پایان نامه ابزار تشخیص امواج رادیویی ( RFID )

پایان نامه دوره کارشناسی کامپیوتر گرایش

سخت افزار

چکیده

در شناسایی امواج رادیویی RFID از یک متد از انباره های دور افتاده و داده های بازیافتی در برچسب های کوچک و ارزان استفاده می شود. سیستم های RFID از برچسب های دارای شناسه منحصر به فرد و دستگاه های خواننده که برای مدیریت و دستیابی به اطلاعات آنها می باشند تشکیل شده اند.

شناسایی خودکار از طریق فرکانس رادیویی به دنبال ایجاد تغییرات کلی در زمینه مدیریت زنجیره تولید است و می­کوشد تا به صرفه­ جویی اقتصادی در کلیه خطوط از بالا تا پایین بپردازد. RFID در ابتدای استفاده از آن، در بهبود مدیریت زنجیره تولید صنایع مختلف و مکان­هایی که مدیریت پیگیری کالاها از اهمیت ویژه­ای برخوردار بود، مورداستفاده قرار می­گرفت. اما کم کم با ظهور شبکه جهانی کدهای الکترونیکی، ارزش RFID  بیش از پیش برای صاحبان صنایع مشخص شد. با استفاده از این شبکه، چالش­های دنیای واقعی از طریق انتشار خودکار اطلاعات، ارزیابی لحظه­ای و یا دقت اطلاعات برای همه بخش­های موجود در زنجیره تولید برطرف شد. لذا در دو فصل ابتدایی به بررسی نرم افزاری و سخت افزاری آن پرداخته ایم. با توجه به این که فناوریRFID با سرعت چشمگیری در حال رشد و توسعه بوده و بالطبع هر نوع تکنولوژی با این سرعت رشد گاها دچار نواقصی نیز می باشد. نکته ای که وجود دارد این است که تنها نباید نکات مثبت این تکنولوژی را مشاهده کرد و چشمانمان را بر روی نکات منفی آن ببندیم. واقعیت این است که در RFID نیز همچون سایر تکنولوژیهای موجود تهدیداتی وجود دارد که اگر با دقت نظر به آنها نگاه نشود آنچنان اثرات مخربی از خود به جای خواهد گذاشت که همه ما روزی عطای آن را به لقایش خواهیم بخشید. بنابر این بررسی تهدیدات موجود در این تکنولوژی که مهمترین آن بحث امنیت و نبود استانداردهای واحد در این زمینه می باشد، اهمیت کمتری نسبت به مباحث تحقیقاتی در زمینه رشد آن ندارد. در واقع RFID با توجه به ماهیت عملکردی آن تهدیدات امنیتی خاصی دارد که در این پروژه  ابتدا این تهدیدات بصورت دسته بندی شده در آمده و در نهایت مبحث پروتکل های موجود برای افزایش امنیت و خصوصی ساری سیستم های RFID در فصل انتهایی ذکرگردیده است.

               واژه‌های کلیدی

برچسب، خواننده، میان افزار، EPC ، فرکانس، استاندارد، ISO،       امنیت، رمزK، محافظ، پراکسی. 

مقدمه

RFID[1] به معنی ابزار تشخیص امواج رادیویی است. RFID  یک تکنولوژی برای شناسایی خودکار اشیا است. در برچسب های RFID یک وسیله الکتریکی با یک قلم کالا ضمیمه می شود و به مجرد درخواست انتقال کالا اطلاعاتی را از قبیل ویژگی محصولات و... در اختیار قرار می دهد.

برچسب RFID دستگاه ­الکترونیکی کوچکی است که شامل یک تراشه کوچک و یک آنتن می­باشد. این تراشه قادر به حمل 2000 بایت اطلاعات یا کمتر است. برای روشن­تر شدن مطلب می­توان گفت دستگاه RFID کاربردی شبیه بارکد و نوارهای مغناطیسی نصب شده روی کارت های اعتباری[2] دارد. RFID  برای هر شی یک مشخصه واحد ایجاد می کند که از دیگر اشیا قابل شناسایی خواهد شد. و همین طور که از روی بارکد یا نوار مغناطیسی می­توان اطلاعات را خواندRFID هم می­تواند توسط خواننده ها، خوانده شده و از آن طریق اطلاعات آن دریافت یا اصلاح شود. .در سالهای اخیر روش های شناسایی خودکار[3] در میان صنایع، حرفه ها و شرکتهای مختلف عمومیت یافته اند. از این روشها برای جمع آوری اطلاعات در مورد افراد، حیوانات، کالاها و محصولات در حال حمل استفاده می شود.

جدول 1  انتهای مقدمه، ضمن مقایسه سامانه های عمومی خودکار مزایا و معایب هر یک را نیز نشان می دهد.  به نظر می رسد که فناوری شناسایی با امواج فرکانس رادیویی یا  RFID  فناوری نوینی است که انقلابی در بهره وری تجاری به وجود آورده است. خواننده ها  می توانند برچسب ها را با سرعت هزاران متر در ثانیه اسکن کنند. محصولات هنگامی که از یک جایگاه به جایگاه دیگر حرکت داده می شوند ردیابی می گردند. اصلاح کردن صنعتی واسطه ها، حمایت از زنجیره مدیریت و بهترین لیست موجودی محصولات، تجدید حیوانات در نوعی که کمبود دارند همگی می تواند از کاربردهای RFID باشد. در مبحثی بحث انگیز برچسب ها می توانند برای شناسایی انسانها استفاده گردند (به خصوص در مدارس کودکان).

 RFID فرکانس پایین در طی بیش از یک دهه در برخی محیطهای صنعتی در دنیا استفاده می شد، اما تصمیم اخیر فروشگاه های زنجیره‌ای Walmart و وزارت دفاع آمریکا در دستور به تأمین کنندگان تجهیزاتشان برای استفاده از RFID با فرکانس بسیار بالا بعنوان ابزار مدیریت منابع، توجه همه جانبه‌ای را در محیطهای صنعتی و علمی بسوی آن جلب کرده است.

ارائه کنندگان این فناوری معتقدند که RFID به میزان زیادی از هزینه ها خواهد کاست و با افزایش قابلیت رؤیت تمام زنجیره تامین، ما را گامی به سوی یکپارچگی واقعی و زنجیره تامین مجازی به پیش می‌برد. در مقابل، منتقدین بر این نظرند که چالشهای فنی بزرگی مانند هماهنگی با زیرساخت IT  موجود و قیمت بالای برچسب های RFID و نیاز به تغییرات ساختاری برای تطبیق با آن، مانند تغییر در شیوه پردازش داده های تجاری، مانع استفاده از این فناوری است. مانع بزرگ دیگری که بر سر راه گسترش RFID است، استانداردهای آن است. در تجارت جهانی، مشکل سازگاری بین سیستمهای RFID در نقاط مختلف جهان، مصرف کنندگان را از سرمایه گزاری عمده بر روی این فناوری باز می دارد. با این حال این حقیقت که ارتباط بین برچسب ها و خواننده های RFID بی سیم است و نیاز به اتصالات فیزیکی ندارد احتمال سوء استفاده و نقض امنیت کاربر را به وجود می آورد.

 در این پروژه ابتدا به بررسی ساختار کلی سیستم هایRFID و نحوه عملکرد زیرسیستم های آن و چگونگی پیشروی آن در زنجیره تولید می پردازیم. در فصل دوم آشنایی بیشتر با ساختار فیزیکی و گستره فرکانس ها و استانداردهای در حال اجرا و در دسترس سیستم های RFID  را دنبال می کنیم و در مبحث مهم فصل بعدی به موانع اصلی عدم مقبولیت سیستم های RFID  می پردازیم و در نهایت با توجه به این که عدم رعایت مسائل امنیتی در سیستم ها می تواند موجب استراق سمع و دسترسی غیرمجاز متخلفان به اطلاعات ذخیره شده در برچسب ها گردد و امنیت کاربران به خطر اندازد، فصلی را به روشهای پیاده سازی امنیت و خصوصی سازی در سیستم های RFID  می پردازیم.

فصل یک                                                           

بررسی نرم افزاری سیستم RFID

و عملکرد EPC در آن

مشخصات سامانه RFID

سیستم هایRFID اساسا از برچسب[4] ها وخواننده[5] ها تشکیل شده اند. یک برچسب RFID به عنوان یک انتقال دهنده شناخته می شود که شامل آنتن و یک میکرو چیپ می باشد. میکرو چیپ برای ذخیره اطلاعات و انجام عملیات قانونی انتقال اطلاعات و آنتن جهت برقراری ارتباط با خواننده استفاده می شود، هنگامی که خواننده از برچسب در خواست اطلاعات می نماید برچسب اطلاعات شناسایی نظیر RF خود را از طریق سیگنالهای فرکانس رادیویی ارسال می کند.

 یک خواننده RFID معمولا شامل یک مدل RF[6] بخش کنترل و تجهیزات الکترونیکی از قبیل آنتن جهت برقراری ارتباط از طریق RF است. برای اینکه بفهمید یک خواننده RFID چگونه یک برچسب و شناسه واحد آن را تشخیص می دهد، سناریویی را مبنی بر شکل زیردر نظر بگیرید.

در این شکل، خوانندهRFID  سیگنال های رادیویی را با فرکانس خاص و مدت تاخیر مشخص ارسال می کند (معمولا صدها مرتبه در ثانیه) .هر برچسب که دارای دستگاه فرکانس رادیویی و در محدوده دستگاه خواننده می باشد، از طریق ارسال بازتاب اعلام موجودیت می کند. به این دلیل که هر کدام از برچسب ها، دارای یک آنتن داخلی هستند و قابلیت گوش فرا دادن به سیگنال رادیویی در فرکانس تعیین شده را دارند.

اندازه و شکل آنتن مشخص می کند که با چه فرکانسی فعال گردد. برچسب ها از انرژی ارسال شده از جانب خواننده جهت بازتاب آن استفاده می کنند. برچسب ها میتواند سیگنال دریافتی را جهت ارسال اطلاعاتی از قبیل شماره شناسایی ID به دستگاه خواننده تنظیم نمایند. انواع مختلفی از برچسبها و دستگاه های خواننده با انواع خاصی از برنامه ها و محیط ها متناسب هستند. شما باید تصمیم بگیرید که از چه نوع برچسب و دستگاه خواننده ای استفاده کنید، که به لحاظ تنوع برای تقاضای شما بهینه باشد. نوع برچسبی که شما انتخاب می کنید مستقیما بر روی هزینه کل سیستم تاثیرخواهدداشت .همچنین دستگاه های خواننده طیف وسیعی از قیمتها و متعلقات را در برخواهند داشت.

انواع برچسب های RFID

به طور کلی سه نوع برچسب وجود دارد که عبارتند از:

1- برچسب های غیرفعال[7]: این نوع برچسب ها هیچ منبع تولید انرژی درونی ندارند و انرژی خود را از طریق سیگنال ­های RF که توسط دستگاه خواننده ارسال و توسط آنتن موجود در برچسب دریافت می­شود، تامین می­کنند.

2- برچسب های نیمه منفعل[8]: بسیار شبیه برچسب ای غیرفعال است، با این تفاوت که باتری کوچکی در آنها وجود دارد و انرژی لازم برای فعال شدن مدار داخل آنها را فراهم می­سازد.

3- برچسب های فعال[9]: این برچسب ها دارای یک منبع انرژی داخلی می­باشند که توانایی انتقال اطلاعات در فواصل دورتر را فراهم می­کند. این سه نوع برچسب از جهات دیگری چون سایز، دامنه پاسخ­گویی، سرعت پاسخ­گویی و... نیز با هم تفاوت هایی دارند. این خواص با حرکت از برچسب های فعال به سوی غیرفعال به صورت زیر تغییر می کنند:

اندازه، دامنه پاسخ­گویی،  قیمت، سرعت پاسخ گویی و قابلیت اطمینان آنها افزایش می یابد.  

عمر این برچسب ­ها نیز به صورت زیر تغییر می­کند: غیرفعال > فعال > نیمه منفعل.

عمربرچسب ها به دو دلیل متفاوت می باشد که یکی بدین دلیل که برچسب هایی که منبع انرژی داخلی دارند به علت محدودیت منبع عمر محدود دارند و دیگری باتری کوچک موجود در برچسب نیمه منفعل عمرکوتاهتری از منبع انرژی برچسب فعال دارد.

خصوصیت برچسبها

همانطور که گفته شد برچسب ها وسیله شناسایی متصل شده به کالا، شی و فردی هستند که ما می خواهیم آن را ردیابی کنیم. مهمترین خصوصیات برچسبهای RFID شامل موارد زیر است:

 نوع بسته بندی برچسبها: برچسب ها می توانند در داخل دکمه هایی ار جنسPVC ، اجناس شیشه ای، جواهرات یا برچسبهای کاغذی یا کارتهای پلاستیکی پنهان شوند. استاندارد DIN/ISO 69873 مواردی را برای تعبیه برچسبها در داخل ابزارآلات ماشینی تعیین می کند. لذا راه های بسته بندی و علامتگذاری برچسب ها متنوع می باشد.

اتصال: معنی اتصال به این برمی گردد که کدام دستگاه خواننده با کدام برچسب ارتباط برقرار نماید. راه های اتصال متفاوتی بسته به درجه یا میزان اعتبار ارتباطات استفاده می گردد.

انتخاب گونه ارتباط، بر روی میزان ارتباط و هزینه برچسب ها و میزان به وجود آمدن خطا تاثیر خواهد داشت.

قدرت: سطح الکترو مغناطیسی یا انرژی پالسی که از فرکانس رادیوئی دستگاه خواننده منتشر می گردد، قدرت مورد نیاز برچسب را تامین می کند.

میزان فضای ذخیره اطلاعات: برچسب ها با میزان فضای ذخیره متفاوتی تولید می شوند. برچسبهای فقط خواندنی با فضای کاملا مشخص شده ای در کارخانه تولید می شوند. کاربران می توانند تنها یک مقدار را به برچسب هایی با قابلیت نوشتن یکبار اختصاص دهند. هر چند که برای برچسب هایی با قابلیت چند بار نوشتن، مقدار برچسب می تواند بارها تغییر کند، مانند میزان دما یا فشارکه مرتبا تغییر می کند.

 رعایت استاندارد: بسیار از گونه های سیستم های RFID  مطابق استانداردهای بین المللی مشخص شده ای کار می کنند. تولیدکنندگانی که از استاندارد ISO11785[10] استفاده می کنند بر روی سیستم هایی مطابق با این استاندارد کار می کنند. بعضی از استانداردها، مانند سیستم کلاسه بندی شده که توسطEPCglobal[11] استفاده می شوند، فرکانس به کار رفته بین برچسب ها و دستگاه های خواننده را و همچنین گونه های ارتباط برچسب ها با خواننده و یا میزان فضای ذخیره اطلاعات و مواردی از این قبیل را مورد بررسی قرار می دهد.

انتخاب گونه برچسب

خیلی از پارامترها در انتخاب یک گونه از برچسب ها در نظر گرفته می شود که شامل موارد زیر می شود:

محدوده عملکرد عملیات خواندن: برچسب های فعال محدوده خواندن بیشتری را نسبت به برچسب های غیرفعال  پوشش می دهند. جهت برنامه های کوچک از برچسب های غیرفعال استفاده می شود چون محدوده ای که ایجاد می کنند معمولاکافی می باشد.

مواد و بسته بندی: مواد مختلف فرکانسهای مختلفی را تولبد می کنند. به عنوان مثال مایعات مانع از جریان یافتن امواج رادیویی می شوند و موادی که فلز در داخل خود دارند باعث ایجاد تداخل در خواننده ها می شوند.

فاکتورهای شکل ظاهری: برچسب ها در اندازه های مختلفی تولید می شوند. شکلی که برای برچسب ها در نظر گرفته می شود معمولا به بسته هایی که اجناس در آنها قرار می گیرد بستگی دارد.

در راستای استاندارد حرکت کردن: این بسیار مهم است که  بیشتر دستگاه های خواننده موجود با فرکانس برچسبی که انتخاب کرده اید سازگار باشند. برای این کار موسسه های EPCgloable و موسسه ISO استانداردهایی را برای ارتباط و تبادل اطلاعات بین برچسبها و خواننده ها تولید می کنند.

هزینه: هزینه ای که برای یک برچسبRFID  در نظر گرفته می شود، نقش مهمی را در انتخاب نوع برچسب ها دارد، چون اکثر برنامه ها از برچسب های زیادی استفاده می کنند.

 2-1 بررسی دستگاه خواننده

دستگاه های خوانندهRFID  دستگاه های بازجو هم نامیده می شوند، که جهت شناسایی برچسب ها در اطراف خود استفاده می شوند. دستگاه های خواننده در شکلها و اندازه های مختلفی و همچنین به صورت قابل حمل در پایانه ها یافت می شوند، شما می توانید به خواننده ها به عنوان نقاطی جهت اتصال برچسب ها به شبکه نگاه کنید.

دستگاه خواننده بین برچسبها و دنیای خارج قرار می گیرد و متشکل از 4 قسمت جداگانه زیر می باشد:

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)