無線周波数識別
無線周波数識別（RFID）は、電磁場を利用して、物体に取り付けられたタグを自動的に識別・追跡します。RFIDシステムは、タグと呼ばれる小型の無線トランスポンダー、無線受信機、および送信機で構成されています。近くのRFIDリーダーデバイスからの電磁探査パルスによってタグがトリガーされると、通常は識別用の在庫番号などのデジタルデータをリーダーに送信します。この番号は、在庫品の追跡に使用できます。[1]
パッシブタグは、RFIDリーダーの電波による電力で動作します。アクティブタグはバッテリーで動作するため、RFIDリーダーから数百メートルという広範囲で読み取りが可能です。
バーコードとは異なり、タグはリーダーの視界内にある必要がないため、追跡対象物に埋め込むことができます。RFIDは、自動識別・データ収集（AIDC）の手法の一つです。[2]
RFIDタグは多くの業界で利用されています。例えば、生産中の自動車にRFIDタグを取り付けることで、組立ラインにおける進捗状況を追跡できます[要出典]。また、RFIDタグ付きの医薬品は倉庫内で追跡できます[要出典] 。さらに、家畜やペットにRFIDマイクロチップを埋め込むことで、動物の正確な識別が可能になります[3] 。また、店舗では、レジの迅速化や、顧客や従業員による盗難防止のためにタグが活用されています[4] 。
RFIDタグは現金、衣類、所有物に貼り付けたり、動物や人に埋め込んだりできるため、同意なしに個人情報が読み取られる可能性があり、深刻なプライバシーの懸念が生じています。[5]これらの懸念から、プライバシーとセキュリティの問題に対処するための標準仕様が策定されました。
2014年の世界RFID市場規模は88億9,000万米ドルに達し、2013年の77億7,000万米ドル、2012年の69億6,000万米ドルから増加しました。この数字には、RFIDカード、ラベル、フォブ、その他すべてのフォームファクター用のタグ、リーダー、ソフトウェア／サービスが含まれます。市場規模は2020年の120億8,000万米ドルから2029年には162億3,000万米ドルに増加すると予想されています。[6]
2025年7月に開催されたAtlas RFIDとRAIN Allianceのウェビナーによると、2024年には約500億個のタグチップが販売されました。[引用が必要]
歴史
1945年、レオン・テルミンはソ連向けに「シング」と呼ばれる盗聴装置を発明しました。これは入射した電波に音声情報を付加して再送信する装置でした。音波が振動板を振動させ、共振器の形状をわずかに変化させることで、反射された無線周波数を変調させました。この装置は識別タグではなく、隠れた盗聴装置でしたが、外部からの電波によって電力を供給され、作動する受動的な装置であったため、RFIDの前身と考えられています。[7]
敵味方識別 トランスポンダーなどの類似技術は、第二次世界大戦中、連合国とドイツによって航空機の敵味方識別に日常的に使用されていました。トランスポンダーは現在でもほとんどの動力航空機で使用されています。[8] RFIDの初期の探求として、ハリー・ストックマンによる1948年の画期的な論文[9]があります。彼は「反射電力通信における残された基本的な問題が解決され、有用な応用分野が探求される前に、相当な研究開発作業を行う必要がある」と予測しました。
マリオ・カルドゥロの装置は1973年1月23日に特許を取得し、メモリを備えた受動無線トランスポンダであったため、現代のRFIDの真の祖先となりました。[10] [11]最初の装置は受動型で、質問信号によって駆動され、1971年にニューヨーク港湾局およびその他の潜在的ユーザーにデモンストレーションされました。これは、通行料金徴収装置として使用するための16ビットメモリを備えたトランスポンダで構成されていました。カルドゥロの基本特許は、無線周波数（RF）、音、および光を伝送キャリアとして使用することをカバーしています。1969年に投資家に提示された最初の事業計画では、交通（自動車の車両識別、自動通行料金徴収システム、電子ナンバープレート、電子マニフェスト、車両経路、車両性能監視）、銀行（電子小切手帳、電子クレジットカード）、セキュリティ（個人識別、自動ゲート、監視）、医療（身元確認、患者履歴）での用途が示されていました。[10]
1973年、スティーブン・デップ、アルフレッド・コエル、ロバート・フライマンは、ロスアラモス国立研究所において、反射電力（変調後方散乱）RFIDタグ（パッシブ型およびセミパッシブ型）の初期の実証実験を行いました。[12]このポータブルシステムは915MHzで動作し、12ビットのタグを使用しました。この技術は、今日のUHFIDおよびマイクロ波RFIDタグの大部分に使用されています。[13]
1983年、RFIDの略語に関連する最初の特許がチャールズ・ウォルトンに付与されました。[14]
1996年に、干渉が制限されたバッテリー不要のRFIDパッシブタグの最初の特許が、デビッド・エヴェレット、ジョン・フレック、セオドア・ライト、ケリー・ロドリゲスに付与されました。[15]
デザイン
無線周波数識別システムは、識別対象物に取り付けられたタグ（ラベル）を使用します。双方向の無線送受信機（インテロゲータまたはリーダーと呼ばれる）がタグに信号を送信し、その応答を読み取ります。[16]
タグ
RFID タグは 3 つの部分から構成されます。
タグ情報は不揮発性メモリに保存されます。[17] RFIDタグには、送信データとセンサーデータを処理するための固定ロジックとプログラム可能なロジックが含まれています。[引用が必要]
RFIDタグには、パッシブ型、アクティブ型、バッテリーアシスト型があります。アクティブタグは内蔵バッテリーを搭載し、定期的にID信号を送信します。[17]バッテリーアシスト型パッシブタグは小型バッテリーを搭載しており、RFIDリーダーの存在下で起動します。パッシブタグはバッテリーを搭載していないため、安価で小型です。代わりに、リーダーから送信される無線エネルギーを使用します。しかし、パッシブタグを動作させるには、アクティブタグの約1000倍の強度で光を照射して信号を送信する必要があります。[18]
タグは、工場出荷時に割り当てられたシリアル番号を持ち、データベースへのキーとして使用される読み取り専用タグと、システムユーザーがオブジェクト固有のデータをタグに書き込むことができる読み取り/書き込みタグのいずれかです。フィールドプログラマブルタグは、一度書き込み、複数回読み取りが可能です。「空白」タグには、ユーザーが電子製品コードを書き込むことができます。[19]
RFIDタグはメッセージを受信し、識別情報やその他の情報を返します。これは、タグ固有のシリアル番号のみの場合もあれば、在庫番号、ロット番号、バッチ番号、製造日などの製品関連情報、その他の特定の情報である場合もあります。タグには個別のシリアル番号が付与されているため、RFIDシステムの設計により、RFIDリーダーの範囲内にある複数のタグを識別し、同時に読み取ることができます。
読者
RFIDシステムは、タグとリーダーの種類によって分類できます。3つのタイプがあります。[20]
- パッシブリーダー・アクティブタグ（PRAT）システムは、アクティブタグ（電池駆動、送信のみ）からの無線信号を受信するパッシブリーダーを搭載しています。PRATシステムリーダーの受信範囲は1～2,000フィート（0～600m）の範囲で調整可能で、資産保護や監視などの用途に柔軟に対応します。
- アクティブリーダー パッシブ タグ( ARPT ) システムにはアクティブ リーダーがあり、これは質問信号を送信し、パッシブ タグからの認証応答も受信します。
- アクティブリーダー・アクティブタグ（ARAT）システムは、アクティブリーダーからのインテロゲータ信号によって起動されるアクティブタグを使用します。このシステムの派生として、パッシブタグのように動作しますが、タグからの返信信号に電力を供給するための小型バッテリーを備えたバッテリーアシストパッシブ（BAP）タグを使用することもできます。
固定式リーダーは、厳密に制御可能な特定の読取ゾーンを作成するために設置されます。これにより、タグが読取ゾーンに出入りする際に、読み取りエリアを厳密に定義できます。モバイルリーダーは、手持ち式、またはカートや車両に搭載できます。
周波数
| バンド | 規則 | 範囲 | データ速度 | ISO/IEC 18000 セクション | 備考 | 数量ベースのタグ コストの概算 （2006年） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LF: 120～150 kHz | 規制されていない | 10 cm（4インチ） | 低い | パート2 | 動物識別、工場データ収集 | 1米ドル |
| HF: 13.56 MHz | 世界中のISMバンド | 0.1～1メートル（4インチ～3フィート3インチ） | 低～中程度 | パート3 | スマート カード ( ISO/IEC 15693、ISO/IEC 14443 A、B)、 ISO 非準拠スマート カード (iCLASS、Legic、FeliCa ...)、 ISO 互換スマート カード ( MIFARE、 Seos) | 0.05ドルから5ドル |
| UHF: 433 MHz | 短距離デバイス | 1～100メートル（3～300フィート） | 適度 | パート7 | 防衛アプリケーション、アクティブタグによる地下鉱山労働者の追跡 | 5ドル |
| UHF: 865～868 MHz (ヨーロッパ) 902～928 MHz (北米) | ISMバンド | 1～12メートル（3～40フィート） | 中程度から高い | パート6 | EAN、様々な規格、鉄道で使用[23] | 0.04～1.00米ドル （パッシブタグ） |
| マイクロ波：2450～5800MHz | ISMバンド | 1～2メートル（3～7フィート） | 高い | パート4 | 802.11 WLAN、Bluetooth規格 | 25米ドル（アクティブタグ） |
| マイクロ波: 3.1～10 GHz | 超広帯域 | 最大200メートル（700フィート） | 高い | 定義されていません | セミアクティブタグまたはアクティブタグが必要 | 5ドル予測 |
| ミリ波：24.125GHz [24] [25] [26] | 世界中のISMバンド | 10～200メートル（30～700フィート） | 高い | 定義されていません | セミパッシブタグが必要。拡張範囲を実現するために、レトロディレクティブバックスキャッタ方式を採用。 | 10ドル予測 |
シグナリング
リーダーとタグ間の信号伝達は、タグが使用する周波数帯域に応じて、互換性のない複数の異なる方法で行われます。LF帯およびHF帯で動作するタグは、無線波長の観点から見ると、リーダーアンテナからわずか波長のわずかな割合しか離れていないため、非常に近くにあります。この近接場領域では、タグはリーダー内の送信機と電気的に密接に結合しています。タグは、タグが示す電気的負荷を変化させることで、リーダーが生成する電界を変調することができます。相対的な負荷を低負荷と高負荷の間で切り替えることで、タグはリーダーが検出できる変化を生み出します。UHF以上の周波数では、タグはリーダーから無線波長以上離れているため、異なるアプローチが必要になります。タグは信号を後方散乱させる可能性があります。アクティブタグには、機能的に分離された送信機と受信機が含まれている場合があり、タグはリーダーの問い合わせ信号に関連する周波数で応答する必要はありません。[27]
電子製品コード（EPC）は、タグに保存される一般的なデータ形式の一つです。RFIDプリンタによってタグに書き込まれると、タグには96ビットのデータ文字列が含まれます。最初の8ビットはプロトコルのバージョンを識別するヘッダーです。次の28ビットは、このタグのデータを管理する組織を識別します。組織番号はEPCGlobalコンソーシアムによって割り当てられます。次の24ビットはオブジェクトクラスで、製品の種類を識別します。最後の36ビットは、特定のタグに固有のシリアル番号です。これらの最後の2つのフィールドは、タグを発行した組織によって設定されます。URLと同様に、電子製品コード全体は、特定の製品を一意に識別するためのグローバルデータベースへのキーとして使用できます。[28]
多くの場合、タグリーダーには複数のタグが応答します。例えば、タグが付いた多くの個別製品が共通の箱やパレットで出荷されることがあります。データの読み取りを可能にするには、衝突検出が重要です。特定のタグを「個別化」するために、2種類のプロトコルが使用されます。これにより、多数の類似タグの中からそのタグのデータを読み取ることができます。スロット型Alohaシステムでは、リーダーは初期化コマンドとパラメータをブロードキャストし、タグはこれらを使用して個別に応答を擬似ランダムに遅延させます。「適応型バイナリツリー」プロトコルを使用する場合、リーダーは初期化シンボルを送信し、次にIDデータを1ビットずつ送信します。一致するビットを持つタグのみが応答し、最終的に完全なID文字列と一致するタグは1つだけになります。[29]
どちらの方法も、多数のタグや複数の重複するリーダーで使用する場合には欠点があります。[引用が必要]
一括読み取り
「一括読み取り」は複数のタグを同時に読み取る戦略ですが、在庫管理には十分な精度がありません。RFIDタグが貼られた複数の物体を、1つのリーダー位置から一度に読み取ります。しかし、タグは厳密に順番に応答するため、一括読み取りに必要な時間は読み取りラベルの数に比例して増加します。つまり、ラベルの数が2倍になると、少なくとも2倍の時間がかかります。衝突の影響により、必要な時間はさらに長くなります。[30]
タグのグループは、単一のタグと同様に、問い合わせ信号によって照射される必要があります。これはエネルギーの問題ではなく、可視性に関する問題です。タグのいずれかが他のタグによって遮蔽されている場合、十分な照射が得られず、十分な応答を返さない可能性があります。誘導結合型HF帯RFIDタグとコイルアンテナの磁場中における応答条件は、UHF帯やSHF帯の双極子磁場中よりも良好に見えますが、距離制限が適用されるため、成功しない可能性があります。[要出典] [31]
運用条件下では、バルク読み取りは信頼性が低い。バルク読み取りは物流に関する意思決定の大まかな指針となり得るが、読み取り失敗率が高いため、在庫管理には（まだ）[いつ？ ]適していない。しかし、単一のRFIDタグでは適切な読み取りが保証されない可能性がある場合、少なくとも1つが応答する複数のRFIDタグは、既知の物体のグループを検出するより安全なアプローチとなる可能性がある。この点において、バルク読み取りはプロセス支援のための曖昧な方法である。コストと効果の観点から、バルク読み取りは物流におけるプロセス管理を確保するための経済的なアプローチとは報告されていない。[32]
小型化
RFIDタグは簡単に隠したり、他の物品に組み込んだりできます。例えば、2009年にはブリストル大学の研究者が、生きたアリの行動を研究するために、RFIDマイクロトランスポンダーをアリに接着することに成功しました。 [33] RFIDの小型化へのこの傾向は、技術の進歩に伴い今後も続くと考えられます。
日立は、0.05 mm × 0.05 mmという世界最小のRFIDチップの記録を保持しています。これは、以前の記録保持者であるミューチップの64分の1の大きさです。[34]製造には、シリコン・オン・インシュレータ（SOI）プロセスが用いられています。この塵ほどの大きさのチップは、128ビットの読み取り専用メモリ（ROM）を使用して38桁の数字を保存できます。[35]大きな課題はアンテナの取り付けで、読み取り範囲がわずか数ミリメートルに制限されます。
TFID（テラヘルツ周波数識別）
2020年初頭、MITの研究者たちは、わずか1平方ミリメートルの大きさのテラヘルツ周波数識別（TFID）タグを実証しました。このデバイスは基本的にシリコン片で、安価で小型であり、大型のRFIDタグと同様に機能します。この小型サイズにより、メーカーは最小限のコストであらゆる製品にタグを取り付け、物流情報を追跡できるようになります。[36] [37]
用途
RFID タグは物体に貼り付けて、ツール、機器、在庫、資産、人、その他の物体を追跡するために使用できます。
RFIDは、手動システムやバーコードに比べて優れた利点があります。タグは、物体に覆われていたり、見えなかったりしても、リーダーの近くを通せば読み取ることができます。タグはケース、カートン、箱、その他の容器の中にあっても読み取ることができ、バーコードとは異なり、RFIDタグは一度に数百個を読み取ることができます。一方、バーコードは現在のデバイスでは一度に1個しか読み取ることができません。バッテリー駆動のパッシブタグなど、一部のRFIDタグは、温度や湿度も監視できます。[38]
2011年、パッシブタグの価格は1個あたり0.09ドルから始まり、金属に取り付けたりガンマ線滅菌に耐えたりする特殊なタグは最大5ドルまでになりました。コンテナや医療資産の追跡、データセンターの環境条件の監視などに使われるアクティブタグは1個あたり50ドルから始まり、100ドルを超えることもありました。[39]バッテリーアシストパッシブ（BAP）タグは3～10ドルの範囲でした。[要出典]
RFIDは、次のようなさまざまなアプリケーションで使用できます。 [40] [41]
- アクセス管理
- 商品の追跡
- 人や動物の追跡[42]
- 通行料金徴収と非接触決済
- 機械読み取り可能な渡航書類
- Smartdust（大規模分散センサーネットワーク向け）
- 空港で紛失した手荷物の所在確認[43]
- スポーツイベントのタイミング
- 追跡と請求プロセス
- 生鮮食品の物理的状態の監視[44]
2010年には、RFIDの利用が�