ITRM20110603A1 - Sistema di monitoraggio di grandi flussi di tag in movimento mediante tecnologia rfid - Google Patents

Description

Descrizione

[0001] La presente invenzione si riferisce ad un sistema di monitoraggio dì grandi flussi di TAG in movimento utilizzando una tecnologia RFID e del relativo sistema che implementa un algoritmo decisionale che gestisce il movimento dei suddetti TAG.

[0002] Attualmente per la gestione dei varchi di accesso vengono utilizzati maggiormente quelli con tecnologia RFID-HF a 13,56 MHz e tecnologia RF1D-UHF con la banda di frequenza UHF 865 ÷ 870 MHz EU.

[0003] La tecnologia RFID-HF funziona tramite accoppiamento induttivo ed elettromagnetico. La configurazione tipica comprende un’antenna formata da un avvolgimento preferibilmente in rame. La dimensione e il numero di avvolgimenti a fonila di spira determinano la sensibilità e la distanza operativa.

[0004] La banda HF à ̈ attualmente la più usata per le cosiddette “etichette intelligenti†(smart TAG) impiegate nella logistica e nella gestione degli oggetti, anche se, per quest’ultima applicazione si prevede che, a lungo termine, prevarranno i sistemi in banda UHF. In questa frequenza operano anche le “Smart Card contactless†, ovvero carte intelligenti senza contatto che costituiscono il settore più tecnologicamente presidiato dai produttori di chip. Quasi unicamente di tipo passivo, le card sono coperte da standard quali l’ISO/IEC 14443 - detto anche di †̃proximity’, che copre da 10 a 30 cm — e l’ISO/IEC 15693, o di †̃vicinity’, per una distanza operativa da 30 a 90 cm. Diffuse nel settore del ticketing, del controllo accessi del personale, della tracciabilità dei bagagli nei sistemi aeroportuali, sono le contactless smart card diventate comuni come sostitutivi intelligenti ed inviolabili delle schede magnetiche per le transazioni bancarie (bancomat) e come carte di credito.

[0005] L’impiego principale dei TAG RFID à ̈ quello dell’identificazione di oggetti e più in generale della logistica (identificazione di imballaggi, pallet, container e quant’altro lungo la catena di distribuzione). Gli standard per questo tipo di applicazioni fanno capo a due organismi i cui elaborati stanno convergendo:

- EPCglobal nato ed operante come una associazione privata;

- ISO (ed organismi ad esso collegati) che costituisce l’ente mondiale di normativa in quasi tutti i campi della tecnologia.

[0006] I TAG passivi utilizzano il campo generato dal segnale del Reader come sorgente di energia per alimentare i propri circuiti e trasmettere. Ne risultano distanze operative ridotte (al massimo qualche metro) ed altre criticità nel funzionamento. Per quanto riguarda la temporizzazione, problemi di economicità e scarsità di energia, fanno sì che questa venga normalmente estratta dal segnale del Reader. I TAG contengono una certa quantità di memoria non volatile. Questa tipologia di TAG à ̈ la più diffusa ed impiegata nelle applicazioni massive.

[0007] I Battery Assisted Passive (BAP) TAG, i cosiddetti semipassivi (o semi attivi) sono stati sviluppati per essere impiegati in quelle situazioni in cui i TAG attivi presentavano un costo troppo alto o una durata troppo breve delle batterie, ed i TAG passivi non assicuravano sufficienti prestazioni.

[0008] I TAG attivi sono muniti di un proprio sistema di alimentazione, tipicamente una batteria e di un trasmettitore/ricevitore a radio frequenza.

[0009] I TAG passivi dipendono per la loro alimentazione dall’energia a radio frequenza che ricevono, e successivamente la re-irradiano, modulandola, una parte dell’energia trasmessa dal Reader che li sta interrogando.

[0010] Per ricavare energia e comunicare con il Reader, il funzionamento dei TAG passivi si basa su uno dei due principi fisici seguenti:

- Accoppiamento induttivo (magnetico) in condizioni di “campo vicino†;

- Accoppiamento elettromagnetico in condizioni di “campo lontano†con effetto backscatter:

[0011] Sistemi che sfruttano l’accoppiamento induttivo in condizioni di “campo vicino†si basano sul fatto che, per distanze relativamente brevi rispetto alla lunghezza dell’onda emessa dall’antenna del Reader.

|0012] Sistemi che sfruttano l’accoppiamento elettromagnetico in condizioni di “campo lontano†con effetto backscatter si basano sul fatto che, per distanze relativamente lunghe, rispetto alla lunghezza dell’onda emessa dall’antenna del Reader, nell’antenna del TAG prevalgono gli effetti del campo elettromagnetico, che varia periodicamente nel tempo.

[0013] Un ruolo di grande rilevanza nei sistemi RFID passivi, Ã ̈ giocato dalle antenne del TAG e del Reader. Le antenne infatti sono la fonte primaria di energia per i TAG ed i problemi di orientamento e polarizzazione, influiscono significativamente sulle prestazioni.

[0014] Per quanto riguarda i materiali di costruzione delle antenne dei TAG passivi, queste vengono generalmente realizzate in metallo inciso, o con deposizione sul substrato di inchiostro conduttore.

[0015] Per quanto riguarda il dimensionamento delle antenne a spire, i fattori di maggior influenza sono costituiti dall’area dell’antenna a spire e dal numero di spire. La tensione indotta ai capi dell’antenna del TAG à ̈ direttamente proporzionale al numero di spire ed al flusso del vettore induzione magnetica.

[0016] E’ possibile utilizzare antenne di piccole dimensioni costituite da un’unica spira che possono essere realizzate, ad esempio, mediante processi di stampa con inchiostri conduttivi.

[0017] Infine, per operare anche a distanze maggiori della stretta prossimità, uno stesso TAG UHF può essere dotato di due antenne

distinte per operare sia in campo vicino che in campo lontano. La maggior parte delle antenne per RFID devono essere accordate sulla risonanza alla frequenza operativa. Questo espone il sistema all’ influenza di molti fattori esterni che possono de-sintonizzare l’antenna dalla frequenza di risonanza, riducendo la distanza operativa. Le cause sono varie e dipendenti anche dalla frequenza (effetto pelle, perdite dovute a prossimità di masse metalliche, fading del segnale, prossimità con altre antenne di Reader, variazioni ambientali, etc.).

10018] I Reader sono elemento chiave dei sistemi RFID, e le loro caratteristiche devono essere valutate attentamente per il raggiungimento delle prestazioni previste nel sistema.

[0019] Fino alla recente ondata di applicazioni pervasive nella catena di distribuzione, i Reader di TAG passivi erano principalmente utilizzati per il controllo di accessi ed altre applicazioni (sistemi anti taccheggio, etc.) che comportano sia un basso numero di TAG rilevati per ogni interrogazione, sia un basso numero di dati provenienti dai TAG medesimi. Ora la situazione sta cambiando, essenzialmente per le esigenze della catena di distribuzione, per le cui applicazioni vengono letti contemporaneamente tutti i TAG (anche migliaia) contenuti nei colli (scatole, pallet, scaffali, container) in cui la merce à ̈ conservata.

[0020J La distanza operativa in un sistema RFID può essere definita come la massima distanza alla quale la lettura di TAG raggiunge una determinata percentuale di successo.

[0021] I TAG sono costruiti in una grande varietà di contenitori, progettati per ambienti ed applicazioni differenti. Tra i formati di assemblaggio più comuni, si ricordano: tessere (tipo Carta di credito), etichette flessibili adesive, TAG su carta, TAG iniettati o modellati in contenitori e prodotti di plastica, TAG su cinturini da polso, TAG su chiavi, TAG per grandi contenitori (pallet, container, ecc.).

[0022] Si riporta qui di seguito una serie di caratteristiche principali da tenere in conto per la scelta di un TAG nell’ambito di un particolare sistema RFID: dimensioni e forma, distanze reciproche dei TAG, durata, riutilizzabilità, resistenza in ambienti critici, polarizzazione, intervalli di temperatura in cui à ̈ previsto il funzionamento, distanza di comunicazione tra TAG e Reader, influenza da parte di eventuali materiali metallici e liquidi, ambiente operativo, velocità dei TAG all’ interno del campo del Reader, supporto di Reader.

[0023] Attualmente per il monitoraggio di accessi a varchi questa tecnologia viene utilizzata tramite l’impiego di dispositivi che fanno utilizzo di GATE maggiormente diffusi sulla banda 13.56 MHz e che fanno utilizzo di sensori a fotocellula. Una delle maggiori limitazioni risulta essere nella distanza limitata nel monitoraggio e del numero limitato di TAG rilevabili contemporaneamente.

[0024] Scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere il problema del limitato numero di TAG rilevabili simultaneamente.

10025] Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere il problema della limitata ampiezza GATE attraverso il quale passano i TAG.

[0026] Altro ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di evitare di identificare un TAG immobile come un numero infinito di passaggi attraverso il varco.

[0027] La presente invenzione si avvale di un sistema che consiste nel monitoraggio di un flusso massivo di TAG associati a persone o cose in movimento attraverso un varco lungo il quale sono disposte e orientate in modo opportuno due antenne RF1D della banda di frequenza UHF 865 ÷ 870 o 2,4 GHz ad una determinata distanza l’una dall’altra che può variare a seconda dell’ambiente nel quale sono istallate. La scelta della banda di frequenza UHF 865 ÷ 870 MHz EU à ̈ dettata dall’esigenza di evitare l’interferenza con le normali frequenze radio utilizzate dai gestori di telefonia mobile. La scelta di non utilizzare la banda a 2,4 GHz à ̈ dovuta al fatto che à ̈ una banda molto affollata da altre tecnologie (WiFi, Bluetooth, ZigBee).

|0028] Per raggiungere lo scopo della presente invenzione, si à ̈ utilizzato un sistema realizzato con dispositivi RFID di ultima generazione progettati e costruiti dalla società americana IMPINJ, in particolare : Impinj Speedway Revolution R220 RFID Reader (IPJ-REV-R220-EU11M) e rispettive antenne con le specifiche tecniche riportate dalla casa costruttrice, associato ad un comune PC.

[0029] Le antenne possono essere dotate di sponde laterali riflettenti per evitare l’interferenza fra esse in quanto à ̈ importante l’ordine di rilevamento dei TAG.

[0030] In una condizione di quiete, vaie a dire in assenza di un TAG, l’antenna del reader emette il campo elettromagnetico e lo “ricapta†rilevando l’assenza di perturbazioni del campo stesso.

[0031 ] Una volta che un TAG entra nel campo elettromagnetico, il condensatore alimenta il chip del TAG. Il chip tramite la sua antenna modula delle perturbazioni del campo che l’antenna del reader capta. Ma un TAG non comunica con il reader una sola volta: fino a che resta all’interno del raggio di emanazione del campo magnetico continua a comunicare e pertanto possono esservi decine o centinaia di interazioni.

[0032] Qualcuno si deve fare carico del compito di rilevare che non si tratta di un numero indefinito di rilevamenti di uno stesso oggetto ma che si tratta di un oggetto che à ̈ in quella posizione.

[0033] Questo compito viene svolto dal sistema presente nel PC collegato al reader. Se il TAG si sposta, à ̈ necessario rilevare la direzione dello spostamento; in questo caso, il sistema presente nel PC che implementa l’algoritmo decisionale sarà collegato al reader e potrà decidere la direzione del moto, comunicandola quindi al layer applicativo superiore.

[0034] Il sistema utilizzato allo scopo della presente invenzione, pertanto, evidenza un aumento della quantità dei TAG letti simultaneamente in ingresso e in uscita rispetto al raggio di emanazione del campo elettromagnetico.

[0035] Tale sistema ha permesso, inoltre, di aumentare l’ampiezza dei varchi di accesso/uscita fino a 6 metri e oltre.

[0036] Per raggiungere, pertanto, lo scopo della presente invenzione ci si avvale di un algoritmo che si basa sull’associazione ad ogni antenna di un buffer per tener traccia dei TAG rilevati tramite loro memorizzazione in esso durante l’attraversamento del varco ad esempio in entrata. Consideriamo come esempio un TAG in ingresso che indicheremo con TAGì. Inizialmente in prossimità dell’entrata, TAG1 viene rilevato prima dall’Antennal e quindi memorizzato nel suo relativo buffer (buffer Antennal) e successivamente al rilevamento da parte dell’Antenna2 viene memorizzato in (buffer Antenna2). Finché TAG1 à ̈ presente nello specchio di illuminazione di Antenna 2 sarà rilevato da questa e il software eseguirà una serie di condizioni cioà ̈: se TAG1 à ̈ stato rilevato da Antenna2 cioà ̈ à ̈ stato memorizzato in buffer A2 (inserito in buffer A2 al primo rilevamento di Antenna 2) e da Antennal (memorizzato in buffer Al) allora verifica se l’ora di rilevamento di TAG1 da parte di Antenna 1 à ̈ minore dell’ora di rilevamento di TAG1 da parte di Antenna 2, se tale condizione à ̈ verificata allora inserisce nel data base le informazioni di interesse. Si riporta in figura 5 il diagramma UML Activity Diagram.

[0037] Per lo sviluppo del software à ̈ stato utilizzato il linguaggio Java SE. In particolare la comunicazione col reader avviene via LLRP (EPCglobal Low Level Reader Protocol standard). I test sono stati condotti in ambiente indoor utilizzando vari TAG e considerando i vari casi d’utilizzo: unico flusso in entrata, unico flusso in uscita, due flussi contemporanei opposti ingresso-uscita ottenendo risultati soddisfacenti.

[0038] E ’ stato possibile ottimizzare l’utilizzo della seguente invenzione progettando un sistema integrato in un’unica soluzione che comprende: due antenne, un reader e un mini Pc con all’interno il sistema decisionale (figura 4).

Descrizione delle figure:

[0039] Le raffigurazioni del sistema della presente invenzione verranno ora descritte, a titolo esemplificativo e non esaustivo, con riferimento ai seguenti disegni nei quali:

• Fig. 1 mostra un grafico nel quale sono rappresentate le funzionalità del chip in base alla memoria in dotazione al chip stesso;

• Fig. 2 mostra una simulazione dell’applicazione del sistema;

• Fig. 3 mostra Buffer generati dal software e associati alle rispettive antenne;

• Fig. 4 mostra un sistema integrato composto di 2 antenne, un reader e un mini PC con all’interno il sistema decisionale.

• Fig. 5 mostra UML Activity Diagram dell’algoritmo;

Riferimenti numerati delle figure

- Tav 2 Fig. 3:

Fase di ingresso: Per ogni TAG l’algoritmo valuta le seguenti condizioni: Antenna 1 - Antenna 2 - 0

Fase di uscita: Per ogni TAG l’algoritmo valuta le seguenti condizioni: Antenna 2 - Antenna 1 - 0

Dove per Antenna x si intende il TAG rilevato dall’antenna x Tav 2, Fig. 4:

1 - Antenna 1

2 - Antenna2

3 - Reader

4 - Unità mini PC contenente il software per la gestione del monitoraggio

D - Distanza minima utile di non interferenza fra le antenne

- Tav 3, Fig. 5:

A = Attività T = Transizione

• Al ATTIVITÀ' RILEVAMENTO TAG DEL READER • A2 METODO CHE RICEVE IL TAG RILEVATO

• A3 Inserisci in Buffer 1

• A4 Inserisci in buffer2

• A5 Eliminazione Tag dal buffer 1

• A6 Eliminazione Tag dal buffer2

• A7 Aggiornamento DB

• A8 Aggiornamento DB

• TI Tag non rilevato

• T2 Tag rilevato

• T3 Antenna2

• T4 Antenna1

• T5 Tag non presente in Buffer 1

• T6 Tag presente in buffer1

• T7 Tag in bufferl && tag in buffer2

• T8 Ora rilevamento Tag in buffer1>ora rilevamento Tag in buffer2

• T9 Tag in buffer1 && not Tag in buffer2

• T10 Tag non presente in buffer2

• TU Tag presente in buffer2

• T12 Tag in buffer2 && Tag in buffer1

• T13 Ora rilevamento Tag in buffer1 <Ora rilevamento Tag in buffer2

• T1 4 Tag in buffer2 && not Tag in buffer1

• T1 5 Reader attivo

• T16 Reader disattivato

Claims (9)

1. Rivendicazioni 1. Sistema per monitorare varchi di accesso attraverso antenne RFID disposte in sequenza e rispettivo reader RFID caratterizzato dal fatto che utilizza una frequenza UHF e un software che associa 1 buffer rispettivamente per ogni antenna e implementa il seguente metodo di controllo nella fase di ingresso, e specularmente nella fase di uscita (Fig.5): a) in prossimità dell’entrata, il TAG viene rilevato prima dall 'Antenna 1; b) quando il TAG à ̈ rilevato dall 'Antenna 1 viene memorizzato nel bufferl associato all’Antenna1 ; c) successivamente il TAG viene rilevato dall’Antenna2; d) quando il TAG viene rilevato dall’Antenna2 viene memorizzato nel buffer2 associato all’Antenna2; e) finché il TAG à ̈ presente nello specchio di illuminazione di Antenna2 sarà rilevato da questa e il software eseguirà una serie di condizioni: i) se il TAG à ̈ stato rilevato da Antenna2 e memorizzato nel buffer2 e da Antennale memorizzato nel relativo buffer1, il software verifica per il TAG presente in entrambi i buffer se l’ora di rilevamento dello stesso da parte di Antenna 1 à ̈ minore dell’ora di rilevamento da parte di Antenna2 ; ii) se tale condizione à ̈ verificata allora sarà rimosso il TAG da buffer 1 e verranno inserite nel database le informazioni di interesse.
2. 2. Sistema per monitorare varchi di accesso come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la banda di frequenza utilizzata à ̈ UHF 865 ÷ 870 MHz EU.
3. 3. Sistema, in accordo con la rivendicazione 1, che può essere composto da 2 o più antenne disposte in maniera ortogonale al varco di accesso ed installate su qualsiasi lato del varco stesso (destra, sinistra, alto).
4. 4. Sistema, in accordo con la rivendicazione 3, in cui le antenne possono essere ad impatto visivo o coperte da appositi pannelli non riflettenti il campo elettromagnetico.
5. 5. Sistema, in accordo con le rivendicazioni precedenti, che può avere un varco di accesso di 6 metri e oltre.
6. 6. Sistema, in accordo con le precedenti rivendicazioni, che permette la lettura simultanea di 2 o più TAG in ingresso, in uscita e contemporaneamente in ingresso e uscita.
7. 7. Sistema, in accordo con le precedenti rivendicazioni, che può essere assemblato in varie modalità purché sia rispettata la sequenzialità delle antenne disposte ad una distanza l’una dall’altra che può variare a seconda dell’ambiente nel quale sono installate e i cui rispettivi campi elettromagnetici emessi non interferiscano tra loro.
8. 8. Sistema, in accordo con le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di poter essere assemblato in un’unica soluzione che consiste in un apparato al cui interno sono disposte le antenne in sequenza, il reader, un’unità mini PC al cui interno risiede il software di controllo (fig4).
9. 9. Sistema in accordo con le precedenti rivendicazioni in cui l’algoritmo può essere implementato anche con la programmazione concorrente.