για ήδη σχεδιασμένο path Εικόνα 4.11 Προβολή αποτελεσμάτων Chart Analysis Εικόνα 4.12 Προβολή αποτελεσμάτων Simulation Results Εικόνα 4.13 Locations menu Εικόνα 4.14 Επιλογή εκτύπωσης Εικόνα 4.15 Εκτύπωση φόρμας αποτελεσμάτων Εικόνα 4.16 Επιλογές Settings, Print, RFIDloc Εικόνα 4.17 Βασικά λειτουργικά τμήματα Εικόνα 4.18 Τοποθέτηση tags σε ύψος 2m. Χρήση active UHF reader τοποθετημένου στο γοφό Εικόνα 4.19 Observation model που προέκυψε στη συγκεκριμένη δοκιμή. Η κόκκινη γραμμή είναι η fitted κανονική κατανομή για τα δεδομένα που προέκυψαν Εικόνα 4.20 Εφαρμογή BPF αλγορίθμου με map filtering pattern matching, για particle elimination Εικόνα 4.21 Στάδια εφαρμογής αλγορίθμου. Από αριστερά προς τα δεξιά α) πριν την εφαρμογή, β) αποτέλεσμα, γ) θέσεις σωματιδίων στο πρώτο iteration, δ) θέσεις σωματιδίων σε επόμενο iteration

13 Περιγραφή του προβλήματος Καθώς οι συσκευές γίνονται ολοένα «εξυπνότερες» και ικανές να αλληλεπιδρούν με άλλες συσκευές μέσω ασύρματων καναλιών, η κατηγορία του location aware computing κερδίζει έδαφος. Για την ακρίβεια, συστήματα εντοπισμού θέσης και πορείας καταλαμβάνουν θέση κλειδί στη ρομποτική και αποτελούν θεμελιώδη τεχνολογία σε διαφόρων ειδών κινούμενα ρομποτικά συστήματα. Η γνώση της θέσης επιπρόσθετα, αποτελεί σημαντική δυνατότητα εξελιγμένων υπολογιστικών συστημάτων με πολλαπλά οφέλη σε συστήματα ασφαλείας, health care συστήματα, και συσκευές navigation υποβοήθησης ατόμων με αναπηρία (ΑμεΑ). Οι εφαρμογές συστημάτων εντοπισμού φυσικά δεν τελειώνουν εδώ, και είναι απόλυτα βέβαιο πως η ανάγκη τεχνολογικής σύγκλισης και η απαίτηση για context aware συστήματα θα οδηγήσουν σε νέες καινοτόμες επιστημονικές προσεγγίσεις προς αυτήν την κατεύθυνση. Στην παρούσα εργασία προτείνεται υλοποίηση λογισμικού C.A.D. προσομοίωσης εντοπισμού σε εσωτερικό χώρο με χρήση αισθητήρων RFID. Τα τελευταία χρόνια που η τεχνολογία G.P.S. έχει γίνει ιδιαίτερα ακριβής και αποτελεσματική, έχει παρατηρηθεί στροφή προς συστήματα navigation και geospatial εφαρμογές, με τον εντοπισμό σε εξωτερικό χώρο πλέον να έχει γίνει

14 Περιγραφή του προβλήματος 12 παιχνίδι. Σε περιβάλλον όμως εσωτερικού χώρου τα πράγματα είναι τελείως διαφορετικά. Εκεί, υλοποιήσεις βασισμένες στην τεχνολογία αυτή είναι δυστυχώς αναποτελεσματικές. Όπως είναι αναμενόμενο, έχουν παρουσιαστεί διαφόρων ειδών προσεγγίσεις, με στροφή κυρίως στις τεχνολογίες ασυρμάτων δικτύων και την πολλά υποσχόμενη τεχνολογία RFID. Πολλές mobile συσκευές πλέον είναι εφοδιασμένες με τεχνολογία τύπου wireless Ethernet (π.χ b) και δεδομένης της σταδιακής μείωσης του κόστους των RFID, δεν είναι απίθανο να δούμε στο προσεχές μέλλον, ακόμη και τα κινητά μας τηλέφωνα να παρέχουν δυνατότητα RFID ανιχνευτή. Προσέγγιση και υλοποίηση λογισμικού Η βασική ιδέα πίσω από την εργασία αυτή, ήταν η υλοποίηση μιας λύσης εντοπισμού πορείας σε εσωτερικό χώρο που θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση μιας indoor navigation εφαρμογής. Μια τέτοιου είδους εφαρμογή, θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμη κυρίως για άτομα με αναπηρία (ΑμεΑ), και θα μπορούσε να λειτουργήσει ως συμπλήρωμα navigation εφαρμογών βασισμένων στην τεχνολογία G.P.S. Δεδομένης της μείωσης του κόστους τόσο των RFID readers (ανιχνευτές) όσο και των RFID tags (ετικέτες), η εν λόγω τεχνολογία μπορεί να αποτελέσει ιδανική επιλογή. Ο χρήστης για παράδειγμα, θα μπορεί να εφοδιάζεται με έναν handheldreader και να κινείται σε έναν εσωτερικό χώρο στον οποίο έχουν επικολληθεί tags. Ο κωδικός κάθε tag βεβαίως θα αντιστοιχεί σε συντεταγμένη του χώρου και ο χρήστης μέσω συγκεκριμένης υλοποίησης, θα μπορεί να γνωρίζει που βρίσκεται επακριβώς και να καθοδηγείται κατ ανάγκη. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η κίνηση του reader (για την ακρίβεια του χρήστη που είναι εφοδιασμένος με τον reader) είναι μη ντετερμινιστική, μελετάται ένας particle based αλγόριθμος που αποτελεί τη βάση του λογισμικού προσομοίωσης. Ο αλγόριθμος αυτός, αποτελεί μια παραλλαγή των Monte Carlo αλγορίθμων που είναι ιδανικοί στην επίλυση μη ντετερμινιστικών, στοχαστικών προβλημάτων, όπως στην περίπτωση μας. Το λογισμικό που προτείνεται, αποτελεί μια προσπάθεια προσέγγισης δύο προβλημάτων. Αφενός, του εντοπισμού μέσα στο χώρο, που πραγματοποιείται μέσω του MCL αλγορίθμου και αφετέρου της επιλογής της κατάλληλης γεωμετρίας

15 13 Εισαγωγή tags που θα μπορούσε να δώσει βέλτιστα αποτελέσματα. Ο χρήστης στην αρχή εισάγει σχέδιο κάτοψης του χώρου και σχεδιάζει στις επιθυμητές θέσεις τα tags. Κατόπιν, σχεδιάζει την υποτιθέμενη πορεία στο χώρο και βάσει συγκεκριμένων τιμών εισόδου στον αλγόριθμο και τιμών χαρακτηριστικών του reader, δίνεται η προσέγγιση της πραγματικής πορείας σαν έξοδος του αλγορίθμου. Ο MCL αλγόριθμος που χρησιμοποιείται, σε κάθε στάδιο προβλέπει την κίνηση του reader και ανανεώνει την εκτίμηση του, βάσει των τιμών RSSI (Received Signal Strength Indication) και των συντεταγμένων των tag που έχουν ανιχνευτεί. Επιπλέον, μετά το πέρας της προσομοίωσης παρέχεται η δυνατότητα παρουσίασης των σφαλμάτων θέσης μέσω γραφημάτων, που επιτρέπει στο χρήστη να κάνει συγκρίσεις με αποτελέσματα προσομοίωσης που προέκυψαν, είτε από διαφορετικές γεωμετρίες tags, είτε από διαφορετικές τιμές εισόδου του αλγορίθμου. Τέλος, η εφαρμογή που υλοποιήθηκε θα μπορούσε να αποτελέσει ένα host περιβάλλον δοκιμής εναλλακτικών αλγορίθμων, ενώ επιπρόσθετα οι κλάσεις που αναπτύχθηκαν στην εργασία αυτή μπορούν να αποτελέσουν μια καλή βάση για την ανάπτυξη ενός σχεδιαστικού panel μιας mobile εφαρμογής. Η ανάπτυξη του λογισμικού αυτού (βλ. Εικόνα Ε.1), πραγματοποιήθηκε με χρήση του προγραμματιστικού πακέτου Microsoft Visual Studio 2008 και του.net Framewor 3.5 SP1. Αναλυτικές λεπτομέρειες επί των λειτουργιών, θα καλυφθούν σε επόμενο κεφάλαιο. Εικόνα E.1 User Interface του λογισμικού προσομοίωσης

16 1.1 RFID γενικά Τα RFID (Radio Frequency Identification) αποτελούν μια τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας που χρησιμοποιείται για την αναγνώριση αντικειμένων στα οποία έχουν τοποθετηθεί αισθητήρες. Η ύπαρξή μας σε ένα περιβάλλον αποτελούμενο από αντικείμενα διαφορετικών ιδιοτήτων και θέσεων και η καθημερινή μας αλληλεπίδραση με αυτά, γέννησε την ανάγκη της αυτόματης αναγνώρισης (Auto ID). Καθότι οι υπολογιστές και τα δίκτυα διαμορφώνουν ένα μεγάλο μέρος της ζωής μας, διευκολύνοντας την επίλυση σημαντικών προβλημάτων, η ανθρώπινη επέμβαση είναι ζωτικής σημασίας προκειμένου τα συστήματα αυτά να αναγνωρίσουν και να κατηγοριοποιήσουν διακριτά φυσικά αντικείμενα. Και όμως γιατί ο ανθρώπινος παράγοντας να είναι τόσο σημαντικός σε μια τόσο φαινομενικά απλή λειτουργία; Ακριβώς αυτές τις αδυναμίες έρχεται να καλύψει το πεδίο της αυτόματης αναγνώρισης. Το πεδίο αυτό περιλαμβάνει κάθε μέσο αυτοματοποίησης της λειτουργίας αναγνώρισης ενός φυσικού αντικειμένου. Μέχρι σήμερα, τη συνηθέστερη μέθοδο αναγνώρισης αποτελεί η τεχνολογία bar code, κατά την οποία ο χρήστης τυπώνει με έναν ειδικό εκτυπωτή το bar code (βλ. Εικόνα 1.1) στο αντικείμενο και κατ ανάγκη εξάγει τον αριθμό αναγνώρισης, σαρώνοντας το barcode δια μέσου χρήσης ενός οπτικού μετατροπέα. Η χρήση των μονοδιάστατων barcode (ονομάζονται έτσι διότι η πληροφορία εξάγεται από σάρωση του προτύπου

17 15 Κεφάλαιο 1 προς μια κατεύθυνση) είναι ευρέως διαδεδομένη εμπορικά στη σημερινή εποχή. Πέραν αυτών τα δισδιάστατα bar code είναι επίσης διαθέσιμα και έχουν τη δυνατότητα να προσθέσουν περισσότερη πληροφορία στον ίδιο χώρο. Η τεχνολογία O.C.R. (optical character recognition) μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης στην αναγνώριση αναγνώσιμου κειμένου, με το κόστος βέβαια των αυξημένων Εικόνα 1.1 Παραδείγματα 1D και 2D barcodes. Εικόνα 1.2 RFID reader και tag. υπολογιστικών απαιτήσεων και της μειωμένης αξιοπιστίας. Όλες αυτές οι οπτικές μέθοδοι αναγνώρισης έχουν σημαντικό αριθμό πλεονεκτημάτων, όμως έχουν μια κοινή σημαντική αδυναμία. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η αναγνώριση είναι αναγκαία η οπτική επικοινωνία της συσκευής ανάγνωσης με το αντικείμενο στόχος που πρέπει να αναγνωρισθεί. Συνεπώς το αντικείμενο στόχος θα πρέπει να βρίσκεται εντός του «οπτικού πεδίου» της συσκευής ανάγνωσης. Εδώ όμως έγκειται ακόμα μια σημαντική αδυναμία όσον αφορά την οπτική αναγνώριση. Αδιαφανείς ουσίες όπως βρωμιά, μελάνι κ.λπ. μπορούν να αλλοιώσουν την επιφάνεια των barcodes ή των οπτικών marers, μειώνοντας έτσι την αναγνωσιμότητα με ότι αυτό συνεπάγεται. Έτσι γίνεται κατανοητό πως οι οπτικές μέθοδοι στην αναγνώριση

18 Τεχνολογία RFID 16 αντικειμένων είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες, οπότε μια διαφορετική προσέγγιση θα μπορούσε να είναι περισσότερο χρήσιμη και αποτελεσματική. Εικόνα 1.3 Βασικά τμήματα ενός RFID συστήματος. Εικόνα 1.4 Σύγκριση χαρακτηριστικών Barcode RFID. Αυτή λοιπόν η εναλλακτική και πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι η τεχνολογία RFID (βλ. Εικόνα 1.2). Στην πραγματικότητα μιλάμε για μια σουίτα τεχνολογιών αναγνώρισης λόγω των διαφορετικών χαρακτηριστικών των ραδιοκυμάτων ανάλογα με την εκάστοτε χρησιμοποιούμενη συχνότητα. Οι εφαρμογές είναι πολλές και ποικίλες, όπως: Συστήματα ελέγχου εισόδου προσωπικού Point of sale εφαρμογές Αυτόματα συστήματα συλλογής διοδίων Συσκευές εντοπισμού ζώων

19 17 Κεφάλαιο 1 Συστήματα ελέγχου πορείας οχημάτων και immobilizers Ευρεία εφαρμογή σε Logistics και προμηθευτικές αλυσίδες Συστήματα πλοήγησης σε εσωτερικό χώρο προς υποβοήθηση ατόμων με αναπηρία (ΑμεΑ), κ.α. Φυσικά οι εφαρμογές δεν τελειώνουν εδώ. Στα επόμενα χρόνια όλο και περισσότερες καινοτόμες RFID εφαρμογές θα προκύψουν με σημαντικά οφέλη τόσο σε επίπεδο βιομηχανιών, κυβερνητικών υπηρεσιών, επιχειρήσεων όσο και σε ατομικό επίπεδο. 1.2 Ιστορία και εξέλιξη των RFID Είναι δύσκολο να εντοπίσουμε ένα αυστηρά καθορισμένο σημείο έναρξης της ιστορίας των RFID και αυτό διότι είναι άμεσα συνυφασμένη με πολλές διαφορετικές τεχνολογίες επικοινωνιών που αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα. Αυτές οι τεχνολογίες περιλαμβάνουν την κινητή τηλεφωνία, τα ασύρματα LAN, τις δορυφορικές επικοινωνίες, το GPS κ.λπ. Η γνώση που προέκυψε κατά την ανάπτυξη των προαναφερθέντων τεχνολογιών έχει χρησιμοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό στην έρευνα, την ανάπτυξη και την εγκατάσταση της τεχνολογίας RFID. Συγκεκριμένα, η έρευνα στους παρακάτω τρεις τομείς έχει οδηγήσει στη βασική ανάπτυξη και εμπορική διάδοση της τεχνολογίας RFID: Ηλεκτρονική Ραδιοσυχνοτήτων. Η ανάπτυξη στον κλάδο αυτό ξεκίνησε κατά τη διάρκεια του 2 ου Παγκοσμίου Πολέμου και συνεχίστηκε μέχρι τα μέσα της δεκαετίας Τα συστήματα κεραιών και τα RF ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούνται τόσο στους RFID ανιχνευτές όσο και στις ετικέτες βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε αυτήν την τεχνολογία. Πληροφορική (Information Technology). Τα συστήματα RFID περιλαμβάνουν ευέλικτα υπολογιστικά συστήματα που καθιστούν

20 Τεχνολογία RFID 18 δυνατή τη δικτύωση τους. Τα συστήματα αυτά είναι αποτέλεσμα ερευνών τα τελευταία 30 χρόνια. Τεχνολογία Υλικών. Επαναστατικές ανακαλύψεις στην τεχνολογία υλικών ιδιαίτερα κατά τη δεκαετία έχουν καταστήσει τις ετικέτες RFID φθηνές στην κατασκευή, με την τιμή 0,05$/ετικέτα στην παρούσα φάση να φαίνεται απολύτως εφικτή. Άμεση συνέπεια φυσικά θα είναι η ευρύτερη εμπορική διάδοση της εν λόγω τεχνολογίας. Εικόνα 1.5 Χρονολογίες ορόσημα στην εξέλιξη της τεχνολογίας RFID Εξέλιξη των RFID στο πέρασμα του χρόνου Προκειμένου να καθορίσουμε καλύτερα την ιστορία της συγκεκριμένης τεχνολογίας παραθέτουμε εν συντομία Εικόνα 1.5). τις βασικές εξελίξεις ανά δεκαετία (βλ. Πριν το 1940 Στο τελευταίο μισό του 19 ου αιώνα υπήρξε μεγάλη πρόοδος όσον αφορά τη γνώση μας σχετικά με την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Οι εργασίες των Faraday,

21 19 Κεφάλαιο 1 Maxwell, Hertz και υπολοίπων συνετέλεσαν στη δημιουργία ενός πλήρους σετ νόμων που περιγράφει τη φύση της. Ξεκινώντας το 1896 οι Marconi, Alexanderson, Baird, Watson και πολλοί άλλοι εφήρμοσαν αυτούς τους νόμους στις ραδιοεπικοινωνίες και τα ραντάρ. Η εργασίες αυτές ουσιαστικά αποτέλεσαν τα θεμέλια πολλών τεχνολογιών που εμφανίστηκαν αργότερα, μεταξύ των οποίων και τα RFID Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος Κατά τη διάρκεια του δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου συνέβησαν σημαντικές εξελίξεις όσον αφορά τις ραδιοεπικοινωνίες και τα ραντάρ. Πληθώρα επιστημόνων και μηχανικών ασχολήθηκαν εντατικά με την έρευνα αυτών των τομέων και προέκυψαν σημαντικές εφαρμογές. Μάλιστα τον Οκτώβριο του 1948 η δημοσίευση της εργασίας του Harry Stocman με τίτλο «Communications by Means of Reflected Power» θεωρείται ό,τι πλησιέστερο στη γέννηση της RFID τεχνολογίας Στα μέσα της δεκαετίας του 50, έρευνα τεχνολογιών πάνω στις οποίες βασίστηκε η τεχνολογία των RFID έλαβε σημαντική δράση. Πολλές νέες εργασίες δημοσιεύτηκαν, ενδεικτικά αναφέρουμε τις «Applications of the Microwave Homodyne» του F.L. Vernon και «Radio Transmission Systems with Modulatable Passive Responders» του D.B. Harris. Πέραν αυτών ο αμερικανικός στρατός ξεκίνησε την υλοποίηση μιας πρώιμης RFID τεχνολογίας αεροσκαφών, γνωστή με το όνομα IFF (identification Friend or Foe) Ανάπτυξη της RFID θεωρίας και πρώτες δοκιμές Η δεκαετία του 60 αποτέλεσε προοίμιο για την «έκρηξη» των RFID στην επόμενη δεκαετία. Ο R.F. Harrington πραγματοποίησε σημαντική έρευνα στο πεδίο της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας με τον τρόπο που εφαρμόζεται στα RFID, όπως περιγράφεται στις εργασίες του «Field Measurements Using Active Scatterers» και «Theory of Loaded Scatterers».

22 Τεχνολογία RFID 20 Επιπλέον αναδύθηκαν νέοι εφευρέσεις στο πεδίο αυτό. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αποτελούν οι εργασίες των Robert Richardson με τίτλο «Remotely Activated Radio Frequency Powered Devices», «Communication by Radar Beams» του Otto Rittenbac και «Passive Data Transmission Techniques Utilizing Radar Beams» του J.H. Vogelman. Αρκετές εμπορικές εφαρμογές ξεκίνησαν στα τέλη αυτής της δεκαετίας. Οι εταιρείες Sensormatic και Checpoint ήταν οι πρώτες που ανέπτυξαν αντικλεπτικά συστήματα βασισμένα στην εν λόγω τεχνολογία με την ονομασία EAS (electronic article surveillance). Τα συστήματα αυτά ενός bit ήταν ιδιαίτερα απλά, καθότι μπορούσαν να αναγνωρίσουν μόνο την παρουσία RFID ετικετών και όχι να εξάγουν κάποια συγκεκριμένη πληροφορία. Τα συστήματα αυτά ουσιαστικά αποτέλεσαν την πρώτη εμπορική επιτυχία της τεχνολογίας RFID RFID και πρώτες εφαρμογές Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας αυτής σημειώθηκε αξιοσημείωτη ανάπτυξη και αυτό διότι τότε ξεκινά η ουσιαστική ενασχόληση εταιρικών, πανεπιστημιακών και κυβερνητικών εργαστηρίων με την τεχνολογία RFID. Το 1975, το επιστημονικό εργαστήριο του Los Alamos δημοσίευσε στο κοινό μια από τις σημαντικότερες εργασίες με τίτλο «Short Range Radio telemetry for Electronic Identification Using Modulated Bacscatter» των Alfred Koelle, Steven Depp και Robert Freyman. Μεγάλες επιχειρήσεις όπως η RCA, Raytheon και Fairchild ξεκίνησαν την ανάπτυξη ηλεκτρονικού συστήματος αναγνώρισης. Μέχρι το 1978 η δημιουργία ενός παθητικού πομπού μικροκυμάτων είχε επιτευχθεί. Όπως ήταν αναμενόμενο η τεχνολογία αυτή κίνησε και το ενδιαφέρον αρκετών κυβερνητικών υπηρεσιών. Για παράδειγμα, οι διοικήσεις των λιμανιών της Νέας Υόρκης και του Νιου Τζέρσεϊ πειραματίστηκαν με εφαρμογές μεταφοράς υποβοηθούμενες από τις εταιρείες Philips, GE και Westinghouse. Μια ανάλογη πρακτική ακολούθησε και η U.S. Federal Highway Administration.

23 21 Κεφάλαιο 1 Πέραν αυτών βέβαια, πληθώρα μικρότερων εταιρειών επικεντρώθηκε επίσης στην έρευνα των RF ηλεκτρονικών και του ηλεκτρομαγνητισμού, που σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της επιστήμης των υπολογιστών, αποτέλεσε τη βάση της δημιουργίας των RFID hosts και των RFID ανιχνευτών Εμπορευματοποίηση Η δεκαετία αυτή έφερε μαζί την ευρεία εμπορική χρήση των RFID συστημάτων. Τα συστήματα αυτά ήταν ιδιαίτερα απλά. Βασικά παραδείγματα είναι τα συστήματα εισόδου χωρίς κλειδί και τα συστήματα ελέγχου πρόσβασης προσωπικού. Αργότερα αναπτύχθηκαν και αρκετές εφαρμογές μεταφοράς (π.χ. συστήματα RFID enabling railroad cars που χρησιμοποιήθηκαν από το συνεταιρισμό American Railroads). Επίσης τo 1987, στη Νορβηγία, αναπτύχθηκε η πρώτη παγκοσμίως εφαρμογή διοδίων. Γενικότερα, όλα τα συστήματα που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη δεκαετία ήταν ιδιόκτητα. Η ανυπαρξία συμβατότητας μεταξύ των συστημάτων αυτών και ο μικρός ανταγωνισμός στη βιομηχανία των RFID, είχαν ως αποτέλεσμα τη διατήρηση του κόστους σε υψηλά επίπεδα και την παρεμπόδιση ως ένα βαθμό της βιομηχανικής ανάπτυξης στον τομέα αυτό Στη δεκαετία η τεχνολογία των RFID επικρατεί στον τομέα των επιχειρήσεων και της τεχνολογίας. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας, συστήματα ελέγχου διοδίων χρησιμοποιούνται σε ολοένα και μεγαλύτερο βαθμό. Επιπρόσθετα, η εταιρεία Texas Instruments ξεκίνησε το δικό της TIRIS system το Το σύστημα αυτό ήταν μια καινοτόμος RFID εφαρμογή που διευκόλυνε τη διάθεση καυσίμων, όπως το SpeedPass της ExxonMobil. Αρκετές εταιρείες ξεκίνησαν επίσης την ενασχόληση τους με τον τομέα αυτό, όπως οι Philips, Miron, Alcatel και Bosch. Ταυτόχρονα, εμφανίζονται οι πρώτες supply chain και assetmanagement εφαρμογές. Μέχρι το τέλος της δεκαετίας, σημαντικές καινοτομίες της επιστήμης των υλικών και έρευνες από μεγάλες εταιρείες ημιαγωγών όπως οι IBM, Intel, AMD και

24 Τεχνολογία RFID 22 Μotorola βοήθησαν στην αντιμετώπιση του σημαντικότερου προβλήματος της εν λόγω τεχνολογίας, που είναι το κόστος των ετικετών, καθιστώντας την ακόμα πιο εμπορική. Ταυτόχρονα, με τη συνεργασία πολλών φορέων ξεκίνησαν και οι πρώτες προσπάθειες προτυποποίησης, προκειμένου να ξεπεραστούν τα όποια εμπόδια στην ανάπτυξη της βιομηχανίας των RFID και έπειτα Από τις αρχές του 2000 (βλ. Εικόνα 1.6), είχε ήδη γίνει προφανές ότι η τιμή του 0,05$/ετικέτα ήταν εφικτή και ότι η τεχνολογία RFID θα μπορούσε κάποια μέρα να αντικαταστήσει τα συστήματα bar code. Μάλιστα το 2003, τόσο η Wal Mart, όσο και το DoD (οι 2 παγκοσμίως μεγαλύτεροι λιανικοί πωλητές με τη μεγαλύτερη προμηθευτική αλυσίδα) υιοθέτησαν τη συγκεκριμένη τεχνολογία. Όπως ήταν φυσικό, ακολούθησαν και άλλες εταιρείες την ίδια τακτική, με τις Target, Procter&Gamble και Gillette να είναι κάποιες από αυτές. Εικόνα 1.6 Πρόβλεψη της πώλησης RFID tags μεταξύ , πηγή:instat 12/05 Επιπλέον, το 2003, το Auto ID Center συγχωνεύθηκε με την EPCglobal, όπου από κοινού διαμόρφωσαν το συμβούλιο Uniform Product Code, «πατέρα» του

25 23 Κεφάλαιο 1 συμβόλου UPC των bar code και του EAN. H τεχνολογία της ΕPC, υιοθετήθηκε τόσο από την Wal Mart, το DoD και τη βιομηχανία των RFID. Έτσι, πλέον υπήρχε μια κοινή πλατφόρμα και τα πρότυπα που έθεσε η EPC πιστοποιήθηκαν από την ISO το 2006, προσφέροντας με αυτό τον τρόπο στη βιομηχανία των RFID, ένα βασικό οδηγό (εκτενέστερη αναφορά στα υπάρχοντα πρότυπα θα γίνει παρακάτω). Από το 2007, το ενδιαφέρον στράφηκε στο item level tagging, δίνοντας έτσι στον τομέα των Logistics μια άλλη δυναμική. Είναι προφανές, πως τα επόμενα χρόνια θα εμφανιστούν ακόμα περισσότερες εφαρμογές. Η σύγκλιση όλων των υπαρχόντων προτύπων σε ένα, είναι βέβαιο πως θα δώσει μια νέα ώθηση στις εταιρείες να επενδύσουν στην τεχνολογία αυτή, αυξάνοντας την ανταγωνιστικότητα, μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος και επιταχύνοντας την ταχύτερη διείσδυση της. 1.3 RFID συστήματα και ορολογία Ένα βασικό RFID σύστημα αποτελείται από έναν ανιχνευτή (interrogator), πιο γνωστό ως reader, έναν ή περισσότερους πομπούς ετικέτες (tags), και κεραίες (antennas). Η κεραία του reader μπορεί να είναι είτε ενσωματωμένη, είτε ξεχωριστά συνδεδεμένη με καλωδίωση. Στα tags ωστόσο, η κεραία είναι ενσωματωμένη. Tα περισσότερα tags έχουν τουλάχιστον ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC), τσιπ πυριτίου, που περιλαμβάνει το tag ID, και τη λογική καθοδήγησης του πρωτοκόλλου επικοινωνίας μεταξύ tags και reader. Ο reader συνήθως μπορεί να περιλαμβάνει ένα user interface, αλλά στην πλειονότητα των περιπτώσεων είναι συνδεδεμένος με δίκτυο, ή με έναν host computer που χρησιμοποιεί ο χρήστης για να χειριστεί τον reader, να αποθηκεύσει και να επεξεργαστεί τα δεδομένα. Σε μικρούς οργανισμούς, η υποδομή συνήθως περιλαμβάνει μια βάση δεδομένων που τρέχει στον τοπικό υπολογιστή, ή ακόμα ένα απλό πρόγραμμα λογιστικού φύλλου (spreadsheet) που απλά καταγράφει τη λίστα των tags που ανιχνεύονται. Σε μεγαλύτερες επιχειρήσεις και οργανισμούς όμως, μια ευρύτερη γκάμα εφαρμογών, γνωστή με την ονομασία RFID middleware έρχεται να καλύψει το κενό μεταξύ των επιχειρησιακών διαδικασιών και των λειτουργιών των RFID συσκευών (βλ. Εικόνα 1.7). Έτσι συστήματα που χρησιμοποιούνται τύπου ERP

26 Τεχνολογία RFID 24 (enterprise resource planning system), WMS (warehouse management system), MRP (manufacturing resource planning), συνδέονται και αλληλεπιδρούν με ευκολία με τα RFID συστήματα, προς όφελος της εκάστοτε επιχείρησης οργανισμού. Εικόνα 1.7 RFID middleware αρχιτεκτονική. Υπάρχουν διαφόρων ειδών RFID, και στο ανώτερο επίπεδο κατηγοριοποίησης, διαχωρίζονται σε δυο κλάσεις. Τις active (ενεργητικού τύπου) και τις passive (παθητικού τύπου) συσκευές RFID Tags: Chips και Antennas o Δομή ενός RFID Tag Τα RFID tags, γνωστά και ως RFID εκπομποί, αποτελούνται από ένα τσιπ μνήμης και μια κεραία. Διαφοροποιούνται μεταξύ τους σε πολλά σημεία. Ένα βασικό κριτήριο αποτελεί η συχνότητα, που κυμαίνεται μεταξύ 125Hz στο LF εύρος και 5.8 GHz στο UHF εύρος, που είναι ένας καθοριστικός παράγοντας στο σχεδιασμό της κεραίας. Η πλειοψηφία των εκπομπών όμως, λειτουργούν στη συχνότητα των 13,56 MHz (HF) ή μεταξύ των 860 και 960 MHz (UHF). Εκπομποί τέτοιου είδους χρησιμοποιούνται κυρίως στο λιανεμπόριο και τα logistics.

27 25 Κεφάλαιο 1 Τα βασικά χαρακτηριστικά απόδοσης ενός tag, είναι το εύρος ανάγνωσης, η ταχύτητα αποστολής (data rate), η δυνατότητα bul read, και η συμπεριφορά όταν υπάρχει επιρροή από περιβάλλοντα αντικείμενα. Η συχνότητα, ο προσανατολισμός στο πεδίο του αναγνώστη, το σχέδιο και το μέγεθος της κεραίας καθορίζουν άμεσα το εύρος ανάγνωσης του tag, την ανθεκτικότητα σε περιβαλλοντικούς παράγοντες καθώς και τη δυνατότητα bul read. Η συχνότητα και το πρωτόκολλο αποστολής (anti collision αλγόριθμος), καθορίζουν το ρυθμό αποστολής δεδομένων ή την ταχύτητα bul read. Μια βασική κατηγοριοποίηση των tags, αφορά το αν είναι active, passive ή semi active. Οι active εκπομποί χρησιμοποιούν εσωτερική μπαταρία προκειμένου να παράγουν ραδιοσήματα. Οι semi active διεγείρονται από το πεδίο ανάγνωσης ενισχύοντας έτσι, την επιρροή του πεδίου και αποθηκεύοντας συχνά σε buffer τα δεδομένα. Αντιθέτως, οι passive εκπομποί μπορούν μόνο να διαμορφώσουν το πεδίο που εκπέμπεται από τον αναγνώστη προκειμένου να αποστείλουν δεδομένα. Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν ορισμένα παραδείγματα από επιστρώσεις RFID για RFID passive tags. Οι σπειροειδείς κεραίες (βλ. Εικόνα 1.8) υποδεικνύουν εύρος συχνοτήτων στα 13,56 MHz (HF). Στην εικόνα 1.9 φαίνονται καθαρά, tags που λειτουργούν μεταξύ των συχνοτήτων 860 και 960 MHz (UHF). Στην περίπτωση αυτή, οι κεραίες έχουν μορφή δίπολου. Τα ασυνήθιστα σχήματα κεραιών διπολικής μορφής συνεισφέρουν στη βέλτιστη λήψη σε διάφορα περιβάλλοντα εργασίας. Εικόνα 1.8 RFID Tags στα 13,56 MHz (HF).

28 Τεχνολογία RFID 26 Έναν ακόμη σημαντικό διαχωριστικό παράγοντα αποτελεί η δυνατότητα ανάγνωσης/εγγραφής των εκπομπών. Υπάρχουν τρεις τύποι: Read only tags Οι εκπομποί αυτοί παράγονται με έναν n bit μοναδικό σειριακό αριθμό για αναγνώριση. Κεντρικές βάσεις δεδομένων εξυπηρετούν τη διασύνδεση της πληροφορίας με τα αντικείμενα στα οποία προσκολλώνται. WORM tags (write once read many) Οι εκπομποί αυτού του είδους, επιτρέπουν μια και μόνο φορά την κωδικοποίηση πληροφορίας στο tag, που επιτρέπει όμως, απεριόριστο αριθμό αναγνώσεων (> φορές). Read/Write tags Οι εν λόγω εκπομποί έχουν ατομικές περιοχές μνήμης προς εγγραφή. Η πληροφορία μπορεί να εγγραφεί και να μεταβληθεί κατ ανάγκη. Δεδομένα αναφοράς, εντολές χειρισμού, ή δεδομένα επεξεργασίας μπορούν να αποθηκευτούν και να κωδικοποιηθούν ανάλογα. Τον πυρήνα του εκπομπού αποτελεί ένα τσιπ που χρησιμοποιείται προς αποθήκευση της πληροφορίας. Συνδυάζει τρία συστατικά στοιχεία: Ένα τμήμα υψηλών συχνοτήτων για την επεξεργασία των σημάτων και την εξαγωγή της απαιτούμενης ενέργειας από το ηλεκτρικό πεδίο. Μια μονάδα ελέγχου για την επεξεργασία των εντολών που λαμβάνει. Μια μονάδα μνήμης. Η πιο σημαντική παράμετρος στη χρήση των τσιπ είναι το μέγεθος της διαθέσιμης μνήμης, που συχνά αναφέρεται ως εύρος δεδομένων (data width). Μια βασική διαφοροποίηση γίνεται, όσον αφορά τη μνήμη χρήσης (user memory, συνήθως 96 bit για EPC συμβατά τσιπ), και άλλα κελιά μνήμης που αφορούν τον έλεγχο καταστάσεων (status control όπως κλείδωμα συγκεκριμένων θέσεων μνήμης, ή εντολές μόνιμης απενεργοποίησης) καθώς και τον έλεγχο δεδομένων (data control). Το μεγαλύτερο τσιπ που είναι διαθέσιμο σε UHF εύρος συχνοτήτων

29 27 Κεφάλαιο 1 προσφέρει bits, εκ των οποίων τα bits μπορούν να χρησιμοποιηθούν ελεύθερα. Τα απλούστερα tags έχουν εύρος δεδομένων ενός bit και δεν περιλαμβάνουν κάποιο τσιπ. Τέτοιου είδους 1 bit tags χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανία λιανικού εμπορίου, για παροχή προστασίας από κλέφτες (electronic article surveillance EAS). Συχνά περιέχουν μόνο ναι/όχι πληροφορία που μπορεί να μεταβληθεί (π.χ. πληρώθηκε/δεν πληρώθηκε). Ακόμα, όταν τα tags είναι προσκολλημένα στα πράγματα που έχει ψωνίσει κάποιος πελάτης, καθώς φεύγει από το κατάστημα και περάσει τις RFID κεραίες που υπάρχουν στην έξοδο, ένας προειδοποιητικός ήχος ενεργοποιείται (συναγερμός), αν τα αντικείμενα αγοράς δεν έχουν πληρωθεί στο κατάστημα ή αν το tag δεν έχει αφαιρεθεί από το αντικείμενο στο ταμείο. Οι εν λόγω εκπομποί δεν περιέχουν κάποια πληροφορία για το αντικείμενο Εικόνα 1.9 RFID Tags στα 868 ΜΗz (UHF). o Tag Antenna Η κεραία του RFID tag είναι το μέσο αλληλεπίδρασης μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που παράγονται από τον RFID αναγνώστη και το τσιπ. Όσο το δυνατόν μικρότερες κεραίες χρησιμοποιούνται στα tags.

30 Τεχνολογία RFID 28 Στις χαμηλές συχνότητες (HF) με μικρό εύρος ανάγνωσης, το tag πρέπει να βρίσκεται σε πολύ κοντινή απόσταση με την κεραία του αναγνώστη. Η ισχύς και τα σήματα μεταφέρονται μέσω μαγνητικής επαγωγικής σύζευξης. Η κεραία του tag, για αυτό το λόγο, είναι πηνίο (inductive loop). Αντιθέτως, στο UHF εύρος συχνοτήτων, όπου το εύρος ανάγνωσης είναι πολύ μεγαλύτερο, τα tags μπορούν να τοποθετηθούν σε μακρινή απόσταση από τον αναγνώστη. Η σύζευξη μεταξύ αναγνώστη και εκπομπού γίνεται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον ελεύθερο χώρο. Σημαντικό ρόλο σε αυτό παίζουν οι δομές κεραιών που χρησιμοποιούνται. Η κεραία του tag θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Εκτενής περιγραφή των απαιτήσεων θα γίνει παρακάτω. Τυπωμένες κεραίες είναι εύκολο να παραχθούν. Η κεραία ενσωματώνεται ως επίπεδη δομή σε ένα υπόστρωμα. Το επόμενο στάδιο στη διαδικασία παραγωγής περιλαμβάνει την προσκόλληση του τσιπ στο υπόστρωμα και τη διασύνδεση με την κεραία (η διαδικασία αυτή λέγεται inlay). Πρέπει να σημειωθεί βέβαια, ότι οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες των υλικών που περιβάλλουν το inlay, επηρεάζουν την ικανότητα επικοινωνίας του εκάστοτε tag. Σε ιδιαίτερες περιπτώσεις το tag δεν μπορεί να εντοπισθεί αν επιλεγούν ακατάλληλες κεραίες αναγνώστη. Ένας άλλος τύπος χρήσης, αφορά στην ενσωμάτωση του tag στο αντικείμενο που πρόκειται να αναγνωρισθεί. Τμήματα του αντικειμένου μπορούν να διαμορφωθούν κατάλληλα σε μορφή κεραίας, ώστε η κεραία να προσαρμοστεί κατάλληλα στο αντικείμενο. Μια μέθοδος του τύπου αυτού, συχνά αυξάνει σημαντικά την αναγνωσιμότητα. Οι διπολικές κεραίες προτιμούνται κυρίως στο UHF εύρος συχνοτήτων. Παρόλα αυτά, πολύ μικρές, ευθείες, διπολικές κεραίες έχουν μη επιθυμητή σύνθετη αντίσταση εισόδου, με αποτέλεσμα σημαντικές απώλειες. Κατά συνέπεια, τα δίπολα συχνά διπλώνονται ώστε να πάρουν τη μορφή μαιάνδρου ή δομών fractal, που προσφέρονται ιδιαίτερα, όσον αφορά τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Παρόμοιες μέθοδοι εφαρμόζονται σε απλές loop κεραίες.

31 29 Κεφάλαιο 1 Η δομή και το πάχος του υλικού πίσω από το δίπολο επηρεάζουν τις ιδιότητες της κεραίας του tag. Μια μεγάλη μεταλλική επιφάνεια (στο μισό του μεγέθους του μήκους κύματος) πίσω από το δίπολο, μπορεί να ανακλάσει το σήμα του αναγνώστη, με τέτοιο τρόπο ώστε το κύμα να ακυρωθεί στη θέση του tag, με αποτέλεσμα να μην είναι πλέον δυνατή η ανάγνωση του. Μονωτικά υλικά μπορούν να έχουν παρόμοια επίδραση. Οπότε γίνεται εύκολα κατανοητό, γιατί είναι σημαντικός ο προσεκτικός σχεδιασμός και η επιλογή κεραίας tag, προκειμένου να υπάρξει επιτυχής λειτουργία αναγνώρισης Air Interface και Bul Reading Ο όρος air interface περιγράφει τη σύνδεση μεταξύ αναγνώστη και εκπομπού. Η σύνδεση αυτή, περιλαμβάνει διάφορα επίπεδα. Ο αναγνώστης και το tag συνδέονται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Προκειμένου να ενεργοποιηθούν, ώστε να επικοινωνήσουν και να μεταφέρουν πληροφορία, το κύμα πρέπει να διαμορφωθεί. Ο τύπος της διαμόρφωσης και η μορφή του διαμορφωμένου σήματος, αποτελούν τμήμα των ιδιοτήτων του air interface. Εάν πρόκειται τα tags να αναγνωσθούν σε ανοικτά RFID συστήματα παγκοσμίως, απαιτούνται παγκόσμια πρότυπα προκειμένου να καθοριστεί όχι μόνο το air interface, αλλά και το εύρος συχνοτήτων στο οποίο πρόκειται να λειτουργήσουν. Στο HF εύρος συχνοτήτων, η συχνότητα των 13,56 MHz είναι διαθέσιμη σε όλο τον κόσμο. Όσον αφορά το UHF εύρος όμως, στην Ευρώπη χρησιμοποιείται η συχνότητα των 868 MHz, ενώ αντίθετα στην Αμερική η συχνότητα των 915 MHz. Οι RFID αναγνώστες είναι εκπομποί, οπότε οφείλουν να λειτουργούν μόνο στις ήδη προσδιορισμένες μπάντες συχνοτήτων. Αυτό με άλλα λόγια σημαίνει ότι τα UHF tags πρέπει να λειτουργούν σε όλο το εύρος συχνοτήτων μεταξύ 860 και 960 MHz. Αυτό όμως δημιουργεί ως επακόλουθο, περαιτέρω απαιτήσεις όσον αφορά το σχεδιασμό των κεραιών των tags, ενώ παράλληλα αυξάνει την τιμή τους. Στις HF συχνότητες, η near field διαδικασία εφαρμόζεται στην επικοινωνία tag αναγνώστη,

32 Τεχνολογία RFID 30 όταν η απόσταση ανάγνωσης είναι μικρή. Αντικείμενα στη γειτνιάζουσα περιοχή έχουν μικρή επίδραση στη σύζευξη. Όπως είναι φυσικό, η δύναμη καθορίζεται κυρίως από την απόσταση κεραίας αναγνώστη και κεραίας tag, καθώς και από την θέση και τον προσανατολισμό των τυλιγμάτων του καθενός. Εικόνα 1.10 Αντανακλάσεις στο εύρος ανίχνευσης της κεραίας του αναγνώστη. Το μεγάλο εύρος ανάγνωσης στις UHF συχνότητες, έχει ως αποτέλεσμα πολυπλοκότερες συνθήκες χρήσης. Ξένα αντικείμενα πίσω από το tag, στο μετρήσιμο πεδίο μπορούν να επηρεάσουν άμεσα το σύστημα tag αναγνώστη. Οι επιδράσεις αυτές μπορεί να είναι από απλή εξασθένηση του σήματος, μέχρι ανάκλαση ή διάθλαση του εκπεμπόμενου ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Αυτό βεβαίως, σημαίνει ότι κατά τη διαδικασία ανάγνωσης δε θα πρέπει να παρεμβάλλονται εμπόδια. Εξαιρέσεις αποτελούν τα πολύ λεπτά μονωτικά στρώματα, καθώς και υλικά με μικρές ιδιότητες εξασθένησης του σήματος και μικρή αγωγιμότητα, όπως χαρτί για παράδειγμα. Τα tags μπορούν να αναγνωσθούν ακόμα και αν βρίσκονται κάτω από κάποιο στεγνό κάλυμμα. Αν όμως το κάλυμμα αυτό είναι υγρό, είναι πολύ πιθανό να καταστεί αδύνατη η διαδικασία ανάγνωσης. Ένας ακόμα κρίσιμος παράγοντας είναι ο προσανατολισμός του αναγνώστη σε σχέση με την κεραία του tag κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάγνωσης.

33 31 Κεφάλαιο 1 Οπότε είναι φυσικό, πως θα πρέπει να προκαθορισθεί η βέλτιστη διαμόρφωση σε κάθε περίπτωση. Ο αναγνώστης και το tag επικοινωνούν, κάνοντας χρήση των κεραιών και ενός σετ εντολών. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας καθορίζεται έτσι, ούτως ώστε πρώτα να στέλνει εντολή ο αναγνώστης και στη συνέχεια να απαντά το τσιπ. Το σετ εντολών περιλαμβάνει εντολές για την ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων, για τον έλεγχο του πρωτοκόλλου anti collision, για το κλείδωμα συγκεκριμένων θέσεων μνήμης, και για την απενεργοποίηση του τσιπ (ill command). Εάν πολλά tags, εντοπιστούν στο πεδίο την ίδια στιγμή και διαβαστούν σχεδόν ταυτόχρονα, η διαδικασία αυτή ονομάζεται bul reading. Εδώ σημαντικό ρόλο αναλαμβάνει το πρωτόκολλο anti collision που χρησιμοποιείται (βλ. Εικόνα 1.11). Διαβεβαιώνει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ότι ο αναγνώστης καθορίζει μέρος του ID με την εντολή ανάγνωσης. Εάν απαντήσουν περισσότερα του ενός tag, ο αναγνώστης συνεχίζει να προσθέτει χαρακτήρες στο ID, μέχρις ότου να απαντήσει μόνο ένα. Στη συνέχεια το tag σβήνει. Το πρωτόκολλο αυτό επιτρέπει επεξεργασία μέχρι και 100 tags ανά δευτερόλεπτο. Εικόνα 1.11 RFID Reader anti collision πρωτόκολλο. Η αναγνωσιμότητα των tags είναι αυστηρά εξαρτημένη από τα υλικά, τη δομή, και τα μέρη στα οποία τοποθετούνται. Για παράδειγμα, είναι αδύνατο να αναγνωστεί ένα UHF tag εάν περιβάλλεται από μεταλλικά αντικείμενα, υγρά, ή άλλα υψηλής αγωγιμότητας και ανακλαστικότητας υλικά. Για αυτό το λόγο, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στην επιλογή του μέρους τοποθέτησης.

34 Τεχνολογία RFID RFID αναγνώστης και κεραία o Δομή του αναγνώστη Οι πληροφορίες των tags διαβάζονται και εγγράφονται από μια μονάδα RFID αναγνώστη κεραίας, συνδυάζοντας με αυτό τον τρόπο κεραία και συσκευή εγγραφής ανάγνωσης. Μια συσκευή συχνά συνδέεται σε περισσότερες κεραίες, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η διαδικασία ανίχνευσης. Οι αναγνώστες διαφοροποιούνται τεχνικά και λειτουργικά βάσει της χρήσης για την οποία προορίζονται και των συνθηκών του περιβάλλοντος στο οποίο εγκαθίστανται: Gate Readers Εγκαθίστανται συχνά σε πύλες ή ανοικτές διόδους από τις οποίες περνούν φορτηγά ή ανυψωτικά μηχανήματα. Σε τέτοιες περιπτώσεις απαιτείται μεγάλη αξιοπιστία και μεγάλο εύρος ανάγνωσης ακόμα και όταν τα tags τοποθετηθούν διαφορετικά. Αναγνώστες τέτοιου τύπου συχνά λειτουργούν με πολλαπλές κεραίες. Compact Readers Οι αναγνώστες αυτού του τύπου συνδυάζουν κεραία και συσκευή ανάγνωσης/εγγραφής σε μια συμπαγή δομή. Το κόστος τους συνήθως είναι πολύ μικρότερο από αυτό των Gate Readers, και συχνά πρέπει οι συνθήκες του περιβάλλοντος να μη δημιουργούν προβλήματα (βλ. Εικόνα 1.12). Vehicle mounted Readers Εγκαθίστανται συχνά σε οχήματα όπως γερανοί. Mobile Readers Συσκευές χειρός για χρήση εν κινήσει. Συσκευές αυτής της κατηγορίας είτε μεταφέρουν τα δεδομένα του tag άμεσα μέσω ασύρματης επικοινωνίας (π.χ. WLAN), είτε συλλέγουν δεδομένα σε built in μνήμη. Τα αποθηκευμένα δεδομένα μεταφέρονται συχνά σε PC.

35 33 Κεφάλαιο 1 Για ενσωμάτωση στα υψηλότερα επίπεδα λογισμικού μιας RFID αρχιτεκτονικής, οι RFID αναγνώστες συχνά υποστηρίζουν κατάλληλα interface επικοινωνίας όπως : WLAN και Internet (μέσω Ethernet ή TCP/IP). Point to point συνδέσεις: RS422 για σύνδεση με PLCs ή RS232. GSM, GPRS ή UMTS. Εικόνα 1.12 Compact και mobile RFID readers. Ορισμένοι αναγνώστες παρέχουν τη δυνατότητα συνδέσεων, προκειμένου να διευκολυνθεί η διαδικασία μηχανισμών ελέγχου, όπως ψηφιακές είσοδοι και έξοδοι των 24V, που χρησιμοποιούνται για των έλεγχο φαναριών ή εισόδων, που απελευθερώνονται μόλις τα δεδομένα του tag ελεγχθούν σε συγκεκριμένο σημείο. o Λειτουργικές απαιτήσεις Αρχικά ο αναγνώστης θα πρέπει να παρέχει υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας και υψηλούς ρυθμούς ανάγνωσης. Αυτό βέβαια έχει άμεση εξάρτηση από παραμέτρους, όπως ο αριθμός και ο προσανατολισμός των κεραιών, ο τύπος των tags που χρησιμοποιείται, το μέγεθος των δεδομένων που αποθηκεύεται, και τη θέση των tags. Αν περισσότερα του ενός tag εισέλθουν στο πεδίο ταυτόχρονα, μηχανισμός bul read χρησιμοποιείται. Αν όμως υπάρχει ανάγκη ανάγνωσης μεγάλου όγκου