CONTROL DE UN LECTOR RFID MEDIANTE MICROCONTROLADOR

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1 CONTROL DE UN LECTOR RFID MEDIANTE MICROCONTROLADOR Mario L. Ruz, Francisco Vázquez, Juan Galán + fvazquez@uco.es Dpto. de Informática y Análisis Numérico. Universidad de Córdoba + Cosigein S.L. Resumen En este trabajo se ha se ha elaborado un prototipo de placa de circuito impreso, utilizando el microcontrolador 16F628A, de Microchip, para la comunicación serie con el lector RFID RI-K2A-001, de Texas Instruments. El programa en código ensamblador se ha desarrollado y simulado bajo el software MPLAB 7.51, de libre distribución. Sus funciones básicas consisten en configurar el lector y recibir los números identificativos de las etiquetas. Asimismo, se han estudiado las posibles aplicaciones que se pueden realizar a partir de un control embebido, evitando así la necesidad del uso de un PC. Por último, se ha establecido una metodología para el diseño de antenas de acoplamiento inductivo mediante Matlab.. Palabras Clave: microcontrolador, RFID, autoidentificación, comunicación serie. 1 INTRODUCCIÓN El funcionamiento de la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID, Radio Frequency Identification) consiste básicamente en la capacidad de leer a distancia cierta información, almacenada en un dispositivo conocido como etiqueta (también denominado tag o transponder), tal y como se muestra en la Figura 1. La información de esta etiqueta es captada por un lector a través de una o varias antenas conectadas a él (Figura 2). Figura 2: Esquema básico Aunque originalmente sus primeras aplicaciones se realizaron a principios de los años treinta, la implementación de esta tecnología por parte de grandes empresas (Texas Instruments, Omron, Gillete ) ha dado lugar a un mayor desarrollo tecnológico de la misma, ampliando en los últimos años su abanico de aplicaciones. De este modo, los procesos de identificación automática (Auto-ID) se han popularizado enormemente en una gran variedad de servicios industriales, tales como los procesos de suministro en cadena, logística de compra y distribución, control de inventario, seguimiento de entrega de correo, prevención de falseo de productos, pago automático en peajes, etc...[1] En este documento se pretenden estudiar las posibilidades de aplicación de la tecnología RFID a partir de un control específico, con el objetivo realizar acciones concretas según un evento, como puede ser la detección de una etiqueta con un código determinado. Se ha desarrollado una placa de circuito impreso que permite la comunicación serie con un lector RFID (Series 2000 Low Frequency RFID Evaluation Kit, RI-K2A-001, de Texas Instruments). Dicha placa se ha basado en el microcontrolador 16F628A, y el programa en código ensamblador implementado se ha elaborado en base al estudio del protocolo de comunicación soportado por el lector RFID (ASCII Protocol). Por último, haciendo uso de Matlab, se han establecido unas pautas para el diseño de antenas de acoplamiento inductivo, estimando por programa, el principal parámetro de éstas, la inductancia. Figura 1: Etiqueta o transponder

2 2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El sistema, de forma global, podemos descomponerlo en los siguientes elementos: hardware de comunicación, lector RFID, antena, y etiquetas. La Figura 4 muestra las señales que se utilizan con el conexionado serie: Generalmente, para la comunicación con un lector RFID se utiliza un computador, que actúa como host, tal y como se muestra en la Figura 3: Figura 3: Esquema general Existen tareas, como aplicaciones de control de acceso, activación de alarmas, etc donde es innecesaria la utilización de un computador para controlar al equipo RFID. En el caso que aquí se plantea, se pretende comandar al equipo mediante un microcontrolador, con la simplificación de recursos que esto supone, además de no limitar necesariamente la aplicabilidad del sistema. 2 LA COMUNICACIÓN Merece especial atención comentar el modo de comunicación del lector RI-K2A-001 (Figura 5) utilizado en las pruebas. Este lector es controlable mediante un puerto serie RS-232; esta interfaz de comunicación es ideal para su uso a partir de microcontroladores, por la simplicidad del cableado (se pueden usar incluso tan sólo tres cables: transmisión, recepción y tierra) y porque una gran parte de los microcontroladores del mercado disponen de una UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) integrada. La transmisión por defecto es del tipo 8N1 (8 bits de datos, sin bit de paridad y un bit de parada) con handshake ( acuerdo mutuo o método para el paro de la transmisión) por software Xon/Xoff, a una velocidad de 9600 bps [9]. Figura 4: Conexionado serie con el lector RFID Las señales utilizadas desempeñan las siguientes funciones: RXD entrada por la que se reciben los datos (desde el host al lector). TXD salida por la cual envía el lector datos al host. GND referencia o tierra para la interfaz de comunicación. DTR Data Terminal Ready: esta señal tiene que estar activa para realizar la transmisión, y en este caso se ha utilizado para que el lector RFID no funcione si el microcontrolador no está alimentado. DSR Data Set Ready: tiene la misma función que la señal anterior, indicándole al host que el lector se encuentra disponible. El lector envía los códigos detectados mediante esta comunicación, basándose en dos protocolos: Tiris Bus Protocol, el cual se puede utilizar tanto para sistemas multipunto como punto a punto, y ASCII Protocol, para sistemas punto a punto [10]. Este último, por ser el más apropiado para los propósitos aquí contemplados, es el que se ha utilizado. Si la computadora que hace de host se encuentra a una distancia del lector menor de 20 m, se puede utilizar la interfaz RS232 sin problema alguno. Figura 5: Lector RFID utilizado

3 El protocolo ASCII en el cual se basa la comunicación permite configurar diferentes modos de lectura y enviar los códigos recibidos de las etiquetas, a partir de caracteres ASCII. La tabla 1 muestra y describe los principales caracteres de configuración para los modos de lectura soportados: Modo Normal Line Executive Tabla 1: modos de lectura Descripción En este modo el lector transmite cada nuevo código leído vía RS232. Por tanto un número ya leído no se transmitirá. Se trata de un modo continuo de lectura. Cada identificación, sea o no el mismo número, se envía a través del puerto serie. Si no se está recibiendo ninguna lectura correcta, el lector está constantemente enviando el carácter L. Ej: LR <CR><LF> *CR y LF son caracteres ASCII no imprimibles (carry return y line feed). En este modo, cuando se recibe una identificación correcta el lector lo envía a través del puerto serie precedido del carácter X. Una vez enviado el código el lector permanece en un bucle esperando un nuevo comando. Ej: XR <CR><LF> generalmente a distancias mayores del metro (aunque esto también va a depender de la antena y de las etiquetas empleadas). Por tanto, aplicaciones con zonas de lectura bien definidas serán las idóneas. 2.1 EL MICROCONTROLADOR Por definición, un microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura (arquitectura) de un computador, es decir, CPU, RAM, ROM, además de varios circuitos periféricos integrados como convertidores analógico/digital, temporizadores, contadores, etc. Para nuestra aplicación, la utilización de un microcontrolador es ideal, y sin embargo no va a limitar las posibilidades para futuros desarrollos, pues por ejemplo, cualquier microcontrolador de gama media/baja permite el manejo de una memoria externa de mayor tamaño. Además, las prestaciones que ofrece por sí mismo permite que varios de sus pines puedan asociarse mediante programación a distintos circuitos periféricos integrados, utilizándose el que se necesite. En cuanto a la selección del microcontrolador, los principales aspectos a tener en cuenta son los siguientes: 1. Capacidad de comunicación serie para la interfaz con el lector RFID. 2. Disponer de al menos una salida de control. 3. Capacidad de reprogramabilidad sencilla y rápida, para futuras modificaciones y ampliaciones. Un microcontrolador de bajo coste, y que cumple sobradamente los requisitos expuestos arriba, es el modelo 16F628A, de Microchip. La capacidad de comunicación serie por hardware (UART integrada) simplifica la programación y descarga al propio microcontrolador del manejo de las rutinas software, que habría que implementar en el caso contrario. En la Figura 6 se muestra un esquema funcional del microcontrolador utilizado [7]: Gate Este último modo es similar al modo normal, sólo que cada nuevo número se va almacenando en una memoria del lector RFID, además de transmitirse vía puerto serie. Por otro lado, el equipo RFID funciona en el rango de baja frecuencia (134.2 KHz), utilizando el denominado acoplamiento inductivo. El alcance de estos equipos es relativamente corto, no llegándose Figura 6: Microcontrolador 16F628A

4 2.2 LA ETIQUETA La etiqueta contiene los datos que se transmiten al lector cuando éste la interroga, esto es, cuando un lector detecta que se encuentra en su rango de alcance. Las etiquetas más comunes consisten en un circuito integrado (CI) formado por memoria y un chip de control (Figura 1). Una etiqueta puede ejecutar tareas básicas (lectura/escritura desde/a memoria), e incluso manipular los datos que tiene almacenados en su memoria. Básicamente, las capacidades de memoria de una etiqueta pueden ser de sólo lectura (read-only, RO), de una escritura y varias lecturas (write once-read many, WORM), o de lectura y escritura (read-write, RW) [1]. Las capacidades de escritura en la memoria aumentan el coste total de la etiqueta, a la vez que también proporcionarán la capacidad de realizar funciones más complejas. Al mismo tiempo, las etiquetas de sólo lectura eliminarán el riesgo accidental o malintencionado de sobrescritura o modificación de los datos. El equipo utilizado soporta las denominadas etiquetas pasivas. Este tipo de etiquetas poseen una serie de factores que posibilitan una producción a bajo coste. No requieren una batería autónoma, y obtienen la energía aprovechando el campo magnético generado por la antena de lector. La energía se capta mediante una antena propia, normalmente integrada en la misma superficie que el chip de control, formando una sola unidad. Este procedimiento de recepción de energía se denomina acoplamiento inductivo [4]. La Figura 7 muestra varias configuraciones de antenas típicas en este tipo de etiquetas. Aunque el circuito integrado puede ser bastante pequeño (del tamaño de un grano de arroz o incluso menor), el tamaño y forma de la antena generalmente determina los límites de las dimensiones del empaquetado de la etiqueta. La Figura 8 muestra las etiquetas compatibles con el lector utilizado: Figura 8: Etiquetas compatibles con el lector Formato de transmisión El lector envía el código al host de una forma particular; utilizando el llamado formato industrial (Tiris Industrial Format). Para este caso, el código tiene una longitud de 64 bits. De esos 64 bits el lector convierte a decimal los 12 más significativos enviando un número de 4 dígitos decimales (de 0000 a 4095), denominado código de aplicación, los 52 bits restantes también son convertidos a decimal en un número de 16 dígitos (de a ), denominado código de identificación. En la Figura 9 se muestran las partes que componen dicho formato: Figura 9: Formato industrial A modo de ejemplo, si el lector detecta una etiqueta reprogramable, ésta enviará el carácter W, y en el caso de que esté configurado en modo línea enviará la secuencia de caracteres LW, seguida del código de identificación [8], como puede ser LW <CR><LF> (donde CR y LF son caracteres ASCII no imprimibles). Figura 7: Configuraciones de antenas de las etiquetas

5 2.3 PROGRAMA ENSAMBLADOR Mediante MPLAB 7.51 se ha elaborado el programa necesario para la comunicación entre el lector RFID y el microcontrolador 16F628A. Podemos hacer alusión a las siguientes partes del código: 1. Configuración de la USART El microcontrolador 16F628A dispone de una serie de registros que permiten configurar la UART que lleva integrada. Para ello lo primero que hay que hacer es configurar las patillas 7 y 8 (Figura 6) como Rx y Tx (recepción y transmisión de datos serie). Hay un conjunto de registros involucrados en la configuración de la USART que determinan el tamaño del bloque (8 o 9 bits), y la velocidad de la transmisión. En nuestro caso, es necesario configurar la comunicación serie tipo 8N1 ya comentada, y especificar la velocidad (9600 bps). El registro SPBRG (baud rate generator) permite definir las características comentadas. Activando el bit BRGH de otro registro denominado TXSTA, el valor del registro SPBRG determinará la velocidad de la transmisión serie conforme a la siguiente ecuación: 2. Acción ante una detección Como ya se ha comentado en más de una ocasión, la detección de una etiqueta con un código específico es el evento que aquí se considera. Un caso simple puede ser activar una salida del microcontrolador de forma que se produzca una acción, y que ésta a su vez abra un circuito de emergencia, active una alarma, etc. También es posible programar la activación de una salida u otra en función del código detectado. 3. Condición de reseteo Ante la activación de una salida también será necesario establecer una condición de desactivación. Una forma sencilla puede ser a partir de un pulsador, que simplemente lo que hace es resetear el microcontrolador y volver a ejecutar sus primeras líneas de código [3]. La Figura 10 muestra el diagrama de flujo para la detección de un código específico: F SPBRG = 1 16 velocidad( bps) donde: OSC (1) F osc : frecuencia de oscilación del microcontrolador Ya que nuestro microcontrolador va a trabajar a 4 MHz y 9600 bps, el valor que se obtiene es: SPBRG = = Se elige el valor entero más cercano, pues el registro emplea un sistema binario entero. 2. Código a detectar El lector transmite los códigos identificados, por ejemplo en el modo línea la secuencia de caracteres ASCII para una etiqueta reprogramable tiene una estructura de la forma LW Es posible, por programa, detectar tan sólo la secuencia 0127, y obviar los caracteres LW, para hacer la detección independiente de la configuración del lector y del tipo de etiqueta. Los espacios entre el número de aplicación y el número de identificación (Figura 9), también se corresponden con un carácter ASCII y por tanto deben ser tenidos en cuenta en el programa ensamblador, si se quiere detectar todo el código. Figura 10: Detección de un código específico

6 La flecha discontinua indica que el número de caracteres a detectar es arbitrario, pudiéndose elegir todo o parte del código de identificación de la etiqueta. El envío del carácter L simplemente configura el lector en modo línea, de modo que cada vez que se detecta un código de etiqueta, éste se envía continuamente mientras se encuentre en la zona de lectura. 2.4 LA ANTENA La antena es el dispositivo encargado de transmitir y recibir los datos, así como de proporcionar la energía necesaria para que las etiquetas puedan enviar su código de identificación. Como ya se ha dicho, el lector funciona por acoplamiento inductivo generando un campo magnético. Existen varias geometrías posibles de la antena (circular, cuadrada, stick o focalizada, rectangular, en espiral ). La orientación relativa entre las antenas de la etiqueta y del lector afecta a la cantidad de energía transmitida, habiendo una posición máxima y una posición nula, para la cual la etiqueta no recibe energía (esto ocurre cuando la superficie de la antena de la etiqueta, suponiéndola por simplificación una espira, no es atravesada por ninguna línea de campo magnético). En la Figura 11 se muestran las líneas de campo magnético generadas por una antena cuadrada, y la orientación de máxima inducción de energía en una etiqueta, según su orientación relativa respecto a las líneas del campo magnético que genera la antena: donde: f Hz (134.2 KHz) L inductancia de la antena R resistencia a KHz f L Q = 2 π (2) R Aunque la resistencia debería medirse a la frecuencia de trabajo, el valor en continua puede dar una medida aproximada de Q [8]. Un factor Q bajo empeorará el rendimiento de la antena, dando lugar a una menor distancia de lectura (Figura 11): Figura 12: Factor Q 2. Baja resistencia del cable En relación a lo anteriormente comentado, una resistencia elevada disminuye el factor de calidad Q. Así, para que el rendimiento de la antena no sea pobre, la resistencia total del cable debe estar en torno a 0.3 Ω. Para conseguir esto se utilizó un tipo de cable denominado litze wire [2], que mantiene la resistencia baja a la frecuencia de trabajo. 3. Sintonizar el equipo en resonancia Figura 11: Líneas de campo magnético Los factores a tener en cuenta en el diseño de antenas de acoplamiento inductivo son los siguientes: 1. Factor de calidad Q elevado (en torno a 100) Un elevado factor de calidad se traduce en una mayor transmisión de energía. El factor de calidad se calcula en base a la ecuación (2): La antena del lector forma parte de un circuito resonante serie; de forma genérica podemos definir a este tipo de circuitos a aquéllos formados por inductancias y condensadores, en los que a ciertas frecuencias sus impedancias se cancelan, siendo la corriente que circula máxima y dependiente exclusivamente de la componente resistiva. Al circular la máxima corriente posible, también lo será el campo magnético generado y mayor será la transmisión de energía de la antena a las etiquetas [11]; este punto, conocido como punto de resonancia, debe ocurrir a la frecuencia de trabajo, KHz (frecuencia de resonancia). Con la ecuación (3) se puede calcular la frecuencia de resonancia: f res 1 = (3) 2π LC

7 El lector utilizado trabaja en el punto de resonancia cuando la inductancia de la antena tiene un valor de 27 μh [8]. Este parámetro es dependiente de las dimensiones y geometría de la antena. Considerando una antena rectangular (Figura 13), su inductancia se puede estimar mediante la siguiente ecuación [11]: donde: ( CN ) L = (4) 1.908C + 9b + 10h L inductancia resultante (en henrios) N número de vueltas x: ancho de la antena y: largo de la antena C x + y + 2h b anchura de la sección transversal h altura de la sección transversal 2 3 PLACA PROTOTIPO El prototipo de placa diseñado tiene como función establecer una comunicación serie con el lector, detectar un número de identificación específico e inmediatamente activar una señal que realice una acción, como puede ser un control de acceso, el paro de una máquina en funcionamiento, etc. Como ya se ha dicho, esta comunicación se ha basado en el microcontrolador 16F628A, utilizando el integrado MAX232 para la adaptación de niveles RS232 a TTL y viceversa [3]. También se han aprovechando las capacidades de programación ICSP (in-circuit serial programming), lo que permite reprogramar el microcontrolador sin necesidad de sacarlo de la placa, y modificar el código de activación o el programa completo [6], [7]. Antes de abordar el diseño de la placa de circuito impreso, se estudió el funcionamiento de la comunicación mediante el programa Hyperterminal de Windows, comprobándose que el código elaborado funcionaba de acuerdo a lo previsto, a partir de una simulación mediante el entorno MPLAB 7.51 (Figura 15). Figura 13: Antena rectangular Especificando las dimensiones mediante Matlab e iterando la ecuación (4) en función del número de vueltas, N, se obtiene la siguiente gráfica: Figura 15: Depuración con MPLAB 7.51 En la Figura 16 se muestra el prototipo de placa diseñada: Figura 14: Estimación de la inductancia A partir de esta estimación se obtiene del número de vueltas de cable necesarias para la construcción de la antena. Para comprobar la precisión del cálculo, se utilizó un medidor de inductancia, una vez construida la antena. Figura 16: Placa de comunicación

8 4 CONCLUSIONES En este trabajo se ha analizado la aplicación de la tecnología RFID haciendo uso lector Series 2000 Low Frequency RFID Evaluation Kit, RI-K2A-001, de Texas Instruments. El diseño de un programa de comunicación para el microcontrolador 16F628A, y una placa de circuito impreso permite configurar el lector RFID en un modo específico de funcionamiento y activar una señal ante la detección de un código, especificado en el programa. Además, el uso de las capacidades de programación ICSP (in-circuit serial programming), permiten reprogramar el microcontrolador sin necesidad de sacarlo de la placa, con la ventaja que esto supone. Por otro lado, el estudio de los requerimientos de las antenas para equipos de baja frecuencia ha permitido establecer una metodología de diseño que posibilita construir y acoplar antenas con una cierta flexibilidad. Una de las principales características de este tipo de antenas es su inductancia. Mediante Matlab se ha elaborado un programa que proporciona una estimación del número de vueltas de cable en función de la geometría y dimensiones de la antena. En definitiva, la placa de circuito impreso, junto con el lector RFID, permiten la utilización de este equipo en aplicaciones de auto-identificación de productos, control de acceso o seguridad industrial, sin la necesidad de tener que utilizar un PC, con las ventajas en coste y espacio que esto supone. Además, no se desechan futuras mejoras como puede ser el almacenamiento de datos por parte del microcontrolador, o el desempeño de tareas más complejas. Referencias [1] Bhuptani Manis, Moradpour Shahram, RFID Field Guide: Deploying Radio Frequency Identification, Prentice-Hall, Febrero 2005, ISBN [2] Consultas técnicas realizadas con el departamento técnico de Texas Instruments. Carlos Motolese, Iva Sergieva, Susana Russo. European Product Information. [3] Enrique Palacios, Fernando Remiro, Lucas J. López. Microcontrolador PIC16F84. Desarrollo de proyectos, Editorial Rama, febrero ISBN: [4] Himanshu Bhatt, Bill Glover, RFID Essentials, O Reilly, Enero 2006, ISBN [5] Klaus Finkenzeller, Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley & Sons, 2003, ISBN [6] Microchip Technology. In-Circuit Serial Programming TM (ICSP TM ) Guide. Mayo Nº de referencia: DS30277D. pp [7] Microchip Technology. Microchip. PIC16F627A/628A/648A. Data Sheet, Flash-Based, 8-bit CMOS Microcontrollers with nano Watt Technology Nº de referencia: DS40044E. [8] Texas Instruments. LF Technical Training, Installation & Set-up [9] Texas Instruments, Series 2000 Reader System, Control Modules RI-CTL-MB2A, RI-CTL-MB6A. Reference Guide. Nº de referencia: [10] Texas Instruments, Series 2000 Reader System, ASCII Protocol. Reference Guide. Número de referencia: [11] Youbok Lee, Ph.D. Antenna Circuit Design for RFID Applications. Microchip Technology Inc. Número de referencia: DS00710C.