RFID Radio Frequency IDentification Tecnologie per uno stile di vita migliore

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1 RFID Radio Frequency IDentification Tecnologie per uno stile di vita migliore Le esigenze Nel mondo di oggi l uso dei codici è di fondamentale importanza ( si pensi ai codici alfabetici, ai codici numerici, ai codici informatici, ai codici segreti, ecc). Se vogliamo dare una definizione alla parola codice potremmo dire che un codice è un insieme di regole per la composizione di parole codificate accompagnato da un inventario di simboli scelti arbitrariamente. Quindi un mittente comunica a un destinatario un messaggio attraverso un codice che deve essere condiviso da entrambi. Tra tutti questi casi di codice ce ne è uno che sicuramente è presente nella nostra vita da moltissimo tempo spesso senza neanche rendercene conto: il codice a barre (o barcode ). Infatti ogni prodotto che vediamo o che acquistiamo ha un codice che lo identifica univocamente. Un codice a barre è una combinazione di linee verticali bianche e nere di spessore variabile utilizzata per codificare informazioni leggibili da appositi dispositivi ottici. Il codice a barre è stato stabilito come la più popolare, quasi l unica, soluzione per sistemi di riconoscimento di dati automatizzato. Ormai si è affermato in tutto il mondo, grazie alla facilità di generazione dei codici e al costo di investimento iniziale molto basso. Questa tecnologia continuerà per molti anni ad essere una soluzione vitale per il business. Tuttavia il barcode ha dei limiti, e più passa il tempo più questi limiti diventano visibili: La tecnologia è di sola lettura Ha bisogno di essere visibile per essere analizzato Se si rovina o si sporca i dati potrebbero non venire letti Si può analizzare un solo barcode alla volta È limitato dalle condizioni ambientali Tutti questi svantaggi non sono presenti in una altra tecnologia che esiste già da diversi anni ma che solo recentemente si sta affermando nel mondo e che potrebbe prendere il posto dell ormai storico codice a barre: stiamo parlando di RFID. Le Tecnologie RFID è l acronimo di Radio Frequency IDentification ed è una tecnologia per l identificazione automatica di oggetti, animali e, perché no, anche di persone. Un sistema RFID è composto essenzialmente da tre elementi base: Un antenna Un lettore o Reader Un transponder, comunemente chiamato Tag, in grado di contenere dati. Il sistema si basa sulla lettura a distanza di informazioni contenute nel Tag RFID usando dei lettori appositi. L antenna emette un onda elettromagnetica che attiva

2 il Tag in modo da leggere o scrivere informazioni su di esso. L antenna è collegata al lettore che, opportunamente collegato ad un personal computer con il relativo software, controlla e acquisisce il flusso di dati. Fig.1 Configurazione tipica di un sistema RFID Importanti caratteristiche dei Tag sono: frequenza di lavoro, distanza tipica di lavoro, aderenza ai vari standard, quantità di memoria, tipo di memoria, velocità di identificazione, velocità di trasmissione e di trasferimento dati, funzioni di sicurezza ed eventuale cifratura dei dati, quantità di Tag leggibili simultaneamente. Uno degli elementi più importanti è la frequenza di lavoro del tag, da cui derivano molte delle altre caratteristiche sopra elencate. Classificazione dei TAG Le prestazioni di un sistema RFID non dipendono dal lettore, in quanto è sufficiente dimensionare opportunamente le antenne o l unità di controllo. Per quanto riguarda i Tag RFID, si possono classificare in alcune categorie generali, a seconda delle prestazioni richieste in termini di distanza di lettura, di capacità di memorizzazione e così via. Classificazione per sorgente di alimentazione elettrica Tag passivi Sono il tipo più economico, in quanto non hanno una fonte di alimentazione elettrica propria, e si alimentano dallo stesso campo elettromagnetico del lettore. Ciò significa che il Tag è utilizzabile solo se esposto al Reader. Tag semi-passivi Sono dotati di batteria, che tuttavia non alimenta il Tag fino quando questo non riceve un segnale dal lettore. Tag attivi Sono dotati di batteria ed emettono continuamente un segnale di identificazione che consente una localizzazione costante; sono di solito più grandi e più costosi dei precedenti, a causa della batteria integrata, e il continuo funzionamento permette cicli di vita inferiori. Permettono distanze di lettura di decine di metri, e sono impiegati per localizzazione di veicoli, sistemi di pagamento elettronici, localizzazione veloce di oggetti riutilizzabili in campo aperto (quali ad esempio i pallets), ecc. Pag.2/20

3 In generale con l aumentare della frequenza di lavoro aumentano la distanza di lettura, le velocità di trasferimento dei dati e il numero di possibili letture simultanee, viceversa diminuiscono i costi di produzione e la grandezza fisica del tag. Purtroppo però più alta è la frequenza più aumenta la degradazione delle prestazioni di lettura in presenza di liquidi, che tendono ad assorbire le onde radio, e di metalli, che tendono invece a deviarle. L RFID può operare a diverse frequenze: khz 13,56 MHz MHz 2,45 GHz 5,8 GHz Ciascuna banda ha i suoi vantaggi e svantaggi. Le frequenze più basse funzionano meglio vicino ad acqua, metalli o persone. Le alte frequenze hanno più norme da osservare. Per frequenze LF inferiori ai 135 khz i vantaggi sono la possibilità di un loro utilizzo a livello mondiale. Questa banda è disponibile in tutti i principali paesi: Europa, Nord America e Giappone. Le maggiori applicazioni interessate al suo sfruttamento sono quelle che richiedono la trasmissione di limitate quantità di dati a brevi distanze. Gli svantaggi sono numerosi: i materiali ferromagnetici hanno un effetto schermante sulle onde elettromagnetiche, e quindi possono causare problemi di lettura. Dimensioni elevate delle antenne per i Reader e distanze operative ridotte sono fattori che limitano ulteriormente la loro diffusione. La realizzazione fisica dei Tag è più complessa rispetto ai 13,56 MHz a causa del numero elevato di spire della bobina. Alla frequenza HF di 13,56 MHz i Tag sono standardizzati a livello mondiale per l'utilizzo specifico dell'rfid. Questa frequenza è stata fissata in Nord America, Europa, Australia e Giappone. Si ottiene un bitrate limitato, se comparato con frequenze più alte, ma ha il vantaggio di essere compatibile con lo standard ISO e per le Smart Card. Le dimensioni delle antenne dei Reader non sono trascurabili, così come l'area occupata dall'antenna dei tag, che ne limita il range operativo a soli 1-2 metri. Aumentando la frequenza a UHF, si arriva tra 300 MHz e 1 GHz con Tag a 433 MHz e a MHz. Il vantaggio di alzare la frequenza permette di costruire antenne di dimensioni ridotte 1, quindi adatte a dispositivi portatili, con distanze che raggiungono anche i 10 metri per Tag passivi in particolari condizioni. Anche in assenza di un perfetto allineamento tra il Tag e il Reader, si ottengono buoni livelli di comunicazione. I Tag a Microonde a 2,45 GHz hanno problemi di condivisione dello spettro con altre applicazioni: le Wireless LAN, i forni a microonde e i cordless, per esempio. 1 Tale antenna è di dimensione comunque non necessariamente trascurabile, con una frequenza di lavoro di circa 900 MHz si va dai 10 ai 30 cm a secondo del tipo di antenna usata. Pag.3/20

4 Le dimensioni dei Tag diventano molto ridotte, con raggio di lettura di decine di metri per soluzioni attive, e fino a qualche metro per quelle passive. Non vi è il problema della visione diretta tra Tag e Reader, ma ha dei costi maggiori rispetto alle frequenze più basse a causa della batteria. La banda a 5,8 GHz ha un forte svantaggio: non è disponibile negli Stati Uniti. Il raggio d'azione necessita di una visione diretta tra il Tag e il Reader, poiché probabili ostacoli deviano o attenuano di molto le onde. Questo limita la diffusione delle etichette, che richiedono lettori molto costosi, anche se operano in un campo di frequenze poco congestionato dalle applicazioni commerciali. Gamma di frequenza LF HF UHF MICROONDE Frequenza tipica 125 khz 13,56 MHz MHz (EU) 2,45 GHz 915 MHz (USA) 5,8 GHz Data Rate la più bassa bassa media alta Dimensione tag il più grande medio piccolo il più piccolo Costo basso basso medio alto Accoppiamento Induttivo Induttivo Elettromagnetico Elettromagnetico Tipica distanza massima (Tag passivi) Degradazione in presenza di liquidi o metalli 1m 2m 6m 5-6m bassa media alta molto alta Tab. 1 Tabella riassuntiva delle caratteristiche delle varie frequenze. RFID VS BARCODE I barcode hanno dei limiti che possono essere superati dalla tecnologia RFID. Ci sono due aree fondamentali in cui il codice a barre non offre buoni risultati: nel cambiamento dei dati e nei materiali durevoli. L RFID permette di modificare i dati memorizzati più volte, ad esempio per seguire l evoluzione di un prodotto all interno di una catena produttiva. Ci sono però sicuramente dei casi in cui i dati memorizzati non devono essere cambiati frequentemente per cui il codice a barre risulta un ottima scelta. Qui di seguito vengono elencate le caratteristiche dei sistemi RFID, confrontati con quelle dei codici a barre, con relativi vantaggi e svantaggi. Visibilità frontale Contrariamente al barcode, che richiede il posizionamento del lettore frontalmente all'etichetta, l'rfid, attraverso le onde radio, riesce a leggere il codice a distanze superiori. Questo consente di poter posizionare il Tag per esempio anche all'interno delle confezioni da tracciare. Letture multiple e simultanee Ogni barcode deve essere letto singolarmente, mentre l'rfid permette di leggere simultaneamente più transponder riconoscendo univocamente ogni singolo prodotto. Raggio di lettura Pag.4/20

5 L'RFID permette una distanza di lettura notevolmente maggiore. I transponder attivi hanno distanze di lettura di decine di metri, mentre i lettori di barcode possono arrivare a pochi metri ( per i modelli più innovativi ). Capacità trasporto dati I transponder possono contenere alcuni Kbyte di dati, a differenza dei barcode che possono rappresentare al massimo 2 mila caratteri (per i modelli di ultima generazione). Capacità di lettura / scrittura Una volta stampati, i barcode sono immodificabili mentre i transponder possono essere riscritti un numero praticamente illimitato di volte, nei modelli read/write. Resistenza a condizioni avverse Un barcode danneggiato può risultare di difficile lettura se non impossibile. I transponder non sono soggetti a queste limitazioni e possono operare anche in ambienti ostili (come per esempio polvere, alte o basse temperature, acqua). Durata I transponder, opportunamente protetti, possono avere una vita praticamente illimitata potendo essere riutilizzati numerose volte, consentendo un ammortamento dei costi, a differenza dei barcode che possono solo essere rimpiazzati. Problema dei costi La maggiore limitazione dei sistemi RFID è il costo. Infatti attualmente un Tag passivo ha un costo che si aggira mediamente intorno ai 30 cent di euro ( per piccoli acquisti ), un costo ancora troppo elevato per essere utilizzati in qualsiasi settore e applicati su qualsiasi oggetto. Sul costo totale di un Tag impattano: il circuito integrato l antenna l assemblaggio del chip sull antenna la pre-conversione, la conversione sul substrato e poi sull etichetta I costi sono però in rapida diminuzione e si stanno cercando nuove tecniche costruttive per abbassare il prezzo totale intorno al mitico 5 centesimi, che ovviamente spingerebbe un ben più ampio uso della tecnologia Rfid. Necessità di standard definiti L adozione di standard internazionali nell identificazione dei prodotti e nella gestione della comunicazione con i Tag è di vitale importanza. Per questo motivo ci sono stati negli ultimi anni vari tentativi per creare delle specifiche che standardizzano i vari aspetti delle operazioni di un sistema RFID. I benefici della standardizzazione si possono riassumere nei seguenti punti: Aumentare la confidenza dei consumatori nelle nuove tecnologie Ampliare i mercati per i produttori, incoraggiare la concorrenza a livello globale e ridurre i prezzi per l utente finale Promuovere lo sviluppo tecnologico dei sistemi RFID in tutto il mondo Facilitare lo sviluppo di applicazioni incoraggiando l interoperabilità Fornire piattaforme di sviluppo per prodotti complementari (software, hardware e accessori) Pag.5/20

6 Standard e normative Data la moltitudine di frequenze e tipi di Tag si può tranquillamente affermare che non esiste un lettore in grado di leggere qualsiasi tipo di tag. Con il termine "agile Reader" la EPC Global 2, associazione privata che porta avanti la normazione sui sistemi RFID, identifica quei lettori che possono leggere tipi diversi di tag, di vari produttori, operando anche a frequenze differenti (ma sempre all interno della propria banda di lavoro). I lettori devono rispettare rigorosamente le normative internazionali che regolamentano le trasmissioni radio, e specifiche a seconda del paese nel quale si trovano ad operare; questo è uno dei problemi aperti che frena la diffusione su larga scala della tecnologia RFID. Fig. 2 Frequenze disponibili nel globo ( fonte ETSI ) Dalla figura si può immediatamente notare come nei vari continenti lo spettro delle frequenze è regolamentato in maniera differente, creando un ostacolo alla circolazione di Tag standard su scala mondiale, in particolare per la banda UHF, dove si prevede la crescita più significativa, e dove in Europa e in Italia è attesa a breve la completa liberalizzazione. Inoltre va osservato che le differenti normative presenti nei vari continenti prevedono anche diverse potenze di emissione radio da parte degli apparati trasmittenti. 2 EPC- Electronic Product Code- nel settore RFID è l identificatore universale per gli oggetti. Nel 1999 viene avviata un'attività di ricerca e sviluppo presso i laboratori dell'auto-id center del M.I.T., in collaborazione con EAN International e lo UCC (Uniform Code Council), per la definizione di una architettura standard aperta con lo scopo di dare vita ad una rete globale, la EPC Global Network. EPC Global, un consorzio di oltre 100 aziende impegnate nello sviluppo di standard globali per l'utilizzo dell'rfid. Pag.6/20

7 Nella banda UHF la frequenza disponibile per i Tag nel Nord America è compresa nella banda tra 902 e 915 MHz, con potenze ammesse fino 4W, e in tale banda esiste la possibilità di cambio di frequenza ( frequency hopping ) che estende la distanza di lettura e aumenta l affidabilità. In Europa la frequenza è compresa nella banda 865 e 870 MHz, ma ci sono maggiori limitazioni; ad esempio la telefonia mobile usa parte di questo spettro di frequenze nella parte alta, mentre verso il basso la frequenza di 869,5 MHz è riservata per usi medici. Inoltre in Europa la potenza massima ammessa in quasi tutti i paesi è limitata a soli 0,5W. Per quanto riguarda la potenza, conviene precisare che questo termine può confondere, poiché vi sono diversi tipi di accoppiamento fra Tag e lettore, a seconda del tipo di frequenza. Per le basse e le medie frequenze, fino a 13,56 MHz, si tratta di un accoppiamento induttivo, e si dice che il sistema funziona in campo vicino. Si parlerà quindi di intensità massima di campo, che si esprime in dbµa/m (decibel-microampère per metro). Nelle altre frequenze (UHF, microonde) l accoppiamento è elettromagnetico, e si dice che funziona in campo lontano. Si parlerà allora di potenza massima di emissione, esprimendo tale potenza in Watt. Tuttavia quest ultima unità di misura cambia a seconda delle zone geografiche. In Europa l'unità è il Watt calcolato in ERP (Effective Radiated Power), in America l'unità è sempre il Watt, ma in questo caso calcolato in EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power). La relazione fra le due unità è la seguente: EIRP = 1,64 * ERP In Europa, ETSI (European Telecommunications Standard Institute), CEPT (Comitato Europeo Poste e Telecomunicazioni), ERC (European Radiocommunications Commitee), sono gli enti incaricati di proporre le norme di riferimento che i paesi europei saranno poi liberi di applicare o no, a seconda del caso. Nel settembre 2004, l ETSI ha pubblicato la norma EN , sviluppato appositamente per i sistemi RFID, dove viene consentita la potenza di 2W ERP sulle frequenze UHF MHz. In Italia tuttavia questa banda è utilizzata dal Ministero della Difesa. La norma ETSI EN consente una potenza massima di 0.5W ERP nella banda di frequenza 869,4 869,65 MHz. Le varie nazioni possono recepire o meno queste normative e/o limitarne la potenza. L esempio classico è l Italia che nella banda UHF 869,4 869,65 MHz limita attualmente la potenza a 25mW per salvaguardare applicazioni militari, contro i 500mW del resto (o quasi) d Europa, e che con i Tag passivi non consente alcuna operatività. Pag.7/20

8 Fig. 3 Gli standard ETSI e Servizi Supply Chain Sicuramente la gestione della filiera di produzione e distribuzione (Supply Chain Management) è uno dei settori in cui l RFID sta trovando applicazione su larga scala. Da qualche tempo le principali aziende del settore, tra cui Wal-Mart, Carrefour e METRO, hanno cominciato ad adottare l RFID nelle proprie filiere di produzione e distribuzione, dando un enorme contributo alla diffusione della tecnologia e inducendo una decisa riduzione dei costi dei dispositivi. Wal-Mart, la più importante catena di distribuzione del mondo con oltre punti vendita, ha dichiarato che entro il 2006 estenderà l'utilizzo dell' RFID in tutti centri della catena commerciale ed ha richiesto ai suoi principali 100 fornitori di inserire tag RFID nelle confezioni e pallet dei loro prodotti. Produzione L azienda e tutti i suoi fornitori si servono della tecnologia RFID per condividere la posizione e altre informazioni relative ai vari prodotti e, se è necessario, ai loro assemblaggi. Ogni prodotto contiene un Tag RFID con alcune informazioni relative a se stesso, come il numero o il lotto. In questo modo le aziende (produttore e fornitori) sanno quanti pezzi sono disponibili in magazzino e rispondono alle necessità in tempo reale. Distribuzione Un grossista si occupa della distribuzione dei prodotti ai punti vendita di tutto il mondo, collaborando con un centro distributore per la consegna al dettagliante. Il mezzo di trasporto (autocarro, treno, aereo ecc.) scarica i pallet di merce nel magazzino del centro distributore. Un lettore RFID legge e raccoglie i dati relativi ai prodotti ricevuti, quindi viene indicato al mezzo di trasporto cosa è stato scaricato nel magazzino, in modo che i sistemi del distributore e del dettagliante vengono aggiornati in tempo reale, mentre al produttore viene confermata l avvenuta consegna. Pag.8/20

9 Vendita al dettaglio Una volta spedita la merce dal magazzino, il dettagliante riceve informazioni relative all arrivo. Queste informazioni vengono elaborate, confrontate con quelle della spedizione attesa, e successivamente inserite in un database per il controllo del magazzino del negozio. La tecnologia RFID giova anche alle operazioni di cassa: infatti non ci sarà più bisogno di passare ogni singolo codice a barre nel lettore ad una distanza molto ravvicinata. Infine i Tag RFID possono essere utili come sistema antitaccheggio, per ridurre i furti. Un lettore posto all uscita rivelerà tutti quei prodotti che non sono letti alle casse prima di lasciare il negozio. Consumatori Grazie alla possibilità di integrazione con sistemi di gestione delle carte fedeltà, è possibile gestire la lista degli articoli che il cliente gradisce, poiché sono stati scelti con una certa frequenza. Cosicché, mentre il cliente si sposta nel negozio, il sistema richiama la sua attenzione sugli articoli di maggiore interesse per lui, indicando eventuali offerte. Nel rispetto del Decreto Legislativo 196/03 sulla tutela della privacy è possibile garantire un sensibile miglioramento del servizio clienti e maggiore disponibilità dei prodotti, con una riduzione dei tempi di attesa alle casse e una maggiore tranquillità nell acquisto dei prodotti alimentari. Un caso pratico per lo sviluppo di un semplice applicativo Precedentemente si è descritta la tecnologia RFID a livello teorico, basato su architetture, classificazioni, principi di funzionamento, standard, normative e possibili applicazioni. Ora invece verrà descritto un caso pratico comprendente una parte di applicazione software sviluppata in Java. Il contesto applicativo è banale: ci troviamo in un supermercato, ogni singolo prodotto è provvisto di un Tag RFID. Il cliente acquista alcuni prodotti (per esempio biscotti, latte, acqua, ecc.), quando arriva in cassa il lettore apposito legge i Tag relativi a quei prodotti. L applicazione rileva i codici identificativi dei prodotti, e tramite un database vengono prelevate le informazioni relative a quel codice. Ad ogni lettura viene effettuata la somma dei prezzi e una volta letti tutti i Tag viene stampato lo scontrino. Quando un prodotto viene rilevato, viene decrementata la quantità nel database di una unità, e quando quest ultima scende al di sotto di una certa soglia, viene stampato in modo automatico l ordine di rifornimento per quel prodotto. Per fare tutto ciò si utilizzerà un kit ACS ACR120, di cui si riportano in originale le specifiche tecniche, e che è stato comprato a circa 150,00. Tale kit è stato scelto sia perché operante nella banda più standard e diffusa dei MHZ sia per il suo basso costo e facilità di programmazione. Pag.9/20

10 ACR120 Mifare Development Kit Fig. 4 Kit RFID ACR120 The ACS ACR120 Contactless Smart Card Mifare Development Kit enables effective development of customized applications and systems using Mifare cards, contactless readers, and PCs. Standard features for the ACR120 SDK Mifare reader: * Read and write ISO14443 and Mifare cards * High-speed transactions * Flexible configurations * USB or RS232 (serial) interface to PC with simple command structure * SDK contains all the vital components required for contactless Mifare application development * Designed for both novice and experience developers Package Contents: * 1 x ACR120 Contactless Mifare Reader * 1 x ACR38DT DualKey (A key for both physical and loginal access control) * 5 x 1K Mifare contactless Mifare Cards * 1 x Combi Card * Installation CD-ROM (including drivers, source codes, and demo software) * Installation guide Technical Specifications: * Interface: USB or RS-232 (Serial) * Supply Voltage: Regulated 5V DC * Supply Current: 80mA * Operating Temperature: 0-70 oc * Physical Dimension: 120 mm (L) x 73mm (B) x 20mm (H) * Operating Frequency: MHz * Standards / Certifications: ISO and Mifare cards * Operating System Support: Windows 98, Me, 2K and XP Mifare is a registered trademark of Philips Electronics N.V. Pag.10/20

11 Introduzione all applicazione 3 Ai fini della presente applicazione è sufficiente utilizzare un ACR Contactless Smart Card Reader e cinque MIFAR Contactless Cards, presenti nel kit precedentemente citato. Grazie alle specifiche del Reader e dei Tag contenuti nel kit ACR120 è stato possibile sviluppare, con programmazione Java, un semplice programma che simula l acquisizione dei dati provenienti dai Tag (che sono pensati, nel caso in esame, come prodotti di un supermercato) e la loro gestione del magazzino e dello scontrino, come riportato nelle figure seguenti. Sulla rete internet è possibile trovare diversi package Java che aiutano la programmazione, come JavaComm dalla Sun. JavaComm è una libreria opzionale che fornisce una API per l accesso completo alle porte seriali e un accesso parziale alle porte parallele. Poiché questo progetto RFID verrà implementato su piattaforma Windows, si è scelto di utilizzare un'altra libreria uguale a JavaComm: RxTxComm, una libreria Open Source che offre tutti i servizi di JavaComm. Risultati delle prove effettuate Fig. 5 esempi di videate ottenibili nel caso pratico 3 Realizzata da Ivano Fiorini, laureato nell anno accademico presso la Facoltà di Ingegneria, Corso di Laurea in Ingegneria Informatica, dell Università degli Studi Roma Tre Pag.11/20

12 Le prove hanno confermato che inserendo due Tag sovrapposti tra di loro e avvicinati al Reader, essi venivano letti tranquillamente. Inserendone però un altro appoggiato ai primi due, oppure affiancato, questo non veniva letto o addirittura non consentiva la lettura agli altri due. Buona parte dei problemi di lettura concorrente in questo specifico caso dipendevano molto anche dal fatto che il lettore di cui in possesso aveva un avvolgimento di area molto ridotta, ma e un grande problema, soprattutto in casi come quelli presupposti da questo progetto. Infatti in un futuro supermercato, in cui il carrello sarà composto da decine di prodotti con Tag RFID, potrebbe accadere che alcuni prodotti non vengano letti, il che non può essere accettato. Evoluzione 4 : ZIGBEE La tecnologia RFID non si è neanche affermata completamente nel mondo, che già si sta sviluppando una nuova tecnologia molto simile: si tratta di ZigBee. ZigBee è una tecnologia a basso consumo energetico per il collegamento senza fili di sensori e sistemi di controllo a distanza. Usa lo standard IEEE , simile a quello Wi-Fi ma con caratteristiche diverse. Fig. 6 - ZigBee nel modello a strati del protocollo di interconnessione. ZigBee definisce le specifiche relative al layer applicativo e a quello di sicurezza, in maniera tale da garantire l interoperabilità dei vari prodotti di aziende diverse. La possibilità di disporre di un protocollo comune ha contribuito alla formazione della ZigBee Alliance, una alleanza tra più di 150 società che ha come obiettivo quello di assicurare il primato di ZigBee in un ampio settore del mercato del wireless. Le reti ZigBee cominciarono ad essere concepite nel 1998, quando si comprese che il Wi-Fi e il Bluetooth non erano adatti per molte applicazioni di rete. Nel Maggio 2003 fu completato lo standard IEEE , che definiva lo strato fisico e lo strato MAC della tecnologia. 4 L autore, non avendone esperienza diretta, non si dilunga sulla tecnologia NFC Near Field Communication, tecnologia wireless inventata da Philips che permette uno scambio di dati tra dispositivi elettronici entro una distanza di 10 cm, e che potrebbe rendere disponibili applicazioni innovative in particolare nell ambito della telefonia mobile. Pag.12/20

13 Nell estate del 2003 un ramo della società Philips creò il ZigBee Alliance e diventò il direttore membro di questa alleanza. Successivamente molte altre società, più o meno importanti, entrarono a far parte dell alleanza ZigBee. Il 14 Dicembre 2004 furono ratificate le specifiche di ZigBee, e successivamente pubblicate nella versione 1.0 il 13 Giugno Attualmente ZigBee Alliance comprende più di 150 membri. Caratteristiche La tecnologia ZigBee può operare in 3 bande differenti: 2,4 GHz, la stessa banda utilizzata dal Wi-Fi 915 MHz (disponibile in America) 868 MHz (disponibile in Europa) La disponibilità di bande già utilizzate nel mondo garantisce la possibilità di installare gli apparati in maniera libera, senza richiedere autorizzazioni statali. Il Bit Rate va dai 20 kbps fino a 250 kbps nella banda 2,4 GHz, una velocità tutto sommato sufficiente poiché questo tipo di sistema non necessita lo scambio di una grande quantità di dati. Il range operativo di trasmissione è compreso tra 10 e 80 metri, distanza che dipende dal tipo di dispositivo e dalle condizioni esterne. Nell architettura di rete dello standard ZigBee vengono definiti tre livelli di apparati: ZigBee Coordinator, è l elemento che opera come nodo centrale di coordinamento e di raccolta dati, ed è in grado di operare come bridge verso altre reti. ZigBee Full Function Device (chiamato anche ZigBee Router), è un dispositivo che può essere definito client, in grado cioè di generare informazioni e inviarle al nodo centrale, ma anche verso altri dispositivi intermedi. ZigBee Reduced Function Device (chiamato anche ZigBee End Device), in grado di comunicare sulla rete, ma incapace di fare da intermediario per altri dispositivi. È l elemento più semplice ed economico tra i tre, quindi è molto utile per identificare oggetti semplici, come lampadine, interruttori, condizionatori ecc. I dispositivi della rete sono in grado di funzionare in due modalità di accesso al canale distinte. Nella modalità beacon i sistemi comunicano sulla rete a intervalli regolari e poi si pongono in uno stato di inattività a basso consumo. Nella modalità non-beacon i dispositivi sono sempre accesi o spenti nella maggior parte del loro tempo. La possibilità di scegliere tra queste due modalità permette di avere diverse opzioni energetiche tra cui scegliere. Si può infatti rimanere sempre attivi, nel caso il dispositivo sia collegato ad una sorgente continua di alimentazione, oppure essere quasi spenti o intermittenti se si deve operare a batteria. L esempio tipico è un interruttore di luce senza fili: il nodo ZigBee posto sulla lampadina è di tipo non-beacon in quanto dispone di un alimentazione continua, mentre l interruttore può operare in modalità beacon, cioè si pone in uno stato di inattività, e viene svegliato solo quando l interruttore viene azionato. In questo caso il dispositivo posto sull interruttore è un End Device, mentre quello sulla lampadina può essere un Router, ma anche un Coordinator. Topologie di rete Pag.13/20

14 Grazie ai differenti dispositivi ZigBee è possibile configurare la rete in vari modi. É possibile usare un semplice schema a stella, in cui il Coordinator è il centro stella, mentre gli altri sono ZigBee Router o End Device. La topologia ad albero (o peer-to-peer) utilizza un Coordinator alla radice, i Router rappresentano i rami e gli End Device le foglie. Infine la struttura mesh ha collegamenti a maglia. Attraverso questa è possibile combinare le architetture di rete precedenti. Fig. 7 Topologie di rete ZigBee. Vantaggi dello ZigBee rispetto al Bluetooth Basso consumo di potenza: i dispositivi ZigBee utilizzano minore potenza rispetto al Bluetooth o altri dispositivi wireless, a discapito del Bit Rate. Questo comporta che una batteria applicata ad un dispositivo possa durare anche un paio di anni, eliminando il problema di cambiarle spesso. Basso Costo: il che vuol dire per gli utenti dispositivi a poco prezzo e basso costo di installazione e manutenzione. Le apparecchiature ZigBee permettono di usare batterie primarie poco costose. Inoltre la configurazione ridondante (topologia magliata) permette una minima manutenzione, poiché in caso di guasto di alcuni nodi la rete può continuare a funzionare. Alta densità di nodi: lo standard IEEE permette alla rete di maneggiare qualsiasi numero di dispositivi ZigBee. Si possono indirizzare più di nodi in una rete, mentre i 64 bit di indirizzo IEEE permette un numero virtualmente illimitato di dispositivi con identificativo univoco. Protocollo semplice: Zigbee richiede 32 kbyte di memoria di programma per implementare tutto il protocollo, un quarto di quella richiesta dal Bluetooth. Questo comporta minor consumo (meno dati da trasmettere) e minor costo. La complessità del Bluetooth dipende anche dalle primitive di servizio previste dal protocollo: 131 contro le 30 circa della tecnologia ZigBee. Sicurezza: la tecnologia prevede un alto livello di sicurezza, utilizzando l algoritmo di crittografia AES-128 (Advanced Encryption Standard a 128 bit), un sistema molto potente per la salvaguardia dei dati trasportati. Pag.14/20

15 Standard ZigBee Bluetooth IEEE IEEE Bit Rate Max 250 kb/s 2.1 Mb/s Raggio Operativo <80m <10m Costo Basso Medio Livello di Alto Basso sicurezza Tipologia di rete Stella, Albero, Stella Mesh Consumo di Basso Medio energia Tab. 2 Caratteristiche ZigBee confrontate con Bluetooth Confronto con RFID Fino ad ora si è fatto un confronto con le tecnologie Bluetooth e Wi-Fi, poichè ZigBee è più simile a loro come caratteristiche. Tuttavia un confronto può essere effettuato anche con RFID. Infatti gli end device possono essere pensati come Tag RFID, mentre il coordinator come Reader centrale che raccoglie informazioni; i ZigBee Router invece possono essere visti come una via di mezzo tra Tag e Reader, ed è questo il vero punto di forza rispetto a RFID. Riprendendo l esempio tipico di un supermercato in cui i Tag RFID sono applicati sui prodotti, ZigBee può superare il problema di interferenza tra loro, come anche evidenziato nel caso pratico riportato in precedenza. Infatti se ai prodotti applichiamo degli ZigBee di tipo Router, essi potranno dialogare tra di loro e passarsi le informazioni di qualsiasi prodotto verso il coordinator (che per esempio è il lettore alla cassa). Fig. 8 Confronto tra RFID e ZigBee Rispetto a RFID, il costo delle soluzioni ZigBee è ancora troppo alto per poter essere utilizzate in alternativa in applicazioni tipiche di RFID. Quando i loro prezzi diminuiranno, allora veramente si potrà pensare ad una evoluzione di RFID, ma fino ad allora RFID nella maggior parte dei settori rimarrà la tecnologia preferita. Ma gli utilizzi di questa tecnologia sono tantissimi, dalla connessione di Pag.15/20

16 periferiche del pc (mouse, tastiera, joystick ), al controllo remoto di Hi-Fi, Tv, lettori DVD/CD, videoregistratori, decoder, dal controllo casalingo dell illuminazione, della sicurezza, dell accesso o quanto altro, fino ad arrivare ad usi più industriali e commerciali, come già visto per l RFID. Frequenze ZigBee UHF, Microwave Bit Rate Max 250 kb/s 250 kb/s Raggio Operativo ~80m ~60m Costo Basso Basso Livello di sicurezza Alto Medio/Alto Tipologia di rete Stella, Albero, Mesh Stella Consumo di energia Molto basso Basso RFID LF, HF, UHF, Microwave Tab 3 Caratteristiche ZigBee confrontate con RFID Applicazioni innovative Grazie alle tecnologie RFID e ZigBee, vengono aperti nuovi scenari di vita futuri. Un esempio tipico è la casa. I principali elettrodomestici, come Tv, Hi-fi, DVD, decoder, frigoriferi, lavatrici, lavastoviglie, forni a microonde, ecc, potranno avere un intelligenza e saranno collegati in un'unica rete wireless al proprio personal computer, che a sua volta è collegato alla rete Internet. La Merloni ha ideato elettrodomestici quali lavatrici, frigoriferi e forni a microonde che montano lettori RFID che in futuro potranno riconoscere i prodotti al loro interno e impostare gli opportuni programmi o avvertire di eventuali scadenze di validità. Per esempio i frigoriferi potranno avvisare di eventuali prodotti scaduti o in prossima scadenza, o di prodotti sotto scorta, provvedendo se consentito il riordino via Internet. Le lavatrici potranno conoscere per ogni capo introdotto il ciclo di lavaggio ottimale in base alla composizione, e suggerire gli abbinamenti da evitare. I forni a microonde potranno determinare da soli le temperature e i tempi di cottura ottimali dei cibi introdotti, mediante la lettura dei dispositivi sulla confezione. Gli scaffali intelligenti della cucina potranno gestire date di scadenza e riordini di prodotti via Internet, non facendo mai mancare nulla, eventualmente suggerendo le ricette possibili, tra quelle preferite, sulla base degli alimenti presenti al loro interno. Pag.16/20

17 Fig. 9 Stile di vita nel futuro grazie a ZigBee (ma anche RFID). Ma sono innumerevoli gli ambiti applicativi in cui si sta investigando l introduzione della tecnologia RFID. Per esempio, è evidente che l'rfid sarà la tecnologia principale nel prossimo futuro per l'identificazione degli oggetti e la gestione della Supply Chain. Intanto le applicazioni RFID saranno sempre più vantaggiosamente utilizzate in un vasto ambito di applicazioni, vecchie e nuove, senza necessariamente sostituire il codice a barre, ma in molti casi affiancandolo: Passaporto con RFID. È stato pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 13 del 17 gennaio 2006 il Decreto del 29 novembre 2005 del Ministero degli Affari Esteri che istituisce il passaporto elettronico. La principale novità del passaporto elettronico è rappresentata dall'inserimento dei dati biometrici dei cittadini in un microprocessore RF/ID di prossimità (chip), installato nella copertina del passaporto, con capacità minima di 64Kb, e della durata di almeno dieci anni. Nel chip verranno memorizzate: l'immagine del volto; le impronte digitali del dito indice di ogni mano; i codici informatici per la protezione e la inalterabilità dei dati già presenti sul supporto cartaceo relative al passaporto ed al titolare; le informazioni necessarie per renderne possibile la lettura da parte degli organi di controllo. Tappi del vino con RFID Arnaldo Caprai, viticoltore in Montefalco, per mantenere il passo con le nuove tecnologie identificative che stanno sostituendo o affiancando velocemente il barcode ha introdotto un tag a memoria nei tappi sintetici e in sughero. Grazie a questa importante innovazione si potrà garantire maggiormente l unicità del singolo prodotto in quanto un elemento fondamentale della tecnologia RFID è il codice univoco immodificabile impresso direttamente nel silicio del tag inglobato dal tappo. Tutto ciò arricchisce l attuale tecnologia a codici numerici progressivi stampati su etichette, vetro o tappi che consentono solo l identificazione di un numero, ma non la lettura di più informazioni off line. Alberi e Rfid Non era così difficile intuire che, prima o poi, l'rfid sarebbe finito anche sugli alberi. L'Rfid dà un valore aggiunto alle aziende vivaistiche regionali perché con questo metodo non c'è più il rischio di vendere ed esportare piante infette o contraffatte, senza le caratteristiche millantate. Pag.17/20

18 Animali e Rfid RFID sugli animali domestici, soluzione pratica ed innovativa per non smarrirli più. Un chip a radio frequenza per sapere sempre dove si trovano, per recuperarli se si smarriscono e per restituirli al proprietario quando si ritrovano. Ma altrettanto importante sarà la gestione della cosiddetta tracciabilità degli animali. Recentemente gravi emergenze come la cosiddetta mucca pazza e l influenza aviaria, unito alla globalizzazione del mercato alimentare, hanno messo a dura prova la fiducia dei consumatori nei confronti del mondo produttivo. Di conseguenza oggi più che mai il consumatore esige informazioni corrette e rassicuranti sulla provenienza e sulla composizione dei prodotti. Con il Regolamento Europeo n.178/2002, entrato in vigore il 1 Gennaio 2005, si impone una tracciabilità generale e completa per tutte le imprese del settore alimentare, dalla fattoria alla tavola. L utilizzo della tecnologia RFID permette di identificare univocamente il singolo prodotto e di monitorarlo lungo ogni singolo passaggio della filiera e quindi di gestire la tracciabilità, dal produttore ai punti vendita. E cosi possibile realizzare un completo progetto di fattoria digitale che permette di sapere, per ogni animale, l allevamento di provenienza, la data di nascita, i passaggi tra allevamenti, la profilassi, etc, cosi come riportato nelle figure seguenti tratte da un progetto che può essere sviluppato in poco tempo in collaborazione con una associazione di allevatori e consumatori. Pag.18/20

19 Fig. 10 Fattoria digitale Pag.19/20

20 Conclusioni 5 Come si è visto, sono innumerevoli le applicazioni che traggono vantaggio dall uso della tecnologia RFID e ZigBee, l unico limite è la fantasia. Tutto questo comporta uno stile di vita migliore, garantendo il pieno controllo di tutti gli oggetti ( e animali, e persone ) utilizzati. E questo sicuramente rivoluzionerà la nostra vita quotidiana. Tuttavia tale processo richiederà ancora del tempo, visto i problemi ancora non risolti, come la standardizzazione, il prezzo, ma anche la sicurezza, in quanto è stata già mostrata la possibilità di inserire un virus nel chip di un tag, che potrebbe anche compromettere la sicurezza dei sistemi al di sopra del middleware. La strada è stata comunque segnata, grazie soprattutto al lavoro dell Auto-ID Center oggi confluito in EPC Global e di tante aziende (sia fornitrici che utente) che in modo pionieristico stanno sempre più puntando a migliorare l intera catena dei processi aziendali con l introduzione delle nuove tecnologie RFID. Una grande spinta verrà poi dal possibile imminente innalzamento della soglia di potenza nella banda più interessante, l UHF, con conseguente aumento della distanza di lettura. Certamente, in conclusione, le tecnologie RFID avranno un grande futuro davanti. Ma prestando grande attenzione a non mettere in piedi l ennesimo grande fratello. Gregorio Cosentino, Roma Dicembre 2006 Gregorio Cosentino, 54 anni, Ingegnere, nasce professionalmente in Olivetti e ha assunto ruoli manageriali nelle principali multinazionali informatiche. E socio e responsabile gruppo di lavoro ICT e PA del Club Dirigenti Tecnologie dell Informazione di Roma. Dal 2004 svolge il ruolo di Consulente ICT e reti Wireless per numerosi Enti Locali e Aziende Private, ed è Professore a Contratto per la Cattedra di Calcolatori Elettronici presso la Facoltà di Ingegneria dell Università La Sapienza di Roma. Mail:cosentino.gregorio@gmail.com; Cell: Per il lettore che volesse approfondire quanto riportato nell articolo, l autore rimanda alla pubblicazione della Fondazione Ugo Bordoni in collaborazione con Federcomin Rfid Tecnologie per l innovazione o alla numerosa letteratura disponibile nel vasto mondo di Internet. Pag.20/20