KR101084537B1 - Ｒｆｉｄ 리더기의 인식속도 개선 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법, 특히 RFID 리더기가 트랜스 폰더로 데이터 요청 신호를 송신한 이후 RFID 리더기의 인식 거리 내로 들어오게 된다면 트랜스폰더는 RFID 리더기의 다음 데이터 요청 신호를 기다리게 되며 이는 인식시간의 증가로 이어지게 되는데 이러한 인식시간을 줄이기 위한 것으로, 현재 사용되는 리더기에서 발생하는 소프트웨어에서 트랜스폰더의 데이터 응답을 얻을 시 긴 인식시간 및 짧은 인식 거리로 인해 불필요한 대기 시간이 발생하는데 트랜스폰더의 인식 거리 도달 여부를 비교기를 통해 감지하여 인식 속도를 개선할 수 있는 RFID 리더기의 인식 속도 개선 방법에 관한 것이다.

Description

ＲＦＩＤ 리더기의 인식속도 개선 방법{RECOGNITION SPEED IMPROVEMENT OF RFID READER}

본 발명은 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법, 특히 현재 사용되는 리더기의 소프트웨어에서 트랜스폰더의 데이터 응답을 얻을 시 긴 인식 시간 및 짧은 인식 거리로 인해 불필요한 대기 시간이 발생하는데 이러한 불필요한 대기시간을 줄이기 위해 하나 이상의 트랜스폰더의 인식 거리 도달 여부를 비교기를 통해 감지하여, RFID 리더기의 인식 속도를 개선할 수 있는 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법에 관한 것이다.

최근 무선 인식기술은 유비쿼터스의 중요 부분으로 자리 잡고 있다. 이러한 무선 인식 기술은 공장 자동화, 물류 자동화, 무인 감시제어, 출입자 관리 및 차량 관리 등의 무선 인식 시스템에 적용되고 있으며, 이에 대한 연구 개발이 국내외에서 활발히 진행되고 있다.

상기 무선 인식 시스템은 크게 시스템을 관리하는 호스트와 인식을 위해 인식 대상체에 붙이는 트랜스폰더 그리고 상기 트랜스폰더를 인식하기 위한 RFID 리더기로 나누어진다. 상기 시스템 내에서의 통신은 주종 방법에 따라 이루어지며 먼저 호스트에서 RFID 리더기로 데이터를 요청하면 RFID 리더기는 트랜스폰더를 인식하고, 상기 트랜스폰더로부터 데이터를 받아서 다시 호스트로 넘기는 방법을 취한다.

현재 사용되는 RFID 리더기는 하나 이상의 트랜스폰더를 식별하기 위한 충돌처리 방식에 따라 두 가지로 나누어지는데 하나는 동적 이진 방식(dynamic binary search procedure)이고 다른 하나는 동적 슬롯티드 알로하 방식(dynamic slotted ALOHA procedure)을 사용하고 있다. 상기 동적 이진 방식은 개별적으로 부여된 시리얼 넘버를 최상위 비트부터 최하위 비트까지 검색하여 가장 작거나 큰 시리얼 넘버를 가진 트랜스폰더를 선택하는 방법이고, 동적 슬롯티드 알로하 방식은 트랜스폰더 내부의 난수 발생기를 이용하여 자신의 임시적인 순번을 정하고 자신의 순번에 따라 RFID 리더기의 요청에 응답하는 방식이다. 그러나 두 가지 방식 모두 RFID 리더기와 트랜스폰더의 관계는 주종 관계로서 트랜스폰더는 RFID 리더기의 요청에 대한 응답만을 할 수 있다. 이와 같은 관계는 트랜스폰더에서의 데이터 요청이 있을 수 없다는 것을 의미하며, 상기 RFID 리더기에서는 트랜스폰더의 데이터를 전송받기 위해서는 먼저 데이터에 대한 요청을 하여야 함을 의미한다.

이와 같은 시스템의 경우, 상기 RFID 리더기가 트랜스폰더로 데이터 요청 신호를 송신한 이후 RFID 리더기의 인식거리 내로 들어오게 된다면, 상기 트랜스폰더는 RFID 리더기의 다음 데이터 요청 신호를 기다리게 되며, 이는 인식 시간의 증가로 이어지게 된다. 따라서 이러한 증가 된 인식 시간을 줄이는 것이 상기 RFID 리더기의 개발의 초점으로 대두 되고 있는 실정이다.

본 발명의 과제는 위에서 상술한 바와 같이 RFID 리더기의 데이터 요청에 대한 상기 RFID 리더기까지의 인식 시간의 감소를 위해서 준비 상태 없이 트랜스폰더가 상기 RFID 리더기의 인식거리 내 도달시 RFID 리더기가 트랜스폰더로 데이터를 요청하도록 하여 RFID 리더기의 요청 신호 이후 트랜스폰더가 인식거리 내 도달할 시 발생하는 불필요한 인식시간을 줄이도록 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 상기 트랜스폰더의 인식거리 도달 여부를 상호 유기 전압 차를 감지하는 비교기를 통하여 감지하여 RFID 리더기에서 능동적으로 하나 이상의 트랜스폰더에게 데이터 요청 신호를 전달하도록 한 것이다.

이에 따라 트랜스폰더 감지 유무에 따른 인식시간을 비교하기 위해, 타임 아웃을 각각 100ms, 200ms, 300ms로 하였을 때와 하나 이상의 트랜스폰더를 이용할 경우를 측정해본 결과, 자체적으로 70ms 의 인식시간 변화가 나타나며 트랜스폰더 감지를 이용할 경우가 인식시간이 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 이에 대해서는 후술 된 도 6에 나타난 바와 같이, 대부분이 양의 값을 가지며 이러한 양의 값을 가지는 결과는 트랜스폰더 감지를 이용했을 경우가, 이용하지 않았을 경우보다 빠르다는 것을 의미한다.

따라서 본 발명은 고주파신호를 수신하는 수신부 일단에 R, L, C를 포함하고 데이터를 수신하는 안테나를 포함하는 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법으로서, 상기 RFID 리더기는 트랜스폰더에 응답신호에 따라 대기 상태 없이 응답신호를 보내며, 상기 리더기에는 하나 이상의 트랜스폰더가 접근하여 인식속도를 개선하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 트랜스폰더 인식거리 도달 여부를 감지하기 위해 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 트랜스폰더 도달 여부 감지를 이용하는 경우 이용하지 않는 경우보다 인식 시간이 감소 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 트랜스폰더 인식거리 도달 여부는 상기 리더기와 트랜스폰더의 유기전압 차로 알 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 RFID 리더기의 인식속도는 하나 이상의 트랜스폰더 감지를 사용할 경우 최대 47.5 ms 의 인식시간이 감소하고 평균으로는 12 ms의 인식시간이 감소 된다는 결과를 얻었다. 본 발명의 결과로 RFID 리더기 카드를 대량 생산할 때에 데이터를 읽고 쓰는 시간의 절감효과로 생산성의 증가를 기대할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 RFID 리더기의 등가 회로이다.
도 2는 본 발명의 RFID 리더기의 안테나와 트랜스폰더의 회로적 등가 회로이다.
도 3은 비교기를 포함한 RFID 리더기의 등가 회로이다.
도 4는 RFID 리더기의 인식 시간을 기록하기 위한 측정 시스템이다.
도 5는 RFID 리더기와 트랜스폰더 감지 회로를 사용한 RFID 리더기를 나타내는 도면이다.
도 6은 100ms, 200ms, 300ms의 타임아웃을 가질 경우의 측정된 인식 시간과 트랜스폰더 감지를 이용할 경우 측정된 인식 시간의 차이를 나타내는 도면이다.

이하 도면을 참조로 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 RFID 리더기의 등가 회로이다.

도 1은 인덕턴스 La와 도선 저항 Ra의 안테나를 갖는 RFID 리더기(reader)의 등가 회로 이다.

도 1에서 외부 커패시터 C₁은 동작 주파수 w_TX=w_RES 에서 직렬 공진을 얻기 위한 요소이다. 도시된 회로로부터 감지기 안테나에 흐르는 전류ia는 공급 전압 U₀로부터 다음 식 1과 같이 결정된다.

식 1

식 1에서 공진 주파수에서 C₁과 La의 임피던스는 서로 상쇄되므로 Z₀=Ra 이 되어 안테나 전압 Ua는 아래의 식 2와 같이 결정된다.

식 2

식 2는 트랜스폰더가 감지기의 감지영역 바깥에 있을 때 안테나의 전압을 나타낸다. 한편, 하나의 트랜스폰더가 RFID reader에 접근하여 두 장치가 교류 자기장에 의해 결합할 경우 RFID reader의 안테나와 트랜스폰더의 회로적 등가 관계는 도 2와 같다.

도 2의 각 회로에서 전압과 전류의 관계는 아래의 식3, 식 4와 같이 표현된다.

식 3

식 4

식 3과 식 4로부터 RFID 리더기 안테나에 흐르는 전류 ia는 아래와 같이 결정된다.

식 5

따라서 RFID reader 안테나의 임피던스 Za은 식 6과같이 결정된다.

식 6

식5와 식 6으로부터 자기장 결합상태에서 안테나에 걸리는 전압 Ua는 아래의 식 7과 같이 결정된다.

식 7

회로의 동작이 공진 주파수 w_TX=w_RES에서 이루어질 경우 Z₁=Ra이 되며 상호 인덕턴스을 결정하는 일반적인 식 M²=k²LaLt 을 대입하면 식 7은 아래의 식 8과 같이 표현된다.

식 8

식 8에서 결합계수 k는 항상 두 한계치 0 ≤k≤1 사이에 존재하며 k=0 일 때는 먼 거리 또는 자기장에 의한 완전 비결합을 의미하고 k=1 일 때는 완전 결합으로 두 코일들이 동일한 자기 선속에 영향을 받음을 의미한다. 즉 트랜스폰더의 접근에 대하여 결합계수 k의 값이 변하게 되며 RFID reader의 안테나에 걸리는 전압의 변화로 나타나게 된다는 것을 의미한다. 또한, 하나 이상의 트랜스폰더가 접근 하면 안테나 전압이 하나의 태그 일 때보다 더 크게 발생하므로 하나 이상의 트랜스폰더들이 접근함을 인지하고, 위에서 상술한 동적 이진 검색(dynamic binary search procedure)또는 동적 슬롯티드 알로하 방식(dynamic slotted ALOHA proceduer)중 하나의 방법에 의해 RFID anti-collision process 를 수행하며 통상적으로 트랜스폰더가 충돌하는 것을 리더기가 알기 위해서는 하나 이상의 트랜스폰더들이 ID를 전송할 때까지 기다려야 하는데, 본 발명의 리더기는 접근하자마자 알 수 있어 anti-collision process 속도를 빠르게 할 수 있다.

또한, RFID reader의 안테나에 비교기를 부착하여 RFID reader에 걸리는 전압을 검사함으로써 도 3의 등가 회로와 같이 트랜스폰더 감지 장치를 구현할 수 있다.

도 3과 같이 설계를 할 경우 소프트웨어는 RFID reader의 REQA명령의 반복을 피하여 검색된 전압을 이용하여 트랜스폰더의 접근을 알고 REQA명령을 송신하게 된다.

Idle state에서의 변수 wait_time은 트랜스폰더 감지를 이용하지 않는 경우에 사용되는 변수이다. 그러나 트랜스폰더 감지를 이용하는 경우에 이 변수는 REQA를 수신한 트랜스폰더의 응답을 위한 대기 시간이 된다. 그러므로 트랜스폰더 감지를 이용한 RFID 리더기의 대기 시간의 범위를 나타내면 식 9와 같이 표현될 수 있다.

식 9

t_{Tag 감지를 위한 시간}은 실제 간단히 비교기를 통하여 일정한 전압과 비교하는 시간과 비교기의 출력을 입력으로 받아서 처리하는 시간이 된다. 이는 wait_time에 의해 대기하는 시간보다 매우 작다.

상기 RFID 리더기의 인식 시간을 기록하기 위하여 도 4와 같은 간단한 측정 시스템을 구성하였다. 우선 트랜스폰더를 일정한 속력으로 이동시키기 위하여 스태핑 모터를 사용하였으며, 스태핑 모터의 구동을 위하여 스태핑 모터 드라이버로 널리 쓰이고 있는 SLA7024M를 사용하였다. 또한, 스태핑 모터의 동작제어와 호스트로 사용되는 PC와의 연결을 위하여 40MHz의 클럭을 사용하는 AT89C51ED2를 사용하였다. RFID 리더기는 자체 제작하였으며, 필립스사의 MF RC500을 사용하였으며, MF RC 500은 ISO 14443 프로토콜을 지원하는 RFID reader 전용 칩이다.

도 5는 자체 제작된 RFID 리더기와 트랜스폰더 감지 회로를 사용한 RFID 리더기를 나타내는 도면이다.

인식시간을 비교하기 위하여 타임 아웃을 100ms, 200ms, 300ms로 할 경우와 트랜스폰더 감지를 이용할 경우에 대하여 100회 측정해 보았다. 전체적으로 70ms정도의 인식시간 변화가 나타나며 트랜스폰더 감지를 이용할 경우가 타임아웃을 100ms, 200ms, 300ms가질 경우와 비교하여 인식시간이 적게 나타나는 것을 알 수 있다.

100ms, 200ms 그리고 300ms의 타임아웃을 가질 경우에 측정된 인식시간과 태그(트랜스폰더) 감지를 이용한 경우 측정된 인식시간의 차이를 측정해 보았다. 도 6의 그래프의 대부분이 양의 값을 가지며 이는 트랜스폰더 감지를 이용하였을 경우가 이용하지 않았을 경우보다 빨랐음을 의미한다.

상기 트랜스폰더 감지를 사용할 경우, 최대 47.5 ms의 인식시간이 감소하고 평균으로는 12 ms의 인식시간이 감소 된다는 결과를 얻었다.

현재 ISO/IEC 14443 표준은 금융, 신분 인식분야에 다양하게 사용되고 있다. 하지만, 긴 인식시간 및 짧은 인식거리로 인하여 많은 문제점이 제기되어 왔으며, 긴 인식시간의 문제점을 해결하기 위해 RFID reader를 자체 제작하여 하드웨어와 소프트웨어의 문제점을 분석하여 보완하도록 노력하였다.

본 발명은 데이터를 읽고 쓰는 시간을 줄여 금융, 신분 인식 분야 등 RFID 태그 대량생산에 이용될 수 있다.

Claims (4)

1. 고주파신호를 수신하는 수신부 일단에 R, L, C를 포함하고 데이터를 수신하는 안테나를 포함하는 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법에 있어서,
   상기 RFID 리더기는 트랜스폰더에 응답신호에 따라 불필요한 대기 상태 없이 응답신호를 보내며,
   상기 리더기에는 인식거리 도달 여부를 감지하기 위해 비교기를 포함하여 하나 이상의 트랜스폰더가 접근할 때 인식속도를 개선하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   트랜스폰더 감지회로를 이용하여 상기 트랜스폰더의 도달 여부 감지를 이용하는 경우 이용하지 않는 경우보다 인식 시간이 감소하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 트랜스폰더의 인식거리 도달 여부는 상기 리더기와 트랜스폰더의 유기전압 차로 알 수 있는 것을 특징으로 하는 RFID 리더기의 인식속도 개선 방법.

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