UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE EQUIPOS UTILIZANDO IDENTIFICACIÓN POR RADIO-FRECUENCIA (RFID) MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA PAULA LETICIA URIBE JORQUERA PROFESOR GUÍA: EDUARDO VERA SOBRINO MIEMBROS DE LA COMISIÓN: HELMUTH THIEMER WILCKENS JAVIER RUÍZ DEL SOLAR SANTIAGO DE CHILE JUNIO 2007
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UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE EQUIPOS UTILIZANDO IDENTIFICACIÓN POR RADIO-FRECUENCIA (RFID)
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA
PAULA LETICIA URIBE JORQUERA
PROFESOR GUÍA: EDUARDO VERA SOBRINO
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
HELMUTH THIEMER WILCKENS JAVIER RUÍZ DEL SOLAR
SANTIAGO DE CHILE JUNIO 2007
RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: PAULA URIBE JORQUERA FECHA: 18/06/2007 PROF. GUÍA: EDUARDO VERA SOBRINO
“DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE EQUIPOS UTILIZANDO IDENTIFICACIÓN POR RADIO-FRECUENCIA (RFID)”
Actualmente, es común encontrarse con la utilización de equipos electrónicos de
telecomunicaciones involucrados en el desarrollo de procesos productivos en industrias de distintas áreas. Debido a la importancia de este tipo de equipamiento, resulta indispensable poder evitar fallas que involucren la suspensión del funcionamiento normal de la producción. Para ello, resulta de gran utilidad recurrir a tecnologías de identificación, por ejemplo, RFID (Radio Frequency IDentification), que es un sistema de identificación sin contacto, que utiliza ondas de radio para lograr la comunicación entre un dispositivo identificador (tag) de un objeto y un lector. En la actualidad, esta tecnología se encuentra en etapa de implementación y de estudio de nuevas aplicaciones.
El presenta trabajo se titula “Diseño de un Sistema de Monitoreo de Equipos Utilizando
Identificación por Radio-Frecuencia (RFID)”. El objetivo principal es desarrollar un prototipo de rack de comunicaciones, basado en la tecnología RFID, que permita un monitoreo remoto permanente, y la prevención y detección oportuna de fallas del equipamiento crítico, para ser implementado en el área de mantención de la División El Teniente de la empresa CODELCO-CHILE. Para ello, se realiza un estudio del estado actual de la tecnología RFID, de modo de evaluar las distintas alternativas tecnológicas, y seleccionar una solución acorde con los requerimientos de la aplicación.
Se proponen dos posibles soluciones, que utilizan componentes RFID de distintos
proveedores y que utilizan distintos principios de operación. De estas dos alternativas, se selecciona la más idónea, y se realiza una evaluación experimental de la solución para garantizar que cumpla con los requerimientos de la aplicación. Como resultado, se obtiene que el sistema RFID cumple con las especificaciones, a pesar de las fuertes interferencias que produce la presencia de metal en el entorno cercano del sistema, y que su funcionamiento puede ser optimizado variando la distribución de las componentes dentro del rack. Se realiza también un análisis teórico del sistema RFID, para estudiar su funcionamiento en ambientes confinados con la presencia de más de un rack, y se determina que idealmente, los racks deben estar a una distancia de 3m para evitar interferencias entre sí. Tomando como mercado objetivo las distintas divisiones de CODELCO-CHILE, se realizó un estudio de factibilidad comercial del prototipo, y se determinó que el sistema RFID tiene muy buenas perspectivas comerciales, debido a los grandes beneficios que genera, en términos de ahorro en inversión tecnológica y sobretodo, de evitar pérdidas críticas de producción. Por otra parte, se identificó que la incorporación de un sistema RFID puede generar un fuerte impacto sobre la infraestructura tecnológica y los recursos humanos existentes, y que por lo tanto, la factibilidad de su implementación estará determinada por la capacidad de la empresa de adaptarse a las nuevas condiciones.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 1
1.4 ANTECEDENTES GENERALES............................................................................ 4 1.5 METODOLOGÍA................................................................................................. 5 1.6 ESTRUCTURA DEL TRABAJO ............................................................................. 6
2. MARCO CONCEPTUAL ....................................................................... 8 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA RFID.......................................................... 8 2.2 ESTADO DEL ARTE ......................................................................................... 12
3. DISEÑO .......................................................................................... 17 3.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA..................................................................... 17 3.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO....................................................................... 18 3.3 SOLUCIÓN PROPUESTA................................................................................... 19
3.3.1 RACKS DE INTERIOR ...............................................................................................20 3.3.1.1 SOLUCIÓN 1.......................................................................................................................20 3.3.1.2 SOLUCIÓN 2.......................................................................................................................22 3.3.2 COMPARACIÓN DE LAS SOLUCIONES 1 Y 2..............................................................26 3.3.3 RACKS DE TERRENO ...............................................................................................28
4. EVALUACIÓN DEL DISEÑO............................................................... 30 4.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS.............................................................................. 30
4.1.1 RANGO DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA RFID........................................................30 4.1.2 POSICIÓN RELATIVA DEL TAG Y EL LECTOR, POLARIZACIÓN .................................31 4.1.3 DISTORSIONES AMBIENTALES ................................................................................32 4.1.4 FENÓMENOS DE INTERFERENCIA ............................................................................34
4.2 ANÁLISIS EXPERIMENTAL .............................................................................. 37 4.2.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS.....................................................................37 4.2.2 RESULTADOS ..........................................................................................................38 4.2.2.1 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 1.......................................................................................38 4.2.2.2 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 2.......................................................................................44 4.2.3 COMPARACIÓN DE LAS CONFIGURACIONES 1 Y 2 ...................................................50
5. ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD COMERCIAL Y DE IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO .......................................................................................... 56
5.1 ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD COMERCIAL ....................................................... 56 5.2 ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN......................................... 58
B. PRINCIPIOS FÍSICOS DE LOS SISTEMAS RFID [1] ............................. 74
B.1 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ....................................................................... 74 B.1.1 TRANSICIÓN DE CAMPO CERCANO A CAMPO LEJANO EN CONDUCTORES LOOP .....74 B.1.2 POLARIZACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS..................................................75 B.1.3 REFLEXIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS .......................................................76 B.1.4 REFLEXIÓN Y CANCELACIÓN..................................................................................78 B.1.5 ANTENAS................................................................................................................80 B.1.5.1 GANANCIA Y EFECTO DIRECCIONAL ................................................................................80 B.1.5.2 EIRP Y ERP ......................................................................................................................81
B.2 OPERACIÓN PRACTICA DE LOS SISTEMAS RFID............................................. 82 B.2.1 ZONA DE INTERROGACIÓN DE LOS LECTORES.........................................................82 B.2.2 ACOPLAMIENTO INDUCTIVO...................................................................................84 B.2.2.1 SUMINISTRO DE ENERGÍA AL TAG ....................................................................................84 B.2.2.2 TRANSFERENCIA DE DATOS TAG LECTOR....................................................................85 B.2.3 ACOPLAMIENTO ELECTROMAGNÉTICO BACKSCATTERING .......................................87 B.2.3.3 SUMINISTRO DE ENERGÍA AL TAG ....................................................................................88 B.2.3.4 TRANSFERENCIA DE DATOS TAG LECTOR....................................................................89
C. PROCEDIMIENTOS MULTI-ACCESO –ANTICOLISIÓN [1] .................. 92
C.1 SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS (SDMA).................................................. 94 C.2 FREQUENCY DOMAIN MULTIPLE ACCESS (FDMA) .......................................... 96 C.3 TIME DOMAIN MULTIPLE ACCESS (TDMA)..................................................... 97
vii
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Esquema de un típico sistema RFID.............................................................................9
Figura 2.2: Distintos tipos de tags RFID .......................................................................................11
Figura 2.3: Distintos tipos de lectores RFID .................................................................................11
Figura 3.1: Esquema solución 1, vista lateral................................................................................22
Figura 3.2: Backscattering modulado............................................................................................23
Figura 3.3: Esquema solución 2, vista posterior............................................................................25
Figura 3.4: Lector portátil WorkAbout Pro C................................................................................29
Figura 4.1: Acoplamiento entre tag y antena. Líneas de flujo magnético .....................................32
Figura 4.2: Líquidos y metales afectan el funcionamiento de sistemas RFID ..............................32
Figura 4.3: Líneas de flujo magnético en un sistema RFID ..........................................................33
Figura 4.4: Líneas de flujo magnético en un sistema RFID en presencia de metal.......................34
Figura 4.5: Esquema de interferencia tag a tag. ............................................................................34
Figura 4.6: Esquema de interferencia lector a tag .........................................................................35
Figura 4.7: Esquema de interferencia lector a lector .....................................................................36
Figura 4.8: Esquema de la configuración 1 ...................................................................................38
Figura 4.9: Esquema de la configuración 2 ...................................................................................45
Figura 4.10: Esquema de interrogación de dos antenas receptoras a un mismo tag......................53
Figura B.1: Definición de la polarización de las ondas electromagnéticas ...................................76
Figura B.2: La reflexión de un objeto distante se utiliza también en la tecnología radar. ............77
Figura B.3: La superposición del campo emitido originalmente con las reflexiones ambientales
conduce a cancelaciones locales...........................................................................................79
Figura B.4: Patrón de radiación de una antena dipolo en comparación al patrón de radiación de un
La comunicación entre el lector y el tag se realiza por medio de 2 métodos básicos2:
acoplamiento inductivo o de campo cercano (near-field coupling), y backscattering o
acoplamiento de campo lejano (far-field coupling). El acoplamiento inductivo se da cuando el tag
está ubicado a distancias muy cercanas a la antena del lector, el intercambio de información entre
ellos ocurre debido al voltaje inducido en la bobina del tag a través de la bobina de la antena. Este
sistema se comporta como el tipo de acoplamiento en los transformadores, donde el lector actúa
como la bobina del primario, y la bobina del tag como secundario. Los sistemas RFID pasivos
generalmente utilizan este principio [4]. 1 Este punto se desarrolla en mayor profundidad en la sección 5.2. 2 Este punto se desarrolla en profundidad en el anexo B, sección B.2.
10
El acoplamiento backscattering consiste en que el lector envía una señal no modulada al tag
que es recibida por su antena, leída y modulada con la información del tag codificada. Luego el
tag retorna la señal modulada al lector, y éste último la demodula y decodifica, obteniendo la
información requerida en forma digital. Este tipo de acoplamiento se utiliza generalmente en
sistemas RFID activos que alcanzan mayores rangos de operación que los sistemas pasivos
convencionales [3].
Generalmente la información es enviada a un servidor utilizando alguna tecnología de
transmisión de datos por red fija (por ejemplo ADSL, cable módem) o inalámbrica (por ejemplo
WiFi), para ser manejada por un operador a través de una interfaz “amigable”.
Existen diversas clasificaciones para los sistemas RFID. La más utilizada se basa en el
modo de suministro de energía al tag :
• Pasivo: en un sistema pasivo, la energía electromagnética radiada por la estación base es
capaz de enviar energía suficiente para la electrónica del tag. El tag pasivo se activa sólo
cuando es “iluminado”, es decir, cuando se encuentra dentro de la zona de lectura del
lector [1]. Dado que no cuenta con energía propia, no es capaz de transmitir información a
grandes distancias, por lo que su alcance se limita a los 10m.
• Activo: en un sistema activo, la energía colectada por el tag y radiada por el lector no es
suficiente para realizar la lectura/escritura, por lo que una batería local es incluida en el
tag para suministrar energía a la electrónica local. Este tipo de sistema está siempre
funcionando o activo, y tiene un rango de alcance de 100m a 1000m, a una velocidad
máxima de 160km/hr. Los tags activos pueden ser leídos a grandes distancias, e incluso
pueden comunicarse con sistemas GPS (Global Positioning System) [5].
Cabe mencionar que no existe total consenso en cuanto al criterio para clasificar un
sistema RFID como pasivo o activo. De acuerdo a la definición anterior, está relacionado con el
modo en que se suministra energía al tag. Sin embargo, hay quienes definen un sistema pasivo
como un sistema en el que el tag transmite datos sólo si el lector se lo pide, mientras que un
sistema activo está transmitiendo todo el tiempo.
11
Además, existen algunas variaciones de los sistemas RFID pasivos y activos. Por ejemplo,
existen sistemas RFID pasivos asistidos por batería (Battery Assited Passive RFID, BAP), en los
cuales el tag tiene una batería local, sin embargo, el sistema no deja de ser pasivo, dado que el tag
se activa sólo cuando es iluminado, tal como sucede en un sistema pasivo convencional.
Las figuras 2.2 y 2.3 muestran diversos tipos y formas de los tags y lectores RFID.
Figura 2.2: Distintos tipos de tags RFID
(Fuente: Youbok Lee, Microchip Technology Inc., “RFID Tag and COB Development Guide with Microchip’s RFID devices”, Microchip Technology Inc., 2002)
Figura 2.3: Distintos tipos de lectores RFID
(Fuente: www.cathexis.com, www.feig.de )
12
Otra clasificación está relacionada con la frecuencia de operación del sistema [7]:
• LF (Low Frequency): en sistemas RFID de baja frecuencia usualmente se utiliza la banda
entre 125 y 134 KHz, y generalmente utilizan tags pasivos. Tienen una baja tasa de
transmisión de datos entre el lector y el tag, y operan adecuadamente en ambientes donde
hay metales, líquidos, suciedad o nieve.
• HF (High Frequency): utilizan típicamente la frecuencia de 13.56 MHz. Un sistema
RFID HF típico utiliza tags pasivos, y tienen una baja tasa de transmisión de datos entre el
lector y el tag, Operan adecuadamente en ambientes donde hay metales, líquidos,
suciedad o nieve.
• UHF (Ultra High Frequency): el rango de operación se encuentra entre los 300MHZ y
1GHz. Un sistema RFID UHF pasivo típicamente opera en los 915MHz en Estados
Unidos, y en 868MHz en Europa, mientras que un sistema activo típicamente opera en los
315MHz en Estados Unidos, y en 433MHz en Europa. Tiene una alta tasa de transferencia
de datos entre el tag y el lector, pero tienen dificultades de operación en ambientes donde
hay metales, líquidos, suciedad o nieve.
• Microondas: el rango de operación es por sobre 1GHz. Los sistemas RFID que operan en
rango microondas pueden utilizar tags pasivos y activos, y tienen la mayor tasa de
transferencia de datos entre el lector y el tag, pero tienen dificultades de operación en
ambientes donde hay metales, líquidos, suciedad o nieve.
2.2 ESTADO DEL ARTE Las aplicaciones de los sistemas RFID son tan variadas que recorren una amplia gama de
mercados: sistemas de peaje automático (en movimiento y a alta velocidad) en las carreteras,
monitoreo de maletas en los aeropuertos, control de acceso de vehículos y personas en áreas
restringidas, ubicación de libros en bibliotecas, manejo de inventarios, seguridad y defensa,
monitoreo de la cadena de suministro, y están surgiendo nuevas aplicaciones como pasaportes, y
en el futuro tarjetas de identificación [3].
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En la actualidad, la mayor aplicación del sistema RFID es el monitoreo de la cadena de
suministro (supply chain), donde los beneficios son significativos en cuanto a reducción en costos
de mano de obra, reducción de costos de inventario, automatización y aumento de la eficiencia de
procesos [7]. Sin embargo, se debe considerar que la adopción de los sistemas RFID traen como
consecuencia un costo de adaptación, ya que para una operación exitosa de RFID se debe incurrir
en rediseños y adaptaciones de sistemas existentes, especialmente por los grandes volúmenes de
datos que deben manejarse [8].
Grandes empresas han comenzado a adoptar el sistema RFID, brindando un gran respaldo e
impulso para el crecimiento de esta tecnología. Un ejemplo concreto es que la cadena más grande
de ventas minoristas (retail) de Estados Unidos, Wal-Mart, comenzó a exigir desde enero del
2005 a sus 100 mayores proveedores que rotularan con tags RFID todos los productos enviados a
sus centros de distribución. Una medida similar adoptó el Departamento de Defensa de Estados
Unidos (DoD) [9], y existen otras grandes compañías como Target, Tesco, Metro y Albertson's
que están impulsando la adopción de RFID [9].
El gran competidor del sistema RFID en la actualidad es el código de barras, que durante
años ha dominado el mercado la identificación automática. Defensores del código de barras
argumentan que RFID no provee de beneficios incrementales significativos, por lo que es difícil
argumentar grandes inversiones en la nueva tecnología [9]. Sin embrago, RFID representa una
mejora del código de barra en cuando a la comunicación de proximidad no óptica, la densidad de
información, y la capacidad de comunicación en dos direcciones [10]. Hay quienes afirman que
la transición a RFID no será rápida, por lo que queda aún un período en que deben coexistir
ambas tecnologías [8].
Las ventajas de los sistemas RFID sobre otras tecnologías se presentan en la tabla 1. Entre
ellas destacan: no requiere de línea vista para detectar a los tags, sino que con un arreglo de
antenas es posible detectar un objeto dentro del área de cobertura; no es direccional, a diferencia
del código de barras; los lectores alcanzan mayores rangos de operación; es capaz de detectar
objetos en movimiento a altas velocidades; permite almacenar una mayor cantidad de
información útil (del orden de MBytes); los tags pueden ser leídos en forma simultánea si se
utilizan tags y lectores anticolisión.
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Además se debe destacar la capacidad de los sistemas RFID de obtener información en
forma continua, la minimización del error humano y que los tags RFID ofrecen posibilidades
futuras registrar información tal como temperatura y localización [9].
Tabla 2.1: Comparación de las tecnologías de auto-identificación (Fuente: Patrick J. Sweeney, “RFID for Dummies”, Wiley Publishing, Inc., 2005)
Código de Barras Memoria de Contacto RFID Pasivo RFID Activo
Modificación de los datos Inmodificables Modificables Modificables Modificables
Seguridad de los datos Seguridad mínima Altamente
seguro Rango de mínima a altamente seguro Altamente seguro
Cantidad de datos
Códigos de barra lineales pueden soportar entre 8 y 30 caracteres; otros códigos de barra 2D soportan hasta 7200 números
Hasta 8MB Hasta 64KB Hasta 8MB
Costos Bajo (centavos de dólar o fracción c/u) Alto (más de 50
centavos de dólar c/u)
Medio (menos de 20-50 centavos c/u)
Muy alto (5-50 dólares por tag)
Estándares Estables y aceptados Propiedad, no estándar
Desarrollo a un estándar aceptado
Propiedad y desarrollo de estándares abiertos
Tiempo de vida Corto Largo Indefinido 3-5 años de vida de la
batería
Distancia de lectura Línea de vista (1-1,5 metros) Se requiere
contacto
No se requiere ni contacto ni línea de vista; distancia
de hasta 15 metros3
No se requiere ni contacto ni línea de vista; distancia de hasta 100 metros o más
Lectura simultánea Sólo uno a la vez Sólo uno a la vez
Un lector puede leer cientos de tags casi
simultáneamente4
Un lector puede leer cientos de tags casi
simultáneamente5
Potencial interferencia
Barreras ópticas como suciedad u objetos situados entre el tag y el lector
Obstrucción del contacto
Ambientes o campos que afecten la transmisión de
radio-frecuencia
Barreras limitadas si la señal emitida por el tag es
fuerte
Según las proyecciones actuales (año 2006), las tecnologías inalámbricas tendrían un
crecimiento promedio de un 28.1% anual entre el 2006 y el 2009. Este crecimiento está limitado
a ciertas aplicaciones, incluyendo monitoreo, recopilación de datos y programación, donde se
incluyen los sistemas RFID [11]. Los tags usados más ampliamente son los de clase 0 (son los de
menor costo), alcanzando más de 6 billones de unidades utilizadas anualmente. Le siguen los tags
pasivos de clase 1, y por último los de clase 2-4. Las predicciones indican que 10 billones de tags
serán usados anualmente desde el 2007, y un trillón hacia el 2015 [10].
3 Los tags pueden ser leídos a través de una variedad de condiciones ambientales desafiantes: nieve, hielo, niebla, pintura, mugre, dentro de containers y vehículos de almacenamiento. 4 Con un tiempo de respuesta de 100ms aproximadamente. 5 Con un tiempo de respuesta de 100ms aproximadamente.
15
La mayor limitante del sistema RFID para convertirse definitivamente en una tecnología
masiva, es el aún elevado valor de los tags que se encuentra entre 20 y 50 centavos de dólar [9].
En algunos casos esto puede no ser un aspecto de principal importancia, pero si se piensa por
ejemplo en reemplazar el código de barras de los productos en un supermercado por un tag, el
producto se encarece significativamente, ya que el tag supera en muchos casos el valor del
producto en sí. En este sentido, se están realizando esfuerzos para seguir reduciendo el tamaño
de los tags, y así poder superar la barrera del precio. Otra posibilidad es implementar más
funcionalidades en el chip de manera de ofrecer mayor cantidad de potenciales servicios,
reduciendo así el costo global del dispositivo [5].
Otra barrera importante para la penetración de los sistemas RFID es la falta de estándares
mundiales, lo que incluso ha provocado que muchas compañías hayan desistido de adoptar el
sistema RFID, ante el temor de que su sistema RFID no tenga valor en el futuro [8].
Las discusiones acerca de los estándares RFID comenzaron a surgir en la década del los 90
[12], pero han seguido un lento desarrollo. Las ventajas de tener un estándar internacional son
variadas: se garantiza la interoperabilidad entre tags y lectores de distintos fabricantes, se facilita
el crecimiento mundial del mercado RFID, y así aumenta la demanda de los dispositivos,
provocando una disminución sus costos. La principal dificultad para establecer estándares a
escala mundial es la asignación del espectro radio-eléctrico. Por ejemplo, en frecuencias UHF,
gran parte del espectro ya ha sido asignado a la telefonía celular y comunicaciones inalámbricas,
por lo que no existe una zona del espectro fija para RFID, y por otra parte, la asignación de
espectro depende fuertemente de las regulaciones locales, dificultando la interoperabilidad de
RFID entre una país y otro [8].
Las organizaciones más importantes involucradas en el desarrollo de estándares RFID son
EPCglobal (EPC: Electronic Product Code), que realizó su protocolo EPC clase 1 G2 a finales
del 2004, la ISO (International Standards Organization), que realizó su estándar 18000-6 en
agosto del 2004 [8], y la ANSI (American National Standards Institute) [10]. Algunos de los
estándares ya han sido adoptados por aplicaciones como monitoreo animal (ISO 11784 e ISO
11785) y monitoreo de la cadena de suministro (ISO18000-3 e ISO 18000-6) [10].
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En Chile, ya existen sistemas RFID para el cobro automático de peajes en las carreteras de
Santiago (TAG), en la red METRO y Transantiago para el cobro de pasajes (Tarjeta Multivía y
BIP6), se está implementando el sistema RFID en la nueva Biblioteca de Santiago [13], y ya
existen aplicaciones en la industria de la minería [14]. Además, desde octubre del 2005 ya existen
5 empresas autorizadas por el SAG (Servicio Agrícola y Ganadero) para distribuir DIIO
(Dispositivos de Identificación Individual Oficial) con sistema RFID para trazabilidad pecuaria
[15]. Se estima que para el año 2012, estará masificado el uso del RFID en Chile, desplazando al
código de barras [16].
En cuanto a la regulación nacional, SUBTEL tendrá que tomar las definiciones
correspondientes en nuestro país en forma oportuna para incentivar la pronta implementación de
esta tecnología en Chile. Ello es tremendamente importante dado el alto impacto económico que
esta tecnología pueda tener en relativo corto plazo.
6 En estricto rigor, las tarjetas Multivía del METRO y BIP difieren en cuanto a aspectos de seguridad con el sistema RFID tradicional. Para mayor información, ver [17].
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3. DISEÑO
3.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Los equipos a monitorear forman parte de las Redes de Control de la Unidad de
Automatización y Control de El Teniente. Se trata de equipos de telecomunicaciones: servidores,
routers y switches de comunicación, que se encuentran ubicados en racks de tamaño estándar, de
2m de altura y una base cuadrada de 19 pulgadas de ancho. Estos racks están ubicados en salas
especiales, y también hay algunos distribuidos en terreno en las instalaciones de El Teniente.
Los equipos ubicados dentro de los racks requieren de un monitoreo permanente (24 horas
al día, 7 días a la semana), requiriéndose además la obtención fácil de un inventario de los
equipos ubicados en racks de terreno, por medio de la utilización de un lector portátil o handheld.
Para ello, cada equipo electrónico de interés debe tener un tag que contenga la descripción
del equipo y su número identificador. La información de los eventos (se considera evento la
instalación de un equipo, el reemplazo de un equipo por otro, la remoción de un equipo de su
lugar para ser llevado al servicio técnico o para otro fin) asociados a cada equipo monitoreado
estará almacenada en una base de datos. Dicha información será enviada desde el tag a una base
de datos, utilizando como medio de transmisión la Red de Datos ya existente en El Teniente.
Por otra parte, existen otras variables relevantes que se desean monitorear, utilizando
sensores dentro de los racks: apertura de puerta del rack, temperatura al interior del rack y el
funcionamiento de la unidad de suministro de energía auxiliar, UPS.
18
Dado que es altamente probable que el sistema diseñado sufra modificaciones, como por
ejemplo, el aumento de las variables relevantes que serán monitoreadas, el sistema diseñado debe
ser modular y flexible, de modo de facilitar la integración de nuevas funciones.
3.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Para realizar una correcta selección de las componentes del sistema RFID, deben
1. Requerimientos de la aplicación: la aplicación determina qué objetos serán
monitoreados. En este caso particular, los equipos ubicados en racks, dentro de salas de
racks serán monitoreados permanentemente, similar a una aplicación de inventario, pero
además deben emitirse alarmas cuando abandonen la zona de lectura de los lectores. A
esto se suma, que para los equipos ubicados en los racks de terreno, se requiere obtener un
inventario con algún tipo de lector móvil.
2. Rango de lectura/escritura: el rango de lectura es la máxima distancia entre el tag y el
lector, desde la cual el tag pueda ser leído/escrito correctamente. El rango de lectura está
determinado principalmente por la frecuencia de operación y la potencia del lector
(también intervienen otros factores de menor relevancia como: el nivel de interferencia,
las funcionalidades del tag, la cantidad de datos almacenados, el tiempo de lectura, la
velocidad relativa entre el objeto con tag y el lector y el diseño de la antena). El rango de
escritura es aproximadamente un 70% del rango de lectura. En este caso los tags de los
equipos sólo serán leídos. Las dimensiones del rack donde se ubicará el sistema RFID son
conocidas, por lo que el rango de lectura máximo requerido son 2m, si se considera que el
lector estará en la parte superior del rack y el tag más lejano, en la parte inferior. En el
caso de los equipos ubicados en los racks de terreno, el rango de lectura variará de
acuerdo a las características de los lectores móviles disponibles en el mercado.
3. Rango de frecuencia: como se vio en la sección 2.1, existen 4 rangos de frecuencia. La
determinación de este parámetro está estrechamente ligada al rango de lectura requerido.
Los sistemas con un rango de lectura de hasta 1m, se conocen como sistemas de campo
cercano, y utilizan la banda LF y HF. Para sistemas con un rango de lectura mayor a 1m,
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se habla de sistemas de largo alcance o campo lejano, y generalmente utilizan las
frecuencias UHF y microondas. En el caso de que la aplicación requiera rangos de lectura
de corto y de largo alcance, se pueden utilizar lectores multi-frecuencia.
4. Funcionalidad del tag: como se vio en la sección 2.1, los tags se clasifican en pasivos y
activos, dependiendo de si cuentan o no con suministro propio de energía para la
electrónica del chip, lo que limita el rango de alcance del sistema, y además hace la
diferencia en cuanto al protocolo de comunicación que existirá entre el tag y el lector.
5. Condiciones ambientales: el funcionamiento del sistema RFID depende de los
materiales que se encuentren en la cercanía (líquidos y metales tienen efectos
especialmente considerables). Para distintas frecuencias de operación, los efectos son
distintos. En este caso particular, la presencia de metal (equipos y racks) debe ser
considerada. Además es fundamental conocer si existen fuentes de radio-transmisión en el
área donde se implementará el sistema RFID, dado que causan interferencias.
6. Capacidad de memoria del tag: este factor es importante al determinar el tipo de tag que
se utilizará, y por lo tanto su tamaño y precio. En el caso de esta aplicación, sólo es
relevante el número identificador único de los tags pertenecientes a cada equipo.
7. Movimiento de los objetos con tag: en algunas aplicaciones, los objetos identificados
están sujetos a movimiento, por lo que el tag tiene una orientación irregular con respecto
al lector, e incluso puede pasar de la zona de cobertura de un lector a la de otro. En el caso
de esta aplicación, los equipos tienen una ubicación fija dentro del rack, por lo que la
orientación del tag con respecto al lector no debería variar. En el caso de que se remueva
un equipo de un rack, el sistema sólo tiene que emitir una alarma de aviso.
3.3 SOLUCIÓN PROPUESTA
Como se especificó en la sección 3.1, hay dos tipos de rack: de interior y de terreno. En la
sección 3.3.1 se presenta la solución propuesta para los racks de interior, mientras que en la
sección 3.3.2, la solución para los racks de terreno.
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3.3.1 RACKS DE INTERIOR
Luego de estudiar las posibles soluciones para satisfacer los requerimientos del sistema de
monitoreo, se han seleccionado dos soluciones. Estas dos soluciones utilizan distintas tecnologías
RFID, dentro de la amplia variedad disponible, por lo que resulta interesante realizar una
comparación entre ellas para recomendar la más idónea para la aplicación específica de
monitorear equipos de manera remota. A continuación se presentan las dos propuestas.
3.3.1.1 SOLUCIÓN 1 Para la solución 1, se han seleccionado componentes RFID que operan en la banda HF
(específicamente en la banda 13.56MHz), y que pertenecen a un kit de desarrollo del proveedor
Texas Instruments (TI), además de las componentes que pertenecen al proveedor FEIG
Electronic. Este sistema es de tipo pasivo de corto rango (~1m), por lo cual se ha determinado
que para cubrir todas las zonas requeridas, son necesarias 4 antenas.
En este tipo de sistema RFID, la comunicación entre el tag y el lector se lleva a cabo
utilizando acoplamiento inductivo. Esto quiere decir, en términos generales, que la antena del tag
se acopla de manera inductiva con la antena receptora, de manera similar al caso de un
transformador. La antena receptora suministra la energía al tag para la electrónica del chip y para
realizar la transferencia de datos hacia el lector. La comunicación es iniciada por el lector, quien
a través de su antena envía una señal electromagnética al tag y lo activa. El tag recibe una porción
de la energía enviada por el lector (parte de la energía se pierde en el trayecto, y por la eficiencia
de la antena del tag), la rectifica para su funcionamiento interno, y devuelve su información
contenida en una señal modulada hacia el lector. El último proceso descrito se denomina
modulación de carga con subportadora7.
El detalle de las componentes necesarias para esta solución se presenta en la tabla 3.1.
La solución 1 contempla la utilización de 4 antenas para cubrir todo el rack, y la cantidad
especificada de tags es 8 (este valor es referencial, ya que la cantidad de tags está determinada
por la cantidad de equipos a monitorear). El multiplexor se utiliza como elemento intermedio
entre las antenas y el lector. De este modo, se evita tener un lector por cada antena, y sólo es 7 En la sección B.2 se aborda esta técnica con mayor detalle.
21
necesario tener uno. Las antenas se comunican con el multiplexor vía cables, y el multiplexor
entrega una señal al lector, proveniente de las 4 antenas. Finalmente, el lector se comunica por
una interfaz USB o RS232 con la red de datos, entrando la información al módulo de software del
sistema.
Tabla 3.1: Detalle de las componentes RFID8, solución 1
Componente Características Principales Cantidad Costo Unitario (US$)
Lector ID ISC.MR100-A (FEIG Electronics)
Frecuencia: 13.56MHz Potencia de transmisión: 1W +/- 2dB Interfaz de comm.: RS232/RS485 o USB Conexión: SMA de 50Ohm
1 380
Tag RI-I01-110A (Texas Instruments)
Frecuencia: 13.56MHz Nº ID de 32bits (read-only) Memoria programable de 256bits
8 0.50
Antena ID ISC.ANT 300/300-A (FEIG Electronics)
Frecuencia: 13.56MHz Rango de lectura: hasta 40cm Conexión: SMA de 50Ohm
4 300
Multiplexor ID ISC.ANT.MUX-A (FEIG Electronics)
Frecuencia: 13.56MHz Consumo de potencia: máximo 4W 2 entradas por conector tipo SMA de 50Ohm 8 salidas por conector tipo SMA de 50Ohm
1 1.360
En cuanto a la posición de cada elemento dentro del rack, los tags se ubican en la parte
posterior de cada equipo, mientras que las antenas se ubican en la cara posterior del rack (por
adentro) equidistantes unas de otras, de manera de que los tags queden de frente a las antenas.
Esto, porque de acuerdo a la literatura [1], es la posición ideal para la comunicación tag-antena.
El lector y el multiplexor se ubican en una bandeja, en la parte superior del rack.
Un esquema de la solución 1 se presenta en la figura 3.1
8 Para mayores especificaciones, consultar [18], [19], [20], [21].
22
Figura 3.1: Esquema solución 1, vista lateral
(Fuente: Elaboración propia)
Una característica importante de este sistema es que trae implementado un mecanismo para
resolver colisiones en el caso de que haya una multiplicidad de tags. Esta característica especial,
llamada Simultaneous IDentification SID, permite la lectura de múltiples tags simultáneamente, y
ofrece la capacidad de realizar inventarios en un tiempo muy corto.
3.3.1.2 SOLUCIÓN 2 Para la solución 2, se han seleccionado componentes RFID del fabricante ALIEN,
pertenecientes a un kit de desarrollo (código ALR-2850 DEVC) RFID de tipo BAP (Battery
Assisted Passive RFID Systems). La particularidad de este tipo de sistemas es que pese a que es
un sistema pasivo, los tags llevan una batería incluida, lo cual permite que el sistema tenga un
rango de alcance mucho mayor que un sistema pasivo convencional. Estas componentes operan
23
en la banda 2.45GHz (microondas), y constituyen un sistema de largo alcance (long-range), dado
que su rango es superior a 1m de distancia.
El sistema BAP de ALIEN utiliza el principio de backscattering modulado9 para realizar la
comunicación entre el lector y el tag. Esto significa que el tag refleja (o realiza un backscatter) la
señal de radio-frecuencia transmitida por el lector y adjunta su número identificador único (ID)
modulando la señal reflejada. El lector transmite una señal de onda continua de radio-frecuencia
dentro de la zona de lectura. Cuando un tag aparece dentro de esta área, modula esta señal de
onda continua en forma de unos y ceros que definen los datos digitales del tag. Dado que el tag
“habla” esencialmente reflejando la “voz” del lector, un tag que se comunica vía backscattering
es físicamente incapaz de comunicar datos fuera de la zona de lectura del lector.
Un esquema del proceso de comunicación tag-lector utilizando la técnica de backscattering
modulado se presenta en la figura 3.2.
Figura 3.2: Backscattering modulado
(Fuente: Nanoscanner Reader RFID PRIMER, Alien Technology, www.alientechnology.com)
9 En la sección B.2 se aborda esta técnica con mayor detalle.
24
En (a), se muestra el estado del lector y del tag cuando no hay comunicación entre ellos:
ambos están “durmiendo”. En (b) se muestra el intercambio de señales cuando se establece una
comunicación entre el lector y el tag: el lector inicia el intercambio enviando al tag una señal
“¿Cuál es tu nombre?” (el lector “ilumina” al tag); el tag recibe la señal “¿Cuál es tu nombre?” y
responde con “MI NOMBRE ES GORT”, señal que va modulada. En (c) se muestra que el lector
envía una señal no modulada, y que el tag responde con una señal digital modulada. Con este
esquema queda claro que el tag se comunica con el lector sólo si éste se lo pide, lo cual es una
característica de los sistemas RFID pasivos.
El detalle de las componentes RFID para la solución 2, se presenta a continuación en la
tabla 3.2.
Tabla 3.2: Detalle de las componentes RFID10, solución 2
Componente Características Principales Cantidad Costo Unitario (US$)
Lector B2450R01-A (ALIEN Technology)
Frecuencia: 2410MHZ-2471.64MHz Potencia de salida: 1W Interfaz de Comm: RS-232, LAN TCP/IP Entradas/Salidas: 2 coax antena, 8 logic I/O, puertos de comm., potencia
1 2.61811
Tag ALB-2480 (ALIEN Technology)
Frecuencia: 2410MHZ-2471.64MHz Asistidos por batería de 3V Rango: hasta 30m Número ID de 12bytes (memoria read-write)
Se puede ver que la cantidad especificada de tags es 8. Este es un valor referencial, dado
que la cantidad de tags involucrados en el sistema está relacionada con la cantidad de equipos a
monitorear dentro del rack. Los tags que utiliza esta solución tienen funcionalidades extra que los
tags pasivos convencionales. Son capaces de medir y registrar factores como la temperatura del
ambiente donde se encuentran.
10 Para mayores especificaciones, consultar [22]. 11 Costo del kit de desarrollo ALR-2850 DEVC (incluye tags, lector y antenas). 12 Costo del kit de desarrollo ALR-2850 DEVC (incluye tags, lector y antenas).
25
Este sistema utiliza dos antenas, porque una antena se utiliza exclusivamente para
transmisión y otra exclusivamente para recepción, y ambas van conectadas al lector.
Para que el sistema funcione correctamente, el tag debe estar dentro del área de cobertura,
tanto de la antena transmisora (la que “despierta al tag”), como de la antena receptora (quien
recibe los datos del tag), por lo que la disposición de las antenas dentro del rack es de suma
importancia. Se propone ubicar las dos antenas en la parte superior del rack, apuntando hacia
abajo (por la direccionalidad de éstas), y separadas por una distancia de a lo menos 50cm
(indicación del fabricante para evitar el fenómeno de crosstalk entre las antenas). El lector que va
conectado a ambas antenas debe estar ubicado cerca de éstas, debido a la conexión por cable
coaxial.
Figura 3.3: Esquema solución 2, vista posterior
(Fuente: Elaboración propia)
26
En cuanto a la posición de los tags con respecto a las antenas, se propone ubicarlos en la
parte posterior de los equipos, a una altura tal que queden dentro de la zona donde las antenas
emiten su mayor potencia.
Existen diversas configuraciones espaciales de las componentes RFID en las que se
cumplen las condiciones antes descritas. Se seleccionan dos posibles alternativas, que serán
evaluadas experimentalmente, y cuyos resultados se presentan en la sección 4.2. Un esquema de
las componentes RFID de la solución 2 se presenta en la figura 3.3.
Este sistema incluye un mecanismo de anticolisión que permite leer múltiples tags
simultáneamente. En términos generales, el procedimiento consiste en enviar una señal para
“despertar” a los tags, y luego identificar a cada uno de manera individual. Una vez que un tag ha
respondido al lector, se deja en modo “sleep” y se continúa con la identificación.
3.3.2 COMPARACIÓN DE LAS SOLUCIONES 1 Y 2
Las dos soluciones presentadas en la sección anterior tienen sus ventajas y desventajas,
por lo que se realiza una comparación de ellas para optar por la más idónea.
Ambos sistemas tienen potencia de salida de 1W. Sin embargo existe una gran diferencia
es su rango de alcance máximo. El rango de alcance de las antenas de la solución 1 es de 40cm,
mientras que para la solución 2, es de 30m. Esto tiene relación con el tipo de sistema RFID: la
primera solución es un sistema pasivo, la segunda solución es un sistema pasivo con tags
asistidos por batería. La batería que lleva integrada un tag pasivo está destinada a suministrar
energía al chip, y por lo tanto, la energía que proviene del lector (antena) se utiliza sólo para
transmitir datos. Esto explica porqué el sistema propuesto como solución 2 tiene un alcance
mucho mayor que la solución 1.
La solución 1 propone el uso de 4 antenas para cubrir toda el área requerida. Esto
constituye una desventaja importante con respecto a la solución 2, ya que pueden producirse
fuertes interferencias entre las antenas, alterando así el rango de lectura de cada una. En un caso
extremo, podría producirse un bloqueo tan importante entre las señales de las antenas, llegando a
una detección nula de los tags en la zona de lectura. La solución 2, en cambio, utiliza sólo dos
27
antenas: una para transmisión y otra recepción, por lo que los bloqueos de las señales disminuyen
considerablemente.
Además, dado que los tags de la solución 2 utilizan una batería, aún si se produjeran
interferencias entre las antenas, la potencia que requiere el tag para ser activado es muy baja
(~1µW), por lo que la atenuación no tendría un impacto tan importante en la capacidad de
detección de la antena. Los tags pasivos, en cambio, necesitan del orden de 100 µW para ser
activados, por lo que una disminución en la potencia radiada por la antena del lector es de gran
importancia. En este sentido, la solución 2 es mucho más robusta que la solución 1.
Por otro lado, los tags asistidos por batería ofrecen mayores funcionalidades que los tags
pasivos de la solución 1. Por ejemplo, pueden funcionar como sensores externos de humedad y
temperatura, aumentado así el rango de aplicaciones que puede tener el diseño.
El hecho de que los tags de la solución 2 sean asistidos por batería aumenta el rango de
alcance del sistema. Sin embargo, impone una restricción: la batería tiene un tiempo de vida
limitado, que usualmente es de unos 3 a 5 años, por lo que hay que considerar que deben ser
renovados. Considerando que las proyecciones indican que el precio de los tags seguirá bajando,
la reposición de los tags en el mediano plazo no debería ser de gran impacto. Además, como el
diseño está orientado a monitorear equipos de alto valor (no sólo económico, sino que también
por su relevancia en el proceso productivo, en algunos casos), el precio de los tags pasa a un
segundo plano ante la posibilidad de “perder” un equipo.
Como se especificó anteriormente, ambas soluciones traen implementados procedimientos
anticolisión, favoreciendo así, las lecturas simultáneas de los tags.
Como resultado de esta comparación entre las dos soluciones propuestas, se recomienda
implementar la solución 2, dado que presenta mayores ventajas y parece ser la más idónea para la
aplicación específica del diseño. Se requiere que el sistema sea lo más robusto posible, dada la
importancia de los equipos a monitorear.
28
Pese a que se selecciona la solución 2 como la más adecuada, no basta con el análisis de
las características del sistema para asegurar su correcto funcionamiento en la implementación
final. El funcionamiento de un sistema RFID puede variar severamente entre la teoría y la
práctica, ya que existen múltiples factores que intervienen. Por esta razón se somete el diseño de
la solución 2 a pruebas experimentales, donde se estudian las principales problemáticas que
pueden afectar al sistema.
En el capítulo 4 se presentan los resultados obtenidos de la evaluación experimental.
3.3.3 RACKS DE TERRENO
La forma en que se registrarán los eventos asociados a los racks de terreno, es un poco
distinta a la de los racks de interior. En el caso de los racks de terreno, un operador manejará un
lector móvil o handheld, con el cual podrá, por ejemplo, realizar rápidamente un inventario
leyendo de manera individual cada equipo con tag. En este tipo de rack, se elimina la posibilidad
de que existan colisiones entre lectores o entre tags en el momento en que se quiera realizar una
lectura.
El equipo handheld seleccionado es el modelo WorkAbout Pro C, del fabricante PSION
TEKLOGIX. Este equipo ofrece la capacidad de operar tanto en la banda LF, como en la banda
HF. Además, está diseñado para trabajar en ambientes hostiles, y es muy flexible en cuanto al
tipo de sistema operativo que utiliza y el procedimiento de transmisión de datos al host. En la
tabla 3.3 se presentan sus principales características, y su costo.
Tabla 3.3: Detalle del lector portátil (handheld) , racks de terreno13
Componente Características Principales Costo Unitario (US$)
Lector portátil WorkAbout Pro C (PSION TEKLOGIX)
Módulo HF: frecuencia 13.56 MHz Módulo MIFARE: frecuencia 13.56 MHz Módulo LF: frecuencia 125 KHz, 134.2 KHz Touch Screen a color 64 MBytes de memoria flash, 128 MBytes de memoria RAM Bluetooth integrado Sistema operativo: Microsoft Windows CE .NET 4.2, Windows Mobile 2003 SE
1.835
13 Para mayores especificaciones, consultar [23]
29
Para identificar los equipos dentro de los tags de terreno, se propone utilizar los tags
modelo RI-I01-110A de Texas Instruments (idénticos a los de la solución 1), que operan en la
banda HF, a 13.56MHz.
La figura 3.4 muestra el lector portátil seleccionado.
En un sistema RFID, existen diversos fenómenos de interferencia, debido a la interacción
entre las distintas componentes del sistema (tags y antenas). A continuación, se explican los tres
tipos principales de interferencia [26], [27], [28]:
1. Interferencia tag a tag: ocurre cuando múltiples tags responden al mismo lector en
forma simultánea, enviando sus señales respectivas de vuelta al lector (figura 4.5). Este
problema surge cuando se tienen distintos tags en la zona de lectura de un mismo lector,
por lo que el lector no es capaz de determinar cuál señal corresponde a qué tag.
Este efecto puede ser evitado si se tienen las respuestas de cada tag en tiempos
diferentes, para lo cual es necesario implementar algún algoritmo anticolisión.
Figura 4.5: Esquema de interferencia tag a tag.
35
2. Interferencia lector a tag: ocurre cuando un tag está en la zona de interrogación de
múltiples lectores, y más de un lector intenta comunicarse simultáneamente. La
interferencia se debe a la comunicación de más de un lector al mismo tag, al mismo
tiempo.
En la figura 4.6, el rango de lectura de ambos lectores se traslapa, por lo que las
señales provenientes de R1 y R2 podrían interferir al tag T1. En tal caso, T1 no puede
descifrar ninguna solicitud de lectura, por lo que no es leído ni por R1 ni por R2. Debido a
las colisiones de los lectores, R1 podría ser capaz de leer a T2 y T3, pero podría no ser
capaz de leer al tag T1, por lo que indicaría la presencia de 2 tags en vez de 3.
Este efecto puede ser evitado si se tienen lectores vecinos que operen a distintos
tiempos o distintas frecuencias, para lo cual se necesita algún algoritmo anticolisión.
Figura 4.6: Esquema de interferencia lector a tag
3. Interferencia lector a lector: ocurre cuando las señales de los lectores vecinos
interfieren. Hay interferencia entre la frecuencia de transmisión de un lector con la de otro
lector. En la figura 4.7, R1 cae en la región de interferencia del lector R2. La señal
reflejada que llega al lector R1 desde el tag T1 (cuando T1 responde a R1), puede ser
fácilmente distorsionada por las señales provenientes de R2. Se debe notar que este tipo
de interferencia es posible incluso cuando los rangos de lectura de ambos lectores no se
traslapan.
Este tipo de interferencia puede ser evitado si se tienen lectores vecinos que operan a
distintos tiempos o distintas frecuencias, para lo cual se necesita implementar algún
algoritmo anticolisión.
36
Figura 4.7: Esquema de interferencia lector a lector
Se han desarrollado diversos algoritmos anticolisión para evitar los problemas de
interferencia descritos. En sistemas RFID, se utilizan principalmente 3 tipos de técnicas
anticolisión16 [1]:
• SDMA (Space Division Multiple Access): técnicas que reusan ciertos recursos, en este
caso la capacidad de un canal, en áreas espacialmente separadas. Un ejemplo de esta
técnica aplicada a RFID, es reducir significativamente el rango de un lector, pero
compensarlo poniendo un gran número de lectores y antenas juntos, de manera de cubrir
toda el área.
• TDMA (Time Domain Multiple Access): técnicas en las que todo el canal disponible se
divide entre todos los participantes en forma cronológica. Estas técnicas de anticolisión
son las utilizadas más ampliamente en sistemas RFID.
• FDMA (Frequency Domain Multiple Access): técnicas en las cuales varios canales de
transmisión en varias frecuencias portadoras están disponibles simultáneamente para los
elementos que se comunican. Un ejemplo en RFID es utilizar tags con frecuencias de
transmisión anarmónicas (es decir, frecuencias completamente independientes entre sí),
ajustables en forma arbitraria.
Debido a que en el diseño realizado conviven varios tags con varias antenas, es esperable
que se produzcan interferencias, y por lo tanto habrá que determinar si es necesario incorporar
algún tipo algoritmo anticolisión. 16 En el anexo C se describen con mayor detalle estas tres técnicas anticolisión.
37
4.2 ANÁLISIS EXPERIMENTAL
El análisis experimental está orientado a testear el funcionamiento del módulo de
hardware del sistema de monitoreo RFID. Para tal efecto, se realizan pruebas de laboratorio con
las distintas componentes que conforman el diseño, dentro de un ambiente cuyas condiciones
sean lo más similares posibles al entorno de aplicación del sistema diseñado.
4.2.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS
Los experimentos que se realizan para testear el sistema son los siguientes:
1. Establecer el área de cobertura del lector: para determinar si los tags serán detectados
por el lector, se realiza un diagrama polar de la antena receptora del lector, de modo de
establecer el área de cobertura del sistema RFID. El resultado de este experimento servirá
ya sea para corroborar una buena lectura, o bien, para realizar los cambios necesarios en
el diseño.
2. Capacidad de obtener una lectura dentro del área de cobertura: en este caso se
realizan mediciones para el caso en que hayan varios tags dentro del área de cobertura de
una antena. Progresivamente se aumenta la cantidad de tags dentro del área de cobertura
de la antena, y se registra el porcentaje de aciertos (se considera acierto cuando todos los
tags son leídos correctamente). Cabe mencionar que la posición de los tags con respecto a
la antena receptora es aleatoria, y no se elige una posición preferencial. Este experimento
está orientado a estudiar los fenómenos de interferencia descritos en la sección 4.1.4.
3. Posición relativa del tag y antena: se ubica el tag en distintas posiciones con respecto a
la antena. Partiendo de la posición óptima (tag enfrente de la antena), se va rotando el tag
cada 10° hacia un lado de la antena, luego hacia el otro. En el caso de este diseño, los
equipos deberían estar la mayoría del tiempo en su posición fija. Sin embargo, existe la
posibilidad de que pierdan su posición original, afectando la orientación del tag.
4. Tags cerca de metal: Para determinar el funcionamiento de los tags cerca del metal, los
tags son ubicados sobre una placa de metal. Se aumenta progresivamente la distancia
entre la antena del lector y el tag, y se registra si la lectura es o no exitosa. Este
38
experimento está orientado a estudiar las distorsiones que produce el metal, presentadas
en la sección 4.1.3.
4.2.2 RESULTADOS
Se realizaron pruebas experimentales para la solución 2 con el kit de desarrollo del
proveedor ALIEN. Dichas pruebas se llevaron a cabo para dos configuraciones distintas,
utilizando las mismas componentes RFID, pero con una distribución distinta dentro del rack.
4.2.2.1 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 1 En esta configuración (figura 4.8), las antenas fueron ubicadas a una misma altura, a una
distancia de 70cm entre ellas (para respetar la distancia mínima de 50cm que indica el
proveedor). El tag fue ubicado a la misma altura de la antena receptora, de manera de captar la
máxima potencia posible. Tanto la antena receptora como la transmisora se comunican al lector
vía cable coaxial de manera independiente, mientras que el lector se conecta a través de una
interfaz RS232 al PC, donde se despliegan los datos.
Figura 4.8: Esquema de la configuración 1
(Fuente: Elaboración propia)
39
• Área de cobertura de la antena receptora, Diagrama polar En primer lugar, se determinó el alcance máximo de la antena receptora. Esto se realizó
variando la distancia entre el tag y la antena receptora, y verificando cada vez si la lectura del tag
era exitosa. Por limitaciones espaciales del área de experimentación, se llegó hasta una distancia
tag-antena de 8m. Sin embargo, de acuerdo a la información entregada por otros
experimentadores, se logró un alcance superior a 20m.
Para determinar el diagrama de radiación de la antena receptora, se realizaron mediciones
para distintas distancias17 entre el tag y la antena receptora (1m, 2m y 3m). Se utilizó un solo tag
y se fue variando en 10º el ángulo18 del tag con respecto a la antena. En total se varió 90º hacia la
derecha y hacia la izquierda del ángulo 0º19. Se registró el número de lecturas por segundo20, de
manera de obtener curvas de nivel para cada caso. Vale destacar que durante todo el experimento,
el tag y la antena receptora se encontraban en línea de vista, sin obstáculos de por medio.
Estas mediciones se realizaron cuando no había presencia de metal en el entorno cercano21
del tag y luego se repitieron cuando el tag se ubicó sobre una placa de metal de 0.25m2. En el
último caso, el objetivo del experimento es determinar el efecto del metal sobre el
funcionamiento del sistema, simulando la situación real donde funcionará el sistema
implementado.
Los datos obtenidos en esta experiencia se presentan en el anexo A, tabla A.1.
En los gráficos 4.1, 4.2 y 4.3 se presentan las curvas de nivel del patrón de radiación para
1m, 2m y 3m. Se graficó simultáneamente el caso en que no hay presencia de metal cerca del tag,
y el caso en que el tag está ubicado sobre una placa de metal.
El gráfico 4.1 muestra la característica direccional de la antena receptora. Se puede
identificar claramente un lóbulo principal de una amplitud de unos 50º, aproximadamente. De
17 Se consideraron distancias relativamente cercanas a la antena, dado que la aplicación del diseño es de rango intermedio, y por lo tanto distancias superiores no son relevantes para esta evaluación. 18 El ángulo 0º indica que la antena del lector y el tag están en la misma línea. El ángulo crece en dirección contraria a los punteros del reloj. 19 Se omite la medición del patrón de radiación posterior, ya que no es de relevancia para el análisis.. 20 El número de lecturas por segundo es un indicador de la potencia recibida por el tag en presencia del campo electromagnético de la antena del lector. 21 Pese a que en el entorno cercano del tag no había presencia de metal, sí había en su entorno lejano.
40
acuerdo a la información técnica entregado por el proveedor, el lóbulo principal del patrón de
radiación de la antena tiene un azimut de 55º (amplitud del lóbulo en el plano horizontal), y una
elevación 55º (amplitud del lóbulo en el plano vertical), por lo que la realidad se acerca bastante a
la especificación. Es posible identificar también dos lóbulos laterales (uno a cada lado del lóbulo
principal), el de la derecha de mucho mayor amplitud y potencia que el de la izquierda.
Teóricamente, debería presentarse una simetría del diagrama de radiación con respecto al eje de
la antena, sin embargo, en la práctica se presentan asimetrías debidas principalmente a
interferencias ambientales.
En cuanto al efecto de la presencia de metal en el entorno cercano del tag, el resultado que
se presenta es bastante esperable, de acuerdo a lo expuesto en la sección 4.1.3. La potencia
radiada por la antena es reflejada de manera importante, lo que en la práctica se traduce en una
disminución del rango de lectura del sistema.
Gráfico 4.1: Patrón de radiación. Curva de nivel 1m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin
presencia de metal
Si se comparan los gráficos 4.2 y 4.3 con el gráfico 4.1, se deduce que la potencia radiada
por la antena disminuye al aumentar la distancia, hecho que comprueba la proporcionalidad de la
potencia radiada con el inverso de la distancia que establece la teoría. Por otra parte, se puede ver
que el efecto de la presencia de metal en el entorno va en fuerte aumento conforme aumenta la
41
distancia, llegando a atenuar casi totalmente la potencia radiada por la antena, como muestra el
gráfico 4.3.
Gráfico 4.2: Patrón de radiación. Curva de nivel 2 m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin
presencia de metal
Gráfico 4.3: Patrón de radiación. Curva de nivel 3m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin
presencia de metal
Si bien en la implementación final de este diseño el máximo rango de lectura requerido no
es superior a 2m, la presencia de metal establece una fuerte limitación para el funcionamiento del
42
diseño. Un modo de disminuir este efecto es, si es posible, situar los tags a una cierta distancia
del material metálico, dejando un espacio de aire entremedio, o recubrir la superficie donde va
adherido el tag con algún material no conductor.
El efecto del metal en el entorno se puede observar con mayor claridad en el gráfico 4.4.
Se realiza una comparación entre el promedio de lecturas vs. la distancia, para el caso en que hay
presencia de metal, y el caso en que no. La diferencia entre ambas curvas es en promedio 8
lecturas por segundo, lo que representa aproximadamente un 18% de disminución de la exactitud
de lectura del sistema.
También se puede observar en el gráfico 4.4 que la dependencia entre el promedio de
lecturas y la distancia sigue una tendencia lineal. Esto podría servir de información útil si se
quisiera evaluar el comportamiento del sistema a mayores distancias.
Gráfico 4.4: Promedio de lecturas por segundo en función de la distancia. Comparación de los casos en
presencia de metal y sin presencia de metal
• Lecturas de tags simultáneamente Para determinar el funcionamiento del sistema cuando hay más de un tag en la zona de
lectura de la antena receptora, se utilizó prácticamente el mismo procedimiento descrito en la
sección anterior. La diferencia en este caso es que en vez de utilizar un solo tag, se utilizaron 3, 5
y 8 tags, ubicados de manera aleatoria sobre una placa metálica de 0.25m2. La distancia entre los
43
tags y la antena receptora es de 2m. Igual que en la prueba anterior, no había obstáculos entre la
antena y los tags.
Los datos obtenidos en esta experiencia se presentan en el anexo A, tabla A.2.
El gráfico 4.5 muestra una comparación de la tasa de lectura vs. el ángulo para 3, 5 y 8
tags. Se puede ver que la mayor tasa de lectura ocurre entorno al ángulo 0º, resultado esperable
dado que es la posición en que la antena radia mayor potencia, dada su característica direccional.
La tasa de lectura para 3 y 5 tags es bastante similar, mientras que para 8 tags, se produce una
baja considerable. Esto puede ser producto de la orientación de los tags con respecto a la antena
receptora. Los tags se ubicaron de manera aleatoria, no presentando una orientación preferencial,
por lo que la recepción de la potencia proveniente de la antena no es la óptima.
Gráfico 4.5: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 3, 5 y 8 tags. Distancia 2m
Con este resultado, se confirma que la posición óptima de los tags con respecto a la antena
del lector es enfrentándose directamente, de manera de que los tags puedan captar la máxima
potencia posible para ser activados.
Puede pensarse que esta baja en la tasa de lectura al aumentar el número de tags en la
zona de lectura es debido a colisiones. Sin embargo, el lector utilizado trae incorporado un
44
algoritmo anticolisión que al detectar un tag, lo deja en modo sleep y continúa con la detección
hasta identificarlos a todos.
En el gráfico 4.6 se realiza una comparación del promedio de la tasa de lectura vs. el
número de tags. La máxima lectura ocurre cuando hay 3 tags, y es cercana a un 70%, mientras
que la lectura mínima ocurre cuando hay 8 tags y es cercana a un 40%. Se puede ver que al
aumentar el número de tags, el promedio de lecturas disminuye, lo cual debe considerarse para
sistemas multitag como este. Una manera de aumentar la tasa de lecturas es procurar que cada tag
quede con la orientación óptima para ser leído por la antena del lector.
Gráfico 4.6: Promedio de la tasa de lectura en función del nº de tags. Distancia 2m
4.2.2.2 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 2 Como muestra el esquema de la figura 4.9, las antenas fueron ubicadas una sobre la otra,
separadas por una distancia de 50cm (para respetar la distancia mínima de 50cm que indica el
proveedor). El tag fue ubicado a la misma altura de la antena receptora, de manera de captar la
máxima potencia posible, y sin obstáculos entremedio. Al igual que para la configuración 1, tanto
la antena receptora como la transmisora se comunican al lector vía cable coaxial de manera
independiente, mientras que el lector se conecta a través de una interfaz RS232 al PC, donde se
despliegan los datos.
45
Figura 4.9: Esquema de la configuración 2
(Fuente: Elaboración propia)
• Área de cobertura de la antena receptora, Diagrama polar Para determinar el patrón de radiación con esta configuración, se siguió el mismo
procedimiento que para la configuración 1.
Los datos obtenidos se presentan en el anexo A, tabla A.3, y se representan en los gráficos
4.7, 4.8 y 4.9, para 1m, 2m y 3m, respectivamente.
El gráfico 4.7 muestra la característica direccional de la antena receptora. Se puede
identificar un lóbulo principal muy amplio, de unos 70º aproximadamente, un lóbulo lateral muy
amplio (derecha), y otro lóbulo lateral mucho menor (izquierda). La asimetría del diagrama con
respecto al eje de la antena, se debe a interferencias ambientales.
La presencia de metal afecta el patrón de radiación de la antena, provocando que la
potencia radiada disminuye considerablemente con respecto al caso en que no hay presencia de
metal.
46
Gráfico 4.7: Patrón de radiación. Curva de nivel 1m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin
presencia de metal
Los gráficos 4.8 y 4.9 muestran que el patrón de radiación mantiene la característica
direccional. Sin embargo, la cantidad de potencia radiada disminuye con el aumento de la
distancia, al igual que la amplitud del lóbulo principal que baja de 70º (gráfico 7) a 50º, tanto para
el caso en presencia de metal, como para el caso sin presencia de metal.
Gráfico 4.8: Patrón de radiación. Curva de nivel 2m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin
presencia de metal
47
Gráfico 4.9: Patrón de radiación. Curva de nivel 3m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin
presencia de metal
El gráfico 4.10 muestra que el promedio de lecturas por segundo disminuye con la
distancia, de manera aproximadamente lineal, y que ante la presencia de metal, el promedio de
lecturas disminuye en una unidad aproximadamente con respecto al caso de ausencia de metal.
Gráfico 4.10: Promedio de lecturas por segundo en función de la distancia. Comparación de los casos en
presencia de metal y sin presencia de metal
48
• Lecturas de tags simultáneamente Para determinar la tasa de lectura cuando hay más de un tag dentro de la zona de
interrogación del lector, se siguió el mismo procedimiento descrito anteriormente. Esta vez se
hicieron mediciones para distancias entre el lector y el tag, de 1m, 2m y 3m.
Los datos obtenidos se presentan en el anexo A, tabla A.4, A.5 y A.6 para 1m, 2m y 3m,
respectivamente.
El gráfico 4.11 muestra que para 3 tags, la tasa de lectura 100% a 1m de distancia se
extiende ±60º. Esto tiene relación con la característica de radiación a 1m (gráfico 4.8), donde se
presenta un lóbulo principal de gran amplitud. A medida que la distancia aumenta, el lóbulo va
disminuyendo su amplitud (gráficos 4.9 y 4.10), lo que explica la disminución del rango de
ángulos en que la tasa de lectura es igual a un 100%. Un comportamiento similar se presenta en
los gráficos 4.12 y 4.13, para 5 y 8 tags, respectivamente.
Gráfico 4.11: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 1m, 2m y 3m. Nº tags 3
49
Gráfico 4.12: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 1m, 2m y 3m. Nº tags 5
Gráfico 4.13: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 1m, 2m y 3m. Nº tags 8
El gráfico 4.14 muestra la variación del promedio de la tasa de lectura en función del
número de tags, para 1m, 2m, y 3m. Se puede verificar a medida que se aumenta el número de
tags, el promedio de lectura disminuye. Lo mismo ocurre ante un aumento de la distancia de
lectura.
50
Gráfico 4.14: Promedio de la tasa de lectura en función del nº de tags. Comparación para 1m, 2m y 3m.
4.2.3 COMPARACIÓN DE LAS CONFIGURACIONES 1 Y 2
De acuerdo a los resultados presentados en la sección anterior, se realiza una comparación
de las alternativas testeadas.
El patrón de radiación obtenido para ambas configuraciones es bastante similar, lo cual es
un resultado esperable dado que se trata de la misma antena. En ambos casos, se puede identificar
una fuerte direccionalidad, concentrándose la mayor potencia radiada ±30º con respecto al cero, y
la aparición de lóbulos laterales de radiación. Por otra parte, los niveles de potencia (lecturas por
segundo) son muy parecidos en ambas alternativas.
Las diferencias que se presentan pueden deberse a los niveles de interferencia existentes
durante las pruebas. Por ejemplo, había una red inalámbrica 802.11 (que opera en la banda de
2.45GHz, al igual que el sistema RFID en cuestión), activo en la zona de experimentación.
Por otra parte, una porción importante de las diferencias e irregularidades de los patrones
de radiación de las antenas, es responsabilidad de las reflexiones provenientes de los múltiples
objetos presentes en el área de experimentación. Dichas reflexiones pueden ya sea potenciar la
51
señal radiada o atenuarla22, y como resultado, el diagrama de radiación puede verse alterado con
respeto a la situación “ideal” (es decir, en ausencia de objetos reflectantes).
Si se compara el promedio de lecturas por segundo de las dos configuraciones, se puede ver
que la configuración 1 tiene un promedio mucho más alto que la configuración 2. Esta es una
gran ventaja, ya que significa que los tags reciben de manera más óptima la energía que proviene
de la antena del lector.
En cuanto al comportamiento del sistema cuando hay múltiples tags dentro de la zona de
lectura, la configuración 1 muestra una ventaja por sobre la configuración 2. Este es un punto
muy importante porque el diseño está orientado a aplicaciones donde coexisten varios equipos
con sus respectivos tags identificadores, y por lo tanto, es necesario tener la mayor tasa de lectura
posible de manera de asegurar que todos los equipos serán detectados cuando se desee.
4.3 ANÁLISIS TEÓRICO
Para hacer una proyección del funcionamiento del diseño en el caso de que se encuentren
varios racks con el sistema RFID dentro de una misma área (una sala de racks, por ejemplo), se
realiza un análisis teórico.
El aspecto en el que se centra este análisis, es la potencial interferencia que puede existir
entre las antenas de los distintos racks. Como primera aproximación, se puede decir que mientras
más alejado esté un rack de otro, la probabilidad de interferencia entre sus antenas será menor.
Utilizando como base el trabajo realizado por los autores K.S.Leong, M.L. Ng y P. Cole en
“The Reader Collision Problen in RFID Systems” [28], se determina la distancia mínima a la cual
deben ubicarse dos racks RFID, de modo de evitar interferencias entre sus antenas. Se considera
el caso de dos racks vecinos, y se calcula la distancia dr entre ellos. Para efectos de cálculo, se
toman el diseño presentado como la solución 2.
22 Para mayores detalles consultar el anexo B.1
52
Para un par de antenas sin pérdida en el espacio libre, con óptima orientación, se puede
reescribir la ecuación 4.1, de la forma: 2
4
=
dGG
PP
rtt
r
πλ (4.2)
Para el caso de sistemas RFID, Gt y Pt, corresponden a la ganancia y a la potencia
transmitida de la antena transmisora, respectivamente, mientras que Gr y Pr, corresponden a la
ganancia y a la potencia recibida de la antena receptora, respectivamente. Se puede aislar el factor 2
4
dπλ en la ecuación (4.2), de modo de conseguir una expresión para la pérdida en el espacio
libre, que corresponde a la pérdida que se produce en la transmisión de una onda cuando las
antenas transmisora y receptora no tienen pérdidas, y están con una orientación óptima.
Expresando este factor en dB, se tiene la expresión de pérdida de trayectoria en el espacio
libre:
=
λπddBPL 4log20)( 10 (4.3)
Utilizando la frecuencia de f=2.45GHz, λ=c/f=0.122m, para una separación de d=1m,
PL(dB)= 40.22dB. Este valor significa que para una distancia de 1m entre la antena transmisora
(lector) y la antena receptora (tag)
La pérdida en el espacio libre no considera pérdidas en el sistema, aparte de las pérdidas
por propagación. Las condiciones ambientales introducen pérdidas adicionales, por lo que debe
considerarse un factor adicional al presentado en la expresión 4.3. Un modelo que se puede
utilizar es el modelo log-distancia [29]:
+=
00 log10)()(
ddndPLdBPL (4.4)
donde d0 es una distancia de referencia escogida por el modelador, n es un valor que depende del
entorno y el tipo de edificio, y d es la distancia de separación entre las antenas. Por conveniencia,
se escoge d0=1m, y se asume PL(d0=1)=40dB, aproximadamente.
53
El valor de n debería obtenerse experimentalmente, pero se encuentra tabulado en [29]
para distintos ambientes. Se escoge n=4 de acuerdo a las condiciones del ambiente de
implementación de este diseño. Así, el modelo queda como:
+=
1log4040)( ddBPL (4.5)
Se considera el caso en que existen dos antenas idénticas que utilizan el mismo canal, y
cuya ganancia es la misma. Las antenas están ubicadas en forma paralela, a una misma altura del
suelo (figura 4.10). Dado el rango de alcance del sistema, es probable que ambas antenas reciban
la señal reflejada del tag. Sin embargo, dado que el tag corresponde al rack 1, no debería ser leído
por la antena receptora del rack 2. La secuencia de interrogación es la siguiente: la antena Tx del
rack 1, envía una señal que “despierta” al tag (camino 1), a lo cual, el tag responde reflejando la
señal que contiene su información. La señal reflejada por el tag se transmite de manera esférica,
por lo que es probable que la antena Rx del rack 2, reciba su respuesta y lo considere como leído
dentro del rack 2 (camino 3). Lo que se quiere, es que el tag interrogado figure como miembro
del rack 1 (camino 2). Para poder asegurar esto, se quiere encontrar la distancia dr mínima tal que
la señal reflejada hacia la antena Rx del rack 2 sea muy débil como para ser detectada.
Figura 4.10: Esquema de la interrogación de dos antenas receptoras a un mismo tag.
(Fuente: Elaboración propia)
54
La ganancia de todas las antenas (transmisoras y receptoras) es igual a 6dBi, y la ganancia
de la antena del tag es de 2dBi. La potencia máxima de transmisión de una antena es 30dBm, la
sección transversal de radar del tag (RCS) es de 20dBmetro2, y la sensibilidad mínima de la
antena receptora (Sr) es de 90dBm (valor mínimo requerido para que la antena receptora capte la
señal reflejada). Con estos valores23, se realiza un balance de potencia, utilizando la expresión de
pérdida 4.5, y dejando como incógnita la distancia entre los racks, dr. Se impone que el balance
de potencia sea igual a la sensibilidad mínima de la antena receptora, y se resuelve la ecuación
para dr. Además, se considera que la distancia del camino 1 y 2 es igual a h. La ecuación a
Sistemas de Acceso y Seguridad 3 1 1 1 1 20 27 600
Sistemas de Monitoreo 6 2 1 1 1 1 12 600
UPS 20 18 39 11 25 10 123 200
Access Point 75 27 2 30 56 40 230 150
24 Fuente interna de CODELCO-CHILE. 25 Fuente interna de CODELCO-CHILE. 26 Valores referenciales. Estimaciones en base a los precios disponibles en Internet.
58
A partir de la información de la tabla 5.1, se puede realizar una estimación de la inversión
total en equipamiento de infraestructura de red a nivel corporativo, calculando la suma del total
de equipos por su costo unitario. Esta cifra correspondería a US$1.353.500.
Utilizando la información de la tabla 5.1 y considerando una tasa de extravío/falla de
equipos de un 1%, con una depreciación del 50% al cabo de 2-3 años, el beneficio de incorporar
un sistema RFID podría ser entre un 0.57% y un 1.14% de la inversión en equipos de red, lo que
corresponde a un rango entre US$7.700 y US$15.400. Si ahora se considera una tasa de
extravío/falla de un 2%, el beneficio sería entre un 1.07% y un 2.15% (es decir, entre US$14.525
y US$29.050), mientras que para una tasa de un 3%, el beneficio sería entre un 1.55% y 3.1% (es
decir, entre US$20.950 y US$41.900) de la inversión en equipos de red. Se puede ver que en
todos los casos, el beneficio supera el 1%, que para una empresa de la importancia de
CODELCO-CHILE es muy relevante, dado que puede destinarse a la inversión o al
mejoramiento de otras áreas.
Cabe mencionar que para algunos de los equipos detallados, para efectos de cálculo debería
considerarse el valor del equipo como su costo, sumado a la pérdida generada por la falla o
extravío de éste. Esto es, porque algunos de estas componentes están involucradas en el proceso
productivo, y por lo tanto, la suspensión de su funcionamiento se traduce en una disminución en
la producción. En este caso entonces, el beneficio de implementar un sistema de monitoreo RFID
podría ser aún más elevado que el calculado anteriormente.
De las estimaciones anteriores, queda claro que las proyecciones de este prototipo de
convertirse en un producto exitoso son muy positivas, y por lo tanto sería beneficioso tanto para
el proveedor como para el consumidor, la implementación masiva de este sistema.
5.2 ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN
En esta sección se abordará el estudio de factibilidad de implementación de un sistema
RFID en una empresa. Se ha decidido centrar este estudio en dos aspectos que se han identificado
como los más críticos a la hora de tomar una decisión: la infraestructura tecnológica (se considera
que esta denominación agrupa a aspectos de tráfico, almacenamiento y procesamiento de datos) y
los recursos humanos. La implementación de un sistema RFID trae consigo la necesidad de
59
modificar y en algunos casos invertir en infraestructura y en recursos humanos, aparte de la
inversión realizada en el sistema RFID propiamente tal.
5.2.1 INFRAESTRUCTURA TECNOLÓGICA
En general, un sistema RFID va de la mano con un sistema de manejo de datos. La
información recopilada de los tags debe ser procesada para obtener información útil, por lo que la
red de datos, la unidad de almacenamiento y procesamiento de datos deben estar preparadas para
poder manejar un mayor volumen de información. Por lo tanto la implementación de un sistema
RFID debe considerar una inversión orientada a fortalecer o modificar o renovar la
infraestructura tecnológica disponible en el ambiente de implementación. Para el análisis, se parte
de la base que la empresa donde se planea implementar el sistema RFID, cuenta ya con una red
de datos, una base de datos y capacidad de procesamiento de información.
Es primordial tener en cuenta que el funcionamiento de un sistema RFID no sólo se define
por su módulo de hardware, sino que también por la forma en que se maneja la información. Más
aún, se puede decir que uno de los mayores valores de un sistema RFID es la posibilidad de
acceder a información que antes no se tenía, por lo que la implementación de un sistema RFID no
se justifica si no se contempla un diseño de la red de datos que permita obtener el mayor
beneficio posible. Una característica muy positiva de los sistemas RFID, es que está diseñado
para ser fácilmente integrable con una red pre-existente.
El tráfico generado por un sistema RFID se puede caracterizar por cada tag. La
comunicación entre la aplicación que maneja el sistema RFID y los tags se realiza cada un cierto
periodo de tiempo mínimo de monitoreo, vale decir, cada cuánto tiempo el sistema le pregunta al
tag si todavía se encuentra dentro del rango de lectura. Este tiempo es fijado de acuerdo a los
requerimientos de la aplicación, y es un parámetro programable. Puede tomar valores, por
ejemplo, de 1 minuto, 30 segundos o de 1 segundo. Así, sólo falta establecer el número de bytes
que se transmiten en cada comunicación con el tag. De acuerdo a la información proporcionada,
la cantidad de bytes por cada comunicación con un tag es:
• Subida (hacia el tag): 32 bytes
• Bajada (desde el tag): 160 bytes
60
Para estudiar el impacto de esta inyección de tráfico adicional a la red, se toma el peor
caso, es decir, el tráfico de bajada. Suponiendo, que en cada rack existen diez objetos con tag, y
que el número de racks es mil, el tráfico total que se genera sería:
La intensidad del campo de una antena a lo largo del eje x de la bobina sigue la relación
1/d3 en el campo cercano. Esto corresponde a una disminución de 60dB por década (de distancia).
En cuanto a la transición al campo cercano, la disminución se atenúa porque después de la
separación del campo desde la antena, sólo la atenuación en el espacio libre de las ondas
electromagnéticas es relevante en la intensidad del campo. La intensidad de campo decrece sólo
de acuerdo a la relación 1/d a medida que la distancia crece. Esto corresponde a una disminución
de 20dB por década.
B.1.2 POLARIZACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
La polarización de una onda electromagnética está determinada por la dirección del
campo eléctrico. Se hace la diferencia entre polarización lineal y polarización circular. En
polarización lineal, la dirección de las líneas del campo eléctrico E en relación a la superficie de
la tierra provee la distinción entre polarización horizontal (las líneas del campo eléctrico son
paralelas a la superficie de la tierra) y vertical (las líneas del campo eléctrico corren en ángulo
recto con respecto a la superficie de la tierra).
Así que, por ejemplo, la antena dipolo es linealmente polarizada y las líneas del campo
eléctrico corren paralelas al eje del dipolo. Una antena dipolo montada en ángulo recto con
respecto a la superficie de la tierra genera un campo electromagnético verticalmente polarizado.
La transmisión de energía entre dos antenas linealmente polarizadas es óptima si las dos
antenas tienen la misma dirección de polarización. Por el contrario, la transmisión de energía
tiene su punto más bajo cuando las direcciones de polarización de las antenas transmisora y
receptora están ubicadas exactamente 90º o 270º, una con respecto a la otra (por ejemplo, una
antena vertical y un a horizontal). En esta situación, una disminución adicional de 20dB debe ser
considerada en la potencia de transmisión, debido a las pérdidas por polarización. Es decir, la
antena receptora atrae sólo un 1/100 de la máxima potencia posible desde el campo magnético
emitido.
En sistemas RFID, generalmente no hay una relación fija entre la posición de la antena del
tag y la del lector. Esto puede llevar a fluctuaciones en el rango de lectura, que son grandes e
76
impredecibles. Este problema es mejorado con el uso de antenas de lector de polarización
circular. El principio de generación de polarización circular se muestra en la figura B.1: dos
dipolos están ubicados en forma de cruz. Uno de los dos dipolos es alimentado por una línea con
90º de retardo. La dirección de polarización del campo electromagnético generado de esta forma
se rota 360º cada vez que el frente de onda se mueve hacia delante una longitud de onda. La
dirección de rotación del campo se puede determinar por el retardo de la línea de alimentación.
Se hace la diferencia entre polarización circular de mano derecha y polarización circular de mano
izquierda.
Figura B.1: Definición de la polarización de las ondas electromagnéticas
Debería tomarse en cuenta una pérdida de 3dB entre una antena de polarización circular y
una de polarización lineal; sin embargo, esto es independiente de la dirección de la polarización
de la antena receptora (por ejemplo, del tag).
B.1.3 REFLEXIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Una onda electromagnética emitida por una antena al espacio, encuentra distintos objetos.
Parte de la energía de alta frecuencia que llega a los objetos es absorbida por el mismo, y
convertida en calor; el resto es reflejada (scattered) en muchas direcciones con una intensidad
variable.
Una pequeña parte de la energía reflejada encuentra un camino de vuelta hacia la antena
transmisora. La tecnología de radar utiliza estas reflexiones para medir la distancia y la posición
de objetos distantes (figura B.2).
77
Figura B.2: La reflexión de un objeto distante se utiliza también en la tecnología radar.
En sistemas RFID, la reflexión de ondas electromagnéticas (sistemas backscatter,
reflexión de sección transversal de radar ‘modulated radar cross-section’) se utiliza para la
transmisión de datos desde el tag hacia el lector. Dado que las propiedades de reflexión de los
objetos generalmente aumentan con el aumento de la frecuencia, estos sistemas son utilizados
principalmente en los rangos de 868MHz (Europa), 915MHz (EE.UU.), 2.45GHz y más.
Consideremos ahora las relaciones en sistemas RFID. La antena del lector emite una onda
electromagnética en todas las direcciones del espacio, con una potencia de transmisión PEIRP. La
densidad de radiación S que llega a la posición del tag se puede calcular fácilmente utilizando la
ecuación B.1:
24 rPS EIRP
π= (B.1)
La antena del tag refleja una potencia PS que es proporcional a la densidad de potencia S y
a la llamada sección transversal de radar σ (radar cross-section):
SPS ·σ= (B.2)
La onda electromagnética se propaga también en el espacio esféricamente desde el punto
de reflexión. Así, la potencia radiada de la onda reflejada también decrece en proporción al
cuadrado de la distancia (r2) desde la fuente de radiación (es decir, de reflexión). La siguiente
densidad de potencia retorna finalmente a la antena del lector:
422222 ·)4(·
4·
44·
4 rP
rrP
rS
rPS EIRPEIRPS
back πσ
πσ
ππσ
π==== (B.3)
La sección transversal de radar σ (RCS o apertura scatter) de una medida de cuán bien
una objeto refleja las ondas electromagnéticas. La sección transversal de radar depende de una
78
serie de parámetros tales como el tamaño del objeto, la forma, el material, la estructura de
superficie, y también de la longitud de onda y la polarización.
La sección transversal de radar sólo puede ser calculada precisamente para superficies
simples como esferas, superficies planas y similares. El material también tiene una influencia
significativa. Por ejemplo, las superficies metálicas reflejan mucho mejor que el plástico o
materiales compuestos. Dado que la dependencia de la sección transversal de radar con la
longitud de onda es muy fuerte, los objetos se dividen en tres categorías:
• Rango Rayleigh: la longitud de onda es grande comparada con las dimensiones del
objeto. Para objetos más pequeños que alrededor de la mitad de la longitud de onda,
σ muestra una dependencia con λ−4, y entonces las propiedades reflectantes de un objeto
más pequeño que 0.1λ pueden ser completamente obviadas en la práctica.
• Rango de resonancia: la longitud de onda es comparable con las dimensiones del objeto.
La variación de la longitud de onda causa que σ fluctúe unos pocos decibeles entorno al
valor geométrico.
• Rango óptico: la longitud de onda es pequeña comparada con las dimensiones del objeto.
En este caso, sólo la geometría y la posición (ángulo de incidencia de la onda
electromagnética) del objeto tiene influencia sobre σ.
Los sistemas RFID que utilizan backscatter emplean antenas con distintas formatos de
construcción como áreas de reflexión. Por lo tanto, las reflexiones en los tags ocurren
exclusivamente en el rango de resonancia. Para entender y realizar cálculos sobre estos sistemas,
se necesita conocer la sección transversal de radar de una antena resonante.
B.1.4 REFLEXIÓN Y CANCELACIÓN
El campo electromagnético emitido por un lector no es sólo reflejado por un tag, sino que
también por objetos en la vecindad cuya dimensión es mayor que la longitud de onda del campo
λ0. Los campos reflejados son superpuestos sobre el campo inicialmente emitido por el lector.
Esto conduce a conduce alternadamente a una disminución, o también llamada cancelación
79
(superposición anti-fase), y a una amplificación (superposición en fase) del campo en intervalos
de λ0/2. La ocurrencia simultánea de muchas reflexiones individuales, de distinta intensidad y a
diferentes distancias del lector, conduce a una propagación muy errática de la intensidad del
campo E entorno al lector, con muchas zonas de cancelación local del campo. Tales efectos
deberían ser esperables particularmente en un ambiente que contenga grandes objetos de metal,
por ejemplo, en una operación industrial (máquinas, cañerías de metal, etc.)
En la vida común, estos efectos están presentes todo el tiempo. En áreas urbanas, no es
extraño encontrar que cuando se detiene un auto en el semáforo, se está en una "vacío de radio"
(es decir, cancelación local) y lo único que se puede escuchar en la radio es ruido. La experiencia
muestra que generalmente es suficiente con mover el auto una pequeña distancia, dejando así el
área de cancelación local, y la transmisión se reanuda.
En los sistemas RFID, estos efectos son mucho más quebrantadores, dado que el tag
podría no tener potencia suficiente para operar si está dentro de una zona de intensidad de campo
mínima. La figura B.3 muestra el resultado de la medición de la intensidad del campo del lector E
a una distancia creciente de la antena de transmisión, cuando existen reflexiones en el entorno
cercano del lector.
Figura B.3: La superposición del campo emitido originalmente con las reflexiones ambientales
conduce a cancelaciones locales. Eje x: distancia desde la antena del lector, eje y: atenuación en decibeles
80
B.1.5 ANTENAS Las leyes de la física dicen que la radiación de ondas electromagnéticas puede ser
observada en todos los conductores que llevan voltaje y/o corriente. En contraste a estos efectos,
que tienden a ser parásitos, una “antena” es una componente en la cual ha sido fuertemente
optimizada la radiación o recepción de ondas electromagnéticas, para ciertos rangos de
frecuencia, por una sintonía fina o propiedades de diseño. El comportamiento de una antena
puede ser predicho precisamente, y está matemáticamente definido exactamente.
B.1.5.1 GANANCIA Y EFECTO DIRECCIONAL La potencia PEIRP (Effective Isotropic Radiated Power) emitida desde un emisor isotópico a
una distancia r se distribuye de una matera completamente uniforme sobre el área de una
superficie esférica. Si se integra la densidad de potencia S de una onda electromagnética sobre
toda el área de una superficie esférica el resultado que se obtiene es la potencia PEIRP emitida por
un emisor isotrópico.
∫ ⋅=esferaAEIRP dASP (B.4)
Sin embargo, una antena real, por ejemplo un dipolo, no radia la potencia suministrada
uniformemente en todas direcciones. Por ejemplo, una antena dipolo no radia potencia en la
dirección axial con respecto a la antena.
La ecuación (B.4) se aplica para todos los tipos de antena. Si la antena emite la potencia
suministrada con una intensidad variable en diferentes direcciones, entonces la ecuación (B.4)
sólo se satisface si la densidad de radiación S, es mayor en la dirección preferida de la antena que
la que sería para un emisor isotrópico. La figura B.4 muestra el patrón de radiación de una antena
dipolo en comparación al de un emisor isotrópico. El largo del vector G(Θ) indica la densidad de
radiación relativa en la dirección del vector. En la dirección principal de radiación (Gi) la
densidad de radiación puede ser calculada como sigue:
21
4 rGPS i
⋅⋅
=π
(B.5)
81
donde P1 es la potencia suministrada a la antena, Gi es la ganancia de la antena e indica el factor
por el cual la densidad de radiación S, es mayor que la de un emisor isotrópico a la misma
potencia de transmisión.
Figura B.4: Patrón de radiación de una antena dipolo en comparación al patrón de radiación de un emisor
isotrópico.
Un término de radio tecnología importante es la potencia EIRP:
iEIRP GPP ⋅= 1 (B.6)
La potencia EIRP indica la potencia de transmisión que tendría que ser suministrada a un
emisor isotrópico (es decir, Gi=1) para generar una potencia de radiación definida, a una distancia
r. A una antena con ganancia Gi podría por lo tanto sólo proveérsele una potencia de transmisión
P1 menor que este factor, para que el límite especificado no exceda:
i
EIRP
GPP =1 (B.7)
B.1.5.2 EIRP Y ERP En adición a la expresión de potencia EIRP, frecuentemente también se utiliza la
expresión ERP (Equivalent Radiated Power) en regulaciones de radio y en la literatura técnica.
En contraste con la EIRP, la potencia ERP se relaciona más bien con una antena dipolo que con
un emisor esférico. La potencia ERP expresa la potencia de transmisión a la cual una antena
dipolo debe ser alimentada para generar una potencia de emisión definida a una distancia r. Dado
82
que la ganancia de una antena dipolo (Gi = 1.64) con respecto a un emisor isotrópico es conocida,
es fácil convertir entre ambas expresiones:
64.1⋅= ERPEIRP PP (B.8)
B.2 OPERACIÓN PRACTICA DE LOS SISTEMAS RFID
B.2.1 ZONA DE INTERROGACIÓN DE LOS LECTORES
En general, para realizar los cálculos que involucran la intensidad del campo magnético H
generado por la antena del lector, se asume implícitamente que existe un campo magnético
homogéneo, paralelo al eje x de la bobina del tag. En la figura B.5 se puede observar que lo
anterior sólo se aplica cuando las bobinas del lector y del tag tienen un eje central x común. Si el
tag se inclina con respecto a su eje central o se desplaza en la dirección de los ejes y o z, la
condición de un eje común x ya no se cumple.
Figura B.5: Sección transversal de las antenas del lector y del tag. La antena del tag está
inclinada un ángulo ϑ con respecto a la antena del lector.
Si una bobina es magnetizada por un campo magnético H, que está inclinado un ángulo ϑ
con respecto al eje central de la bobina, entonces en términos muy generales, se aplica lo
siguiente:
)cos(00 ϑϑ ⋅= uu (B.9)
83
donde u0 es el voltaje inducido cuando la bobina se encuentra perpendicular al campo magnético.
A un ángulo ϑ = 90°, en cuyo caso las líneas de campo circulan en el plano de la bobina, no
existe voltaje inducido en la bobina.
Como resultado de la flexión de las líneas de campo magnético en toda el área alrededor de
la bobina del lector, aquí también hay diferentes ángulos ϑ del campo magnético H con respecto
a la bobina del tag. Esto da lugar a una zona de interrogación característica (figura B.6, área gris)
alrededor de la antena del lector.
Figura B.6: Zona de interrogación de un lector para distintas alineaciones de la bobina del lector.
En las áreas con un ángulo ϑ = 0° con respecto a la antena del tag, por ejemplo a lo largo
del eje x de la bobina, o al lado de la antena, es donde se presenta el rango óptimo. En las áreas en
que las líneas del campo magnético son paralelas al plano de la bobina del tag, el rango de lectura
es significativamente más reducido. Si el tag es rotado en 90°, emerge una nueva zona de
interrogación, completamente distinta (figura B.6, línea punteada). Las líneas de campo que van
paralelas a plano R de la bobina del lector, penetran la bobina del tag a un ángulo ϑ=0°, y así se
logra un rango óptimo en esta área.
Los tags utilizados en sistemas RFID usan un microchip electrónico como elemento
portador de datos (en contraste con los tags de 1 bit). Para leer o escribir al dispositivo que
almacena los datos, debe ser posible transferir datos entre el tag y el lector. Esta transferencia se
84
realiza de acuerdo a uno de estos dos métodos: procedimientos full y half duplex, y sistemas
secuenciales [1]. En las secciones B.2.2 y B.2.3 se describen el acoplamiento inductivo y el
acoplamiento backscattering, respectivamente, dado que son los métodos que utilizan las dos
soluciones propuestas en este trabajo.
B.2.2 ACOPLAMIENTO INDUCTIVO
En los procedimientos half duplex (HDX) la transferencia de datos desde el tag hacia el
lector se alterna con la transferencia de datos desde el lector hacia el tag. A frecuencias bajo los
30MHz, se utiliza el procedimiento de modulación de carga, ya sea con o sin subportadora, lo que
implica una circuitería simple.
B.2.2.1 SUMINISTRO DE ENERGÍA AL TAG Un tag inductivamente acoplado está compuesto de un dispositivo electrónico que almacena
datos, usualmente un solo microchip, y una bobina de área grande que funciona como una antena.
Los tags de acoplamiento inductivo son casi siempre operados pasivamente. Esto significa
que toda la energía necesaria para la operación del microchip debe ser suministrada por el lector
(figura B.7). Para este propósito, la bobina de la antena del lector genera un campo
electromagnético fuerte, H, de alta frecuencia, que penetra la sección transversal del área de la
bobina y el área alrededor de la bobina.
Figura B.7: Suministro de potencia a un tag desde la energía del campo magnético alternante generado por
el lector. Acoplamiento inductivo
Dado que la longitud de onda del rango de frecuencia utilizado (<135KHz: 2400m,
13.56KHz: 22.1m) es varias veces mayor que la distancia entre la antena del lector y el tag, el
85
campo electromagnético puede ser tratado como un simple campo magnético alternante,
respetando la distancia entre el tag y la antena (a partir de una cierta distancia entre tag y lector se
produce la transición de campo cercano a campo lejano).
Una pequeña parte del campo emitido penetra la bobina de la antena del tag, que está
distanciada de la bobina del lector. Un voltaje Ui es generado en la bobina de la antena del tag,
por una inductancia. Este voltaje es rectificado y sirve como suministro de energía para el
microchip. Se conecta en paralelo con la bobina de la antena del lector un condensador Cr, cuyo
valor es seleccionado tal que funcione con la inductancia de la bobina de la antena del lector
como un circuito en paralelo resonante, con una frecuencia de resonancia que corresponde a la
frecuencia de transmisión del lector. Se generan corrientes muy elevadas en la bobina de la
antena del lector por la resonancia “elevadora” en el circuito paralelo resonante, lo cual puede ser
utilizado para generar la fuerza de campo necesaria para la operación del tag remoto.
La bobina de la antena del tag y el condensador C1 forman un circuito resonante sintonizado
a la frecuencia de transmisión del lector. El voltaje U en la bobina del tag alcanza un máximo
debido a la resonancia elevadora en el circuito paralelo resonante.
La eficiencia de la potencia transferida entre la bobina de la antena del lector y el tag es
proporcional a la frecuencia de operación f, el número de vueltas n, el área A encerrada por la
bobina del tag, el ángulo relativo entre ambas bobinas y la distancia entre ambas bobinas.
Cuando la frecuencia f aumenta, la inductancia de la bobina del tag, y por lo tanto el
número de vueltas n, disminuye (135KHz: típico 100-1000 vueltas, 13.56MHz: típico 3-10
vueltas). Dado que el voltaje inducido en el tag es proporcional a la frecuencia f, el número
reducido de vueltas afecta apenas afecta la eficiencia de la potencia transmitida a mayores
frecuencias.
B.2.2.2 TRANSFERENCIA DE DATOS TAG LECTOR • Modulación de carga
Los sistemas de acoplamiento inductivo están basados en un acoplamiento tipo
transformador entre la bobina del primario en el lector y la bobina del secundario en el tag. Esto
86
es correcto cuando la distancia entre las bobinas no excede 0.16λ, de modo que el tag está dentro
del campo cercano de la antena transmisora.
Si un tag resonante (es decir, un tag con una frecuencia de resonancia propia que
corresponde a la frecuencia de transmisión del lector) es ubicado dentro del campo magnético
alternante de la antena del lector, gana energía del campo magnético. La respuesta resultante del
tag a la antena del lector puede ser representada como la “impedancia transformada” ZT en la
bobina de la antena del lector. Conmutando una carga resistiva entre on y off produce un cambio
en la impedancia ZT, y así el voltaje cambia en la antena del lector. Esto tiene el efecto de una
modulación de amplitud del voltaje UL en la bobina de la antena del lector, por el tag remoto. Si
la sincronización (timing) con la cual se conmuta la carga resistiva entre on y off es controlado
por datos, estos datos pueden ser transferidos desde el tag al lector. Este tipo de transferencia de
datos se llama modulación de carga (load modulation).
Para recuperar los datos en el lector, el voltaje que llega a la antena del lector es rectificado.
Esto representa la demodulación de una señal modulada en amplitud.
• Modulación de carga con subportadora
Debido al acoplamiento débil entre la antena del lector y la antena del tag, las
fluctuaciones de voltaje en la antena del lector, que representan la señal útil, son más pequeñas en
unos cuantos órdenes de magnitud que el voltaje de salida del lector.
En la práctica, para un sistema de 13.56MHz, dado un voltaje de antena aproximado de
100V (voltaje elevado por resonancia), se puede esperar una señal útil de alrededor de 10mV
(=80dB razón señal a ruido). Dado que la detección de estos leves cambios requiere de una
altamente complicada circuitería, se utilizan las bandas laterales de modulación creadas por la
modulación en amplitud del voltaje de la antena.
Si la carga resistiva adicional es conmutada entre on y off a una frecuencia elemental fs muy
alta, entonces se crean dos líneas espectrales a una distancia de ± fs alrededor de la frecuencia de
transmisión del lector fREADER (figura B.8), y estas pueden ser detectadas fácilmente (sin embargo,
fs debe ser menor a fREADER). En la terminología de radio tecnología, la nueva frecuencia
elemental es llamada “subportadora”. La transmisión de datos se realiza por modulación ASK
87
(Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) o PSK (Phase Shift Keying) en el tiempo
de la subportadora con el flujo de datos. Esto representa una modulación de amplitud de la
subportadora.
La modulación de carga con una subportadora crea dos bandas laterales de modulación en
la antena del lector, a la distancia de la frecuencia de la subportadora alrededor de la frecuencia
de operación fREADER. Estas bandas laterales de modulación pueden ser separadas de una señal
significativamente fuerte del lector, por un filtro pasabanda en una de las dos frecuencias fREADER
± fs. Una vez que ha sido amplificada, la señal subportadora, es muy fácil de demodular.
Figura B.8: La modulación de carga crea 2 bandas laterales a una distancia fs de la frecuencia de la
subportadora, alrededor de la frecuencia de transmisión del lector. La verdadera información está contenida en las bandas laterales, que son creadas por la modulación de la subportadora.
Dado el gran ancho de banda requerido para transmitir la subportadora, este procedimiento
puede ser usado sólo en los rangos de frecuencia ISM (Industrial Scientific and Medical) para los
cuales esté permitido, 6.78MHz, 13.56MHz y 27.125MHz.
La pérdida en el espacio libre es una medida de la relación entre la potencia emitida por
un lector en el “espacio libre” y la potencia recibida por el tag.
Utilizando tecnología de semiconductores de baja potencia, pueden producirse chips con
un consumo de potencia no mayor que 5µW. La eficiencia de un de un rectificador integrado se
puede asumir como un 5-25% en el rango UHF y microondas. Dada una eficiencia de un 10%, se
requiere entonces una potencia Pe=50µW en el terminal de la antena del tag para la operación del
89
chip del tag. Esto significa que cuando la potencia de transmisión del lector es Ps=0.5W EIRP, la
pérdida de en el espacio libre no podría exceder los 40dB (Ps/Pe=10000/1) si es necesario obtener
una potencia suficientemente alta en la antena del tag para su operación. Como muestra la tabla
B.2, a una frecuencia de transmisión de 868MHz, sería realizable un rango de un poco más de
3m; a 2.45GHz, se podría alcanzar sobre 1m. Si el chip del tag tiene un consumo de potencia muy
grande, por consiguiente el rango alcanzable caería.
Tabla B.2: Pérdida en el espacio libre, aF a diferentes frecuencias y distancias. Se asumió que la ganancia de la antena del tag es 1.64 (dipolo), y de la antena del lector es 1 (emisor isotrópico)
Distancia r 868MHz 915MHz 2.45GHz 0.3m 18.6 dB 19.0 dB 27.6 dB 1m 29.0 dB 29.5 dB 38.0 dB 3m 38.6 dB 39.0 dB 47.6 dB 10m 49.0 dB 49.5 dB 58.0 dB
Para poder alcanzar mayores rangos de más de 15m, o para poder operar un chip con un
mayor consumo de potencia a un rango aceptable, los tags que utilizan backscatter generalmente
poseen una batería de respaldo para suministrar potencia al chip del tag. Para prevenir que esta
batería se descargue innecesariamente, el microchip posee generalmente un modo de ahorro de
potencia “power down” o “stand-by”. Si el tag se mueve fuera del rango del lector, el chip alterna
automáticamente al modo de ahorro de potencia. En este estado, el consumo de potencia son unos
pocos µA como máximo. El chip no es reactivado hasta que recibe una señal suficientemente
fuerte dentro del rango de lectura del lector, con lo cual alterna de nuevo a la operación normal.
Sin embargo, la batería de un tag activo nunca provee potencia para la transmisión de datos entre
el tag y el lector, sino que sirve exclusivamente para el consumo del microchip. La transmisión
de datos entre el tag y el lector recae exclusivamente en la potencia del campo electromagnético
emitido por el lector.
B.2.3.4 TRANSFERENCIA DE DATOS TAG LECTOR
• Reflexión de sección transversal modulada (Modulated reflection cross-section)
Del área de la tecnología de radar, se sabe que las ondas electromagnéticas son reflejadas
por objetos con dimensiones mayores que, aproximadamente, la mitad de la longitud de onda de
la onda. La eficiencia con la cual un objeto refleja las ondas electromagnéticas está descrita por
90
su reflexión de sección transversal, RCS27 (sigla en inglés para Radar Cross-Section). Los objetos
que están en resonancia con el frente de onda que los golpea, como es el caso de las antenas a la
frecuencia apropiada, por ejemplo, tienen una sección transversal de reflexión particularmente
grande.
Una potencia P1 es emitida desde la antena del lector, de la cual una pequeña porción
(atenuación en el espacio libre) alcanza la antena del tag (figura B.9). La potencia P1’ es
suministrada a las conexiones de la antena como voltaje, y luego de la rectificación que realizan
los diodos D1 y D2 ésta puede ser utilizada como voltaje de encendido (turn-on) para la
activación o desactivación del modo de ahorro de energía. Los diodos utilizados aquí son diodos
Schottky de baja barrera, que tienen un voltaje umbral particularmente bajo. El voltaje obtenido
puede ser también suficiente para alimentar al chip en rangos cortos de operación.
Figura B.9: Principio de operación de un tag backscatter. La impedancia del chip es “modulada” alternando el chip del FET
Una proporción de la potencia de entrada P1’ es reflejada por la antena y devuelta como
potencia P2. Las características de reflexión de una antena pueden ser influenciadas alterando la
carga conectada a la antena. Para poder transmitir datos desde el tag hacia el lector, una carga
resistiva RL conectada en paralelo con la antena es alternada entre on y off, al mismo tiempo que
con el flujo de datos que será transmitido. La amplitud de la potencia reflejada P2 desde el tag
puede ser así modulada ( backscatter modulado).
La potencia P2 reflejada por el tag es radiada al espacio libre. Una pequeña porción de ella
(atenuación en el espacio libre) es tomada por la antena del lector. La señal reflejada por lo tanto,
viaja a través de la conexión de la antena del lector en la dirección reversa, y puede ser
27 Para mayores detalles, dirigirse a la sección B.1.3.
91
desacoplada utilizando un acoplador direccional y ser transferida a la entrada rectora del lector.
La señal hacia delante enviada por el transmisor, que es más fuerte unos cuantos órdenes de
magnitud, es en gran parte suprimida por el acoplador direccional.
La razón entre la potencia transmitida por el lector y la potencia retornada desde el tag
(P1/P2) puede ser estimada utilizando la ecuación de radar.
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C. PROCEDIMIENTOS MULTI-ACCESO –ANTICOLISIÓN [1]
La operación de sistema RFID generalmente involucra situaciones donde múltiples tags
están presentes dentro de la zona de interrogación de un mismo lector, al mismo tiempo. En un
sistema así, se puede diferenciar entre 2 formas principales de comunicación.
La primera es utilizada para transmitir datos desde un lector a los tags (figura C.1). El flujo
de datos es recibido por todos los tags en forma simultánea. Esto es comparable a la recepción
simultánea de cientos de radio-receptores de un programa de radio transmitido por una estación
de radio. Este tipo de comunicación es conocido como “broadcast”.
Figura C.1: Modo broadcast. El flujo de datos transmitido por un lector es recibido simultáneamente por
todos los tags en la zona de interrogación.
La segunda forma de comunicación implica la transmisión individual de muchos tags en la
zona de interrogación del lector. Esta forma de comunicación es llamada “multi- acceso” (figura
C.2).
Figura C.2: Multi-acceso al lector. Varios tags tratan de transmitir datos al lector en forma simultánea.
Cada canal de comunicación tiene una capacidad de canal definida, que está determinada
por la máxima tasa de datos de este canal de comunicación y por la duración de su disponibilidad.
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La capacidad de canal disponible debe ser dividida entre los participantes individuales (tags), de
modo que los datos puedan ser transferidos desde varios tags a un sólo lector sin interferencia
mutua (colisión).
En un sistema RFID inductivo, por ejemplo, sólo la sección receptora del lector está
disponible como un canal común de transmisión de datos hacia el lector, para todos los tags en la
zona de interrogación. La máxima tasa de datos se encuentra como el ancho de banda efectivo de
las antenas en el tag y en el lector.
El problema del multi-acceso ha rondado por mucho tiempo en la radio-tecnología.
Algunos ejemplos incluyen redes de satélites y de teléfonos móviles, donde un número de
participantes trata de acceder a un mismo satélite o estación base. Por esta razón, Se han
desarrollado múltiples procedimientos con el objetivo de separar las señales de un participante
individual de las demás. Básicamente existen 4 procedimientos diferentes (figura C.3): SDMA