การออกแบบสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลสำหรับระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ เพื่อการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์

 การออกแบบสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลสำหรับระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ

เพื่อการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์

รศ. ดร. ดนัย ต.รุ่งเรือง
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเอเชียน
ชลบุรี 20260 อีเมล์แอดเดรส : dtg@asianust.ac.th
 
ผศ. ดร. ชูวงค์ พงศ์เจริญพาณิชย์ และ ศุภกิต แก้วดวงตา
คณะวิศวกรรมศาสตร์  สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
กรุงเทพฯ 10520 อีเมล์แอดเดรส : kpchuwon@kmitl.ac.th
 
บทคัดย่อ
                บทความนี้นำเสนอหลักการพื้นฐานของระบบระบุลักษณะทางคลื่นวิทยุ (Radio Frequency Identification: RFID) รวมทั้งการนำเทคโนโลยี RFID ไปใช้งานและเทคนิคการออกแบบสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลสำหรับระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ เพื่อการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์โดยใช้กระบวนการหาค่าที่เหมาะสมที่สุดด้วยกระบวนการคิดแบบสืบทอดพันธุกรรม ซึ่งเทคนิคดังกล่าวสามารถที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องอ่านข้อมูลกับแท็กในระบบ RFID ให้ดียิ่งขึ้น อีกทั้งยังได้นำสายอากาศดังกล่าวไปทดลองใช้งานจริงในการลงทะเบียนสัตว์พบว่าสามารถใช้งานสายอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมอีกด้วย
 
 

1. บทนำ

 

                เทคโนโลยีของระบบระบุลักษณะทางคลื่นวิทยุ (Radio Frequency Identification : RFID) เป็นเทคโนโลยีที่นำเอาคลื่นวิทยุมาเป็นคลื่นพาห์ เพื่อใช้ในการสื่อสารข้อมูลระหว่างเครื่องอ่านข้อมูล (Reader) และแท็ก (Tag) [1]-[3] ซึ่งย่านความถี่ของระบบ RFID ที่มีใช้งานกันอยู่โดยทั่วไปภายในประเทศไทยแสดงดังรูปที่ 1 ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ย่านความถี่หลัก [4] ได้แก่
     • ย่านความถี่ต่ำ (Low Frequency: LF) ใช้ความถี่ต่ำกว่า 135 kHz
     • ย่านความถี่สูง (High Frequency: HF) ใช้ความถี่ 13.56 MHz
     • ย่านความถี่สูงยิ่ง (Ultra High Frequency: UHF) ใช้ความถี่ 433 MHz หรือ 920 MHz
     • ย่านความถี่ไมโครเวฟ (Microwave Frequency) ใช้ความถี่ 2.45 GHz หรือ 5 GHz
                การใช้งานในสองย่านความถี่แรก (LF และ HF) จะเหมาะสำหรับใช้กับงานที่มีระยะการสื่อสารข้อมูลในระยะใกล้ (โดยทั่วไประบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ มีระยะการอ่านประมาณ 10-20 เซนติเมตร และระบบ RFID ในย่านความถี่สูง มีระยะการอ่านประมาณ 1 เมตร) เช่น การตรวจสอบการผ่านเข้าออกพื้นที่ การตรวจหา และการเก็บประวัติในสัตว์เป็นต้น ซึ่งระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำมีความสำคัญในงานด้านการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์อันจะทำให้เป็นการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันให้กับอุตสาหกรรมการเลี้ยงสัตว์ของประเทศไทยและเป็นระบบพื้นฐานให้กับโครงการระบบตรวจสอบย้อนกลับของอาหารและโครงการอาหารปลอดภัย
                ส่วนระบบ RFID ในย่านความถี่สูงยิ่งนั้นจะถูกใช้กับงานที่มีระยะการสื่อสารข้อมูลในระยะไกล (โดยทั่วไประบบ RFID ในย่านความถี่สูงยิ่ง มีระยะอ่านประมาณ 1-10 เมตร) เช่น ระบบเก็บค่าบริการบนทางด่วน เป็นต้น และในปัจจุบันการวิจัยและพัฒนาระบบ RFID ในย่านความถี่ไมโครเวฟ ที่ความถี่ 2.45 GHz และ 5 GHz ได้มีการดำเนินการสำหรับใช้งานที่ต้องการระยะอ่านที่ไกลกว่า 10 เมตร
 
รูปที่ 1 ย่านความถี่ใช้งานของระบบ RFID
 
                โดยทั่วไประบบ RFID ประกอบด้วยส่วนประกอบ 4 ส่วนที่สำคัญคือ RFID แท็ก สายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูล เครื่องอ่านข้อมูล และเครื่องคอมพิวเตอร์ดังแสดงในรูปที่ 2 สำหรับระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำสำหรับงานด้านการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์นั้นสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญ เพราะเป็นตัวกำหนดราคาของระบบและประสิทธิภาพในการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องอ่านข้อมูลและแท็กที่ติดอยู่กับตัวสัตว์ซึ่งมีทิศทางการวางตัวที่ไม่แน่นอนในสภาพการใช้งานจริง ดังนั้นการผลิตสายอากาศได้เองภายในประเทศที่มีประสิทธิภาพดีและมีราคาเหมาะสมตลอดจนเหมาะกับการใช้งานจริงจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการที่จะทำให้ฟาร์มเลี้ยงสัตว์ภายในประเทศไทยใช้ระบบ RFID กันอย่างแพร่หลาย
 
รูปที่ 2 ส่วนประกอบของระบบ RFID
 
                การติดต่อสื่อสารของระบบ RFID เป็นการติดต่อสื่อสารข้อมูลระหว่างอุปกรณ์สองชนิดคือแท็ก และเครื่องอ่านข้อมูล ซึ่งเป็นการสื่อสารแบบไร้สาย (Wireless Communications) โดยการนำข้อมูลที่ต้องการส่งมาทำการมอดูเลต (Modulation) กับคลื่นวิทยุแล้วส่งออกผ่านทางสายอากาศที่ติดตั้งที่เครื่องอ่านข้อมูลและที่ติดอยู่กับแท็ก ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 วิธีด้วยกันคือ [1]
                1.  วิธีการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก (Inductive Coupling หรือ Proximity Electromagnetics) วิธีการนี้จะใช้งานในย่านความถี่ต่ำและย่านความถี่สูง ซึ่งมักจะใช้สายอากาศแบบบ่วงทั้งกับเครื่องอ่านข้อมูลและแท็ก เนื่องจากสามารถกระจายและรับสนามแม่เหล็กได้ดี ดังแสดงในรูปที่ 3
 
รูปที่ 3 วิธีการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ซึ่งใช้ในย่านความถี่ต่ำ และย่านความถี่สูง
 
                2.  วิธีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Propagation Coupling)วิธีการนี้จะใช้งานในย่านความถี่สูงยิ่งและย่านความถี่ไมโครเวฟ ซึ่งเครื่องอ่านข้อมูลสามารถที่จะติดต่อสื่อสารกับแท็กที่อยู่ในระยะไกลได้ ดังแสดงในรูปที่ 4
 
รูปที่ 4 วิธีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งใช้ในย่านความถี่สูงยิ่งและย่านความถี่ไมโครเวฟ
 
                ในบทความนี้ได้จัดเรียงเนื้อหาไว้ดังนี้คือ ในหัวข้อที่ 2 จะกล่าวถึงการใช้งานระบบ RFID ในการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์ ส่วนหลักการออกแบบสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลสำหรับระบบ RFID จะถูกกล่าวถึงในหัวข้อที่ 3 ในหัวข้อที่ 4 จะกล่าวถึงการสร้างและการทดสอบสายอากาศก่อนการนำไปใช้งานจริง และผลการทดลองใช้สายอากาศในระบบการลงทะเบียนสัตว์นั้นจะถูกนำเสนอในหัวข้อที่ 5 และในหัวข้อที่ 6 จะกล่าวถึงบทสรุป
 
 

2. การใช้งานระบบ RFID ในการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์

 

                การนำระบบ RFID มาประยุกต์ใช้กับการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์นั้นเพื่อนำมาใช้จัดเก็บข้อมูลเฉพาะตัวของสัตว์เช่น ประวัติ สายพันธุ์ การให้อาหาร การเจริญเติบโต การให้ผลผลิต และประวัติการฉีดวัคซีนเป็นต้น เพื่อช่วยให้การจัดเก็บข้อมูลมีความสะดวกรวดเร็ว และมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น ซึ่งข้อมูลดังกล่าวจะช่วยให้สามารถตรวจสอบย้อนกลับแหล่งที่มาของผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร และสร้างความปลอดภัยและความเชื่อมั่นให้กับผู้บริโภคได้เป็นอย่างดี ระบบดังกล่าวประกอบด้วย เครื่องอ่านข้อมูล แท็ก และโปรแกรมคอมพิวเตอร์สำหรับจัดการฐานข้อมูล เป็นต้น ซึ่งสิ่งที่สำคัญในการนำระบบ RFID มาใช้อีกอย่างหนึ่งคือ ตำแหน่งการติดตั้งแท็กในตัวสัตว์ โดยสัตว์แต่ละชนิดนั้นจะติดตั้งแท็กในตำแหน่งที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น
                1. โค กระบือ แพะ และแกะ ซึ่งเป็นสัตว์เคี้ยวเอื้องส่วนใหญ่จะใช้การฝังไมโครชิปไว้ในวัสดุที่มีน้ำหนักหรือที่เรียกว่า โบลัส (Bolus Tag) แล้วป้อนให้สัตว์กิน โบลัสจะค้างอยู่ในกระเพาะส่วนต้น ซึ่งอาจเป็นรูเมน (Rumen) หรือ เรติคูลัม (Reticulum) ไปตลอดชีวิต และอาจจะนำโบลัสออกมาได้หลังจากที่สัตว์เสียชีวิตแล้ว ดังแสดงในรูปที่ 5 [5]
 
รูปที่ 5 ตำแหน่งการติดตั้งแท็กสำหรับโคและแกะ
 
                2. สุกร ซึ่งเป็นสัตว์กระเพาะเดี่ยวนั้นไม่สามารถป้อนโบลัสได้ ดังนั้นการติดแท็กชนิดติดหู (Ear Tag) จึงมีความเหมาะสมมากกว่า ดังแสดงในรูปที่ 6 [5]
 
รูปที่ 6 ตำแหน่งการติดตั้งแท็กกับสุกร
 
                จากลักษณะการติดตั้งแท็กกับตัวสัตว์ชนิดต่างๆ นั้นจะเห็นได้ชัดเจนว่าไม่สามารถที่จะกำหนดลักษณะการวางตัวที่แน่นอนของแท็กได้ในสภาพการใช้งานจริง จึงจำเป็นที่จะต้องออกแบบและพัฒนาระบบ RFID ให้สามารถอ่านข้อมูลจากแท็กได้ทุกๆ ลักษณะการวางตัว ซึ่งหมายความว่าสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลในระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำนั้นจะต้องสามารถที่จะกระจายสนามแม่เหล็กได้ในหลากหลายทิศทาง
 

 
3. หลักการออกแบบสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลสำหรับระบบ RFID

 

                สายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลที่ใช้งานในย่านความถี่ต่ำและย่านความถี่สูงโดยทั่วไปจะเป็นสายอากาศแบบบ่วงรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า หรือรูปวงกลมแสดงดังรูปที่ 7 เนื่องจากสายอากาศแบบบ่วงลักษณะนี้ มีโครงสร้างที่ง่ายในการออกแบบและสามารถกระจายสนามแม่เหล็กได้ดีพอสมควร จึงทำให้เป็นที่นิยมใช้ในระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำและในย่านความถี่สูง ซึ่งหน้าที่ของสายอากาศ ที่ใช้งานกับเครื่องอ่านข้อมูลมีอยู่ 2 ประการคือ
 

     1. เพื่อใช้ส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าให้เป็นกำลังงานของแท็กแบบพาสซีฟ (Passive Tag) และ
     ส่งสัญญาณข้อมูลไปยังแท็ก

 

     2. เพื่อใช้รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (สัญญาณข้อมูล) ที่ส่งกลับมาจากแท็ก
 
                                      
(ก) สายอากาศแบบบ่วงสี่เหลี่ยมผืนผ้า            (ข) สายอากาศแบบบ่วงวงกลม
รูปที่ 7 รูปแบบต่างๆ ของสายอากาศแบบบ่วง
 
                เนื่องจากสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลนั้นสามารถต่อสายอากาศได้มากกว่า 1 ด้านโดยใช้อุปกรณ์แยก (Splitter) แม้ว่าอุปกรณ์แยกที่นำมาใช้อาจทำให้เกิดการสูญเสียกำลังงานอยู่บ้าง แต่เมื่อต่อสายอากาศมากกว่า 1 ด้านเข้าด้วยกันโดยทั่วไปจะทำให้ได้ระยะการอ่านไกลขึ้นเมื่อเทียบกับการต่อสายอากาศแบบด้านเดียว ส่วนทิศทางสนามแม่เหล็กของสายอากาศแบบบ่วงขดลวดนั้น จะขึ้นอยู่กับทิศทางของการป้อนกระแสให้กับสายอากาศแบบบ่วงขดลวด ซึ่งในทางปฏิบัตินั้นการต่อสายอากาศเป็นแบบ 2 ด้านในลักษณะประตูเดินผ่านมีการป้อนกระแสได้ 2 แบบดังนี้ [1]-[3]
     1. สายอากาศแบบบ่วงขดลวด 2 ด้านต่อลักษณะประตูเดินผ่านและมีเฟสของกระแสในแต่ละบ่วงตรงกัน (In Phase)
                จากสายอากาศแบบบ่วงขดลวดด้านเดียวจะได้ค่าสนามแม่เหล็กที่ลดลงตามระยะทางที่ไกลขึ้น [1]-[3] แต่เมื่อทำการต่อสายอากาศ 2 ด้านในลักษณะประตูเดินผ่าน โดยทำการป้อนกระแสให้มีทิศทางเดียวกันทั้ง 2 ด้าน จะทำให้เครื่องอ่านข้อมูลอ่านได้ระยะไกลกว่าเดิม ซึ่งวิธีนี้เหมาะสำหรับใช้ในการตรวจสอบแท็กที่มีการขนส่งบนเครื่องขนส่งลำเลียง เนื่องจากเมื่อทำการต่อสายอากาศกับเครื่องอ่านข้อมูล เครื่องอ่านข้อมูลสามารถอ่านได้ดีในกรณีที่แท็กวางตัวขนานกับสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูล แสดงดังรูปที่ 8
 
รูปที่ 8 ทิศทางสนามแม่เหล็กของสายอากาศแบบบ่วงขดลวด 2 ด้าน ต่อลักษณะประตูเดินผ่านและมีเฟสของกระแสในแต่ละบ่วงตรงกัน
 
     2. สายอากาศแบบบ่วงขดลวด 2 ด้านต่อลักษณะประตูเดินผ่านและมีเฟสของกระแสในแต่ละบ่วงต่างกัน 180 องศา (180° Out of Phase)
                เมื่อทำการต่อสายอากาศแบบบ่วงขดลวด 2 ด้านในลักษณะประตูเดินผ่านและมีเฟสของกระแสในแต่ละบ่วงต่างกัน 180 องศาจะได้รูปแบบการกระจายของสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไปแสดงดังรูปที่ 9 และเมื่อแท็กอยู่ในแนวขนานกับสายอากาศจะไม่สามารถอ่านได้ที่จุดกึ่งกลางระหว่างสายอากาศ แต่เมื่อแท็กทำมุม 90 องศากับสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลแสดงดังรูปที่ 9 ก็จะสามารถอ่านได้ทั้งด้านทางเข้าและด้านทางออกของสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูล
 
รูปที่ 9 ทิศทางสนามแม่เหล็กของสายอากาศแบบบ่วงขดลวด 2 ด้านต่อลักษณะประตูเดินผ่านและมีเฟสของกระแสในแต่ละบ่วงต่างกัน 180 องศา
 
                จากความรู้พื้นฐานของสายอากาศในย่านความถี่ต่ำและย่านความถี่สูงพบว่า [6]-[7] สายอากาศแบบบ่วงสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยทั่วไปที่ต่อแบบประตูเดินผ่าน นั้นไม่สามารถกระจายสนามแม่เหล็กในหลากหลายทิศทางได้ดี ซึ่งสายอากาศดังกล่าวจะกระจายสนามแม่เหล็กได้ดีในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อป้อนกระแสให้สายอากาศในแต่ละบ่วงมีเฟสตรงกัน สายอากาศแบบบ่วงสี่เหลี่ยมผืนผ้าจะกระจายสนามแม่เหล็กได้ดีในทิศทาง y เท่านั้น แสดงดังในรูปที่ 8 และเมื่อป้อนกระแสให้สายอากาศแบบบ่วงสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีเฟสต่างกัน 180 องศา สายอากาศแบบบ่วงสี่เหลี่ยมผืนผ้าจะกระจายสนามแม่เหล็กได้ดีในทิศทาง x เท่านั้น แสดงดังในรูปที่ 9 ดังนั้นจึงได้ทำการปรับปรุงโครงสร้างของสายอากาศโดยการออกแบบรูปร่างของสายอากาศแต่ละด้านเป็นแบบบ่วงคู่สี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีบ่วงสายอากาศสองบ่วงวางซ้อนกันแสดงดังรูปที่ 10 เพื่อที่จะช่วยให้การกระจายสนามแม่เหล็กในทิศทางอื่นๆ บริเวณกึ่งกลางของสายอากาศแบบประตูเดินผ่านดีขึ้นด้วย
 
รูปที่ 10 สายอากาศแบบบ่วงคู่สี่เหลี่ยมผืนผ้าวางซ้อนกัน
 
                อย่างไรก็ตามสายอากาศในรูปที่ 10 ยังไม่สามารถกระจายสนามแม่เหล็กในทิศทางต่างๆ ได้ทั่วถึงดีพอ จึงได้ทำการปรับปรุงโครงสร้างสายอากาศใหม่เพื่อให้สายอากาศสามารถกระจายสนามแม่เหล็กได้ในหลากหลายทิศทาง โดยการปรับเปลี่ยนลักษณะบ่วงด้านในของสายอากาศเป็นรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานเพื่อที่ให้กระแสสามารถไหลในแนวเฉียงได้ ซึ่งจะช่วยให้สายอากาศสามารถกระจายสนามแม่เหล็กในทิศทางต่างๆ ได้ดีมากขึ้น แต่ไม่เปลี่ยนแปลงรูปแบบของบ่วงด้านนอกเพื่อที่จะรักษาการกระจายสนามแม่เหล็กในทิศทาง y ไว้จากนั้นพิจารณาการป้อนกระแสให้บ่วงคู่ทั้งสอง โดยในที่นี้จะป้อนกระแสให้บ่วงสายอากาศทั้งสองมีเฟสตรงกันเพื่อที่จะไม่ให้สนามแม่เหล็กที่กระจายออกมาจากบ่วงด้านในและบ่วงด้านนอกเกิดการหักล้างกันเอง ดังแสดงในรูปที่ 11
 
รูปที่ 11 สายอากาศแบบบ่วงคู่ที่มีบ่วงด้านในเป็นรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานและบ่วงด้านนอกเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า
 
 รูปที่ 12 สายอากาศแบบบ่วงคู่ต่อแบบประตูเดินผ่าน
 
                จากนั้นได้นำสายอากาศดังรูปที่ 11 มาต่อเป็นแบบประตูเดินผ่านแสดงดังรูปที่ 12 ซึ่งพบว่ายังมีการหักล้างของสนามแม่เหล็กที่บริเวณกึ่งกลางของทางเดินไม่ว่าจะทำการป้อนกระแสที่มีเฟสตรงกันหรือต่างกัน 180 องศา จึงได้ทำการจัดวางสายอากาศดังกล่าวให้มีการวางเหลื่อมล้ำกันในแนวนอน (แนวแกน x) เพื่อลดการหักล้างกันของสนามแม่เหล็กที่บริเวณกึ่งกลางของทางเดิน แสดงดังในรูปที่ 13 เพื่อให้การกระจายของสนามแม่เหล็กมีความแรงในทุกทิศทางดีขึ้น โดยเลือกการป้อนกระแสให้สายอากาศทั้งสองด้านมีเฟสต่างกัน 180 องศาแสดงดังในรูปที่ 13 เนื่องจากสามารถเพิ่มการกระจายสนามแม่เหล็กในทิศทาง x และ z บริเวณกึ่งกลางของสายอากาศทั้งสองได้มากกว่าการป้อนกระแสแบบเฟสตรงกัน
 
รูปที่ 13 สายอากาศแบบบ่วงคู่ที่มีการวางแบบเหลื่อมล้ำ [7]
 
                เนื่องจากการเลือกรูปร่างของสายอากาศแบบเส้นลวดนั้นมีผลต่อค่าความเหนี่ยวนำของสายอากาศ ซึ่งในการออกแบบสายอากาศที่มีรูปร่างซับซ้อนนั้นไม่สามารถที่จะคำนวณค่าความเหนี่ยวนำได้โดยใช้สมการทั่วไป ในที่นี้จะใช้การพันและวัดค่าความเหนี่ยวนำโดยใช้มัลติมิเตอร์ในแต่ละรอบการพันสายอากาศเพื่อให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำที่เหมาะสมกับความต้องการของเครื่องอ่านข้อมูลและเพื่อความสะดวกในการออกแบบสายอากาศ โปรแกรม 4NEC2 ได้ถูกนำมาใช้ในการจำลองการกระจายสนามแม่เหล็กของสายอากาศ [8] ซึ่งโปรแกรม 4NEC2 นี้เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการจำลองสายอากาศแบบเส้นลวดโดยเฉพาะ โดยสามารถแสดงผลในรูปแบบ 3 มิติ ทำให้ง่ายต่อการใช้งาน และทำความเข้าใจแสดงดังรูปที่ 14 จากนั้นเพื่อให้ได้โครงสร้างและขนาดของสายอากาศที่เหมาะสมที่สุด จึงทำการหาโครงสร้างและขนาดของสายอากาศที่สามารถกระจายสนามแม่เหล็กได้ดีที่สุดโดยใช้กระบวนการหาค่าที่เหมาะสมที่สุดด้วยกระบวนการคิดแบบสืบทอดพันธุกรรม (Genetic Algorithm : GA) [9] ซึ่งกระบวนการนี้สามารถที่จะหาค่าที่เหมาะสมให้กับสายอากาศได้ด้วยการเชื่อมต่อกับโปรแกรม 4NEC2 และทำการค้นหาด้วยการสุ่มค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศจึงทำให้พบโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งโครงสร้างของสายอากาศแบบบ่วงคู่ที่เหมาะสมที่สุดที่จำลองด้วยโปรแกรม 4NEC2 ร่วมกับกระบวนการคิดแบบสืบทอดพันธุกรรม แสดงดังรูปที่ 15 จากขั้นตอนการออกแบบสายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลที่ได้อธิบายมาสามารถสรุปเป็นแผนภาพดังรูปที่ 16
 
 
รูปที่ 14 การใช้โปรแกรม 4NEC2 ในการจำลองการกระจายสนามแม่เหล็กของสายอากาศ [8]
 
(ก)
(ข)
รูปที่ 15 โครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดของสายอากาศแบบบ่วงคู่ที่มีการวางแบบเหลื่อมล้ำโดยคำนวณจากโปรแกรม 4NEC2 ร่วมกับกระบวนการคิดแบบสืบทอดพันธุกรรม [7]
 
รูปที่ 16 แผนภาพการออกแบบสายอากาศแบบเส้นลวดของเครื่องอ่านข้อมูล
 
                ข้อควรระวังในการนำสายอากาศแบบบ่วงไปใช้ในสภาพการใช้งานจริง หากติดตั้งสายอากาศใกล้กับวัสดุที่เป็นโลหะเช่น โครงเหล็กรองรับสายอากาศ แสดงดังรูปที่ 17 จะทำให้ค่าความเหนี่ยวนำรวมของสายอากาศเปลี่ยนแปลงและประสิทธิภาพของสายอากาศลดลงหรือไม่สามารถทำงานได้ ดังนั้นอาจจะต้องทำการปรับจูน (Tuning) ค่าความเหนี่ยวนำใหม่ เพื่อให้มีค่าเท่ากับค่าความเหนี่ยวนำที่เครื่องอ่านข้อมูลต้องการ
 
รูปที่ 17 สายอากาศแบบบ่วงที่ติดตั้งแบบประตูเดินผ่านร่วมกับโครงเหล็ก
 
                จากการใช้งานจริงสำหรับการลงทะเบียนสัตว์ด้วยระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ สำหรับแท็กที่เป็นแบบโบลัสนั้นจำเป็นจะต้องใส่โบลัสลงไปในกระเพาะของสัตว์ และจากการได้ไปเก็บข้อมูลในการเลี้ยงโคที่มีการลงทะเบียนสัตว์ด้วยระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ พบว่าในกระเพาะของโคมีแท่งแม่เหล็กอยู่เพื่อเอาไว้ดูดเศษเหล็ก เช่น ตะปูที่โคกินเข้าไปจึงทำให้บางครั้งการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องอ่านข้อมูลกับแท็กที่เป็นแบบโบลัสไม่สามารถทำได้เนื่องจากผลกระทบของแท่งแม่เหล็กที่มีต่อเหล็ก ซึ่งขนาดของแท่งแม่เหล็กที่ใช้สำหรับโคโดยทั่วไปมีความกว้าง 3 เซนติเมตร ความยาว 8 เซนติเมตร และความหนา 1 เซนติเมตร โดยถูกบรรจุอยู่ในพลาสติกทรงกระบอกรัศมี 1.6 เซนติเมตร และยาว 9 เซนติเมตร โดยที่ด้านข้างของพลาสติกทรงกระบอกมีการเจาะช่องตามแนวยาวดังแสดงในรูปที่ 18
 
 
รูปที่ 18 ภาพถ่ายแท่งแม่เหล็กสำหรับดูดเศษเหล็กในกระเพาะของโค
 
                จากการทดสอบพบว่า ในกรณีที่มีแท่งแม่เหล็กมาอยู่ใกล้กับแท็กจะทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ (Resonant Frequency) ของแท็กเปลี่ยนแปลง ซึ่งทำให้ไม่สามารถติดต่อสื่อสารกันได้ระหว่างเครื่องอ่านข้อมูลกับแท็กโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่วางแท่งแม่เหล็กและแท็กขนานกันและมีระยะใกล้กัน แต่เมื่อวางแท่งแม่เหล็กและแท็กห่างกันไกลกว่า 3 เซนติเมตร จากการทดลองพบว่าระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำสามารถติดต่อสื่อสารกันได้ [10]
 
4. การสร้างและการทดสอบสายอากาศแบบบ่วงของเครื่องอ่านข้อมูล

 

                เมื่อออกแบบสายอากาศแล้วต่อไปจะนำค่าพารามิเตอร์ต่างๆ รวมทั้งรูปแบบของสายอากาศที่ออกแบบไว้มาทำการสร้างและทดสอบก่อนที่จะนำไปใช้งานจริง
                1. ขั้นตอนแรกของการสร้างสายอากาศคือการจัดเตรียมโครงฉนวนและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องสำหรับการพันโครงสร้างของสายอากาศแสดงดังรูปที่ 19 และ 20 ซึ่งโครงฉนวนของสายอากาศนั้นอาจจะทำด้วยโครงไม้ พลาสติก หรือฉนวนอื่นๆ ที่มีความคงทนก็ได้
                2. เจาะรูบนโครงฉนวนของสายอากาศเพื่อวางเสาพลาสติกตามรูปแบบของสายอากาศที่ต้องการสร้าง
                3. จัดเตรียมเสาพลาสติกและติดตั้งเสาพลาสติกลงบนโครงฉนวนของสายอากาศแสดงดังรูปที่ 20
 
รูปที่ 19 อุปกรณ์ที่ใช้ทำเสาสำหรับการพันโครงสร้างของสายอากาศ
 
รูปที่ 20 โครงฉนวน (แผ่นพลาสติก) สำหรับการพันโครงสร้างของสายอากาศ
 
                4. พันลวดทองแดงบนโครงฉนวนของสายอากาศตามรูปแบบที่จัดเตรียมไว้แสดงดังรูปที่ 21 ในขณะพันลวดทองแดงนั้นต้องคำนึงถึงค่าความเหนี่ยวนำรวมของสายอากาศด้วย ซึ่งต้องทำการวัดด้วยมัลติมิเตอร์และตรวจสอบให้ได้ตรงตามค่าความเหนี่ยวนำที่เครื่องอ่านข้อมูลต้องการ
 
 
รูปที่ 21 โครงสร้างของสายอากาศเมื่อพันลงบนโครงฉนวน
 
                5. เมื่อพันลวดทองแดงลงบนโครงฉนวนของสายอากาศเสร็จแล้ว นำมาทำการปรับจูนอีกครั้งเพื่อให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำรวมตรงตามค่าความเหนี่ยวนำที่เครื่องอ่านข้อมูลต้องการ จากนั้นทำการติดตั้งคอนเนคเตอร์แบบ BNC ลงบนโครงสายอากาศ
                6. นำตัวครอบสายอากาศมาติดตั้งกับโครงฉนวนของสายอากาศแสดงดังรูปที่ 22
 
รูปที่ 22 สายอากาศเมื่อประกอบเสร็จสมบูรณ์
 
                7. สร้างสายนำสัญญาณที่มีความยาวเหมาะสมสำหรับเชื่อมต่อระหว่างสายอากาศแต่ละด้าน รวมทั้งสายอากาศกับเครื่องอ่านข้อมูล แสดงดังรูปที่ 23 โดยใช้สายโคแอ็กเชียลเป็นสายนำสัญญาณ
 
 
รูปที่ 23 สายนำสัญญาณที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อ
 
                8. ทำการเชื่อมต่อสายอากาศเป็นแบบประตูเดินผ่านที่มีการวางแบบเหลื่อมล้ำโดยใช้สายนำสัญญาณที่เตรียมไว้ แสดงดังรูปที่ 24 และเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องอ่านข้อมูล โดยทำการวัดค่าความเหนี่ยวนำรวมว่าตรงกันกับค่าที่เครื่องอ่านข้อมูลต้องการหรือไม่ ทั้งนี้ควรระวังเรื่องความยาวของสายนำสัญญาณด้วย เนื่องจากความยาวของสายนำสัญญาณนั้นมีผลต่อค่าความเหนี่ยวนำรวมของสายอากาศเมื่อทำการเชื่อมต่อแบบประตูเดินผ่าน
 
 
รูปที่ 24 สายอากาศแบบประตูเดินผ่านที่มีการวางแบบเหลื่อมล้ำ
 
 
รูปที่ 25 สายอากาศแบบประตูเดินผ่านเมื่อติดตั้งบนโครงเหล็กสำหรับใช้ในสภาพการใช้งานจริงกับการลงทะเบียนสัตว์
 
                9. สำหรับการติดตั้งสายอากาศบนโครงเหล็กในสภาพการใช้งานจริง แสดงดังรูปที่ 25 โครงเหล็กจะมีผลต่อค่าความเหนี่ยวนำของสายอากาศอย่างเห็นได้ชัดดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ดังนั้นจะต้องปรับค่าความเหนี่ยวนำรวมของสายอากาศที่ติดตั้งบนโครงเหล็กให้มีค่าความเหนี่ยวนำตามที่เครื่องอ่านข้อมูลต้องการโดยการปรับจำนวนรอบของสายอากาศให้เหมาะสม
                สำหรับการทดสอบประสิทธิภาพของสายอากาศนั้นจะทำโดยการทดสอบความสามารถในการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องอ่านข้อมูลกับแท็ก โดยในที่นี้จะทำการทดสอบโดยใช้แท็กแบบติดหูและแท็กแบบโบลัสที่วางตัวในลักษณะที่แตกต่างกันไป ซึ่งได้ทำการทดสอบโดยวิธีการนำแท็กที่วางตัวในทิศทางต่างๆ ผ่านสายอากาศในแนวเส้นตรงจากทางเข้าไปยังทางออกทั่วทั้งระนาบระหว่างสายอากาศแบบประตูเดินผ่านที่มีระยะห่าง 100 เซนติเมตร และมีการวางแบบเหลื่อมล้ำกัน 40 เซนติเมตร พบว่าเครื่องอ่านข้อมูลนั้นสามารถที่จะอ่านข้อมูลจากแท็กที่วางตัวในสามแนวแกนหลัก (x y และ z) ได้ทั้งหมด
 
 

5. ผลการทดลองใช้สายอากาศของเครื่องอ่านข้อมูลในสภาพการใช้งานจริง

 

                สำหรับในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงการนำสายอากาศของระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำที่ความถี่ 134.2 kHz ที่ได้ทำการออกแบบและทดสอบ ซึ่งได้กล่าวไว้ในหัวข้อ 3 และ 4 มาใช้ในการลงทะเบียนสัตว์จริง เช่น แกะ โคและกระบือ เป็นต้น สำหรับสายอากาศแบบบ่วงคู่ที่ได้ถูกออกแบบให้เหมาะสมกับการติดตั้งกับโครงเหล็ก โดยที่ระยะห่างระหว่างสายอากาศทั้งสองด้านมีระยะห่างเท่ากับ 1 เมตร แสดงดังรูปที่ 26 การทดลองใช้สายอากาศในการลงทะเบียนสัตว์นั้นได้ทำการทดลองที่ศูนย์ฝึกนิสิตฯ คณะสัตวแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ที่จังหวัดนครปฐม [11]
 
 
รูปที่ 26 สายอากาศแบบบ่วงคู่ของระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำสำหรับการลงทะเบียนสัตว์
 
รูปที่ 27 ภาพถ่ายสายอากาศแบบบ่วงคู่ในสภาพการใช้งานจริงกับแกะ
 
                จากการทดลองการลงทะเบียนแกะแสดงดังรูปที่ 27 ซึ่งแกะเป็นสัตว์ที่มีขนาดเล็กที่สุดในจำนวนสัตว์ที่นำมาทดลอง โดยภายในตัวแกะมีแท็กแบบโบลัสขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 มิลลิเมตร และมีความยาว 54 มิลลิเมตร การทดลองการลงทะเบียนแกะทั้งหมดจำนวน 4 รอบการเดินผ่านของแกะ พบว่า เครื่องอ่านข้อมูลสามารถที่จะติดต่อสื่อสารกับแท็กแบบโบลัสภายในตัวแกะได้ทุกรอบการเดินผ่านแสดงดังตารางที่ 1
 
รูปที่ 28 ภาพถ่ายสายอากาศแบบบ่วงคู่ในสภาพการใช้งานจริงกับโค
 
                จากการทดลองการลงทะเบียนโคซึ่งภายในแต่ละตัวโคมีแท็กชนิดโบลัส ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 19 มิลลิเมตร และมีความยาว 70 มิลลิเมตร โดยทำการทดลองจำนวน 5 ตัว และทำการทดลองการลงทะเบียนทั้งหมดจำนวน 1 ถึง 4 รอบ การเดินผ่านของโค จากการทดลองพบว่า เครื่องอ่านข้อมูลสามารถติดต่อสื่อสารกับแท็กภายในตัวโคได้ทุกรอบแสดงดังตารางที่ 1
 
รูปที่ 29 ภาพถ่ายกระบือที่ใช้ในการทดสอบ
 
                จากการทดลองสายอากาศแบบบ่วงคู่กับการลงทะเบียนกระบือจำนวน 1 ตัว ซึ่งเป็นสัตว์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในจำนวนสัตว์ที่นำมาทดลอง แสดงดังรูปที่ 29 โดยภายในตัวกระบือมีแท็กชนิดโบลัส (ใช้ชนิดเดียวกันกับโค) และทำการทดลองทั้งหมดจำนวน 4 รอบการเดินผ่านของกระบือ พบว่า เครื่องอ่านข้อมูลสามารถที่จะติดต่อสื่อสารกับแท็กภายในกระบือได้ทุกรอบแสดงดัง
ตารางที่ 1
 
ตารางที่ 1 ผลการทดลองสายอากาศแบบบ่วงคู่ในการลงทะเบียนสัตว์จริง [11]
ชนิดของสัตว์ (ชื่อ)
ชนิดของแท็ก
การติดต่อสื่อสาร
จำนวนรอบที่ทดลอง
โค (บานเย็น)
โบลัส (ใช้กับโค)
ได้
2
โค (มะลิ)
โบลัส (ใช้กับโค)
ได้
2
ลูกโค (ไม่มีชื่อ)
โบลัส (ใช้กับโค)
ได้
4
โค (เบอร์ 16)
โบลัส (ใช้กับโค)
ได้
2
โค (พจมาน)
โบลัส (ใช้กับโค)
ได้
1
กระบือ (เอ๋)
โบลัส (ใช้กับโค)
ได้
4
แกะ (ไม่มีชื่อ)
โบลัส (ใช้กับแกะ)
ได้
4
 
 
 

6. สรุป

 

                ในบทความนี้กล่าวถึงการออกแบบสายอากาศแบบบ่วงคู่สำหรับระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำเพื่อการจัดการฟาร์มและการลงทะเบียนสัตว์โดยใช้โปรแกรมการจำลองแบบ 4NEC2 ในการจำลองแบบสายอากาศและใช้กระบวนการหาค่าที่เหมาะสมที่สุดแบบการสืบทอดพันธุกรรมในการหาค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสายอากาศเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องอ่านกับแท็กให้ดียิ่งขึ้น จากการออกแบบพบว่า ได้สายอากาศต้นแบบเป็นสายอากาศแบบบ่วงคู่ที่ต่อแบบประตูเดินผ่านและมีการวางแบบเหลื่อมล้ำ โดยมีเฟสของกระแสของสายอากาศในแต่ละด้านต่างกัน 180 องศา และได้นำสายอากาศต้นแบบไปสร้างและทดสอบ ซึ่งผลที่ได้จากการทดลองจริงในการลงทะเบียนสัตว์ในกรณีต่างๆ แสดงให้เห็นว่าสายอากาศแบบบ่วงคู่นี้ สามารถนำมาใช้ในการลงทะเบียนสัตว์ได้อย่างมีประสิทธิภาพดีเยี่ยม ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างมากในการพัฒนาอุตสาหกรรมการเลี้ยงสัตว์ในประเทศไทยในอนาคตให้สามารถแข่งขันกับต่างประเทศได้
 
 

7. กิตติกรรมประกาศ

 

                โครงการวิจัยนี้ได้รับทุนอุดหนุนการวิจัย พัฒนาและวิศวกรรมจาก ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ภายใต้สัญญาเลขที่ 02/2549 และ 09/2551 นอกจากนี้คณะผู้วิจัยขอขอบคุณ ภาควิชาสัตวบาล คณะสัตว์แพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ในฐานะผู้ให้ความร่วมมือด้านสถานที่ทดสอบสายอากาศต้นแบบและจำนวนกลุ่มสัตว์ตัวอย่างที่ใช้ในการทดสอบ
 
 

8. เอกสารอ้างอิง

 

[1]      Klaus Finkenzeller, RFID Handbook, John Wiley& Sons, 2003.
[2]      Dominique Paret, RFID and Contactless Smart Card Applications, John Wiley&Sons, 2005.
[3]      AN678 RFID Coil Design, [Online]. Available: http://www.microchip.com
[4]     มาตรฐานทางเทคนิคของเครื่องโทรคมนาคมและอุปกรณ์ เรื่องเครื่องวิทยุคมนาคมประเภท Radio Frequency Identification: RFID (กทช. มท. 1010 – 2550)
[5]      วิวัฒน์ ชวนะนิกุล อรรณพ สุริยสมบูรณ์ มนกานต์ อินทรกำแหง และวุฒิชัย กลมเกลียว, รูปแบบการจัดการฟาร์มอัตโนมัติด้วยเทคโนโลยี RFID, ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, 2551
[6]      ดนัย ต.รุ่งเรือง ชูวงค์ พงศ์เจริญพาณิชย์ ไพโรจน์ วุ่นชุม และคณะ, การออกแบบสายอากาศ RFID สำหรับระบบลงทะเบียนสัตว์, รายงานการวิจัยพัฒนาและวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์, ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, 2549
[7]      ดนัย ต.รุ่งเรือง ชูวงค์ พงศ์เจริญพาณิชย์ ศุภกิต แก้วดวงตา และคณะ, การเพิ่มประสิทธิภาพของสายอากาศ RFID สำหรับระบบลงทะเบียนสัตว์, รายงานการวิจัยพัฒนาและวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์, ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, 2551
[8]      G. J. Burke and A. J. Poggio. Numerical Electromagnetics Code (NEC) Method of Moment, Part I-III. Lawrence LiverMore Nat. Lab., Livermore, CA, 1981.
[9]      Supakit Kawdungta, “Genetic Algorithm Optimization of Loop Antenna for Radio Frequency Identification (RFID) System at Low Frequency Band,” Master Thesis, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, 2008.
[10]    Sanchai Eardprab, Phairote Wounchoum, Chuwong Phongcharoenpanich and Danai Torrungrueng, “Effects of Ruminal Magnets in the Vicinity of a Bolus Tag of an LF-RFID System,” Proceedings of the ECTI-CON 2008, Maritime Park and Spa Resort, Krabi, Thailand, 14-17 May 2008, pp.749-752.
[11]    ดนัย ต.รุ่งเรือง ชูวงค์ พงศ์เจริญพาณิชย์ และศุภกิต แก้วดวงตา, หลักการออกแบบสายอากาศของระบบ RFID ในย่านความถี่ต่ำ, ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, 2552
 
 
 

ดนัย ต. รุ่งเรือง ได้รับปริญญาตรีวิศวกรรมศาสตร์บัณฑิตในสาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยในปี พ.ศ. 2536 และสำเร็จการศึกษาในระดับปริญญาโทวิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต ในสาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้าที่ The Ohio State University (OSU) ในประเทศสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2539 หลังจากนั้นได้ศึกษาต่อเนื่องในระดับปริญญาเอกวิศวกรรมศาสตร์ดุษฎีบัณฑิต ในสาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้าจากมหาวิทยาลัย OSU และสำเร็จการศึกษาในปลายปี พ.ศ. 2543 ในระหว่างที่ศึกษาต่อที่ OSU นั้น ได้รับทุนการศึกษาโดยทำงานวิจัยในตำแหน่ง Graduate Research Associate (GRA) ที่ ElectroScience Laboratory ของ OSU หลังจากสำเร็จการศึกษาในระดับปริญญาเอกได้ทำงานหาประสบการณ์ที่บริษัท Tech-Knowledge Advancement, Inc. ในประเทศสหรัฐอเมริกาโดยทำงานในตำแหน่ง Senior Engineer เป็นเวลาประมาณ 1 ปี และได้กลับมาประเทศไทยในปี พ.ศ. 2545 หลังจากนั้นได้เริ่มเข้าเป็นอาจารย์ประจำของภาควิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเอเชียน ซึ่งปัจจุบันได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งรองศาสตราจารย์ และหัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ และในปี พ.ศ. 2549 ได้รับการเลื่อนตำแหน่งเป็น Senior Member ของ IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)   

Back to E-magazine List
 

ECTI Association
99 M.18 Paholyothin Rd., Klong Luang, Pathumthani 12120, THAILAND
E-mail: ecti.secretary@gmail.com
Find us on: