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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 CODELCO-CHILE. 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.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 1

1.1 MOTIVACIÓN.................................................................................................... 1 1.2 ALCANCE ....................................................................................................... 2 1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 3

1.3.1 OBJETIVOS GENERALES............................................................................................3 1.3.2 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 COMPARACIÓN DE LAS SOLUCIONES 1 Y 2..............................................................26 3.3.3 RACKS DE TERRENO ...............................................................................................28

4. EVALUACIÓN DEL DISEÑO............................................................... 30 4.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS.............................................................................. 30

4.1.1 RANGO DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA RFID........................................................30 4.1.2 POSICIÓN RELATIVA DEL TAG Y EL LECTOR, POLARIZACIÓN .................................31 4.1.3 DISTORSIONES AMBIENTALES ................................................................................32 4.1.4 FENÓMENOS DE INTERFERENCIA ............................................................................34

4.2 ANÁLISIS EXPERIMENTAL .............................................................................. 37 4.2.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EXPERIMENTOS.....................................................................37 4.2.2 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

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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 INFRAESTRUCTURA TECNOLÓGICA.........................................................................59 5.2.2 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 TRANSICIÓN DE CAMPO CERCANO A CAMPO LEJANO EN CONDUCTORES LOOP .....74 B.1.2 POLARIZACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS..................................................75 B.1.3 REFLEXIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS .......................................................76 B.1.4 REFLEXIÓN Y CANCELACIÓN..................................................................................78 B.1.5 ANTENAS................................................................................................................80 B.1.5.1 GANANCIA Y EFECTO DIRECCIONAL ................................................................................80 B.1.5.2 EIRP Y ERP ......................................................................................................................81

B.2 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 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 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

vii

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

viii

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


Gráfico 4.3: Patrón de radiación. Curva de nivel 3m. Comparación de los casos en presencia de


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





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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 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

1

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.

2

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.

3

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.

4

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

5

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

6

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.

7

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.

8

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

9

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 Este punto se desarrolla en mayor profundidad en la sección 5.2. 2 Este punto se desarrolla en profundidad en el anexo B, sección B.2.

10

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.

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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 )

12

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].

13

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.

14

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

Costos 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

Potencial interferencia

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

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.

15

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].

16

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].

17

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.

18

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,

19

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.

20

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.

21

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

Antena ID ISC.ANT 300/300-A (FEIG Electronics)

Frecuencia: 13.56MHz Rango de lectura: hasta 40cm Conexión: SMA de 50Ohm

4 300

Multiplexor ID ISC.ANT.MUX-A (FEIG Electronics)

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

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].

22

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

23

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.

24

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 Características Principales Cantidad Costo Unitario (US$)

Lector B2450R01-A (ALIEN Technology)

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

1 2.61811

Tag ALB-2480 (ALIEN Technology)

Frecuencia: 2410MHZ-2471.64MHz Asistidos por batería de 3V Rango: hasta 30m Número ID de 12bytes (memoria read-write)

8 21

Antena (ALIEN Technology)

Frecuencia: 2410MHz-2417.64MHz Polarización: circular Ganancia: ≤6 dBi Amplitud de rayo: azimut 55º, elevación 55º

4 2.61812

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]. 11 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).

25

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


26

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

27

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.

28

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 Características Principales Costo Unitario (US$)

Lector portátil WorkAbout Pro C (PSION TEKLOGIX)

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

1.835

13 Para mayores especificaciones, consultar [23]

29

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 )

30

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

31

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:

2

2

)4()(rGGPP rtt

r πλ⋅⋅

= (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

32

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)

33

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

34

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.

35

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.

36

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.

37

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

38

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


39

• 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.

40

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

41

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


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

42

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

43

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

44

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.

45

Figura 4.9: Esquema de la configuración 2


• 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.

46


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.


presencia de metal

47


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

48

• 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

49



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.

50

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

51

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

52

Para un par de antenas sin pérdida en el espacio libre, con óptima orientación, se puede

reescribir la ecuación 4.1, de la forma: 2

4

=

dGG

PP

rtt

r

πλ (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

4

dπλ en la ecuación (4.2), de modo de conseguir una expresión para la pérdida en el espacio

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:

=

λπddBPL 4log20)( 10 (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]:

+=

00 log10)()(

ddndPLdBPL (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.

53

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:

+=

1log4040)( ddBPL (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.


54

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]

PL camino 1

[dB]

Pr tag [dB]

PL camino 2

[dB]

Pr antena Rx, rack 1

[dB]

PL camino 3

[dB]

Pr antena Rx, rack 2

[dB]

dr [m]

α [º]

0.1 0 38 0 24 114 -90 71 90 0.5 28 10 28 -32 86 -90 14 88 1.0 40 -2 40 -56 74 -90 7 82 1.5 47 -9 47 -70 66 -89 5 72 2.0 52 -14 52 -80 59 -87 3 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.

55

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.

56

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

57

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

Switches de Comunicación 230 195 60 137 650 800 2072 350

Sistemas de Acceso y Seguridad 3 1 1 1 1 20 27 600

Sistemas de Monitoreo 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

24 Fuente interna de CODELCO-CHILE. 25 Fuente interna de CODELCO-CHILE. 26 Valores referenciales. Estimaciones en base a los precios disponibles en Internet.

58

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

59

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

60

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].

61

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

62

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.

63

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

64

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

65

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

66

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.

67

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[27] Engels D., “The Reader Collision Problem”, White Paper Auto-ID Center, 2001.

[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.

69

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 Sin presencia de metal En presencia de metal

Ángulo [º] 1m 2m 3m 1m 2m 3m 0 40 35 29 32 20 5

10 38 35 28 30 18 1 20 44 37 22 20 15 3 30 41 29 18 17 7 0 40 34 25 15 15 0 0 50 33 22 20 19 0 0 60 32 20 15 24 0 0 70 17 10 8 10 0 0 80 15 14 10 8 0 0 90 22 0 0 0 0 0

270 12 0 0 5 0 0 280 26 3 0 10 0 0 290 40 10 0 22 5 0 300 35 20 2 16 5 0 310 39 25 10 15 10 0 320 39 25 20 16 14 0 330 25 22 14 20 10 0 340 27 20 19 18 12 0 350 43 35 30 33 16 0

Promedio 16.73 10.75 7.23 9.17 3.67 0.25

70

Tabla A.2: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. Distancia 2m.

3 tags 5 tags 8 tags Ángulo [º] nº hits read rate [%] nº hits read rate [%] nº hits read rate [%]

-90 0 0.00 0 0.00 1 12.50 -80 1 33.33 1 20.00 1 12.50 -70 2 66.67 2 40.00 2 25.00 -60 2 66.67 3 60.00 4 50.00 -50 2 66.67 4 80.00 5 62.50 -40 2 66.67 4 80.00 4 50.00 -30 3 100.00 5 100.00 6 75.00 -20 3 100.00 5 100.00 6 75.00 -10 3 100.00 5 100.00 6 75.00 0 3 100.00 5 100.00 6 75.00

10 3 100.00 5 100.00 5 62.50 20 3 100.00 5 100.00 4 50.00 30 3 100.00 5 100.00 2 25.00 40 3 100.00 4 80.00 2 25.00 50 2 66.67 4 80.00 3 37.50 60 2 66.67 1 20.00 1 12.50 70 1 33.33 2 40.00 0 0.00 80 1 33.33 0 0.00 1 12.50 90 0 0.00 0 0.00 0 0.00

Promedio 68.42 Promedio 63.16 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.


Ángulo [º] 1m 2m 3m 1m 2m 3m 0 43 35 26 34 20 5

10 43 35 24 37 18 1 20 43 33 25 30 15 3 30 43 30 22 17 7 0 40 35 4 5 10 0 0 50 20 5 15 8 0 0 60 20 0 5 1 0 0 70 15 5 0 0 0 0 80 25 1 0 0 0 0 90 5 1 0 0 0 0

71

(Continuación Tabla A. 3)


Ángulo [º] 1m 2m 3m 1m 2m 3m 270 20 0 0 0 0 0 280 42 5 10 5 0 0 290 43 30 10 5 0 0 300 42 32 15 0 5 0 310 43 38 25 30 10 0 320 32 25 20 10 0 0 330 40 25 15 5 0 0 340 44 30 25 20 0 0 350 43 32 27 35 16 0

Promedio 17.81 10.17 7.47 6.86 2.53 0.25

Tabla A.4: Tasa de lecturas simultáneas en función del ángulo y el número de tags. Distancia 1m


-90 2 66.67 0 0.00 1 12.50 -80 2 66.67 1 20.00 1 12.50 -70 2 66.67 2 40.00 2 25.00 -60 3 100.00 2 40.00 2 25.00 -50 3 100.00 2 40.00 4 50.00 -40 3 100.00 3 60.00 5 62.50 -30 3 100.00 4 80.00 5 62.50 -20 3 100.00 5 100.00 7 87.50 -10 3 100.00 5 100.00 8 100.00 0 3 100.00 5 100.00 8 100.00

10 3 100.00 5 100.00 8 100.00 20 3 100.00 5 100.00 8 100.00 30 3 100.00 5 100.00 8 100.00 40 3 100.00 5 100.00 7 87.50 50 3 100.00 4 80.00 6 75.00 60 2 66.67 4 80.00 6 75.00 70 2 66.67 2 40.00 4 50.00 80 1 33.33 2 40.00 3 37.50 90 1 33.33 1 20.00 2 25.00


72



-90 0 0.00 0 0.00 1 12.50 -80 0 0.00 0 0.00 1 12.50 -70 1 33.33 1 20.00 1 12.50 -60 2 66.67 0 0.00 2 25.00 -50 2 66.67 0 0.00 3 37.50 -40 2 66.67 1 20.00 3 37.50 -30 3 100.00 3 60.00 4 50.00 -20 3 100.00 4 80.00 5 62.50 -10 3 100.00 5 100.00 6 75.00 0 3 100.00 5 100.00 6 75.00

10 3 100.00 5 100.00 6 75.00 20 3 100.00 5 100.00 6 75.00 30 3 100.00 5 100.00 5 62.50 40 2 66.67 3 60.00 3 37.50 50 2 66.67 3 60.00 3 37.50 60 1 33.33 2 40.00 4 50.00 70 0 0.00 1 20.00 0 0.00 80 0 0.00 0 0.00 0 0.00 90 0 0.00 0 0.00 0 0.00




-90 0 0.00 0 0.00 0 0.00 -80 0 0.00 0 0.00 0 0.00 -70 0 0.00 0 0.00 0 0.00 -60 0 0.00 0 0.00 1 12.50 -50 1 33.33 0 0.00 1 12.50 -40 2 66.67 0 0.00 1 12.50 -30 3 100.00 2 40.00 3 37.50 -20 3 100.00 2 40.00 4 50.00 -10 3 100.00 3 60.00 5 62.50 0 3 100.00 3 60.00 5 62.50

10 3 100.00 3 60.00 5 62.50 20 2 66.67 3 60.00 3 37.50

73

(Continuación Tabla A.6)


30 1 33.33 0 0.00 4 50.00 40 1 33.33 1 20.00 2 25.00 50 1 33.33 1 20.00 1 12.50 60 0 0.00 1 20.00 1 12.50 70 0 0.00 0 0.00 0 0.00 80 0 0.00 0 0.00 0 0.00 90 0 0.00 0 0.00 0 0.00


74

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 Longitud de onda λ [m]

λ/2π [m]

< 135 KHz > 2222 > 353 6.78 MHz 44.7 7.1 13.56 MHz 22.1 3.5 27.125 MHz 11.0 1.7

75

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

76

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).

77

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:

24 rPS EIRP

π= (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):

SPS ·σ= (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:

422222 ·)4(·

4·

44·

4 rP

rrP

rS

rPS EIRPEIRPS

back πσ

πσ

ππσ

π==== (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

78

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

79

(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

80

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.

∫ ⋅=esferaAEIRP dASP (B.4)

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:

21

4 rGPS i

⋅⋅

=π

(B.5)

81

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:

iEIRP GPP ⋅= 1 (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:

i

EIRP

GPP =1 (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

82

que la ganancia de una antena dipolo (Gi = 1.64) con respecto a un emisor isotrópico es conocida,

es fácil convertir entre ambas expresiones:

64.1⋅= ERPEIRP PP (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:

)cos(00 ϑϑ ⋅= uu (B.9)

83

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

84

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 generado por

el lector. Acoplamiento inductivo

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

85

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 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

86

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

87

(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

88

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:

)log(10)log(10)log(20)log(206.147 RTF GGfra −−++−= (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

89

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 868MHz 915MHz 2.45GHz 0.3m 18.6 dB 19.0 dB 27.6 dB 1m 29.0 dB 29.5 dB 38.0 dB 3m 38.6 dB 39.0 dB 47.6 dB 10m 49.0 dB 49.5 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 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

90

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 ( backscatter 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.

91

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.

92

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.

93

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

94

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

95

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.

96

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 tag (downlink): 135KHz, tag 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.

97

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 (interrogator-

driven). 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,

98

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.

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