วันจันทร์ที่ 15 กันยายน พ.ศ. 2551

บทนำ

          เทคโนโลยีที่เข้ามามีบทบาทต่อการบริหารจัดการธุรกิจรูปแบบใหม่ คงทำให้หลาย ๆ ท่าน นึกถึง เทคโนโลยี RFID (Radio Frequency Identification) ซึ่งเป็นที่น่าจับตามอง อย่างมาก เพราะประโยชน์ของเทคโนโลยีนี้ จะทำให้การดำเนินธุรกิจ มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น หลายองค์กรได้นำเอาเทคโนโลยีนี้ มาพัฒนาร่วมกับการใช้งาน ภายในองค์กรในรูปแบบต่างๆแล้ว

          เทคโนโลยี RFID ใช้ประโยชน์จากสัญญาณความถี่วิทยุโดยใช้เสาอากาศขนาดเล็ก เป็นตัวเชื่อมสัญญาณ ระหว่างตัวส่งและตัวรับ เนื่องจากความก้าวล้ำทางการผลิต เราสามารถที่จะสร้างเสาอากาศ ให้มีขนาดเล็กมาก เทียบเท่าหัวไม้ขีดไฟ ซึ่งโดยปรกติเสาอากาศที่ว่านี้จะถูกฝังลงไปเป็นส่วนหนึ่งของเนื้อพลาสติกของบัตร ซึ่งยังมีตัวส่งกำลังเพื่อให้ทำงานได้ด้วย

          ปัจจุบันมีการนำเทคโนโลยี RFID มาใช้ในบัตรต่าง ๆ เช่น บัตรประจำตัวประชาชน, บัตรเอทีเอ็ม, บัตรสำหรับผ่านเข้าออกห้องพัก, บัตรโดยสารของสายการบิน, บัตรจอดรถ หรือแม้แต่ในฉลากสินค้า RFID ก็ถูกนำมาให้ในการเก็บบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับสินค้า

ประวัติและความเป็นมาของเทคโนโลยี RFID

          RFID ถูกพัฒนามาในยุค ค.ศ. 1970 อุปกรณ์ RFID ที่มีการประดิษฐ์ขึ้นใช้งานเป็นครั้งแรกนั้น เป็นผลงานของ Leon Theremin เพื่อนำไปใช้ในการบ่งชี้วัตถุในระยะไกล และ สามารถอ่านข้อมูลจากป้าย (RFID Tag) ได้พร้อม ๆ กันหลายป้าย โดยที่เครื่องอ่านไม่ต้องสัมผัสกับตัวป้าย(RFID Tag) การอ่านข้อมูลสามารถอ่านได้แม้ในสภาพที่ทัศนวิสัยไม่ดี

          ยุคเริ่มแรกของการใช้ RFID ในเชิงพาณิชย์ ได้แก่ ระบบกันขโมย ในห้างสรรพสินค้า โดยที่ตัวสินค้าจะมีการติด RFID แบบ 1 บิต (ซึ่งจะมีค่าเป็น ‘0’ หรือ ‘1’) เมื่อมีการชำระเงินค่าสินค้าเครื่องอ่านและเขียนข้อมูล RFID จะทำการเปลี่ยนค่าบิต เป็น ‘0’ ทำให้สามารถนำสินค้าออกจากร้านได้ แต่หากมีการนำสินค้าออกจากร้านโดยที่วัถตุที่ติด RFID มีบิตเป็น ‘1’ สัญญาณเตือนจะดังขึ้น

          ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1990 บริษัท ไอบีเอ็มได้พัฒนาและจดสิทธิบัตร RFID ในย่าน UHF (ย่านความถี่ตั้งแต่ 300 เมกะเฮิรตซ์ ถึง 3 กิกะเฮิรตซ์) แต่เมื่อ บริษัทไอบีเอ็ม มีปัญหาด้านการเงิน จึงได้ขายสิทธิบัตรเกี่ยวกับ RFID ให้กับบริษัท Intermec ในช่วงกลาง ค.ศ. 1990 ซึ่งในขณะนั้นการใช้งานอุปกรณ์ RFID ยังไม่แพร่หลายมากนักเนื่องจากอุปกรณ์มีราคาสูง

          RFID กลับมาได้รับความนิยมอีกครั้ง ในปี ค.ศ. 1999 เมื่อ UCC (Uniform Code Council) EAN International บริษัท Procter & Gamble และ บริษัท Gillette ได้ร่วมก่อตั้งศูนย์ Auto-ID ขึ้นที่สถานบันเทคโนโลยีแมสซาซูเซตส์ (MIT) ประเทศสหรัฐอเมริกา เพื่อพัฒนาแนวทางการใช้ RFID ในห่วงโซ่อุปทาน สำหรับติดตามสินค้าที่ส่งในสายใยอุปทานของตนเอง

          ภายหลังได้มีการนำ RFID มาประยุกต์ใช้กับงานด้าน ๆ กันอย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็นการเก็บค่าทางด่วนอัตโนมัติ โดยนำ RFID Tag ติดกับรถ และ ติดเครื่องอ่านที่ด่วนเก็บเงิน หรือในทางด้านการเกษตรของสหรัฐ มีการนำป้ายแบบ Passive ชนิดความถี่ 25 กิโลเฮิรตซ์ สำหรับติดที่ตัววัว เพื่อใช้เก็บข้อมูลการฉีดวัคซีนของวัวแต่ละตัว เป็นต้น

ส่วนประกอบของ RFID

          ในระบบ RFID จะมีองค์ประกอบหลัก ๆ อยู่ 2 ส่วนด้วยกัน
          1. ทรานสปอนเดอร์ หรือ ป้าย (Transponder/Tag) ในที่นี้ขอเรียก Tag ซึ่ง Tag นั้นใช้สำหรับติดกับวัตถุต่าง ๆ โดยป้าย จะประกอบด้วย สายอากาศและไมโครชิป ที่มีการบันทึกหมายเลข (ID) หรือ ข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุชิ้นนั้น ๆ


ตัวอย่าง Tag


          2. เครื่องสำหรับอ่าน / เขียน ข้อมูลในป้าย (Interrogator / Reader) ในที่นี้ขอเรียก Reader การอ่าน หรือ เขียนข้อมูลใน Tag นั้น จะกระทำผ่านคลื่นความถี่วิทยุ โดย Reader สามารถอ่านรหัสได้โดยไม่ต้องเห็นTag หรือ Tagนั้นซ่อนอยู่ภายในวัตถุ และ ไม่จำเป็นที่ Reader และ Tag จะต้องอยู่ในแนวเส้นตรงกับคลื่นความถี่วิทยุ เพียง อยู่ในบริเวณที่สามารถรับคลื่นความถี่วิทยุได้ ก็สามารถอ่าน หรือ เขียนข้อมูลได้ และการอ่านข้อมูลสามารถอ่านได้ทีละหลาย ๆ Tag ในเวลาเดียวกัน


ตัวอย่าง Reader


ระบบการทำงานของ RFID

ป้าย TAG

โครงสร้างภายใน Tag





          โครงสร้างภายใน Tag จะประกอบด้วย 2 ส่วนหลัก ๆ คือ
          1. ไมโครชิป (Microchip) ทำหน้าที่ เก็บข้อมูลของวัตถุ ในหน่วยความจำ ซึ่งในหน่วยความจำนี้ อาจเป็นแบบอ่านได้อย่างเดียว (ROM) หรือ ทั้งอ่านและเขียน (RAM) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการในการนำไปใช้งาน โดยปกติ หน่วยความจำแบบ ROM จะเก็บข้อมูลด้วยความปลอดภัย เช่น สิทธิในการเข้าออกประตู ส่วน RAM ใช้เก็บข้อมูลชั่วคราวในระหว่างที่ Tag และ Reader ทำการติดต่อสื่อสารกัน
          นอกจาก ROM และ RAM แล้ว ยังมีหน่วยความจำแบบ EEPROM เพื่อใช้ในการเก็บข้อมูลการสื่อสารระหว่าง Tag และ Reader และข้อมูลยังคงอยู่ถึงแม้จะไม่มีพลังงานไฟฟ้าป้อนให้แก่ Tag


          2. สายอากาศ (Antenna) สายอากาศ คือ ขดลวดขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ สำหรับรับ-ส่งสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ และ สร้างพลังงานป้อนให้กับ ไมโครชิป
           สายอากศจะแผ่สัญญาณวิทยุจำนวนหนึ่งออกมา เพื่อกระตุ้นให้ Tagอ่านหรือเขียนข้อมูลลงไป สายอากาศสามารถมีได้หลากหลายขนาดและรูปร่าง เพื่อให้เหมาะสมกับวัตถุที่จะนำ Tag ไปติดตั้ง และเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการรับ-ส่งสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ สายอากาศจะถูกติดไปโดยตรงกับ Transceiver ให้เป็นอุปกรณ์ติดกัน


ประเภทของ Tag
          โดยทั่วไป Tag อาจจะอยู่ในรูปแบบที่เป็นกระดาษ แผ่นฟิล์ม พลาสติก ที่มีขนาดและรูปร่างต่าง ๆ กันไป แต่ไม่ว่า Tag จะอยู่ในรูปแบบใดก็ตาม เราสามารถแบ่งประเภทของ Tag ได้ 2 ชนิด ใหญ่ ๆ ได้แก่ แบบแพสทีฟ (Passive Tag) และ แบบแอ็กทีฟ (ActiveTag) โดยแต่ละชนิดจะแตกต่างกันตามรูปแบบการนำไปใช้งาน ราคา โครงสร้างภายใน และ หลักการทำงาน ดังนี้
           1. Passive Tag ไม่มีแหล่งพลังงาน หรือแบตเตอรี่ภายใน Tag เพราะการทำงานอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจาก Reader (มีวงจรกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กอยู่ในตัว)หรือ ที่เรียกว่าอุปกรณ์ Transceiver


ข้อดี และ ข้อเสียของ Passive Tag

           ข้อดี
                      1. น้ำหนักเบา
                      2. Tag มีขนาดเล็ก
                      3. ราคาถูก
                      4. อายุการใช้งานไม่จำกัด
           ข้อเสีย
                      1. ระยะการับส่งข้อมูลสั้น (ระยะไกลสุดเพียง 1.5 เมตร)
                      2. หน่วยความจำมีขนาดเล็ก (ประมาณ 32 ถึง 128 บิต)
                      3. Reader ต้องมีกำลังส่งที่สูง
                      4. อาจเกิดผิดพลาดหากทำงานในบริเวณที่มีสัญญาณรบกวน

โครงสร้างภายใน Tag แบบ Passive Tag ประกอบด้วย
           1) ส่วนการควบคุมการทำงานของภาครับส่งสัญญาณวิทยุ (Analog Front-End)
           2) ส่วนควบคุมภาคลอจิก (Digital Control Unit)
           3) ส่วนของหน่วยความจำ (Memory) อาจจะเป็นแบบ ROM หรือ EEPROM

ตัวอย่าง Passive Tag


           2. Active Tag จะมีแบตเตอรี่อยู่ภายในซึ่งใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟขนาดเล็ก เพื่อป้อนพลังงานไฟฟ้าให้ Tag ทำงาน การที่ต้องใช้แบตเตอรี่จึงทำให้ Tag มีอายุการใช้งานจำกัดตามอายุของแบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่หมดจะไม่สามารถนำ Tag มาใช้งานได้อีก
           แต่สามารถออกแบบวงจรของ Tag ให้ใช้กระแสไฟน้อยๆ ในการทำงาน ก็อาจจะมีอายุการใช้งานนานนับสิบปี

ข้อดี และ ข้อเสียของ Active Tag
           ข้อดี
                     1. มีหน่วยความจำขนาดใหญ่
                     2. (ประมาณ1เมกะไบต์)
                     3. ระยะการรับส่งข้อมูลไกล (ระยะไกลสุด 6 เมตร)
                     4. ทำงานในบริเวณที่มีสัญญาณรบกวนได้ดี
           ข้อเสีย
                     1. ราคาสูง
                     2. Tag มีขนาดใหญ่
                     3. ระยะเวลาในการทำงานที่จำกัด ตามอายุของแบตเตอร์รี่ประมาณ 3–7 ปี

ตัวอย่าง Active Tag

          ในปัจจุบันนิยมใช้ Tag แบบ Passive Tag มากกว่า แบบ Active Tag เนื่องจาก Passive Tag ได้เปรียบในเรื่องของ ราคา และ อายุการงาน
          นอกจากการแบ่ง Tag ตามชนิดของ Tag แล้ว ยังสามารถแบ่ง Tag ได้ตาม ประเภทรูปแบบในการใช้งานได้ 3 แบบ คือ
           1. แบบที่สามารถถูกอ่านและเขียนข้อมูลได้อย่างอิสระ (Read-write)
           2. แบบเขียนได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้นแต่อ่านได้อย่างอิสระ (Write-One, Read-Many : WORM)
           3. แบบอ่านได้เพียงอย่างเดียว (Read-Only)

เครื่องอ่าน (Reader)

          หน้าที่หลักของ Reader คือ การเชื่อมต่อกับ Tag เพื่อทำการอ่าน หรือ เขียนข้อมูลในลงใน Tag ด้วยสัญญาณความถี่วิทยุ แล้วทำการตรวจสอบความผิดพลาดของข้อมูล ถอดรหัสสัญญาณข้อมูลที่ได้รับ โดย
          ภายใน Reader จะประกอบด้วยส่วนประกอบหลักดังนี้
          1. ภาครับและส่งสัญญาณวิทยุ (Tranciever)
          2. ภาคสร้างสัญญาณพาหะ (Carrier)
          3. ขดลวดที่ทำหน้าที่เป็นสายอากาศ (Antenna)
          4. วงจรจูนสัญญาณ (Tuner)
          5. หน่วยประมวลผลข้อมูล (Processing Unit)

โครงสร้างภายใน Reader

การทำงานของระบบ RFID

          ส่วนที่ถือว่าเป็น หัวใจของ RFID คือ "Inlay" การบรรจุอุปกรณ์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์กับโลหะที่ยืดหยุ่นได้สำหรับการติดตามหรือทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ Inlay มีความหนาสูงสุดอยู่ที่ 0.375 มิลลิเมตร สามารถทำเป็นแผ่นบางอัดเป็นชั้นๆ ระหว่างกระดาษ, แผ่นฟิล์ม หรือพลาสติกก็ได้ การที่ Inlay มีลักษณะรูปร่างที่บาง จึงทำให้ง่ายต่อการติดเป็นป้ายชื่อหรือฉลากของติดที่ตัววัตถุ
          RFID เป็นระบบที่นำเอาคลื่นวิทยุมาเป็นคลื่นพาหะเพื่อใช้ในการสื่อสารข้อมูลระหว่างอุปกรณ์สองชนิดที่ Tag และ Reader ซึ่งเป็นการสื่อสารแบบไร้สาย (Wireless) โดยการนำข้อมูลที่ต้องการส่ง มาทำการมอดูเลต (Modulation) กับคลื่นวิทยุแล้วส่งออกผ่านทางสายอากาศที่อยู่ในตัวรับข้อมูล

แผนผังการทำงานของระบบ RFID

หลักการทำงานเบื้องต้นของ RFID
          1. Reader จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาตลอดเวลา และคอยตรวจจับว่ามี Tagในบริเวณสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหรือไม่ หรืออีกนัยหนึ่งก็คือการคอยตรวจจับว่ามีการมอดูเลตสัญญาณเกิดขึ้นหรือไม่
          2. เมื่อมี Tag ข้ามาอยู่ในบริเวณสนามแม่เหล็กไฟฟ้า Tag จะได้รับพลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้ Tag เริ่มทำงาน และจะส่งข้อมูลในหน่วยความจำที่ผ่านการมอดูเลตกับคลื่นพาหะแล้วออกมาทางสายอากาศที่อยู่ภายในแท็ก
          3. คลื่นพาหะที่ถูกส่งออกมาจากแท็กส์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงแอมปลิจูด, ความถี่ หรือเฟส ขึ้นอยู่กับวิธีการมอดูเลต
          4. Reader จะตรวจจับความเปลี่ยนแปลงของคลื่นพาหะแปลงออกมาเป็นข้อมูลแล้วทำการถอดรหัสเพื่อนำข้อมูลไปใช้งานต่อไป

หลักการทำงานของ Passive Tag
          ในย่านความถี่ต่ำและสูง(LF และ HF) จะใช้ หลักการคู่ควบแบบเหนี่ยวนำ (Inductive coupling) ซึ่งเกิดจากการอยู่ใกล้กันของขดลวดจากเครื่องอ่านที่กำลังทำงานและสายอากาศของป้าย ทำให้เกิดการถ่ายเทพลังงานจากเครื่องอ่านไปยังป้ายผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้น เมื่อไมโครชิปได้รับพลังงานก็จะทำงานตามที่ได้ตั้งค่าไว้ โดยเครื่องอ่านจะรับรู้ได้จากสนามแม่เหล็กที่ส่งมาจากป้าย
          จากหลักการทำงานแบบคู่ควบเหนี่ยวนำ ทำให้ระยะในการอ่านข้อมูลสูงสุดประมาณ 1 เมตร แต่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับกำลังงานของครื่องอ่าน และ คลื่นความถี่วิทยุที่ใช้

ตัวอย่าง ภาพแสดงสนามแม่เหล็กจากกระบวนคู่ควบแบบเหนี่ยวนำ

          ส่วนในระบบความถี่สูงยิ่ง (UHF) จะใช้หลักการคู่ควบแบบแผ่กระจาย (Propagation coupling) โดยที่สายอากาศของเครื่องอ่านจะทำการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปคลื่นวิทยุออกมา เมื่อป้ายได้รับสัญญาณผ่านสายอากาศ จะสะท้อนกลับคลื่นที่ถูกปรับค่าตามรหัสประจำตัวไปยังเครื่องอ่าน (backscattering)

ตัวอย่าง ภาพแสดง หลักการทำงานของ LF , HF และ UHF

หลักการทำงานของ Active Tag
          Active Tag จะทำการส่งข้อมูลก็ต่อเมื่อได้รับสัญญาณจากเครื่องอ่าน และ เครื่องบอกตำแหน่ง หรือ เบคอน (beacon) ซึ่งสัญญาณจะถูกปล่อยออกมาเป็นระยะ ๆ ตลอดเวลา

การรับ – ส่งข้อมูลระหว่าง Tag และ Reader
          การส่งข้อมูลของ RFID สามารถเข้ารหัสข้อมูล และมอดูเลชั่นได้เหมือนคลื่นความถี่วิทยุทั่วไป โดยสามารถมอดูเลตได้ทั้งแบบ ASK, PSK, FSK รูปแบบการส่งข้อมูล แบบ Full Duplex, Half Duplex , Sequential และมีระบบการใช้งานได้พร้อมกัน แบบ TDMA,FDMA ,CDMA,SDMA

มาตรฐานของ RFIFD

มาตรฐานระหว่างประเทศสำหรับการใช้งาน RFID มี 2 หน่วยงานหลัก
          1. International Organization of Standard (ISO)
          2. EPC Global

โดยที่มาตรฐานของ RFID มีการกำหนดไว้ 4 ด้านคือ
          1. มาตรฐานด้านเทคโนโลยี (Technology)
          2. มาตรฐานรูปแบบของข้อมูล (Data format)
          3. มาตรฐานวิธีการทดสอบ (Conformance)
          4. มาตรฐานการใช้งาน (Applications)

คลื่นความถี่ที่ใช้งานกับ RFID


อัตราการรับส่งข้อมูลและแบนด์วิดธ์
          อัตราการรับส่งข้อมูล (Data Transfer Rate) จะขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่นพาหะ ความถี่ของคลื่นพาหะยิ่งสูง อัตราการรับส่งข้อมูลก็จะยิ่งสูงตามไปด้วย
          ส่วนการเลือกแบนด์วิดธ์ หรือย่านความถี่นั้นก็จะมีผลต่ออัตราการรับส่งข้อมูลเช่นกันโดยมีหลักว่า แบนด์วิดธ์ควรจะมีค่ามากกว่าอัตราการรับส่งข้อมูลที่ต้องการอย่างน้อยสองเท่า
          ตัวอย่าง ถ้าใช้แบนด์วิดธ์ในช่วง 2.4-2.5 GHz ก็จะสามารถรองรับอัตราการรับส่งข้อมูลได้ประมาณ 2 megabits ต่อวินาที
          แต่การใช้แบนด์วิดธ์ที่กว้างเกินไปก็อาจทำให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนมาก หรือทำให้ S/N Ratio ต่ำลงนั่นเอง ดังนั้นการเลือกใช้แบนด์วิดธ์ให้ถูกต้องก็เป็นส่วนสำคัญในการพิจารณา

ระยะการรับส่งข้อมูลและกำลังส่ง
          ระยะการรับส่งข้อมูลในระบบ RFID ขึ้นอยู่กับปัจจัยสำคัญต่างๆ ดังนี้
          1. กำลังส่งของตัวอ่านข้อมูล (Reader/Interrogator Power)*
          2. กำลังส่งของแท็กส์ (Tag Power)
          3. สภาพแวดล้อม
          4. การออกแบบสายอากาศของตัวอ่านข้อมูล**
          *Reader จะมีกำลังส่งมากแค่ไหนก็ได้ แต่โดยทั่วไปกฏหมายของแต่ละประเทศ จะกำหนดกำลังส่งระหว่าง 100-500 mW
          **การออกแบบสายอากาศของตัวอ่านข้อมูล จะเป็นตัวกำหนดลักษณะรูปร่างของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่กระจายออกมาจากสายอากาศ ดังนั้นระยะการรับส่งข้อมูล บางทีอาจขึ้นอยู่กับมุมของการรับส่งระหว่าง Tag และ Reader