La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks

TECNOLOGIE La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks LUIGI LICCIARDI Le tecnologie RFID (Radio Frequency Identificator) promettono di rivoluzionare il mondo dell automazione industriale, della gestione presenze e pagamenti, del controllo della distribuzione delle merci e dei servizi basati su contesto. Grazie a microdispositivi che comunicano via radio si apre la strada alla comunicazione degli oggetti e si intravedono nuove opportunità anche nel mondo delle telecomunicazioni. L articolo descrive le tecnologie esistenti ed in via di sviluppo, le applicazioni, le opportunità di business ed il ruolo degli operatori di TLC. Tra queste tecnologie assume un ruolo importante la tecnologia ZigBee in cui lo stesso elemento di rete può assumere ruoli diversi: elemento da identificare, nodo di raccolta o di coordinamento. Si estende così il tema RFID ad una vera e propria rete di microdispositivi wireless (microdevice wireless Network) che aprono ulteriori opportunità applicative (domotica, health care, entertainment). Viene anche fornito un cenno alle attività innovative e di ricerca condotte dal Gruppo Telecom Italia che si pone fra i più avanzati in questo promettente settore dell innovazione. 1. Introduzione RFID, E-tag, Smart Label: tanti nomi equivalenti per indicare una rivoluzione che si sta annunciando nel mondo industriale. Si tratta di microdispositivi che comunicano wireless tra di loro scambiandosi informazioni di identità, stato, temperatura. Queste informazioni vengono raccolte, scambiate e trasferite a centri servizi che di queste informazioni si avvalgono per le più svariate applicazioni: automazione industriale, gestione presenze e pagamenti, controllo della distribuzione delle merci, controllo qualità dei prodotti e del loro ciclo di vita, applicazioni di antitaccheggio e un infinità di altre applicazioni, soprattutto se integrate con altri microdispositivi: i sensori che consentono di raccogliere dall ambiente una serie di informazioni (presenza di gas, di sostanze tossiche, di polveri, temperatura, grado di umidità). Ogni oggetto viene identificato in modo univoco da un codice EPC (Electronic Product Code), creando così una rete di oggetti che possono comunicare tra loro e con noi. La comunicazione che si instaura crea la più grande rete del mondo che si potrebbe estendere, in accordo con il paradigma internet, a 20 miliardi di elementi nel 2007 per raggiungere 800 miliardi nel 2011, quando dagli oggetti di un certo valore le RFID passeranno a tutti i prodotti, in sostituzione dell attuale codice a barre. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005 91

LICCIARDI La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks 2. La tecnologia La tecnologia delle RFID non è di per sé nuova, le famose microspie identificatrici della posizione di una persona, il Telepass, gli stessi cancelli automatici usano soluzioni analoghe: comandano o comunicano un informazione in radio frequenza. Oggi la tecnologia consente di avere soluzioni altamente integrate, che, con costi molto contenuti (qualche decina di centesimi di euro), consentono di farne un utilizzo estensivo; si aprono pertanto scenari applicativi fino a ieri impensabili. Un sistema RFID è costituito in realtà sempre da due elementi: la tag che contiene l informazione di identificazione ed il lettore che può leggere e trasferire questa informazione. La tag è principalmente una memoria con un circuito RF e un antenna, tale memoria può essere a sola lettura o a lettura-scrittura. In questo secondo caso la tag può essere anche scritta consentendo quindi l aggiornamento dei dati scritti nella tag medesima. Il lettore oltre al circuito RF e all antenna deve avere la capacità di gestire i dati, pertanto è provvisto di un microprocessore e di un alimentazione; qualora la tag sia scrivibile, il lettore serve anche per scrivere i dati nella memoria della tag, consentendone l aggiornamento. Le tag possono essere di due tipi: passive o attive. Nelle passive (figura 1) l alimentazione viene fornita dal lettore tramite accoppiamento induttivo; in questo caso non è prevista la batteria sulla tag e ovviamente la distanza di copertura rispetto al lettore è contenuta (max. 1,5 metri). Questa soluzione consente costi ridotti della tag e autonomia di alimentazione, ma il lettore deve erogare una potenza elevata. Nelle tag attive, la tag ha una sua alimentazione autonoma, il raggio di copertura può arrivare in linea d aria (senza ostacoli che degradino il segnale radio) a 100 metri. Tra le tag attive il più noto è sicuramente il Telepass. Ovviamente queste soluzioni sono più costose, dovendo provvedere l alimentazione, e mediamente più ingombranti; in questo caso, però, non è richiesta un elevata potenza da parte del lettore. L adozione di questa tecnologia è oggi condizionata da tre elementi: il costo delle tag, la standardizzazione e la privacy. FIGURA 1 Alcuni tipi di Tag passive. Come tutta la produzione microlettronica costi e diffusione sono un binomio inscindibile. Sicuramente ad oggi la tag può essere utilizzata su oggetti di un certo pregio (ad esempio, cellulari, alimenti di qualità, pallet, bagagli negli aeroporti, ) che giustifichino un costo per le tag passive di circa 30 centesimi di euro; in prospettiva, l abbattimento del costo delle tag a valori dell ordine di 1-5 centesimi, apre l utilizzo di tale tecnologia alla sostituzione del codice a barre. Rispetto al codice a barre le tag consentono una elevatissima velocità di lettura abbinata ad una maggiore precisione. La standardizzazione delle tag riguarda due aspetti: frequenza e potenze ammesse (aspetti seguiti dagli enti di standardizzazione ITU e Etsi) e campo identificativo (Electronic Product Code EPC global). Esistono varie frequenze ammesse a secondo del contesto e dell applicazione; oggi la frequenza più comune per le tag passive è di 13,56 MHz mentre per le tag attive è di 2,4 GHz; la frequenza di funzionamento ha forti impatti sulla dimensione dell antenna, pertanto una miniaturizzazione spinta suggerisce frequenze di funzionamento più alte. La privacy è un tema di grande attualità. I consumatori temono che la diffusione dell utilizzo delle tag consenta il tracciamento delle merci anche una volta vendute, ad esempio sulle persone, identificando posizione, spostamenti, identità e gusti del cliente. Il tema è di attualità ed i Garanti della privacy si stanno occupando dell argomento e, ad esempio, considerano obbligatorio che l utente sia informato della presenza di RFID e che, volendo, possa disabilitarla. A questo scopo esistono tecniche che consentono di disabilitare le tag anche se, in pratica, va detto che per le tag passive la tracciabilità delle merci è solamente virtuale, vista la distanza media di poche decine di centimetri per la lettura e quindi il problema pare essere più di principio che di sostanza. 3. Le applicazioni Gli scenari applicativi sono molti sia per l utenza business sia per il consumatore singolo: la grande distribuzione; il controllo sicurezza passeggeri e bagagli negli aeroporti; la distribuzione merci nei porti industriali; la gestione degli spazi espositivi; l automazione industriale nei magazzini; la fornitura di servizi informativi basati sulla localizzazione in musei, negozi, supermercati; il controllo qualità degli alimenti; la anti-contraffazione degli oggetti di pregio; l antitaccheggio; l automazione dei supermercati e dei negozi di moda; la distribuzione dei medicinali nelle farmacie e negli ospedali (controllo della posologia con associata al paziente); le transazioni bancarie e i pagamenti sicuri. 92 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

LICCIARDI La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks Nel mondo il fermento è grande, applicazioni e sperimentazioni si susseguono mentre la tecnologia evolve rapidamente. In USA Wal Mart sta assumendo il ruolo di principale propulsore della tecnologia RFID, imponendola a tutti i suoi fornitori, alcuni porti come Hong Kong stanno procedendo alla completa automazione dello scarico dei container sulle navi e aeroporti come Manchester e San Francisco, stanno procedendo all automazione dello smistamento dei bagagli con utilizzo di RFID. In Italia sono molto attivi su queste tecnologie il Gruppo Autostrade (forte del successo del TelePass), Ferrero, Benetton, Prada e, nel campo ospedaliero, il San Raffaele di Milano, che sta sperimentando la distribuzione dei medicinali nei reparti tramite un sistema di RFID. 4. Le opportunità di business ed il ruolo dell operatore TLC Opportunità di business si aprono per diversi soggetti in quanto la catena della fornitura è ampia e completa; si parte dai fornitori di tecnologia abilitante: aziende di semiconduttori per i chip e manifatturiere di etichette/lettori, per proseguire poi con chi sviluppa il software applicativo e lo integra nei sistemi informativi e, per concludere, con gli operatori di TLC che integrano le soluzioni nei sistemi di RFID tag ADSL GPRS ISDN LAN PCMCIA PSTN RFID UMTS WiFi Lettore RFID con interfaccia verso la LAN PCMCIA WiFi Ethernet RS232 WiFi IR LAN aziendale Azienda 1 Gateway di Rete Server della LAN PSTN, ISDN, ADSL, Fibra GPRS, UMTS rete aziendale (figura 2). È un contesto in grande fermento in cui, accanto a grandi aziende come Philips, Texas Instruments, Freescale, HP, IBM, Centro Servizi Sistema di gestione Asymmetric Digital Subscriber line General Packet Radio System Integrated Services Digital Network Local Area Network Personal Computer Memory Card International Association Public Switched Telephone Network Radio Frequency IDentifier Universal Mobile Telecommunications System Wireless Fidelity FIGURA 2 Esempio di applicazione RFID di tipo B2B. Aziende dello stesso gruppo o appartenenti alla stessa catena del valore Rete di distribuzione fissa o mobile SAP, British Telecom, NTT, Telecom Italia, si stanno attivando anche start up per identificare tecnologie innovative e specifiche opportunità di business. In particolare, è significativo il ruolo che può assumere l operatore di TLC in quanto garante della system network integration verso i clienti business; BT, ad esempio, ha creato una divisione ed un marchio ad hoc, BT Auto-ID, per commercializzare soluzioni che utilizzano le RFID e, con opportune partnership ed acquisizioni, può offrire soluzioni complete nei settori farmaceutico, aeronautico, manifatturiero e della distribuzione. In Giappone NTT DoCoMo fornisce un servizio di pagamento sicuro tramite un telefono cellulare, che integra un RFID passivo (sistema Felica) che viene riconosciuto e identificato da lettori distribuiti sul territorio. Telecom Italia sta allestendo soluzioni chiavi in mano per i suoi clienti integrate nelle offerte di rete a larga banda, ed nel centro di ricerca Telecom Italia Lab si studiano soluzioni innovative di integrazione di lettori di RFID in Access Gateway e terminali. Nelle TLC l opportunità di business è interessante anche se, ovviamente, non va associata al modello tradizionale basato su introiti da traffico. Infatti i dati trasmessi sono pochi ed a basso throughput ed inoltre, a secondo del contesto, vanno elaborati e trasmessi nel modo ed al momento opportuno. Ad esempio la raccolta dei dati di temperatura di un ambiente che si vuole monitorare può essere raccolta nel lettore e successivamente inviata al centro servizi in blocco e senza Azienda Azienda Azienda requisiti di priorità quando la rete è scarica; viceversa il superamento della soglia dei limiti di contenuto di gas in un appartamento deve generare un allarme con segnalazione di priorità elevata. Pertanto i servizi che possono essere proposti ai clienti vanno studiati, progettati e tariffati a secondo del valore che creano per gli utenti stessi. In questo contesto si ritiene di assoluto valore il ruolo assunto dal lettore come elemento di aggregazione, raccolta e elaborazione di dati sensibili. La sua integrazione nel terminale o in un access point rappresenta un importante tassello per valorizzare il contenuto informativo e comunicarlo a chi serve e quando serve. Il terminale mobile e, in prospettiva, il terminale dual mode - convergente, con accesso sia alla rete fissa che alla rete mobile, sono i dispositivi di comunicazione per eccellenza, vista la loro pervasività, e si presen- NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005 93

LICCIARDI La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks tano, quindi, come ponte di comunicazione tra noi e gli oggetti (figura 3). RFID tag ISO 18000 GPRS GSM RFID SOHO UMTS Lettore RFID con interfaccia GSM/GPRS/UMTS Cliente 1 5. L innovazione e la ricerca Rete di distribuzione La ricerca scientifica è stata il motore di questa innovazione: basti ricordare gli studi presso il MIT, in particolare l AutoId Center, ora EPC (Electronic Product Code) global, vero precursore di Internet delle Cose, e le ricerche di Berkeley sullo Smart Dust (figura 4), microdispositivi che integrano RFID, sensori ed attuatori che, sparsi nell ambiente, creano una rete autoconfigurante FIGURA 4 Prototipi per Smart Dust sviluppati presso l Università di Berkeley (fonte: prof. Sangiovanni Vincentelli). Sistema di gestione Piccole aziende (SOHO), negozi, utenti interessati ai servizi di pagamento e alle informazioni legate al luogo General Packet Radio System Global System for Mobile communications Radio Frequency IDentifier Small-Office Home-Office Universal Mobile Telecommunications System Centro Servizi FIGURA 3 Applicazione RFID con lettore integrato nel terminale dual mode o PDA WiFi. di rilevatori. Il ruolo di precursore della ricerca si evolve in quello di abilitatore all utilizzo e di individuatore di nuove opportunità. La riduzione dei costi delle tag a pochi centesimi si può ottenere solo investendo nella tecnologia dei materiali: carte e inchiostri conduttivi, integrazione spinta, microlettronica e nanotecnologie, antenne Cliente 2 Cliente 3 Cliente n miniaturizzate, sistemi di alimentazione evoluti alternativi (per esempio, lo sfruttamento dell energia vibrazionale o cinetica). L innovazione riguarda anche la rete, in particolare una nuova tecnologia si sta diffondendo come evoluzione e integrazione di RFID e di sensori: è lo ZigBee. In questa tecnologia tag e lettori diventano un unico elemento che può essere configurato tramite software ad essere tag o lettore, anzi lo ZigBee si comporta come un nodo di una rete ad hoc con capacità di essere foglia, nodo di instradamento e coordinatore di una rete riconfigurabile. Un nodo ZigBee è dunque un elemento attivo che lavora a frequenza di funzionamento di 2,45 GHz, consentendo anche una buona riduzione della dimensione dell antenna (figura 5). La rete può essere estesa ad un grande numero di dispositivi (fino a 65.000), a basso consumo ed in grado di funzionare sia in interni che in esterni e che, in line of sight, possono arrivare a distanze di 80-100 metri. Nel caso di nodi ZigBee e della rete da essi costituita si estende il concetto di identificatore di un bene/oggetto ad un più ampio contesto di wireless network di microdispositivi multifunzionali, in cui all identificatore si possono aggiungere sensori ed attuatori organizzabili, per esempio, in reti ad hoc autoconfiguranti. Queste reti di tipo personali PAN (Personal Area Network) in senso esteso (per esempio alle cose) sono integrabili con le reti di accesso e locali con soluzioni e modalità che possono variare in base al contesto e all applicazione, rappresentando così un opportunità di estensione della rete TLC tradizionale. Intorno a questa nuova tecnologia stanno convergendo le attenzioni di molte aziende (associate nella ZigBee Alliance) e sono già disponibili i primi circuiti integrati ZigBee compliant, il cui prezzo dovrebbe presto convergere verso due euro a dispositivo. La potenza emessa dai nodi è bassa (pochi mw), con grande sollievo per quanto concerne gli aspetti di inquinamento elettromagnetico 94 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005

LICCIARDI OK 13-01-2006 16:36 Pagina 95 LICCIARDI La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks e dei danni biologici; la s i c u re z z a è re a l i z z a t a a i livelli MAC, Network e Application della pila protointernet Centro c o l l a re, c o n s e n t e n d o d i Servizi d e f i n i re g r a d i d i v e r s i d i sicurezza (solo autenticazione, solo cifratura, Gateway entrambe), e l utilizzo anche Rete di Gateway distribuzione in applicazioni sensibili, come pagamenti o trattamento di informazioni perutenti finali Coordinatore sonali. In Italia TILAB sta investendo sulle tecnologie RFID e in particolare su ZigBee Rete ZigBee Rete ZigBee sperimentando nei suoi indoor/outdoor indoor/outdoor laboratori service concept innovativi, con particolare attenzione all integrazione Azienda/Casa/Ambiente 1 Azienda/Casa/Ambiente 2 dell RFID nei terminali (tra La gestione della rete ZigBee è remotizzata nel centro servizi mite SDIO card o SIM card), Agli utenti finali è possibile l accesso da remoto allo stato della rete ZigBee come elemento di raccolta e smistamento dei dati e di fruizione delle informazioni FIGURA 5 Soluzione con architettura di rete basata sulla tecnologia ZigBee. (figure 6 e 7) Le sperimentazioni riguardano: accesso ad informazioni in musei; esposizioni; Modulo Modulo Modulo città d arte; di processing RTX a interfaccia in banda 2.45 GHz UART/SDIO paline dei mezzi pubbase UART UART SDIO blici; Chip Antenna pagamento e accesso a parcheggi e zone blu; SDIO Secure Digital Input Output controllo ambientale e UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter comando degli apparati domestici in casa. In molte università, si fa FIGURA 6 Nodo ZigBee realizzato su una SDIO. ricerca su queste tecnologie e nell ambito del distretto Torino Wireless 1 si stanno proponendo azioni di sostegno verso le PMI (Piccole Medie Imprese) per creare competenze e opportunità nello sviluppo di soluzioni innovative in questo contesto. Olivetti sta investendo nella tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) che consente la miniaturizzazione di parti elettriche e meccaniche, offrendo interessanti opportunità per l integrazione di sensori e attuatori, alla base di molte applicazioni in campo automotive, biomedicale e di home e office automation. (1) Il Distretto high-tech Torino Wireless raccoglie i principali attori ICT del Piemonte in un sistema condiviso di valori, strategie, azioni in grado di aumentare la competitività del territorio, attraverso l'integrazione fra ricerca e sviluppo, imprenditoria e capitale di rischio (www.torinowireless.it). L'impegno è rivolto alla creazione di un circolo virtuoso in cui le attività di ricerca, la creazione di attività imprenditoriali, la crescita di quelle esistenti, la disponibilità di capitali siano strettamente integrate e capaci di autoalimentarsi. FIGURA 7 Nodo ZigBee su SIM. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005 95

LICCIARDI La comunicazione tra gli oggetti: RFID & Microdevice wireless networks 6. Conclusioni RFID, sensori, Smart microdevice, intesi come componenti che integrano RFID e sensori con gli attuatori, aprono una nuova grande opportunità: la comunicazione degli oggetti. In questo scenario, gli oggetti scambiano informazioni tra loro e le comunicano alle persone costituendo, quindi, un universo in cui tutti sono immersi in un enorme rete fatta di oggetti e di fruitori delle informazioni, dove prevale la componente wireless, come mezzo trasmissivo, ed Internet, come protocollo di comunicazione. Il decollo di questa tecnologia è condizionato dall evoluzione degli standard, dalla riduzione dei costi dei dispositivi, dalla volontà di alcune aziende di rivedere i processi produttivi e logistici. È infatti riduttivo pensare alle RFID come sostituzione del codice a barre: i processi dovrebbero essere rivisitati per sfruttare a pieno le nuove opportunità offerte (letture multiple, scrittura, ciclo di conservazione, ). Sperimentare e pensare a nuovi servizi, più che riciclare i vecchi, è quindi la chiave di volta. Non è necessario aspettare che la Wal Mart di turno imponga a tutti i fornitori l adozione di questa tecnologia. L innovazione tecnologica deve essere una leva per l innovazione dei servizi, iniziando dai contesti più promettenti e a maggior valore aggiunto ed allargando gradatamente lo scenario applicativo man mano che le condizioni di business, inclusi i costi dei dispositivi, diventano coerenti con il contesto applicativo. Sul delicato tema della privacy, associato a particolari applicazioni, è importante garantire la non tracciabilità e la riservatezza, con soluzioni tecnologiche opportune, come la crittografia dei dati sensibili, ma soprattutto occorre creare la consapevolezza che in alcuni casi il valore creato può diventare, per l utente, più importante della segretezza delle informazioni; si pensi, ad esempio, alle soluzioni che possono migliorare la sua sicurezza personale o la salute. In altre situazioni è opportuno privilegiare soluzioni in cui l utente interroghi gli oggetti che lo circondano più che essere lui stesso localizzato, da cui il grande interesse che Telecom Italia sta dimostrando nell integrazione del lettore sul cellulare, tramite SIM: l utente interroga gli oggetti dotati di tag che lo circondano e riceve le informazioni di suo interesse tramite SMS, MMS o in voce. ABBREVIAZIONI RFID E-tag RF EPC GSM UMTS GPRS SDIO SIM MAC MEMS SMS MMS ICT TLC PSTN ISDN ADSL MIT UART PMI PAN Radio Frequency Identifier Electronic Tag Radio Frequency Electronic Product Code Global System for Mobile Communication Univarsal Mobile Telecommunication System General Packet Radio System Secure Digital Input Output Subscriber Identity Module Medium Access Control MicroElectroMechanical Systems Short Message Service Multimedia Message Service Information Communication Technologies TeLeComunications Public Switched Telephone Network Integrated Services Digital Network Asymmetric Digital Subscriber Line Massachussets Institute of Technologies Universal Asynchronous Receiver Transmitter Piccole Medie Imprese Personal Area Network Luigi Licciardi si è laureato in ingegneria elettronica presso il Politecnico di Torino. Da luglio 2005, è responsabile della funzione di Pianificazione Strategica di TILAB, dove si occupa del coordinamento del Piano Tecnologico di Gruppo e dell analisi di tecnologie e soluzioni innovative. Dopo una breve esperienza presso SIA (Società Italiana Avionica), nel 1983 è entrato in CSELT come progettista di circuiti integrati digitali e di sistemi di commutazione. È stato successivamente responsabile della area di Tecnologie di Commutazione e Hardware, dove ha contribuito alla sviluppo dei nodi di commutazione ATM di Italtel, e dell area Gestione servizi, investendo sulle tematiche di profiling, gestione apparati da remoto e architetture software. A gennaio 2001 è divenuto responsabile della funzione System on Chip e dello sviluppo di componenti Hw e Sw e delle relative piattaforme di sistema; ha poi contribuito alla specifica, architettura, realizzazione e collaudo dell Access Gateway. Da aprile 2004, in qualità di responsabile dell area Access Network and Terminals System Design ha contribuito all evoluzione dei terminali multimediali e della rete di accesso di Telecom Italia e alla promozione di tecnologie innovative quali RFID, sensori, microdispositivi, Multimedia Card, SuperSIM. È autore di numerosi articoli e di diversi brevetti. 96 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 14 n. 2 - Dicembre 2005