Softrónica. Sistema ICODE deidentificación Por Radiofrecuencia. Ing. Electrónica Software y Comunicaciones. Manual Técnico. Cod.: Rev.

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1 Sistema ICODE deidentificación Por Radiofrecuencia Manual Técnico Cod.: Rev.: 0 Agosto 2000

2 Índice 1.-GENERALIDADES SISTEMAS DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA RFID FUENTE DE ENERGÍA ALCANCE FRECUENCIA DE TRABAJO MODO DE ESCRITURA CAPACIDAD DE MEMORIA ANTICOLISIÓN ICODE ESTRUCTURA DEL CHIP ICODE ESTRUCTURA GENERAL ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA NÚMERO DE SERIE CONDICIONES DE ACCESO A ESCRITURA FUNCIONES ESPECIALES (EAS/QUIET) CÓDIGO DE FAMILIA E IDENTIFICADOR DE APLICACIÓN CONFIGURACIÓN DE FÁBRICA DE LAS ETIQUETAS ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA ICODE LECTOR/GRABADOR ANTENA ANTENA TX/RX COMÚN/SEPARADA SINTONIA DE ANTENA ANTENAS 2D/3D UNIDAD DE SINTONÍA DE ANTENA SEPARADORES Y COMBINADORES ELEMENTOS AUXILIARES. PUERTOS DE E/S TAGS GLOSARIO MODELOS ICODE SOFTRÓNICA LECTORES/GRABADORES RIDEL5000. LECTOR DE LARGO ALCANCE RIDEC5000. LECTOR DE CORTO ALCANCE ANTENAS ANTLR5000. ANTENA DE LARGO ALCANCE 3D 175X ANTAR5000B. ANTENA DE MEDIO ALCANCE 3D 60X ANTMR5000. ANTENA 2D DE MEDIO ALCANCE DE LAZO 47.5CM Página - 2

3 2.3.- OTROS ELEMENTOS ANTUN5000. UNIDAD DE SINTONÍA AUTOMÁTICA DE ANTENA ATUSP5000. UNIDAD DE SINTONÍA AUTOMÁICA CON SUMADOR, SPLITTER, IO KITS KIT DE ANÁLISIS DE ETIQUETAS «STARTER KIT» ICODE CONFIGURACIONES TIPO ANTENA ÚNICA ANTENA TX/RX SEPARADAS. CONFIGURACIÓN PUERTA DOS ANTENAS TX/RX SEPARADAS. CONFIGURACIÓN PASILLO EJEMPLOS DE APLICACIÓN CONTROL DE ACCESOS LOGÍSTICA FABRICACIÓN IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA ICODE ANÁLISIS DE PROCESO DEFINICIÓN DE REQUIERIMIENTOS DEFINICIÓN DEL SISTEMA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMA PILOTO IMPLEMENTACIÓN FINAL CUESTIONARIO ANEXO 1.-DEFINICIÓN DE PROYECTO Indice Analítico Página - 3

4 1.- GENERALIDADES SISTEMAS DE IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA Se denomina sistema de identificación por radiofrecuencia o RFID (de las siglas inglesas Radio Frequency IDentification) a una forma de etiquetado de bienes o productos, donde las etiquetas, denominadas transpondedores o tags, contienen un dispositivo electrónico capaz de comunicarse mediante un enlace radio con un equipo lector. Mediante este mecanismo, la información contenida en el tag es recogida en el lector, permitiendo, de esta forma, identificar a una cierta distancia, sin necesidad de contacto físico, el objeto sobre el que va fijado o la persona que lo porta. Las aplicaciones de este tipo de sistemas son muy variadas. A continuación se citan algunas de ellas. Lineas aéreas. Marcado y seguimiento de equipaje e identificación segura de pasajeros. Se puede simplificar el proceso de marcado, comprobación y enrutamiento de los equipajes, incluyendo identificación única a cada equipaje, y información de origen, destino, escalas,... que puede ser actualizado en cada escala del viaje. Paquetería. Marcado de los paquetes para su clasificación automática. Es posible codificar en la memoria del dispositivo datos relativos a su control, como fecha de expedición, origen y destino, número de control, ruta a seguir,... Logística. Permiten la identificación de objetos apilados o situados en el interior de un envoltorio cerrado tanto en reposo sobre estanterías como en movimiento sobre una cinta transportadora. Control de accesos «Manos Libres». Tanto en edificios o recintos cerrados, como en eventos deportivos o de otro tipo. Permiten el control del fraude, dado que es dificil la duplicación de los tags. Se puede además, codificar la información mediante una clave privada, que unida al número de identificación único de cada dispositivo (que es imposible modificar), permiten llegar a realizar sistemas de alta seguridad. Control de calidad en fabricación. Es posible marcar los productos o los lotes de productos en proceso de fabricación, de forma que se asegure la trazabilidad de todo el proceso. En cada etapa de fabricación se puede marcar el operario, fecha y hora, incidencias, estado, no conformidades, elementos rechazados, CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA RFID Los dispositivos de identificación por radiofrecuencia se pueden clasificar atendiendo a algunas de sus características FUENTE DE ENERGÍA Esta característica indica cual es la fuente de energía de los tags. Sistemas Pasivos No requieren alminetación. Obtienen la energía del campo magnético de radiofrecuencia generado por el dispositivo lector. Sistemas Activos Requieren de su propia alimentación para funcionar. Van equipados habitualmente con baterías que pueden llegar a durar varios años Página - 4

5 ALCANCE Se denomina alcance a la distancia máxima a la que se garantiza que un determinado sistema es capaz de leer o escribir un tag. El alcance de un sistema es el resultado de la conjunción de las características de los diversos elementos del sistema. En concreto, las características del lector grabador (potencia transmitida y sensibilidad del receptor), junto con las de la antena y las del transpondedor son las que determinan el alcance de un determinado sistema RFID. Sistemas de corto alcance Dispositivos con un rango de lectura de hasta 15cm. Sistemas de medio alcance Dispositivos con un rango de lectura de hasta 75cm. Sistemas de largo alcance Dispositivos con un rango de hasta 1metro. Sistemas de muy largo alcance Dispositivos con un rango de lectura por encima de 1metro FRECUENCIA DE TRABAJO La frecuencia a la que opera el dispositivo. Sistemas de Baja frecuencia Entre 100 y 500KHz. Los tags son de bajo precio, pero el rango de lectura es bajo. Sistemas de Frecuencia Media Entre 10MHz y 15MHz. Rango de lectura intermedio con tags habitualmente pasivos y de coste intermedio. Sistemas de Alta Frecuencia En las bandas de 900MHz o de 2.4 a 5MHz. Utilizando tags activos se consiguen sistemas de muy largo alcance, aunque el coste de los tags es elevado MODO DE ESCRITURA La escritura de los tags es el proceso mediante el cual se guarda en la memoria del dispositivo una determinada información. Existen diferentes opciones para la escritura de los tags Tags de solo lectura Dispositivos cuya memoria contiene un código único o número de serie que no es posible modificar. Tags de una sola escritura En este tipo de dispositivos solamente es posible escribir la memoria una vez. Esa información puede ser posteriormente leida cuantas veces se quiera, pero no puede ser modificada ni borrada. Tags de escritura/lectura Dispositivos cuya memoria (toda o en parte) se puede modificar un elevado número de veces (rangos típicos pueden ser 10 5 o 10 6 veces). En los dispositivos que no son de solo lectura, la información puede ser grabada de dos formas: Escritura por contacto Es necesario un programador con contacto físico para grabar los dispositivos. Escritura sin contacto El proceso de escritura sigue el mismo procedimiento que el de lectura, es decir, a través de un enlace radio Página - 5

6 CAPACIDAD DE MEMORIA Se denomina capacidad de memoria a el número de bytes de memoria no volatil que el tag incorpora. Dispositivos típicos incorporan entre 64 y 512 bits de memoria en la actualidad, aunque se prevén nuevas versiones de los dispositivos actuales con mayor capacidad. Los dispositivos incorporan habitualmente alguna característica de protección de la información, de modo que parte de la memoria es codificada en fábrica con un número de identificación único, siendo imposible su modificación posterior. Asimismo es posible bloquear zonas de la memoria, de forma que una vez bloqueadas sea imposible su modificación ANTICOLISIÓN Algunos dispositivos incorporan un protocolo denominado anticolisión mdiante el cual un número elevado de tags pueden coexistir en el campo de la antena simultaneamente, de forma que el lector/grabador es capaz de controlar cada uno de ellos de forma individualizada ICODE El protocolo ICODE es un desarrollo reciente en el campo de la identificación por radio-frecuencia (RFID). Se basa en un nuevo chip desarrollado y fabricado por Philips Semiconductors. Proporciona una solución de bajo coste y elevadas prestaciones a cualquier aplicación de RFID. Entre las características del sistema se pueden citar las siguientes: Tags pasivos. Obtienen su energía a partir de el campo de radiofrecuiencia generado por el lector. Sistema de Largo alcance. Se obtienen rangos de funcionamiento mayores de 1m Frecuencia de trabajo media. La frecuencia de trabajo es de 13.56MHz Tags de lectura/escritura. Escritura sin contacto hasta 10 6 veces. Capacidad de memoria de 512 bits en la versión actual. Existen previsiones de mayor capacidad en el futuro. Protocolo anticolisión. Es posible tener hasta un máximo teórico de 32K etiquetas en el campo de radiofrecuencia de una misma antena. Los tags son de bajo coste. Para aplicaciones de retail, o distribución, el dispositivos incorpora unas funciones especiales denominadas EAS (Electronic Article Surveillance, o vigilancia electrónica), que consiste en un bit «antirrobo», que es capaz de ser detectado y provocar una alarma en el lector, y QUIET (silencio), para provocar que un determinado tag quede mudo (por ejemplo, cuando el artículo sobre el que va fijado es vendido). Ambos bits, a diferencia de las etiquetas antirrobo normales, pueden ser activados y desactivados cuantas veces se desee ESTRUCTURA DEL CHIP ICODE ESTRUCTURA GENERAL Este capítulo está basado en las especificaciones del integrado ICODE de Philips Semiconductors. Un diagrama del integrado se puede apreciar en el siguiente esquema: Página - 6

7 Interfaz RF Analógico Control Digital EEPROM PAD 32 Bits VREG VDD Anticolisión RECT DATA IN Lectura/Escritura DEMOD DATA OUT Control Acceso 16 B loques CRES CLK Control Interfaz EEPROM CLK MOD Control Interfaz RF PAD CLK Bomba de Carga El dispositivo no requiere alimentación interna. Su interfaz sin contacto genera la tensión de alimentación y el reloj del sistema a través del circuito resonante por acoplamiento inductivo con el lector. El interfaz también demodula los datos transmitidos desde el lector a la etiqueta ICODE, y modula el campo electromagnético para transmisión de datos del tag ICODE al lector. Los datos se almacenan en memoria no volátil (EEPROM). La EEPROM interna tiene una capacidad de 512 bits, y se organiza en 16 bloques de 4 bytes cada uno (1 bloque=32 bits). Los 12 bloques más altos contienen información de usuario (acceso de lectura/escritura), mientras que los cuatro bloques restantes (las direcciones inferiores) contienen el número de serie único de la etiqueta, las condiciones de acceso de escritura y algunos bits de configuración ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA La EEPROM de 512 bit está dividida en 16 bloques. Un bloque es la mínima unidad de acceso. Cada bloque está compuesto por 4 bytes (1 bloque=32 bits). El bit 0 de cada byte es el menos significativo, y el 7 el más significativo Página - 7

8 BLOQUE 0 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 BLOQUE 4 BLOQUE 5 BLOQUE 6 BLOQUE 7 BLOQUE 8 BLOQUE 9 BLOQUE 10 BLOQUE 11 BLOQUE 12 BLOQUE 13 BLOQUE 14 BLOQUE 15 BYTE 0 BYTE 1 BYTE 2 BYTE 3 SNR00 SNR01 SNR02 SNR03 SNR04 SNR05 SNR06 SNR07 F0 FF FF FF X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Número de Serie (byte bajo) Número de Serie (byte alto) Bits de habilitación de escritura Funciones Especiales (EAS/QUIET) Código de Familia/Identificador de Aplicación Datos de usuario Los valores hexadecimales mostrados en la tabla son los almacenados en la EEPROM tras el proceso de producción de obleas. El contenido de los bloques marcados con x en la tabla no están definidos a la entrega del producto NÚMERO DE SERIE El número de serie único de 64 bits se almacena en los bloques 0 y 1, y se programa durante el proceso de producción. SNR00 en la tabla representa el byte menos significativo, y SNR07 el más significativo CONDICIONES DE ACCESO A ESCRITURA Los bits de condición o habilitación de acceso a escritura en el bloque 2 determinan las condiciones de acceso a escritura para cada uno de los 16 bloques. Estos bits solamente pueden ser puestos a 0 una vez. i.e. los bloques una vez protegidos no pueden ser reescritos nunca más. Esto es también cierto para el bloque 2. Si este bloque se pone en estado protegido mediante el borrado de los bits 4 y 5 del byte 0, no será posible volver a cambiar los bits de acceso a escritura Página - 8

9 Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Bloque 2 Condiciones de acceso a escritura de bloque: MSB LSB MSB LSB MSB LSB MSB LSB Función Especial Acceso a escritura Nº Serie Dato de Usuario Los unos en las parejas de 16 bits deben ser puestos a cero simultaneamente para proteger el bloque correspondiente contra escritura para siempre (1 1 -> Acceso a escritura habilitado, 0 0 Acceso a escritura deshabilitado). Las parejas de bits 1 0 o 0 1 no están permitidas. Atención.- Es extremadamente importante ser particularmente cuidadosos al borrar los bits de acceso a escritura en el bloque 2, dado que se puede perder el acceso de escritura a todos los bloques de la etiqueta en caso de error. Por supuesto, se puede utilizar esta característica para poner la etiqueta en un estado de protección contra escritura por hardware! FUNCIONES ESPECIALES (EAS/QUIET) El bloque de funciones especiales contiene los dos bits de EAS (Electronic Article Sureveillance o vigilancia electrónica de artículos, en modo activo, la etiqueta contesta al comando EAS), y los dos bits de QUIET (con modo QUIET o silencio activo, la etiqueta está permanentemente deshabilitada, pero puede ser habilitada de nuevo con el comando de RESET DE BIT QUIET ). El resto de los 28 bits (marcados con x en el siguiente diagrama) se reservan para uso futuro. Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Bloque 3 Funciones Especiales MSB LSB x x x x q q e e x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Quiet EAS Quiet: q q = 1 1 -> modo QUIET habilitado q q = 0 0 -> modo QUIET deshabilitado EAS: e e = 1 1 -> modo EAS habilitado q q = 0 0 -> modo EAS deshabilitado Las parejas de bits 1 0 o 0 1 no están permitidas. Atención: El cambio de los bits de control de acceso a escritura debe ser llevado a cabo en un ambiente seguro (mediante la lectura del valor actual del bloque y el enmascaramiento de los nuevos valores para las posiciones de bit a modificar). La etiqueta no debe ser desplazada fuera del campo de comunicaciones de la antena durante la escritura!. Se recomienda colocar la etiqueta cerca de la antena y no moverla durante la operación Página - 9

10 CÓDIGO DE FAMILIA E IDENTIFICADOR DE APLICACIÓN El sistema ICODE ofrece la posibilidad de utilizar (independientemente) códigos de familia y/o identificadores de aplicación con algunos comandos del lector. Estos valores de 8 bits se localizan al comienzo de los datos de usuario (bloque 4) según se muestra en el siguiente gráfico, y solamente son evaluados si los bytes correspondientes de los comandos del lector son diferentes de 0. Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 MSB LSB MSB LSB Bloque 4 Cod. Familia x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Ident. Aplicación Código de familia Identificación de aplicación Los bits dibujados en gris son para uso libre, así como el resto de los bloques (5 a 15) CONFIGURACIÓN DE FÁBRICA DE LAS ETIQUETAS Los integrados SL1 ICS30 01 de Philips salen de fábrica con la siguiente configuración: El número de serie único es de solo-lectura Las condiciones de acceso a escritura pueden ser modificadas El estado del modo EAS no está definido El estado del modo QUIET no está definido El código de familia y el identificador de aplicación no están definidos La memoria de datos de usuario no está definida ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA ICODE El número y tipo de los elementos que forman un determinado sistema RFID basado en la tecnología ICODE varían según los requerimientos de cada aplicación. En este apartado se describen los diferentes elementos «tipo» que forman uno de estos sistemas LECTOR/GRABADOR Un lector es el dispositivo encargado de, mediante una o varias antenas, establecer el enlace radio con los tags que se presenten en su campo de lectura, de forma que los datos recogidos de estos elementos puedan quedar disponibles para su posterior procesamiento. Un lector grabador es el equipo que, además, es capaz de escribir la memoria no volatil de los tags. Las funciones básicas de estos dispositivos se enumeran a continuación: Generar el campo RF necesario para alimentar al tag ICODE Establecer el enlace radio con el tag Codificar y decodificar los datos enviados y recibidos del tag Almacenar la información decodificada de los tags o bien enviarla mediante un enlace de comunicaciones estándar (RS232 o RS485 habitualmente) hacia un ordenador funcionando como host Página - 10

11 citar: En cuanto a funciones añadidas que pueden incorporar algunos dispositivos lectores/grabadores se pueden Puertos de Entrada/Salida para el control de elementos auxiliares, como sensores de presencia o semáforos para control de accesos Memoria RAM para el almacenamiento de un determinado número de tags una vez que han pasado por la zona de lectura. Existen diferentes tipos de lectores, según los requerimientos de la aplicación a la que se destinen. Las características que definen el tipo de lector son las siguientes: Potencia Transmitida. Se trata de la potencia de RF transmitida hacia la antena. Existen equipos desde algunos miliwatios hasta alrededor de los 10W. Este parámetro, junto a la configuración de la antena, definen el alcance o rango de lectura de un determinado sistema. De esta forma, los equipos de corto alcance suelen funcionar en el rango de los miliwatios, mientras que si se pretende funcionar a distancias del orden de 1m, el equipo debe ser capaz de entregar potencias del orden de 3 a 7 Watios. Algunos equipos son capaces de modificar, bajo control software la potencia transmitida. Esta característica resulta de utilidad cuando se pretende adaptar el funcionamiento del equipo a las diferentes condiciones de instalación que se puedan presentar. Sensibilidad del receptor. Se trata del nivel mínimo de señal que debe recibir el equipo procedente de un tag para ser capaz de decodificarla correctamente. Si la sensibilidad no es adecuada, puede ocurrir que la etiqueta se excite, es decir, emita su señal una vez alimentada desde el lector, pero este no sea capaz de decodificar la señal que le llega. Sensibilidades del orden de 20uV son necesarias en equipos de largo alcance. Comunicaciones. Existen diferentes protocolos de comunicaciones para el control de los dispositivos lectores desde el host. Algunos equipos responden a uno solo de los protocolos, mientras que existen equipos «multiprotocolo», en los que se puede adaptar su modo de funcionamiento para responder a los diferentes protocolos existentes en el mercado ANTENA La antena es el transductor encargado de generar en el espacio cercano, una disposición de campo electromagnético correspondiente a la señal RF del dispositivo lector, que permita la energización de los transpondedores situados en esa zona denominada zona de lectura. La modulación de este campo permite, además, al lector, enviar la información requerida a los tags presentes en esta zona. La antena se encarga, por otro lado, de capatar la señal de RF emitida por el tag, de modo que el lector reciba a su vez el nivel necesario de señal para la demodulación. La correcta selección de la configuración de antena o antenas, a partir de los requerimientos de una aplicación determinada, es fundamental para la correcta implementación de un sistema RFID. Cada tipo de antena o combinación de las mismas, define una distribución determinada de campo electromagnético en el espacio que las rodea. Esta distribución de campo depende de múltiples factores: Factores geométricos. Tamaño y posición de la antena o antenas, y en el caso de varias antenas, su posición relativa. Todos estos parámetros definen la relación entre la corriente que el lector hace circular por la antena, y las características del campo electromagnético generado en cada punto del espacio. Factores eléctricos. La antena tiene un determinado comportamiento eléctrico frente al lector. La geometría de la antena, el material de que esté compuesta e incluso el resto de los factores geométricos descritos anteriormente, definen las características de resonancia de la antena, es decir, la forma en que se comporta frente a la señal enviada por el lector Página - 11

12 Entorno. Algunos elementos del entorno, como metales o ferritas, modifican tanto la distribución del campo generado en el espacio, como las características eléctricas de la antena. Asimismo, parámetros como la temperatura, o humedad relativa (en el caso de variaciones extremas), pueden influir en el funcionamiento del conjunto. Es fundamental para la correcta implementación de un sistema RFID, el control de todos estos factores. Si alguno de ellos no puede ser controlado, o bien varía con el tiempo, se deberá dotar al sistema de elementos auxiliares de compensación, como unidades de sintonía de antena. Estos elementos serán descritos en un apartado posterior. Es también importante, que el propio lector/grabador incorpore elementos de ayuda al proceso de sintonía de antena. Estas ayudas consisten principalmente en la incorporación de elementos de medida en la circuitería del lector. El propio lector puede proporcionar información sobre los parámetros de Potencia Incidente, Potencia Reflejada, o ROE de la antena de transmisión a la que se encuentra conectado. Mediante estas medidas es posible realizar una sintonía manual de la antena. Los diferentes tipos de antena utilizados para RFID se describen en los siguientes apartados ANTENA TX/RX COMÚN/SEPARADA Es posible conectar al lector/grabador una única antena funcionando tanto en transmisión como en recepción. Se trata de la disposición mas sencilla, y es utilizada en sistemas cuyos requermientos en cuanto a alcance no sean muy estrictos. En el caso de que el alcance exigido no permita la utilización de una sola antena, se podrá optar por la configuración con dos antenas, una correspondiente a transmisión y otra para recepción. Es muy importante no confundir la configuración de dos antenas con la presencia física de dos elementos diferentes. En muchos casos, la antena TX y la RX van montadas sobre un único soporte físico, que sin embargo internamente incorpora dos antenas separadas, y externamente presenta dos conectores de RF para la conexión de cada una de las dos antenas SINTONIA DE ANTENA Se denomina sintonía de antena al proceso de adaptación de las características eléctricas de la antena a las requeridas por el dispositivo lector para un funcionamiento óptimo. En concreto, se trata de conseguir que a la frecuencia de trabajo, la antena presente al lector una impedancia igual a la conjugada (igual magnitud, fase opuesta) de este. En estas condiciones, se consigue la máxima transferencia de energía desde el lector hacia la antena. Existen una serie de medidas que nos indican si la sintonía de la antena es o no correcta. Potencia Directa La potencia de la señal de RF que el equipo entrega a la antena Potencia Reflejada La potencia de la señal de RF que la antena devuelve al equipo como consecuencia de la no correcta adaptación de impedancias ROE Es una relación entre la potencia directa y la reflejada. Se trata de una medida de la correcta sintonía de la antena. Valores de ROE cercanos a 1 corresponden a una sintonía adecuada. Valores por encima de 2 no se consideran adecuados. Como se señaló anteriormente, los parámetros eléctricos de una antena vienen determinados por una serie de factores, algunos de ellos son constructivos (forma, material,...). Estos elementos corresponden al diseño de la antena, de forma que sería posible diseñar una unidad de sintonía fija para cada tipo de antena que adaptara las características eléctricas de la antena a las requeridas por el lector Página - 12

13 Sin embargo, existen otros factores de tipo ambiental (temperatura, humedad relativa, elementos metálicos o ferromagnéticos situados en el entorno de la antena,...) que no pueden ser completamente tenidos en cuenta en el proceso de diseño de la antena. Para ajustar las características eléctricas de la antena al funcionamiento en un determinado entorno, se utiliza un elemento denominado Unidad de Sintonía de Antena, o por sus iniciales USA. Dependiendo de la sintonía, existen dos tipos de antena. Antenas no sintonizadas. Para sistemas cuyo requerimiento en cuanto a alcance no sea muy estricto, o bien para sistemas de prueba en laboratorio, se pueden utilizar antenas no sintonizadas o de banda ancha. Este es el tipo de antena más simple pues no requiere sintonía, y sus características eléctricas no se ven modificadas por las características del entorno. Sin embargo, este tipo de antena no permite conseguir distancias elevadas para una determinada potencia transmitida. Una antena de este tipo, de reducidas dimensiones, utilizable, por ejemplo para pruebas en laboratorio, o para un dispositivo de corto alcance, siempre que la potencia transmitida no sea elevada, puede responder al siguiente diagrama. Resistencia 50ohm 1W Soporte aislante Cinta metálica adhesiva Conector BNC Cable coaxial Antenas sintonizadas. La antena de un sistema RFID se denomina sintonizada cuando incorpora un dispositivo (unidad de sintonía) que permite la adaptación de las características eléctricas de la antena a las del dispositivo lector en la frecuencia de trabajo, de forma que se maximice la transferencia de energía entre ambos elementos. Según el procedimiento de sintonía, el sistema puede ser de sintonía fija, de sintonía manual o de sintonía automática. Las caracterìsticas de cada uno de estos sistemas se describen en el apartado correspondiente a Unidades de Sintonía ANTENAS 2D/3D La geometría de la antena junto con las características del entorno de la misma, definen una determinada distribución de campo electromagnético en el espacio cercano a la antena. Para que el lector pueda llegar a energizar al transpondedor, parte del campo magnético (B) generado por la antena en el punto en el que se encuentra el transpondedor, debe ser perpendicular al plano que define la antena de este. Esta circunstancia se ilustra en el siguiente diagrama Página - 13

14 Antena 3 s Tag B Antena 2 s Tag B Tag Antena 1 s B En la disposición 1 (los elementos se suponen vistos desde arriba), el campo magnético B generado por la antena es paralelo al vector superficie (definido como de magnitud igual a la de la antena del transpondedor, y de dirección perpendicular a la misma). En esta disposición, la señal inducida en la antena del transpondedor es máxima. La situación opuesta es la corredspondiente a la figura 2. En esta disposición, en que los vectores campo y superficie son perpendiculares, la señal inducida es nula. La figura 3 muestra una situación intermedia. Se denomina antena «3D» a aquella cuya distribución de campo garantiza que un tag que pasa a través de la zona de lectura en cualquier posición, siempre encuentra al menos un punto en el que el vector campo magnético es paralelo a su superficie, de forma que la señal inducida es máxima. Por supuesto, esto no significa que el tag pueda ser leido en cualquier punto del espacio en cualquier posición, pero si que para cualquier tag que atraviese la zona de lectura existan varias zonas en las que se puede producir el enlace radio con el lector. Para aquellos sistemas en los que la posición de los tags sea conocida (por ejemplo etiquetas fijadas sobre contenedores siempre en la misma posición relativa con respecto a la antena), se pueden utilizar antenas de tipo «2D», mientras que en aquellos sistemas en los que no se pueda prever la posición del tag, o puedan existir varias posiciones, la geometría de la antena deberá ser de tipo «3D». Es importante reseñar que en realidad no existe un tipo de campo «2D» y otro «3D». Todos los campos generados por una antena son del mismo tipo. Es la disposición en la zona de lectura del campo generado la que da lugar a los dos tipos de antenas UNIDAD DE SINTONÍA DE ANTENA Se denomina Unidad de Sintonía de Antena o por sus iniciales USA, a aquel dispositivo conectado entre la antena y el lector/grabador, y que es capaz de ajustar sus características eléctricas hasta conseguir que la antena quede sintonizada a la frecuencia de trabajo (ver apartado sobre Antenas para una descripción del concepto de sintonía). De esta forma, se consigue que la transferencia de energía entre el lector y la antena a la frecuencia de trabajo sea máxima Página - 14

15 Atendiendo al procedimiento de sintonía, es decir, la forma en que el conjunto se adapta a los cambios en las características eléctricas de la antena, existen varios tipos de USAs. Unidades de sintonia fija. Un sistema con unidad de sintonía fija, consigue la adaptación de la antena al lector/grabador en unas determinadas condiciones ideales. Si estas condiciones corresponden a aquellas del entorno en el que se instala el sistema, y estas no se ven modificadas con el tiempo, el sistema puede funcionar adecuadamente. Unidades de sintonía manuales. Una unidad de sintonía manual, continene un conjunto de elementos variables (normalmente microinterruptores o bien capacidades variables) que permiten realizar el ajuste de la antena una vez situada en su entorno. Si se dispone de instrumentos de medida adecuados, o bien si el propio lector/grabador incorpora medida de ROE, el proceso de sintonía consiste básicamente en buscar la configuración de microinterruptores que proporciones un ROE mínimo. El inconveniente de este tipo de unidades de sintonía es que no se adaptan a cambios en el entorno, como los provocados por variaciones extremas de temperatura, o por el paso de elementos metálicos por el campo de lectura. Unidades de sintonía automáticas. Cuando se pretende que la antena quede correctamente sintonizada aún en presencia de fuertes cambios en las condiciones del entorno, se debe utilizar una unidad de sintonía automática. Este tipo de unidades permiten, normalmente bajo control del lector, el ajuste automático de la sintonía, de forma que las condiciones de la lectura y grabación siempre sean las óptimas SEPARADORES Y COMBINADORES En determinadas configuraciones de antena (ver apartado correspondiente a configuraciones típicas), puede ser necesario el utilizar dos antenas receptoras o dos antenas transmisoras. Un caso típico puede ser una configuración de pasillo, en la que, con objeto de conseguir un pasillo ancho (un amplio rango de lectura), se instala una antena transmisora y otra receptora a cada lado. En estas condiciones, debe existir un elemento que divida la señal que genera el lector para alimentar a las dos antenas transmisoras. Este elemento se denomina separador o splitter. En recepción, las señales procedentes de las dos antenas receptoras, son combinadas en un elemento denominado sumador o combinador ELEMENTOS AUXILIARES. PUERTOS DE E/S En determinadas ocasiones, el sistema de RFID debe incluir algún elemento adicional, como semáforos o tornos en sistemas de control de accesos, o sensores de paso,... Para el control de estos elementos, se dota a los dispositivos de puertos de E/S, o bien internos en el propio dispositivo lector/grabador, o bien como ampliaciones en placas adicionales TAGS El tag es un elemento formado por un dispositivo electrónico unido a una antena y montados ambos sobre un determinado soporte físico. Las características físicas del tag vienen definidas por los requerimientos mecánicos de la aplicación: Tamaño (largo, ancho y espesor) Material base Encapsulante Factores ambientales (temperaturas, humedad,...) Página - 15

16 Las características eléctricas vienen definidas por los parámetros de la antena y del circuito integrado al que se conecta: Capacidad, inductancia y resistencia de la antena Impedancia de entrada del chip Area y número de vueltas de la antena De estos factores se derivan una serie de parámetros básicos para el funcionamiento del dispositivo: Frecuencia de resonancia Factor Q Ancho de banda También es importante considerar las variaciones de estos parámetros cuando el dispositivo se situa dentro de un campo electromagnético de RF y el integrado resulta activado. Todos estos parámetros deben ser tenidos en cuenta en un diseño cuidadoso si se pretende que el tag presente unas características adecuadas de rango de funcionamiento. Sistemas de análisis de etiquetas, como el descrito en el apartado correspondiente de este manual, son fundamentales para la comprobación de un diseño realizado, dado que permiten medir los parámetros del tag, en sus diferentes condiciones de funcionamiento. Otro parámetro importante a considerar es el material sobre el que va a ir fijado el tag, principalmente en el caso de que se trate de metal. En este caso, el diseño debe ser muy cuidadoso, dado que el metal afecta enormemente a los parámetros eléctricos de la antena GLOSARIO RFID Radio Frequency Identification. Identificación por radiofrecuencia. Lector Dispositivo encargado de recibir la información de los tags que se le presentan en su zona de lectura. Grabador Dispositivo capaz de escribir información en la memoria interna de los tags Antena Transductor al que se conecta un lector/grabador para generar y recibir las señales RF que permiten realizar en enlace radio con el tag USA, Unidad de Sintonía Elemento que permite la adaptación eléctrica de una antena a un dispositivo lector/grabador en la frecuencia de trabajo de forma que la transferencia de energía entre ambos dispositivos sea máxima. Combinador Dispositivo utilizado para acoplar a un lector/grabador la señal procedente de dos antenas receptoras. Separador, Splitter Dispositivo utilizado para enviar a dos antenas transmisoras la señal procedente de un solo lector/grabador Transpondedor Dispositivo que incorpora un circuito integrado, y una antena montados sobre un soporte físico y encapsulados Tag Transpondedor ICODE Familia de dispositivos RFID desarrollada por Philips Dice Circuito integrado que contiene la memoria, el control y el interfaz de radio del transpondedor Inlay Se trata de un Dice conectado a una antena y montados ambos sobre un soporte físico Página - 16

17 2.- MODELOS ICODE SOFTRÓNICA LECTORES/GRABADORES RIDEL5000. LECTOR DE LARGO ALCANCE El RIDEL5000 es un módulo lector/grabador para RFID en tecnología ICODE, de largo alcance y elevadas prestaciones. Además de incorporar todas las funciones correspondientes a un lector/grabador, incorpora todas las funciones necesariqas para el control de los elementos auxiliares de un sistema ICODE (USAs, puertos de E/ S,...). Entre sus características cabe citar las siguientes: Frecuencia de trabajo 13.56MHz. Protocolo I-CODE 0-8 W Ajustables por software Puertos de comunicaciones RS232 / RS485. Puerto entrada/salida de cuatro canales entrada y cuatro canales salida. Velocidad de comunicación 9,600 a 115,200 KBd. Alimentación 24 Vcc. Consumo máximo 2A. Temperatura de trabajo -10 a 55 ºC Conectores RF - 2 * BNC Conectores puertos RS232 9 pin Sub-D Hembra Conector auxiliar y RS pin Sub-D Hembra Sistema de autocalibración Actualización del firmware por el puerto serie RS232 Medidas suministradas de potencia incidente, potencia reflejada, ROE y temperatura interna Ajuste mediante software de potencia, indice de modulación, ganancia FI, sintonía filtro entrada Protocolos de comunicaciones y modos de operación programables Página - 17

18 Opera con una antena para TX-RX o antenas separadas, mediante conmutación interna. Refrigeración mediante ventilador incorporado Diemsiones 120 x 120 x 38 mm En la siguiente figura se puede apreciar un diagrama de bloques del RIDEL5000. SK03 Interfaces Alimentación Transmisor SK02 SK01 SK MHz Oscilador RS232 RS485 4 E/S Fuente de Alimentación Modulador Digital Amplificador RF Potencia Reflectómetro Control Receptor SK04 Microprocesador Conversor A/D Demodulador Amplificador Filtro de Entrada Conmutador de Antena SK05 Selector Antena Los principales bloques o subsistemas son: El receptor El transmisor El selector de antena El controlador El interfaz de entrada/salida La fuente de alimentación El receptor está integrado y encapsulado en una caja metálica apantallada, para mejorar su inmunidad al ruido ambiente y su sensibilidad. Se compone de un filtro de entrada, un demodulador, un amplificador de señal (todos ellos con ajuste desde el microcontrolador), y un conversor A/D para proporcionar información al microcontrolador, y para realizar funciones de auto-calibración. El transmisor se compone de un oscilador, cuya señal es enviada a un modulador digital, y un amplificador de potencia de RF, con control de temperatura incorporado. En la salida del transmisor, se ha incorporado un reflectómetro para proporcionar información contínua al microcontrolador sobre la potencia incidente, reflejada, y las características eléctricas de la antena. Hace posible, además, realizar el cálculo de ROE y de la fase y el módulo de la impedancia de la antena Página - 18

19 El control de todo el conjunto se realiza desde un microcontrolador. Controla todo el sistema de radio, el protocolo de comunicaciones ICODE, los protocolos RS232 y RS485, y los puertos de Entrada/Salida. Sus principales características son: Memoria de programa en FLASH. Permite modificar el software interno a través de un interfaz de programación proporcionado en el conector SK02, mediante un cable especial y un software de PC. Esta característica hace posible la actualización del software interno con nuevas versiones o diferentes protocolos sin necesidad de abrir el equipo. Memoria adiccional para aplicaciones stand-alone (almacenamiento de los datos leidos de etiquetas). EEPROM para almacenamiento de parámetros de trabajo (velocidad de comunicaciones en baudios, parámetros de radio por defecto,...). El interfaz externo consiste en un puerto estándard RS232 para comunicaciones punto a punto y un puerto RS485 para la conexión de varios RIDEL5000 en paralelo o de otros equipos con bus RS485. El puerto de Entrada/Salida consiste en 4 canales de entrada opto-aislados, y cuatro canales de salida de estado sólido de 6A. Funciona bajo control del micro de la unidad, y puede ser utilizado para generar una alarma sonora o visual, detectar presencia mediante un sensor volumétrico,... El subsistema de fuente de alimentación genera todas las tensiones internas necesarias para el funcionamiento del equipo a partir de la fuente de 24Vcc externa. Existe un selector de antena realizado entre los conectores externos SK03 y SK04, para realizar la selección entre los modos de funcionamiento de una antena o dos antenas RIDEC5000. LECTOR DE CORTO ALCANCE El RIDEC5000 es un dispositivo lector/grabador de corto alcance y bajo coste para RFID en tecnología ICODE. Se suministra en formato de circuito impreso para su integración en sistemas más complejos. Frecuencia de trabajo 13.56MHz. Protocolo I-CODE Puertos de comunicaciones RS232 / RS485 /TTL Cuatro canales salida. Velocidad de comunicación 9,600 Bd. Alimentación 3,6 a 9 Vcc Página - 19

20 Consumo máximo.: Versión A Alimentación 9Vcc 90mA. Alimentación 6Vcc 72mA. Versióm B Alimentación 5 Vcc 90mA Alimentación 3,5 Vcc 55 ma. Temperatura de trabajo -10 a 55 ºC Antena incorporada. Distancia de lectura y escritura 8cm max. DIMENSIONES 3,37 * 2,1 85,6 * 53,91 mm ANTENAS ANTLR5000. ANTENA DE LARGO ALCANCE 3D 175X60 Se trata de una antena para ICODE diseñada para su conexión al lector/grabador RIDEL5000. Incorpora una antena transmisora y otra receptora sobre el mismo elemento físico Página - 20

21 La antena ANTLR5000, está diseñada para trabajar en conjunto con el lector grabador RIDEL5000, la unidad de sintonía automática ANTUN5000 y el combinador - expansor de entradas salidas con sintonía automática ATUSP5000, configurando sistemas completos para la lectura y grabación de datos en etiquetas y tarjetas ICODE a larga distancia. El conjunto Antena TX/RX ha sido diseñada para trabajar en 3D (campo tridimensional) con el fin de activar las etiquetas o tarjetas por radiofrecuencia en cualquier posición. La disposición de las antenas TX y RX que este elemento incorpora ha sido especialmente estudiada para conseguir un rango de lectura óptimo, minimizando la influencia mutua entre las dos antenas. Construcción robusta en fibra de vidrio con caja inferiór IP65 para albergar los equipos electrónicos. Sus dimensiones son de 175x60cm. El espesor en la zona de lectura es únicamente de 32mm. En la zona inferior incorpora la caja para la eléctrónica, siendo su espesor de 77mm ANTAR5000B. ANTENA DE MEDIO ALCANCE 3D 60X60 Antena de tamaño reducido, para larga distancia y generación de campo en 3D. Dispone de una antena transmisora y otra receptora en el mismo conjunto con una caja en la parte inferior para albergar unidad de sintonía automática. Permite configurar sistemas de tipo industrial ya que su tamaño de 60x60 cm. permite sun instalación en cintas transportadoras y soportes industriales. La antena ANTAR5000B, está diseñada para trabajar en conjunto con el lector grabador RIDEL5000 y la unidad de sintonía automática ATUSP5000. Configurando sistemas completos para la lectura y grabación de datos en etiquetas y tarjetas ICODE a larga distancia. Su espesor es únicamente de 15mm en la mayor parte de su superficie. La caja que alberga la unidad de sintonía tiene una profundidad de 35mm Página - 21

22 ANTMR5000. ANTENA 2D DE MEDIO ALCANCE DE LAZO 47.5CM Softrónica Se trata de una antena de lazo para RFID. Está diseñada para su conexión al lector/grabador RIDEL5000 en configuración de antena TX/RX conjunta. Su diagrama de radiación permite su funcionamiento en 2D con un alcance intermedio (del orden de 70cm dependiendo de la potencia transmitida y de los tags utilizados). Está fabricada en PVC, e incorpora en su base un elemento de sintonía manual a base de microinterruptores. Está especificada para trabajar con una potencia máxima de 4W OTROS ELEMENTOS ANTUN5000. UNIDAD DE SINTONÍA AUTOMÁTICA DE ANTENA La ANTUN5000 es una unidad de sintonía automática para el acoplamiento de el lector/grabador RIDEL5000 a su antena. Funciona bajo el control del propio RIDEL5000, que se encarga de realizar las medidas de ROE necesarias para el ajuste de sintonía. Este dispositivo se aplica en configuraciones de antena de tipo «pasillo» (ver apartado correspondiente a configuraciones típicas), funcionando como unidad de sintonía en la antena esclava. También se puede utilizar para configuraciones de «puerta» con antena única. El control se realiza desde el RIDEL5000 mediante un protocolo serie. Las entradas están optoaisladas. En configuraciones complejas, esta unidad de sintonía funciona en conjunción con la ATUSP5000, unidad de sintonía maestra. Consultar el apartado de Configuraciones típicas, en el que se describe el modo de conexión de estos dispositivos en las configuraciones de antena más habituales Página - 22

23 El dispositivo se entrega en formato de placa impresa para su integración en otros elementos, o para su montaje dentro de la caja para la electrónica de las antenas ANTLR5000 o ANTMR5000. Internamente, la ANTUN5000 responde en su estructura al siguiente diagrama: +24Vcc del RIDEL5000 Alimentación Del RIDEL5000 TX Entrada RF TX BALUN TX Elemento de sintonía TX A antena TX Al RIDEL5000 RX Entrada RF RX BALUN RX Elemento de sintonía RX A antena RX A Puerto I/O de RIDEL5000 Registro de desplazamiento y driver de relés El dispositivo se conecta a las salidas de RF del RIDEL5000 para TX y RX, a través de dos conectores BNC. Asimismo, la alimentación y control se obtienen del propio lector/grabador, a través de su conector de salidas I/O. Las antenas TX y RX se conectan a dos parejas de conectores tipo FASTON Página - 23

24 ATUSP5000. UNIDAD DE SINTONÍA AUTOMÁICA CON SUMADOR, SPLITTER, IO Softrónica La ANTUSP5000 es una unidad de sintonía automática para el acoplamiento de el lector/grabador de largo alcance RIDEL5000 a su antena. Está diseñado para su uso en sistemas de una o dos antenas («puerta» o «pasillo», ver el apartado correspondiente a configuraciones típicas), trabajando en este último caso como unidadd de sintonía maestra. Incorpora, para esta configuración, los elementos necesarios (sumador y splitter), para la combinación de los dos conjuntos de antenas TX/RX. Permite realizar el acoplamiento tanto de la antena transmisora como de la receptora. Su control se realiza desde el RIDEL5000, mediante un protocolo serie con entradas optoaisladas. La ANTUSP5000 incorpora, además, un circuito de entradas y salidas digitales para el control de dispositivos externos (semáforos, alarmas, sensores,...). Se conecta directamente a los conectores delta del RIDEL5000. Internamente, el dispositivo responde al siguiente diagrama de bloques: +24Vcc del RIDEL5000 Alimentación A USA TX esclava Del RIDEL5000 TX Entrada RF TX BALUN TX SPLITTER Elemento de sintonía TX A antena TX De USA RX esclava Al RIDEL5000 RX Conmutador RX/TX Entrada RF RX BALUN RX SUMADOR Elemento de sintonía RX A antena RX A Puerto I/O de RIDEL5000 Registro de desplazamiento y driver de relés Puertos de E/S Página - 24

25 El RIDEL5000 se conecta, a través de sus conectores de TX y RX a las entradas de el dispositivo. En primer lugar existe un conmutador TX/RX que permite utilizar la antena de RX para transmisión, con objeto de realizar la sintonía de esta antena. Inmediatamente después, las señales de RF de TX y RX pasan a través de sendos balun. De ahí, la señal de transmisión pasa a un separador o splitter que divide la señal para su uso en la antena maestra (la que se conecta a este dispositivo) y en la esclava (que se conecta a través de otra USA ANTUN5000). La señal de recepción sigue un camino inverso a través de un sumador. Las señales correspondientes a la antena maestra pasan a través de elementos de sintonía, controlados desde el RIDEL5000. Por último el dispositivo incorpora un conjunto de puertos de E/S controlados desde el propio lector. El control de estos dispositivos, así como de los elementos de sintonía se realiza a través de un interfaz serie optoaislado KITS KIT DE ANÁLISIS DE ETIQUETAS Se trata de un sistema de medida diseñado para la realización de pruebas y medidas de radiofrecuencia sobre tags, sin contacto físico. El KIT incorpora un dispositivos analizador RFTST1000, una antena TAGAN1000, y un software para PC bajo Windows, de tipo instrumentación virtual para presentar gráficamente las medidas realizadas. Incorpora un generador sintetizado con resolución de 1Hz en el rango de 20KHz a 50MHz, y de tres entradas analógicas con amplificadores logarítmicos con 85dB de rango dinámico. El conjunto permite realizar el análisis completo de las etiquetas comprobando su sintonía y efectos sobre la misma del campo de RF con ajuste de intensidad del campo de RF variable. El software permite presentar la información recibida en forma de analizador de espectros. Además es posible realizar medidas mediante un conjunto de marcadores. La medida del valor de Q de la etiqueta es realizada automáticamente Página - 25

26 «STARTER KIT» ICODE El «Starter Kit» o kit de desarrollo de ICODE es un conjunto de elementos que permiten la demostración de las posibilidades de un sistema de RFID basado en los dispositivos Softrónica. Permite, además, el desarrollo de aplicaciones en laboratorio. Está formado por los siguientes elementos: 1 Lector de largo alcance RIDEL Antena 2D de lazo de medio alcance ANTMR Fuente de alimentación para el RIDEC Etiquetas en formato estándar de 5x5 Documentación técnica del lector RIDEL5000 Manual de usuario del software de demo Documentación DLL`s 1 Disco con programas de demostración y DLL para desarrollo Cables de alimentación, comunicaciones y antena Página - 26

27 3.- CONFIGURACIONES TIPO ANTENA ÚNICA ANTMR5000 RIDEL5000 ANTENA TX En la configuración con antena única, el lector/grabador RIDEL5000 utiliza la misma antena tanto para transmisión como para recepción. En la figura se muestra la utilización con la antena de medio alcance ANTMR5000. En este caso, la propia antena incorpora una unidad de sintonía manual en su base, por lo que no es necesario utilizar otro dispositivo de sintonía externo. Es posible utilizar esta configuración con una antena de banda ancha, es decir, no sintonizada. Mediante esta configuración, es posible realizar sistemas muy simples, de bajo coste, siempre que los requerimientos en cuanto a rangos de lectura, o estabilidad frente a cambios en el ambiente o temperatura no sean muy estrictos. En esta configuración, el RIDEL5000 debe ser configurado mediante un puente interno. La salida de RF para antena TX es la utilizada en este caso tanto para TX como para RX ANTENA TX/RX SEPARADAS. CONFIGURACIÓN PUERTA ANTAR5000B CONTROL TX TX RX ANTUN5000 RX RIDEL Página - 27