Compatibilità elettromagnetica di sistemi RFID

Compatibilità elettromagnetica di sistemi RFID innovativi
R. Colella
Compatibilità elettromagnetica
di sistemi RFID innovativi
Riccardo Colella
1. Inquadramento del tema trattato e del lavoro svolto
In questo lavoro vengono affrontate alcune problematiche sostanziali legate
all’utilizzo e alla diffusione dei sistemi RFID (Radio Frequency IDentification) nell’
ambito dell’“Internet of Things”. Nello specifico viene focalizzata l’attenzione sugli
aspetti innovativi della tecnologia, che consentono di migliorare lo stato dell’arte
in materia di identificazione a radiofrequenza.
Sebbene complessi sul piano tecnico e implementativo, i sistemi RFID sono, al
contrario, molto semplici da utilizzare sul piano applicativo. Questo aspetto li
rende estremamente appetibili e sempre più utilizzati in molte applicazioni di
interesse pratico sia a livello scientifico sia a livello industriale.
Un tipico sistema RFID è composto da due dispositivi: il “Tag”, che è
sostanzialmente un’etichetta a radiofrequenza contenente un codice identificativo
applicabile sull’oggetto da tracciare, ed il “Reader”, che è un dispositivo dotato di
antenne in grado di rilevare la presenza di uno o più tag entro una certa area di
interesse. Attraverso l’interazione elettromagnetica di questi due elementi è
quindi possibile identificare tutti gli oggetti etichettati con un tag in maniera
semplice e veloce. Oltre alla semplicità d’uso, ciò che rende l’RFID vincente in
molti ambiti applicativi è anche l’ottimo rapporto costi benefici, l’estrema
compattezza dei dispositivi, l’elevata distanza di funzionamento e la possibilità di
identificare oggetti non necessariamente in visibilità ottica. Grazie a queste
prerogative la tecnologia RFID si è ritagliata negli ultimi anni uno spazio sempre
più ampio nell’ambito dell’“Internet of Things”. Tuttavia, se da un lato questa
tecnologia sembra essere ormai sufficientemente matura per impieghi su larga
scala, dall’altro sussistono ancora delle problematiche, soprattutto di carattere
elettromagnetico, da affrontare e risolvere. In particolare, la possibilità di
interfacciare sistemi RFID con sensori, di tracciare e localizzare prodotti in
maniera affidabile in una “supply chain” o la compatibilità elettromagnetica dei
dispositivi RFID con l’uomo, sono ancor’oggi temi di notevole rilevanza. Il lavoro
di tesi pone l’attenzione proprio sull’analisi di questi tre importanti aspetti ed è
strutturato come descritto di seguito.
Nella prima parte del lavoro è stato affrontato il problema della trasmissione di
parametri rilavati da sensori mediante sistemi RFID. A tale scopo è stato
progettato, realizzato e testato un prototipo funzionante di tag RFID UHF di
nuova concezione, fortemente ottimizzato da un punto di vista elettromagnetico,
in grado di interfacciarsi con qualunque tipologia di sensore e di trasmettere il
dato misurato. Questo dispositivo, denominato Sensor-Tag, offre la possibilità di
accorpare alle funzionalità tipiche di un sistema RFID passivo, funzioni di
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“sensing” e di monitoraggio in mobilità, senza impattare sui costi e senza
modificare l’attuale standard di comunicazione.
Al fine di ottimizzarne le performance e gli aspetti legati al consumo energetico,
particolare cura è stata dedicata alla progettazione delle antenne e dei circuiti a
microonde che costituiscono il cuore del sistema. Inoltre, allo scopo di ridurre
l’ingombro complessivo del dispositivo e facilitare l’adattamento di impedenza tra
i diversi blocchi circuitali, sono state adottate le più recenti tecniche di design di
antenne RFID proposte in letteratura.
Dopo la fase progettuale, il nuovo Sensor-Tag è stato realizzato in versione
prototipale ed è stato testato con successo in abbinamento a diverse tipologie di
sensori. In Fig. 1 è riportata un’immagine del prototipo realizzato. Come si
osserva esso è composto da quattro antenne RFID opportunamente progettate,
da una unità di controllo, dai circuiti di switching a microonde e da un ingresso
digitale per l’interconnessione con il sensore.
Figura 1 – Foto del prototipo di Sensor Tag realizzato
In fase di test il dispositivo ha fatto registrare, ottime performance nella
trasmissione del dato, bassa percentuale d’errore nella comunicazione, buone
distanze di lettura e capacità di trasmissione in mobilità, indipendentemente dal
sensore utilizzato. Dal grafico in Fig. 2, ad esempio, è possibile apprezzare
l’ottimo accordo che vi è tra i valori di temperatura registrati da un sensore
digitale, e quelli ottenuti a valle del reader dopo che il segnale è stato trasmesso
mediante il Sensor-Tag.
Nella seconda parte del lavoro di tesi è stato progettato e validato
sperimentalmente un nuovo tag RFID UHF, denominato “Enhanced Tag”. Questo
dispositivo, risolve efficacemente il problema della tracciabilità affidabile dei
prodotti all’interno della “supply chain”, anche in situazioni “complesse” da un
punto di vista elettromagnetico. Attraverso numerosi test condotti con diverse
tipologie di tag RFID commerciali applicati su differenti classi di prodotti, è stato
dimostrato che la presenza di sostanze liquide o involucri metallici (all’interno
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delle singole confezioni da tracciare) rende estremamente inaffidabile il processo
di identificazione lungo l’intera filiera produttiva. Gli effetti di interferenza
elettromagnetica causati da questi materiali, infatti, deteriorano fortemente le
performance dei tag RFID commerciali, fino a comprometterne il corretto
funzionamento.
Il potenziale disallineamento del tag rispetto alle antenne del Reader RFID,
inoltre, riduce ulteriormente le percentuali di corretta identificazione del prodotto
e contribuisce a rendere il processo di tracciabilità quasi del tutto inaffidabile.
Il nuovo “Enhanced Tag”, ideato specificatamente per superare i limiti dei comuni
tag commerciali, garantisce, come viene esaustivamente dimostrato nel lavoro di
tesi, un’identificazione affidabile del prodotto lungo l’intera “supply chain”.
Figura 2 - Grafico della temperatura misurata e trasmessa tramite Sensor-Tag verso
un reader RFID posto a 3 metri di distanza.
Allo scopo di valutare le reali performance del dispositivo realizzato sono stati
condotti numerosi test all’interno di una “supply chain” complessa, come quella
farmaceutica. I risultati ottenuti hanno dimostrato le eccezionali prestazioni del
dispositivo e la sua reale superiorità rispetto ai tag RFID commerciali. Dal grafico
in Fig. 3, infatti, si evince chiaramente come, a parità di condizioni operative, i tag
RFID tradizionali testati fanno registrare percentuali di corretta identificazione del
farmaco tracciato del tutto inaffidabili, (spesso inferiori al 15%), mentre il nuovo
“Enhanced Tag” raggiunge percentuali di corretta identificazione del prodotto
sempre superiori al 99% indipendentemente dal materiale e contenuto nelle
confezioni e dal loro orientamento.
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Fig. 3: Confronto in termini di percentuale di corretta lettura tra tag RFID
commerciali ed “Enhanced Tag” applicati su confezione di soluzione oftalmica
(prodotto farmaceutico ad alta concentrazione di liquido e metallo) con differenti
allineamenti.
La terza ed ultima parte del lavoro è stata dedicata allo studio della compatibilità
elettromagnetica ambientale di un’ antenna per Reader RFID. Il tema
dell’interazione elettromagnetica tra sorgenti RFID e sistemi viventi, infatti,
diviene sempre più importante nell’ottica dell’espansione dell’“Internet of Things”
e dei sistemi di identificazione automatica a radiofrequenza.
Nel caso specifico è stato studiato lo scenario dell’interazione tra una tipica
antenna per Reader RFID e una struttura contenente una sostanza liquida che
simula la sostanza cerebrale umana collocata in prossimità dell’antenna. Sono
state effettuate essenzialmente due analisi dosimetriche del medesimo scenario
di propagazione: una di tipo numerico, utilizzando metodi di calcolo basati su
FDTD (Finite Difference Time Domain) ed una di tipo sperimentale. In entrambi i
casi si è fatto riferimento ai livelli medi e di picco di SAR (Specific Absorption
Rate) e di campo elettrico valutati all’interno del target d’esposizione. I risultati
ottenuti sono stati oggetto di confronto con i limiti indicati nelle normative
nazionali ed internazionali in materia di esposizione ai campi elettromagnetici.
I test di dosimetria sperimentale sono stati condotti presso, e in collaborazione
con, il nucleo di Compatibilità Elettromagnetica del Centro Ricerche ENEA di
Casaccia (Roma) guidato del Prof. Giorgio Lovisolo.
2. Innovatività dei risultati ottenuti
Tutti i risultati ottenuti nel lavoro di tesi presentano una forte connotazione di
carattere innovativo. Essi sono il frutto di un’attività di ricerca specifica,
focalizzata sullo studio dei sistemi RFID in diversi contesti applicativi afferenti al
concetto più generale di “Internet of Things”. In particolare il Sensor-Tag ha
partecipato al più importante concorso nazionale del settore, l’“RFID ITALIA
AWARD 2009”, classificandosi come uno dei tre migliori progetti italiani nella
categoria “Idee Innovative”. Il dispositivo è stato anche presentato al “Festival
dell’innovazione”, che si è svolto a Bari nel Dicembre 2008, riscuotendo un
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notevole successo e l’interessamento di molte delle aziende ed enti di ricerca
presenti all’evento. Il Sensor-Tag, inoltre, ha suscitato l’interesse della stampa
locale e nazionale ed è stato pubblicato sul portale di RFID Italia (il principale sito
italiano dedicato all’RFID) e su alcuni giornali e quotidiani locali, oltre che apparire
in diversi servizi giornalistici televisivi.
Anche il secondo prototipo realizzato, l’“Enhanced Tag”, presenta rilevanti
elementi di innovatività. Il tag progettato, infatti, è completamente originale, sia
nella struttura che nel design e, da un punto di vista dell’efficacia del
funzionamento, garantisce performance nettamente superiori rispetto ai comuni e
diffusi tag RFID commerciali. Queste importanti caratteristiche, hanno valso al
dispositivo progettato un brevetto per invenzione industriale (attualmente in stato
di “patent pending”).
3. Impatto industriale dei risultati ottenuti
Da un punto di vista dell’impatto industriale, l’innovatività dei risultati ottenuti nel
lavoro di tesi, apre la strada a sviluppi decisamente promettenti. Al momento, il
prototipo di Sensor-Tag è stato testato con esiti molto rassicuranti in contesti
applicativi reali, in particolare nel settore sanitario/ospedaliero. L’ambito medico
costituisce uno dei tanti settori che potrebbe trarre beneficio dall’utilizzo di un
dispositivo come quello progettato e sul quale, attualmente, sono già in corso
delle sperimentazioni. Il Sensor-Tag applicato al settore medico, infatti, facilità
molte operazioni legate al monitoraggio dei paramenti fisiologici di pazienti, sia
all’interno della stessa struttura ospedaliera sia in remoto direttamente da casa,
in maniera wireless.
Un altro elemento di forza, da un punto di vista industriale, è anche il bassissimo
costo del Sensor-Tag (in una eventuale produzione in serie) e la sua ridotta
invasività. In aggiunta, la totale assenza di batterie rende il dispositivo totalmente
svincolato da sistemi di ricarica via cavo o da periodi di inattività.
Il secondo prototipo di tag RFID realizzato, l’ “Enhanced Tag”, può trovare,
invece, applicazione in tutti quei contesti industriali in cui la tracciabilità affidabile
di prodotti è determinante.
In particolare, il settore farmaceutico sembra poter trarre notevoli vantaggi dalle
caratteristiche innovative e di affidabilità del nuovo tag RFID. Esso è già stato
testato in laboratorio riproducendo una porzione della “supply chain” del farmaco
con risultati eccellenti.
È significativo sottolineare, infine, che molti dei risultati ottenuti sono stati
presentati a Pharmintech 2010 “Exhibition for the Pharmaceutical, Nutraceutical
and Personal care Industry” (Bologna, Maggio 2010), un evento fieristico di livello
Europeo, realizzato anche con il patrocinio di Farmindustria, che vede coinvolti
molti dei maggiori produttori nazionali ed internazionali del settore farmaceutico.
L’“Enhanced Tag” è stato presentato all’evento a nome dell’Università del
Salento, nell’area “Incontrare il Futuro: Università e Ricerca in Fiera”, come uno
dei dieci progetti innovativi a forte impatto industriale nell’ambito della gestione
del farmaco.
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4. Rilevanza scientifica dei risultati ottenuti e pubblicazioni
I risultati raggiunti nel lavoro di tesi hanno conseguito una notevole risonanza
anche nella comunità scientifica nazionale ed internazionale. Per tutte e tre le
aree tematiche trattate, infatti, sono state prodotte numerose pubblicazioni. La
produzione scientifica derivante dal lavoro di tesi svolto vede:
1.
la pubblicazione di 2 “chapter book” rispettivamente sui libri internazionali
“Biomedical Engineering” e “Current Trends and Challenges in RFID” editi
da Intech;
2.
la pubblicazione su 3 Journal di livello internazionale: “International Journal
of Autonomous and Adaptive Communications Systems (IJAACS)”, “Journal
of Communications Software and Systems (JCOMSS)” e “IEEE – Microwave
Theory and Techniques (MTT)”. Quest’ultima rappresenta la rivista
scientifica internazionale di maggiore rilievo nel settore delle microonde;
3.
la pubblicazione agli atti di numerose conferenze scientifiche nazionali ed
internazionali (alcune delle quali come “invited paper”). Tra tutte, particolare
rilievo assume la conferenza internazionale SoftCOM “International
Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks”
(Split - Bol, Croazia, Settembre 2010) sponsorizzata da IEEE, dove il lavoro
presentato dal titolo “High Performance RFID Tags for Item-level Tracing
Systems”, relativo all’ “Enhanced Tag”, è stato premiato come “best paper”
della conferenza nel “Symposium on RFID Technologies and the Internet of
Things”.
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