Tor Vergata Fondamenti fisici, limiti tecnologici e prospettive future

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1 La tecnologia FID Fondamenti fisici, limiti tecnologici e prospettive future Gaetano Marrocco Dipartimento di Informatica Sistemi e Produzione Università di oma el marrocco@disp.uniroma.it 1 Sommario Prospettiva storica Classificazioni dei sistemi FID Componenti tecnologici dei sistemi FID Prestazioni e limiti energetici Applicazioni

2 Dall etichetta all identificazione a microonde 3 Etichetta stampata Barcode Accessibilità diretta all informazione adio Frequency Identification FId Lettura dati tramite onde radio Indirizzamento indiretto dell informazione Codice binario Lettura ottica con scanner laser Distanza di lettura: pochi cm Magnetic & Smart Cards Immagazzinamento ed elaborazione elettronica di dati Lettura tramite contatto galvanico o induzione magnetica Energia fornita dall esterno Barcode vs. FID 4

3 FID imeline Sistemi di interrogazione IFF (Identification Friend or Foe) a bordo di aerei britannici H. Stockman, primo documento che descrive un sistema FID Sistemi EAS (Electronic Article Surveillance) ad 1 bit nelle attività commerciali Identificazione a bassa frequenza di animali 1980 Primi sistemi di lettura / scrittura con microprocessori e batterie 1990 Sistemi moderni con memorie EEPOM senza batteria 1990 oll system (pagamento pedaggio autostradale) Immobilizer per autoveicoli 000 Inchiostri conduttivi, microchip a basso consumo Sistemi UltraWideBand (UWB) Componenti di un sistema FID 6 Un transponder è un ricetrasmettitore che invia un segnale radio in risposta ad un comando ricevuto da una stazione remota energy clock data ag Micro chip application eader eader: dispositivo di lettura con modulo di elaborazione dati e antenna per la generazione del campo elettromagnetico interrogante il tag antenna ag: dispositivo posto sull oggetto da identificare costituito da: - un antenna per la rice-trasmissione del campo del reader, -un chip, per la gestione della comunicazione e dell identificazione -un supporto che sostiene / protegge il sistema data

4 Principio di funzionamento 7 Quando il tag transita attraverso il campo e.m. prodotto dal reader viene attivato il trasferimento dell informazione, modulando con i dati il segnale radio inviato indietro verso il reader eader ag Vantaggi: non necessaria visibilità ottica fra reader e tag, elevate distanze e velocità di lettura lettura contemporanea di più tag sicurezza e riprogrammabilità dei dati Classificazione dei tag - alimentazione 8 Attivi: hanno una fonte di alimentazione indipendente dal reader e la capacità di trasmettere senza essere interrogati - Grandi distanze (100m - 1km) - È richiesta una batteria - Costi elevati - Autonomia limitata Semi-passivi: hanno una fonte di alimentazione indipendente dal reader ma trasmettono solo se interrogati - Medie distanze (decine di metri) - È richiesta una batteria - Costi medi - Elevata autonomia Passivi: sono alimentati dalla potenza irradiata dall antenna del reader quando questo li interroga - Piccole distanze (< 10m) - Costi bassi

5 Classificazione dei tag - memoria (I) 9 ag a bit unico: sono impiegati nei sistemi EAS (antitaccheggio) coil ON: tag presente nel campo del reader OFF: tag assente dal campo del reader ealizzato con materiale magnetico (strisce o microfibre) Disattivazione con un forte campo magnetico che brucia il condensatore Difficoltà a rilevare più tag che transitano contemporaneamente capacitor Sul generatore del varco si avverte una brusca variazione di corrente generator Classificazione dei tag - memoria (II) 10 ag con memoria: ead only: codice programmato in fase di realizzazione ead / Write: il dato del tag può essere modificato in modo dinamico La memoria può essere mantenuta con una batteria o con altri meccanismi Circuito di icezione: per identificare i segnali provenienti dal reader Unique Identifier (UId): il reader identifica il tag tra i tanti presenti (anticollisione) Circuito di sincronizzazione fra i clock: accordo tra la velocità di scambio dati Circuiti di modulazione / demodulazione

6 Classificazione dei tag - frequenza (I) 11 13,56MHz 869MHz 90-98MHz 15KHz/134KHz MHz,35-,45GHz 4,15GHz 10KHz 100KHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHz 10GHz 100GHz f Applicazioni FID internazionali Applicazioni FID in Europa Applicazioni FID in America Applicazioni FID locali Il Bitate aumenta frequenza 15 ( * ) khz 134 khz MHz 4,75 / 8, MHz ( * ) MHz (banda ISM) MHz 869 MHz ( * ) GHZ GHz ag generalmente attivi. Classificazione dei tag applicazione controllo accessi, controllo di animali sistemi antifurto di bloccaggio delle automobili. velocità di trasmissione 10 kbps. interferenze dai monitor e dalle installazioni industriali. etichette EAS nei depositi di vendita al minuto transponders read only, read/write e EAS. velocità di trasmissione 100 kbps. interferenze da altri utenti della banda ISM entro un raggio di qualche metro. identificazione di veicoli (ferrovie) Identificazione di oggetti in movimento controllo veicolare e applicazioni future - frequenza (II) Accoppiamento Magnetico (induttivo) 1 Accoppiamento Elettromagnetico 4.15 GHz sistemi di allarme, misuratori di velocità, aperture automatiche (*) standard mondiali

7 Classificazione dei tag - tipologia del collegamento 13 Accoppiamento Magnetico H Accoppiamento Elettromagnetico E, H N S 15 khz MHz 400 MHz 450 MHz 15 khz 0.05 m MHz 4-10 m MHz 0.5 m 450 MHz 1 m AG ad - accoppiamento magnetico I sistemi FID a f < 100MHz si basano su un accoppiamento magnetico fra reader e tag I tags sono tipicamente passivi con antenne a coil realizzate stampando le spire su un film sottile e flessibile oppure con un avvolgimento intorno ad un nucleo di ferrite Ferrite 14 ponte chip Avvolgimento (coil) film Small Glass Ampoule ag 3mm x 13mm khz ead range < 4cm Price $

8 ag ad accoppiamento magnetico - funzionamento (I) Quando il tag transita attraverso il campo magnetico vicino del reader, ai terminali del coil viene indotta una tensione in grado di attivare il chip 15 antenna coil del reader antenna coil del tag C 1 C V L L eader campo f 0 ag Il massimo accoppiamento tra i due coil si ha quando l antenna ricevente è sintonizzata alla portante (f 0 ) irradiata dal reader. Viene inserito un condensatore di tuning (C ) in parallelo al coil in modo che la frequenza di risonanza del circuito in ricezione sia: L t C t f 0 = π 1 B ( I ( r) = μ ag ad accoppiamento magnetico N eader electronics ag coil N spire ) a ( a r ) r + - meccanismo di attivazione (I) α r V I = V sinωt = I 0 0 sinωt eader coil (N spire ) La tensione ai capi del tag sintonizzato è: V = N d dt B ds 16 a a aggio del coil del reader aggio del coil del tag Il tag si attiva quando la tensione indotta V supera un valore di soglia del μchip.

9 ag ad accoppiamento magnetico - meccanismo di attivazione (II) 17 V (e quindi la distanza di lettura) aumenta nel caso di: - elevato numero spire nel tag - tag parallelo al reader (α=0) V = K ( I N ) N cosα Q 3 ( a + r ) - fattore di merito Q del tag elevato (compatibilmente con la banda richiesta) K = 0.5μ a ωs sinωt 0 Note: 1. Il fattore di merito Q =ωe m /P j dipende dalle resistenza del chip e dalle perdite dell avvolgimento. La banda passante Δf alla frequenza f 0 è legata al fattore di qualità del tag Q : Δ f = 1 f 0 Q ag ad accoppiamento magnetico - meccanismo di trasmissione 18 I M I AG chip C mod L L V C data stream L Capacitive load modulation Il microchip del tag connette o disconnette un condensatore interno che desintonizza il circuito del tag. La corrente raccolta dal reader risulta quindi modulata in AM, FSK, PSK

10 ag ad accoppiamento magnetico - microchip 19 ag ad accoppiamento magnetico -eader 0 Lettori dedicati Schede per Portatili o palmari Kit di valutazione con stampante per tag

11 ag ad accoppiamento magnetico - vincoli energetici 1 A basse frequenze il campo magnetico interagisce poco con l ambiente circostante (impiantabilità nei tessuti viventi) La tensione raccolta dal chip del tag varia con 1/r 3 (la potenza richiesta varia con 1/r 6 ) Fissate le caratteristiche del reader e dei tag, la distanza massima di lettura dipende da: 1. Massimo campo magnetico prodotto dal reader 40mA/m (@3m) 16mA/m (@10m) - EN (classe 1). ensione di soglia del AG chip (dell ordine di qualche Volt) 3. Orientazione tra reader e tag: caso peggiore quando il tag è vicino ad essere ortogonale al reader ag ad accoppiamento magnetico - prestazioni Elevata immunità all interazione con l ambiente (alle basse frequenze il campo magnetico interagisce poco con i dielettrici) Possibilità di impianti sottopelle Basso costo (< 1 ) Forte dipendenza della distanza di lettura dalla mutua orientazione reader-tag Modesta distanza di lettura (dell ordine del metro) ealizzazione elaborata (multistrato) E la tecnologia FID attualmente più utilizzata

12 A frequenze f > 100MHz tag e reader contengono vere e proprie antenne. Il tag viene attivato (ed alimentato) dal campo elettromagnetico irradiato dal reader ag ad accoppiamento elettromagnetico 3 I tags sono passivi o attivi con antenne a patch o dipolo stampate su un film rigido (F-4) o flessibile (Polyester, carta) Sono realizzati in rame o inchiostro conduttivo (più flessibile e meno costoso) antenna ad inchiostro conduttivo F-4 patch chip dipolo film di carta I tag sono ottenuti dalla configurazione base di un dipolo + - λ / La lunghezza del dipolo è inversamente legata alla frequenza di lavoro 900MHz) Il dipolo viene ripiegato per ridurre l ingombro del tag a pochi cm riduzione del guadagno Guadagno di antenna Il guadagno di un antenna descrive come la potenza in ingresso (P in ) viene irradiata nelle varie direzioni dello spazio G ( θ, φ) = p( θ, φ) / 4π x z p( θ, φ) (θ 0,φ 0 ) x P in G θ 0, φ ) ( 0 y Densità di potenza rispetto all angolo solido 4 Dipolo a λ/

13 -esempi 5 Modificando il carico ai terminali dell antenna in sincronia con i dati si ottiene una modulazione del segnale retrodiffuso verso il reader 6 eader P in G - funzionamento Z chip antenna agchip backscatter modulation Switch on: antenna disadattata riflessione Switch off: antenna connessa al carico assorbimento

14 - portata (I) 7 La regione di collegamento tra reader e tag è quella per cui la potenza P ricevuta dall antenna è maggiore della potenza minima P chip di attivazione del chip (sensibilità). S av PinG = 4πr Densità media di potenza che investe il tag 4πr r ag (sensibilità P chip ) eader P in - portata (II) 8 Ipotesi: l antenna ricevente è adatta rispetto a: impedenza del chip polarizzazione dell onda incidente eader (rasmettitore) G ( θ, φ ) densità di potenza che investe l antenna ricevente S av ag G A ( θ, φ ) = 4π ag Pin = 4πd potenza raccolta P = S av G ( θ, φ ) A area efficace del tag ag ( θ, φ ) ag ( θ, φ ) λ P ag Gag d ( θ, φ ) c 1 = PinGGag f 4 r τ π r (formula di Friis) ag (icevitore)

15 - funzionamento 9 La max distanza di lettura fra reader e tag è quella per cui la potenza P ricevuta dall antenna è uguale alla potenza minima P chip di attivazione del chip. S av PinG = 4πr Densità media di potenza che investe il tag 4πr r G G ag P chip Guadagno del eader Guadagno del ag Sensibilità del chip eader P in Portata massima rmax = c 4πf P in G P G chip ag - vincoli energetici: adattamento 30 In realtà non è semplice adattare perfettamente l antenna all impedenza del chip S av Z A Z chip Il massimo trasferimento di potenza incidente al microchip si ha in caso di adattamento coniugato: X A A = chip = X chip Il non perfetto adattamento viene tenuto in conto dal Coefficiente di trasmissione in potenza τ = Z 4 chip chip + Z A A 1

16 - vincoli energetici: adattamento 31 La qualità dell adattamento (coniugato) tra antenna e AG influenza la distanza di lettura r = max c 4πf PinG P chip ( G τ ) Migliorando l antenna è possibile aumentare la distanza di lettura τ - vincoli energetici: sensibilità del chip 3 4 mw 1 mw In cinque anni la sensibilità del chip è scesa di tre ordini di grandezza La ricerca è orientata verso radio-dispositivi a basso consumo P chip 0.7 mw 0.18 mw 0.1 mw May 001 Aug. 00 Dec. 00 ime 84μW Phillips 60μW μW Chip sperimentali.7μw 005

17 - vincoli energetici: potenza del reader W EIP 3. W EIP 0.8 W EIP Massima potenza emessa dal reader: P in G =EIP=3. W=EP=W (raccomandazioni più recenti) (Negli USA almeno 10 volte di più) ESI EN EIP=EP*1.6 - vincoli sanitari 34 La normativa italiana impone le seguenti limitazioni al campo elettrico irradiato da un impianto UHF (reader): 0V/m : Limite di esposizione 6 V/m : Limite di attenzione 6 V/m : Limite di qualità EIP = 0.5W 3.W E 6V / m max = eader P in S av E >6 V/m PinG = 4π d dmin =1. 1m min d min 1 = E η = 0 dmin =. 3m (EIP=0.8 W) EIP η0 π E max (EIP=3. W) Il reader deve trovarsi a non meno di m (1m) da esseri viventi con permanenza per più di 4 ore.

18 - esempio di chip bit =0.8 W EIP =3. W EIP =6.4 W EIP - interazione con l ambiente 36 I tag interagiscono con l oggetto al quale sono applicati, modificando la distanza di lettura. Gli oggetti metallici sono più difficilmente identificabili e sono necessari tag appositamente progettati.

19 -eader 37 -eader 38 emperature logger

20 - prestazioni 39 Elevata distanza di lettura (la potenza richiesta aumenta come 1/r (invece che come 1/r 6 nei sistemi induttivi) Basso costo (ealizzazione monostrato) Bitrate elevato Forte interazione con l oggetto e l ambiente (sensibilità alla variazione dielettrica circostante) soluzioni ad-hoc In Europa sono imposti severi limiti energetici Applicazioni tipiche (I) 40 elepass: il reader alla stazione di pedaggio legge il tag montato sul veicolo entrante e, se lo riconosce abilitato al passaggio, permette al veicolo di uscire dalla stazione Catene di montaggio: i tag applicati sui pezzi in fase di produzione permettono il monitoraggio del loro movimento durante l assemblaggio Controllo accessi: il reader vicino alla porta riconosce il codice ID dei tag portati dai dipendenti, abilitando l apertura della porta Vendita al minuto: gli articoli in vendita sono etichettati con tag contenenti le informazioni del prezzo, che vengono trasferite al reader

21 Applicazioni avanzate (II) 41 eal ime Location (L): Consentono anche di determinare la posizione degli oggetti identificati utilizzando la trasmissione, da parte dei AG, di segnali verso diversi reader situati in posizione fissa, al fine di consentire ad una unità di base di eseguire una accurata triangolazione. - Ausilio ai non vedenti - Localizzazione di auto nei parcheggi Sensori distribuiti: Il tag è parte integrante di un sensore (ambientale, medico) e invia in tempo reale il dato letto ad una rete di raccolta Applicazioni avanzate 4 Biometria wireless: ag posti sul corpo umano (o all interno di esso) per il monitoraggio remoto di grandezze biometriche (temperatura, pressione arteriosa, ECG, concetrazione di glucosio) volume di lettura 5m

22 Conclusioni 43 La tecnologia FID presenta una notevole complessità, negli aspetti di sistema e nelle varie parti componenti. La tecnologia in bassa frequenza (tag induttivi) è ormai matura e copre la maggior parte dell offerta attuale. La tecnologia in alta frequenza (UHF) promette prestazioni e applicazioni molto più avanzate ed è tuttora in fase di evoluzione. Si intravedono ancora ampi margini di miglioramento (sensibilità dei microchip, efficienza delle antenne). I sistemi in alta e bassa frequenza sono da considerasi complementari e non necessariamente alternativi. La sinergia tra sistemi FID e sensori produrrà nei prossimi anni un vasta gamma di nuove applicazioni pervasive 44 Grazie per l attenzione! marrocco@disp.uniroma.it