TRAZABILIDAD DE PRODUCTOS EN ALMACÉN, PRODUCTO TERMINADO, CONSUMIBLES, MATERIAS PRIMAS Y DESPACHOS REALIZADOS EN PLANTA, MEDIANTE SISTEMAS DE INFORMACIÓN PARA SEGUIMIENTO Y CODIFICACIÓN
DISEÑO DE INFRAESTRUCTURA DE PRUEBAS, LABORATORIO DE SIMULACION Y ANÁLISIS 1. ANTECEDENTES En un sistema de RFID, existen elementos de hardware y de software que se hacen vitales para el funcionamiento del mismo. Si bien estos elementos fueron descritos en productos anteriores, es necesario recalcar que al igual que el modelo OSI * que se cimenta en las capas Física, Enlace y Red. Un sistema de RFID se basa en tres elementos claves (Lectoras, Antenas y Tags) los cuales son determinantes en el éxito o fracaso del mismo. En los sistemas de control de accesos, por ejemplo, factores como la corta distancia juegan un papel primordial en su funcionamiento. En la actualidad un Modulo de lectura/escritura, leído por una antera de tarjeras inteligentes provee un rango aproximado de 20 cm. Adicionalmente este módulo de lectura debe encontrarse en un rango cercano del lugar de implementación (caja por ejemplo) para garantizar que la señal sea recibida correctamente de las tarjetas; un computador central que administra las bases de datos realiza los procesos de verificación de autorizaciones y envía las señales que permiten el control de las diferentes aplicaciones (Accesos y autorizaciones especiales) por el puerto de comunicación RS-485 ó RS-232. Por el contrario, los sistemas de trazabilidad de productos y seguimiento de activos requieren una mayor distancia de lectura/escritura (generalmente de 1 a 2 metros) y adicionalmente no pueden depender de un computador central para su validación y análisis. Ya que en este caso toda la información deberá viajar hasta un punto único de control al interior de la organización. De manera similar, elementos adicionales de hardware como tarjetas de advertencia lumínica y sonora, juegan un papel importante en la tarea de informar los eventos ocurridos en cada portal en combinación con la señalización propuesta por la lectora. * Modelo de referencia de Interconexión de modelos abiertos (Open System Interconection) lanzado en 1984 por ISO.
2. OBJETIVOS Basados en la investigación y experiencia adquirida por el trabajo de campo, diseñar los modelos de pruebas de sistema para RFID, con sus respectivos manuales de laboratorio, simulación y análisis, se planten cumplir las siguientes metas: - Determinar el porcentaje de confiabilidad de lectura de tags pasivos empleando lectoras RFID a diferentes distancias. - Determinar el nivel de apantallamiento producido por diferentes objetos en la lectura de tags pasivos empleando lectoras RFID a diferentes distancias. - Determinar el nivel de confiabilidad cuando se ubican varios tags pasivos a distancias cercanas unos de otros. Con la documentación generada de los modelos de pruebas y los diseños de laboratorio para las pruebas de los equipos de RFID, obtener datos matemáticos basados en pruebas prácticas.
3. METODOLOGÍA DISTANCIAS DE MEDICIÓN Aunque en la asignación del espectro electromagnético se considera la banda de UHF con un rango de frecuencia de 300Mhz a 3 Ghz, para este producto solamente se consideraron los rangos de frecuencias reconocidos por EPCGlobal como UHF, que corresponden al rango de 856 Mhz a 928. c Considerando la formula de calculo de la longitud de onda. λ = donde f λ corresponde a la longitud de onda medida en metros, c es la constante de velocidad de la luz correspondiente a 3x10 8 m/s y f es la frecuencia media en hertz y un ancho de banda de 6Mhz tomado como ancho estándar en esta frecuencia, se obtiene el siguiente listado de longitudes de onda. Frecuencia [Mhz] Longitud de Onda [m] Longitud media de onda [m] 856 0.350 0.175 862 0.348 0.174 868 0.346 0.173 874 0.343 0.172 880 0.341 0.170 886 0.339 0.169 892 0.336 0.168 898 0.334 0.167 904 0.332 0.166 910 0.330 0.165 916 0.328 0.164 922 0.325 0.163 928 0.323 0.162 Tabla 1. Listado de longitudes de onda λ para RFID en UHF Del listado anterior se puede concluir que para este rango de UHF, la longitud de onda promedio corresponde a 0.336 metros para la frecuencia 892Mhz. Valor que será asumido como base para los cálculos de distancia. Dado que se puede considerar un número casi infinito de distancias desde la lectora y hacia el tag. (ver gráfica 1) todas con línea de vista, siendo las primeras n las mas utilizadas y necesarias. Debido a que los equipos de lectura de ondas de radio tienen la capacidad de cambiar las frecuencia de sus portadoras ya sea manual o automáticamente, se ha tomado un promedio aritmético que produzca el menor cambio en la longitud de onda, ya sea de manera descendente o ascendente debido las pruebas.
Gráfica 1. Distancias de lectura posibles De esta manera considerando a 892Mhz como frecuencia fundamental para RFID UHF, se genera el siguiente listado de las primeras 10 posibles distancias de lectura, todas múltiplos de la longitud de onda de la frecuencia fundamental. Frecuencia Fundamental [Mhz] Nombre Distancia con la antena. [m] 892 d 1 0.336 892 d 2 0.672 892 d 3 1.008 892 d 4 1.344 892 d 5 1.68 892 d 6 2.016 892 d 7 2.352 892 d 8 2.688 892 d 9 3.024 892 d 10 3.36 Tabla 2. Listado de longitudes distancia de lectura. Para efectos prácticos, se recomiendan las distancias d 1, d 5 y d 9 por considerarse las mas probables en aplicaciones de RFID UHF.
EQUIPO DE LECTURAS Para el desarrollo de este producto se empleó un lectora fija Impinj EPCGlobal UHF Gen2 de rango de lectura de 865-956 Mhz, voltaje de operación 110-240v AC y conexión Serial.(Ver gráfica). Gráfica 2. Lectora Imping EPCGlobal UHF Gen2 La características técnicas de este producto de describen en un archivo adjunto a este producto el cual fue suministrado por el fabricante. Como elemento de lectura fue utilizada una antena Sensormatic Ommiwave UHF EPC de rango de lectura 865-956 Mhz con Alcance efectivo 0.1-3.5 y polarización circular metros acoplada con un cable coaxial de 25 mm como lo muestra la siguiente grafica. Gráfica 3. Antena EPCGlobal UHF Gen2 La polarización circular contiene dos componentes de onda, un vertical y otro horizontal, lo que se traduce en una mejor calidad de lectura independiente del sentido de orientación del tag.
ELEMENTOS PASIVOS Basados en el listado actual de Tags pasivos, presentado Avery Dennison (ver tabla 3) uno de los proveedores pioneros en investigación y desarrollo de tags pasivos en el mundo. Se seleccionaron para esta prueba los tags referenciados como AD-222 o Propósito General, AD-820 o Tags de cercanía a metales y el AD-908 o Encapsulado sobre metales, por ser los mas representativos dentro de los tags pasivos, dado el amplio margen de aplicación del proyecto. Tabla 3. Listado de tags disponibles en Avery Dennison Tomado de http://www.rfid.averydennison.com Para mayor información visitar http://www.rfid.averydennison.com
MATERIALES DE INTERFERENCIA A fin de poder determinar el nivel de apantallamiento se consideraron los siguientes materiales que se pueden encontrar entre la antena y el tag, los cuales fueron probados en el laboratorio. Nombre Descripción Observaciones Material 1 Aire - Es el mas común y probable de todos los materiales. - Se consideró una temperatura de 20º C Material 2 Papel y cartón - Es muy común como elemento de embalaje en productos terminados. - Se tomo un libro en pasta dura de aprox 0.15x0.25 metros. Material 3 Metal -Se tomó una lamina de acero calibre 20 de 1x1 metros. Tabla 4. Listado de materiales de interferencia utilizados. 4. CONSIDERACIONES ADICIONALES En el desarrollo de las aplicaciones de RFID, se debe partir de la identificación de necesidades para plantear las soluciones y reducir los posibles inconvenientes que se puedan presentar en la ejecución de las actividades, por esta razón se tiene en cuenta las siguiente consideraciones las cuales se pueden presentar para futuras implementaciones. De Software Para desarrollar la documentación que será guía en el desarrollo de las aplicaciones de RFID EPC se utiliza una herramienta desarrollada por Grupo Condor S.A. que permitió mostrar en pantalla los positivos de las lecturas de cada tag. En los casos de implementaciones futuras, se deberá contar con una herramienta que permita verificar las lecturas de los tags sin afectar la funcionalidad del sistema implantado. Factores ambientales: Ruido eléctrico: Es generado por las fuentes de alimentación de los equipos de computo, motores y otros equipos eléctricos que estén conectados y funcionando cerca a los equipos de RFID. Temperatura: Trabajar bajo un sistema controlado es de gran ayuda para garantizar que los equipos funcionen dentro de rangos de temperatura ideales y niveles de disipación de calor óptimos que no afecten su funcionamiento. Este factor puede afectar especialmente a la lectora de RFID, el cual es un equipo robusto de trabajo pesado que requiere condiciones específicas para obtener su mejor desempeño.
Señales de radio: se generan por teléfonos celulares y equipos de comunicaciones que producen interferencias y afectan las señales de la aplicación. Factores logísticos: El lugar de adecuación de los equipos e instalación de los mismos para realizar las pruebas preliminares debe contar además del control de los factores ambientales, con el suficiente espacio para poder determinar las distancias y efectividad de las lecturas y determinar así la confiabilidad del sistema de RFID. El espacio debe estar demarcado y las señalizaciones necesarias para el momento de las pruebas se cuente con la información a la mano y se realice con mayor eficiencia los procedimientos necesarios para determinar la efectividad de los equipos de RFID. También se debe tener en cuenta que debido a la variabilidad de los sistemas de RFID en diferentes materiales de marcación, se debe poseer un modulo con diferentes tipos de materiales tales como vidrio, metal, papel, telas para definir y documentar el rendimiento del sistema bajo estos materiales. Una vez se tenga un ambiente de trabajo que cumpla con las condiciones anteriores, podremos iniciar con la creación de los protocolos de pruebas y simulación de los sistemas de RFID para su posterior análisis. Grafica 4. Plano del laboratorio de pruebas
5. PRUEBAS Y SIMULACIONES Las pruebas del sistema se inició con la comprobación de las características técnicas de los equipos entregadas por los fabricantes con los equipos seleccionados. Antenas: Las pruebas preliminares de estos equipos consisten en llevar al laboratorio y medir los niveles de ganancia, efectividad y niveles de ruido que se especifican en la hoja técnica entregada por el fabricante. Para estos procedimientos se utilizan equipos de medida especializados como analizador de espectros, osciloscopios y analizador de señales. Tags: Para estos equipos se debe realizar la inspección preliminar de forma visual, para comprobar que el diseño de la antena sea la que mejor se adapte a la aplicación que se vaya a desarrollar. Es necesario recordar que debido a los bajos voltajes que operan, estos tags son sensibles a las cargas estáticas, por lo tanto se recomienda trabajar con manillas aterrizadas. Lectora: El equipo más complejo del sistema de RFID debe tener un tratamiento especial. Antes de realizar cualquier prueba con este equipo se debe leer toda la documentación entregada por el fabricante la cual incluye la familiarización con el equipo (los indicadores visuales, periféricos y demás elementos que conforman el hardware), el software de control de dispositivos conectados y el sistema operativo que le permite configurar todas las características internas y de control hacia otros dispositivos. Una vez realizadas la inspección preliminar, familiarización con los elementos que conforman el sistema de RFID, procedemos a continuar el desarrollo de las pruebas mas especificas y en conjunto con todo el sistema.
6. RESULTADOS A continuación se presentan los resultados de las diferentes pruebas aplicadas en el laboratorio. RESULTADOS DE PRUEBAS DE TAG DESNUDO EN MATERIAL 1 Descripción de la Prueba: Se ubicaron los tags AD-222, AD-820 y AD-908 a las distancias d 1, d 5 y d 9. Acto seguido se procedieron a desplazar de manera manual 100 veces cada tag por el frente de la antena. (Ver grafica) Aire Grafica 5. Prueba de lectura en Material 1 (Aire) Tag Empleado Positivas en d 1 (0.33 m) Material 1(Aire) Positivas en d 5 (1.68 m) Positivas en d 9 (3.02 m) AD-222 100 100 100 100 99 97 AD-820 AD-908 100 95 90
RESULTADOS DE PRUEBAS DE TAG DESNUDO EN MATERIAL 2 Descripción de la Prueba: Se ubicaron los tags AD-222, AD-820 y AD-908 a las distancias d 1, d 5 y d 9. Acto seguido se procedieron a desplazar de manera manual 100 veces cada tag por el frente de la antena (Ver grafica) como objeto de interferencia se empleó el libro descrito en la tabla 4. Libro Gráfica 6. Prueba de lectura en Material 2 (Papel y Cartón) Tag Empleado AD-222 Positivas en d 1 (0.33 m) Material 2 ( Papel y Cartón ) Positivas en d 5 (1.68 m) Positivas en d 9 (3.02 m) 100 98 95 99 95 87 AD-820 AD-908 98 96 89
RESULTADOS DE PRUEBAS DE TAG DESNUDO EN MATERIAL 3 Descripción de la Prueba: Se ubicaron los tags AD-222, AD-820 y AD-908 a las distancias d 1, d 5 y d 9. Acto seguido se procedieron a desplazar de manera manual 100 veces cada tag por el frente de la antena (Ver grafica) como objeto de interferencia se empleó la lamina descrita en la tabla 4. Lamina de acero Gráfica 7. Prueba de lectura en Material 2 (Papel y Cartón) Tag Empleado Positivas en d 1 (0.33 m) Material 3 ( Metal ) Positivas en d 5 (1.68 m) Positivas en d 9 (3.02 m) AD-222 7 5 3 6 5 2 AD-820 AD-908 7 6 2 Nótese que las lectura positivas son casi nula, lo que demuestra que existe un gran índice absorción por materiales metálicos para los tags pasivos.
RESULTADOS DE PRUEBAS SOBRE SUPERFICIES DE PAPEL Descripción de la Prueba: Se ubicaron los tags AD-222, AD-820 y AD-908 sobre una superficie de papel para determinar si la reflexión del campo en este material produce alternación de lectura. Acto seguido se procedieron a desplazar de manera manual 100 veces cada tag por el frente de la antena a las distancias d 1, d 5 y d 9 sin presentar objetos de interferencia con los siguientes resultados. Tag Empleado Positivas en d 1 (0.33 m) Superficie Papel Positivas en d 5 (1.68 m) Positivas en d 9 (3.02 m) AD-222 100 100 99 100 98 96 AD-820 AD-908 100 94 89 Nótese que el comportamiento es muy similar al encontrado en la prueba del tag desnudo sobre el material 1. RESULTADOS DE PRUEBAS SOBRE SUPERFICIES DE CARTÓN Descripción de la Prueba: Se ubicaron los tags AD-222, AD-820 y AD-908 sobre una superficie de cartón corrugado para determinar si la reflexión del campo en este material produce alternación de lectura. Acto seguido se procedieron a desplazar de manera manual 100 veces cada tag por el frente de la antena a las distancias d 1, d 5 y d 9 sin presentar objetos de interferencia con los siguientes resultados. Tag Empleado Positivas en d 1 (0.33 m) Superficie Cartón Positivas en d 5 (1.68 m) Positivas en d 9 (3.02 m) AD-222 99 97 95 97 91 83 AD-820
AD-908 99 97 94 Nota: Aunque el proveedor dispone de un tag especial para superficies de cartón, a la fecha de las pruebas no fue posible contar con el tag AD-431. RESULTADOS DE PRUEBAS SOBRE SUPERFICIES METALICAS Descripción de la Prueba: Se ubicaron los tags AD-222, AD-820 y AD-908 sobre una lamina de acero calibre 20 para determinar si la reflexión del campo en este material produce alternación de lectura, Acto seguido se procedieron a desplazar de manera manual 100 veces cada tag por el frente de la antena a las distancias d 1, d 5 y d 9 sin presentar objetos de interferencia con los siguientes resultados. Tag Empleado Positivas en d 1 (0.33 m) Superficie Metal Positivas en d 5 (1.68 m) Positivas en d 9 (3.02 m) AD-222 3 1 0 2 0 0 AD-820 AD-908 95 90 87 Nota: Tal como lo había afirmado del proveedor el recubrimiento de plástico del tag AD-908 aproximadamente equivalente a un décimo de la longitud onda, es suficiente para producir un alto valor de lecturas positivas. RESULTADOS CERCANIA DE TAGS EN LECTURAS SIMULTANEAS Como elemento adicional se consideró la longitud de onda de la frecuencia fundamental de estas pruebas para considerar que ocurre que cuando estos ve encuentra espaciados entre sí. Para tener espaciamientos acordes, se consideraron los valores 2 λ, 3 λ y 4 λ así.
Resultados de cercania a distancia d 1 (0.33 m) Descripción de la Prueba: Se ubicaron 3 tags AD-222, 3 tags AD-820 y 3 tags AD-901 separados a una distancia de 2 λ (0.16 m), luego a una distancia de 3 λ (0.12m) y por ultimo a una distancia 4 λ (0.08m). Cada grupo de 3 tags se procedió a desplazar en frente de la antena a la distancia d 1 (0.33 m) para verificar la lectura, sin ubicar objetos de interferencia entre los tags y la antena, obteniéndose los siguientes resultados. Tag Empleado Positivas en 2 λ Distancia d 1 λ Positivas en 3 Positivas en 4 λ (0.16 m) (0.12 m) (0.08 m) AD-222 89 67 25 97 89 82 AD-820 AD-908 90 69 30 Nota: Tal como lo había afirmado el proveedor, el recubrimiento diseño del tag AD-802 presenta un mejor desempeño en tags cercanos. Resultados de cercanía a distancia d 5 (1.68 m) Descripción de la Prueba: Se ubicaron 3 tags AD-222, 3 tags AD-820 y 3 tags AD-901 separados a una distancia de 2 λ (0.16 m), luego a una distancia de 3 λ (0.12m) y por ultimo a una distancia 4 λ (0.08m). Cada grupo de 3 tags se procedió a desplazar en frente de la antena a la distancia d 5 (1.68 m) para verificar la lectura, sin ubicar objetos de interferencia entre los tags y la antena, obteniéndose los siguientes resultados.
Tag Empleado Positivas en 2 λ Distancia d 5 λ Positivas en 3 Positivas en 4 λ (0.16 m) (0.12 m) (0.08 m) AD-222 89 66 26 97 89 81 AD-820 90 69 30 AD-908 Nótese que no se observan mayores diferencias respecto a la prueba anterior. Resultados de cercanía a distancia d 9 (3.02 m) Descripción de la Prueba: Se ubicaron 3 tags AD-222, 3 tags AD-820 y 3 tags AD-901 separados a una distancia de 2 λ (0.16 m), luego a una distancia de 3 λ (0.12m) y por último a una distancia 4 λ (0.08m). Cada grupo de 3 tags se procedió a desplazar en frente de la antena a la distancia d 9 (3.02 m) para verificar la lectura, sin ubicar objetos de interferencia entre los tags y la antena, obteniéndose los siguientes resultados. Tag Empleado Positivas en 2 λ Distancia d 9 λ Positivas en 3 Positivas en 4 λ (0.16 m) (0.12 m) (0.08 m) AD-222 83 62 20 92 70 59 AD-820 AD-908 84 63 20
7. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES Si bien se realizaron poco más de 9000 desplazamientos de tags en frente de la antena, hasta la fecha no existe un patrón lineal para determinar la relación del éxito de las lecturas, basados en los elementos distancia y material. Ya que dependiendo de su densidad, algunas materiales absorberán y reflejarán las ondas electromagnéticas necesarias para lectura de los tags. De la misma manera, las interferencias de lecturas, deben ser estudiadas de manera independiente con cada material encontrado en campo; debido a que no se dispone de la tecnología y el conocimiento para el diseño y desarrollo de dipolos para cada tag, lo mas recomendable y a la vez económico es realizar medidas con cada tipo de tag en la medida que estos estén disponibles. Si bien solamente se seleccionaron 3 distancias de lectura (d 1, d 5 y d 9 ), es recomendable, para cada aplicación, realizar una prueba practica a fin de determinar las distancias optimas de lectura y los resultados de las mismas. En caso de no disponer de equipos para este fin, lo mas recomendable es utilizar la distancia d 5 como punto de referencia, ya que la d 1 no presenta mayor ventaja que los alcances presentados por tecnologías anteriores como el código de barras. Debido que no se puede hacer algún tipo de seguimiento visual a los tags, ya que solo las lectoras poseen la capacidad de leer la información de cada tag, como ocurre con tecnologías anteriores como el código de barras; en algunos casos es aconsejable realizar algún tipo de marcado físico de tags donde, por ejemplo, se lleve impreso el código EPC de cada tag para ser leído de manera manual.