Dissertação em Eng. Electrónica e Telecomunicações da Universidade de Aveiro. Construção de um sistema de RFID com fins de localização especiais

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Dissertação em Eng. Electrónica e Telecomunicações da Universidade de Aveiro

Construção de um sistema de

RFID com fins de localização

especiais

Dissertação elaborada por: Hugo Gomes Orientação: Doutor Nuno Borges de Carvalho

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Resumo

„ Estado da arte de RFID

„ Métodos de Localização

„ Estudo da Distorção de Intermodulação

„ Esquema de Funcionamento

„ Simulações

„ Protótipos Construídos e Resultados Práticos

3 3

3

RFID: “Estado da Arte”

RFID é:

„ um meio de envio e armazenamento de

dados através de ondas electromagnéticas para circuitos integrados e compatíveis em radiofrequência.

„ um método de identificação única de itens

através de ondas rádio

4

Qual a sua importância?

Pesquisa de RFID no Google:

„ RFID: 42.700.000 apontadores „ RFID tags: 6 040 000 apontadores

„ RFID white papers: 8.840.000 apontadores

5 5 5

Onde é usado?

„

Na industria têxtil

„

Em bibliotecas

„

Industria e logística

„

Na Industria farmacêutica e Ciências

da saúde

„

Etc…

6

7 7

7

Componentes do Sistema

„

Reader/Interrogator –

usado para ler e

armazenar a informação lido do Tag.

„

Tag/Transponder –

pequeno dispositivo que

devolve ao reader os dados identificativos

8

Tags

„

Tags Activas:

„

Tags Passivas

9 9

9

Tags

Actualização quando perto reader

Actualização permanente Capacidades 128 bytes Acima de 128KB Memoria Centenas em repouso Alguns(20) em movimento até 4,8 km/h Milhares em repouso Alguns(20) em movimento até 160 Km/h Multi-tag Collection Curto(3m) Longo(100m) Alcance Só quando ao alcance do Reader Continua Potência no Tag Não Sim Bateria Passive RFID Active RFID 10

Tags

Processos comerciais fixos Segurança reduzida Fraca capacidade Processos comerciais dinâmicos Segurança e sensibilidade Armazenamento de dados/ “logging” Aplicações características Substancial Reduzido

Impacto nos processos de negócio Básicas Sofisticadas Aplicações de segurança Limitadas Sim Velocidade elevada Acesso múltiplo Não Sim Monitorização de área Passive RFID Active RFID

11 11

11

Tags

„

Read/Write

(RW)

–

dispositivos que

permitem alterar os seus dados internos.

„

Read Only

(RO)– Tipicamente sem chip,

não permitem a alteração dos seus dados.

„

Write once, Read Many

(WORM)–

Programados 1 ou poucas vezes e leitura permanente

12

13 13

13

Frequências e Alcances(2)

Nota: Em Portugal a banda entre 890-942Mhz. Futuro em 5,25 - 5,85Ghz e 24,05 - 24,5GHz

14

15 15

15

Princípios de Operação

„

1-bit Transpoder

„

Full-Duplex, Half-Duplex e Sequencial

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Métodos de localização

Reader Tag r Reader 1 Tag r1 r3 Reader 2 Reader 3 r2

17 17 17

Esquema de Funcionamento

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Distorção de Intermodulação

1 1 2 2

( )

cos(

)

cos(

)

x t

= ×

b

ω

t

+ ×

b

ω

t

Sistema Não-Linear: 2 1 1 2 2 1 3 _{3 3}

(

)

(

)

(

)

(

)

...

k NL k k k

y

a x t

a x t

a x t

a x t

τ

τ

τ

τ

+∞ + =

=

∑

−

=

−

+

−

+

−

+

19 19 19

Distorção de Intermodulação

(

)

(

)

(

)

1 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 1ª 1 2ª 2 3ª 3

cos(

)

cos(

)

cos(

)

cos(

)

cos(

)

cos(

)

....

y ordem y ordem y ordem

y

a b

t

b

t

NL

a b

t

b

t

a b

t

b

t

ω

ω

ω

ω

ω

ω

= = =

=

×

+ ×

+

+

×

+ ×

+

+

×

+ ×

+

 

 

 

20 Frequência Ampl itude 2ω 2 -ω 1 ω1 ω2 -ω 1 Componentes fundamentais Componentes 2ª Ordem Componentes 3ª Ordem ω2 2ω 1 -ω2 _2ω1 _2ω2 ω1 + ω2 2ω 1+ ω2 2ω 2+ ω1 3ω 1 3ω 2

Distorção de Intermodulação

(

)

2 2 1 2 3 1 2 9 2 4 IMD IN IN P ω ω− = a ×P ×P

21 21

21

Distorção de intermodulação no díodo

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) _{( )} 2 2 0 0 2 0 0 0 3 3 0 3 0 1 1 1! 2! ( ) ( ) 1 ... 3! ( ) NL NL NL NL d y x d y x y x K x x x x dx d x x t x x t x d y x x x d x x t x δ δ δ δ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ = + − + − + ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ = = ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ _{− +} =

( )

exp

D s D D D S T

v

R i

i

v

I

V

η

⎛

−

⎞

=

_⎜

_⎟

⎝

⎠

22

Distorção de intermodulação no díodo

( )

(

)

(

)

(

)

0 0 0 2 2 0 2 0 3 3 0 3 0

1

1!

1

2!

1

...

3!

D NL D D D D D D D D D D D D D

di

i

v

K

v

v

dv

_v

_v

di

v

v

d v

_v

_v

di

v

v

d v

_v

_v

δ

⎡

_⎣

⎤

_⎦

=

+

−

+

=

+

−

+

=

+

−

+

=

1 a 2 a 3 a

23 23

23

Distorção de intermodulação no díodo

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 Ponto de Polarização (Vd) T ens ão de S a íd a linear 2ª ordem 3ª ordem 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6x 10 -3 24

Diagrama de Blocos

Bloco Amplifi cador BPF Bloco Amplifi cador BPF 1 3 2

25 25 25

Diagrama de Blocos

Sinal (Pseudo-aleatório) f1 f2 Power Combiner Bloco Amplifi cador BPF f3 LNA BPF ASK ASK S&H Medidor de atraso Cálculo da distância Integrate & Dump Reader a) b) 26

Comparação temporal

tempo A m p. S eq . tempo A m p . S eq . A utoc orrelação Tse q S inal original S inal original 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 S inal recebido C orrelação c ruzada

27 27 27

Esquema Final

28

Prototipos

29 29 29

Resultados Práticos P

_1N

=P

_2N -95 -85 -75 -65 -55 -45 -35 -25 -15 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 P1,2IN (dBm) PIM D (d B m ) ω1 ω2 2ω1-ω2 30

Resultados Práticos P

_1N

Max

-110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 P2IN (dBm) Pow e r ( d B m ) ω1 ω2 2ω1-ω2

31 31

31

Resultados Práticos P

_2N

Max

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 P1IN (dBm) Po w e r ( d Bm ) ω1 ω2 2ω1-ω2 32

Resultados Práticos vs Simulados

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 P1,2IN (dB) Po we r ( dB) ω1 ω2 2ω1-ω2 ω1Simulado ω2simulado 2ω1-ω2)simulado

33 33

33

Conclusões

„ Área vastíssima

„ Muita informação, não muitos protocolos e

standards (embora se caminhe para tal).

„ Tendem-se de convergência de modo a facilitar

o acesso ao consumidor e a redução de custos.

„ O uso da intermodulação como meio de

transmissão é viável e pode ser alternativa para tags passivos.

34

35 35

35

Potência à saída do Reader

2.3 2.32 2.34 2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 x 109 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Frequencia (Hz) P ote nc ia tr an sm iti da ( dB m ) 19.87 dBm 19.68 dBm 36

Potência à entrada do Tag

2.3 2.32 2.34 2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 x 109 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 Frequencia (Hz) P 1,2 IN ( dB m ) -34 dBm -34.17 dBm

37 37

37

Potência à saída do Tag

2.3 2.32 2.34 2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 x 109 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 Frequencia (Hz) Po te nc ia s ( dB m ) ) g ( ) -41.24 dBm -58.78 dBm -64.95 dBm 38

Potência à entrada do Reader

2.3 2.32 2.34 2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 x 109 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 Frequencia (Hz) Po te nc ia ( dBm ) -94.95 dBm -112.4 dBm