RAE

1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO ELECTRÓNICO

2. TÍTULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO RFID EN

MATERIALES METÁLICOS

3. AUTORES: Andrés Felipe Márquez Arteaga

4. LUGAR: Bogotá, D.C

5. FECHA: Enero de 2016

6. PALABRAS CLAVE: RFID, Etiqueta RFID, Antena, Blindaje MuMetal, Blindaje EMI, Ferrita, Frecuencia,

Lector/Escritor RFID, Permeabilidad magnética, Permeabilidad eléctrica, Conductividad eléctrica.

7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO: Este proyecto implementó un sistema en RFID en materiales metálicos,

el cual consiste en una primera etapa de análisis teórico, que permite determinar los problemas de

trasmisión de datos, entre lector, etiqueta y materiales metálicos. La principal razón del por qué no se

realiza la trasmisión de datos, son las interferencias producidas en las ondas de radio frecuencia por los

materiales metálicos y sus características eléctricas tales como la Permitividad y conductividad, con esta

información se adaptó la etiqueta RFID para mejorar la trasmisión de datos. El sistema se acoplo a

dichas características, logrando extraer los datos de las etiquetas RFID y visualizarlo en Excel.

Desarrollando posteriormente un aplicativo WEB para la visualización de datos en internet.

8. LÍNEAS DE INVESTIGACION: Línea de Investigación de la USB: Tecnologías actuales. Sub línea de

Facultad de Ingeniería: Antenas y telecomunicación. Campo Temático del Programa: Investigación e

implementación en tecnología RFID.

9. METODOLOGÍA: Empírico-analítico: Se hizo un estudio previo a las diferentes pruebas realizadas, en

la que mediante simulaciones y documentación se determinaron las diferentes características que se

debían implementar al momento de realizar dichas pruebas. Todo esto teniendo en cuenta los

diferentes estudios realizados a través de la investigación.

10. CONCLUSIONES: No hay trasmisión de datos cuando la etiqueta se encuentra sobre la lámina

metálica, debido a que las etiquetas son afectadas por interferencias electromagnéticas generadas por

las láminas metálicas, las cuales son producidas por sus características eléctricas y químicas del material

metálico. La permitividad eléctrica no es un factor decisivo en la trasmisión de datos. La permeabilidad

magnética relativa afecta considerablemente la eficiencia o trasmisión de la antena. La conductividad

eléctrica es uno de los parámetros que más afecta la eficiencia de la antena. En las simulaciones se

demuestra que la permeabilidad, conductividad y permitividad se ven afectadas uno del otro.. Se

determinó que el uso de blindaje EMI y lamina de MuMetal, no es el apropiado como agente dispersor

de las interferencias electromagnéticas en los etiquetas RFID. Las láminas de ferrita, son el material

que se adaptan para la trasmisión de datos desde la etiqueta hasta el lector/escritor.

2

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO RFID EN MATERIALES

METÁLICOS

ANDRÉS FELIPE MÁRQUEZ ARTEAGA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C 2015

3

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO RFID EN MATERIALES

METÁLICOS

ANDRÉS FELIPE MÁRQUEZ ARTEAGA

Trabajo presentado como requisito parcial para optar por el título de profesional en

Ingeniería electrónica Asesor: Ingeniero

Fabián Pérez

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C JUNIO 2015

4

Nota de Aceptación

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

Firma del Jurado

__________________________________

Firma del Jurado

5

PÁGINA DE DEDICATORIA

Con mucho cariño principalmente a mis padres que me dieron la vida y han

estado conmigo en todo momento. Gracias por todo papá y mamá por darme

una carrera para mi futuro y por creer en mí, A mi hermana Carolina gracias

por estar conmigo y apoyarme siempre, A todos mis amigos muchas gracias

por estar conmigo en todo este tiempo donde he vivido momentos felices y

tristes, Y a mis profesores por confiar. “Si buscas resultados distintos, no hagas

siempre lo mismo”. Albert Einstein (1879-1955)

Andrés F. Márquez Arteaga

6

AGRADECIMIENTOS

Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi

carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una

vida llena de aprendizajes, Gracias Ingeniero Fabián Pérez por creer en mí, y

haberme brindado la oportunidad de desarrollar mi tesis profesional en la

Universidad de San Buenaventura Y principalmente a mi familia por su apoyo,

disposición y comprensión durante este proceso.

7

TABLA DE CONTENIDO

GLOSARIO .................................................................................................................................. 1

PERMEABILIDAD MAGNÉTICA ..................................................................................... 1

PERMITIVIDAD ELÉCTRICA ........................................................................................... 1

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA: ..................................................................................... 1

INTRODUCION .......................................................................................................................... 2

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .................................................................................. 3

1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................ 3

1.1.1 La práctica de fiabilidad usando RFID en ambientes metálicos ...................... 3

1.1.2 Investigación de inductividad acoplada para sistemas RFID ............................ 4

1.1.3 Diseño y evaluación de la confiabilidad pasiva en un sistema RFID en

entornos metálicos ............................................................................................................. 5

1.1.4 Practicidad de múltiples etiquetas en los sistemas RFID .................................. 5

1.1.5 Un método de evaluación del desempeño de una lámina de metal montada

en una etiqueta ................................................................................................................... 6

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. ....................................... 8

1.2 JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................... 8

1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................. 9

1.3.1 Objetivo general ................................................................................................. 9

1.3.2 Objetivo específicos ........................................................................................... 9

1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ................................................. 9

1.4.1 Alcance ................................................................................................................ 9

1.4.2 Limitaciones ........................................................................................................ 9

2 METODOLOGIA ............................................................................................................... 10

2.1 ENFOQUE DE LA INVESITAGICON: ....................................................................10

2.2 TAREAS .....................................................................................................................10

3 MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................. 11

3.1 RFID ............................................................................................................................11

3.1.1 Identificación automática ....................................................................................... 11

3.1.2 Que es RFID ......................................................................................................... 11

3.1.3 Cómo funciona ....................................................................................................... 12

3.1.4 Lector/ Escritor RFID ........................................................................................... 12

8

3.1.5 Etiqueta RFID ........................................................................................................ 13

3.1.6 Etiquetas RFID pasivas ........................................................................................ 13

3.1.7 Etiquetas RFID activas .......................................................................................... 14

3.1.8 Etiquetas RFID semi-pasivas .............................................................................. 15

3.1.9 Frecuencias RFID .................................................................................................. 16

3.1.10 Beneficios de la tecnología RFID ...................................................................... 16

3.1.11 Aplicaciones en sitios ......................................................................................... 17

3.2 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ...................................................................18

3.2.1 Ondas de radio ....................................................................................................... 19

3.2.2 Antena ...................................................................................................................... 20

3.2.3 Ganancia de la antena .......................................................................................... 20

3.2.4 Diagrama de radiación .......................................................................................... 20

3.2.5 Polarizacion de la antena ...................................................................................... 21

3.2.6 Perdidas de retorno ............................................................................................... 21

3.2.7 Ancho de banda ..................................................................................................... 21

3.2.9. Antena MicroStrip .................................................................................................. 22

3.3. CONDICIONES DE FRONTERAS ............................................................................22

3.3.1 Condiciones de fronteras en conductores ......................................................... 22

3.3.2 Condiciones de fronteras en dieléctricos .......................................................... 23

3.4. METALES ......................................................................................................................23

3.4.1 Permitividad eléctrica ............................................................................................. 23

3.4.2 Permeabilidad magnética...................................................................................... 24

3.4.3 Conductividad eléctrica: ........................................................................................ 24

3.4.5 Materiales ferrosos y no ferrosos ........................................................................ 24

3.5 BLINDAJE EMI ...............................................................................................................25

3.5.1 Concepto EMI ......................................................................................................... 25

3.5.2 Protección contra EMI ........................................................................................... 25

5.5.3 Efectividad del blindaje EMI depende de ........................................................... 25

3.6 MUMETAL ......................................................................................................................26

3.7 KIT TEXAS INSTRUMENTS RFID .............................................................................27

3.7.1 Módulo RFID de TEXAS INSTRUMENTS MRD2EVM microreader .............. 27

3.7.2 .................................................................................................................................... 28

3.7.3. Antena ..................................................................................................................... 29

9

3.7.4. Etiqueta RI-TRP-DR2B-30: .................................................................................. 29

3.7.5. Etiqueta TRPGR30TGC: ...................................................................................... 29

3.7.6. MPT 16/17 .............................................................................................................. 29

3.7.7. HDX + (R/O industrial standard – aplications) ................................................. 29

3.7.8. Comunicación entre microlector y modulo RFID de TI ................................... 30

3.8. ARDUINO .......................................................................................................................... 30

3.8.1. Arduino Leonardo .................................................................................................. 30

3.8.2. Módulo lector RFID-RC522 RF ........................................................................... 31

3.8.3 Etiqueta ISO/IEC 14443 Tipo B ........................................................................... 32

3.8.4. Protocolo SPI ......................................................................................................... 34

3.9 MATLAB ...........................................................................................................................34

3.10 HFSS: .............................................................................................................................35

3.11 XWIX: .............................................................................................................................35

4. DESARROLLO ..................................................................................................................... 36

4.1. DESCRIPCION GENERAL ..........................................................................................36

4.2. SITEMA DE TEXAS RFID EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO........................37

4.2.1 Pruebas TI ............................................................................................................... 37

4.2.2. Sotfware RFID de TEXAS INSTRUMETS......................................................... 38

4.3. SITEMA RFID DE ARDUINO EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO .................39

4.3.1. Trasmisión de datos RFID a través de tarjeta ARDUINO ............................... 39

4.4. PRUEBAS CON LÁMINAS METÁLICAS ..................................................................40

4.4.1. Trasmisión de datos de etiquetas TI y láminas metálicas .......................... 41

4.4.2. Etiqueta ARDUINO con diferentes materiales................................................. 42

4.4.3. Análisis de la trasmisión de datos en etiquetas RFID con metales .............. 44

4.5. SIMULACIÓN HFSS ....................................................................................................44

4.5.1 Perdidas de retorno ............................................................................................... 45

4.5.2 Antena acoplada a una lámina en HFSS ........................................................... 45

4.5.3 Pérdidas de retorno variando la permitividad .................................................... 47

4.5.4 Pérdidas de retorno variando la permeabilidad magnética: ............................ 49

4.5.5 Pérdidas de retorno variando la conductividad ................................................. 52

4.5.6 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija variaciones la

permeabilidad magnética ................................................................................................ 55

10

4.5.7 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y variaciones en la

conductividad eléctrica. ................................................................................................... 56

4.5.8 Miniaturización de una antena microstrip para que trabaje a una frecuencia

de 13.1MHz: ...................................................................................................................... 58

4.5.9 Análisis determinar las condiciones para la trasmisión .................................... 61

4.6. CONDICIONES PARA REDUCIR INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA: 62

4.6.1 Lamina de blindaje EMI ......................................................................................... 62

4.6.2 Análisis blindaje EMI .............................................................................................. 63

4.6.3 Lamina de MuMetal................................................................................................ 63

4.6.4 Análisis lamina de MuMetal .................................................................................. 64

4.6.5 Lamina de ferrita ..................................................................................................... 65

4.5.6 Análisis de lámina de ferrita.................................................................................. 66

4.7. ACOPLE DE SISTEMA RFID PARA TRANSFERENCIA DE DATOS CON

LÁMINAS METÁLICAS ........................................................................................................66

4.7.1 ARDUINO a MATLAB ............................................................................................ 66

4.7.2 Transferencia de datos de MATLAB a EXCEL .................................................. 67

4.8 APLICATIVO WEB .........................................................................................................69

4.8.1 Analisis del aplicativo WEB para la visualización de los datos ....................... 70

CONCLUSIONES..................................................................................................................... 71

BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN ............................................................. 74

A. ANEXOS: Circuitos Eléctricos ........................................................................................ 76

B. ANEXOS: Propiedades de los materiales .................................................................... 84

c. ANEXOS: Programas ...................................................................................................... 87

11

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Lector/Escritor RFID [1] ......................................................................................... 12

Figura 2. Etiqueta pasiva RFID [2] ....................................................................................... 13

Figura 3. Etiqueta activas RFID [1] ...................................................................................... 14

Figura 4. Funcionamiento general de un sistema. ............................................................. 15

Figura 5.Frecuencias de trabaja para sistemas RFID[3] ................................................. 18

Figura 6. Espectro Electromagnético ................................................................................... 19

Figura 7. Diagrama de radiación [5] ..................................................................................... 21

Figura 8. Diagrama de condiciones de frontera [5] ............................................................ 22

Figura 9. Condiciones de frontera en dieléctricos .............................................................. 23

Figura 10 . Clasificación de metales Ferroso y no Ferrosos ............................................ 25

Figura 11. Cinta de blindaje EMI ......................................................................................... 26

Figura 12. Cinta de MuMetal ................................................................................................. 27

Figura 13. Microlector MRD2EVM de TEXAS INSTRUMENTS ..................................... 28

Figura 14. Microlector LF 134kHz HDX RFID kit de evaluación [12] .............................. 28

Figura 15. Etiquetas RFID de TEXAS INSTRUMETS [12] .............................................. 29

Figura 16. Arduino Leonardo ................................................................................................. 31

Figura 17. Módulo lector RFID-RC522 de Arduino ........................................................... 32

Figura 18 . Etiqueta ISO/IEC 14443 tipo B [14] ............................................................... 33

Figura 19 . Diagrama general del proyecto ......................................................................... 37

Figura 20. Funcionamiento RFID de TI ............................................................................... 38

Figura 21. Software proporcionado por TI ......................................................................... 39

Figura 22. Funcionamiento MF522 / RC522 RFID de Arduino ...................................... 40

Figura 23. Equipos TI con láminas metálicas ................................................................... 41

Figura 24. Equipos Arduino con láminas metálicas .......................................................... 43

Figura 25. Simulación de la antena en UHFSS .................................................................. 44

Figura 26. Simulación de la antena con una lámina del programa [HFSS .................... 46

Figura 27. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina de blindaje EMI ................................... 62

Figura 28. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De MuMetal ......................................... 64

Figura 29. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De Ferrita ............................................ 65

Figura 30. Datos Transferidos desde ARDUINO a MATLAB ........................................... 67

Figura 31. Diagrama de flujo para él envió de datos del lector a Excel ......................... 68

Figura 32. Datos en Excel ..................................................................................................... 69

Figura 33. Pág. WEB Finalizada.......................................................................................... 70

12

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Transmisión de datos TI y láminas metálica ....................................................... 42

Tabla 2. Transmisión de datos ARDUINO a láminas metálica ........................................ 43

Tabla 3.Tabla proporcionada por el programa HFSS con las diferentes características

químicas de los materiales ..................................................................................................... 46

Tabla 4. Transmisión de datos ARDUINO y TI con blindaje EMI .................................... 63

Tabla 5. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lamina de MuMetal ........................ 64

Tabla 6. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lámina de Ferrita ............................ 66

LISTA DE GRAFICAS

Grafica 1. Perdidas de retorno Vs Frecuencia .................................................................... 45

Grafica 2. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una Permitividad

Relativa de 1 ............................................................................................................................ 47

Grafica 3. Perdidas de retorno cuando la lámina es de agua de mar con una

Permitividad Relativa de 81 ................................................................................................... 48

Grafica 4. Perdidas de retorno variando la Permitividad Relativa .................................... 48

Grafica 5. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una Permeabilidad

magnética relativa de 1 .......................................................................................................... 50

Grafica 6. Perdidas de retorno cuando la lámina es cobalto con una Permeabilidad

magnética Relativa de 250 ................................................................................................... 50

Grafica 7. Perdidas de retorno variando la Permeabilidad magnética Relativa ............. 51

Grafica 8. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una conductividad de

0 Siemens/m ............................................................................................................................. 52

Grafica 9.Perdidas de retorno cuando la lámina un conductor ideal ............................... 53

Grafica 10 Perdidas de retorno variando la conductividad del material .......................... 54

Grafica 11. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica del agua de mar y

permeabilidad magnética relativa de 100 ............................................................................. 55

Grafica 12Perdidas de retorno vs permeabilidad magnética variable ............................. 55

Grafica 13. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y conductividad eléctrica

fija. .............................................................................................................................................. 56

Grafica 14.Perdidas de retorno vs conductividad variable ................................................ 57

Grafica 15.Longitud de W variando la Permitividad ............................................................ 60

Grafica 16. Longitud de H variando la Permitividad ........................................................... 60

Grafica 17. Longitud de L variando la Permitividad ............................................................ 61

1

GLOSARIO

ANTENA: Conductor eléctrico que sirve como interfaz para la recepción y

emisión de las ondas electromagnéticas en el espacio libre [4].

BLINDAJE MUMETAL: Aleación de níquel-hierro (aproximadamente 75% de

níquel, 15% de hierro, además de cobre ) con alta permeabilidad magnética.

[10]

ETIQUETA RFID: Dispositivo que permite almacenar y enviar información al

lector a través de ondas de radio frecuencia; coloquialmente suelen

denominarse tags[1]

FRECUENCIA RFID: Intervalos de frecuencias, manejadas en este tipo de

tecnología, siendo aplicadas a diferentes usos. [2]

LECTOR/ ESCRITOR RFID: Equipo encargado de recibir información emitidas

por las etiquetas y transferirlas al middleware o subsistema de procesamiento

de datos. [1]

RFID: La identificación por radio frecuencia o RFID, es un término genérico

para definir tecnologías que emplean ondas radiales para identificar de manera

automática a personas u objetos. [1]

PERMEABILIDAD MAGNÉTICA: La permeabilidad es la capacidad de un

material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna

PERMITIVIDAD ELÉCTRICA: La permitividad eléctrica del medio e (o

impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe

cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA: Se define la conductividad eléctrica como la

capacidad de que una sustancia pueda conducir la corriente eléctrica, y por

tanto es lo contrario de la resistencia eléctrica

2

INTRODUCION

El siguiente documento recoge la información correspondiente a las etapas del

proceso de adaptación de un prototipo RFID (Radio frequency identification), en

materiales metálicos. Específicamente el análisis de problemas, condiciones y

adaptaciones de la implementación del sistema RFID en dichos materiales.

Este proyecto se desarrolló como requisito para optar al título de Ingeniero

Electrónico de la Universidad de San Buenaventura.

La tecnología RFID (Radio Frequency Identification), basada en pequeñas

etiquetas conformadas por un microcontrolador y una antena; cada etiqueta

proporciona una identificación y marcación, siendo esta señal enviada a un

lector a través de ondas de radio frecuencia. RFID es utilizada en múltiples

aplicaciones, gran parte de su enfoque esta dado al envió de datos

inalámbricos, en temas que tiene que ver con logística, seguridad, sensores,

aplicaciones en medicina, aplicaciones bancarias, entre otras.

La tecnología RFID se presenta inconvenientes en la adquisición de datos

cerca de materiales metálicos o líquidos, ya que estos materiales generan

interferencias en la señal de radio frecuencia, impidiendo que la información

sea recibida correctamente por el lector. Atendiendo a estos inconvenientes,

este proyecto implementó un sistema en RFID en materiales metálicos, el cual

consiste en una primera etapa de análisis teórico, que permite determinar los

problemas de trasmisión de datos, entre lector, etiqueta y materiales

metálicos. La principal razón del por qué no se realiza la trasmisión de datos,

son las interferencias producidas en las ondas de radio frecuencia por los

materiales metálicos y sus características electricas tales como la Permitividad

y conductividad, con esta información se adaptó la etiqueta RFID para mejorar

la trasmisión de datos. El sistema se acoplo a dichas características, logrando

extraer los datos de las etiquetas RFID y visualizarlo en Excel. Desarrollando

posteriormente un aplicativo WEB para la visualización de datos en internet.

3

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

1.1 ANTECEDENTES

Los sistemas RFID han sido estudiados en la Ingeniería y empleados

especialmente en aplicaciones industriales, médicas, transporte entre otras, la

mayoría de los antecedentes encontrados se enfocan a la mejora de logística

y seguridad, por este proyecto que se va a realizar hace la diferencia porque

se pretende dar una posible solución a las etiquetas que se encuentran cerca

de ambientes hostiles, enfocada a materiales metálicos. A continuación se citan

artículos que han brindado herramientas para el desarrollo den este proyecto.

1.1.1 La práctica de fiabilidad usando RFID en ambientes metálicos : Analiza

el comportamiento de sistemas RFID en diferentes materiales, como metal

ferroso y aluminio, colocando un brazo metálico con una antena direccionada

y perpendicularmente en una etiqueta la cual se encuentra sobre una caja

metálica. Los materiales que acompañan a la etiqueta dentro de la caja son no

metálicos. Los resultados muestran que hay lugares donde la señal de Radio

Frecuencia es más fuerte que en otros puntos.

Se realizaron pruebas en tres metales distintos donde cada resultado tiene

diferentes características. Se enviaron señales de radiofrecuencia a través de

un brazo mecánico, se tomaron datos y se analizaron en qué lugares se

trasmitía, observando que los tres materiales tiene un comportamiento distinto,

sin embargo no siempre la etiqueta responde a las señales recibidas. (Arora,

2007)

Cerca del campo electromagnético de la antena, se utilizó materiales de base

principal ferrita, que tiene propiedades como permeabilidad magnética alta,

resistencia eléctrica específica, propiedades que minimizan interferencias

generadas por los metales en las etiquetas. En campos electromagnéticos

lejanos hay más interferencia en las señales de radio frecuencia.

4

Se realizaron pruebas con los mismos metales de diferentes grosores, el metal

más grueso aumenta la conductividad eléctrica por la cantidad de material,

generando más interferencias que el metal delgado.

Mejoras en el rendimiento:

● Se utilizaron acoples entre el metal y la etiqueta para mejorar su

rendimiento.

● Se colocó la mitad de la etiqueta en metal y la otra mitad en madera,

observándose que la señal si era trasmitida en la madera, comprobando

que el material que afecta la trasmisión de datos es el metal.

● Se adaptan diferentes ángulos entre la etiqueta y el lector, logrando un

mejor rendimiento en la trasmisión, lo cual es una solución económica,

de fácil aplicación y práctica a los problemas de interferencia con los

metales.

Cada una de esas soluciones se planteó para disminuir la interferencia

electromagnética entre las etiquetas RFID y los materiales metálicos. (Arora,

2007)

1.1.2 Investigación de inductividad acoplada para sistemas RFID : En general

este trabajo enfatiza las condiciones físicas y parámetros de las etiquetas cerca

de los metales. Se analiza la compatibilidad de estos sistemas en materiales

metálicos, dando las consideraciones que se deben tener en cuenta para la

trasmisión de datos.

Los metales cambian la impedancia de los sistemas RFID, cambiando las

condiciones necesarias para las transmisiones datos de etiqueta a lector,

provocando interferencias electromagnéticas, reduciendo la efectividad

generada por los campos electromagnéticos, estas corrientes tienden a crear

su propio campo magnético, perpendicular a la superficie del metal, este

campo magnético generado impide la trasmisión de datos.

5

Cuatro soluciones para el problema:

● Ubicar un separador entre la etiqueta y el metal

● Usar un material especial entre la etiqueta y el metal

● Usar un rango de frecuencia diferente en RFID

● Considerar las restricciones físicas en la selección e

implementación de la fase en RFID.

Cada una de estas soluciones se planteó para disminuir la interferencia

electromagnética entre las etiquetas RFID y los materiales metálicos. Se

determinó el campo magnético en presencia métales y al aire libre.

Se varió la posición de la antena en el eje Z cerca del metal, dependiendo la

cercanía que se tenga al sistema RFID a los metales esto genera interferencias

electromagnéticas, se realizan diferentes análisis para ver como aumentan o

disminuyen las interferencias electromagnéticas. (Ledchumikanthan, 2007)

1.1.3 Diseño y evaluación de la confiabilidad pasiva en un sistema RFID en

entornos metálicos : Este artículo examina las condiciones ideales y no

ideales. La respuesta de la etiqueta no depende solo del campo magnético, si

no de la orientación en relación con la línea de campo, cuando la etiqueta se

coloca perpendicular al campo es posible ampliar el rango radiado en la onda

de radio frecuencia, se realiza es una configuración en la forma de la antena y

una caja metálica, para mejorar el rendimiento del sistema RFID, se realizan

simulaciones para comprobar que el traspaso de información mejore, sin

embargo no es la solución apropiada para que el sistema elimine totalmente

las interferencias generadas en la etiqueta. (Shih-Kang Kuo, 2011)

1.1.4 Practicidad de múltiples etiquetas en los sistemas RFID: Este artículo

analiza las diferentes circunstancias y/o parámetros que se encuentran en las

etiquetas RFID cerca de ambientes hostiles.

Los metales reflejan las ondas de radio frecuencia.

Los líquidos absorben las ondas de radio frecuencia.

6

A mayor número de etiquetas, mejor enlace de comunicación.

Se deben orientar las etiquetas, con el fin de maximizar el ángulo de incidencia

de la onda de radio frecuencia entre la etiqueta y el lector, el experimento se

realizó dentro de una caja metálica para que no se vea alterado por otras

ondas electromagnéticas, sirviendo dicha caja como “Jaula de Faraday”,

Utilizando un software que permite observar si los datos están siendo leídos.

En las antenas lineales, los experimentos muestran que múltiples etiquetas

mejoran considerablemente la adquisición de datos, se resumen que entre

más etiquetas más posibilidades de una trasferencia de datos. En las antenas

circulares es aún mejor la trasferencia de datos, ya que la orientación de los

objetos con respecto a las antenas varía ampliamente permitiendo que el rango

de lectura mejore. En función de las antenas se comprobó que si las etiquetas

se colocan perpendicularmente hay mayor probabilidad de ser detectadas. Se

utilizó diferentes tipos de etiquetas con las mismas especificaciones y se hizo

diferentes pruebas en cuantos a envió de datos y a tiempos, lo cual determinó

que las especificaciones en las diferentes tipos de etiquetas tienen el mismo

comportamiento. Se realizó otro experimento, el cual consistía en el

reconocimiento de etiquetas con materiales metales y líquidos a su alrededor,

determinando muchas más interferencias en las señales de radio frecuencia;

por ser las etiquetas a bajo precio, se pueden utilizar un mayor número de

estas para mayor probabilidad de lectura. (Leonid Bolotnyy, 2010)

1.1.5 Un método de evaluación del desempeño de una lámina de metal

montada en una etiqueta: Método basado en la adaptación de impedancias,

que ofrece varias ventajas, como la alta sensibilidad y configuración. Se basa

en el principio de acoplamiento electromagnético a 13.56MHz. La energía

obtenida por el chip depende de la energía disipada entre el chip y las

impedancias de la bobina, la cual tiene un circuito LC que trabaja en las

mejores frecuencias de resonancia para la mejor captación de la energía.

Cuando una etiqueta se coloca sobre un metal aumentan las interferencias

electromagnéticas , que tiende a reducir la efectividad de la inductancia de la

7

bobina por lo tanto, aumenta la frecuencia de resonancia. Al colocar una hoja

EMI entre la etiqueta y el metal se recupera eficazmente la frecuencia de

resonancia, utilizando un sensor de potencia en ambos sistemas en donde se

midió las pérdidas de retorno y en donde se encuentra menos atenuación. Las

interferencias electromagnéticas inducen en los metales, impidiendo que la

energía en la etiqueta sea disipada. Como consecuencia de ello la frecuencia

de resonancia causa un rango de lectura mucho más degradado.

El trabajo presenta un método de medición utilizando una hoja EMI, la

medición se basa en el principio de la tecnología inalámbrica transferencia de

potencia siendo analizada cuantitativamente, la falta de concordancia entre

etiquetas y metales puede ser estudiada a través de las interferencias

electromagnéticas, calculándose todos los parámetros que se manejan en una

antena. Finalmente la hoja de EMI 0.4 mm de espesor fue diseñada y

desarrollada con base en el método propuesto, recuperando hasta el 60% del

rango de lectura.(Kevin D’hoe, 2011)

8

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.

Los sistemas RFID son aplicados en diversas aplicaciones, especialmente en

logística y seguridad, aunque en ambientes hostiles es rara vez aplicada por

que las etiquetas no son óptimas para estos ambientes. Este proyecto está

enfocado a mostrar la trasmisión de datos en sistemas RFID en materiales

metálicos. Los problemas presentes en este tipo de sistemas se resumen en

el exceso de ruido en las etiquetas producida por los materiales metálicos, por

esto es necesario analizar la interferencia que se producen en las etiquetas por

los materiales metálicos, por ello la pregunta principal seria:

¿Cuáles son las interferencias generadas por los metales en las etiquetas

RFID?

1.2 JUSTIFICACIÓN

Este proyecto se desarrolla con el fin de implementar un sistema RFID en

materiales metálicos, ya que dichos materiales presentan inconvenientes,

buscando mejorar las interferencias producidas en las etiquetas. Este

problema está considerado como uno de los grandes inconvenientes en RFID,

produciendo pocas aplicaciones en materiales metálicos y generando un gran

vacío en diversos aspectos a los que se podría enfocar esta tecnología. Al

encontrarse pocas aplicaciones en estos materiales se generan un caso de

estudio el cual busca una solución a dicho problema. Restaurando o

mejorando este problema, se abrirían muchas puertas al enfoque de esta

tecnología, ya que en Colombia y en el mundo se encuentran diversas

empresas que manejan materiales metálicos y a las cuales el uso de esta

tecnología los favorecería. En un futuro se tiene como proyección adaptar el

sistema RFID en materiales metálicos y materiales convencionales sin que se

generara problemas en las señales generadas por las etiquetas.

9

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo general

Implementar un prototipo de RFID adaptando las etiquetas en materiales

metálicos.

1.3.2 Objetivo específicos

Analizar las interferencias producidas por los metales en las etiquetas

RFID.

Determinar las condiciones necesarias para reducir las interferencias

producidas por el prototipo RFID.

Adaptar el prototipo RFID en materiales metálicos con las condiciones

planteadas para su funcionamiento.

Desarrollar un aplicativo WEB para la visualización de los datos.

1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.4.1 Alcance

La distancia máxima alcanzada entre el lector y las etiquetas será de

2m.

El ajuste del prototipo RFID se realizará en las etiquetas.

La aplicación en internet sólo mostrará los datos trasmitidos.

1.4.2 Limitaciones

Las características planteadas para la corrección de las interferencias

estará dada sólo para los metales (hierro, cobre y aluminio), por ser

materiales utilizados en múltiples aplicaciones y de fácil adquisición.

No se desarrollará una base de datos en la aplicación WEB, ya que el

conocimiento que se requiere es de Ingeniería de Sistemas.

No se utilizan sistemas con mayores frecuencias a UHF, por los costos

que manejan.

10

2 METODOLOGIA

2.1 ENFOQUE DE LA INVESITAGICON:

Empírico-analítico: Se hizo un estudio previo a las diferentes pruebas

realizadas, en la que mediante simulaciones y documentación se determinaron

las diferentes características que se debían implementar al momento de

realizar dichas pruebas. Todo esto teniendo en cuenta los diferentes estudios

realizados a través de la investigación.

2.2 TAREAS

La metodología para el desarrollo del proyecto se realizó mediante cuatro

pasos fundamentales:

Estudio de las diferentes interferencia producidas por los metales en las

etiquetas.

Simulación de las posibles soluciones para la trasferencia de

información entre lector/escritor y etiqueta.

Establecer las condiciones para la trasferencia de datos entre

lector/escritor y etiqueta, perturbada por una lámina metálica.

Desarrollo de programas y aplicativo WEB para la fácil manipulación de

los datos.

11

3 MARCO CONCEPTUAL

3.1 RFID

3.1.1 Identificación automática: La identificación automática o Auto ID en su

forma abreviada, es un término amplio con el que se denomina a un grupo de

tecnologías, que se emplean para ayudar a que las máquinas identifiquen

distintos tipos de objetos. Con frecuencia la ID Automática se asocia con la

captura automática de datos, Es decir, que las empresas desean identificar

objetos, captar información acerca de los mismos y de alguna manera

introducir esta información en una computadora sin tener que recurrir a que los

empleados tengan que hacerlo manualmente mediante un teclado. El objetivo

de la mayoría de los sistemas de Auto ID es el aumentar la eficiencia, disminuir

los errores en la introducción de la información y el liberar al personal para que

pueda realizar labores con mayor valor agregado, como ser ofreciendo

servicios al cliente. Existe una variedad de tecnologías que se agrupan bajo el

término de la Auto ID. Estas incluyen los códigos de barras, las tarjetas

inteligentes, los sistemas de reconocimiento de voz, algunas tecnologías

biométricas (Ej. Escaneos de Retina), reconocimiento óptico de caracteres

(OCR) y la identificación por radio frecuencia (RFID). (Nauwelaers, 2011)

3.1.2 Que es RFID: La Identificación por radio frecuencia o RFID, es un

término genérico para definir tecnologías que emplean ondas radiales para

identificar de manera automática a personas u objetos. Existen varios métodos

de identificación, pero el más común es el almacenar un número de serie que

identifica a una persona o a un objeto, y tal vez otra información, en un

microchip que se anexa a una antena (el microchip y la antena en conjunto se

denominan transponedor de RFID o etiqueta de RFID). La antena permite que

el microcircuito transmita la información de identificación a un lector. El lector

convierte las ondas radiales emitidas por la etiqueta RFID en información digital

que puede ser pasada a computadoras que la pueden usar. (Nauwelaers,

2011)

12

3.1.3 Cómo funciona: El funcionamiento de esta tecnología se basa en la señal

de radio que genera la etiqueta RFID, en la que previamente se han grabado

los datos identificativos del objeto al que está adherida. Un lector físico se

encarga de recibir esta señal, transformarla en datos y transmitir dicha

información a la aplicación informática específica que gestiona RFID

(denominada middleware). Los componentes que participan en la tecnología

RFID son cuatro: las etiquetas, los lectores, el software que procesa la

información y los programadores.

3.1.4 Lector/ Escritor RFID: Encarga de recibir la información emitida por las

etiquetas y transferirla al middleware o subsistema de procesamiento de datos.

Las partes del lector son: antena, transceptor y decodificador. Algunos lectores

incorporan un módulo programador que les permite escribir información en las

etiquetas, si éstas permiten la escritura. (INTECO, 2012)

Figura 1. Lector/Escritor RFID [1]

Fuente: INTESCE(Ingenieria-tenenologia-segurida)

13

3.1.5 Etiqueta RFID: Permite almacenar y enviar información a un lector a

través de ondas de radio. Coloquialmente suelen denominarse tags – que es el

término en inglés – aunque también son conocidas como transpondedores

(esta denominación proviene de la fusión de las palabras transmitter

(transmisor) y responder (contestador). La etiqueta RFID está compuesta por

una antena, un transductor radio y un microchip (no presente en las versiones

de menor tamaño). La antena es la encargada de transmitir la información que

identifica la etiqueta. El transductor es el que convierte la información que

transmite la antena y el chip posee una memoria interna para almacenar el

número de identificación y en algunos casos datos adicionales. La capacidad

de esta memoria depende del modelo. En el caso de tags sin chip, la

información que se puede almacenar es bastante limitada (hasta 24 bits). Las

etiquetas actualmente tienen precios muy bajos y dimensiones de hasta 0,4

mm2 , por lo que están preparadas para su integración en todo tipo de objetos.

(INTECO, 2012)

3.1.6 Etiquetas RFID pasivas: No necesitan una fuente de alimentación interna,

son circuitos resonantes, ya que toda la energía que requieren se la suministra

el campo electromagnético creado por el lector, que se encarga de activar el

circuito integrado y alimentar el chip para que éste transmita una respuesta. En

este tipo de etiquetas, la antena debe estar diseñada para que pueda obtener

la energía necesaria para funcionar (INTECO, 2012)

Figura 2. Etiqueta pasiva RFID [2]

Fuente: Egomexico (tecnología de identificación por radio frecuencia)

14

El alcance de estas etiquetas varía dependiendo de muchos factores, como la

frecuencia de funcionamiento, o la antena que posean. Alcanzan distancias

entre unos pocos milímetros y otros de 6 a 7 metros. Al no tener una batería

interna, son las etiquetas de menor tamaño y a menudo se insertan en

pegatinas. Las etiquetas RFID pasivas son las etiquetas más económicas del

mercado. (INTECO, 2012)

3.1.7 Etiquetas RFID activas: Poseen una batería interna, con la que alimentan

sus circuitos y transmiten la respuesta al lector. Su cobertura de difusión es

mayor gracias a que poseen una batería propia, y su capacidad de

almacenamiento también es superior. Al transmitir señales más potentes, su

alcance es mejor y puede llegar a ser válido para su uso en entornos hostiles

como puede ser sumergido en agua o en zonas con mucha presencia de

metales. Estas etiquetas son mucho más confiables y seguras. (INTECO, 2012)

Figura 3. Etiqueta activas RFID [1]

Fuente: RFIDInsider(Tracking the RFID Industry)

15

Estas etiquetas también son las más caras del mercado y las de mayor

tamaño. El posible rango de cobertura efectivo de éstas puede llegar a ser

varios cientos de metros (dependiendo de sus características), y la vida útil de

sus baterías puede ser de hasta 10 años. (INTECO, 2012)

3.1.8 Etiquetas RFID semi-pasivas: Este tipo de etiquetas posee una mezcla

de características de los dos tipos anteriores. Por una lado, activa el chip

utilizando una batería (como las etiquetas RFID activas) pero por otro, la

energía que necesita para comunicarse con el lector, se la envía el propio

lector en sus ondas de radio que al ser captadas por la antena de la etiqueta,

aportan suficiente energía para la emisión de la información (como las

etiquetas RFID pasivas). Etiqueta activa son más grandes y más caras que las

etiquetas pasivas (ya que disponen de una batería) y más baratas y pequeñas

que las activas. Sus capacidades de comunicación son mejores que las

pasivas aunque no alcanzan a las activas en estas características. Según la

frecuencia a la que trabajen Dependiendo de la frecuencia de operación, las

etiquetas se pueden clasificar en baja, alta, ultra alta frecuencia y microondas.

La frecuencia de operación determina aspectos de la etiqueta como la

capacidad de transmisión de datos, la velocidad y tiempo de lectura de éstos, el

radio de cobertura y el coste de la etiqueta. (INTECO, 2012)

Figura 4. Funcionamiento general de un sistema.

Fuente: Trilobit(Multiple Access and anti-collision solutions).

16

3.1.9 Frecuencias RFID: Trabaja a diferentes frecuencias, con características

que las hacen más útiles para distintas aplicaciones. Por ejemplo, las etiquetas

de baja frecuencia utilizan un menor consumo de energía y mejor eficiencia en

materiales no metálicas. Son ideales para escanear objetos con un alto

contenido de agua, como la fruta, pero su distancia de lectura se limita a menos

de tres pies (1 metro). Las etiquetas de frecuencia alta funcionan tienen una

mejor eficiencia con objetos metálicos y pueden funcionar con objetos con alto

contenido de agua. Tienen un área máxima de lectura de aproximadamente

tres pies (1 metro). Las frecuencias UHF ofrecen de manera característica

mayores distancias de lectura y pueden transmitir la información más

rápidamente que las frecuencias bajas y altas. Pero utilizan más energía y

tienen menos probabilidades de atravesar distintos materiales. Debido a que

tienden a ser más "dirigidas" requieren una ruta despejada entre la etiqueta y el

lector. Las etiquetas de UHF pueden ser mejores para escanear cajas de

mercancías conforme pasan por una puerta de recepción en un almacén.

(VÍCTOR JOSÉ ACEVEDO DURÁN, 2014)

3.1.10 Beneficios de la tecnología RFID: La tecnología RFID se ha dirigido

principalmente al sector logístico (almacenamiento, distribución, etc.) y al sector

de la defensa y seguridad, La tecnología RFID guía sobre seguridad y

privacidad de la tecnología RFID da los beneficios que proporciona se

extienden a otros campos relacionados con la identificación de procesos:

Permite un gran volumen de almacenamiento de datos mediante un

mecanismo de reducidas proporciones.

Automatiza los procesos para mantener la trazabilidad y permite incluir

una mayor cantidad de información a la etiqueta, reduciendo así los

errores humanos.

Facilita la ocultación y colocación de las etiquetas en los productos (en

el caso de las etiquetas pasivas) para evitar su visibilidad en caso de

intento de robo.

Permite almacenar datos sin tener contacto directo con las etiquetas.

17

Asegura el funcionamiento en el caso de sufrir condiciones adversas

(suciedad, humedad, temperaturas elevadas, etc.).

Reduce los costes operativos ya que las operaciones de escaneo no son

necesarias para identificar los productos que dispongan de esta

tecnología.

Identifica unívocamente los productos.

Posibilita la actualización sencilla de la información almacenada en la

etiqueta en el caso de que ésta sea de lectura/escritura.

Mayor facilidad de retirada de un determinado producto del mercado en

caso de que se manifieste un peligro para la seguridad.

Posibilita la reescritura para así añadir y eliminar información las veces

deseadas en el caso de que la etiqueta sea de lectura/escritura (a

diferencia del código de barras que sólo se puede escribir una vez).

(VÍCTOR JOSÉ ACEVEDO DURÁN, 2014)

3.1.11 Aplicaciones en sitios: El tipo de tecnología, que se ha descrito, se

implementa en aplicaciones como las tarjetas identificadoras sin contacto y los

inmovilizadores de vehículos, además de algunas nuevas aplicaciones y otras

que se prevén para el futuro. Una de las aplicaciones, con más futuro, son las

etiquetas identificadoras que, poco a poco, sustituirán en muchos casos a las

típicas etiquetas de códigos de barras, y se pueden usar para identificar envíos

de cartas o paquetes en correos o agencias de transporte, también existen

chips identificadores de animales como ejemplos.

Una aplicación que está a punto de ponerse en marcha es la identificación de

los equipajes aéreos. Esto permitiría identificar y encauzar automáticamente los

equipajes y evitaría muchos inconvenientes y extravíos de equipajes que tantos

problemas causas a los viajeros y a las compañías aéreas..

. A los transponders se les puede añadir entradas lectoras del estado de

sensores o de interruptores, con lo que se podrían usar como sensores

remotos. Otras aplicaciones posibles son: inventario automático, control de

18

fabricación, identificación de mercancías, distribución automática de productos,

logística, sistemas antisecuestro y localización de documentos. (VÍCTOR JOSÉ

ACEVEDO DURÁN, 2014)

Figura 5.Frecuencias de trabaja para sistemas RFID[3]

Fuente: Kimaldi (Area de conocimiento RFID)

3.2 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Espectro electromagnético. Desde la época de Maxwell hasta nuestros días se

ha producido un gran avance en los conocimientos relacionados con las ondas

electromagnéticas. De manera que en la actualidad sabemos que existen

varios tipos de estas ondas; las cuales, a pesar de ser todas de la misma

naturaleza (constituidas por los campos 𝐸 𝑦𝐵 que oscilan en el tiempo y se

propagan en el espacio). Presentan en ocasiones características muy

19

diferentes. En general, los diversos tipos de ondas electromagnéticas difieren

en el valor de sus frecuencias, y también por la forma en que se producen, el

conjunto de todos estos tipos de ondas o radiaciones se denomina espectro

electromagnético.. (Spaces.com, 2010)

Figura 6. Espectro Electromagnético

Fuente: Batanga (Ciencia y tecnologia)

3.2.1 Ondas de radio: En el espectro vemos que las ondas electromagnéticas

que presentan las frecuencias más bajas son las ondas de radio. Reciben esta

denominación por ser las que emplean las estaciones de radiocomunicación o

radiodifusión para realizar sus transmisiones. En toda estación de radio existen

circuitos eléctricos especiales que provocan la oscilación de electrones en la

antena emisora. Por tanto tales electrones son acelerados en forma continua, y

por ello, emiten las ondas de radio que transportan los mensajes de una

estación. Las ondas electromagnéticas que emplean las emisoras de televisión

tienen las mismas características que las radioondas, pero, sus frecuencias son

más elevadas que las normalmente utilizadas por las emisoras de radio.

Microondas. (Spaces.com, 2010)

20

3.2.2 Antena: La antena es el dispositivo físico que sirve de interfaz entre las

ondas electromagnéticas guiadas por el espacio libre o el aire. La antena debe

transferir la máxima cantidad de energía desde el cable o guía-onda

procedente del transmisor hacia la dirección donde se encontrará la estación

receptora correspondiente. Para ello, la impedancia característica de la antena

debe acoplarse a la impedancia del cable o guía de onda a la cual está

conectada. Los cables coaxiales se producen con impedancias de 50 o 75

ohmios. En televisión se utiliza frecuentemente el valor de 75 ohmios, pero en

todas las demás aplicaciones el valor predominante es de 50 ohmios. Cuando

la impedancia de la antena es diferente a la de la guía-onda o cable que la

alimenta, parte de la energía entregada a la antena se reflejará hacia el

alimentador donde puede inclusive causar daños en el transmisor.

(Pietrosemoli, 2007)

3.2.3 Ganancia de la antena : Definimos a la ganancia de una antena dada

como el cociente entre la cantidad de energía irradiada en la dirección

preferencial y la que irradiaría una antena isotrópica alimentada por el mismo

transmisor. Este número lo expresamos en decibelios con relación a la

isotrópica y por ende se denota en dBi . (Pietrosemoli, 2007)

3.2.4 Diagrama de radiación: El diagrama de radiación es una gráfica de la

potencia de la señal trasmitida en función del ángulo espacial, en ellos

podemos apreciar la ubicación de los lóbulos laterales y traseros, los puntos en

los cuales no se irradia potencia (NULOS) y adicionalmente los puntos de

media potencia. Los diagramas de radiación son volúmenes y como tal se

representan en forma tridimensional, en la siguiente figura podemos ver dos

diagramas de radiación, en la misma observamos que se ha representado la

intensidad mínima por el color azul y la máxima con el color rojo. [5]

21

Figura 7. Diagrama de radiación [5]

Fuente UPV (Universidad Politecnica de Valencia)

3.2.5 Polarizacion de la antena: Una onda electromagnética está formada por

campos eléctricos y magnéticos íntimamente ligados que se propagan en el

espacio. La dirección del campo eléctrico se corresponde con la polarización de

esta onda. (Pietrosemoli, 2007)

3.2.6 Perdidas de retorno: La pérdida de retorno es una forma de expresar la

desadaptación de impedancias. Es una medida logarítmica expresada en dB,

que compara la potencia reflejada por la antena con la potencia entregada por

el transmisor. Siempre existe cierta cantidad de energía que va ser reflejada

hacia el transmisor. (Pietrosemoli, 2007)

( 𝐵)

3.2.7 Ancho de banda: El ancho de banda de una antena es el rango de

frecuencias en el cual la misma puede operar satisfaciendo ciertos criterio,

como por ejemplo la gama de frecuencias para la cual la antena va a tener una

Razón de Onda Estacionaria (SWVR) menor que 2:1. (Pietrosemoli, 2007)

22

3.2.9. Antena MicroStrip: Su uso tiene un gran auge en aeronáutica, aviación,

satélites, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas en general.

Algunas de las ventajas son la tendencia a la miniaturización, fáciles de adaptar

con circuitos integrados de microondas, Entre las principales desventajas de

este tipo de antenas se pueden nombrar: baja potencia de radiación, baja

eficiencia, ancho de banda angosto, considerables pérdidas y son fácilmente

afectadas por el factor térmico. (Hernandez, 2010)

3.3. CONDICIONES DE FRONTERAS

3.3.1 Condiciones de fronteras en conductores

Considerando el vector intensidad de campo eléctrico. En la frontera entre dos

Medios diferentes, podemos descomponer el campo eléctrico total E en una

componente tangente a la superficie de la frontera,, y en una componente

normal a la superficie dela frontera. (Buck, 2007)

Figura 8. Diagrama de condiciones de frontera [5]

Fuente libro : Teoría electromagnética

Dando las siguientes condiciones para determinar el campo eléctrico

𝐸

𝐸

23

3.3.2 Condiciones de fronteras en dieléctricos

Las condiciones que se imponen en la superficie de un conductor en la cual los

campos tangenciales son cero y la componente normal de la densidad de flujo

eléctrico es igual a la densidad superficial de carga del conductor. (Buck, 2007)

Figura 9. Condiciones de frontera en dieléctricos

Fuente libro : Teoría electromagnética

Dando las siguientes condiciones para determinar el campo eléctrico

𝐸 𝐸

3.4. METALES

Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman

parte de las rocas. Por ejemplo, el metal hierro se extrae de minerales de hierro

como la magnetita o la siderita. Los minerales, que se extraen de las minas.

3.4.1 Permitividad eléctrica: La permitividad eléctrica del medio e (o

impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe

cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del

vacío es 8,8541878176x10-12 F/m. La permitividad está determinada por la

24

tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico

y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Está

directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. (Nordberg, 2010)

3.4.2 Permeabilidad magnética: La permeabilidad es la capacidad de un

material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se

afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad

apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido

es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende

de tres factores básicos: (RECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGÜEZ)

la porosidad del material

la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura

la presión a que está sometido el fluido.

3.4.3 Conductividad eléctrica: Es una medida de la capacidad de una solución

acuosa para transmitir una corriente eléctrica y es igual al recíproco de la

resistividad de la solución. Dicha capacidad depende de la presencia de iones;

de su concentración, movilidad y valencia, y de la temperatura ambiental. Las

soluciones de la mayoría de los compuestos inorgánicos (ej. aniones de

cloruro, nitrato, sulfato y fosfato) son relativamente buenos conductores. Por el

contrario, moléculas de compuestos orgánicos que no se disocian en

soluciones acuosas (ej. aceites, fenoles, alcoholes y azúcares) son pobres

conductores de una corriente eléctrica. La conductancia (G, recíproco de

resistencia R) de una solución se mide utilizando dos electrodos químicamente

inertes y fijos espacialmente. La conductancia de una solución es directamente

proporcional al área superficial del electrodo A, (cm2) , e inversamente

proporcional a distancia entre los electrodos L, (cm). La constante de

proporcionalidad, k (conductividad) es una propiedad característica de la

solución localizada entre dos electrodos. (RECINTO UNIVERSITARIO DE

MAYAGÜEZ)

3.4.5 Materiales ferrosos y no ferrosos: Los materiales férricos son aquellos

que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero Los aceros

25

son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades

apreciables de otros elementos de aleación. estas aleaciones son las. Los

metales no ferroso El cinc, poco alterable, se utiliza para los canalones y las

cubiertas de las casas.

Figura 10 . Clasificación de metales Ferroso y no Ferrosos

Fuente: UN (Universidad Nacional de Colmbia)

3.5 BLINDAJE EMI

3.5.1 Concepto EMI: Son el resultado del acoplamiento de: campos eléctricos

(capacitivos), campos magnéticos (inductivos) y campos electromagnéticos

(radiación) sobre un conductor o conjunto de conductores. (Sigler, 2012)

3.5.2 Protección contra EMI: La protección se realiza mediante blindajes o

pantallas metálicas superficie metálica que separa dos regiones. (Sigler, 2012)

5.5.3 Efectividad del blindaje EMI depende de

La frecuencia

La geometría del campo

La posición de la medida y el tipo del campo

La polarización y la dirección de la incidencia.

26

Figura 11. Cinta de blindaje EMI

Fuente Desplam(Displam wholesale)

3.6 MUMETAL

Mu-metal es una aleación de níquel-hierro (aproximadamente 75% de níquel,

15% de hierro, además de cobre ) con una permeabilidad relativa

magnética muy alta. La alta permeabilidad hace al mu-metal muy eficaz en la

detección de campos magnéticos estáticos o de baja frecuencia, que no puede

ser atenuada por otros métodos

Se utiliza principalmente en los campos de baja intensidad, brindando

atenuaciones más altas, en alta permeabilidad inicial μ (Mu) consiguiendo la

mas alta eficiencia del blindaje. Representado por la letra 12ª letra del alfabeto

griego μ (Mu) se utiliza en fórmulas para física e ingeniería con el fin de

representar la permeabilidad, es la capacidad de un material para apoyar la

formación, o absorción, de un campo magnético dentro de sí mismo. En otras

palabras, la permeabilidad (μ) es un valor que representa el grado de

magnetización obtenida en un material.

Mu-metal puede tener permeabilidades relativas de 80.000-100.000 en

comparación con los valores de 10.000-20.000 de los aceros sin aleaciones.

27

Además tiene baja coercitividad y magnetostricción lo que da como resultado

que las pérdida por histéresis sean bajas. Sus propiedades magnéticas son

similares a otras aleaciones de alta permeabilidad como Permalloy.

(MAGNETIC SHIELD CORPORATION, 2012)

Figura 12. Cinta de MuMetal

Fuente: Bioespacios(Hogares libres de radiación toxicas)

3.7 KIT TEXAS INSTRUMENTS RFID

3.7.1 Módulo RFID de TEXAS INSTRUMENTS MRD2EVM microreader: El

módulo Microreader está disponible como un módulo en línea (DIL) dual o un

dispositivo de montaje superficial (SMD), módulo que puede ser conectado a o

soldado a una placa de adaptador especificado en su aplicación. El Microlector

soporta comunicaciones de datos serie y USB entre un PC y etiquetas TI. El

Microlector soporta comunicaciones de datos TTL a través de su interfaz de

comunicaciones serie (SCI), permite comunicación con una interfaz utilizando

un controlador de comunicaciones adicional (por ejemplo, RS232 o RS422).

Además, soporta una interfaz de USB que requiere pocos componentes

externos. Para facilitar el acceso al puerto USB del PC, el lector se gestiona

como un puerto COM. El Microlector puede ser controlado de forma remota, ya

sea por la prestación de determinados insumos o con el correspondiente nivel

de voltaje, mediante el envío de comandos al SCI o USB. El Microlector puede

ser accionado ya sea con o sin sincronización. Dos salidas muestran el estado

lector e informar al usuario acerca de una exitosa ejecución del comando. El

28

Microlector soporta todas las etiquetas TI LF HDX disponibles. El voltaje de

alimentación puede variar entre 2,7 V y 5,5 V. (Texas Instrumets, 2015)

Figura 13. Microlector MRD2EVM de TEXAS INSTRUMENTS

Fuente: TI (Tools & Software for NFC / RFID)

3.7.2 Microlector LF 134kHz HDX RFID kit de evaluación: La placa de

evaluación microreader (RI-STU-MRD2) es un módulo de lectura basado en

USB completa que proporciona el hardware y el software para comunicarse con

baja frecuencia de TI (LF), half-duplex (HDX) y etiquetas avanzados para la

programación y puesta a punto después la fase de producción. La memoria

USB lector-grabador contiene el módulo RI-STU-MRD2 DIL, el cual está

montado sobre una placa de basada en la antena, con un conector USB y una

selección de transpondedores HDX LF TI. El RI-STU-MRD2 es compatible con

el módulo lector RISTU- MRD1 basada RS232. (Texas Instrumets, 2015)

Figura 14. Microlector LF 134kHz HDX RFID kit de evaluación [12]

Fuente: TI (Tools & Software for NFC / RFID)

29

3.7.3. Antena: El Microlector ha sido diseñado para su uso con una antena de

47-uH con un Q de 10 a 20 para generar la frecuencia de excitación de 134,2

kHz. Debido a la baja Q, el sistema no necesita ser sintonizado. (Texas

Instrumets, 2015)

3.7.4. Etiqueta RI-TRP-DR2B-30: Tipo de etiquetas de prueba ya que no se

puede encapsular información en ellas solo permiten leer la información que se

encapsulo desde el fabricante en ellas. (Texas Instrumets, 2015)

3.7.5. Etiqueta TRPGR30TGC: Tipo de etiquetas donde se puede leer y

escribir cierto tipo de información, tiene un espacio reducido para la

encapsulación de la información solo se puede leer o escribir por el tipo de

comunicación que maneja. (Texas Instrumets, 2015)

3.7.6. MPT 16/17: Etiqueta LF tienen la función de programar y albergar más

información que las etiquetas de solo lectura o etiquetas de lectura y escritura.

(Texas Instrumets, 2015)

3.7.7. HDX + (R/O industrial standard – aplications): Etiquetas utilizadas para

aplicaciones más específicas como inventario, además de tener la posibilidad

de escribir leer o programar albergando más información. [12]

El software fue diseñado por TEXAS INTRUMENTS con fin de aprendizaje

como es el funcionamiento de los sistemas RFID. (Texas Instrumets, 2015)

Figura 15. Etiquetas RFID de TEXAS INSTRUMETS [12]

Fuente: TI (Tools & Software for NFC / RFID)

30

3.7.8. Comunicación entre microlector y modulo RFID de TI: La comunicación

entre el anfitrión y el lector se realiza ya sea por el puerto serie o el puerto

USB. Ambos puertos pueden aceptar comandos. La respuesta se envía al

puerto del que se recibió el comando. El puerto USB se configura como CDC

(Comunicación clase de dispositivo). Si está conectado a un PC, se requiere un

archivo INF el cual se puede descargar desde el producto Microlector en la

página web de TI. La transferencia de datos se realiza en un formato binario.

Sin caracteres ASCII. Por lo tanto, el uso del retorno de carro ASCII (CR) o

avance de línea (LF) para la terminación de comandos no es posible. El lector

asume un comando como terminado si no se recibe el número de bytes

especificado s después del byte inicial 0x01, o si hay nuevo byte es recibido por

10 ms.El Microreader puede procesar diferentes protocolos de comunicación:

Se puede interpretar el protocolo definido para el anterior Microreader RI-STU-

MRD1 sin restricciones. Este protocolo se conoce como Legado Protocolo

Microreader (LMP). Sobre la base de este protocolo, las expansiones se

definen para soportar nuevas funcionalidades. (Texas Instrumets, 2015)

3.8. ARDUINO

3.8.1. Arduino Leonardo: El Arduino Leonardo es una placa electronica basada

en el ATmega32u4 (ficha técnica). Cuenta con 20 pines digitales de entrada /

salida (de los cuales 7 se pueden utilizar como salidas PWM y 12 entradas

como analógicas), un 16 MH zoscilador de cristal, una conexión micro USB, un

conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio. Contiene

todo lo necesario para apoyar el microcontrolador; simplemente conectarlo a un

ordenador con un cable USB o el poder con un adaptador de CA o la batería a

CC para empezar. El Leonardo difiere de todas las placas anteriores en que

el ATmega32u4 ha incorporado en la comunicación USB, eliminando la

necesidad de un procesador secundario. (Arduino, 2015)

31

Figura 16. Arduino Leonardo

Fuente:Arduino (Pag WEB Arduino)

3.8.2. Módulo lector RFID-RC522 RF: El módulo utiliza 3.3V como voltaje de

alimentación y se controla a través del protocolo SPI, así como el protocolo

UART, por lo que es compatible con casi cualquier micro controlador, Arduino o

tarjeta de desarrollo. El RC522 utiliza un sistema avanzado de modulación y

demodulación para todo tipo de dispositivos pasivos de 13.56Mhz. Como se

hará una lectura y escritura de la tarjeta, es necesario conocer las

características de los bloques de memoria una tarjeta: La tarjeta que viene con

el módulo RFID cuenta con 64 bloques de memoria (0-63) donde se hace

lectura y/o escritura. Cada bloque de memoria tiene la capacidad de almacenar

hasta 16 Bytes. El número de serie consiste de 5 valores hexadecimales, se

podría utilizar esto para hacer una operación dependiendo del número de

serie. (Arduino, 2015)

32

Figura 17. Módulo lector RFID-RC522 de Arduino

Fuente:Arduino (Pag WEB Arduino)

3.8.3 Etiqueta ISO/IEC 14443 Tipo B: Estándar internacional de cuatro partes

para tarjetas inteligentes sin contacto que funciona a 13,56 MHz en estrecha

proximidad con una antena de lector. Proximidad integrado de una Tarjetas de

Circuito (PICC) tienen la intención de operar dentro de aproximadamente 10 cm

del lector antena.

Parte 1 [ISO / IEC 14443 a 1: 2000 (E)] define las características de tamaño y

físicas de la tarjeta. También enumera varias tensiones ambientales que la

tarjeta debe ser capaz de soportar sin daño permanente a la funcionalidad.

Estas pruebas están destinadas a realizar en el nivel de la tarjeta y son

dependientes de la construcción de la tarjeta y en el diseño de la antena; la

mayoría de los requisitos no se puede traducir fácilmente al nivel dado. El

rango de temperatura de funcionamiento de la tarjeta se especifica en la Parte

1 como Rango de temperatura ambiente de 0 ° C a 50 ° C.

33

Parte 2 [ISO / IEC 14.443-2: 2001 (E)] define la interfaz de potencia de RF y la

señal. Dos esquemas de señalización, tipo A y tipo B, se definen en la parte 2.

Tanto la comunicación esquemas son medio dúplex con una kbit 106 por

segundo de velocidad de datos en cada dirección. Dato transmitido por la

tarjeta se carga modulada con una subportadora 847,5 kHz. La tarjeta es

alimentada por el campo de RF y no se requiere de la batería.

Parte 3 [ISO / IEC 14443-3: 2001 (E)] define los protocolos de inicialización y

anticolisión Los comandos de anticolisión Tipo A y Tipo B., respuestas, trama

de datos, y tiempo se definen en la Parte 3. El esquema de inicialización y

anticolisión está diseñado para permitir la construcción de los lectores

multiprotocolo capaces de comunicación con ambos Tipo A y Tipo B tarjetas.

Ambos tipos de tarjetas de esperar en silencio en el campo por un sondeo

comandos. Un lector multi-protocolo sería sondear un tipo de tarjeta, completar

cualquier transacciones con tarjetas de responder, y luego sondear para el otro

tipo de tarjeta y realizar transacciones con ellos. (Arduino, 2015)

Figura 18 . Etiqueta ISO/IEC 14443 tipo B [14]

Fuente:Arduino (Pag WEB Arduino)

34

3.8.4. Protocolo SPI: SPI es un bus de tres líneas, sobre el cual se transmiten

paquetes de información de 8 bits. Cada una de estas tres líneas porta la

información entre los diferentes dispositivos conectados al bus. Cada

dispositivo conectado al bus puede actuar como transmisor y receptor al mismo

tiempo, por lo que este tipo de comunicación serial es full duplex. Dos de estas

líneas trasfieren los datos (una en cada dirección) y la tercer línea es la del

reloj. Algunos dispositivos solo pueden ser transmisores y otros solo

receptores, generalmente un dispositivo que tramite datos también puede

recibir. Un ejemplo podría ser un memoria EEPROM, el cual es un dispositivo

que puede transmitir y recibir información. Los dispositivos conectados al bus

son definidos como maestros y esclavos. Un maestro es aquel que inicia la

transferencia de información sobre el bus y genera las señales de reloj y

control. Un esclavo es un dispositivo controlado por el maestro. Cada esclavo

es controlado sobre el bus a través de una línea selectora llamada Chip Select

o Select Slave, por lo tanto es esclavo es activado solo cuando esta línea es

seleccionada. Generalmente una línea de selección es dedicada para cada

esclavo.

En un tiempo determinado T1, solo podrá existir un maestro sobre el bus.

Cualquier dispositivo esclavo que no esté seleccionado, debe deshabilitarse

(ponerlo en alta impedancia) a través de la línea selectora (chip select).El bus

SPI emplea un simple registro de desplazamiento para transmitir la

información. ( Ingeniería en Microcontroladores, 2014)

3.9 MATLAB

MatLab es un programa interactivo para computación numérica y visualización

de datos. Permite resolver complicados problemas numéricos sin necesidad de

escribir un programa. MATLAB es un entorno de computación y desarrollo de

aplicaciones totalmente integrado orientado para llevar a cabo proyectos en

donde se encuentren implicados elevados cálculos matemáticos y la

visualización gráfica de los mismos. MATLAB integra análisis numérico, cálculo

35

matricial, proceso de señal y visualización gráfica en un entorno completo

donde los problemas y sus soluciones son expresados del mismo modo en que

se escribirían tradicionalmente, sin necesidad de hacer uso de la programación

tradicional. MATLAB se ha convertido en una herramienta básica, tanto para

los profesionales e investigadores de centros docentes, como una importante

herramienta para la impartición de cursos universitarios, tales como sistemas e

ingenieria de control, álgebra lineal, proceso digital de imagen, señal, etc. En el

mundo industrial, MATLAB está siendo utilizado como herramienta de

investigación para la resolución de complejos problemas planteados en la

realización y aplicación de modelos matemáticos en ingeniería. (UniAndes,

2015)

3.10 HFSS:

Es un sotfaware de alto rendimiento de ondas electromagnética (EM) y

simulador de campo para la volumétrica 3D y modelando dispositivo que

aprovecha de la interfaz gráfica de usuario de Microsoft Windows. Se integra la

simulación, visualización, modelado de sólidos, y la automatización en un

entorno fácil de aprender donde con rapidez y precisión se obtienen soluciones

a sus problemas 3D EM. Ansoft HFSS emplea el Método de Elementos Finitos

(FEM), llamado adaptativo, y gráficos brillantes para darle un rendimiento sin

precedentes y una visión de la totalidad de su Problemas 3D EM. Ansoft HFSS

se puede utilizar para calcular parámetros tales como SParameters, Frecuencia

Resonante y campos. (ANSYS, 2015)

3.11 XWIX:

Es una plataforma para la creación de sitios web gratis. La cual ayuda a los

usuarios a crear páginas web de apariencia profesional las cuales pueden ser

actualizadas y editadas fácilmente. No se requieren conocimientos técnicos y

los sitios son 100% compatible con los motores de búsqueda. (XWIX, 2015)

36

4. DESARROLLO

4.1. DESCRIPCION GENERAL

El sistema está compuesto por etiquetas RFID que trabajan en frecuencias

UHF. Se utilizó láminas de material metálicos las cuales generan

interferencias en las ondas electromagnéticas, lo cual impide la trasmisión de

datos. A través del estudio se determinó que se debe incorporar una lámina de

ferrita (Shih-Kang Kuo, 2011), la cual tiene como función principal disminuir las

interferencias electromagnéticas generadas en la lámina metálica

(Ledchumikanthan, 2007), generadas por las ondas electromagnéticas radiadas

por la antena del Lector/Escritor RFID.

La información que se encuentra encapsulada en las etiquetas es leído por un

lector/escritor RFID, que para este caso se empleó un módulo lector RFID-

RC522 de ARDUINO, el cual transmite a través del protocolo SPI, los datos

son leídos analógicamente por ondas de radio frecuencia, que a su vez estas

ondas son procesadas por el microcontrolador del dispositivo RC522, este

microcontrolador realiza una conversión análoga digital y los envía

posteriormente a la tarjeta de desarrollo ARDUINO LEONARDO, al obtener

estos datos, se diseñó los algoritmos, para poder visualizar los datos en el

Visual Serial de ARDUINO. Con estos datos se diseñó otro algoritmo en

MATLAB para la transferencia de datos desde el visual Serial de ARDUINO a

MATLAB, generándose dentro del algoritmo en MATLAB un comando para la

importación de datos a un documento en Excel, esto con la finalidad de generar

un mejor manejo de la información.

Al tener la información en Excel, se importaron los datos a un aplicativo WEB el

cual se hace con la finalidad de poder visualizar los datos desde cualquier

lugar en el que se tenga acceso a la Red.

37

Figura 19 . Diagrama general del proyecto

Fuente: El autor

4.2. SITEMA DE TEXAS RFID EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO

4.2.1 Pruebas TI: Se realizaron las pruebas con el Microlector de TI,

comprobando que todos los sistemas RFID, estuvieran en correcto

funcionamiento, estas pruebas se determinaron teniendo en cuenta los

parámetros dados por el fabricante con principios básicos de operación, las

cuales se ejecutaron en el momento de hacer las pruebas. Como se ve en el

diagrama de bloques se da a conocer el principio básico del sistema de

funcionamiento RFID de TI.

38

Figura 20. Funcionamiento RFID de TI

Fuente: El autor

Se consiguió la trasmisión de datos entre los sistemas RFID de TI y el PC

esto con el fin de comprobar que la información de trasmisión de los datos se

estuviera realizando correctamente antes de generar la prueba con metales.

4.2.2. Sotfware RFID de TEXAS INSTRUMETS: El sistema RFID de TI,

proporciona un software en el cual es posible lograr las diferentes

configuraciones de las etiquetas RFID, esto da facilidad de encapsular la

información, a través de datos binarios y del protocolo de comunicación

proporcionados por TI tales como Setup Mode Protocol (SM).

39

Figura 21. Software proporcionado por TI

Fuente: Software Texas Instruments

Se realizaron las pruebas comprobando que el sistema estuviera en correcto

funcionamiento, realizando las diferentes configuraciones al lector RFID, para

la captura de información en las etiquetas, logrando la trasmisión de datos y de

esta manera se realizaran las pruebas con materiales metálicos con el fin de

generar las interferencias en las señales de radio frecuencia.

4.3. SITEMA RFID DE ARDUINO EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO

4.3.1. Trasmisión de datos RFID a través de tarjeta ARDUINO: Se realizó la

conexión de la tarjeta ARDUINO LEONARDO, a la tarjeta RFID MF522 /

RC522 RFID, la cual trabaja a una frecuencia de 13.56 MHz, que se encuentra

en la banda de frecuencia UHF (alta frecuencia), se instalaron las diferentes

bibliotecas que proporciona ARDUINO, para el manejo de tarjetas RFID y se

desarrolló el algoritmo para la transferencia de datos desde la la etiqueta al

lector y desde el lector a la tarjeta de desarrollo.

40

Figura 22. Funcionamiento MF522 / RC522 RFID de Arduino

Fuente: El Autor

Este algoritmo muestra el proceso que se sigue para enviar y recibir

información desde el PC hasta las etiquetas iso / iec 14443. Esta información

se envía de la etiqueta RFID al lector de ARDUINO, el cual se puede observar

en el Visual Serial de ARDUINO, dando la posibilidad de corroborar la

trasmisión de datos.

4.4. PRUEBAS CON LÁMINAS METÁLICAS

Se adquirieron 5 láminas metálicas de diferentes materiales.

Hierro

Acero

Acero galvanizado

41

Acero call roll

Aluminio

Se realizaron pruebas con los diferentes tipos de etiquetas en cada uno de los

metales que se adquirieron, con el fin de analizar el comportamiento de las

etiquetas RFID sobre las láminas metálicas.

4.4.1. Trasmisión de datos de etiquetas TI y láminas metálicas: Las pruebas

se realizaron variando posición del lector con respecto a la etiqueta y la

distancia del Microlector y las etiquetas, con el fin de aumentar la probabilidad

de que el lector pudiera captar algún tipo de señal. Las etiquetas se

posicionaron sobre la lámina metálica y el lector/escritor ubicado

perpendicularmente a la etiqueta, realizando pulsos de trasmisión y observando

su comportamiento.

Figura 23. Equipos TI con láminas metálicas

Fuente: El Autor

Etiquetas RFID

Lámina metálica

Lector/Escritor RFID

42

Tabla 1. Transmisión de datos TI y láminas metálica

MATERIAL

ETIQUETA TEXAS

INSTRUMENTS

HIERRO ACERO

ACERO

GALVA-

NIZADO

ACERO

CALL

ROLL

ALUMINIO

SOLO LECTURA Falla Falla Falla Falla Falla

LECTURA /ESCRITURA Falla Falla Falla Falla Falla

MPT 16/17 Falla Falla Falla Falla Falla

HDX Falla Falla Falla Falla Falla

Fuente: El Autor

Como se puede evidenciar en la tabla, se realizó la trasmisión de datos con

cada una de las etiquetas y con las diferentes laminas metálicas, en la cual se

puede evidenciar que en las tres etiquetas (Solo lectura, Lectura/Escritura,

MPT 16/17) la transmisión fue fallida esto significa que en el momento en el

que las etiquetas se encontraban cerca da las láminas metálicas sin importar

la posición, la trasmisión era errónea. Para que la trasmisión de datos de las

etiquetas al lector se afectara, estas debían estar separadas por los menos a

3cm de los metales, de esta manera el software mostraba la trasmisión de

datos entre lector y etiqueta

4.4.2. Etiqueta ARDUINO con diferentes materiales: Se situó la etiqueta RFID

sobre cada uno de los materiales

Acero

Acero galvanizado

Acero call roll

Aluminio

Se realizaron las diferentes pruebas, situando las etiquetas iso / iec 14443 de

13,56 MHz, por debajo de las diferentes laminas metálicas, se realizaron

43

pruebas modificando la posición del lector/escritor de Arduino con respecto a

la etiqueta y demás variaciones que se pudieran realizar para lograr la

trasmisión de datos.

Figura 24. Equipos Arduino con láminas metálicas

Fuente: El Autor

Tabla 2. Transmisión de datos ARDUINO a láminas metálica

MATERIAL

ETIQUETA ARDUINOHIERRO ACERO

ACERO

GALVANIZADO

ACERO

CALL ROLLALUMINIO

ETIQUETA 13,4 MHz Falla Falla Falla Falla Falla

Fuente: El Autor

Como se evidenció en la tabla, la trasmisión de datos de la etiqueta iso / iec

14443 de 13,56 MHz, fue errónea en las variaciones físicas que se le

realizaron con los metales. En la trasmisión nunca se evidenció que los datos

de la etiqueta RFID llegaran a ser trasmitidas hasta el PC, dando como

referencia que las etiquetas no trabajan en ambientes hostiles necesitando

mejoras sobre la etiqueta para la transmisión de datos.

Lámina metálica

Lector/Escritor RFID

Etiquetas RFID

44

4.4.3. Análisis de la trasmisión de datos en etiquetas RFID con metales: La

toma de datos que se produjo en las etiquetas RFID con metales, arrojo

resultados nulos de trasmisión, ya que las probabilidades de trasmitir en las

etiquetas y los metales son muy bajas a causa de interferencias

electromagnéticas (Ledchumikanthan, 2007). Se evidencia que los materiales

con más alta conductividad como el acero y el hierro, producen mayores

interferencias, esto hace que la comunicación nunca sea posible en los

diferentes sistemas RFID que se tenían, tanto en TEXAS INSTRUMENT como

en ARDUINO,

4.5. SIMULACIÓN HFSS

Se sintonizo una antena en el programa HFSS, a una frecuencia de

13.1MHz y con pérdidas de retorno de -23.76 dB estos dos parámetros

permiten que la antena tenga una eficiencia de más del 97% permitiendo que la

antena tenga un óptimo desempeño. Se realizaron pruebas entre la antena y

las diferentes características físicas (Permitividad, Permeabilidad y

conductividad) de los diferentes materiales dados el programa HFSS para

lograr determinar el posible comportamiento de la antena RFID con tales

características.

Figura 25. Simulación de la antena en UHFSS

Fuente: (D.B. FerreiraI; A.F. Tinoco SalazarII; I. BianchiII; J.C. da S. LacavaII,

2012)

45

Se determinaron estas medidas para que la antena trabaje a una frecuencia

13.1MHz y con esta realizar las diferentes simulaciones.

4.5.1 Perdidas de retorno: Se realizó la simulación para calcular las pérdidas de

retorno que se encontraban en la antena y conocer cual era la verdadera

frecuencia a la que se encontraba trabajando.

Grafica 1. Perdidas de retorno Vs Frecuencia

Fuente: Software HFSS

Las pérdidas de retorno en la antena son de -23.89 dB a una frecuencia de

trabajo de 13.1 MHz, trabajando a la frecuencia del RC 522 (13.4MHz), en la

banda UHF que para efectos prácticos es ideal, al tener pérdidas de retorno

menores a -23.89 dB permitiendo potencia reflejada mínima y dando VSWR

DE +- 1.2:1 en el trabajo de la antena.

4.5.2 Antena acoplada a una lámina en HFSS : Se acoplo una lámina por el

lado posterior de la antena, dándole las medidas para que se ajustaran a la

antena, en este procesos se determinaron tres características químicas que se

podían variar en los materiales dados por el programa HFSS las cuales son

46

Permeabilidad magnética

Permitividad eléctrica

Conductividad eléctrica

Tabla 3.Tabla proporcionada por el programa HFSS con las diferentes características químicas de los materiales

Fuente: Software HFSS

Figura 26. Simulación de la antena con una lámina del programa [HFSS

Fuente: (D.B. FerreiraI; A.F. Tinoco SalazarII; I. BianchiII; J.C. da S. LacavaII,

2012)

47

Se ajustó una lámina en la antena por medio del programa HFSS con el fin de

conseguir una semejanza al montaje que se realizó físicamente, con esta

lámina se variaron las condiciones químicas para determinar que tanto

afectaba dichas condiciones al funcionamiento de la antena.

4.5.3 Pérdidas de retorno variando la permitividad: Se realizó la simulación

para calcular las pérdidas de retornos que se ENCUENTRAN en la antena

cuando dicha trabajara a una frecuencia de 13.1Mhz.

Grafica 2. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una

Permitividad Relativa de 1

Fuente: El Autor

Como se observa en la gráfica 2, la antena se encuentra trabajando a una

frecuencia de 13.1MHz, esta es la frecuencia a la que trabaja la etiqueta RC

522 (13.4MHz). La antena tiene unas pérdidas de retorno de -23.89 dB, esto

indica que la antena tiene una buena eficiencia.

48

Grafica 3. Perdidas de retorno cuando la lámina es de agua de mar con una Permitividad Relativa de 81

Fuente: El Autor

Como se observa en la gráfica 3, al aumentar la permitividad del medio en el

cual se está trasmitiendo, las pérdidas de retorno disminuyen muy poco. Para

esta simulación se asumió la permitividad más alta posible, la del agua de mar,

incluso en este escenario la antena sigue teniendo una trasmisión eficiente con

unas pérdidas de retorno de -18.32 dB.

Grafica 4. Perdidas de retorno variando la Permitividad Relativa

Fuente: El Autor

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-24

-23

-22

-21

-20

-19

-18Perdidas de retorno Vs Permtividad

Permtividad

Per

dida

s de

ret

orno

49

Como se ve en la gráfica 3 tiene un comportamiento en el cual sin importar cuál

sea la permitividad magnética relativa del medio en el que se está

transmitiendo, la antena tiene una buena eficiencia. El material con la

permitividad más alta que se encuentra en el software HFSS es la del agua de

mar. En el punto con menor permitividad magnética relativa las pérdidas de

retorno son de -23 dB teniendo una buena eficiencia en la antena. Si se

aumenta la permitividad magnética relativa hasta 20 se sigue teniendo

perdida de retorno por debajo de -20dB que para este caso sigue siendo ideal.

Al aumentar la permitividad de 10 en 10 las pérdidas de retorno no disminuyen

considerablemente manteniéndose en un rango que va desde -20dB hasta

-18dB la cual sigue siendo una trasmisión eficiente..

La ecuación que describe el comportamiento que hay, entre las pérdidas de

retorno y la permitividad magnética relativa del material que va desde 1 hasta

81

𝑦( )

Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las

pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material

4.5.4 Pérdidas de retorno variando la permeabilidad magnética: Se realizó la

simulación para calcular las pérdidas de retornos que se encontraban en la

antena cuando dicha trabajara a una frecuencia de 13.1Mhz

.

50

Grafica 5. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una Permeabilidad magnética relativa de 1

Fuente: El Autor

Como se observa en la gráfica 5, la antena se encuentra trabajando a una

frecuencia de 13.1MHz, esta es la frecuencia a la que trabaja la etiqueta RC

522 (13.4MHz). La antena tiene unas pérdidas de retorno de -23.89 dB, esto

indica que la antena tiene una buena eficiencia.

Grafica 6. Perdidas de retorno cuando la lámina es cobalto con una Permeabilidad magnética Relativa de 250

Fuente: El Autor

51

La grafica 6 muestra que al aumentar la permeabilidad del medio, en el cual se

está trasmitiendo, las pérdidas de retorno aumentan considerablemente. Para

esta simulación se utilizó la permeabilidad magnética relativa del cobalto, la

cual es de 250. Se observa entonces que al aumentar considerablemente la

permeabilidad magnética, las pérdidas de retorno aumentan también de forma

considerable, dando como resultado poca eficiencia en la antena. Las pérdidas

de retorno, para el caso de permeabilidad magnética relativa de 250.son de -

0.01 dB, imposibilitando entonces la transmisión de datos.

Grafica 7. Perdidas de retorno variando la Permeabilidad magnética Relativa

Fuente: El Autor

Como se ve en la gráfica 7, al amentar la permeabilidad magnética relativa a

más de 10, la trasmisión de la antena empieza a ser ineficiente. Luego de

aumentar la permeabilidad magnética relativa en múltiples pasos de 10, las

pérdidas de retorno seguían aumentando hasta llegar a una permeabilidad

magnética de 100 y se consiguió unas pérdidas de retorno de -6.98 dB que

para este caso es que la eficiencia sea nula impidiendo la trasmisión de datos.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6Perdidas de retorno Vs Permiabilidad

Permiabilidad

Per

dida

s de

reto

rno

52

Estas pérdidas de retorno son mayores debido a que al aumentar la

permitivildad del material la onda de radio freceucnia radiada por la antena se

ve ams afectada

Ecuación que describe el comportamiento que hay entre las pérdidas de

retorno y la permeabilidad magnética relativa del material que va desde 1

hasta 100

𝑦( )

Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las

pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material

4.5.5 Pérdidas de retorno variando la conductividad: Se realizó la simulación

para calcular las pérdidas de retornos que se encontraban en la antena

cuando dicha antena trabajara a una frecuencia de 13.1Mhz.

Grafica 8. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una conductividad de 0 Siemens/m

53

Fuente: El Autor

Como se observa en la gráfica 8, la antena se encuentra trabajando a una

frecuencia de 13.1MHz, esta es la frecuencia a la que trabaja la etiqueta RC

522 (13.4MHz). La antena tiene unas pérdidas de retorno de -23.89 dB, esto

indica que la antena tiene una buena eficiencia.

Grafica 9.Perdidas de retorno cuando la lámina un conductor ideal

Fuente: El Autor

La gráfica 9 muestra que al aumentar la conductividad eléctrica, del medio en el

que se está trasmitiendo, las pérdidas de retorno aumentan considerablemente.

Se realizó la simulación con la conductividad eléctrica de un conductor ideal, la

cual es infinita, obteniendo entonces que sus pérdidas de retorno son de 0.001.

Se observa entonces que la eficiencia de la antena con un conductor ideal es

nula, al aumentar un poco dicha conductividad las pérdidas de retorno

aumentan.

54

Grafica 10 Perdidas de retorno variando la conductividad del material

Fuente: El Autor

Como se ve en la gráfica 10, al aumentar la conductividad eléctrica a más de 4

Siemens/m la trasmisión de la antena empieza a ser ineficiente, al llegar a una

conductividad eléctrica de 100 Siemens/m, se corroboro que las pérdidas de

retorno son nulas para este caso; del orden de -0.48 dB.

La ecuación que describe el comportamiento que hay entre las pérdidas de

retorno y la conductividad eléctrica del material, de 1 a 100 Siemens/m es:

𝑦( )

Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las

pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-25

-20

-15

-10

-5

0

5Perdidas de retorno Vs Conductivada

Conductividad

Per

dida

s de

ret

orno

55

4.5.6 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija variaciones la

permeabilidad magnética

Grafica 11. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica del agua de mar y permeabilidad magnética relativa de 100

Fuente: El autor

Como se observa en la gráfica 11, al aumentar permeabilidad magnética

relativa a 100 y mantener la permitividad eléctrica relativa con un valor de 81

en el del medio en el cual se está trasmitiendo, arroja pérdidas de retorno de -

7.01 dB, Se realizaron las pruebas variando la permeabilidad magnética

relativa desde 5 hasta 200.

Grafica 12. Perdidas de retorno vs permeabilidad magnética variable

Fuente: El autor

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6Perdidas de retorno Vs Permeabilidad

Permeabilidad

Perd

idas

de re

torn

o

56

La gráfica 12 muestra que al aumentar la permeabilidad magnética relativa a

más de 40, la antena empieza a ser ineficiente, dicho comportamiento es

diferente al que se da cuando se tiene permitividad eléctrica relativa es de 81

y permeabilidad magnética relativa es de 1. Para este caso en específico las

pérdidas de retornos serán más altas a una permeabilidad magnética relativa a

más baja de la que arrojaría el mismo modelamiento si se realizara la

simulación con un material que tenga la permitividad eléctrica relativa de 1

𝑦( )

Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las

pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material.

4.5.7 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y variaciones en la

conductividad eléctrica.

Grafica 133. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y conductividad eléctrica fija.

FUENTE: El autor

57

Como se ve en la gráfica 13, al aumentar la conductividad eléctrica a 30

Siemens/m y mantener la permitividad eléctrica relativa en 81, las pérdidas de

retorno son de -3.54 dB Se realizaron las pruebas variando la conductividad

eléctrica de 5 a 30 Siemens/m.

Grafica 144.Perdidas de retorno vs conductividad variable

Fuente: El autor

Como se ve en la gráfica 14, al amentar la conductividad eléctrica a más de 12

Siemens/m la antena empieza a ser ineficiente, esto indica entonces que hay

un comportamiento diferente al que se tenía cuando la conductividad eléctrica

varia y la permeabilidad magnética es la del agua de mar. Para este caso las

pérdidas de retornos serán más altas a una conductividad eléctrica de la que

arrojaría el mismo modelamiento si se realizara la simulación con un material

que tenga la permitividad eléctrica relativa de 1.

𝑦( )

Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las

pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material.

5 10 15 20 25 30-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2Perdidas de retorno Vs Conductividad

conductividad

Perd

idas

de

reto

rno

58

4.5.8 Miniaturización de una antena microstrip para que trabaje a una

frecuencia de 13.1MHz: Se realizaron los diferentes cálculos para miniaturizar

una antena microstrip el parámetro que se varia es la permitividad del medio

para lograr las dimensiones. Se realizaron los cálculos para determinar las

medidas de una antena micro strep que trabaje a una frecuencia de 13.5MHz y

que tenga una permitividad del substrato de 63

Parámetros básicos para cálculo de las dimensiones de una antena

microsstip trabajando a una frecuencia de 13.56MHz

Calculando de parámetros para la longitud de W

√

√

Calculando de parámetros para la longitud de h

√

√

59

Calculando de parámetros para la longitud de L

√ (

)

√ (

)

(( ) ((

) )

( ) (( ) )

)

(

( )((

) )

( )((

) )

)

√

( )

Basado en los parámetros calculados se diseñó un vector en Matlab el cual

representaría la permitividad del substrato y con el fin de analizar que tanto

variaban las medidas dé la antena al variar la permitividad.

60

Grafica 155.Longitud de W variando la Permitividad

Fuente: El Autor

Grafica 166. Longitud de H variando la Permitividad

Fuente: El Autor

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

5000

10000

15000Permitividad Vs W

Permitividad

W(m

m)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

200

400

600

800

1000

1200

1400Permitividad Vs H

Permitividad

H(m

m)

61

Grafica 177. Longitud de L variando la Permitividad

Fuente: El Autor

Al variar la Permitividad del medio las medidas de la antena microstrip cambia y

a mayor permitividad menores son las medidas esto comportamiento se pudo

evidenciar en las tres longitudes debido a que todas estas longitudes están en

función de aquella permitividad.

4.5.9 Análisis determinar las condiciones para la trasmisión: Se logró

determinar que se necesitaba un material entre la etiqueta y la lámina

metálica para disminuir las interferencias electromagnéticas al mínimo, en las

simulaciones se muestra como es el comportamiento de las corrientes,

generadas en la lámina metálica y las pérdidas de retorno sobre la antena de la

etiqueta. Se determinó cuál era el material más apropiado para disminuir el

efecto producido por interferencias electromagnéticas , encontrándose que sus

principales características, eran una baja conductividad y una alta

permitiabilidad, igualmente se encontró que los materiales que cumplían con

estas especificaciones son los que tiene como base principal la ferrita.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000Permitividad Vs L

Permitividad

L(m

m)

62

4.6. CONDICIONES PARA REDUCIR INTERFERENCIA

ELECTROMAGNÉTICA:

Basado en las simulaciones y en la información encontrada, se determinó que

la permitividad y conductividad que poseen los materiales, son la

principal razón por la cual no se realiza la comunicación entre etiqueta y

lector, con esta información se estableció que la mejor manera

de disminuir estas corrientes, es a través de materiales metálico, constituidos

a base de ferrita con baja conductividad y alta permutabilidad, utilizados

especialmente para eliminar ruidos electromagnéticos.

4.6.1 Lamina de blindaje EMI: Se utilizó un blindaje EMI, el cual sirve como

agente disperso para las interferencias electromagnéticas, de esta manera

logrando trasmitir la información entre etiqueta y lector, la prueba se realizó

posicionando el blindaje EMI entre la etiqueta de TEXAS y ARDUINO y las

diferentes laminas metálicas, al enviar el pulso para la trasmisión de datos no

se logró la trasmisión de datos, se varió la distancia y el ángulo de inclinación

del lector con respecto a la etiqueta y no hubo trasmisión de datos, se

separaron las etiquetas unos centímetros de la lámina de blindaje EMI y si se

realizó la trasmisión de datos en todas las etiquetas, sin embargo el

comportamiento esperad, es que la trasmisión de datos se realice cuando la

etiqueta se encuentra sobre el blindaje EMI para este caso.

Figura 27. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina de blindaje EMI

Fuente: El autor

Lámina metálica Lámina metálica

Blindaje EMI

Lector/Escritor RFID Etiquetas RFID

Blindaje EMI

63

Tabla 4. Transmisión de datos ARDUINO y TI con blindaje EMI

BLINDAJE EMI

ETIQUETA HIERRO ACERO

ACERO

GALVA-

NIZADO

ACERO

CALL

ROLL

ALUMINIO

SOLO LECTURA Falla Falla Falla Falla Falla

LECTURA /ESCRITURA Falla Falla Falla Falla Falla

MPT 16/17 Falla Falla Falla Falla Falla

ETIQUETA 13,4 MHZ Falla Falla Falla Falla Falla

Fuente: El autor

4.6.2 Análisis blindaje EMI: La primera prueba que se realizó, fue con la cinta

blindaje EMI, en la cual no hubo trasmisión de datos, esto logró determinar a

través de diferentes pruebas, realizadas a los fabricantes TEXES

INSTRUMENTS y ARDUINO, este comportamiento se se da porque su

permeabilidad es de 1000 m^2/s y su conductividad es de 0.9 siemens/m se

determinó que la conductividad del material era muy alta, impidiendo la

trasmisión de datos, estas láminas ayudan a minimizar las interferencias

electromagnéticas , pero por sus características químicas se acopla mejor en

interferencias electromagnéticas, donde existan corrientes eléctricas pequeñas

a bajas frecuencias como las corrientes electromagnéticas generadas en las

guitarras eléctricas.

4.6.3 Lamina de MuMetal: Se utilizó un blindaje MuMetal, el cual sirve como

agente disperso para las interferencias electromagnéticas , de esta manera se

busca trasmitir la información entre etiqueta y lector, la prueba se realizó

posicionando el blindaje MuMetal entre la etiqueta de TEXAS y ARDUINO y las

diferentes laminas metálicas, al enviar el pulso para la trasmisión de datos no

hubo trasmisión de datos, se varió la distancia y el ángulo de inclinación del

lector con respecto a la etiqueta y no hubo trasmisión de datos, se separó unos

centímetros las etiquetas de la lámina de MuMetal lográndose la trasmisión de

datos en todas las etiquetas,

64

Figura 28. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De MuMetal

Fuente: El autor

Tabla 5. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lamina de MuMetal

BLINDAJE EMI

ETIQUETAHIERRO ACERO

ACERO

GALVA-

NIZADO

ACERO

CALL

ROLL

ALUMINIO

SOLO LECTURA Falla Falla Falla Falla Falla

LECTURA /ESCRITURA Falla Falla Falla Falla Falla

MPT 16/17 Falla Falla Falla Falla Falla

ETIQUETA 13,4 MHZ Falla Falla Falla Falla Falla

Fuente: El autor

4.6.4 Análisis lamina de MuMetal: En las láminas de MU METAL ocurrió lo

mismo que en la cinta de blindaje EMI, no hubo trasmisión a pesar de que el

material era menos magnético, esto se da porque su permeabilidad es de 1000

m^2/s y su conductividad es de 0.5 siemens/m al determinar la conductividad

todavía se encontraba muy alta. Sin embargo el comportamiento que se

esperaba era que la trasmisión de datos se realizara, cuando la etiqueta se

Lámina metálica Lámina metálica

MuMet

Lector/Escritor RFID Etiquetas RFID

MuMetal

65

encontrara sobre la lámina de MuMetal. Este material es más utilizado para los

equipos donde se manejen corrientes eléctricas grandes a frecuencias bajas,

tales como trasformadores eléctricos, motores eléctricos o similares en donde

también se ven afectados por interferencias electromagnéticas.

4.6.5 Lamina de ferrita: Se utilizó una lámina de ferrita, la cual sirve como

agente disperso para las interferencias electromagnéticas, de esta manera

logrando trasmitir la información entre etiqueta y lector, la prueba se realizó

posicionando la lámina de ferrita entre la etiqueta de TEXAS y ARDUINO y las

diferentes laminas metálicas, al enviar el pulso se logró transmisión de datos,

aun variando el lector en diferentes posiciones

Figura 29. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De Ferrita

Fuente: el autor

Lámina metálica Lámina metálica

Ferrita

Lector/Escritor RFID Etiquetas RFID

Ferrita

66

Tabla 6. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lámina de Ferrita

BLINDAJE EMI

ETIQUETAHIERRO ACERO

ACERO

GALVA-

NIZADO

ACERO

CALL ROLLALUMINIO

SOLO LECTURA Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa

LECTURA /ESCRITURA Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa

MPT 16/17 Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa

ETIQUETA 13,4 MHZ Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa

Fuente: El autor

4.5.6 Análisis de lámina de ferrita: Con las láminas de ferrita se logró la

trasmisión de datos, debido a que la conductividad era mucho más baja. La

frecuencia a la que trabaja ARDUINO, la cual se encuentra en la banda UHF

(Alta Frecuencia) tiene un óptimo funcionamiento logrando la trasmisión de

datos en los diferentes láminas de metal con las que se realizaron las pruebas

(Hierro, Aluminio, Acero, Acero Galvanizado, acero Call Roll) esto se da porque

su permeabilidad es de 1000 m^2/s y su conductividad es de 0.01 siemens/m

dando como resultado el mejor material, para este tipo de corrientes y

frecuencias a las que se trabajan.

4.7. ACOPLE DE SISTEMA RFID PARA TRANSFERENCIA DE DATOS CON

LÁMINAS METÁLICAS

4.7.1 ARDUINO a MATLAB: El Lector/Escritor que mejor se comporta para la

trasmisión datos fue la tarjeta RC22 de ARDUINO, al comprobar que la

trasmisión de datos se podría realizar gracias a la lámina de Ferrita. Se

estableció un algoritmo en MATLAB, para poder transferir los datos a un

67

archivo de Excel y dar una mejor manipulación a los datos y de esta misma

manera exportar un archivo al aplicativo WEB.

Figura 30. Datos Transferidos desde ARDUINO a MATLAB

Fuente: El autor

Como se ve en la imagen, se logró realizar la trasmisión de datos desde el

lector RC522 de ARDUINO a MATLAB, cada vez que pasa por la etiqueta

cerca al lector/escritor, la interfaz de MATLAB, muestra los datos que se están

trasmitiendo, para este caso supliendo la interfaz gráfica de ARDUINO.

4.7.2 Transferencia de datos de MATLAB a EXCEL: Se realizó un algoritmo en

MATLAB, para la trasferencia de datos a Excel, que para este caso se ejecutó

68

por un comando que exporta todos los datos a un archivo de EXCEL,

guardando el archivo para una mejor manipulación de datos.

Figura 31. Diagrama de flujo para él envió de datos del lector a Excel

Fuente: El autor

69

Figura 32. Datos en Excel

Fuente: El autor

Como se ve en la figura No.46, al trasmitir los datos de MATLAB a Excel, se

importan todos los datos a través de un arreglo de vectores, que se maneja en

cada celda de Excel, permitiendo al usuario un mejor manejo de la

información.

4.8 APLICATIVO WEB

Se desarrolló un aplicativo WEB gratis, a través de la pag. XWIX, diseñándose

dicha página, con la con ayuda de las herramientas que proporciona el

programa, ya sea colocar imágenes, editar archivos de texto, subir documentos

y diferentes mosaicos. Para subir el aplicativo a la página, se selecciona el

archivo donde se quiere almacenar, esta función se realiza a través de la

función que ofrece la página se carga el archivo se sube y luego se da grabar

en la página.

70

Figura 33. Pág. WEB Finalizada

Fuente: El autor

Esta página permite dar la posibilidad de crear un pequeño aplicativo WEB, la

cual tiene como finalidad mostrar los datos a una escala mayor en el internet y

no solo dejando los datos en un computador. Permitiendo al usuario que tenga

la información, desde cualquier lugar que se tenga acceso a internet.

(http://afmarquez23.wix.com/proyectodegradorfid)

4.8.1 Analisis del aplicativo WEB para la visualización de los datos: El

aplicativo WEB, da muchos beneficios ya que los datos pueden ser

visualizados en cualquier parte del mundo, lo cual hace muy útil esta

aplicación ya que los datos pueden ser vistos por cualquier persona y en

cualquier momento.

71

CONCLUSIONES

Como resultado se pudo evidenciar que no hay trasmisión de datos

cuando la etiqueta se encuentra sobre la lámina metálica, debido a que

las etiquetas son afectadas por interferencias electromagnéticas

generadas por las láminas metálicas, las cuales son producidas por sus

características eléctricas y químicas del material metálico, por lo tanto a

mayor conductividad y mayor permitividad menor eficiencia de

trasmisión en la antena.

La permitividad eléctrica no es un factor decisivo en la trasmisión de

datos. Para que no haya trasmisión la permitividad del medio tiene que

ser infinita, caso que no es aplicable a un escenario práctico, esto ya

que la permitividad Relativa más alta de un caso real es la del agua de

mar (81) y aun así las pérdidas de retorno permitían la trasmisión de

datos.

La permeabilidad magnética relativa afecta considerablemente la

eficiencia o trasmisión de la antena, al aumentar un poco dicha

permeabilidad, la eficiencia de la antena baja a tal punto que impide la

trasmisión de datos.

La conductividad eléctrica es uno de los parámetros que más afecta la

eficiencia de la antena. Al alcanzar un poco de conductividad, en el

material sobre el cual se está trasmitiendo, la eficiencia de la antena es

muy baja y al realizar la trasmisión en un material con una conductividad

que tiende a infinito la trasmisión se vuelve nula.

En las simulaciones se demuestra que la permeabilidad, conductividad y

permitividad se ven afectadas uno del otro, al variar los parámetros de la

permeabilidad magnética y la conductividad eléctrica en el agua de mar

las pérdidas de retorno fueron más grandes cuando estas dos

características era más pequeñas caso contrario a lo que pasaba

cuando se variaba la permeabilidad, conductividad y la permitividad

magnética se dejaba en este para efectos prácticos sería totalmente

72

irreal ya que la conductividad y permeabilidad del agua no cambian de

esas maneras tan bruscas.

Las corrientes propagadas por la antena de la etiqueta, en la lámina de

la etiqueta generando interferencia en la trasmisión de datos , fenómeno

al que se le conoce como interferencia electromagnética, sin embargo

se puede llegar a trasmitir información cuando la etiqueta se encuentra

separada de la lámina metálica a cierta distancia, debido a que el aíre

tiene una baja permitividad y cero condcion eléctrica actúando como

agente dispersor en las interferencias electromagnéticas, impidiendo la

reflexión de la onda sobre la lámina metálica.

Se evidencio que para lograr la trasmisión de datos entre la etiqueta, el

lector y la lámina metálica, se necesita un material que tenga una

conductividad nula y permitividad baja para este caso en específico la

ferrita cumple con esas condiciones.

Se determinó que el uso de blindaje EMI y lamina de MuMetal, no es el

apropiado como agente dispersor de las interferencias

electromagnéticas en los etiquetas RFID, debido a sus características

(conductividad y permeabilidad), sin embargo estos materiales actúan

como agente dispersor, en otras aplicaciones, en las cuáles se

evidencien interferencias electromagnéticas, con características tales

como corrientes bajas a bajas frecuencias en blindaje EMI y corrientes

altas a bajas frecuencias en lámina de MuMetal

El objetivo general es Implementar un prototipo de RFID adaptando las

etiquetas en materiales metálicos, se logró debido a que se estableció

que las láminas de ferrita, son el material que se adaptan para la

trasmisión de datos desde la etiqueta hasta el lector/escritor, por tener

características especiales como permeabilidad alta y conductividad baja,

permitiendo que no se generen interferencias electromagnéticas sobre

ella misma.

73

Se determinó que no es viable aplicar un sistema RFID, sin láminas de

ferrita en medio de la etiqueta y la lámina metálica, debido a que las

interferencias electromagnéticas, generadas sobre la lámina metálica

impiden la trasmisión de datos entre lector/escritor y etiqueta.

Se considera que el uso de sistemas RFID, tendría una gran acogida en

logística y seguridad industrial, debido a que en la industria se maneja

gran cantidad de material metálico, sin embargo como se determinó los

sistemas RFID no son compatibles en materiales metálicos, dando

como una posible solución la adaptación de las láminas de ferrita en

ambientes industriales.

Se determinó que el sistema de ARDUINO, tiene un mejor

funcionamiento por poseer mejores características, trabajar a mayor

frecuencia y ser muy económico, a diferencia de TEXAS

INSTRUMENT, que proporciona muy poca información de sus

dispositivos y es costoso.

La creación de un aplicativo WEB genera una gran ventaja en la

adquisición de los datos, debido a que los datos se encuentran en la red,

permitiendo a cualquier usuario tener un fácil acceso a dichos datos, sin

embargo no se desarrolló la visualización de los datos en tiempo real ni

una base de datos debido a que se necesita un gran conocimiento a

nivel de Ingeniería de Sistemas.

74

BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN

Ingeniería en Microcontroladores. (2 de 5 de 2014). Micro.com. Recuperado el

12 de 4 de 2014, de http://www.i-micro.com/pdf/articulos/spi.pdf

ANSYS. (21 de 10 de 2015). Anlage Research Group. Recuperado el 12 de 5

de 2015, de http://anlage.umd.edu/HFSSv10UserGuide.pdf

Arduino. (5 de 4 de 2015). Arduino.cc. Recuperado el 22 de 4 de 2015, de

https://www.arduino.cc/

Arora, K. M. (2007). The practical feasibility of using RFID in a metal

environment. Coventry, 1-6.

INTECO. (1 de 8 de 2012). Agencia española de protecion de datos.

Recuperado el 5 de 7 de 2014, de

http://www.agpd.es/portalwebAGPD/canaldocumentacion/publicaciones/

common/Guias/Guia_RFID.pdf

Kevin D’hoe, T. H. (2011). Design and Reliability Evaluation of Passive HF.

IEEE, 1-6.

Ledchumikanthan, N. (2007). Investigation of inductively coupled RFID

systems. Ryerson University, 1-83.

Leonid Bolotnyy, S. K. (2010). The Practicality of Multi-Tag RFID Systems.

IEEE, 1-10.

MAGNETIC SHIELD CORPORATION. (13 de 6 de 2012). magnetic-shield.com.

Recuperado el 16 de 3 de 2015, de 2012: http://www.magnetic-

shield.com/pdf/mu-2.pdf

Nauwelaers, B. (2 de 5 de 2011). RFID Journal. Recuperado el 1 de 6 de 2014,

de http://espanol.rfidjournal.com/preguntas-frecuentes

Nordberg, G. (25 de 6 de 2010). Insituto Industrial de españa. Recuperado el

25 de 2 de 2015, de

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/

EnciclopediaOIT/tomo2/63.pdf

Pietrosemoli, J. F. (5 de 10 de 2007). Itrain Online. Recuperado el 9 de 1 de

2015, de

http://www.itrainonline.org/itrainonline/mmtk/wireless_es/files/08_es_ante

nas_y_cables_guia_v02.pdf

75

Shih-Kang Kuo, J.-Y. H.-H. (2011). A performance evaluation method for EMI

sheet of metal mountable HF. ScienceDirect, 1-8.

Sigler, A. F. (26 de 6 de 2012). Comite Elctronico cubano. Recuperado el 5 de

3 de 2015, de

http://www.cec.cubaindustria.cu/contenido/jornadaVII/3_3.pdf

Soto, C. P. (18 de 5 de 2008). Universidad de Valencia. Recuperado el 29 de 1

de 2015, de http://www.uv.es/martined/tecweb/Foucault.pdf

Spaces.com. (2 de 11 de 2010). Premisividad Fisicay Electrica. Recuperado el

2 de 12 de 2014, de campoelectrico-

fisica.blogspot.com/2010/11/permisividad.html

Texas Instrumets. (1 de 2 de 2015). TI.COM. Recuperado el 15 de 3 de 2015,

de http://www.ti.com/

UniAndes. (5 de 4 de 2015). Pentagono UniAndes edu. Recuperado el 12 de 5

de 2014, de

http://pentagono.uniandes.edu.co/tutorial/Matlab/tutorial_matlab.pdf

VÍCTOR JOSÉ ACEVEDO DURÁN, A. G. (1 de 2 de 2014). Pontificia

universidad javeriana repositorio institucional. Recuperado el 2 de 11 de

2014, de

http://repository.javeriana.edu.co/bitstream/10554/7561/1/tesis10.pdf

XWIX. (12 de 5 de 2015). XWIX.com. Recuperado el 12 de 6 de 2015, de

http://es.wix.com/

76

A. ANEXOS: Circuitos Eléctricos

1. Datasheet Microreader RI-STU-MRD2

77

78

2. Datasheet 12mm Glass Encapsulated HDX Transponders

3. Datasheet Arduino Leonardo

79

80

81

1. Datasheet rc522 Arduino

82

83

4. Datasheet Etiqueta ISO/IEC 14443 tipo B

84

B. ANEXOS: Propiedades de los materiales

1. Propiedades del hierro

1. Propiedades del aluminio

2. Propiedades del carbono

85

3. Blindaje EMI

86

4. Lamina de MuMetal

5. Lamina de Ferrita

87

c. ANEXOS: Programas

1. Comunicación MATLAB con TEXAS INSTRUMENTS

%%Abrir el puerto

s=serial('COM3')

s.Status

set(s,'BaudRate',9600)

fopen(s)

out=fread(s)

%out=fscanf(s)

out=fread(s)

fclose(s)

delete(s)

clear s

2. Identificación de la etiqueta por medio de RC522 y ARDUINO

#include <SPI.h> #include <MFRC522.h> #define RST_PIN 9 // Configurable, see typical pin layout above #define SS_PIN 10 // Configurable, see typical pin layout above MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Create MFRC522 instance. void setup() { Serial.begin(9600); // Initialize serial communications with the PC while (!Serial); // Do nothing if no serial port is opened (added for Arduinos based on ATMEGA32U4) SPI.begin(); // Init SPI bus mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 card Serial.println(F("Try the most used default keys to print block 0 of a MIFARE PICC.")); }

88

void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) { for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) { Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " "); Serial.print(buffer[i], HEX); } } boolean try_key(MFRC522::MIFARE_Key *key) { boolean result = false; byte buffer[18]; byte block = 0; byte status; // Serial.println(F("Authenticating using key A...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, block, key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { // Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); // Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return false; } } void loop() { Serial.print(F("Card UID:")); dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size); Serial.println(); }

3. Lectura y escritura en la etiqueta por medio de RC522 y ARDUINO

void loop() { // Look for new cards if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) return; // Select one of the cards if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) return;

89

// Show some details of the PICC (that is: the tag/card) Serial.print(F("Card UID:")); dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size); Serial.println(); Serial.print(F("PICC type: ")); byte piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak); Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType)); // Check for compatibility if ( piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI && piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K && piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) { Serial.println(F("This sample only works with MIFARE Classic cards.")); return; } // In this sample we use the second sector, // that is: sector #1, covering block #4 up to and including block #7 byte sector = 1; byte blockAddr = 4; byte dataBlock[] = { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, // 1, 2, 3, 4, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, // 5, 6, 7, 8, 0x08, 0x09, 0xff, 0x0b, // 9, 10, 255, 12, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f // 13, 14, 15, 16 }; byte trailerBlock = 7; byte status; byte buffer[18]; byte size = sizeof(buffer); // Authenticate using key A Serial.println(F("Authenticating using key A...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return; } // Show the whole sector as it currently is Serial.println(F("Current data in sector:")); mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector); Serial.println();

90

// Read data from the block Serial.print(F("Reading data from block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); status = mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Read() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.print(F("Data in block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(":")); dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println(); Serial.println(); // Authenticate using key B Serial.println(F("Authenticating again using key B...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_B, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return; } // Write data to the block Serial.print(F("Writing data into block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); dump_byte_array(dataBlock, 16); Serial.println(); status = mfrc522.MIFARE_Write(blockAddr, dataBlock, 16); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Write() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.println(); // Read data from the block (again, should now be what we have written) Serial.print(F("Reading data from block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); status = mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Read() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.print(F("Data in block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(":")); dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println(); // Check that data in block is what we have written // by counting the number of bytes that are equal

91

Serial.println(F("Checking result...")); byte count = 0; for (byte i = 0; i < 16; i++) { // Compare buffer (= what we've read) with dataBlock (= what we've written) if (buffer[i] == dataBlock[i]) count++; } Serial.print(F("Number of bytes that match = ")); Serial.println(count); if (count == 16) { Serial.println(F("Success :-)")); } else { Serial.println(F("Failure, no match :-(")); Serial.println(F(" perhaps the write didn't work properly...")); } Serial.println(); // Dump the sector data Serial.println(F("Current data in sector:")); mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector); Serial.println(); // Halt PICC mfrc522.PICC_HaltA(); // Stop encryption on PCD mfrc522.PCD_StopCrypto1(); } void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) { for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) { Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " "); Serial.print(buffer[i], HEX); } }

92

4. Programs e MatLab

%%Grtafica Perdids de retorno Vs Conductividad t=conductividad; y=prconductividad; E=polyfit(t,y,3); z=polyval(E,t); Num=norm(y-z); n=length(y); rms=Num/sqrt(n)%este es el error de la regresion plot(t,z,t,y,'.');%cambie '.' por 'o' si se ven muy pequeños los

puntos. hold on; figure(1) E %coja estos coeficientes y escribalos de la forma EE=-

0.0026.*t.^2+1.1778.*t+1.8688 title('Perdidas de retorno Vs Conductivada') grid on xlabel('Conductividad') ylabel('Perdidas de retorno')

%%Grtafica Perdids de retorno Vs Permitividad t=permitividad; y=prpermitividad; E=polyfit(t,y,2); z=polyval(E,t); Num=norm(y-z); n=length(y); rms=Num/sqrt(n)%este es el error de la regresion plot(t,z,t,y,'.');%cambie '.' por 'o' si se ven muy pequeños los

puntos. hold on; figure(1) E %coja estos coeficientes y escribalos de la forma EE=-

0.0026.*t.^2+1.1778.*t+1.8688 title('Perdidas de retorno Vs Permtividad') grid on xlabel('Permtividad') ylabel('Perdidas de retorno')

%%Grtafica Perdids de retorno Vs Permiabilidad t=permiabilidad; y=prpermiabilidad; E=polyfit(t,y,2); z=polyval(E,t); Num=norm(y-z); n=length(y); rms=Num/sqrt(n)%este es el error de la regresion plot(t,z,t,y,'.');%cambie '.' por 'o' si se ven muy pequeños los

puntos. hold on; figure(1) E %coja estos coeficientes y escribalos de la forma EE=-

0.0026.*t.^2+1.1778.*t+1.8688 title('Perdidas de retorno Vs Permiabilidad') grid on

93

xlabel('Permiabilidad') ylabel('Perdidas de retorno')

s = serial('COM7'); fopen(s) outt=eye(50) j=1 out = fscanf(s) out1 = fscanf(s) out2 = fscanf(s) out3 = fscanf(s) filename = 'testdata.xlsx'; A = out; B= out1; C= out2; D= out3; sheet=1; xlswrite(filename,A,sheet,'A1') xlswrite(filename,B,sheet,'A2') xlswrite(filename,C,sheet,'A3') xlswrite(filename,D,sheet,'A4') fclose(s) delete(s) clear s

5. Programa para graficas de UHFSS

%%

%Grafica vectro J_Vol

figure(1)

filename = 'VectorJ_Vol.xlsx';

a = xlsread(filename)

t=0:0.01:0.14;

plot(t,a)

94

grid on

axis([0 0.2 -0.000005 3.5e-4])

xlabel('Tiempo (ms)')

ylabel('Amps/m^2')

title('Volumen de corriente')

%%

%Grafica vectro J_Surf

figure(2)

filename = 'VectorJ_Surf.xlsx';

b = xlsread(filename)

t=0:0.01:0.14;

plot(t,b)

grid on

axis([0 0.2 -0.000005 1])

xlabel('Tiempo (ms)')

ylabel('Amps/m')

title('Densidad de corriente')

%%

%Grafico Mag_E

figure(3)

filename = 'Mag_E.xlsx';

95

c= xlsread(filename)

t=0:0.01:0.14;

plot(t,c)

grid on

axis([0 0.2 -0.000005 10])

xlabel('Tiempo (ms)')

ylabel('V/m')

title('Flujo Electrico')