Tecnologie/ Viaggio nel mondo RFID (II)

di C. Patierno - Seconda parte del viaggio nella tecnologia RFID. Ecco come lavorano reader, tag e antenne, con qualche cenno di fisica dei campi elettromagnetici

Roma - Dopo aver dedicato la prima parte di questa serie di articoli alla storia della tecnologia RFID, ci occupiamo ora dei principi di trasmissione dell'energia e/o del segnale tra le due entità principali: il reader ed il tag.

Analizziamo l'infrastruttura fino ad ora discussa con un dettaglio più tecnico. Il reader è essenzialmente composto da:
- sistema di connessione e comunicazione con PC
- sistema di alimentazione
- sistema di generazione del campo RF
- sistema di comunicazione mediante RF
- eventuali sistemi accessori (che descriveremo meglio in seguito).

Porta seriale RS232Il sistema di connessione e comunicazione con il PC si basa essenzialmente sugli standard di comunicazione delle porte RS232 (la vecchia porta del mouse, per intenderci): tutti i sistemi operativi supportano questo standard, che è estremamente semplice e frequentemente utilizzato, ad esempio per la connessione dei modem esterni. Il sistema di comunicazione RS232 permette una comunicazione seriale, cioè la comunicazione avviene in serie, mediante un unico filo (in realtà è una coppia più un filo di massa), e in modalità "half-duplex": vige cioè la regola "io parlo, tu ascolti", diversa dalla comunicazione parallela, cioè "full-duplex", dove ricezione e trasmissione avvengono in contemporanea. Il tipo di comunicazione seriale avviene aprendo un canale di comunicazione tra le due apparecchiature (apertura della porta "COM"), in questo modo entrambe le apparecchiature sono in ascolto e la prima che "parla" occupa il canale impedendo la risposta dell'altra, che dovrà attendere la fine della trasmissione eventualmente per rispondere. Per capire meglio possiamo dire che la comunicazione seriale è come la comunicazione tra due persone al telefono: se entrambe parlano la comunicazione è impossibile, invece nella comunicazione parallela una singola entità è composta da una coppia di persone dove una parla ed una ascolta, quindi essenzialmente simultanea.
Su queste premesse, possiamo facilmente capire come PC e reader comunichino: il PC, dopo aver aperto la porta di comunicazione, invia un comando "leggi" (in formato testo) al reader: a questo punto il reader, attraverso gli altri sistemi, legge il tag e risponde al PC: "ho letto questo?", oppure "non ho letto nulla". Naturalmente la comunicazione è ben più complessa di quanto qui semplificato, poiché i comandi inviabili sono tanti (tra cui anche il comando "leggi continuamente", che permette il solo ascolto da parte del PC). Tratteremo meglio lo standard di comunicazione quando parleremo dell'ISO 15693, che contiene tutte le informazioni per il funzionamento di una delle più diffuse tecnologie RFID.

Il sistema di alimentazione del reader è un sistema classico composto da un alimentatore (o delle batterie): l'unica accortezza adottata dai produttori e quella di schermare l'alimentatore affinché non generi eventuali interferenze elettromagnetiche che possano impedire la corretta lettura dei tag, come meglio ci renderemo conto in seguito.

Spettro elettromagneticoIl sistema di generazione del campo RF è costituito dall'apparecchiatura elettronica per la corretta emissione/stabilizzazione del segnale e dall'antenna. Il tipo di antenna dipende essenzialmente dalla frequenza che si è scelto di utilizzare. Per meglio comprendere quindi perchè esistono in commercio vari tipi di antenne con distanze di lettura anche considerevolmente differenti, dobbiamo addentrarci nel mondo della Radiofrequenza, cercando di comprendere i meccanismi fisici che la regolano (limitandoci comunque nell'esposizione e permettendo a tutti facilmente di capire): solo così potremo comprendere il reale funzionamento del sistema e i suoi limiti tecnici.

Campo elettromagneticoLe onde elettromagnetiche sono il fenomeno fisico attraverso il quale avviene la propagazione dell'energia nello spazio: la stessa luce visibile è un fenomeno di origine elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche possono essere assimilate ad una forma di tipo sinusoidale dove:
a) il valore massimo assunto dalla semionda è l'Ampiezza (A)
b) il tempo impiegato dall'onda per compiere un'oscillazione è detto Periodo (T)
c) lo spazio percorso dall'onda in una oscillazione completa è detta Lunghezza d'onda (λ)
d) il numero di oscillazioni compiute in un secondo è detto Frequenza (v)
e) la velocità di propagazione nel vuoto è detta Velocità (c).

Campo elettricoStudiando le equazioni di Maxwell, assimilando la velocità di propagazione nel vuoto come quella della luce, si conclude che la lunghezza d'onda, la velocità e la frequenza sono correlate fra di loro da un'unica equazione. I fenomeni elettromagnetici vengono poi descritti nelle seguenti leggi:
a) Legge di Ampere: "la corrente che attraversa un conduttore genera dei campi magnetici".
b) "Legge di Faraday": i campi magnetici che variano nel tempo generano campi elettrici indotti".

Campo magneticoQuesto ci permette quindi di trasmettere energia senza contatto: in pratica, facendo variare la corrente in un conduttore (corrente alternata, come quella di casa, solo che invece di alternare con una frequenza di 50 Hz viene alternata a frequenze di molto superiori), questo genera un campo elettromagnetico (come un elettromagnete) che è in grado, a certe condizioni, di trasformarsi ancora una volta in energia elettrica (correnti parassite). È per questo motivo che sugli aerei è vietato l'uso di apparecchi come i cellulari, perchè l'emissione del campo elettromagnetico potrebbe condensarsi in qualche cavo (il conduttore) e disturbare i computer di bordo, causando anche la caduta dell'aereo stesso.
Posizione di un tag magnetico rispetto ad un'antennaInoltre, dalla fisica sappiamo che un campo elettromagnetico è la somma di due campi generati dalla stessa fonte, uno puramente elettrico ed uno puramente magnetico. Questi due campi sono correlati e le funzioni matematiche che li definiscono dipendono da:
- distanza dal punto di emissione
- lunghezza d'onda
- posizione nello spazio.

Ma gli stessi campi non vengono influenzati egualmente da questi fattori, anzi:
il campo magnetico prevale a breve distanza, mentre il campo elettrico prevale a lunga distanza. Possiamo quindi definire "campo vicino" la porzione di spazio attraversata dalle linee di flusso magnetico e "campo lontano" la porzione di spazio attraversato dalla radiazione elettrica. Prendiamo un esempio dal nostro sole: le eruzioni solari che spesso vediamo in TV, formano degli anelli con la superficie solare, questo perchè il plasma eruttato segue le linee di campo magnetico (che sono sempre chiuse, come anelli) rendendocele visibili. Al contrario, la luce solare viene proiettata nello spazio e rappresenta il nostro campo elettrico.

Come precedentemente definito dalla legge di Faraday, ovunque sia presente un campo magnetico oscillante vengono indotte delle correnti parassite. Questo principio, lo stesso dei trasformatori, è quello utilizzato per i tag ad accoppiamento magnetico (si intende il processo di propagazione dell'energia da un oggetto all'altro): ovunque sia presente un campo elettrico oscillante vengono indotte correnti parassite. Questo principio, lo stesso dell'esperimento di Marconi, è lo stesso utilizzato per i tag ad accoppiamento elettrico. Va inoltre precisato che l'energia elettrica indotta dal campo magnetico è funzione del suo orientamento, per questo motivo, se il tag non è orientato perpendicolarmente al campo magnetico, lo stesso non assorbirà sufficiente segnale per instaurare la comunicazione. Differentemente, il campo elettrico indotto è influenzato fortemente dalla distanza. Essendo i due campi fisicamente diversi, si comportano in modo diverso: il primo, quello magnetico, avendo le linee di flusso ricurve su se stesso riesce a trasmettere energia solo se le linee vengono tagliate perpendicolarmente; il secondo invece, avendo le linee di flusso praticamente rette, non subisce questo effetto e l'unica influenza fortemente nociva è la distanza (dato il diradamento delle linee di flusso, così come la luce di una candela è in grado di illuminare soltanto piccole porzioni di spazio).

Il diverso comportamento delle onde nel campo vicino e nel campo lontano ha grande importanza per i sistemi RFID, sopratutto per la definizione delle problematiche di lettura. Come abbiamo visto in precedenza, il campo magnetico è costituito da linee di flusso a forma di anelli chiusi; il campo elettrico invece ha una propagazione sostanzialmente lineare; ciò significa che le problematiche di lettura nel campo magnetico saranno derivate da tutte le situazioni in cui il campo viene distorto o tagliato prima che il tag ne assorba l'energia. Le problematiche di lettura nel campo elettrico sono invece derivate da situazioni dove il campo delle cariche elettriche viene assorbito o riflesso prima che il tag ne assorba l'energia. La modalità di propagazione del campo elettromagnetico è detta di "scattering" per i campi a prevalenza magnetica e di "onda diretta" per i campi radio. È facile intuire altresì che l'antenna dovrà avere forma e dimensioni diverse per ottimizzare l'uno o l'altro campo in funzione della tipologia di tag da adottare. Anche la lunghezza d'onda è importante poiché solo sopra i 20 MHz vengono generati anche i campi elettrici (o radio) oltre quelli magnetici e solo oltre i 30 MHz vengono indotti campi elettrici sufficientemente potenti per instaurare una comunicazione tra due fonti.
17 Commenti alla Notizia Tecnologie/ Viaggio nel mondo RFID (II)
Ordina
  • vorrei sapere come in realtà è la pronuncia di RFID
    Grazie
    non+autenticato
  • Posso essere d'accordo su un'esposizione diretta ai profani.

    Ma allora basta essere semplici e intuitivi e - per raggiungere tale scopo - non c'è bisogno di scrivere cumuli di inesattezze tecniche e fisiche...

    Una per tutte (ma non la più eclatante): non c'era nessun bisogno di tirare fuori il modello ISO-OSI in un'esposizione elementare; ma - proprio volendo citarlo - stuprarlo a quel modo è a dir poco disdicevole.

    L'RS232 a sette strati... l'RF a sette strati... me le ricorderò per parecchio tempo...Deluso:s:|
    non+autenticato
  • le immagini, carine, ma piccole.

    aggiungervi un link con versione a dimensione non nanoscopica?A bocca aperta
  • Mi dispiace trovarmi in disaccordo con l'autore dell'articolo e non mi piace solitamente far la figura del pignolo iosotutto, ma l'articolo è farcito di numerose inesattezze e grossolanità. Devo dire che quando lessi la prima parte rimasi un po' sconcertato, mi sembrava che si stesse affrontando l'argomento con superficialità ma ora, leggendo la seconda parte, più ricca di spiegazioni tecniche, il dubbio mi è sparito.

    1) Innanzitutto la comunicazione seriale non è, come inteso dall'autore, half-duplex perchè i dati scorrono in serie e quella parallela full-duplex perchè i dati scorrono paralleli. La RS232 dispone di tre fili (ricezione, trasmissione, massa) e la modalità full-duplex è pienamente attiva. E' logico che prima di ricevere la risposta ad un comando una apparecchiatura debba prima trasmetterne la relativa domanda al dispositivo periferico, ma ciò non significa che stia lavorando in half-duplex! Semmai è colpa del protocollo adottato, non certo dal fatto di essere seriale o parallelo. Full-duplex significa che la porta di ricezione (sia essa seriale o parallela) è in grado di ricevere dati anche mentre sta trasmettendo e la rs232 è perfettamente in grado di svolgere questo compito. Tanto per semplificare la RS232 è in grado senza problemi di capire "due persone che parlano contemporaneamente al telefono"... Anche su una apparecchiatura parallela, in ogni caso, il dispositivo deve 'attendere' la domanda prima di poter fornire la risposta!

    2) La forza elettromotrice che si genera facendo attraversare un conduttore da un campo magnetico variabile non si chiama 'corrente parassita', ma 'forza elettromagnetica indotta'. Le correnti parassite sono, come dice il nome stesso, correnti che disturbano il fenomeno e sono causate generalmente da flussi elettrici dispersi all'interno dei materiali conduttori/magnetici (es: i lamierini del traferro dei trasformatori).

    3) Mi sembra che la spiegazione sul funzionamento degli RFID sia stata inutilmente complicata e contorta, nella realtà ritengo sia molto più semplice di come sia stato esposto dall'estensore dell'articolo, tant'è che ho fatto fatica a comprendere davvero cosa intendesse l'autore, nonostante non sia digiuno di elettronica. Ho come la sensazione che l'autore sia stato più attento ad introdurre vocaboli e frasi altisonanti più che cercare di spiegare davvero cosa siano gli RFID, ma è una mia sensazione. Comunque, grazie infatti al fenomeno di induzione elettromagnetica (ovvero la generazione di forza elettromotrice ai capi di un conduttore permeato da campi magnetici variabili) è possibile generare ai capi dell'antennina degli RFID una tensione (grazie al campo generato dal lettore). Questa tensione indotta serve unicamente ad alimentare il chip contenuto nell' RFID che, essendo alimentato in maniera 'gratuita', comincerà a funzionare e trasmetterà tramite l'antenna vista prima i dati contenuti al suo interno. Non c'è correlazione vera tra il campo generato dal lettore e la frequenza trasmissiva generata dall'RFID perchè la prima serve unicamente ad alimentare RFID semplicemente avvicinandolo ad esso, la seconda invece a trasmettere informazioni. Nel caso di funzionamento in backscatter effettivamente l'RFID si limita a shuntare l'antenna (che ricordo è una spira ad induzione del circuito lettore -> RFID) ed in questo caso sta al ricevitore valutare questi assorbimenti di energia sulla sua portante, come effettivamente spiegato nell'articolo.

    4) In generale mi sembra una esposizione semplificata ma al tempo stesso densa di frasi arcane e criptiche, cioè un testo di difficile comprensione che non accontenta nè chi ci capisce ancora poco nè chi ha già conoscenze in materia.

    Senza acredine.
  • Dall'autore:

    Mi fa piacere che vengano fuori delle critiche agli articoli, perchè mi permette di precisare e limitare quanto detto:

    a) Quando si scrive un articolo è necessario tener conto delle persone che lo leggeranno, avrei potuto anche utilizzare una terminologia tecnicamente più corretta ('forza elettromagnetica indotta', anzichè 'correnti parassite'), ma quante persone avrebbero capito facilmente? Con questi articoli si vuole far comprendere 'per sommi capi' come funziona la tecnologia, non si vuole tenere una lezione tecnica, per quello esistono università, libri di radaristica, persino un libro specifico sull'Rfid.

    b) per quello che riguarda 'le frasi altisonanti', non mi sembra che: "grazie infatti al fenomeno di induzione elettromagnetica (ovvero la generazione di forza elettromotrice ai capi di un conduttore permeato da campi magnetici variabili) è possibile generare ai capi dell'antennina degli RFID una tensione (grazie al campo generato dal lettore)" sia molto digeribile da chi è a digiuno di elettronica.

    c) Per la correlazione tra il campo elettromagnetico generato dal lettore per l'alimentazione e la trasmissione delle informazioni, forse attendere il terzo articolo nel quale parlerò in maniera approfondita anche del protocollo di comunicazione (come spunto userò l'iso 15693) sarebbe stato più saggio.

    d) per la comunicazione RS232, era magari necessario spiegare prima il protocollo ISO-OSI e "spiegare" che stavo applicando lo stesso all'RS232 da un livello più alto delle comunicazioni... ma chi mi avrebbe capito?

    .. insomma, per non polemizzare, non tutte le persone hanno lo stesso taglio tecnico, anzi, spesso non hanno un taglio tecnico, quindi per far comprendere le nuove tecnologie è necessario farlo "per gradi", un pò per volta, precisando sempre di più. E' facile spiegare una tecnologia in modo estremamente tecnico (magari con le formule di induzione elettromagnetica ecc..), difficile è "semplificare tutto" per renderlo comprensibile a più persone, che svolgono lavori completamente diversi da quelli tecnici.

    Patierno Corrado

    P.s. Avevo lasciato anche una precisazione alla redazione proprio su questo argomento, mi dispiace che non sia stata pubblicata.
    non+autenticato
  • - Scritto da:

    > Dall'autore:

    > a) Quando si scrive un articolo è
    > necessario tener conto delle persone che lo
    > leggeranno, avrei potuto anche utilizzare
    > una terminologia tecnicamente più
    > corretta ('forza elettromagnetica indotta',
    > anzichè 'correnti parassite'), ma
    > quante persone avrebbero capito facilmente?

    Non sono d'accordo. Utilizzare termini impropri fin dall'inizio genera confusione più tardi, quando ci si addentra nelle problematiche. Nella fattispecie le correnti parassite sono una cosa completamente diversa da quanto indicato. Perchè, se devo spiegare il funzionamento dello sterzo di una automobile, dovrei usare il termine manubrio al posto di volante?

    > Con questi articoli si vuole far comprendere
    > 'per sommi capi' come funziona la
    > tecnologia, non si vuole tenere una lezione
    > tecnica, per quello esistono
    > università, libri di radaristica,
    > persino un libro specifico sull'Rfid.

    E' questo che critico. Secondo me un simile articolo non è adatto nè a chi è a digiuno nè a chi conosce. Chi è a digiuno non comprende intere frasi, mentre chi ne conosce è portato a diffidare di affermazioni come "Anche la lunghezza d'onda è importante poiché solo sopra i 20 MHz vengono generati anche i campi elettrici (o radio) oltre quelli magnetici e solo oltre i 30 MHz vengono indotti campi elettrici sufficientemente potenti per instaurare una comunicazione tra due fonti" affermazione palesemente errata.

    > d) per la comunicazione RS232, era magari
    > necessario spiegare prima il protocollo
    > ISO-OSI e "spiegare" che stavo applicando lo
    > stesso all'RS232 da un livello più
    > alto delle comunicazioni... ma chi mi
    > avrebbe capito?

    Per quale motivo? E per quale motivo devi scrivere cose inesatte per non dare spiegazioni più complete? Non trovo che sia un comportamento corretto. Sono autorizzato quindi a dire che in un autoveicolo la benzina prende fuoco (affermazione facilmente digeribile da tutti) generando calore che sposta il pistone per non dover trattare il fenomeno di combustione interna al cilindro?

    > tecnologie è necessario farlo "per
    > gradi", un pò per volta, precisando
    > sempre di più. E' facile spiegare una
    > tecnologia in modo estremamente tecnico
    > (magari con le formule di induzione

    Sono convinto di ciò, quello che mi lascia scontento è l'utilizzo scorretto di spiegazioni non veritiere per ultrasemplificare. Semplificare, secondo me, non significa dire bugie, ma cercare di sintentizzare la verità, senza ometterla però.

    Ciao.
  • Dall'autore:

    Secondo me si stà trascendendo il reale motivo della decisione di intraprendere quest'avventura giornalistica. Così come si stà trascendendo anche nell'interpretazione delle mie parole.

    Lascio uno dei riferimenti bibliografici dal quale è stato tratto lo spunto per la redazione di alcune parti dei due articoli precedenti, cosicchè chiunque possa effettivamente studiare o valutare sia gli articoli, sia la tecnologia:

    RFID - battezzati Ed. Hoepli

    Al termine della serie verrà fornito l'elenco bibliografico completo.

    Corrado Patierno
    non+autenticato
  • > Sono
    > autorizzato quindi a dire che in un
    > autoveicolo la benzina prende fuoco
    > (affermazione facilmente digeribile da
    > tutti) generando calore che sposta il
    > pistone per non dover trattare il fenomeno
    > di combustione interna al cilindro?
    >

    Grazie... adesso ho capito perche' metto benzina nell'auto.
    L'articolo, sinceramente, mi ha incuriosito... il commento non mi ha fatto capire niente. L'articolo mi ha portato a studiare principi di fisica che mi porteranno a capire il commento. Senza la curiosita' non mi sarei neanche avvicinato all'argomento.
    non+autenticato
  • > P.s. Avevo lasciato anche una precisazione
    > alla redazione proprio su questo argomento,
    > mi dispiace che non sia stata pubblicata.

    Eccole, meglio tardi che mai! Occhiolino

    "precisazioni dall'autore" corpo: "Non me ne vogliano tutti i cultori di RadioFrequenza o RadioAmatori se non sono stato molto ortodosso nella spiegazione tecnica, ma era l'unico modo per rendere comprensibile l'articolo a tutti! .. arrivederci alla prossima puntata!"

    Ciao!
  • Bellissimi articoli !

    Il primo non l'avevo notato (forse era un giorno che ero troppo occupato), ma ora ho rimediato Sorride

    Grazie !
CONTINUA A LEGGERE I COMMENTI
Successiva
(pagina 1/2 - 8 discussioni)