La tecnologia di identificazione a Radio Frequenza.

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1 I TRASPONDER PASSIVI (per l'identificazione Automatica a Radio Frequenza ) Introduzione In genere, con identificazione automatica si intende un processo che consente il trasferimento diretto di dati ad un computer, ad un PLC o ad un sistema controllato da microprocessore, senza alcun intervento umano. L'identificazione automatica elimina due operazioni costose e poco affidabili come la raccolta ed il trasferimento manuali dei dati. Il processo di identificazione, automatica, si basa su un elemento che caratterizza una persona, un oggetto, o qualsiasi cosa che si vuole riconoscere; conferendo ad una specifica apparecchiatura il compito di "leggere" l'elemento di identificazione, per poi decifrare attraverso una logica di controllo le sue specifiche informazioni. La tecnica automatica di riconoscimento a Radio Frequenza (RFID) basata su transponders passivi (che chiameremo brevementetags) si sta rivelando come una delle più efficaci e vantaggiose in diversi settori da quello domestico a quello medico. Un esempio tipico di tecnica RFID è fornito dall'immobilizzatore in dotazione a partire dal '96 su tutti gli autoveicoli prodotti in Europa (Fig. 1). Fig. 1 - Schema di un immobilizzatore per auto (non in scala). Un transponder di piccole dimensioni (in una capsula di vetro di 13,3 per 3,15 mm) viene inglobato nella testa plastica della chiave di avviamento. Quando la chiave viene inserita nel blocchetto di accensione un opportuno lettore, la cui antenna si trova intorno al blocchetto di accensione, rileva il codice unico contenuto nella memoria del transponder. In seguito se il codice è riconosciuto come valido viene attivata la centralina di controllo motore e la vettura può essere avviata, altrimenti il sistema viene automaticamente bloccato. In questo caso particolare, l'impiego di questa tecnologia è stata determinata dalla ricerca di una maggiore sicurezza contro i furti; ma le numerose esigenze dell attuale automazione di processo, intravedono nella tecnologia rfid un valido alleato per il trattamento dinamico e sicuro dei dati. La tecnologia di identificazione a Radio Frequenza. Un sistema RFID é costituito da un ricetrasmettitore e da un transponder capaci di comunicare tra di loro mediante un segnale modulato in radio frequenza (Fig. 2).

2 Fig. 2 - Schema di un sistema di modulazione a radio frequenza (RFID) Nel caso si impieghi un transponder di tipo passivo (che non richiede una batteria per l'alimentazione), l'energia necessaria al suo funzionamento viene fornita dal ricetrasmettitore che attraverso la sua antenna genera un opportuno campo magnetico. Il transponder capta la R.F. con la propria antenna, ricavando l energia sufficiente per autoalimentarsi ed inviare al ricetrasmettitore attraverso una modulazione del segnale in RF, i dati contenuti nella sua memoria. I dati possono essere inviati in entrambe le direzioni a seconda delle caratteristiche del transponder che può incorporare sia un chip con una memoria tipo ROM (ed in questo caso può essere solo letto) oppure una memoria di tipo EEPROM che ne consente sia la lettura che la scrittura. É facile a questo punto immaginare la intrinseca potenza di un sistema di identificazione e di raccolta dati di questo tipo. I transponders. I transponders sono quindi dei piccoli ricetrasmettitori, in grado di immagazzinare dati, che possono essere montati sulla superficie o all interno di svariati oggetti. Questi componenti, che hanno già trovato un grosso successo nella sicurezza, nel riconoscimento delle persone e degli animali, nella logistica e nel pre-pagamento mediante tessere o chiavi speciali, possono essere letti a distanza anche attraverso materiali non metallici e non richiedono nessun tipo di manutenzione. Anche se seppelliti nel cemento o nell'asfalto, sottoterra o nella plastica per decine d'anni, essi possono essere sempre chiaramente letti. I transponders dovrebbero costituire il sistema di identificazione del futuro con il più alto grado di sicurezza ed affidabilità potendosi combinare i vantaggi delle tradizionali chip cards con quelli derivanti dalla lettura a distanza. Il loro continuo successo porterà a volumi di produzioni così elevati da abbatterne il prezzo fino a renderli concorrenziali anche con i più semplici dispositivi di riconoscimento oggi sul mercato e di cui potranno costituire una valida alternativa per quasi tutte le applicazioni, anche quelle fino ad ora impensate. Esistono, oltre ai transponders passivi sopra citati, anche dei transponders attivi alimentati da una batteria (e quindi con una vita limitata nel tempo); essi lavorano a frequenze più elevate, ed hanno costi molto maggiori. Il loro impiego risulta pertanto limitato ad applicazioni particolari. Nella tabella 1 vengono messi a confronto alcuni dei tags oggi più comunemente impiegati.

3 SISTEMI DI IDENTIFICAZIONE Lettura/Scrittura Automatica Condizioni Ambientali Sicurezza Testo Stampato o scritto a mano Molto complessa, leggibile solo al 95% (<50% se a mano). Le modifiche possono essere limitate e poco efficienti. Buona visibilità, senza sporcia e/o polvere. Facile da cont raffare. Codice a Barre Buona a brevi distanze (<50 cm). Per le modi fiche dei dati è necessario sostituire l etichetta. Buona visibilità, senza sporcia e/o polvere. Facile da cont raffare. Tras ponder Affidabile fino a cm con opportuno lettore. Raggiungibili anche distanze di qualche metro con trasponder attivi. Immune alle condizioni ambientali esterne. Sensibile solo ai campi magnetici. Elevatissima poiché permette di gestire dati criptati, oltre ad una password necessaria alla lettura. Budge magnetico E necessario un contatto meccanico. E sensibile a pol vere, sporcizia e campi magnetici. Facile da dupl icare. ChipCard Affidabile, ma è sempre necessario un contatto meccanico. E sensibile a pol vere e a sporcizia. Criptabile fino al più alto livello di sicurezza. Touch Memory Affidabile, ma è sempre necessario un contatto meccanico. Molto sensibile a polvere e sporcizia. Criptabile fino al più alto livello di sicurezza, ma è molto delicato. Tabella 1 - Confronto tra alcuni tags di impiego comune nei sistemi di identificazione più usati. Principio di funzionamento di un transponder passivo Un generatore ad Alta Frequenza situato nel lettore produce una tensione alternata di circa 5 V a 125 KHz che eccita il circuito oscillante LC del lettore stesso. Nella bobina dell'oscillatore LC si crea un forte campo magnetico accordato in frequenza con la tensione di uscita del generatore AF. Questo campo magnetico s'irradia nell'area circostante la bobina del lettore ed induce una tensione nella bobina del transponder anche se situato ad una certa distanza (Vedi fig. 3) Fig. 3 - Schema di un sistema Lettore/Transponder (Nei transponders Sokymat, l'area tratteggiata corrisponde al circuito intergrato) Poichè la bobina del transponder ed un piccolo condensatore integrato nel chip formano un oscillatore LC a 125 KHz, la tensione indotta sale rapidamente ad un livello tale da fare condurre il ponte rettificatore. Il condensatore di alimentazione Cs viene caricato gradualmente e quando la tensione ai suoi capi raggiunge un valore sufficiente ad alimentare la logica (in Fig. 3 il clock, il sequenziatore, la ROM ed il controllore) inizia un ciclo di reset. Successivamente il contenuto della ROM è letto in modo seriale. A seconda del valore dei bits da trasmettere, il Mosfet M1 viene acceso o spento. Nel caso in cui M1 sia acceso, la corrente attraverso la bobina del transponder aumenta ed il campo magnetico attorno ad essa cambia (Fig. 4). Ciò è visto dalla bobina del lettore come una piccola variazione di carico sul generatore a 125 KHz. L'informazione ricevuta viene filtrata, decodificata ed elaborata dalla logica del lettore. Oltre al sistema di comunicazione lettoretransponder sopra descritto e noto come ASK (Amplitude Shift keying) ne esiste un secondo basato sulla modulazione della frequenza e noto come FSK (Frequency Shift Keying). In genere nei

4 trasponder presenti in commercio viene adottato il sistema ASK poichè permette una velocità di lettura più elevata, dimensioni più contenute, un minor numero di componenti ed un costo piû basso. Tenendo conto che nelle applicazioni correnti il numero di transponders risulta sempre molto alto, rappresentando quindi la parte più economicamente pesante del sistema completo, si può pertanto affermare che i sistemi modulati ASK sono i più diffusi. Fig. 4 - Protocollo di trasmissione del transponder Sokymat (Manchester code) I transponders e le possibili evoluzioni Le varie applicazioni accennate in precedenza, e naturalmente quelle richieste dal mondo dell automazione possono richiedere transponders con caratteristiche diverse; in linea di massima si può affermare che la distanza di lettura, le dimensioni, le condizioni ambientali di funzionamento, il tipo e la capacità della memoria a bordo del chip ed il costo sono gli elementi che ne determinano la scelta. In merito ai tipi di memoria di cui sono dotati i chip si può andare da transponders tipo "sola lettura" dotati di memorie tipo ROM (scritte nella fase di fabbricazione del chip) e che possono essere solo lette, a transponders di tipo "lettura-scrittura dotati anche di memorie tipo EEPROM su cui possono essere scritte (ed aggiornate) varie informazioni relative all'oggetto che si vuole riconoscere. Il costo dei transponders "lettura-scrittura" è più elevato rispetto a quello dei "sola lettura", e naturalmente la scelta di un transponder "lettura-scrittura" sembra la più ovvia per la possibilità di immagazzinarvi dati relativi all'evolversi della situazione in cui si trova l'elemento da identificare (si pensi, per esempio, alla possibilità di dotare tutta la popolazione di una tessera sanitaria che può essere aggiornata nel corso degli anni). Tuttavia, specialmente se si ha a che fare con sistemi che impiegano un gran numero di transponders e che possono essere dotati di potenti mezzi di acquisizione ed elaborazione dati, è consigliabile riflettere sulla possibilità di decentrare a questi ultimi le gestione delle informazioni associate al codice memorizzato nel trasponder, garantendo così un notevole abbattimento dei costi ed una migliore integrità dei dati. La richiesta di sistemi di identificazione sempre più sicuri sta portando anche all'impiego di dispositivi "lettura-scrittura" di tipo "criptato" caratterizzati dal fatto che l'identificazione passa attraverso complessi calcoli, basati su particolari algoritmi che vi sono contenuti, effettuati sia dal lettore che dal transponder. In linea di massima ci sono due tipi di tecniche di immagazzinamento dei dati: 1. Memoria solo lettura (ROM); in questo caso un codice con un certo numero di bit viene preprogrammato durante la fabbricazione del chip stesso. Si tenga presente che con 40 bits di

5 ROM si possono identificare inequivocabilmente (più di mille miliardi) diversi oggetti. 2. Memoria lettura /scrittura (EEPROM) in cui si possono scrivere testi fino a 128 caratteri ASCII. La capacità della memoria influisce in modo consistente sul costo finale del prodotto, ma i transponder con operazioni di lettura scrittura possono contenere informazioni arbitratrie e che possono essere lette un numero infinito di volte. Inoltre vi possono essere scritte ulteriori informazioni che possono essere modificate ed aggiornate fino a volte.per quanto riguarda le applicazioni in cui si richiede un elevato grado di sicurezza sono previste protezioni sofisticate che vanno da parole d'ordine illeggibili, a sistemi di scambio di dati elaborati con algoritmi speciali (criptati) tra lettore e transponder. Attualmente le tipologie di transponders più diffusi sul mercato sono: - UNIQUE: sola lettura, 64 Bit di memoria ROM programmata a laser, trasmissione dati ASK (codice Manchester); - TITAN: lettura e scrittura,1 KBit di EEPROM (32 parole di 32 Bit), trasmissione ASK, parola d'ordine modificabile ma illeggibile; inoltre le dimensioni della memoria di lettura, della memoria di scrittura e della memoria protetta, sono definibili dall'utente; - NOVA: lettura e scrittura,160 Bit di memoria EEPROM (10 parole di 16 Bit), trasmissione dati ASK con codice Manchester o Bifase, Bit-rate definibili dall'utente (CF/32, CF/64 o CF/100), dimensione della memoria (64 Bit o 128 Bit) ed area protetta di scrittura facilmente programmabili. - MAGIC: lettura e scrittura, 160 Bit di EEPROM con algoritmo criptato ed autenticazione a due direzioni, codice segreto di 96 Bit nella EEPROM (illeggibile), trasmissione dati ASK. In quasi tutte le tipologie di rfid commerciale, il campo a R.F. utilizzato è limitato ai 125 KHz. Tutti i circuiti integrati citati sono progettati per assorbire potenze estremamente basse, coerentemente con il sistema di trasmissione dell'energia necessaria al loro funzionamento. L'antenna è costituita da un avvolgimento (talvolta su una ferrite) di filo di rame i cui capi sono saldati direttamente alle piazzole del chip di silicio mediante un processo a termo-compressione. Dal punto di vista geometrico le strutture utilizzate sono di due tipi (fig. 5). Quella di fig. 5a viene di solito utilizzata quando si devono realizzare transponders molto piccoli; in tal caso il complesso chip+bobina viene inserito in una capsula ermeticamente chiusa. Le dimensioni sono tipicamente 13 mm di lunghezza e 2 o 3 mm di diametro. La struttura di fig. 5b si presta ad una notevole varietà di configurazioni in cui potrebbe essere necessario modificare le dimensioni dell'antenna. Il complesso chip+bobina viene annegato o laminato in materiali plastici opportuni dando origine a dischi di vari diametri (20, 30 e 50 mm), ad ISO Cards e ad altre svariate configurazioni. fig. 5 a.

6 fig. 5 b Fig Due tipiche configurazioni dei transponders. In 5a è schematizzato un dispositivo incapsulato che, nella versione con diametro 2 mm, può essere impiantato sotto cute di un animale da identificare; la versione con diametro 3 mm è tipica di applicazioni in campo automobililistico. In 5b è mostrata la struttura di un transponder tipo "carta di credito". I disegni non sono in scala. Distanze di lettura In linea di massima, la distanza di lettura dipende dalle dimensioni dell'antenna di eccitazione del lettore e di quella del transponder. I transponders possono essere letti fino ad 1 m di distanza. Ciò consente di coprire facilmente la maggior parte dei varchi di accesso ad edifici, fabbriche, ecc. I lettori portatili sono in grado di leggere fino a distanze dell'ordine dei cm il che basta per il 95 % delle applicazioni, ma va tenuto presente che in fase di programmazione i transponders con EEPROM consumano più corrente e pertanto possono essere programmati solo in vicinanza della bobina del lettore. In genere la distanza per la scrittura è circa l'80 % della distanza di lettura. Applicazioni I vantaggi offerti dall'identificazione a R.F. basata su trasponders passivi ne favoriscono l'impiego nei campi più disparati. Implementazione di un caso pratico: Controllo Accessi. Sfruttando la tecnologia rfid, si è voluto implementare un sistema di controllo accessi capace di far comunicare un pc ed un chip rfid, sfruttando come canale di comunicazione le onde elettromagnetiche e come protocollo di comunicazione il protocollo rs 232. Il sistema che si è voluto realizzare, al fine di verificare una gestione dinamica dei dati presenti nella eprom del chip, doveva essere in grado di gestire il seguente processo: Si suppone di avere uno stabilimento con più gate, di cui uno solo funge da ingresso, mentre tutti gli altri permettono solo l uscita, come raffigurato in fig.6. INGRESSO USCITE fig.6. Logica di controllo accessi.

7 Un utente possiede un badge con le seguenti informazioni: Codice Utente (3 Byte= possibili utenti) Password Utente (3 Byte= possibili codici) Data scadenza Badge (3 Byte). Fascia Oraria in cui può accedere (4 Byte). Ora ultimo accesso (2 Byte). Ora ultima (2 Byte). La scelta del numero di bit associata a ciascun codice, è stata dettata da problemi di sicurezza ed inoltre dalla limitatezza dei dati memorizzabili. Infatti la memoria interna dei transponder commerciali è formata da solo 17 bit, per cui è stato necessario codificare l informazione, e dare uno specifico significato ad ogni elemento della stringa di bit. Un utente che non è mai entrato nello stabilimento ha i campi ultimo accesso ed ultima uscita completamente vuoti (impostazione di default 99:99). Se un utente si presenta davanti ad un gate di ingresso, avvicina il badge al lettore (senza alcun contatto, distanza 10 cm; in versioni di transponder più potenti l utente può avvicinarsi anche con il badge in tasca o nel portafogli, e questo viene letto ugualmente data la maggiore potenza delle onde elettromagnetiche), e se: Il codice utente e la relativa password sono presenti nel database del sistema; l ultima uscita da lui effettuata dallo stabilimento è stata regolamentare (è stata registrata l ora di uscita); il badge non è scaduto; la fascia oraria di accesso (se impostata la limitazione) è compatibile con l orario del sistema; allora gli viene consentito l accesso al sistema. Il consenso all accesso, però è preceduto da un operazione di scrittura sul badge con la quale viene riportato l orario di accesso. Un utente che si presenta davanti ad un gate di uscita, senza non essere mai entrato, non avrà possibilità di accesso. Un utente che è presente nello stabilimento, e vuole uscire potrà utilizzare un particolare gate di uscita (o in base alla gestione che si vuole implementare un qualsiasi gate di uscita). Ciò permette di dedicare un gate di uscita ad una classe particolare di operatori. Se l utente vuole uscire dal gate a lui assegnato: viene controllato il codice e la password (eventualmente per la gestione di un database centralizzato su tutti gli accessi allo stabilimento avvenuti in un mese/anno). Se il precedente ingresso era avvenuto in modo corretto (sul campo dell ora di ingresso è stata riportato l orario di ingresso), l utente può uscire (memorizzando prima sul badge l orario di uscita). La gestione del sistema può ulteriormente essere resa dinamica, permettendo ad un operatore che gestisce gli accessi, di poter modificare in qualsiasi istante (ad esempio connettendo in rete i lettori di transponder, e gestendo un controllo supervisionato da PC) la funzione dei diversi gate (e la classe di utenti che possono accedervi). Riportiamo di seguito il codice sorgente dell applicativo (in fig.2 è riportata la maschera di interfaccia), sviluppato in Visual Basic 6.0 per la gestione del sistema di accessi. Per quanto riguarda il protocollo di comunicazione rs232 si sono dovuti impostare i parametri di comunicazione a 9600,n,8,1, che sono specifici ai parametri dei transponder commerciali.

8 Fig. 7. Maschera di interfaccia utente CONTROLLO ACCESSO MAIN Infor mazioni Utente CODIFICA/DECODIFICA PROTOCOLLO RS 232 LETTORE RFID TRANSPONDER Fig. 8. Struttura logica dell applicativo di controllo accessi.