Progettare sistemi Rfid attivi a bassa frequenza

RF & MICROONDE –

Le ultime innovazioni riguardanti i ricevitori LF hanno permesso di ridurre il consumo di energia e migliorare al contempo le prestazioni del ricevitore, ampliando la gamma di applicazioni dei sistemi Rfid attivi.

L'Rfid è una tecnologia che trova diffusa applicazione nel supporto alle attività logistiche e di tracciamento dei beni, oltre che nel monitoraggio e controllo degli accessi; in questi casi i sistemi Rfid sono talvolta noti anche con la denominazione di “Sistemi di localizzazione in tempo reale”. Fino ad oggi, nella maggior parte dei casi gli Rfid long range ricorso sono basati su reader Uhf (ultraelevata Ultra High Frequency) operante a una banda di frequenza di 915MHz unito a tag passivi. Non essendo dotati di fonti autonome di energia, i tag passivi sfruttano l'energia derivante dalla radiazione elettromagnetica emessa dal reader, comunicando con quest'ultimo tramite variazioni dell'impedenza dell'antenna (backscattering). Di conseguenza, i tag passivi hanno una portata limitata. Alcuni sistemi Rfid devono tuttavia operare in contesti in cui la trasmissione a radiofrequenza è difficile, quali miniere, container metallici per le spedizioni e di edifici con pareti in muratura. L'affidabilità e la stabilità della trasmissione con i sistemi Rfid passivi non sono garantite quando il segnale radio deve passare attraverso ostacoli quali roccia, liquidi, muratura o metallo. In tali casi, i designer devono ricorrere all'utilizzo di un sistema Rfid attivo nel quale i tag sono muniti di batteria che consente una trasmissione attiva verso il reader dei segnali Uhf in modo da poter funzionare a distanze maggiori rispetto a quelle raggiungibili da un tag passivo. Nei sistemi Rfid attivi il ricevitore a bassa frequenza (LF) assume un ruolo fondamentale attivando il sistema e avviando la trasmissione Uhf.

Diminuire i consumi e aumentare la portata
La principale difficoltà di un progettista di tag Rfid attivi consiste nel prolungare il più possibile la durata della batteria e al contempo aumentarne la portata, ovvero due requisiti apparentemente contrapposti. Inoltre, dato che i tag devono essere miniaturizzati, è escluso un eventuale aumento delle dimensioni della batteria per prolungarne la durata.  L'interrogatore (reader) è composto da un trasmettitore LF e un ricevitore Uhf mentre il tag è formato da un wake-up receiver e un trasmettitore Uhf. L'interrogatore trasmette periodicamente (tipicamente ogni secondo) un pattern LF. Dopo la trasmissione, il ricevitore Uhf si viene attivato per verificare eventualmente le risposte dei tag. Nel tag solo il wake-up receiver è attivo in modalità standard; quando il tag si trova entro la portata dell'interrogatore, il ricevitore attiva il trasmettitore Uhf (uplink) affinché rilevi un pattern noto. Solo allora il trasmettitore Uhf trasmette all'interrogatore le informazioni richieste per identificare in maniera univoca il tag. Questa architettura consente al trasmettitore Uhf di restare in modalità stand-by quasi costantemente. In termini di consumi, il ricevitore LF rappresenta quindi un elemento fondamentale dato che è l'unico a restare sempre attivo. La sensibilità è un altro parametro cruciale del ricevitore LF, in quanto il segnale trasmesso dal reader potrebbe essere attenuato dalla distanza e da ostacoli fisici. Per i tag attivi, la durata della batteria deve essere almeno di tre anni, come nel caso di una semplice batteria a bottone quale una CR2032. Pertanto il consumo di corrente del tag in modalità Ricezione dovrebbe superare di poco quello della corrente di dispersione della batteria. A sua volta questo fattore incide fortemente sulla scelta della frequenza di funzionamento: per limitare i consumi, il ricevitore deve operare a una frequenza inferiore a 300kHz tanto che i sistemi Rfid più recenti operano in genere a frequenze di 125kHz o 134kHz. Ciò determina la prima difficoltà di implementazione dei sistemi, in quanto più ridotta è la frequenza, più elevata è la lunghezza d'onda, rendendo quindi necessaria un'antenna di elevate dimensioni. I migliori risultati in termini di progettazione si sono ottenuti con le antenne loop (risonatori magnetici) che rilevano solo campi magnetici (H). Un'antenna loop è in sostanza un induttore composto da bobine avvolte intorno a barre di ferrite. Il trasmettitore LF nella stazione di partenza e il ricevitore LF nel tag fungono da trasformatore, ove l'induttore del trasmettitore è la bobina primaria e quello del ricevitore è la bobina secondaria.
Per aumentare il campo magnetico generato dal trasmettitore e il voltaggio captato dal ricevitore, entrambe le bobine sono sintonizzate con i condensatori in modo da risonare alla frequenza portante. Questo risonatore può essere smorzato tramite l'utilizzo di un resistore parallelo in modo da aumentare la larghezza di banda dell'antenna. Una sintonia efficace è fondamentale per aumentare la sensibilità del ricevitore LF, ma l'utilizzo delle antenne a loop genera un altro problema. Dato che le antenne rilevano un campo magnetico, l'orientamento tra la stazione di partenza (trasmettitore) e il ricevitore assume un'importanza enorme. In base alle leggi dell'elettromagnetismo, se due bobine sono posizionate con uno sfasamento di 90 gradi, il voltaggio indotto sulla bobina secondaria risulta in teoria pari a zero. In alcune applicazioni di precisione, l'orientamento reciproco tra la bobina trasmittente e quella ricevente è fisso; in questo caso, l'efficacia della comunicazione sarà garantita se la posizione fissa prevede che l'antenna del reader e quella del tag siano posizionate parallelamente l'una all'altra durante la fase di lettura. Qualora l'orientamento reciproco non sia fisso e prevedibile, invece, il ricevitore necessita di un array di antenne a tre dimensioni, composto da tre antenne posizionate ortogonalmente l'una all'altra. Il ricorso alla sintonia della frequenza portante unito alle antenne a tre dimensioni qui descritte non solo aumenta la portata di ricezione, bensì consente di generare misurazioni Rssi (Indicatore di potenza del segnale ricevuto) affidabili. Infatti, fornendo una stima della distanza tra il tag e la stazione di partenza, le informazioni Rssi possono essere di grande utilità in alcune applicazioni. L'architettura descritta sopra può sicuramente ridurre il consumo medio di corrente, tuttavia solo a condizione che il trasmettitore Uhf sia quasi sempre in power-down. Quindi il wake-up receiver deve essere in grado di rifiutare false richieste di wake-up generate da rumore o disturbi. Questo problema è risolto introducendo un generatore di  pattern nel trasmettitore ed un corrispondente riconoscitore di pattern nel ricevitore.

Le performance dei tag attivi
In genere i tag attivi utilizzano singole batterie a bottone da 200 mAh circa, con una durata minima prevista di 3 anni. Pertanto l'assorbimento medio di corrente è complessivamente di circa 7,6 µA. Ipotizzando che in media metà della corrente sia utilizzata dal trasmettitore Uhf, il wake-up receiver potrebbe assorbire al massimo 3,8 µA. Il limite principale del sistema in termini di portata è dato dalla sensibilità del wake-up receiver, ma l'utilizzo di un sofisticato wake-up receiver LF dovrebbe garantire una sensibilità minima di 100 µV. I tag attivi offrono ottime prestazioni anche in presenza di ambienti ostili, in quanto le basse frequenze utilizzate possono attraversare perfino muri di grande spessore. In genere le trasmissioni Uhf dei tag coprono la portata richiesta perfino con una potenza di uscita di soli 0 dBm. L'ultima strategia di implementazione dei wake-up receiver LF è esemplificata da un dispositivo  recentemente presentato da austriamicrosystems, il wake-up receiver LF AS3933. Per quanto riguarda le caratteristiche principali, l'AS3933 prevede un assorbimento di corrente tipico di 1,7 µA nella modalità di ascolto a tre canali e una sensibilità di wake-up tipica di 80 µVrms, oltre dieci volte superiore rispetto ai competitor diretti. L'interrupt di wake-up può essere attivato solo dal rilevamento della frequenza, ma per garantire l'identificazione di falsi segnali di wake-up il dispositivo è dotato di un correlatore integrato che rileva pattern programmabili a 16 o 32 bit con codifica Manchester. Come sopra indicato, la sintonia della frequenza rappresenta una tecnica importante per il miglioramento della sensibilità e della portata reale; l'AS3933 implementa una funzione di sintonia automatica che utilizza condensatori di sintonia integrati direttamente sul chip. In questo modo si riducono i costi di materiali e componenti in quanto non sono necessari condensatori di sintonia esterni ad alta precisione, rendendo così possibile un controllo semplificato dell'antenna in fase di produzione. Inoltre, la funzionalità di sintonia dell'antenna integrata direttamente sul chip fornisce agli utenti finali un utile strumento per verificare il funzionamento della connessione tra tag e reader.

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