Forprosjekt. RFID evaluering. En oversiktoveruhfog Microwave RFID teknologi. Figur 1: Illustrasjon Kilde: [1]

Forprosjekt RFID evaluering En oversiktoveruhfog Microwave RFID teknologi Figur 1: Illustrasjon Kilde: [1] RakelNilsen 31.03.2008

HØGSKOLEN I ØSTFOLD Avdeling for ingeniørfag Postadresse: 1757 Halden Besøksadresse: Tuneveien 20, 1710 Sarpsborg Telefon: 69 10 40 00 Telefaks: 69 10 40 02 E-post: post-ir@hiof.no www.hiof.no FORPROSJEKTRAPPORT Prosjektkategori: Hovedprosjekt Fritt tilgjengelig Omfang i studiepoeng: 15 studiepoeng Fritt tilgjengelig etter: Fagområde: Elektronikk Tilgjengelig etter avtale X med samarbeidspartner Rapporttittel: RFID evaluering Forfattere: Rakel Nilsen Avdeling / linje: Avdeling for Ingeniørfag, Elektro Dato: Antall sider: Antall vedlegg: Veileder: Åge Johansen, Hiof Prosjektnummer: H08E01 Utført i samarbeid med: BioControl AS, Rakkestad Kontaktperson hos samarbeidspartner: Raymond Solem Ekstrakt: 3 emneord: RFID UHF TRANSPONDER

Forord Bakgrunnen for denne rapporten er å lage en utledning om høyfrekvent RFID slik at BioControl AS kan få en bra forståelse av teknologien, og på den måten avgjøre om de vil implementer den i sine produkter, eller utvikle nye. Hovedprosjektet utgjør 15 studiepoeng i siste semester av 3 års bachelor studie. Dette prosjektet utføres av en student alene, men slik oppgaven er formulert bør ikke det bli noe problem. Jeg takker BioControl for tildeling av prosjektet.

Sammendrag Denne forprosjektrapporten beskriver hovedprosjektet for Bachelor studiet i elektronikk. BioControl AS utvikler RFID løsninger for landbruket. Teknologien som brukes er lavfrekvent RFID (125-134 khz). De holder til på Grimstad Gård i Rakkestad, Østfold. Deres fagfelt er innen elektronisk identifisering, matesystem for ku og kalv og produktutvikling. BioControl ønsker å lære om høyfrekvent RFID, som er UHF (860-930 MHz) og Microwave (2.4 GHz og 5.8 GHz), for å se om det er anvendelig innenfor deres fagfelt. Begge teknologiene er omfattende, og i tillegg må utstyr for testing kjøpes inn. Det er innhentet tilbud på noen forskjellige pakker. Sist er det satt opp et tidsskjema med gantt diagram, og kostnadsoverslag for prosjektet.

Innhold Forord... 3 Sammendrag... 4 Ordliste... 6 1. Innledning... 7 1.1 Bakgrunn... 7 1.2 Oppgaveteksten... 7 1.3 Rapportens oppbygning... 7 2. Teknisk del... 8 2.1 Problemstilling... 8 2.2 Mål... 8 2.2.1 Effektmål... 8 2.2.2 Resultatmål... 8 2.2.3 Prosessmål... 8 2.3 Grunnleggende om RFID... 8 2.4 RFID frekvensene... 9 2.4.1 Fordeler og ulemper ved UHF og Microwave frekvenser... 9 2.4.2 UHF frekvensspekter... 10 2.5 RFID applikasjoner... 10 2.5.1 UHF RFID... 10 2.5.2 Microwave RFID... 10 2.6 Transpondere... 11 2.6.1 Passive transpondere... 11 2.7 Antenner... 12 2.7.1 UHF Transponder-antenne typer... 12 2.7.2 Leser antenne typer... 13 2.8 Standarder og Protokoller... 14 2.8.1 EPCGlobal RFID Standarder:... 14 2.8.2 ISO/IEC RFID Standarder... 14 3 Prosjektet... 16 3.1 Prosjektdeltager... 16 3.2 Tids- og kostnadsplan... 16 3.2.1 Tidsforbruk... 17 3.2.2 Kostnadsoversikt... 17 Kildeliste... 18

Ordliste EIRP EPC ERP ETSI FCC FHSS HF IEC ISO LBT LF MIT RFID UHF Equivalent Isotropically Radiated Power Electronic Product Code Effective Radiated Power European Telecommunications Standards Institute Federal Communications Commission Frequency Hopping Spread Spectrum High Frequency International Electrotechnical Commission International Organisation for Standardization Listen Before Talk Low Frequency Massachusetts Institute of Technology Radio Frequency IDentification Ultra High Frequency

1. Innledning 1.1 Bakgrunn Bakgrunnen for denne rapporten er å utrede teknologien til UHF (Ultra High Frequency) RFID og Microwave RFID, også kalt Long Range RFID og Active RFID, for BioControl AS i Rakkestad, Østfold. RFID har eksistert siden andre verdenskrig, da engelskmennene brukte RFID til å skille egne fly fra fienden. I dag er finnes RFID overalt rundt oss. Det brukes i AutoPass brikken i bilen, i varedistribusjon/lager, bibliotek, idrett, husdyr kontroll, helse/medisin og flere. 1.2 Oppgaveteksten Formålet med oppgaven er å bli kjent med alle forskjellige aspekter ved UHF og Microwave teknologiene: o Hva type applikasjoner blir de to teknologiene brukt til i dag? o Hva slags type transpondere finnes for de to teknologiene? o Hva slags type antenner finnes for 900MHz og 2,45GHz? o Fordeler ulemper ved de forskjellige antennene? o Fordeler ulemper ved teknologiene? o Mål rekkevidder for ulike transpondere ved ulike antenner for de to teknologiene (hvordan påvirkes rekkevidden av transponderens vinkel mot feltet?). o Hvordan påvirkes teknologiene av støy i omgivelsene? o Hvordan påvirkes teknologiene av refleksjoner? o Hvordan påvirkes transponderne av fukt, møkk, metall og annet materiale og så videre? BioControl As har allerede en 2,45GHz leser av type TagMaster S1500 WiseMan (communicator). I tillegg vil det bli kjøpt inn utstyr for UHF. Dersom det skulle bli tid til overs vil oppgaven kunne bli utvidet. Utvidelsen kan for eksempel bestå av en spesifikk applikasjon. 1.3 Rapportens oppbygning Innledningsvis beskrives bakgrunn og oppgaven. Del to beskriver teknologien, og tar for seg litt av hver del i oppgaveteksten. Del tre viser prosjektplan.

2. Teknisk del 2.1 Problemstilling BioControl AS utvikler produkter innen lavfrekvent RFID. De ønsker å lære mer om UHF og Microwave RFID, og hovedoppgaven er å dokumentere alle teknologiske aspektene ved disse. Foruten å lese om teknologiene, skal det testes under forskjellige forhold. BioControl har en 2,45 GHz RFID leser, en TagMaster S1500 WiseMan. I tillegg skal UHF utstyr kjøpes inn. Det er ennå ikke bestemt hvilken type. 2.2 Mål 2.2.1 Effektmål o BioControl kan bruke teknologien i fremtidige produkter 2.2.2 Resultatmål o Lage grundig dokumentasjon til UHF og Microwave RFID o Skrive god rapport 2.2.3 Prosessmål o Økt teknisk kompetanse inne RFID o Skaffe bedriftsrelasjoner o Få øvelse i tidsbegrenset prosjektarbeid 2.3 Grunnleggende om RFID [2] Kort fortalt er RFID en måte å identifisere en person eller et objekt ved radiobølger. Systemet består av en transponder (tag, med en microchip og antenne) og en leser (kan ha flere antenner) som ofte er knyttet til en PC eller en microcontroller. RFID opererer på forskjellige frekvenser, men felles for alle er at de ikke bruker så mye effekt, og dermed begrenses leseavstanden. Det er allikevel stor forskjell i leseavstander, som avhenger av frekvens, type tag, antenne, leser og miljø.

2.4 RFID frekvensene RFID frekvensspekteret er: LF: 125-135 khz HF: 13,56 khz UHF: 433 MHz og 860-960 MHz Microwave: 2,45 GHz og 5,8 GHz I denne oppgaven beskrives UHF (860-960 MHz) og Microwave teknologiene. 2.4.1 Fordeler og ulemper ved UHF og Microwave frekvenser [3] [4] Radiobølgene har forskjellige egenskaper etter hvilken frekvens de opererer i. Lave frekvenser trenger lett gjennom vegger og vann, men ikke metall. Når frekvensene øker tilnærmer de seg egenskapene til lysbølger: Det er vanskeligere å trenge gjennom materialer, og de reflekteres av mange objekter. UHF Radiobølger på UHF nivå absorberes av vann og reflekteres av metall, men har raskere dataoverføring enn LF og HF, og kan derfor overføre mer. UHF transponderne kan få sin energi fra både det elektriske og magnetiske feltet i radiobølgen. I fjern-feltet, hvor E-feltet virker, reflekterer transponderen signalet tilbake til sender ved en metode kalt kapasitiv backscatter. Dette gir lengre leseavstand enn LF og HF, som får energien sin fra det magnetiske feltet utstrålt fra leserantennen, kalt induktiv kobling. Microwave RF Typisk frekvens er 2,45 GHz. Microwave RF har enda raskere overføringshastighet enn UHF, og fungerer også dårlig i nærheten av vann og metall. Mer enn UHF blir den påvirket av interferens fra elektriske enheter og annen støy. Da antennestørrelsen til en passiv transponder på denne frekvensen er invers proporsjonal med frekvensen, kan transpondere lages veldig små. UHF og Microwave er mer avhengig av fri sikt enn LF og HF, men de har lengre rekkevidde, hvilket er viktig innen logistikk. I tillegg gir høyere frekvenser mindre antenner, og det igjen gir lavere produksjonskostnader. Disse egenskapene gjør at det satses mer og mer på UHF og Microwave RFID.

2.4.2 UHF frekvensspekter Europa Nord-/Sør Australia Japan China Amerika Frekvens i MHz 865-868 902-928 920-926 910-956 840,25-844,75 920,25-924,75 Båndbredde i khz 200 500 Maks. utstrålt 2W ERP 4 W EIRP 4 W EIRP 4 W EIRP 2 W ERP leser effekt Leser-til-tag LBT FHSS LBT FHSS kommunikasjonsteknikk Tabell 1: UHF global frekvensspekter Kilde: [5] EIRP = ERP 1,64 2.5 RFID applikasjoner 2.5.1 UHF RFID o High-speed sport timing and scoring: Måling av motorkjøretøy i konkurranser. Foreløpig på teststadiet. [6] o LA-maraton: Chrono Track Systems Inc. Har et tidssystem for gateløp, bygget på Impinj UHF Gen 2 RFID[7] 2.5.2 Microwave RFID o Internorm, Østerrike: dør og vindu produsent: Bruker RFID for å registrere ferdige varer ut av lager. Hvilken trailer/container de sendes med. Registrer når trailer/container kommer tilbake, og på den måten ha oversikt over hvor de forskjellige trailerne/containere har vært. [8]

2.6 Transpondere Det finnes 3 typer transponder: passiv, semi-passiv og aktiv. Passiv: Får all energi fra strålingsfeltet til leserantennen Semi-passiv: Har egen energikilde (batteri), og kan derfor fungere ved lavere signaleffekt fra leseren. Dette gir lengre leseavstand enn en passiv transponder. Den har ikke egen sender, og er derfor avhengig av leserens strålingsfelt til å kommunisere tilbake til leseren. Aktiv: Har både egen energikilde (batteri) og egen sender som genererer energi til antennen. Dette gir aktive transpondere lengre rekkevidde enn semi-passive. UHF RFID Microwave RFID Frekvens 860 960 MHz 2,45 GHz og 5,8 GHz Vanlig Passiv opp til 15m Passiv * leseavstand Semi-passiv opp til 35 m Semi-passiv * Aktiv opp til 230 m Aktiv opp til 100 m Tabell 2: UHF og Microwave RFID. Kilde [9] [10] *vil bli utredet i hovedrapport I denne oppgaven vil det bli lagt vekt på passive transpondere. 2.6.1 Passive transpondere Det som skiller UHF og Microwave transpondere fra LF og HF er måten de kommuniserer med leseren på. Mens LF og HF transpondere utnytter det magnetiske nær-feltet til leserantennen, kalt induktiv kobling, benytter UHF og Microwave transpondere fjern-feltet. I fjernfeltet er bare E-feltet aktiv, og kommunikasjonen tilbake til leseren kalles kapasitiv backscatter. Transpondere for tøftmiljø GAO RFID Inc., Canada, har utviklet en UHF 865 MHz. Gen 2 Harsh Environment/Metal/Liguid RFID brikke. [11] Omni-ID har også utviklet en UHF brikke for tøft miljø. De lover en leseavstand på over 1,5 m. [12] Nye UHFtag for dyremerking. Ved Auto-ID lab at Adelaide, Australia, har de forsket på HF og UHF brikker til bruk på dyr. Testene viste at HF brikkene fungerte godt, men var ikke så pålitelige som ønsket. Derimot var testen av UHF brikker vellykket, og det er gledelig fordi dette oppsettet var lett og billig å konstruere. [18]

2.7 Antenner Som nevnt tidligere vil høyere frekvenser kreve mindre antenner. Både for UHF og Microwave brukes forskjellige typer. 2.7.1 UHF Transponder-antenne typer Det er uendelig mange variasjoner av antenner som kan brukes for UHF. Antennelengden er direkte proporsjonal med frekvensens bølgelengde. Figur 2 og 3 viser noen dipol antenne design. [13] Figur 2 og 3: UHF dipol antenne typer. Kilde: Figure 1-7 [13] Det er antennen som bestemmer størrelsen på transponderen, da den er mye større enn microchipen. Og antennen designes på grunnlag av en eller flere faktorer, som: o Leseavstand o Kjent vinkel mellom transponder og leser o Vilkårlig vinkel mellom transponder og leser o Bestemt produkt o Objektets hastighet o Miljø o Leser antennens polarisasjon Tabell 3 viser noen av de mange transponderantennene som finnes

Thin Propeller antenne En høy effektiv dipol konfigurasjon fra Impinj. Et ideelt valg for fjern-felt antenne. Str: 8 mm x 95 mm Satellitt antenne En loop/dipol hybrid konfigurasjon for både nær- og fjern-felt antenne. Str: 18 mm x 32 mm Button antenne En loop konfigurasjon for en nær-felt antenne Str: 9 mm PaperClip antenne En loop konfigurasjon for en nær-felt antenne Str: 8 mm x 15 mm Tabell 3: Noen transponderantenner fra Impinj Kilde: [14] 2.7.2 Leser antenne typer Lesere bruker lineær og sirkulær polarisasjon. Ofte er leserantennene en patch antenne. Figur 4: Patch antenne Kilde: Figure 1-35 An basic patch antenna [13] Figur 5: Antenne stråling

2.8 Standarder og Protokoller Tidligere var standardene proprietære, og fabrikkene utviklet egne plattformer. I 1999 ble Auto-ID dannet av en del store aktører og leverandører med støtte fra MIT. Hensikten var å komme frem til en standard for infrastruktur og merking innen høyfrekvente RFID-systemer. Ut fra dette samarbeidet ble Electronic Product Code, EPC, utviklet. EPC er et unikt nummer som hvert produkt får, slik at det kan spores i hele produktkjeden. Figur 6: Electronic Product Code Kilde: [15] Da Auto-ID Center ble lagt ned i 2003 ble EPC overført til EPCGlobal som skulle administrere og videreutvikle EPC standarder. 2.8.1 EPCGlobal RFID Standarder: EPC Class 0 : Identity Tags (Read only) EPC Class 1 : Identity Tags (Write Once / Read Many) EPC Class 2 : Higher Functionality Tags (Read / Write) EPC Class 3 : Semi Passive Tags (Read / Write with battery power to enhance range) EPC Class 4 : Active Tags (Read / Write active transmitter) UHF Class 1 Gen 1 : C1G1 at 860-930MHz, is not backward compatible with Class 0. UHF Class 1 Gen 2 : C1G2 at 860-960MHz, is merging with the C1G1 and Class 0 standard. Kilde: [16] 2.8.2 ISO/IEC RFID Standarder ISO har utviklet forskjellige standarder for RFID. ISO 18000 serien er utviklet for automatisk identifisering og vareforvaltning.

ISO/IEC 11784 : Standard for Animal Identification - code structure ISO/IEC 11785 : Standard for Animal Identification - technical concept ISO/IEC 14443 : Standard for air interface protocol for proximity cards (offer limited read range for security, around 10cm) ISO/IEC 15693 : Standard for air interface protocol for vicinity cards, smart tags (offer longer read range, around 1.5m) ISO/IEC 18000-1 : Generic Parameter for Air Interface Communications for Globally Accepted Frequencies ISO/IEC 18000-2 : Parameters for Air Interface Communications below 135 khz (ISO LF standard) ISO/IEC 18000-3 : Parameters for Air Interface Communications at 13.56 MHz (ISO HF standard) ISO/IEC 18000-4 : Parameters for Air Interface Communications at 2.45 GHz (ISO Microwave standard) ISO/IEC 18000-5 : Parameters for Air Interface Communications at 5.8 GHz ISO/IEC 18000-6 : Parameters for Air Interface Communications at 860 to 930MHz (ISO UHF standard) ISO/IEC 18000-7 : Parameters for Air Interface Communications at 433.92 MHz ISO/IEC 18092:2004 : Near Field Communication - Interface and Protocol (NFCIP-1) Kilde: [17]

3 Prosjektet 3.1 Prosjektdeltager Rakel Nilsen Alder: 41 Utdanning: 2005- Høgskolen i Østfold, Avdeling for Ingeniør, Elektronikk 1997-1998 Næringsakademiet, Oslo, EDB-Prosjekt 1996-1997 Norges Markedshøyskole, Oslo, Grunnfag Markedsøkonomi (mangler 2 eksamener) 1883-1986 Kongsbakken vgs, Tromsø, Naturfaglig linje Jobb (utvalgte): 2003- Vikar/sesongansatt på i Hurtigruten og i Color Line AS. 2004-2005 Ca 6 måneder hos Byggmakker, Interiøravdeling 1998-2003 Nettverksadministrator 1988-1995 Fabrikktråler og Hurtigruten. Produksjon og forpleining 3.2 Tids- og kostnadsplan Figur 7: Gantt diagram

Forklaring til Ganttdiagram Teknisk fordypning Her skal teknologiene for hver del dokumenteres grundig i henhold til oppgaveteksten. Tidsforbruket kan variere for hver del, men alt skal være ferdig innen fristen 05.05. Gjerne før. Utstyr Da det skal forskes på to forskjellige frekvenser, med forskjellig utstyr, vil det være nødvendig med den avsatte tiden. Det beregnes tidlig ferdig, slik at siste uken kan brukes til hovedrapporten. 3.2.1 Tidsforbruk Med 37,5 timers uke i 12 uker er beregnet tidsforbruk 450 timer. Dette er gjennomsnittlig, da det tajes høyde for at arbeidsmengden kan øke mot slutten, og at sykdom kan inntreffe. 3.2.2 Kostnadsoversikt Tekst Type Antall Enhetspris Total Arbeid Timepris 450 180 81000 Rekvisita Blekk, papir, 250 hefter RFID utstyr * Evaluerings 1 13000 13000 kit RFID 500 transpondere Total 94250 Tabell 4 *RFID utstyr Det er ikke bestilt inn utstyr ennå. Heller ikke transpondere. Det vil bli avklart i løpet av uke 14. Disse pakkene er det innhentet tilbud på: o ATAK559001-8 Long-range UHF Reader Demonstration kit fra Atmel Pris: 2760 o UHF Long-range Reader starter kit fra Idtronic i Tyskland Pris: 1290 o ID ISC.LRU2000i-A EU UHF LR (integrerad antenn) + ID NET.24V-B Power Supply + ID ISC.ANT.C6-A UHF ANTENNA CABLE fra Electrona AB i Sverige. Pris: 26515 SEK + moms

Kildeliste [1] http://www.alotangus.org/newsletters/2007summer.html [2] http://www.printronix.com/library/assets/public/case-studies/rfid-laran-whitepaper-english.pdf [3] http://www.rfidjournal.com/article/articleview/1337/1/129/ [4] http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=413662 [5] http://www.epcglobalinc.org/tech/freq_reg/rfid_at_uhf_regulations_2008 0120.pdf [6] http://press-releases.techwhack.com/17588-alien-technology-2 [7] http://www.impinj.com/news-events/release.aspx?id=2087 [8] http://www.rfidjournal.com/article/articleview/3927/1/1/ [9] http://www.upmraflatac.com/europe/eng/rfidproducts/uhfproducts/ [10] http://www.kswmicrotec.de/index.php?ilnkid=34&il=2&phpsessid=2c4b7b5c2069299 874c4f67795614215 [11] http://www.gaorfid.com/index.php?main_page=product_info&cpath=87&pro ducts_id=562 [12] http://www.omni-id.com/pdfs/omni-id_prox_eur.pdf [13] http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=413662&seqnum=2 [14] http://www.impinj.com/pdf/tag_antenna-final.pdf [15] http://www.printronix.com/library/assets/public/case-studies/rfid-laran-whitepaper-english.pdf [16] http://www.elastic-rfid.com/index.php?cmsid=5 [17] http://www.elastic-rfid.com/index.php?cmsid=5 [18] http://www.rfidjournal.com/article/articleview/3912/1/128/