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 CODELCOCHILE. 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. ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................. 1 1.1 MOTIVACIÓN.................................................................................................... 1 1.2 ALCANCE ....................................................................................................... 2 1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 3 1.3.1 1.3.2 OBJETIVOS GENERALES ............................................................................................3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...........................................................................................4 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 3.3.3 COMPARACIÓN DE LAS SOLUCIONES 1 Y 2..............................................................26 RACKS DE TERRENO ...............................................................................................28 4. EVALUACIÓN DEL DISEÑO ............................................................... 30 4.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS.............................................................................. 30 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 RANGO DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA RFID........................................................30 POSICIÓN RELATIVA DEL TAG Y EL LECTOR, POLARIZACIÓN .................................31 DISTORSIONES AMBIENTALES ................................................................................32 FENÓMENOS DE INTERFERENCIA ............................................................................34 4.2 ANÁLISIS EXPERIMENTAL .............................................................................. 37 4.2.1 4.2.2 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS.....................................................................37 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 4.3 ANÁLISIS TEÓRICO ......................................................................................... 51 v 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 5.2.1 5.2.2 INFRAESTRUCTURA TECNOLÓGICA .........................................................................59 RECURSOS HUMANOS .............................................................................................61 6. CONCLUSIONES................................................................................ 63 REFERENCIAS ......................................................................................... 67 ANEXO.................................................................................................... 69 A. DATOS EXPERIMENTALES................................................................ 69 A.1 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 1 .................................................................... 69 A.2 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 2 .................................................................... 70 B. PRINCIPIOS FÍSICOS DE LOS SISTEMAS RFID [1] ............................. 74 B.1 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ....................................................................... 74 B.1.1 B.1.2 B.1.3 B.1.4 B.1.5 B.2 TRANSICIÓN DE CAMPO CERCANO A CAMPO LEJANO EN CONDUCTORES LOOP .....74 POLARIZACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ..................................................75 REFLEXIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS .......................................................76 REFLEXIÓN Y CANCELACIÓN ..................................................................................78 ANTENAS ................................................................................................................80 B.1.5.1 GANANCIA Y EFECTO DIRECCIONAL ................................................................................80 B.1.5.2 EIRP Y ERP ......................................................................................................................81 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 Æ 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 Æ 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 vi 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 emisor isotrópico. .................................................................................................................81 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....................................................................82 Figura B.6: Zona de interrogación de un lector para distintas alineaciones de la bobina .............83 Figura B.7: Suministro de potencia a un tag desde la energía del campo magnético alternante generado por el lector. Acoplamiento inductivo ..................................................................84 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..................................87 vii Figura B.9: Principio de operación de un tag backscatter. La impedancia del chip es “modulada” alternando el chip del FET....................................................................................................90 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..........................................92 Figura C.2: Multi-acceso al lector. Varios tags tratan de transmitir datos al lector en forma simultánea.............................................................................................................................92 Figura C.3: Procedimientos multi-acceso y anticolisión...............................................................93 Figura C.4: SDMA adaptivo con una antena direccional electrónicamente controlada. El soporte direccional es apuntado a distintos tags, uno a uno..............................................................95 Figura C.5: En un procedimiento FDMA, distintos canales de frecuencia están disponibles para la transmisión de datos desde los tags a los lectores. ...............................................................96 Figura C.6: Clasificación de los procedimientos TDMA ..............................................................97 ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 4.1: Patrón de radiación. Curva de nivel 1m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin presencia de metal..............................................................................................40 Gráfico 4.2: Patrón de radiación. Curva de nivel 2 m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin presencia de metal..............................................................................................41 Gráfico 4.3: Patrón de radiación. Curva de nivel 3m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin presencia de metal..............................................................................................41 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...........................................................42 Gráfico 4.5: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 3, 5 y 8 tags. 2m............43 Gráfico 4.6: Promedio de la tasa de lectura en función del nº de tags. Distancia 2m ...................44 Gráfico 4.7: Patrón de radiación. Curva de nivel 1m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin presencia de metal..............................................................................................46 Gráfico 4.8: Patrón de radiación. Curva de nivel 2m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin presencia de metal..............................................................................................46 viii Gráfico 4.9: Patrón de radiación. Curva de nivel 3m. Comparación de los casos en presencia de metal y sin presencia de metal..............................................................................................47 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...........................................................47 Gráfico 4.11: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 1m, 2m y 3m. 3 tags ...48 Gráfico 4.12: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 1m, 2m y 3m. 5 tags....49 Gráfico 4.13: Tasa de lectura en función del ángulo. Comparación para 1m, 2m y 3m. 8 tags....49 Gráfico 4.14: Promedio de la tasa de lectura en función del nº de tags. Comparación para 1m, 2m y 3m. .....................................................................................................................................50 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Comparación de las tecnologías de auto-identificación ...............................................14 Tabla 3.1: Detalle de las componentes RFID, solución 1 .............................................................21 Tabla 3.2: Detalle de las componentes RFID, solución 2 .............................................................24 Tabla 3.3: Detalle del lector portátil (handheld) , racks de terreno...............................................28 Tabla 4.1: Cálculo de dr para distintas distancias h ......................................................................54 Tabla 5.1: Equipamiento en la red de Codelco..............................................................................57 Tabla A.1: Nº de lecturas por segundo en función de la distancia, el ángulo y la presencia de metal. ....................................................................................................................................69 Tabla A.2: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. 2m. ...........70 Tabla A.3: Nº de lecturas por segundo en función de la distancia, el ángulo y la presencia de metal. ....................................................................................................................................70 Tabla A.4: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. 1m ............71 Tabla A.5: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. 2m ............72 Tabla A.6: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. 3m ............72 Tabla B.1: rF y aF para diferentes rangos de frecuencia ................................................................74 Tabla B.2: Pérdida en el espacio libre, aF a diferentes frecuencias y distancias ...........................89 ix 1. INTRODUCCIÓN En el presente capítulo, se hace una introducción al tema tratado como trabajo de título, indicando cuáles son las motivaciones para su realización, el alcance, los objetivos, los antecedentes generales y la metodología. Además se presenta la estructura del informe. 1.1 MOTIVACIÓN La utilización de equipos electrónicos de telecomunicaciones para apoyar, controlar y aumentar el nivel de eficiencia de procesos productivos trae consigo la fuerte necesidad de monitorear y controlar en forma permanente dichos equipos. Ellos son parte fundamental en la cadena de producción de grandes empresas, y se encuentran interconectados con otros dispositivos formando redes de control, por lo cual se debe realizar el máximo esfuerzo posible para evitar fallas que involucren la suspensión del funcionamiento normal de la producción, y que traen como consecuencia la pérdida de grandes sumas de dinero, aspecto de principal interés para quienes manejan las empresas. Con esta motivación, el Programa AccessNova Investigación desea desarrollar un producto orientado a la seguridad de los equipos electrónicos, que integre tecnologías actuales, y con proyecciones comerciales, para ser utilizado en particular en la División El Teniente de la empresa CODELCO-CHILE(Corporación Nacional del Cobre de Chile). CODELCO-CHILE busca soluciones que utilicen nuevas tecnologías para mejorar sus procesos de producción, implementando tareas preventivas de fallas y labores reactivas para actuar rápidamente cuando las fallas se presenten. 1 Actualmente, de acuerdo a la información que se tiene, en el espacio de trabajo donde se presenta esta solución, no existe un procedimiento estándar para el monitoreo del equipamiento crítico, por lo que la realización de este trabajo representa un aporte importante para la optimización de los procesos de prevención y solución de fallas en esa área, lo que se traducirá en una disminución significativa de las pérdidas en dinero que se producen cuando se presentan estos problemas. 1.2 ALCANCE Este trabajo busca realizar el diseño de un sistema de monitoreo de equipamiento crítico, utilizando la tecnología RFID (siglas en inglés para Identificación por Radio-Frecuencia). El término RFID se utiliza en forma genérica para referirse a las tecnologías que usan ondas de radio para identificar automáticamente artículos individuales [1], sin especificar su rango de trabajo o alcance. La tecnología RFID es un sistema de identificación sin contacto donde el “tag”, dispositivo electrónico identificador de cada objeto que puede o no tener memoria para almacenar información útil del objeto, se comunica con el lector, antena que emite ondas de radio para comunicarse con el tag de modo de leer/escribir información en éste. La tecnología RFID se encuentra en una etapa de pleno desarrollo y estudio de sus potencialidades, y además presenta muchas ventajas comparativas con respecto a sus competidores más directos. El sistema de monitoreo RFID consta de dispositivos de hardware que serán desplegados en la infraestructura a monitorear en las instalaciones de El Teniente, específicamente en la Unidad de Automatización y Control. A esto se suma un módulo de software que permite el procesamiento y despliegue de la información recolectada de los distintos equipos. Este trabajo contempla la realización del diseño del hardware involucrado en el sistema de monitoreo. El diseño de hardware se realiza para “racks” de comunicaciones o gabinetes de tamaño estándar donde se ubican los equipos electrónicos que serán monitoreados, entre los que se encuentran switches, servidores, routers y otros dispositivos. El trabajo relacionado con el desarrollo del software para administrar y desplegar la información no es parte del trabajo de esta memoria, sin embargo se menciona para explicar correctamente la solución planteada a CODELCO-CHILE. 2 Asimismo, se desea monitorear otras variables relevantes como la temperatura al interior del rack, la apertura de puerta del rack y el funcionamiento del equipo de energía eléctrica auxiliar (UPS), para lo cual, se utiliza un sistema de sensores. Se realiza además una evaluación técnica del sistema diseñado, por medio de un análisis de cobertura del sistema diseñado, considerando pérdidas de los enlaces de radio-frecuencia, atenuaciones, dispersión, interferencias y otras fuentes de error para el diseño realizado. La realización de esta evaluación se justifica por la necesidad de lograr un sistema con un 100% de acierto en el monitoreo de los equipos. Dado que el sistema diseñado será implementado en el fututo, debe garantizarse su funcionamiento en todos los casos, y deben establecerse las limitaciones del diseño. En particular, se estudiará el efecto de tener más de un rack por sala con el sistema RFID. Por último, se realiza un análisis de factibilidad de implementación del diseño, además de un análisis de factibilidad de comercialización. Este último punto es relevante para conocer las perspectivas comerciales del sistema diseñado. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 OBJETIVOS GENERALES Los objetivos generales que se proponen son los siguientes: • Realizar un estudio del estado del arte de la tecnología RFID para decidir la alternativa tecnológica más idónea para satisfacer el objetivo de diseño. • Realizar el diseño de un sistema de monitores de equipos críticos basado en la tecnología RFID, con el fin de garantizar la seguridad y el control permanente de la infraestructura de las instalaciones de CODELCO-CHILE División El Teniente. • Estudiar el comportamiento del sistema diseñado. • Analizar la factibilidad de implementación y comercialización del diseño realizado. 3 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Los objetivos específicos que se proponen son los siguientes: • Estudiar las distintas alternativas tecnológicas de los sistemas RFID sobre la base de la información proporcionada por los proveedores. Determinar ventajas y desventajas de cada alternativa, y seleccionar la más adecuada de acuerdo a las especificaciones de diseño. • Definir el área específica y las condiciones ambientales para la cual se realiza el diseño del sistema de monitoreo de equipos con RFID. Establecer claramente las especificaciones de diseño. • Realizar un diseño para un sistema de monitoreo de equipos utilizando RFID. Comparar distintas posibles configuraciones del sistema para definir la más idónea. • Realizar un análisis de cobertura del sistema diseñado, considerando pérdidas de los enlaces de radio-frecuencia, los fenómenos de interferencia y otras fuentes de error para las soluciones específicas consideradas. Verificar que el diseño realizado cumpla con las correspondientes especificaciones. • Realizar un análisis de factibilidad comercial y de implementación del sistema diseñado orientado a estudiar las proyecciones comerciales del diseño realizado. 1.4 ANTECEDENTES GENERALES La incorporación del sistema de monitoreo de equipos con sistema RFID se enmarca dentro de un plan de modernización y automatización de ciertos procesos productivos que está emprendiendo la empresa minera CODELCO-CHILE, y que involucrará a todas sus divisiones y filiales. La incorporación de un sistema de monitoreo remoto de equipos tecnológicos críticos dentro del proceso de producción del cobre en las divisiones Andina y El Teniente, viene a reemplazar al sistema poco eficiente y no estandarizado que se utiliza en la actualidad. Gracias a la incorporación de la tecnología RFID, se tendrá un seguimiento permanente y automático del 4 equipamiento minero crítico, y además se podrán registrar eventos tan relevantes como el historial de mantención de cada equipo. El nuevo plan de operación contempla la modernización de algunos procesos mineros, llegando en un futuro cercano a poder operar todos los yacimientos a distancia, con el fin principal de reducir costos mediante la optimización de recursos humanos y financieros. La idea es lograr una mayor producción del orden del 1% de todo el cobre fino elaborado. En este sentido, desde el 2006 ya se han firmado acuerdos con empresas proveedoras de los servicios tecnológicos necesarios para esta modernización. Un ejemplo concreto es el joint-venture MiCoMo (Mining Information Communication and Monitoring) establecido por la alianza entre CODELCO-CHILE y la firma de telecomunicaciones japonesa Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) [2]. La utilización de la tecnología RFID en la minería es una idea relativamente nueva, pero ya se pueden ver algunos ejemplos de aplicación por ejemplo, insertar tags en los cascos de los mineros, incorporar sensores de presión en los neumáticos de maquinaria pesada. 1.5 METODOLOGÍA Este trabajo puede ser dividido en 3 etapas principales. La primera corresponde al desarrollo del hardware del sistema de monitoreo de equipos que utiliza la tecnología RFID. Para esta etapa, se realiza una evaluación técnica de las componentes RFID disponibles en el mercado, para luego seleccionar las que se ajusten más a los requerimientos del diseño. Una vez seleccionadas las componentes RFID, se diseña la disposición de estas en el espacio (específicamente dentro del rack), considerando los distintos parámetros relevantes para obtener la mejor cobertura y funcionamiento completo del sistema. La segunda etapa del trabajo corresponde a una evaluación técnica del diseño realizado. Para esto, se utiliza un método experimental para evaluar el funcionamiento del sistema diseñado (en concreto se realiza un prototipo del rack con el sistema RFID diseñado) desde un punto de vista técnico, y también se realiza un análisis teórico donde se evalúan aspectos técnicos del diseño, principalmente el efecto de las interferencias al extender el sistema de 1 rack a más de 5 uno dentro de una misma área de trabajo. Este último punto está orientado a estudiar el comportamiento del sistema en las salas de rack, donde varios de éstos estarán funcionando con el sistema RFID en forma simultánea. Por otra parte, se definen las limitaciones del diseño y las condiciones bajo las cuales su funcionamiento es 100% exacto. La tercera etapa del trabajo corresponde a la realización de un análisis de factibilidad de comercialización, sumado a un análisis de factibilidad de implementación del prototipo diseñado. Para el análisis de factibilidad comercial se realiza un estudio cualitativo de las ventajas de la incorporación del sistema de monitoreo RFID dentro de la división El Teniente, desde el punto de vista de la reducción de costos de producción y optimización de procesos. Teniendo esta información como base, se realiza una proyección de los potenciales beneficios que se pueden esperar si se incorpora esta tecnología en las distintas divisiones y filiales de CODELCO-CHILE, de manera de poder cuantificar el beneficio. Para el análisis de factibilidad de implementación se realiza un estudio de cuáles serían los desafíos tecnológicos a los que se enfrentaría un potencial consumidor del producto a la hora de implementar la tecnología RFID dentro de sus procesos productivos, de manera de determinar en qué casos resulta factible incorporar el sistema diseñado. 1.6 ESTRUCTURA DEL TRABAJO En los capítulos siguientes, se presentan las etapas que se siguieron para dar solución al problema propuesto. En el capítulo 2, se presenta el marco conceptual sobre el que se basó el desarrollo del trabajo. En particular, se realiza una descripción de la tecnología RFID, y luego se presenta un estudio del estado del arte de la tecnología RFID. En el capítulo 3, se realiza el diseño del sistema de monitoreo utilizando RFID. Se describen todas las etapas previas al diseño, y finalmente se presenta el diseño realizado. En el capítulo 4, se presenta una evaluación del diseño realizado en el capítulo 3. Se realiza una evaluación experimental, y luego una evaluación teórica para definir algunas limitaciones del prototipo. 6 En el capítulo 5, se realiza un estudio de factibilidad y de implementación del diseño realizado, para conocer sus proyecciones comerciales como producto de consumo masivo en distintos mercados. En el capítulo 6, se presentan las conclusiones del trabajo realizado. Se realiza una recapitulación de las distintas etapas del desarrollo del trabajo, y se exponen los aspectos y aportes más relevantes de cada etapa. 7 2. MARCO CONCEPTUAL En el presente capítulo se presenta el marco conceptual en que se sustenta el presente trabajo. En primer lugar se muestra una descripción técnica del funcionamiento de un sistema RFID, y luego se describe el panorama general de la tecnología en la actualidad, abarcando distintos aspectos relevantes. 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA RFID El nacimiento de la tecnología RFID se remonta a la década de los 50’s, época en la cual hubo una gran exploración de la radio comunicación y transmisión. Sólo unas cuantas décadas antes, se había logrado transmitir una onda electromagnética en forma remota. En los 60’s ya era posible ver algunas aplicaciones comerciales de RFID, pero no fue hasta los 70’s, cuando esta tecnología tuvo su mayor avance al alcanzar una reducción significativa de los dispositivos electrónicos que permitieron construir equipos de mucho menor tamaño (y por lo tanto, más portátiles) y con mayores funcionalidades. En las décadas siguientes, ha continuado el avance tecnológico en cuanto a disminuir el tamaño de los circuitos integrados y a aumentar rango de cobertura del sistema [3]. El sistema RFID está compuesto por 2 elementos principales: 1. El tag: es el dispositivo portador de la información que se localiza en el objeto a ser identificado [1]. Incluye una antena, un dispositivo con un elemento identificador y/o memoria (“chipless” o “with a chip”, el 99% del mercado está utilizando tags con chip) y en algunos casos, una batería. Existen del tipo read-only (clase 0), donde el tag sólo puede enviar información al lector, y read-write (clase 1), es decir, una comunicación en dos direcciones, donde el tag puede recibir información del lector (ser “escrito”) y enviar 8 información al lector [4]. Existen tags con mayores funcionalidades, que se clasifican como clase 2, clase 3, y clase 4. 2. La estación base (lector): es la componente que es capaz de comunicarse con el tag. Contiene una parte transmisora capaz de enviar potencia radiada en una frecuencia portadora y una parte receptora, capaz de recibir y leer la señal que viene del tag [5]. La mayoría de los lectores cuentan con conexiones de salida y entrada externas, de manera de enviar los datos recogidos a un dispositivo de colección de datos [6]. Usualmente el lector está conectado a un PC host o a una red para manejar la información obtenida [1]1. En la figura 2.1 se muestra un esquema de un típico sistema de RFID, donde los datos recolectados por el lector RFID llegan a la red de una empresa donde son procesados. Figura 2.1: Esquema de un típico sistema RFID (Fuente: www.scrawford.net/courses/RFID_Basics_qed.ppt ) 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 2 Este punto se desarrolla en mayor profundidad en la sección 5.2. Este punto se desarrolla en profundidad en el anexo B, sección B.2. 9 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. 10 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 ) 11 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]. 12 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. 13 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 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 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 Costos Potencial interferencia 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. 14 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]. 15 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]. 16 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. 17 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 considerarse ciertos parámetros relevantes [1], [6], [4]: 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, 18 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. 19 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. 20 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 Frecuencia: 13.56MHz Rango de lectura: hasta 40cm Conexión: SMA de 50Ohm 4 300 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 Antena ID ISC.ANT 300/300-A (FEIG Electronics) Multiplexor ID ISC.ANT.MUX-A (FEIG Electronics) 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]. 21 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 22 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. 23 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 Lector B2450R01-A (ALIEN Technology) Tag ALB-2480 (ALIEN Technology) Antena (ALIEN Technology) Características Principales Cantidad Costo Unitario (US$) 1 2.61811 8 21 4 2.61812 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 Frecuencia: 2410MHZ-2471.64MHz Asistidos por batería de 3V Rango: hasta 30m Número ID de 12bytes (memoria read-write) Frecuencia: 2410MHz-2417.64MHz Polarización: circular Ganancia: ≤6 dBi Amplitud de rayo: azimut 55º, elevación 55º 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]. 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). 11 24 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) 25 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 26 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. 27 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 Lector portátil WorkAbout Pro C (PSION TEKLOGIX) 13 Características Principales 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 Para mayores especificaciones, consultar [23] 28 Costo Unitario (US$) 1.835 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. Figura 3.4: Lector portátil WorkAbout Pro C (Fuente: Datasheet WorkAbout Handheld computer, www.psionteklogix.com ) 29 4. EVALUACIÓN DEL DISEÑO La evaluación de la solución propuesta se realiza en dos etapas. La primera consiste en un análisis técnico-experimental del funcionamiento de las dos propuestas de solución presentadas en la sección 3.3.1. La segunda etapa consiste en realizar un análisis técnico-teórico para verificar el correcto funcionamiento del sistema en el caso de que se encuentren más de un rack dentro de una misma sala (sección 4.3). Esta etapa está orientada a estudiar el funcionamiento del sistema en las salas de racks y a establecer algunas limitaciones del diseño. 4.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS La evaluación del diseño está orientada a detectar deficiencias en el sistema RFID, para poder realizar modificaciones, y para establecer limitaciones del diseño. Existen cuatro factores principales en los que se enfoca la evaluación del diseño: el rango de operación de un sistema RFID, el comportamiento del campo electromagnético generado por la antena del lector, las distorsiones que se producen en ambientes con presencia de metales, y los fenómenos de interferencia entre las distintas componentes RFID. A continuación se describen los fundamentos teóricos en que se basan estos tres fenómenos. 4.1.1 RANGO DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA RFID En sistemas RFID pasivos, el rango de operación se define como la máxima distancia ente el tag y el lector, de manera de satisfacer el consumo de potencia del ASIC (Application Specific 30 Integrated Circuit). Para que el tag opere apropiadamente, tiene que haber un mínimo voltaje inducido en el tag para encender toda la electrónica del tag para, cerca de la antena del lector [4]. La potencia recibida Pr por la antena de un tag pasivo es calculada como: Pr = ( Pt ⋅ Gt )Gr ⋅ λ2 ( 4πr ) 2 (4.1) donde Pt es la potencia transmitida por la antena del lector (antena transmisora), Gr es la ganancia de la antena del tag, Gt es la ganancia de la antena del lector, r es la distancia entre el tag y el lector, y λ es la longitud de onda de las ondas electromagnéticas de radio-frecuencia. Como se puede ver en (4.1), la potencia recibida por el tag es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la antena del lector. Así, a medida que el tag se aleja del lector, la performance del sistema RFID disminuye. La expresión (4.1) es válida también para sistemas pasivos asistidos por batería. La diferencia con sistemas pasivos convencionales, es que la energía Pr recibida por el tag se utiliza sólo para su activación y no para satisfacer el consumo del chip (esa energía proviene de la batería del tag). Por lo tanto, los tags pasivos asistidos por batería requieren de una energía Pr mínima menor que los tags pasivos convencionales. 4.1.2 POSICIÓN RELATIVA DEL TAG Y EL LECTOR, POLARIZACIÓN La antena del lector debe estar ubicada en una posición donde se optimice la transferencia de energía al tag y la recepción de los datos, para una aplicación en particular. En un sistema de múltiples antenas, el patrón de radiación de todas las antenas debe ser conocido muy bien, así como la ubicación de otros lectores vecinos. Es importante tener en cuenta que el rango de lectura de un sistema RFID está generalmente limitado por la cantidad de potencia que puede ser capturada por el tag. La orientación del tag con respecto al lector afecta a la polarización14 de la antena del tag con respecto a la antena del lector. La polarización es importante en sistemas inalámbricos. La polarización, también llamada onda de polarización, es una expresión de la orientación de las líneas del flujo eléctrico en un campo electromagnético (figura 4.1). La polarización puede ser 14 Este punto se desarrolla con mayor profundidad en la sección B.2 31 constante, es decir, permanece en una misma orientación todo el tiempo, o puede variar con cada ciclo de la onda. La orientación física de una antena inalámbrica corresponde a la polarización de las ondas de radio recibidas o transmitidas por esa antena. Así, una antena vertical recibe y emite ondas polarizadas horizontalmente. La mejor comunicación de rango corto se obtiene cuando las antenas transmisora y receptora tienen la misma polarización [4]. Figura 4.1: Acoplamiento entre tag y antena. Líneas de flujo magnético (Fuente: “HF Antenna Design Notes”, Technical Application Report, www.ti.com/rfid, 2003) 4.1.3 DISTORSIONES AMBIENTALES Uno de los grandes desafíos actuales de los sistemas RFID es continuar mejorando su funcionamiento en presencia de materiales comunes, tales como líquidos y metales, que tienen fuertes efectos de absorción y reflexión que afectan la calidad del sistema RFID (figura 4.2). En el peor de los casos, los tags pueden ser ilegibles a distancias normales (dentro del rango de lectura), causando que los sistemas de localización RFID “pierdan” objetos, en desmedro de sus grandes ventajas [24]. Figura 4.2: Líquidos y metales afectan el funcionamiento de sistemas RFID (Fuente: “Los aspectos físicos detrás de la tecnología RFID”, www.rfidmagazine.com , 2006) 32 En el caso de presencia de metal, el fenómeno que se presenta es reflexión15. Las ondas reflejadas desde una o más superficies de metal en el ambiente se combinan para producir una variación no-uniforme y no-monótona en el campo, producida por el lector, debido a las diferencias de fases entre múltiples trayectorias. Dependiendo de la posición del tag, esta interferencia puede o aumentar el rango de lectura, o destruirlo, conduciendo a “null spots” [4]. Lo que ocurre es que el metal provoca corrientes “remolino” en la vecindad de la antena del lector RFID, la cual absorbe energía de radio-frecuencia, reduciendo así la efectividad total del campo RFID. Estas corrientes remolino también crean su propio campo magnético que es perpendicular a la superficie del metal. Este campo magnético perpendicular cancela el campo del lector, como se grafica en la figura 4.3 [25]. Una de las características del ambiente donde se planea implementar el diseño realizado en este trabajo es la presencia de artículos de material metálico, tales como los equipos electrónicos y los racks donde estos están ubicados, por lo que es un efecto sumamente relevante que merece ser estudiado y evaluado. Las figuras 4.3 y 4.4 muestran las líneas de campo magnético en un sistema RFID en condiciones “ideales” y en presencia de metal, respectivamente. Figura 4.3: Líneas de flujo magnético en un sistema RFID (Fuente: www.nitta.co.jp/english/product/sheet/rfid ) 15 Este punto se desarrolla con mayor profundidad en la sección B.2 33 Figura 4.4: Líneas de flujo magnético en un sistema RFID en presencia de metal (Fuente: www.nitta.co.jp/english/product/sheet/rfid ) 4.1.4 FENÓMENOS DE INTERFERENCIA 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. 34 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. 35 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. 36 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 37 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) 38 • 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. 39 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 40 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 41 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 42 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 43 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. 44 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. 45 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 46 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 47 • 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 48 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. 49 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 50 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 51 Para un par de antenas sin pérdida en el espacio libre, con óptima orientación, se puede reescribir la ecuación 4.1, de la forma: Pr λ = Gt G r Pt 4πd 2 (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 λ en la ecuación (4.2), de modo de conseguir una expresión para la pérdida en el espacio 4πd 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: 4πd PL(dB) = 20 log10 λ (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]: d PL(dB) = PL(d 0 ) + 10n log d0 (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. 52 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: d PL( dB ) = 40 + 40 log 1 (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) 53 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 resolver entonces, es: Pt(ant. Tx, rack 1)+ Gt(ant. Tx, rack 1)+ Gr(tag)-PL(camino 1)-RCS(tag)+Gr(ant. Rx, rack 2)-PL(camino 3) (dr) =Sr(rack 2) La tabla 4.1 presenta los resultados obtenidos de los cálculos realizados. Los cálculos se realizaron para distintos valores de h entre 0 y 2m. Tabla 4.1: Cálculo de dr para distintas distancias h h [m] 0.1 0.5 1.0 1.5 2.0 PL camino 1 [dB] 0 28 40 47 52 Pr tag [dB] 38 10 -2 -9 -14 PL camino 2 [dB] 0 28 40 47 52 Pr antena Rx, rack 1 [dB] 24 -32 -56 -70 -80 PL camino 3 [dB] 114 86 74 66 59 Pr antena Rx, rack 2 [dB] -90 -90 -90 -89 -87 α dr [m] [º] 71 14 7 5 3 90 88 82 72 56 La primera columna muestra el valor de la distancia entre el tag y las antenas Rx y Tx del rack 1. La segunda columna de la tabla 4.1 muestra el valor de PL del camino 1 para una distancia h entre el tag y la antena Tx del rack 1. Se puede ver que a medida que aumenta la distancia entre el tag y el lector, la pérdida PL es mayor. La tercera columna, muestra la potencia recibida en el tag, y se calculó como: Pr(tag)=Pt(ant. Tx, rack1)+Gt(ant. Tx, rack 1)+ Gr(tag)-PL(camino 1) La cuarta columna muestra el valor de PL para el camino 2. Se puede ver que los valores son idénticos a los de PL para el camino 1, dado que la distancia es la misma (h). 23 Los valores tomados para el cálculo son los valores típicos para un sistema RFID asistido por batería. 54 La quinta columna muestra la potencia recibida en la antena Rx del rack 1. Se puede verificar que a medida que aumenta la distancia, la potencia recibida en la antena Rx disminuye, porque la pérdida PL aumenta con el aumento de la distancia entre el transmisor (tag) y el receptor (antena Rx). Estos valores se calcularon como: Pr(ant. Rx, rack 1)=Pt(tag) +Gr(ant. Rx, rack 1) -RCS(tag)-PL(camino 2) La sexta columna muestra el valor de PL para el camino 3. Este valor se calculó utilizando los valores dr, que se muestran en la columna ocho. La séptima columna muestra el valor de la potencia recibida en la antena Rx del rack 2. Se puede notar que los valores son cercanos o iguales a –90dB, porque corresponden justamente a la mínima sensibilidad de recepción de la antena Rx del rack 2. Este valor se calculó como: Pr(ant. Rx, rack 2)=Pt(tag) +Gr(ant. Rx, rack 2) -RCS(tag)-PL(camino 3) La octava columna muestra los valores de dr para distintas distancias h entre el tag y las antenas Rx y Tx del rack 1. Este valor fue calculado resolviendo la ecuación planteada. Se puede notar que los valores de dr van decreciendo con el aumento de h. Es decir, a medida que el tag se aleja de las antenas Rx y Tx, la distancia mínima a la cual se deben ubicar los racks vecinos para evitar interferencias, disminuye. Por último, la novena columna muestra el ángulo α entre el tag y la antena Rx del rack 2, para cada valor de h. Se puede notar que los valores de α superan los 50º. Esto significa que, en caso de poder realizar una lectura a más de 50º, los racks deben ser ubicados a una distancia dr. Sin embargo, como se vio en la evaluación experimental del sistema, el patrón de radiación de las antenas tiene un ancho de lóbulo no superior a ±30º, por lo que realizar lecturas fuera de esa zona es en la práctica, imposible. Luego del análisis realizado, se puede recomendar que la distancia entre los racks debería ser aproximadamente 3m, de modo de evitar interferencias entre uno y otro. Cabe destacar que, de acuerdo a lo expuesto en este análisis, este límite está sobredimensionado, y por lo tanto no se descarta que a distancias entre los racks menores a 3m, el sistema funcione sin problemas. 55 5. ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD COMERCIAL Y DE IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO El presente capítulo está orientado a realizar un estudio que permita conocer la factibilidad de lograr convertir el diseño realizado en un producto comercial en grandes volúmenes. Este análisis se justifica por el hecho de este trabajo ha surgido como un proyecto piloto para la empresa CODELCO-CHILE, cuyo fin último es lograr implementarlo masivamente en sus instalaciones. Por lo tanto, el sistema RFID tiene el potencial de convertirse en un producto comercial exitoso, y se quiere estudiar la factibilidad de realizarlo. Para conocer la potencial comercialización de este diseño, se ha dividido el estudio de factibilidad en dos aspectos. El primero consiste en hacer un análisis de factibilidad comercial (sección 5.1), desde el punto de vista de los costos involucrados en la implementación de un sistema RFID como este, y tomando como base la inversión realizada en Tecnología de la Información y Comunicación (TIC) específicamente en CODELCO-CHILE. El segundo consiste en realizar un análisis de factibilidad de implementación (sección 5.2) de grandes volúmenes del producto, enfocado a conocer el impacto de introducir una nueva tecnología y las adaptaciones o renovaciones de recursos humanos y tecnológicos que deben realizarse para implementar un sistema RFID. 5.1 ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD COMERCIAL Para realizar este análisis, se recopiló información de CODELCO-CHILE en cuanto a la cantidad de equipamiento tecnológico a nivel corporativo, y a estadísticas de pérdida, extravío o falla de los equipos. Teniendo esta información, es posible estimar el beneficio económico en 56 términos de ahorro en inversión por concepto de reposición y mantención de equipos, que significaría para CODELCO-CHILE, implementar el sistema de monitoreo de equipos diseñado. Se tiene la siguiente información24 en cuanto a equipos periféricos: existen 12.000 computadores personales en la corporación, cuyo valor promedio es de US$1.000, aproximadamente; un 25% del total corresponde a laptops, cuya tasa de pérdida anual es de un 3%, aproximadamente; un 75% corresponde a computadores de escritorio (desktops); la depreciación de estos equipos al cabo de 2-3 años es de un 50%. De la información anterior, un 3% de pérdida anual de los laptops corresponde a 90 equipos. Es decir, en el mejor de los casos (equipos depreciados 2-3 años), la pérdida en dinero corresponde a US$45.000, y en el peor caso, la pérdida corresponde a US$90.000. Por lo tanto, el ahorro que se podría realizar con la implementación de un sistema de monitoreo RFID, podría ser de hasta un 1% de la inversión en computadores personales. Este mismo cálculo se puede extender a otro tipo de equipamiento, por ejemplo, al equipamiento de la infraestructura de red. La tabla 5.1 muestra un resumen de los equipos en la red CODELCO-CHILE25, detallados por división, y su respectivo costo aproximado. Tabla 5.1: Equipamiento en la red de CODELCO-CHILE Equipo Casa Matriz Salvador Ventanas Andina Teniente Codelco Norte TOTAL Costo Unitario26 US$ Servidores 240 74 17 30 93 200 654 800 Routers 35 23 3 11 21 20 113 200 230 195 60 137 650 800 2072 350 3 1 1 1 1 20 27 600 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 Switches de Comunicación Sistemas de Acceso y Seguridad Sistemas de Monitoreo 24 Fuente interna de CODELCO-CHILE. Fuente interna de CODELCO-CHILE. 26 Valores referenciales. Estimaciones en base a los precios disponibles en Internet. 25 57 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 58 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 59 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: Tráfico = 160*10*1000 [bytes] = 1.600.000 [bytes] = 12.500 [Kbits] Si la transmisión de este tráfico se realiza a través de una red Gigabit Ethernet, por ejemplo, el tráfico calculado antes no debería tener un gran impacto en el funcionamiento de la red, y por lo tanto no se verían afectadas las demás aplicaciones que utilicen la misma red. Del cálculo anterior, se deduce que el tráfico de datos generado por un sistema RFID es muy pequeño, generado un impacto relativamente bajo en la red de datos. Sin embargo, si se cuenta con un sistema RFID que esté compuesto por miles de racks, se recomienda realizar una inversión para aumentar la capacidad de los servidores (tarjetas de red), y del ancho de banda de la conexión, para facilitar el flujo de información y evitar que se produzcan congestiones indeseadas. Existen diversas alternativas para manejar la cantidad de tráfico en una red. Por ejemplo, una opción es tener un canal dedicado para la aplicación RFID, de modo de evitar que éste interfiera con el funcionamiento normal de otras aplicaciones. Otra alternativa sería interrogar a los tags de manera secuencial, de modo que el flujo de información no llegue simultáneamente al servidor, disminuyendo el impacto sobre la red de datos. Por otra parte, este tráfico puede ser disminuido si se implementa un filtrado de los datos en el lector, antes de enviarlos por la red de transmisión. Para seleccionar la información útil que proviene de un tag RFID, deben incorporarse etapas de filtrado de los datos. Usualmente, la información relevante es una porción muy pequeña del total leído desde un tag, por lo que las etapas de filtrado también contribuyen a evitar congestiones y sobre-exigencias innecesarias de los recursos informáticos disponibles [30]. Si en la etapa de transmisión de datos desde el lector, hacia el servidor, la información se recibe intacta, debería contemplarse la implementación de mecanismos de filtrado de datos en las etapas siguientes. Otra alternativa, es implementar mayor inteligencia en los lectores, de modo de que sean capaces ellos mismos de filtrar la información que luego llegará a un nivel más alto [31]. 60 Los volúmenes de información almacenada en las bases de datos pueden controlarse si se implementan mecanismos de filtrado. Además, la información almacenada en general es de utilidad por un cierto período de tiempo, lo que abre la posibilidad a reutilizar los recursos de almacenamiento cada cierto tiempo. Por ejemplo, se pueden realizar respaldos de la información ya utilizada, de modo de aumentar la capacidad de almacenamiento del servidor. 5.2.2 RECURSOS HUMANOS Un proyecto de RFID de grandes magnitudes involucra a distintas secciones de una organización, desde que se planea la iniciativa, hasta que se pone en marcha. Por lo tanto, es necesario lograr un compromiso de parte de todos los agentes, y familiarizar a los miembros de la organización con los potenciales cambios que se deberán realizar [32]. Existen organizaciones muy dinámicas, que están acostumbradas a la innovación, y que en general, reciben de muy buena manera la incorporación de nuevas tecnologías. También existen aquellas que, más bien, se rehúsan a los cambios, por lo que resulta de gran importancia contar con líderes para impulsar los cambios y motivar a la organización en todos sus niveles, de modo de lograr un objetivo común a toda la organización. La característica de líder está relacionada con las llamadas destrezas “suaves”, que pueden llegar a ser tan importantes como las destrezas estrictamente técnicas [32]. En todas las etapas de implementación de un nuevo proyecto, es necesario contar con el personal adecuado. Los vacíos de conocimiento que se puedan generar inicialmente con las nuevas tecnologías, deben ser suplidos por consultores externos, por ejemplo. Idealmente, un proyecto debe pasar primero por la etapa de Proyecto piloto, para obtener un entrenamiento y conocimiento básico de las exigencias que el proyecto masificado requiere. Es recomendable realizar un entrenamiento de todas los miembros de la organización, y en todos los niveles de mando. El nivel del entrenamiento dependerá de la relación que tendrá cada miembro con el nuevo proyecto. Por ejemplo, el personal que no está directamente relacionado con el proyecto, debería ser suficiente una instrucción corta, con fines informativos. En cambio, el personal directamente relacionado con la ejecución del proyecto, debería recibir un 61 entrenamiento enfocado en la resolución de problemas, y a la calidad y control de la aplicación [32]. Siguiendo una dinámica de entrenamiento del personal, es posible encontrar una base de conocimiento dentro de la empresa, y por lo tanto, no será necesario recurrir a agentes externos, como consultores. Por otra parte, es la mejor forma de garantizar que la implementación del proyecto tendrá como frutos, los máximos beneficios para la organización. 62 6. CONCLUSIONES En la actualidad, es común encontrarse con una 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. En este contexto, el desafío de este trabajo era el desarrollo de un prototipo basado en tecnología RFID, orientado a la seguridad de las redes de control, que permitiera un monitoreo remoto permanente, y la prevención y detección oportuna de fallas del equipamiento crítico, para ser implementado en la División El Teniente de la empresa CODELCO-CHILE. Como punto de partida, se realizó un estudio de la situación actual en que se encuentra el desarrollo de los sistemas RFID. Se pudo advertir que la tecnología RFID se comenzó a utilizar hace unas tres décadas y que sus aplicaciones actuales cubren una amplia gama de posibilidades, que con el tiempo se espera que se sigan ampliando. A pesar de esto, aún existen barreras para la penetración masiva de los sistemas RFID, principalmente debido al aún elevado precio de los tags, y por otra parte, a la fuerte presencia de su competidor más directo, el código de barras. Sin embargo, existen grandes cadenas que han impulsado la adopción de los sistemas RFID y que han tenido muy buenos resultados en cuanto a reducción de costos, por lo que se pronostica que el crecimiento de su utilización vaya en permanente aumento. Un reflejo de ello, es la abrumante cantidad de información disponible acerca de los sistemas RFID y los diferentes estudios con respecto al tema. En lo que se refiere a aspectos estrictamente técnicos, el mercado RFID ofrece una multiplicidad de alternativas destinadas a cubrir distintas aplicaciones. Los principales criterios que se utilizan para clasificar a los sistemas RFID, están relacionados con su frecuencia de operación y el modo de suministro de energía al tag. La frecuencia de operación determina, en 63 parte, el rango de alcance del sistema, el modo de comunicación del tag con el lector, la tasa de transmisión de datos entre la antena y el lector, y el comportamiento del sistema ante distintos tipos de interferencia, entre otros. Por otra parte, existe una variedad de tags disponibles que ofrecen diversas funcionalidades, y por lo tanto, pueden ser utilizados en distintas aplicaciones. Para seleccionar el tipo de sistema RFID que se utilizará para una determinada aplicación, se recomienda en primer lugar, caracterizar de manera precisa los requerimientos del sistema, y posteriormente, definir un criterio de selección basado en las características establecidas del sistema. De este modo, resulta mucho menos compleja la etapa de selección de la tecnología a utilizar. En este trabajo, se utilizó un criterio basado en el rango de frecuencia del sistema, la capacidad de memoria de los tags, el ambiente de implementación, entre otros. Otro criterio podría haber incluido como factor relevante el costo del sistema completo, Sobre la base del estudio de las distintas alternativas tecnológicas de los sistemas RFID, se propusieron dos alternativas de solución para la aplicación que se planteó. La primera alternativa, es un sistema RFID pasivo que opera en la banda de frecuencias HF (específicamente, en 13.56MHz), de rango intermedio, que consta de cuatro antenas, un multiplexor y un lector. La segunda alternativa presentada, es un sistema pasivo donde los tags son asistidos por una batería interna, que opera en la banda de frecuencias microondas (específicamente, en 2.45GHz), de largo alcance, que consta de una antena receptora, una transmisora, y un lector. Tras realizar una comparación basada en las especificaciones técnicas de las alternativas, se determinó que la segunda alternativa era mucho más robusta en cuanto a su funcionamiento en ambientes particularmente difíciles, donde por ejemplo, exista una fuerte presencia fuentes de interferencia o presencia de objetos reflectantes. Por esta razón, se recomendó la segunda alternativa para ser objeto de una evaluación experimental, y determinar su real funcionamiento. Resultó interesante comprobar que gracias a la diversidad de sistemas RFID que existen en la actualidad, un mismo problema puede ser resuelto con diversas alternativas, utilizando componentes de proveedores diferentes, y que utilizan distintos principios físicos de operación. Para realizar la evaluación experimental del diseño propuesto, se plantearon claramente los puntos de principal interés para ser estudiados, y se tomaron en consideración las condiciones reales donde debería desempeñarse el sistema, de modo de facilitar la planificación de los 64 experimentos. Se realizaron experimentos para dos configuraciones distintas de la solución 2. Apoyado en el análisis de los diagramas de radiación de las antenas receptoras y en la tasa de lectura del sistema cuando había múltiples tags dentro de una misma zona de lectura, se determinó que el sistema satisface los requerimientos que plantea su aplicación. Se realizó una comparación de los resultados obtenidos para las dos configuraciones testeadas, y se concluye que la configuración 1 presenta mayores ventajas, por ejemplo, en cuanto a la tasa de lectura del sistema. Asimismo, se comprobó que para un mismo set de componentes, la distribución de ellas en el espacio tiene un gran impacto sobre el funcionamiento del sistema, y que por lo tanto, resulta importante encontrar la posición óptima de cada elemento. Otro aspecto importante es que se comprobó que las características que describen los proveedores acerca de sus productos, en general se satisfacen en la realidad, y que las diferencias que se presentan, se deben principalmente a fuentes de interferencia que no son controlables en la realidad. Una evaluación teórica se utilizó como herramienta para determinar las limitaciones de tener más de un rack con el sistema RFID implementado, dentro de una misma área de trabajo. Para ello, se consideró el caso de dos racks vecinos, y se estimó la distancia mínima a la que deberían situarse los racks, para disminuir la probabilidad de que las antenas se interfieran entre sí, y provoquen una merma en el funcionamiento del conjunto de racks. Se concluyó que esta distancia corresponde a 3m. Sin embargo, esta es una distancia sobredimensionada porque considera posible la realización de lecturas dentro de una zona no alcanzable, de acuerdo a la evaluación experimental del sistema. Pese a lo anterior, la distancia determinada puede servir de guía para distribuir los racks. Por otra parte, probablemente será difícil en algunos casos llevar este límite a la práctica, dado que las dimensiones de las salas de rack pueden ser mucho menores que las que se requerirían para respetar esta regla. Sería recomendable realizar un análisis experimental para conocer las verdaderas condiciones de un ambiente confinado con racks RFID, dado que existen muchos factores ambientales que el análisis teórico no considera. Considerando que el prototipo diseñado es capaz de solucionar múltiples problemas de control y seguridad sobre equipos tecnológicos, se realizó un análisis de factibilidad comercial para estudiar los potenciales beneficios financieros que se podrían obtener al masificar el producto, tanto para el proveedor como para el consumidor. Para tal efecto, se tomó como 65 mercado objetivo, la empresa CODELCO-CHILE. De este análisis se concluye que el prototipo presentado tiene excelentes posibilidades de convertirse en un producto exitoso, ya que soluciona múltiples deficiencias que hoy existen en los procesos productivos, y que se podrían mejorar considerablemente con la implementación de un sistema RFID. Si se considera además que el espectro de aplicaciones de este prototipo es mucho más amplio del abordado en este trabajo, las proyecciones del producto pueden ser aún más positivas. Sería de mucha utilidad poder realizar en el futuro un estudio más profundo de las potencialidades del prototipo aquí presentado, extendiendo el análisis a otros mercados distintos que el de la minería. En el momento en el que se decide incorporar un sistema RFID dentro de una organización, se debe considerar que podría haber un impacto, tanto en la infraestructura tecnológica existente en la organización, como en los recursos humanos que la componen. Por medio de un análisis de factibilidad de implementación del diseño realizado, se demostró que la organización debe estar alerta a las exigencias técnicas que requiere la incorporación de un sistema nuevo, dado que se inyecta un tráfico adicional en las redes de datos, así como en los módulos de almacenamiento de información y en el procesamiento de la misma. Se expusieron algunas alternativas, de las tantas posibles, que se pueden implementar en distintas etapas, entre la transmisión de datos y el despliegue final de la información en una interfaz con el usuario, para minimizar los impactos de la nueva tecnología. Por otra parte, se requiere de nuevas destrezas de parte de los operarios, de manera de sacar el mayor provecho posible del sistema incorporado. De este análisis, se concluye que la implementación de un sistema RFID es factible en la medida en que se pueda manejar el volumen de información adicional que éste genera, y que existan recursos humanos con las destrezas necesarias para poder aprovechar al máximo los beneficios de la incorporación de la nueva tecnología. 66 REFERENCIAS [1] Klaus Finkenzeller, “RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification”, 2ª edición, Editorial Wiley, 2003. 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[28] Leong K.S., Ng M.L., Cole P., “The Reader Collision Problem in RFID Systems”, White Paper Auto-ID Center, 2005. [29] Rappaport Th., “Wireless Communications: Principles and Practice”, 1ª edición, editorial Prentice Hall. [30] “Are you ready for RFID?”, SAS white paper, www.sas.com [31] Sarathy V., Waktola E., “Scaling from pilot to implementation”, white paper Texas Instruments, www.ti-rfid.com, marzo 2006. [32] Manish B., Shahram M., “RFID Field Guide: Deploying Radio Frequency Identification Systems”, editorial Prentice Hall. 68 ANEXO A. DATOS EXPERIMENTALES A.1 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 1 Tabla A.1: Nº de lecturas por segundo en función de la distancia, el ángulo y la presencia de metal. Nº lecturas/seg Ángulo [º] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Promedio 1m 40 38 44 41 34 33 32 17 15 22 12 26 40 35 39 39 25 27 43 16.73 Sin presencia de metal 2m 35 35 37 29 25 22 20 10 14 0 0 3 10 20 25 25 22 20 35 10.75 3m 29 28 22 18 15 20 15 8 10 0 0 0 0 2 10 20 14 19 30 7.23 1m 32 30 20 17 15 19 24 10 8 0 5 10 22 16 15 16 20 18 33 9.17 69 En presencia de metal 2m 3m 20 5 18 1 15 3 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 5 0 10 0 14 0 10 0 12 0 16 0 3.67 0.25 Tabla A.2: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. Distancia 2m. Ángulo [º] -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3 tags nº hits read rate [%] 0 0.00 1 33.33 2 66.67 2 66.67 2 66.67 2 66.67 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 2 66.67 2 66.67 1 33.33 1 33.33 0 0.00 Promedio 68.42 5 tags nº hits read rate [%] 0 0.00 1 20.00 2 40.00 3 60.00 4 80.00 4 80.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 4 80.00 4 80.00 1 20.00 2 40.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 63.16 8 tags nº hits read rate [%] 1 12.50 1 12.50 2 25.00 4 50.00 5 62.50 4 50.00 6 75.00 6 75.00 6 75.00 6 75.00 5 62.50 4 50.00 2 25.00 2 25.00 3 37.50 1 12.50 0 0.00 1 12.50 0 0.00 Promedio 38.82 A.2 SOLUCIÓN 2, CONFIGURACIÓN 2 Tabla A.3: Nº de lecturas por segundo en función de la distancia, el ángulo y la presencia de metal. Nº lecturas/seg Ángulo [º] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1m 43 43 43 43 35 20 20 15 25 5 Sin presencia de metal 2m 35 35 33 30 4 5 0 5 1 1 3m 26 24 25 22 5 15 5 0 0 0 1m 34 37 30 17 10 8 1 0 0 0 70 En presencia de metal 2m 3m 20 5 18 1 15 3 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (Continuación Tabla A. 3) Nº lecturas/seg Ángulo [º] 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Promedio 1m 20 42 43 42 43 32 40 44 43 17.81 Sin presencia de metal 2m 0 5 30 32 38 25 25 30 32 10.17 3m 0 10 10 15 25 20 15 25 27 7.47 1m 0 5 5 0 30 10 5 20 35 6.86 En presencia de metal 2m 3m 0 0 0 0 0 0 5 0 10 0 0 0 0 0 0 0 16 0 2.53 0.25 Tabla A.4: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. Distancia 1m Ángulo [º] -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3 tags nº hits read rate [%] 2 66.67 2 66.67 2 66.67 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 2 66.67 2 66.67 1 33.33 1 33.33 Promedio 84.21 5 tags nº hits read rate [%] 0 0.00 1 20.00 2 40.00 2 40.00 2 40.00 3 60.00 4 80.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 4 80.00 4 80.00 2 40.00 2 40.00 1 20.00 Promedio 65.26 71 8 tags nº hits read rate [%] 1 12.50 1 12.50 2 25.00 2 25.00 4 50.00 5 62.50 5 62.50 7 87.50 8 100.00 8 100.00 8 100.00 8 100.00 8 100.00 7 87.50 6 75.00 6 75.00 4 50.00 3 37.50 2 25.00 Promedio 62.50 Tabla A.5: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. Distancia 2m Ángulo [º] -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3 tags nº hits read rate [%] 0 0.00 0 0.00 1 33.33 2 66.67 2 66.67 2 66.67 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 3 100.00 2 66.67 2 66.67 1 33.33 0 0.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 57.89 5 tags nº hits read rate [%] 0 0.00 0 0.00 1 20.00 0 0.00 0 0.00 1 20.00 3 60.00 4 80.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 5 100.00 3 60.00 3 60.00 2 40.00 1 20.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 45.26 8 tags nº hits read rate [%] 1 12.50 1 12.50 1 12.50 2 25.00 3 37.50 3 37.50 4 50.00 5 62.50 6 75.00 6 75.00 6 75.00 6 75.00 5 62.50 3 37.50 3 37.50 4 50.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 38.82 Tabla A.6: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. Distancia 3m Ángulo [º] -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 nº hits 0 0 0 0 1 2 3 3 3 3 3 2 3 tags read rate [%] 0.00 0.00 0.00 0.00 33.33 66.67 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 66.67 nº hits 0 0 0 0 0 0 2 2 3 3 3 3 5 tags read rate [%] 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 40.00 40.00 60.00 60.00 60.00 60.00 72 nº hits 0 0 0 1 1 1 3 4 5 5 5 3 8 tags read rate [%] 0.00 0.00 0.00 12.50 12.50 12.50 37.50 50.00 62.50 62.50 62.50 37.50 (Continuación Tabla A.6) Ángulo [º] 30 40 50 60 70 80 90 3 tags nº hits read rate [%] 1 33.33 1 33.33 1 33.33 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 40.35 5 tags nº hits read rate [%] 0 0.00 1 20.00 1 20.00 1 20.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 20.00 73 8 tags nº hits read rate [%] 4 50.00 2 25.00 1 12.50 1 12.50 0 0.00 0 0.00 0 0.00 Promedio 23.68 B. PRINCIPIOS FÍSICOS DE LOS SISTEMAS RFID [1] B.1 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS B.1.1 TRANSICIÓN DE CAMPO CERCANO A CAMPO LEJANO EN CONDUCTORES LOOP El campo magnético primario generado por un conductor loop comienza en la antena. Mientras el campo magnético se propaga, se desarrolla también un campo eléctrico por inducción de manera creciente. El campo, que originalmente era puramente magnético, es transformado así continuamente en un campo electromagnético. Por otra parte, a una distancia λ/2π, el campo electromagnético comienza a separarse de la antena, y se propaga en el espacio como una onda electromagnética. El área desde la antena hasta el punto donde se forma el campo electromagnético recibe el nombre de campo cercano de la antena. El área después del punto en que la onda electromagnética se ha formado completamente y separado de la antena, recibe el nombre de campo cercano. Una onda electromagnética separada ya no puede tener fuerza retroactiva sobre la antena que la generó por acoplamiento inductivo o capacitivo. Esto significa que para sistemas RFID de acoplamiento inductivo, una vez que ha comenzado el campo lejano, el acoplamiento inductivo ya no es posible. El comienzo del campo lejano (el radio rF= λ/2π se puede usar como el límite) representa un límite insuperable para sistemas de acoplamiento inductivo. La tabla B.1 muestra el radio límite para distintas frecuencias. Tabla B.1: rF y λ para diferentes rangos de frecuencia Frecuencia < 135 KHz 6.78 MHz 13.56 MHz 27.125 MHz Longitud de onda λ [ m] > 2222 44.7 22.1 11.0 λ/2π [ m] > 353 7.1 3.5 1.7 74 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 75 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). 76 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: S= PEIRP 4πr 2 (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): PS = σ ·S (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: Sback = PS σ P σ P ·σ = S· = EIRP2 · = EIRP2 4 2 2 2 4πr 4πr 4πr 4πr ( 4π ) ·r (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 77 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 78 (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 79 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. PEIRP = ∫ S ⋅ dA (B.4) Aesfera 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: S= P1 ⋅ Gi 4π ⋅ r 2 (B.5) 80 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: PEIRP = P1 ⋅ Gi (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: P1 = PEIRP Gi (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 81 que la ganancia de una antena dipolo (Gi = 1.64) con respecto a un emisor isotrópico es conocida, es fácil convertir entre ambas expresiones: PEIRP = PERP ⋅ 1.64 (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: u 0ϑ = u 0 ⋅ cos(ϑ ) (B.9) 82 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 83 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 el lector. Acoplamiento inductivo generado por 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 84 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 Æ 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 85 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 86 (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. B.2.3 ACOPLAMIENTO ELECTROMAGNÉTICO BACKSCATTERING Los sistemas RFID en los cuales la distancia entre el lector y la antena es mayor que 1m se denominan sistemas de largo rango (long-range systems). La gran mayoría de estos sistemas son conocidos también como sistemas backscatter, debido a su principio físico de operación. Estos sistemas son operados en frecuencias UHF de 868MHz (Europa) y 915MHz (USA), y en 87 frecuencias microondas de 2.5GHz y 5.8GHz. Rangos típicos de 3m pueden alcanzarse utilizando tags pasivos, mientras que rangos de 15m y más pueden ser alcanzados con tags asistidos por baterías. Sin embargo, la batería de un tag asistido por batería nunca provee la energía para la transmisión de datos entre el tag y el lector, sino que sirve exclusivamente para alimentar al microchip y para retener los datos almacenados. La potencia del campo electromagnético recibido desde el lector es la única potencia utilizada para la transmisión de datos entre el tag y el lector. Una batería generalmente brinda al tag más rango y le puede permitir realizar funciones independientes fuera del alcance de la señal de radio-frecuencia del lector. Un ejemplo de esto son los tags que miden temperatura y la almacenan para luego enviarla al lector, por lo que normalmente requieren algún tipo de fuente que aumente su energía. B.2.3.3 SUMINISTRO DE ENERGÍA AL TAG Las pequeñas longitudes de onda de los rangos de frecuencia en los que se utiliza backscattering, facilitan la construcción de antenas de dimensiones considerablemente menores y una mayor eficiencia que la que posiblemente se podría alcanzar en rangos de frecuencia bajo los 30MHz. Para poder determinar la energía disponible para la operación del tag, primero se calcula la pérdida en el espacio libre (free space path loss), aF, en relación con la distancia r entre el tag y la antena del lector, la ganancia GT y GR de la antena del tag y del lector, más la frecuencia de transmisión del lector, f: a F = −147.6 + 20 log(r ) + 20 log( f ) − 10 log(GT ) − 10 log(GR ) (B.10) 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 88 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 0.3m 1m 3m 10m 868MHz 18.6 dB 29.0 dB 38.6 dB 49.0 dB 915MHz 19.0 dB 29.5 dB 39.0 dB 49.5 dB 2.45GHz 27.6 dB 38.0 dB 47.6 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 Æ 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 89 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 (Æbackscatter 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. 90 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. 91 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. 92 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 (Space Division Multiple Access), FDMA (Frequency Domain Multiple Access), TDMA (Time Domain Multiple Access), y CDMA (Code Division Multiple Access). Sin embargo, estos procedimientos clásicos están basados sobre el supuesto de un flujo ininterrumpido de datos desde y hacia los participantes, una vez que la capacidad de un canal ha sido dividida se mantiene dividida hasta que la relación de comunicación finaliza. Figura C.3: Procedimientos multi-acceso y anticolisión. Los tags RFID, por otra parte, se caracterizan por tener breves periodos de actividad intercalados por pausas de largo variable. La realización técnica de un procedimiento de multi-acceso en sistemas RFID lleva a algunos retos para el tag y el lector, dado que tiene que prevenir confiablemente que los datos de los tags (paquetes) colisionen entre ellos en el receptor del lector y se conviertan en ilegibles, sin que esto cause un retraso detectable. En el contexto de los sistemas RFID, un procedimiento 93 técnico que facilite el manejo del multi-acceso sin interferencia alguna se denomina un “sistema de anticolisión”. El hecho de que un paquete de datos enviado a un lector por un tag, por ejemplo por modulación de carga, no pueda ser leído por todos los otros tags en la zona de interrogación de este lector, es un reto para casi todos los sistemas RFID. Por lo tanto, un tag no puede detectar en primera instancia la presencia de otros tags en la zona de interrogación del lector. Por razones de competencia, los fabricantes de sistemas generalmente no están preparados para publicar los procedimientos anticolisión que ellos usan. Por lo tanto, se puede encontrar información sobre este tema en la literatura técnica A continuación se describen las técnicas SDMA, FDMA y TDMA. C.1 SPACE DIVISION MULTIPLE ACCESS (SDMA) El término Space Division Multiple Access se relaciona con técnicas que reusan ciertos recursos (capacidad de canal) en áreas espacialmente separadas. Una opción es reducir significativamente el rango de un solo lector, pero compensarlo poniendo juntos un gran número de lectores y antenas para formar un arreglo, formando así un área de cobertura. Tales procedimientos han sido utilizados exitosamente en eventos de maratón a gran escala para detectar los tiempos de llegada de los corredores que portan tags. En esta aplicación, un número de antenas de lectores se inserta en una estera de tartán (en el piso). Un atleta corriendo sobre la estera acarrea su tag a través de la zona de interrogación de varias antenas que forman parte de todo el arreglo. Un gran número de tags puede ser leído simultáneamente como resultado de la distribución espacial de los corredores sobre todo el arreglo. Otra opción es usar una antena direccional electrónicamente controlada en el lector, con un soporte direccional que puede ser apuntado directamente a un tag (SDMA adaptivo). Así, varios tags pueden ser diferenciados por su posición angular en la zona de interrogación del 94 lector. Se utilizan antenas dispuestas en fase como antenas direccionales controladas electrónicamente. Esto consiste en varias antenas dipolo, y por lo tanto, SDMA adaptivo pude ser utilizado sólo para aplicaciones RFID de frecuencias por sobre los 850MHz (típicamente 2.45GHz) como resultado del tamaño de las antenas. Cada elemento dipolo es conducido a una cierta posición, en fase independiente. El diagrama direccional de la antena surge de la superposición de las ondas individuales de los elementos dipolo en diferentes direcciones. En ciertas direcciones, los campos individuales de la antena dipolo están sobrepuestos en fase, lo que conduce a la amplificación del campo. En otras direcciones, las ondas se cancelan entre ellas, parcial o completamente. Para fijas la dirección, los elementos individuales son alimentados con un voltaje HF de fase variable y ajustable, por medio de modificadores de fase controlados. Para ubicar a un tag, el espacio alrededor del lector debe ser examinado utilizando la antena direccional, hasta que un tag es detectado por el lector (figura C.4). Figura C.4: SDMA adaptivo con una antena direccional electrónicamente controlada. El soporte direccional es apuntado a distintos tags, uno a uno. Una desventaja de la técnica SDMA es el relativamente alto costo de implementación del complicado sistema de la antena. El uso de este tipo de procedimiento anticolisión está por lo tanto, restringida a unas pocas aplicaciones especializadas. 95 C.2 FREQUENCY DOMAIN MULTIPLE ACCESS (FDMA) El término Frequency Domain Multiple Access se relaciona a técnicas en las cuales varios canales de transmisión sobre varias frecuencias portadoras están disponibles simultáneamente para los participantes de la comunicación. En sistemas RFID, esto se puede lograr utilizando tags con una frecuencia de transmisión anarmónica libremente ajustable. El suministro de potencia al tag y la transmisión de las señales de control (broadcast) se realiza a la frecuencia del lector fa. Los tags responden en una de las distintas frecuencias de respuesta disponibles f1 – fN (figura C.5). Por lo tanto, se pueden utilizar rangos de frecuencia completamente distintos para la transferencia de datos hacia y desde los tags (es decir, lector Æ tag (downlink): 135KHz, tag Æ lector (uplink): varios canales en el rango 433 – 435 MHz). Figura C.5: En un procedimiento FDMA, distintos canales de frecuencia están disponibles para la transmisión de datos desde los tags a los lectores. Una opción para los sistemas RFID con modulación de carga o sistemas backscatter es utilizar varia frecuencias subportadoras independientes para la transmisión de datos desde los tags al lector. 96 Una desventaja del procedimiento FDMA es el costo relativamente alto de los lectores, dado que debe haber receptor dedicado para cada canal de recepción. Este procedimiento anticolisión también permanece limitado a unas pocas aplicaciones especializadas. C.3 TIME DOMAIN MULTIPLE ACCESS (TDMA) El término Time Domain Multiple Access tiene relación con técnicas en las cuales toda la capacidad de canal disponible se divide entre los participantes, cronológicamente. Los procedimientos TDMA son particularmente extensos en el campo de sistemas de radio móviles digitales. En sistemas RFID, los procedimientos TDMA son, por mucho, el grupo más grande de procedimientos anticolisión. Se diferencia entre procedimientos conducidos por el tag (transponder-driven) y procedimientos conducidos por el lector (interrogator-driven), como muestra la figura C.6. Figura C.6: Clasificación de los procedimientos TDMA de acuerdo a Hawkes (1997). Los procedimientos transponder-driven funcionan asincrónicamente, dado que el lector no controla la transferencia de datos. Este es el caso del procedimiento ALOHA, por ejemplo. Los procedimientos transponder-driven son muy lentos e inflexibles, por lo que la mayoría de las aplicaciones utilizan procedimientos controlados por el lector como maestro (interrogatordriven). Estos procedimientos pueden ser considerados como síncronos, dado que todos los tags son controlados y chequeados por el lector simultáneamente. Primero se selecciona a un único tag, del gran número de tags que están en la zona de interrogación del lector, utilizando un cierto algoritmo. Luego, comienza la comunicación entre el tag seleccionado y el lector (es decir, 97 autenticación, lectura y escritura de datos). Se selecciona otro tag para iniciar la comunicación sólo cuando la comunicación anterior haya finalizado. Los procedimientos interrogator-driven se subdividen en polling (interrogación) y búsqueda binaria. Estos procedimientos se basan en que los tags están identificados con un número de serie único. Los procedimientos polling requieren una lista de los números de serie de todos los tags que puedan participar en la aplicación. Cada número de serie es interrogado por el lector, un tras otro, hasta que responde un tag con un número de serie idéntico. Este procedimiento puede ser muy lento, dependiendo del número de tags posibles, y por lo tanto es conveniente sólo para aplicaciones con pocos tags en el campo. Los procedimientos de búsqueda binaria son más flexibles, y por lo tanto, son los más comunes. En una búsqueda binaria, se selecciona un tag de un grupo, causando intencionalmente una colisión de datos en los números seriales del tag, transmitidos al lector, siguiendo el comando “request command” del lector. Si el procedimiento es exitoso, es crucial que el lector sea capaz de determinar la posición precisa del bit de una colisión, usando un sistema de codificación de la señal adecuado. 98 99