Tecnologie/ Viaggio nel mondo RFID (II)

di C. Patierno - Seconda parte del viaggio nella tecnologia RFID. Ecco come lavorano reader, tag e antenne, con qualche cenno di fisica dei campi elettromagnetici

Roma – Dopo aver dedicato la prima parte di questa serie di articoli alla storia della tecnologia RFID, ci occupiamo ora dei principi di trasmissione dell’energia e/o del segnale tra le due entità principali: il reader ed il tag.

Analizziamo l’infrastruttura fino ad ora discussa con un dettaglio più tecnico. Il reader è essenzialmente composto da:
– sistema di connessione e comunicazione con PC
– sistema di alimentazione
– sistema di generazione del campo RF
– sistema di comunicazione mediante RF
– eventuali sistemi accessori (che descriveremo meglio in seguito).

Porta seriale RS232 Il sistema di connessione e comunicazione con il PC si basa essenzialmente sugli standard di comunicazione delle porte RS232 (la vecchia porta del mouse, per intenderci): tutti i sistemi operativi supportano questo standard, che è estremamente semplice e frequentemente utilizzato, ad esempio per la connessione dei modem esterni. Il sistema di comunicazione RS232 permette una comunicazione seriale, cioè la comunicazione avviene in serie, mediante un unico filo (in realtà è una coppia più un filo di massa), e in modalità “half-duplex”: vige cioè la regola “io parlo, tu ascolti”, diversa dalla comunicazione parallela, cioè “full-duplex”, dove ricezione e trasmissione avvengono in contemporanea. Il tipo di comunicazione seriale avviene aprendo un canale di comunicazione tra le due apparecchiature (apertura della porta “COM”), in questo modo entrambe le apparecchiature sono in ascolto e la prima che “parla” occupa il canale impedendo la risposta dell’altra, che dovrà attendere la fine della trasmissione eventualmente per rispondere. Per capire meglio possiamo dire che la comunicazione seriale è come la comunicazione tra due persone al telefono: se entrambe parlano la comunicazione è impossibile, invece nella comunicazione parallela una singola entità è composta da una coppia di persone dove una parla ed una ascolta, quindi essenzialmente simultanea.

Su queste premesse, possiamo facilmente capire come PC e reader comunichino: il PC, dopo aver aperto la porta di comunicazione, invia un comando “leggi” (in formato testo) al reader: a questo punto il reader, attraverso gli altri sistemi, legge il tag e risponde al PC: “ho letto questo?”, oppure “non ho letto nulla”. Naturalmente la comunicazione è ben più complessa di quanto qui semplificato, poiché i comandi inviabili sono tanti (tra cui anche il comando “leggi continuamente”, che permette il solo ascolto da parte del PC). Tratteremo meglio lo standard di comunicazione quando parleremo dell’ISO 15693, che contiene tutte le informazioni per il funzionamento di una delle più diffuse tecnologie RFID.

Il sistema di alimentazione del reader è un sistema classico composto da un alimentatore (o delle batterie): l’unica accortezza adottata dai produttori e quella di schermare l’alimentatore affinché non generi eventuali interferenze elettromagnetiche che possano impedire la corretta lettura dei tag, come meglio ci renderemo conto in seguito.

Spettro elettromagnetico Il sistema di generazione del campo RF è costituito dall’apparecchiatura elettronica per la corretta emissione/stabilizzazione del segnale e dall’antenna. Il tipo di antenna dipende essenzialmente dalla frequenza che si è scelto di utilizzare. Per meglio comprendere quindi perchè esistono in commercio vari tipi di antenne con distanze di lettura anche considerevolmente differenti, dobbiamo addentrarci nel mondo della Radiofrequenza, cercando di comprendere i meccanismi fisici che la regolano (limitandoci comunque nell’esposizione e permettendo a tutti facilmente di capire): solo così potremo comprendere il reale funzionamento del sistema e i suoi limiti tecnici.

Campo elettromagnetico Le onde elettromagnetiche sono il fenomeno fisico attraverso il quale avviene la propagazione dell’energia nello spazio: la stessa luce visibile è un fenomeno di origine elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche possono essere assimilate ad una forma di tipo sinusoidale dove:
a) il valore massimo assunto dalla semionda è l’Ampiezza (A)
b) il tempo impiegato dall’onda per compiere un’oscillazione è detto Periodo (T)
c) lo spazio percorso dall’onda in una oscillazione completa è detta Lunghezza d’onda (λ)
d) il numero di oscillazioni compiute in un secondo è detto Frequenza (v)
e) la velocità di propagazione nel vuoto è detta Velocità (c).

Campo elettrico Studiando le equazioni di Maxwell, assimilando la velocità di propagazione nel vuoto come quella della luce, si conclude che la lunghezza d’onda, la velocità e la frequenza sono correlate fra di loro da un’unica equazione. I fenomeni elettromagnetici vengono poi descritti nelle seguenti leggi:
a) Legge di Ampere: “la corrente che attraversa un conduttore genera dei campi magnetici”.
b) “Legge di Faraday”: i campi magnetici che variano nel tempo generano campi elettrici indotti”.

Campo magnetico Questo ci permette quindi di trasmettere energia senza contatto: in pratica, facendo variare la corrente in un conduttore (corrente alternata, come quella di casa, solo che invece di alternare con una frequenza di 50 Hz viene alternata a frequenze di molto superiori), questo genera un campo elettromagnetico (come un elettromagnete) che è in grado, a certe condizioni, di trasformarsi ancora una volta in energia elettrica (correnti parassite). È per questo motivo che sugli aerei è vietato l’uso di apparecchi come i cellulari, perchè l’emissione del campo elettromagnetico potrebbe condensarsi in qualche cavo (il conduttore) e disturbare i computer di bordo, causando anche la caduta dell’aereo stesso.
Posizione di un tag magnetico rispetto ad un'antenna Inoltre, dalla fisica sappiamo che un campo elettromagnetico è la somma di due campi generati dalla stessa fonte, uno puramente elettrico ed uno puramente magnetico. Questi due campi sono correlati e le funzioni matematiche che li definiscono dipendono da:
– distanza dal punto di emissione
– lunghezza d’onda
– posizione nello spazio.

Ma gli stessi campi non vengono influenzati egualmente da questi fattori, anzi:
il campo magnetico prevale a breve distanza, mentre il campo elettrico prevale a lunga distanza. Possiamo quindi definire “campo vicino” la porzione di spazio attraversata dalle linee di flusso magnetico e “campo lontano” la porzione di spazio attraversato dalla radiazione elettrica. Prendiamo un esempio dal nostro sole: le eruzioni solari che spesso vediamo in TV, formano degli anelli con la superficie solare, questo perchè il plasma eruttato segue le linee di campo magnetico (che sono sempre chiuse, come anelli) rendendocele visibili. Al contrario, la luce solare viene proiettata nello spazio e rappresenta il nostro campo elettrico.

Come precedentemente definito dalla legge di Faraday, ovunque sia presente un campo magnetico oscillante vengono indotte delle correnti parassite. Questo principio, lo stesso dei trasformatori, è quello utilizzato per i tag ad accoppiamento magnetico (si intende il processo di propagazione dell’energia da un oggetto all’altro): ovunque sia presente un campo elettrico oscillante vengono indotte correnti parassite. Questo principio, lo stesso dell’esperimento di Marconi, è lo stesso utilizzato per i tag ad accoppiamento elettrico. Va inoltre precisato che l’energia elettrica indotta dal campo magnetico è funzione del suo orientamento, per questo motivo, se il tag non è orientato perpendicolarmente al campo magnetico, lo stesso non assorbirà sufficiente segnale per instaurare la comunicazione. Differentemente, il campo elettrico indotto è influenzato fortemente dalla distanza. Essendo i due campi fisicamente diversi, si comportano in modo diverso: il primo, quello magnetico, avendo le linee di flusso ricurve su se stesso riesce a trasmettere energia solo se le linee vengono tagliate perpendicolarmente; il secondo invece, avendo le linee di flusso praticamente rette, non subisce questo effetto e l’unica influenza fortemente nociva è la distanza (dato il diradamento delle linee di flusso, così come la luce di una candela è in grado di illuminare soltanto piccole porzioni di spazio).

Il diverso comportamento delle onde nel campo vicino e nel campo lontano ha grande importanza per i sistemi RFID, sopratutto per la definizione delle problematiche di lettura. Come abbiamo visto in precedenza, il campo magnetico è costituito da linee di flusso a forma di anelli chiusi; il campo elettrico invece ha una propagazione sostanzialmente lineare; ciò significa che le problematiche di lettura nel campo magnetico saranno derivate da tutte le situazioni in cui il campo viene distorto o tagliato prima che il tag ne assorba l’energia. Le problematiche di lettura nel campo elettrico sono invece derivate da situazioni dove il campo delle cariche elettriche viene assorbito o riflesso prima che il tag ne assorba l’energia. La modalità di propagazione del campo elettromagnetico è detta di “scattering” per i campi a prevalenza magnetica e di “onda diretta” per i campi radio. È facile intuire altresì che l’antenna dovrà avere forma e dimensioni diverse per ottimizzare l’uno o l’altro campo in funzione della tipologia di tag da adottare. Anche la lunghezza d’onda è importante poiché solo sopra i 20 MHz vengono generati anche i campi elettrici (o radio) oltre quelli magnetici e solo oltre i 30 MHz vengono indotti campi elettrici sufficientemente potenti per instaurare una comunicazione tra due fonti. Le antenne adottate per i campi magnetici sono di forma “a spira chiusa” dove la loro lunghezza è un quarto della lunghezza dell’onda adottata, questo perchè non venga distorto il campo magnetico dall’antenna stessa che lo ha generato (l’antenna del tag dovrà essere dotata di una serie di spire, come nei trasformatori, tale da assorbire sufficiente energia per l’alimentazione, nel caso dei tag passivi), praticamente come le bobine degli alimentatori.

Le antenne adottate per i campi radio sono invece a forma di filo (o dipolo ideale), tale da generare un campo magnetico estremamente piccolo per propagare il campo elettrico in maniera uniforme (anche le antenne dei tag saranno dello stesso genere, cambieranno forma solo per raccogliere, nel caso di tag passivi, eventuale energia residua da rimbalzo o diffrazione). Antenna di un tag elettrico Quindi le antenne RFID magnetiche avranno la forma di un anello ed il campo elettromagnetico generato sarà perpendicolare (come due lobi) all’antenna stessa. Le antenne RFID radio possono essere direzionali (come quelle di un radar o della TV terrestre) o meno (come quelle delle apparecchiature Wi-Fi).

Antenna Magnetica a loop Un’ultima considerazione và fatta sulle antenne magnetiche. La loro dimensione è funzione della frequenza adottata e la dimensione del campo generato è funzione della lunghezza dell’antenna, per cui tanto maggiore sarà la distanza di lettura (a parità di potenza emessa, ma come vedremo in seguito un eccesso disturberà le comunicazioni) tanto più grande dovrà essere l’antenna stessa.

A questo punto possiamo definire due grandi famiglie di RFID: magnetici ed elettrici. Vediamo infine quali possono essere le cause di disturbo nei sistemi magnetici e radio:. Il campo magnetico, per letture a breve distanza, può essere disturbato da:
– alimentazione non stabilizzata correttamente che induce errori nelle comunicazioni
– presenza di fili elettrici alimentati, che generano campi magnetici di disturbo
– effetto “eco” derivato dalla presenza di materiale metallico nelle vicinanze
– liquidi polari (come l’acqua distillata), che assorbono il campo magnetico
– effetto distorsivo dei metalli (i metalli sono impenetrabili alle onde magnetiche, di conseguenza tagliano o piegano le linee di flusso, questo è il motivo per cui i tag passivi HF non possono essere posti a diretto contatto con un metallo, ma devono essere distanziati di alcuni millimetri).

Il campo Elettrico, inefficace a breve distanza, può essere disturbato da:
– presenza di altre fonti radio nelle vicinanze, con frequenza identica o multipla della frequenza utilizzata
– materiali impenetrabili alle onde radio.

Il sistema di comunicazione mediante RF è costituito da un’apparecchiatura elettronica in grado di interfacciarsi con il sistema di generazione del campo RF, riducendo i “rumori” (i disturbi, un po’ come il dolby per le audiocassette) e codificare/decodificare le modulazioni sulla portante elettromagnetica in modo da leggere o scrivere i tag. Per poter comprendere meglio, si tratta dello stesso schema di comunicazione visto per le porte RS232, solo visto “a basso livello”, cioè nella sua comunicazione bit a bit.

Uno schema di comunicazione tra due apparecchiature viene definito dallo schema ISO-OSI, composto da 7 operazioni:
1) – Link Fisico, dipendente dalle proprietà fisiche di comunicazione
2) – Link Logico, dipendente dalla struttura dei dati
3) – Rete, dipendente dall’indirizzamento (a chi comunico se sono presenti più interlocutori)
4) – Trasporto, dipendente dalla qualità e natura dei dati
5) – Sessione, dipendente dall’organizzazione delle sequenze dei dati
6) – Presentazione, sintesi dei dati trasferiti
7) – Applicazione, uso dei dati.

Prima di passare alla parte applicata alla RF, vediamo con semplicità come può essere applicato questo sistema alle porte RS232:
1) – Apertura della porta COM (ascolto)
2) – Creazione della struttura dei dati idonea al trasporto (codifica binaria 0 – 1)
3) – Indirizzamento (nel caso della RS232, essendo point-to-point, lo stesso non avviene; nel caso di “armadi RS232”, nel segnale è specificato “a chi indirizzare” i dati)
4) – Trasporto (ricezione e controllo dei pacchetti ricevuti)
5) – Sessione (trasformazione da codice binario a stringhe, accorpamento dei pacchetti)
6) – Presentazione (sintesi complessiva del segnale ricevuto, presentazione delle stringhe all’applicazione)
7) – Applicazione (uso del segnale)

Per la parte RF il criterio è simile:
1) – Generazione del campo RF
2) – Codifica dei dati (con algoritmo CRC)
3) – Invio dei dati (ad esempio, il comando “leggi cosa c’è nel campo”, a tutta la rete)
4) – Ricezione dei dati e controllo CRC, anticollisione
5) – Stabita la sessione, comunicazione di tutti i dati, controllo ed organizzazione
6) – Consegna dei dati al sistema di comunicazione PC
7) – Applicazione (uso dei dati da parte dell’applicativo)

Modulazioni Naturalmente, essendo il mezzo di trasmissione completamente diverso, anche il sistema di trasmissione sarà diverso, quindi il protocollo di comunicazione conterrà tutta una serie di “campi di controllo” (i CRC, Cyclic Redundancy Check, in pratica un numero che attraverso una complessa funzione matematica definisce se la stringa è corretta o meno) in funzione delle fasi di trasmissione (CRC del singolo pacchetto, CRC della trasmissione completa), questo sistema permetterà l’eventuale correzione dell’errore (trasmissione parziale del pacchetto) o la ritrasmissione completa, garantendo, di fatto, un’elevata affidabilità dei dati. Questo tipo di trasmissioni, analogamente all’RS232, è puramente half-duplex.

Conversione di una modulazione in un segnale binario Il sistema di trasmissione dei dati in RF avviene mediante la modulazione del segnale portante (la frequenza scelta, sia magnetica, sia elettrica): i transponder utilizzano il principio della “backscatter radiation” (retro diffusione) per effettuare la comunicazione, cioè all’atto della trasmissione da parte del transponder, il microchip pone in corto circuito (shunt) la sua antenna, generando così delle fluttuazioni (molto leggere) nell’ampiezza della portante RF attraverso un transistor (in pratica “disturba” il campo emesso dal reader): questa sequenza di pulsazioni rappresenta il segnale inviato. Il reader magnetico si comporta come un trasformatore e, quando il circuito secondario (l’antenna del transponder) è in corto circuito, subisce una caduta di tensione molto lieve che viene interpretata, verificata, corretta e trasferita. Il reader elettrico si comporta invece più come un sistema radar, leggendo i bit pervenuti dall’antenna del transponder, che invece di cortocircuitarsi emette un bit radio.

A questo punto è molto più semplice capire la differenza tra un transponder attivo ed uno passivo: il transponder attivo ha più energia da spendere per il processo di backscattering, rendendo le comunicazioni più efficaci e permettendo quindi di raggiungere distanze più elevate; inoltre non vi è l’effetto “bitfail”, cioè il collasso brevissimo del campo elettromagnetico per l’alimentazione del tag che disturba le comunicazioni e non permette la lettura di un gran numero di tag contemporaneamente: dato che il tag non è ancora stato alimentato, non sa di dover attendere la fine delle trasmissioni di qualcun’altro prima di poter disturbare anch’esso il campo, quindi assorbe energia ed il reader l’interpreta come shunt del tag in trasmissione, fallendo la stessa e dovendola ripetere. Vedremo più in dettaglio questo problema quando parleremo dell’ISO ed in dettaglio del funzionamento reale dell’algoritmo anticollisione. Naturalmente, essendo le letture delle interpretazioni di “disturbi” del campo elettromagnetico, questi sistemi sono molto sensibili

I sistemi accessori sono componenti dei reader che permettono di automatizzare eventuali operazioni o componenti di attivazione (relè): ad esempio, alcuni reader hanno delle liste programmabili di codici di tag verso le quali devono o non devono attivare un relé (ecco come funzionano i reader dei tesserini di accesso), non molto diversi da qualsiasi altra tipologia di apparecchi come smart card reader, barcode reader, magnetic strip reader.

Sperando di essere stato sufficientemente chiaro, non troppo noioso e sopratutto di avervi fatto comprendere i fondamenti intrinseci della tecnologia, vi do appuntamento al prossimo articolo, ove parlerò in maniera approfondita di standard ISO, tipologie di tag in commercio, frequenze utilizzate ed utilizzabili e molto altro.

Corrado Patierno

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  • DKDIB scrive:
    Waitec e Iomega
    Son contento per Waitec ed Iomega ke siano riuscite ad arrivare dove altri erano gia' arrivati da parecchi mesi (alcuni manco li producono piu' i masterizzatori DVD+R DL a 2.4x, mentre le kiavette USB da 512 MB le vendevano a 160 Euro 1 anno fa -ora il prezzo e' dimezzato-)... ma c'era proprio di pubblicarle 2 notizie del genere?!E' una tristezza immensa leggere come si sono ridotte queste 2 vecchie glorie! :'(
  • Anonimo scrive:
    una precisazione
    Lario Engineering e' di Lecco non di Lecce
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