Computación Ubicua mediante Dispositivos RFID

Héctor Ramos Morillo, José Vicente Berná Martínez y Francisco Maciá Pérez

El término computación ubicua define un modelo de computación en cualquier momento y en cualquier lugar. Este enfoque promulga el uso de todo tipo de dispositivos con capacidad para computar, hasta tal punto de penetración en nuestro entorno cotidiano, tanto en el privado como en el mundo de los negocios, que llegan a convertirse en invisibles para los usuarios. En este capítulo se presenta una revisión del estado de la técnica en el área de la computación ubicua y de cómo los dispositivos RFID (Radio Frequency IDentification o identificación por radio frecuencia) pueden dotar de capacidad de computación a casi cualquier objeto del entorno, logrando de esta forma acercar un poco más a la realidad las predicciones que Mark Weiser realizó hace más de una década. Para ello se exponen los diferentes ámbitos en los cuales la tecnología RFID está presente o, al menos, puede ser útil. Asimismo se estudia la incorporación de sensores a las etiquetas RFID y sus posibles aplicaciones, las limitaciones actuales y sus expectativas a corto y medio plazo.

1 Introducción

Para poder entender la computación ubicua y cómo ésta puede ser alcanzada es necesario realizar un análisis de las distintas fases o Eras por las que ha pasado la relación entre el hombre y la computación.

En un principio se vivió la Era del mainframe en la que la computación era un recurso bastante escaso. Dicha computación se basaba en

grandes computadoras almacenadas en habitaciones independientes y utilizadas y administradas por usuarios muy expertos. De esta forma multitud de personas utilizaban estas computadoras para realizar diversas tareas, por lo que se desprende que muchas personas compartían una computadora [1].

Posteriormente se alcanzó la Era del PC, en la cual cada persona poseía su propia computadora, de forma que ya no era necesario que los recursos computacionales fueran compartidos. Se produce una relación muy estrecha entre el hombre y la computadora, la cual es directa y bastante personal.

A continuación se llega a la Era de Internet, en la que actualmente nos encontramos motivado por una explosión en las tecnologías de la comunicación. Esto ha facilitado que muchas personas y su información estén interconectadas. En esta fase confluyen tanto elementos de la era del PC como de la era del mainframe, ya que cada persona dispone de su propia computadora para realizar sus cálculos y tareas y a la vez cuando el usuario navega a través de Internet está accediendo a grandes servidores que a su vez son compartidos por un sinfín de usuarios. Uno de los factores claves en el auge de esta era ha sido la aparición de las redes inalámbricas, de forma que desde cualquier lugar con cobertura inalámbrica se puede acceder a la red para compartir información. La Era de Internet se puede considerar como un paso previo a la era de la computación ubicua [1].

La siguiente era, a la que aspiró por primera vez Mark Weiser, es la era de la computación ubicua. A dicha Era la caracteriza el hecho de que muchas computadoras sirven a una misma persona, ya que se parte de la base de que el usuario va estar rodeado de múltiples elementos de computación los cuales le van a facilitar su trabajo.

A lo largo del siguiente capítulo se realizará una breve introducción al concepto de computación ubicua, se revisará el estado actual de la tecnología RFID y se estudiará como dicha tecnología puede ser utilizada para alcanzar el concepto de computación ubicua mediante la incorporación de dicha tecnología en los objetos cotidianos que nos rodean [2], [3], [4], [5].

2 Computación Ubicua

El término computación ubicua fue propuesto inicialmente por Mark Weiser a finales de los años 80 mientras trabajaba en el Centro de investigación informática de Palo Alto. Se fundamenta en que la computación pueda estar presente en cualquier momento y en cualquier lugar. Para ello hay que dotar de capacidad de computación a casi cualquier objeto y que dicha capacidad de computación debe ser invisible de cara al usuario. De esta forma el usuario estará utilizando dichos elementos computacionales pero sin ser realmente consciente de que para realizar una tarea los estará usando [6]. Un ejemplo muy claro de dicha invisibilidad lo podemos obtener de unas simples gafas, ya que cuando alguien las está utilizando se centra en la tarea que está realizando gracias a ellas, no en las propias gafas [7]. Mark Weiser definió muy bien esta característica en la frase “Las tecnologías que más calan son las que desaparecen. Se entrelazan en el tejido de la cotidianidad hasta que se vuelven invisibles” [8]. Otro aspecto relevante de la computación ubicua es que lo realmente importante es el usuario y sus necesidades. Evidentemente se presenta la necesidad de que entre los elementos computacionales presentes exista una interconexión que permita una comunicación entre los mismos.

3 Estado actual de la tecnología RFID

La tecnología RFID (Radio Frequency IDentification o Identificación por Radio Frecuencia) se ideó originalmente como un posible sustituto a los códigos de barras que actualmente se utilizan.

Básicamente se compone de un lector y una serie de etiquetas. Dichas etiquetas son tan finas como una hoja de papel y sus componentes básicos son una antena, que es el elemento que mayor superficie ocupa en la etiqueta, un condensador y un chip que realizará la computación y provocará la devolución de los datos al lector (Fig. 1). Las etiquetas se pueden catalogar en tres grandes familias: las pasivas, las semi-pasivas y las activas. Los puntos clave de la

tecnología RFID son la capacidad computacional de las etiquetas gracias al chip integrado, su reducido tamaño y su limitado coste económico.

Fig. 1. Ejemplo de etiquetas RFID

Un escenario típico de uso sería el mostrado en la figura 2. En dicho escenario se puede encontrar un lector/escritor RFID conectado al PC que lo va a gestionar; dicho PC estará conectado a una LAN con conectividad a Internet. Sustituyendo el PC conectado al lector/escritor por una tarjeta de red inalámbrica eliminamos las limitaciones físicas de ubicación y le dotamos de gran autonomía. Además, puesto que el lector posee conectividad con Internet, podría incluso plantearse como un servicio Web.

3.1 Etiquetas Pasivas

La principal característica de estas etiquetas es que no necesitan batería propia para poder operar. Obtienen la energía por inducción de la señal de radiofrecuencia que emite el lector/escritor. En dicha señal de radio frecuencia no sólo se transmite la petición de lectura de la tarjeta, sino que además se pueden incorporar órdenes de escritura ya que las etiquetas pueden ser de lectura o lectura/escritura.

Entre los principales problemas de este tipo de tarjetas se puede encontrar su reducido alcance de comunicación. Esto está producido por la necesidad de que la tarjeta reciba una señal fuerte y limpia del

lector, ya que necesita extraer la energía de dicha señal. Otro problema presente en estas tarjetas es la presencia de colisiones a la hora de proceder a la lectura de un conjunto de etiquetas, ya que en un mismo intervalo de tiempo tan sólo se puede transmitir un identificador de etiqueta [2]. Estas colisiones provocan que se tenga que diseñar una serie de algoritmos que, mediante sucesivas lecturas, vayan identificando a todas las etiquetas que por motivos de colisión no hayan podido ser identificadas. De la necesidad de realizar diversas iteraciones con el fin de poder identificar todas las etiquetas presentes se desprende la limitación de su escasa velocidad de lectura. Otra limitación que poseen es su reducida capacidad de almacenamiento. Además, debido a la necesidad de que la etiqueta reciba una señal clara y limpia del lector, este tipo de etiquetas presentan graves problemas de comunicación ante la presencia de metales y líquidos en su entorno.

Fig. 2. Escenario típico de utilización de la tecnología RFID

3.2 Etiquetas Activas

Estas etiquetas se caracterizan por poseer una batería propia que las alimenta. Puesto que este tipo de etiquetas están autoalimentadas,

Energía y Datos

Datos

Etiqueta Lector/Escritor

Internet

poseen la capacidad de transmitir su identificador sin la necesidad de que un lector les esté encuestando, lo que dota a este tipo de etiquetas la capacidad de comunicarse con otras etiquetas. Gracias a su batería también poseen un mayor alcance de transmisión, ya que no necesita una señal tan limpia del lector puesto que la energía necesaria para la transmisión del identificador la extrae de su fuente de alimentación lo que le proporciona mayor potencia. Otra de sus características es su mayor capacidad de almacenamiento.

Entre los problemas que presentan este tipo de etiquetas se puede resaltar su considerable aumento de tamaño respecto a las etiquetas pasivas, debido a la presencia de la batería. Además la vida de la etiqueta viene determinada por la duración de su batería.

3.3 Etiquetas Semi-Pasivas

Recientemente han aparecido un nuevo tipo de etiquetas, las denominadas etiquetas semi-pasivas, que poseen características tanto de las etiquetas activas como de las pasivas. Por una parte disponen una fuente de alimentación que las asiste permitiendo al igual que en las activas que la antena esté especializada en transmitir y no en captar energía. Por otra parte no son capaces de transmitir sin que un lector las interrogue, característica que comparten con las etiquetas pasivas.

Como ventaja respecto a las activas, se presenta el tipo de batería que pueden utilizar. Recientemente se ha desarrollado una fuente de energía denominada PowerPaper [9] que ocupa una capa más dentro de la estructura laminar de las etiquetas. Dicha batería no supera el grosor de una hoja de papel, permitiendo que la etiqueta no aumente prácticamente de tamaño y que a su vez aumente su alcance de transmisión ya que utiliza la energía de dicha batería.

Evidentemente no se trata de baterías tan potentes y de tanta capacidad como las presentes en las etiquetas activas, pero sí lo suficiente para la orientación que tienen este tipo de dispositivos. El voltaje de funcionamiento de la tecnología PowerPaper [9] es de 1.5 V

con un amperaje que va desde los 0.03mA a 1mA y con una capacidad de 13mAh a 30mAh. El rango de temperaturas en los que la batería es funcional va de los -20º C a los 60º C.

Fig. 3. Esquema de una etiqueta RFID semi-pasiva utilizando la tecnología PowerPaper

3.4 Clasificación del las etiquetas RFID del Auto-ID Center y el EPCglobal

El Auto-ID Center sito en el Instituto de Tecnología de Massachussets (M.I.T.) creó la siguiente clasificación de las etiquetas RFID. Este centro cerró sus puertas en Octubre del 2003, transfiriendo su tecnología a EPCglobal, una organización sin animo de lucro que, respaldada por diversas empresas, pretende estandarizar ‘EPCglobal Network’, un estándar global para la inmediata, automática y precisa identificación de cualquier objeto de la cadena de suministro de cualquier compañía, en cualquier ámbito industrial en cualquier parte del mundo [10].

• Class-1: Etiquetas Identificativas

Las etiquetas de clase 1 son etiquetas pasivas de lectura/escritura con los siguientes requerimientos mínimos.

o Un identificador EPC (Electronic Product Code) o Un identificador de etiqueta (TID o Tag Identifier)

o Una función ‘kill’ que desactiva permanentemente la etiqueta

o Opcionalmente una contraseña de acceso o Opcionalmente memoria de usuario

Las siguientes clasificaciones son meramente informativas, ya que proporcionan un ejemplo de cómo las etiquetas superiores deberían ser diseñadas.

• Class-2: Etiquetas de mayor funcionalidad

Deberían ser etiquetas pasivas que cumplan los requisitos de la clase 1 pero con las siguientes funcionalidades adicionales.

o Un TID mayor o Una memoria de usuario mayor o Control de acceso por autenticación

• Class-3: Etiquetas Semi-pasivas que incorporen las funcionalidades de la clase 2 y que además incorporen:

o Fuente de energía integrada o Circuito sensorial incluido

• Class-4: Etiquetas activas que añadan las siguientes funcionalidades con respecto a la clase 3:

o Comunicación punto a punto con otras etiquetas o Comunicación activa o Capacidades de formar redes adhoc

3.5 Aplicaciones actuales

Entre las aplicaciones actuales más comunes de la tecnología RFID se puede destacar el control de inventario y la compra asistida en supermercados [11].

Supongamos un escenario como el de la figura 4. En dicho escenario nos encontramos que todos los elementos presentes en una cadena de distribución utilizan la tecnología RFID. Así, tanto en el almacén de distribución como en el propio centro de venta al público, encontramos lectores RFID en las entradas y salidas de material.

Además se pueden incorporar lectores en las propias estanterías donde se exponen los productos, de forma que se lleve un control absoluto de los productos que se encuentran tanto en el almacén de distribución como en el propio punto de venta, facilitando enormemente el control del inventario. Este tipo de tecnología también posibilita el fácil mantenimiento de los precios de los productos, ya que realizando la orden de cambio de precio de los productos, los lectores/escritores RFID enviarían la señal a todas las etiquetas para que su precio se modifique.

Fig. 4. Ejemplo de aplicación de la tecnología RFID en la gestión de inventario.

Otras posibles aplicaciones para la tecnología RFID son el seguimiento documental (añadiendo etiquetas RFID a los documentos empresariales) y los sistemas de control de accesos como pueden ser los controles de acceso a aparcamientos, autopistas y cualquier tipo de instalaciones en general.

4 Incorporación de Sensores y Actuadores

Como se ha descrito, las etiquetas RFID poseen capacidad de computación. De la misma forma que el procesador puede direccionar el acceso a una zona de memoria con el fin de devolver los datos almacenados al lector, se pueden extender las capacidades de dicho procesador de forma que sea capaz de acceder a los datos de un sensor [12]. De esta forma la etiqueta sería capaz, no solo de devolver al lector los datos almacenados en la memoria, sino también de devolver los datos que le proporciona dicho sensor. Incorporando dichos sensores a las etiquetas RFID, dotaríamos a las etiquetas la capacidad de captar datos del entorno que las rodea, es más, si además de incorporar dichos sensores, se incorporasen de igual forma una serie de actuadores, se lograría que dichas etiquetas interactuasen completamente con el entorno que las rodea, permitiendo así que la tecnología RFID sea el punto de acceso del mundo virtual al mundo real [13].

La incorporación de sensores en las etiquetas pasivas presenta una serie de limitaciones derivadas de la naturaleza de funcionamiento de dicho tipo de etiquetas. Por una parte nos encontraríamos ante un sensor pasivo, entendiéndolo como un sensor que sólo es capaz de captar datos del entorno cuando la etiqueta está siendo estimulada por la señal de un lector. Esto es debido a que, tal y como se ha mencionado anteriormente, este tipo de etiquetas RFID obtienen la energía de la señal del lector, por lo que si no hay señal que alimente a la etiqueta tampoco hay energía que alimente al sensor que incorpora.

Por otro lado presentan ciertas limitaciones en cuanto al tipo de mediciones a realizar puesto que la energía de que dispone la etiqueta es bastante reducida.

Las etiquetas activas podrían ser una posible solución al problema de energía, pero presentan el problema de su gran tamaño, limitando considerablemente el ámbito de aplicación.

Como solución intermedia, que permite cumplir los dos requisitos principales, capacidad de captar información sin la presencia de un lector y tener un reducido tamaño de forma que no se vea limitado su ámbito de aplicación, se plantea la utilización de las etiquetas semi-pasivas. De esta forma la etiqueta es capaz de captar los datos del entorno gracias a la producción de energía por parte de su batería. Evidentemente, en función de los requisitos, el intervalo de captación de datos debe ser regulado, de forma que la vida de la batería se alargue o se acorte en función de dicha frecuencia de captación.

4.1 Posibles aplicaciones

Existen multitud de aplicaciones para la etiquetas RFID con sensores. Entre las más destacadas podemos encontrar la monitorización de parámetros físicos, la detección de manipulación de productos, la detección de agentes contaminantes y la monitorización no intrusiva [12].

4.1.1 Monitorización de parámetros físicos

Entre las posibles aplicaciones de las etiquetas RFID con sensores se encuentra la monitorización de parámetros físicos. Como posible caso de uso se puede encontrar una etiqueta RFID que incorpore un sensor de temperatura, de forma que la etiqueta sea capaz de medir la temperatura del objeto al que se encuentra adherida [14]. De esta forma se podría realizar un control exhaustivo de las temperaturas a las que ha estado expuesto dicho producto en toda la fase de distribución. Esta aplicación sería de gran ayuda en los productos que deben estar congelados o refrigerados, ya que se garantizaría con total seguridad que dichos productos no han estado expuesto a temperaturas indebidas antes de su consumo.

4.1.2 Detección de manipulación de productos

Otra posible aplicación es la detección de manipulación de productos, esto es, al igual que existen productos con precintos de seguridad

para garantizar que no han sido manipulados, se podría dotar a las etiquetas de un circuito que en cuanto se rompiese activase un bit. De esta forma se conseguiría garantizar que los productos no han sido manipulados sin necesidad de ir revisándolos uno a uno [12].

4.1.3 Detección de agentes contaminantes

También se podría dotar a las etiquetas de sensores de agentes contaminantes [12]. Un ejemplo podrían ser sensores químicos que reaccionen ante la presencia de cierto tipo de bacterias presentes en el entorno. De esta forma se dispondría de un instrumento muy eficaz para combatir los contagios por la ingesta de productos en mal estado como puede ser la intoxicación por salmonelosis.

4.1.4 Monitorización no intrusiva

El principal uso de la monitorización no intrusiva es en aplicaciones biomédicas. Si bien actualmente existen potentes herramientas para monitorizar parámetros del cuerpo humano, existen ciertos tipos de enfermedades en las que es necesario acceder al interior del cuerpo para obtener datos. Es más, existen ciertas enfermedades en las que se hace necesario realizar continuas mediciones para poder llevar a cabo un seguimiento de la evolución del paciente. Enfermedades como la diabetes precisan de una sucesiva intrusión en el cuerpo humano para recoger los datos del nivel de glucosa en sangre. La incorporación de un sensor que capte dichos niveles de glucosa puede ser una alternativa muy a tener en cuenta. De esta forma el paciente podría monitorizar sus niveles de glucosa sin necesidad de tener que extraer sangre del organismo.

Existen otros tipos de monitorizaciones en los que las etiquetas podrían ser de gran ayuda. Pensemos por ejemplo en la monitorización de la actividad de ciertos centros neuronales (figura 5). Se podrían implantar una serie de etiquetas que captasen la actividad de dichos centros para poder estudiar y combatir enfermedades de origen neuronal. Como caso práctico se podrían utilizar en la captación de disfunciones del sistema neuronal del tracto urinario

inferior. De forma que se podría estudiar la actividad de los centros implicados con el fin de determinar la causa de la disfunción.

Las monitorizaciones podrían ser pasivas, utilizando etiquetas pasivas en los casos en los que sea más oportuno (ya que las baterías tienen una duración limitada) o bien activas mediante la utilización de etiquetas semi-pasivas pudiendo recoger un historial a posteriori de los datos captados por los sensores.

Fig. 5. Ejemplo de monitorización en aplicaciones biomédicas utilizando la tecnología RFID

5 RFID y Web Services

Tal y como se ha visto anteriormente, la computación ubicua se caracteriza por dotar de computación a casi cualquier elemento del entorno que nos rodea. Si bien las etiquetas RFID se pueden utilizar para tal fin, en algunos casos se presenta la necesidad de disponer de un lector/escritor RFID que permita interrogar a las etiquetas presentes. También se ha indicado que dichos lectores RFID pueden

Qi

AU

Pves

EMS

ESS

ETS

Qo

AD

σ0 σ1 σ0 σ2σ3 σ4 σ2σ3 σ4

estar conectados directamente a una computadora que los controle o bien pueden disponer de una interfaz de red de forma que estén conectados a la red.

En estos momentos, en el grupo de redes del Departamento de Tecnología Informática y Computación de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante, se está trabajando en la incorporación de una interfaz ethernet a un lector RFID, que además de eliminar las limitaciones que conllevan los buses RS-232 y RS-485 en cuanto a longitud y número de dispositivos conectados a los mismos, permita plantear el acceso al lector/escritor como si de un Web Service se tratara. Esto permitiría el desacople hacia el resto de los componentes del sistema, la utilización de protocolos estandarizados de comunicación, la independencia de la plataforma y la capacidad de autodescubrimiento entre otros beneficios. De esta forma se lograría poner en contacto el mundo real y el virtual a través de los Web Services.

6 Conclusiones

A lo largo del capítulo se ha presentado el concepto de computación ubicua ideado originalmente por Mark Weiser, se ha descrito el estado actual de la tecnología RFID y sus principales aplicaciones. Se ha propuesto la incorporación de sensores a las etiquetas RFID, se han mencionado sus principales aplicaciones y posteriormente se ha mencionado la posibilidad de plantear el acceso al lector/escritor RFID como un Web Service heredando todas las ventajas que de ello se derivan.

Como se ha visto la tecnología RFID es una herramienta importante para poder alcanzar la visión de Mark Weiser, la computación ubicua ya que puede dotar de capacidad computacional a casi cualquier objeto de nuestro entorno. Es un claro ejemplo de computación invisible, en tanto en cuanto es capaz de situarse en nuestra periferia de forma que no le prestemos atención y posteriormente situarse en el centro de nuestra atención cuando realmente la necesitamos.

La tecnología RFID es económicamente viable, si bien es cierto que el coste de las etiquetas debe reducirse para poder incorporarlas en todos los productos de consumo, la paulatina incorporación de las etiquetas en los procesos industriales producirá una bajada en los costes en las mismas.

A la tecnología RFID se le puede dotar de conectividad con redes inalámbricas, ya que se puede incorporar al lector una interfaz de red inalámbrica, eliminando así las limitaciones de conexión físicas permitiendo su emplazamiento en casi cualquier lugar.

De la incorporación de sensores y actuadores a las etiquetas RFID se puede extraer que esta tecnología presenta una interacción con el medio, ya que es capaz de captar datos del mismo y responder con acciones. Si además planteamos los lectores RFID como Web Services podemos concluir que la tecnología RFID permite que el mundo real sea accesible a través de los Web Services o lo que es lo mismo, la tecnología RFID puede ser un punto de acceso entre el mundo real y el virtual.

De las posibles aplicaciones que se le pueden dar a las etiquetas RFID con sensores cabe destacar las aplicaciones biomédicas debido al claro beneficio que plantea. Esto da lugar a la siguiente pregunta: ‘Si existen técnicas y tecnologías que permiten mejorar el diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades ¿Por qué la comunidad médica es tan reticente a adoptarlas?’

7 Referencias

1. Weiser, M., Brown, J.S.: The Coming Age of Calm Technology. Beyond Calculation: The Next Fifty Years of Computing. Springer Verlag, New York (1997)

2. Floerkemeier, C., Lampe, M.: Issues with RFID Usage in Ubiquitous Computing Applications. Pervasive 2004, (2004) 188-193

3. Gellersen,H.: Where Computation and Artefacts Meet. Informatik/Informatique, No. 5, (2001)

4. Want, R., Russell, D.M.: Ubiquitous Electronic Tagging. IEEE Distributed Systems Online, Vol. 1, No. 2, (2000)

5. Want, R.: RFID: A Key to Automating Everything. Scientific American (2004) 56-65

6. Weiser, M.: Some Computer Science Problems in Ubiquitous Computing. Communications of the ACM 36, No. 7, (1993) 74-83

7. Weiser, M., Brown, J.S.: Designing Calm Technology. The 100 Show: the eighteenth Annual of the American Center for Design. Watson-Guptill Publications, New York (1996) 159-163

8. Weiser, M. : The Computer for the 21st Century. Scientific American, Vol. 265, No. 3, (1991) 94–104

9. Sitio Web de Powerpaper, http://www.powerpaper.com (15-06-2005)

10. Sitio Web de EPCglobal, http://www.epcglobalinc.org (15-06-2005)

11. Sitio Web de Future Store, http://www.future-store.org (15-06-2005)

12. Want, R.: Enabling Ubiquitous Sensing with RFID. IEEE Computer Vol. 37, No. 4, (2004) 84-86.

13. Estrin, D., Culler, D., Pister, K., Sukhatme, G.: Connecting the Physical World with Pervasive Networks. IEEE Pervasive Computing, Vol. 1, No. 1, (2002) 59–69

14. Sitio Web de KSW Microtec, http://www.ksw-microtec.de (15-06-2005)