În ultimul timp, preţul sistemelor RFID a scăzut considerabil, iar performanţele s-au îmbunătăţit, astfel că folosirea “tag”-urilor a devenit o opţiune realistă chiar în aplicaţiile pentru care cu doi ani în urmă ar fi fost o utopie.
Prima întrebare pe care şi-o pun de obicei proiectaţii de sistem (şi nu numai ei) este: “Până la ce distanţă pot să citesc datele de pe un tag RFID?” Această întrebare nu are un răspuns simplu, de aceea articolul încearcă să ilustreze pe scurt factorii ce afectează raza de acţiune, iar în încheiere prezintă un exemplu de proiectare real. Ambele se bazează pe sisteme RFID pasive, de frecvenţă medie sau joasă (de la 125kHz la 13.56MHz), cuplate inductiv. O discuţie detaliată are ocupa mult prea mult spaţiu, aşa că ne concentrăm în special asupra interfeţei dintre tag şi aparatul de citire.
Pentru a obţine date, fără contact, de la un tag RFID pasiv, trebuie să aibă loc două procese: alimentarea de la distanţă (power-up) şi comunicarea, aşa că pe acestea le vom analiza mai întâi. În sistemele de identificare prin contact, care folosesc magistrale seriale cu 2 sau 3 fire, liniile de alimentare, tact şi date sunt cablate separat (vezi figura 1). Dispozitivele RFID pasive folosesc de asemenea o magistrală serială, doar că alimentarea, semnalul de ceas şi datele sunt toate conţinute în acelaşi semnal de radiofrecvenţă (figura 2a).
În rest, principiile de funcţionare sunt similare cartelelor cu cip. Alimentarea de CC este necesară pentru polarizarea circuitelor CMOS, iar datele binare păstrate într-o memorie sunt trimise la ieşire serial, conform semnalului de tact, pe magistrala de comunicaţie.
Separarea semnalului purtător în circuitul integrat de tagging este o parte importantă a procesului (vezi figura 2b).
Pentru a obţine tensiunea continuă de alimentare, semnalul purtător emis de dispozitivul de citire este redresat folosind unul din tipurile curente de circuite redresoare, adeseori utilizând una sau mai multe diode în interiorul circuitului integrat. Ceasul de date se obţine în mod diferit:
– în sistemele sincrone, este derivat din semnalul primit de la cititor, prin divizarea, în mai multe etape, a frecvenţei purtătoare, aşa cum se arată în figura 3;
– in sistemele asincrone tactul este derivat de la un oscilator aflat pe cip.
La sistemele care sunt cu citire şi înscriere, cititorul trimite şi date modulate în amplitudine, astfel că circuitul integrat de tagging trebuie să poată face detecţia de vârf a semnalului pentru a extrage anvelopa ce conţine comenzile sau datele (vezi “command detect” în figura 2b).
Toate sistemele pasive pe 125kHz şi 13.56MHz sunt cuplate inductiv, şi se comportă în mod similar unui transformator cu cuplaj scăzut (figura 4).
Energia este transmisă de la cititor la tag prin cuplajul magnetic dintre înfăşurarea primară (bobina antenei echipamentului de citire) şi înfăşurarea secundară (bobina antenei tag-ului). La aceste frecvenţe se folosesc circuite LC acordate, pentru a maximiza cuplajul dintre primar şi secundar şi deci a optimiza transferul de energie.
Câmpul magnetic variabil în timp al cititorului, generat de curentul I1, este interceptat de înfăşurarea antenei tag-ului, induce un curent alternativ I2 şi o tensiune pe spirele bobinei tag-ului. Revăzând figura 4, observăm că simpla prezenţă a unui circuit acordat produce o uşoară scădere a tensiunii vârf la vârf în nodul A, la fel cum sarcina plasată în secundarul unui transformator produce un efect în primar. Dacă pe înfăşurarea tag-ului este amplasat un întrerupător, şi acesta este închis, atunci bobina tag-ului este scurtcircuitată, nu mai este un circuit rezonant şi nu mai încarcă înfăşurarea cititorului, astfel că tensiunea din punctul A revine la valoare iniţială. Într-un circuit de tagging pentru RFID, întrerupătorul respectiv este un tranzistor (figura 5).
Modularea întrerupătorului închis sau deschis produce o anvelopă corespunzător modulată în amplitudine în punctul A, anvelopă ce poate fi extrasă prin mijloace digitale sau analogice. După filtrare si refacerea formei dreptunghiulare, trenul de pulsuri din nodul B va arăta exact ca cel care a ieşit din memoria tag-ului în nodul C.
Deci, ce factori pot creşte sau reduce distanţa maximă de citire? Să vedem mai întâi aspectul energetic – fără alimentare desigur că tagul pasiv nu poate funcţiona. Energia de radiofrecvenţă trebuie generată de cititor într-un mod ce îndeplineşte limitele impuse de guvern (norme FCC, ETSI, MPT etc.), transferată de la echipamentul de citire către tag, şi apoi folosită eficient în interiorul tag-ului. În proiectare trebuie avute în vedere puterea maximă de ieşire, randamentul cuplajului energetic, şi consumul de curent în tag. La aceste frecvenţe purtătoare, tensiunea disponibilă scade proporţional cu cubul distanţei dintre cititor şi tag. Dacă tensiunea este invers proporţională cu cubul distanţei “r”, puterea disponibilă va fi proporţională cu 1/r6 (figura 6).
Aceasta este o descreştere foarte abruptă, astfel că “bătaia maximă” sau “raza de citire” poate fi definită destul de precis. Se poate afirma că un anumit sistem cititor-tag va asigura citiri clare la distanţa de 1,50m, însă la 2m nu va mai putea “prinde” de loc dispozitivul de RFID.
Semnalul recepţionat de la tag trebuie să fie suficient de puternic pentru ca cititorul să-l poată interpreta fără ambiguităţi. Asta are legătură cu adâncimea de modulaţie, dar depinde şi de mărimea perturbaţiei pe care tagul poate s-o producă în câmpul magnetic local al cititorului. La rândul său, perturbarea depinde de cuplajul de energie dintre cele două bobine, care este afectat de apertura antenei (diametrul) şi de factorul de calitate Q. Cititorul trebuie de asemenea să poată interpreta corect semnalele slabe. Calitatea proiectării echipamentului de citire se exprimă în termeni precum rejecţia zgomotului, raportul semnal / zgomot (SNR), performanţele filtrelor şi eficienţa procesării.
Următorii factori afectează raza de citire, iar asteriscul * marchează parametrii care au influenţa cea mai mare. Se observă că unii factori ţin de echipamentul de citire, iar alţii de tag:
Tipul modulaţiei folosite afectează de asemenea distanţa maximă de citire. Sistemele PSK şi FSK sunt inerent mai imune la zgomot decât sistemele ASK, deoarece ele folosesc o “subpurtătoare” pe care zgomotul nu poate s-o imite prea uşor.
La sistemele ASK, orice vârf de zgomot cu o lăţime suficientă poate să arate ca semnalul de date şi poate corupe un bit – de aceea se folosesc obligatoriu sume de control, scheme de verificare a parităţii şi coduri cu redundanţă ciclică (CRC). La sistemele PSK şi FSK, datele binare nu sunt reprezentate prin nivele joase şi ridicate în modulaţia de amplitudine, ci prin variaţii ale:
– fazei pe întreaga durată a bitului (PSK);
– frecvenţei subpurtătoarei pe întreaga durată a bitului (FSK).
Totuşi, într-un sistem pasiv nu se transmite cu adevărat vre-o subpurtătoare, ci doar variaţii ale modulaţiei de amplitudine. Asta înseamnă că utilizarea sumelor de control sau a codurilor ciclice cu redundanţă, precum şi faptul că ceilalţi factori listaţi mai sus afectează raza de citire în mod aşa dramatic, orice avantaje câştigate prin folosirea FSK sau PSK sunt în general minime
Mediul ambiant al aplicaţiei poate să influenţeze raza de citire:
– Mase metalice mari în apropierea antenelor;
– Prezenţa unor surse de zgomote în banda de frecvenţe de interes;
– Sisteme statice (staţionare) sau aflate în mişcare;
– Unghiul dintre câmpurile magnetice ale tag-ului şi cititorului (de aceea ajută mişcarea);
– Încăpere închisă sau sistem în aer liber (limitele de radiaţii impuse de reglementări – într-un depozit închis sau tunel ecranat se poate folosi o putere de emisie mai mare decât în aer liber).
Consumul tag-ului, tensiunea de pornire, şi adâncimea de modulaţie variază foarte mult de la un model la altul şi de la un producător la altul. De exemplu, din dispozitivele de tagging RFID de la firma Microchip Technology Inc, MCRF355 şi MCRF450 (13.56MHz), pornesc la o tensiune de numai 4Vvv şi au un consum tipic de 7mA, în timp ce modelul MCRF200 (125-134kHz) porneşte la o tensiune de 9Vvv şi consumă 10mA.
La frecvenţa de 13.56MHz diferenţele în consumul de curent sunt mult mai pronunţate, deoarece consumul de curent al dispozitivelor CMOS este direct proporţional cu frecvenţa de tact. La tagurile sincrone ce lucrează la frecvenţe mai joase, de 125kHz, asta nu este o problemă, dar generarea semnalului de tact dintr-o purtătoare de 13.56MHz înseamnă că cel puţin o poartă va consuma de o sută (100!) de ori mai mult curent decât echivalentul său din tagul de 125kHz.
Restul lanţului divizor de frecvenţă (vezi figura 7) consumă tot atât (sau doar puţin mai mult) decât poarta cea mai rapidă. Rezultatul poate fi văzut în performanţele a două dispozitive similare pe piaţa RFID de 13.56MHz – MCRF450 şi un dispozitiv produs de concurenţă:
Avantajul câştigat de MCRF355 în reducerea consumului de curent se manifestă printr-o îmbunătăţire de cel puţin 30% a razei de citire, lucru verificat prin testele efectuate cu aperturi similare ale tagurilor şi folosind un acelaşi cititor multi-protocol produs de o altă firmă. Avantajul economiei de energie la MCRF355 este un rezultat al proiectării sale asincrone: oscilatorul său de putere redusă, integrat pe cip, nu trebuie să comute decât în banda sa de bază, la 70kHz, şi nu pe frecvenţa purtătoarei, de 13.56MHz. Comutarea la o frecvenţă de 200 de ori mai joasă înseamnă că cel puţin câteva din porţile CMOS ale tagului consumă un curent de 200 de ori mai mic decât la dispozitivul concurent!
Proiectele echipamentelor de citire sunt unice şi diverse, în funcţie de caracteristicile obiectelor ce trebuiesc urmărite cu tag-urile RFID. Cele mai ieftine cititoare, cu rază mică de acţiune, au preţuri sub o sută de dolari, în timp ce modelele cu bătaie lungă şi viteză mare pot depăşi o mie de dolari. Proiectarea optimizată a unui cititor de taguri RFID trebuie să ia în considerare cel puţin următoarele elemente:
1. Limitele maxime ale energiei de radiofrecvenţă radiată, în conformitate cu standardele şi reglementările în vigoare.
2. Constrângeri fizice – dimensiuni, greutate, sursa de alimentare
3. Cerinţele privind distanţa maximă de citire – uneori sunt de ajuns 10cm sau chiar mai puţin, în timp ce alte aplicaţii necesită o rază de acţiune de 3 metri!
4. Caracteristica de directivitate sau volumul maxim de citire
Nivelele de putere de RF
Limitele maxim admisibile sunt stabilite de reglementările agenţiilor de specialitate pentru fiecare ţară sau regiune. Aceste limite se măsoară la o distanţă mult mai mare faţă de echipamentul de citire decât raza utilă a unui tag RFID pasiv: limitele impuse de standarde se exprimă de obicei în putere sau nivele de tensiune măsurate la zeci de metri de sursă, în timp ce tagurile pasive în această gamă de frecvenţe au în general raza utilă de numai 1-2m.
Diferenţa este din cauză că limitele de radiaţii RF se leagă de componenta de câmp electrică a undei electromagnetice purtătoare generate, în timp ce tagurile cuplate inductiv necesită un câmp magnetic semnificativ. Unii fabricanţi de echipamente de citire utilizează o proiectare creativă ce speculează această diferenţă: maximizează câmpul magnetic în apropierea cititorului, în timp ce reduce sau anulează câmpul electric la distanţă mai mare.
În cadrul acestor limite impuse, raza de citire poate fi sporită crescând puterea de emisie (curentul injectat de etajul final în circuitul LC acordat) şi adaptarea de impedanţă dintre circuitul final şi antenă. Dar această îmbunătăţire are o limită – bătaia sistemului este afectată mai mult de apertura (diametrul) bobinei antenei cititorului şi de calitatea circuitului de detecţie.
Apertura
Ca exemplu de pondere a diferiţilor factori, dacă dublăm diametrul antenei la cititor sau la tag raza de citire se poate dubla, în schimb dacă dublăm puterea emisă nu este sigur că raza de citire va creşte de două ori. Aceasta se poate vedea cel mai bine prin modelarea liniilor de flux în jurul bobinei antenei (figura 8).
Cu cât apertura este mai mică, cu atât liniile de flux sunt mai scurte, ele tind să se răsucească înapoi în jurul bobinei; Un diametru mai mare al bobinei permite liniilor de flux să se extindă mai mult pe direcţia Z înainte de a se încolăci în jurul bobinei. Avantajul este dublu: se asigură atât o distanţă mai mare cât şi o mai mare densitate de flux care să fie interceptată de antena tagului.
Desigur, şi această abordare are limitele ei, deoarece există un diametru peste care liniile de flux nu mai sunt aditive – densitatea fluxului în centrul bobinei şi deci proiecţia ei pe apertura antenei tagului scad, astfel că raza de citire începe să scadă şi ea. Acesta este punctul în care bătaia poate fi sporită prim mărirea puterii de emisie.
O bună estimare este că raza de citire maximă la un sistem RFID de joasă frecvenţă, cu cuplaj inductiv, cu răspuns pasiv este de circa 1-2 ori diametrul antenei cititorului. Desigur, există excepţii de a această regulă, generate de tehnici inteligente de proiectare, forme sofisticate ale antenei, şi procesarea suplimentară a semnalului.
În aplicaţiile în care spaţiul pentru antena cititorului este strict limitat, raza de acţiune poate fi crescută înfăşurând bobina cititorului pe o bară de ferită. Aceasta face cititorul mult mai direcţional, dar creşte considerabil bătaia lui pe axa feritei, datorită concentrării fluxului magnetic pe o singură direcţie.
Atenţie! În funcţie de specificul aplicaţiei, o directivitate mare poate fi o caracteristică utilă sau dimpotrivă, un dezavantaj, în funcţie de modul în care se estimează că vor trece pe lângă cititor obiectele prevăzute cu taguri RFID.
Consideraţii în proiectarea tagurilor
După ce a fost ales un dispozitiv adecvat aplicaţiei, mai trebuie proiectată o antenă corespunzătoare. Aşa cum s-a menţionat anterior, cei trei factori primari ce acţionează aici sunt apertura, factorul de calitate şi acordul circuitului. În practică la proiectare trebuie luate în considerare şi alte criterii, cum ar fi flexibilitatea, robusteţea mecanică, grosimea, permeabilitatea la apă sau la substanţe chimice, forma şi dimensiunea maximă, dar toate acestea afectează raza de citire numai dacă modifică factorul Q sau acordul circuitului.
Apertura antenei tagului afectează raza utilă de citire într-un mod aproape liniar. Totuşi, dacă pentru bobina unui tag cu diametrul de 20 cm se foloseşte sârmă de acelaşi calibru ca pentru tagul cu diametrul de 10 cm, factorul de calitate Q va avea de suferit din cauza rezistenţei electrice sporite a înfăşurărilor. De aceea, se foloseşte sârmă cu diametrul mai mare, pentru a menţine constant pe Q sau chiar a-l îmbunătăţi. Acelaşi considerent se aplică şi la tagurile ce folosesc trasee conductoare pentru a realiza antena.
Pentru aplicaţiile ce necesită taguri de dimensiuni foarte mici (apertură mai mică de 1cm), este aproape întotdeauna necesar să se bobineze antena tagului în jurul unei bare de ferită. Ferita concentrează liniile de forţă disponibile pe antena tagului, efectiv “mărind” antena sau focalizând liniile de flux prin bobină, astfel încât să genereze suficient curent prin înfăşurători. Aceasta subliniază faptul că alimentarea tagului este principalul factor ce determină raza de citire a sistemului. Barele sau miezurile de ferită sunt disponibile într-o diversitate de lungimi, diametre şi permeabilităţi magnetice, şi sunt folosite cel mai des pentru tagurile de mici dimensiuni pe frecvenţe mai joase, de circa 125kHz. Astfel de taguri au aplicaţii în identificarea animalelor sau în asigurarea accesului prin montarea în breloc. Miezurile de ferită se pot folosi şi la aplicaţiile pe frecvenţa de 13,6MHz, dar feritele trebuie alese cu grijă, având în vedere frecvenţa purtătoarei.
Atenţie: Folosirea în antena tagului a unui miez de ferită îl face foarte direcţional!
Q, sau “factorul de calitate”, este un raport dintre energia stocată şi energia disipată. Reprezintă de asemenea raportul dintre reactanţă şi rezistenţa ohmică, aşa că o rezistenţă mare a înfăşurărilor antenei reduce factorul Q. De asemenea, Q este legat de colţurile de 3dB ale funcţiei de transfer a circuitului oscilant LC în cauză. De aceea, Q este o armă cu două tăişuri: cu cât este mai mare factorul de calitate al circuitului de antenă al tagului, cu atât este mai mare raza de citire, deoarece din câmpul de RF al cititorului poate fi extrasă şi stocată mai multă energie. Dar cum un Q ridicat înseamnă şi o funcţie de transfer mai îngustă, tagul devine mult mai sensibil la modificări în acordul circuitelor. Aceste modificări pot fi datorită toleranţelor de fabricaţie ale bobinei şi condensatorului, sau pot fi cauzate de mediul înconjurător al tagului, cum ar fi faptul că este plasat chiar peste alt tag sau în apropierea unei suprafeţe metalice. Schimbările de mediu apar atunci când două bobine creează o inductanţă mutuală care face ca frecvenţa de acord a ambelor taguri să se deplaseze puţin. Astfel de modificări pot fi produse şi de curenţii turbionari dintr-o bobină sau o carcasă metalică. În figura 9 se arată exemple extreme ale comparaţiei tagurilor cu factor Q ridicat sau scăzut, sub aspectul modificării acordului circuitului LC.
În anumite aplicaţii nu este importantă o rază de citire mare, dar se impune citirea a numeroase taguri amplasate unul lângă celălalt, poate chiar stivuite unul peste altul. În această situaţie, optimizarea razei de citire nu înseamnă maximizarea razei de citire ci controlul acesteia. Tag-urile cu un factor de calitate prea ridicat se perturbă reciproc. Limitând în mod intenţionat Q-urile tagurilor, limităm efectiv raza de citire pentru fiecare din taguri. Dar limităm astfel şi efectul perturbator reciproc, mărimea derivei provocată de proximitatea altor bobine sau mase metalice.
Mai există o problemă potenţială privind acordul circuitelor de antenă. Unele aplicaţii impun ca tagul să fie lipit pe un obiect metalic, ceea ce poate fi o mare problemă în cazul tagurilor pasive – asta dacă în faza de proiectare nu se ştia că vor fi puse pe obiecte din metal. Masele metalice generează două probleme:
– dezacordarea circuitelor din cauza curenţilor turbionari;
– devierea şi încolăcirea liniilor de câmp în cazul metalelor feroase.
În funcţie de orientarea tagului faţă de cititor şi obiectele metalice ce trebuiesc identificate, efectele perturbatoare pot fi controlate sau compensate. Astfel, dacă se ştie din timp că tagurile sunt destinate unor obiecte metalice, tagurile pot fi pre-acordate astfel încât acordul lor în aer liber este decalat faţă de frecvenţa purtătoarei, dar frecvenţa lor de acord atunci când sunt ataşate pe obiectul metalic va fi centrată precis pe purtătoare.
Dacă obiectele pe care vor fi prinse tagurile sunt necunoscute, atunci problema trebuie rezolvată mărind puterea de emisie a cititorului şi reducând corespunzător Q-ul tagurilor, pentru a minimiza scăderea de putere datorată deplasării frecvenţei de rezonanţă.
– va urma –
Peter Sorrells
Microchip Technology Inc.
www.microchip.com
Ing. Cristian Malide
cmalide@fx.ro
(exemplul de proiectare)