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RFID基礎

はじめに

数か月前、近所の図書館でキオスク端末に本を置くだけで、5冊すべての貸し出し手続きができたことがある。 同じ頃、父は5万人以上が参加するBolder Boulderというロードレースに出場した。 このレースでは、電子システムがランナーに紙のゼッケンを着けさせるだけで、父を含む数千人のタイムを記録していた。 迷子になったペットも、首元をスキャンするだけで身元を特定し、飼い主のもとへ返すことができる。 これらは、いったいどのようにして実現しているのだろうか。

その答えがRFID（Radio Frequency IDentification、無線周波数識別）である。 このチュートリアルでは、RFIDがどのように機能するかという基礎を扱い、RFIDを使い始めるための手引きとする。

参考になるチュートリアル:

以下の概念に馴染みがなければ、続きを読む前にこれらのチュートリアルを確認しておくことをおすすめする。RFIDの基本的な理解に役立つはずである。

基礎知識

基本的な仕組み

リーダーモジュールの中に、X線の目を持ったごく小さいハムスターが入っている、と考えたくなるかもしれないが、実際の仕組みはもう少し単純である。

RFIDは、リーダーが発する電波を使って、RFIDタグの存在を検出し、そこに記録されたデータを読み取る。 タグはカードやボタン型のケース、小さなカプセルのような小型の物体に埋め込まれている。

画像提供：EPC RFID

一部のシステムでは、これらのリーダーが電波を使ってタグに新しい情報を書き込むこともできる。

RFIDシステムの種類

RFIDシステムには、パッシブ（受動型）とアクティブ（能動型）の2種類がある。 どちらの方式かは、タグの電源のとり方によって決まる。

パッシブ

パッシブ型のRFIDシステムでは、タグは電池を使わない。 その代わり、動作に必要なエネルギーをリーダーから受け取る。 リーダーは数フィート程度の範囲にエネルギー場を発生させ、その範囲内にあるタグすべてにエネルギーを供給する。 タグはカードリーダーから電磁エネルギーを集めて起動し、「こんにちは」と自分の識別情報を返す。

パッシブタグには、高速（1秒間に10回以上）で読み取れるという利点がある。 非常に薄いため紙の層の間に挟むこともでき、非常に安価である（1万個以上の単位で1個0.05ドル未満）。

一般に、タグが小さいほど読み取り可能な距離は短くなる。

アクティブ

アクティブ型のRFIDシステムでは、タグが読み取り距離を伸ばすための独自の電源を内蔵している。 アクティブタグは電池を持ち、たいていより大きなSMD部品を搭載している。 あらかじめ決められた時間が経過するたびに、タグは電波の「チャープ（短い信号）」を発する。 近くにあるリーダーは、このチャープを受信できる。 アクティブタグは、パッシブタグよりもはるかに長い距離（数十フィート）で読み取ることができる。

アクティブタグの欠点としては、電池を内蔵する分だけ大きくなること、電池が切れるとタグ自体が使えなくなるため寿命が限られること、タグ1個あたりのコストが高くなること、レポートの頻度がまちまちになることが挙げられる。

RF Code社のm130アクティブRFID資産管理タグ。

RFIDの周波数帯

アクティブ・パッシブの区別に加えて、RFIDシステムは周波数帯によっても分類できる。

周波数帯やシステムによって、一度に1個のタグしか読み取れないものと、複数のタグを同時に読み取れるものがある。 リーダーの価格も、モジュールの周波数によって大きく変わる。 以前は、複数タグを同時に読み取れるリーダーは数千ドル、時には数万ドルもした。 このようなシステムは、ほとんどのホビイストや試作者にとって手の届かないものだった。 しかし状況はようやく変わりつつあり、複数タグ同時読み取り対応のリーダーはずっと手頃な価格になってきている。

次の表に、周波数帯とそれぞれの特性の概要をまとめる。

周波数帯別名到達距離読み書き複数タグの同時読み取りタグの平均価格
低周波（120〜150kHz）「チップ／マイクロチップ」（動物用）、近接カード、HIDカード（いずれも商標）最大20cm（1フィート未満）読み取り専用不可0.50ドル
高周波（13.56MHz）MiFare、NFC最大1メートル読み書き可能不可1ドル
極超短波（433MHz、860〜920MHz）長距離RFID、給電式RFID最大100メートル読み書き可能可能0.05ドル

出典：Wikipedia: Radio-frequency identification

タグのメモリ

RFIDタグはメモリに多くのデータを保存でき、これがRFIDの大きな利点の一つになっている。 タグに保存される識別情報の種類は業界によってさまざまで、その詳細はこのチュートリアルの範囲を超える。 タグの記憶容量に関するより詳しい情報は、Tag Data StandardやTag Data Translation Standardを参照してほしい。

Note

一部のRFIDタグ（広く使われている「HID ProxCard II」ブランドのIDカードや、一部のペット用タグなど）は独自形式を採用している。学生証や商用の入退室管理システムのカードは、すべてのRFIDリーダーで読み取れるとは限らない。

Gen2 UHF RFIDのメモリ規格

EPCglobalが策定したv2.0.1規格は、Gen2 RFIDタグに関するあらゆる要件を定めている。 おおまかに言えば、タグのメモリはTID、EPC、ユーザーメモリの3つに分かれている。

タグ識別子メモリ（TID）

TID（Tag Identifier）は20バイト、つまり160ビットである。 これは、1,460,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000通り（1.46×1048）ものタグIDが存在しうることを意味する。 人体を構成する原子の数よりも多い。さすがに宇宙全体の原子の数には及ばないが。 すべてのRFIDタグは固有のTIDを持ち、TIDを書き換えることはできない。

Electronic Product Codeメモリ（EPC）

TIDは絶対的な識別には適しているが、Gen2 RFID規格は本来、多くの小売現場でバーコードを置き換えるために作られたものである。 食料品を買うとき、レジはそのタグのTIDが0xE242F3であるかどうかは気にしない。牛乳1ガロンなのか、ピーナッツバター1瓶なのかを気にする。 そこで登場するのがEPC（Electronic Product Code）である。 たいてい12バイトで、ユーザーが書き換えられ、UPC（バーコード）の代替として書き込むことを想定している。 牛乳のボトルにRFIDタグを貼り、EPCを0 7874203641 0と設定すれば、レジはそれを「Great Value社製の低脂肪・無乳糖牛乳 ハーフガロン」として識別する（出典例）。 タグ自体はその12バイトに何を書き込んでもかまわないので、ASCIIでRufusTheDogと書き込んでも構わないが、12バイト以内に収める必要がある。

ユーザーメモリ

ユーザーメモリの容量は0バイトから64バイトまで幅がある。 安価なタグほど、ユーザーメモリのバイト数は少ない傾向にある。 64バイトで何ができるだろうか。 先ほどの牛乳の例で言えば、ユーザーメモリは本来、賞味期限のような情報を記録することを想定していた。 EPCが「これは牛乳である」というグローバルな識別子であるのに対し、ユーザーメモリはその1本固有の情報（「8月15日までに販売」など）を記録する場所である。 ここでも、タグ自体は何を書き込むかを気にしないので、ユーザー設定（「このユーザーはパイロットシートを10度傾けるのを好む」など）を記録したり、世界最小のデッドドロップとして使ったりすることもできる。

パスワード

このほかにも、Accessパスワード、Killパスワードと呼ばれる書き込み可能なメモリ領域がある。 Accessパスワードは、タグの設定を無断で変更されるのを防ぐために使える（「見た目はサーロインステーキだが、レジではガムのパックと表示される」といった不正を防ぐ）。 Killパスワードは、タグを永久かつ不可逆的に無効化するために使う。

トラブルシューティング

RFIDシステムを動作させる筐体や環境によっては、リーダーがタグのデータを正しく読み書きできない問題に遭遇することがある。 システムの動作を改善するために覚えておくとよいポイントを、いくつか紹介する。

  • 電波干渉を避ける：システムの近くに他の電波を発する機器があると、特に同じ周波数帯を使っている場合、RFIDシステムの性能に悪影響を及ぼすことがある。複数のRFIDリーダーを近くに置くと、システム同士が干渉し合うこともある。
  • クリーンな電源を使う：他の多くの電子システムと同様、ノイズの多い電源や汚れた電源はRFIDシステムに異常な動作を引き起こすことがある。クリーンで安定化された電源の使用をおすすめする。
  • 見通しを確保する：リーダーとタグの間を遮る物がない、見通しの良い状態での読み取りは、結果を改善できる。
  • 外部アンテナを使う：どのシステムでも読み取り距離を伸ばせる。基板上のアンテナは出力と到達距離に限りがある。
  • タグを手で持たない（UHFシステムの場合）：人間の体は基本的に水の袋のようなものである。タグを手に持つと読み取り距離が大きく低下する。金属や水分を含まない物にタグをテープで貼り付けるとよい。
  • タグの種類を変えてみる：一般に、タグが小さいほど読み取り距離は短くなる。ガラスカプセル型を使っているならボタン型を、ボタン型を使っているならカード型を試してみるとよい。

まとめ

RFIDの概念がわかったところで、次は自分のプロジェクトに組み込んでみる番である。

RFIDについてさらに詳しい情報は、次のリンクも参考にしてほしい（いずれも英語）。

タグ: 概念、RFID、無線

出典：RFID Basics（SparkFun Learn）を日本語に翻訳し、再構成した。 原文は CC BY-SA 4.0 ライセンスで公開されており、本ページも同ライセンスの下で提供する。