Progetto e realizzazione di un lettore/scrittore general purpose per tag RFID a 125 kHz

CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
2 
A questi tre elementi, nel caso in cui il transponder non sia passivo (vedi paragrafo 1.2.1 per le 
tipologie di alimentazione del transponder), si aggiunge una batteria per l’alimentazione. In 
conclusione, un transponder può essere visto come un elemento formato da quattro blocchi come 
schematizzato in Figura 1.3. 
 
 
 
Principalmente esistono due categorie di transponder: Read Only e Read Write. I primi sono dei 
transponder a sola lettura, hanno un codice univoco che viene programmato in fabbrica dal costruttore 
e che non può essere modificato in alcun modo. I secondi sono invece dei transponder che possono 
essere sia letti che scritti. I tagli di memoria variano a seconda del tipo di tag. 
Dal punto di visto costruttivo, il transponder può essere incapsulato in diversi materiali, ad esempio 
plastica e vetro (Figura 1.4 (a)), e in diversi package, fra questi i più comuni sono la tessera (Figura 
1.5), il portachiavi, l’orologio, etichette adesive, chiodini (Figura 1.4 (b)). 
 
 
(a) 
 
(b) 
Figura 1.4: Transponder in vetro (a) e a forma di chiodino (b). Immagini ricavate da [3]. 
 
 
Figura 1.5: Transponder a forma di tessera. Immagine ricavata da [3]. 
 
 
ANTENNA 
 
MCU 
 
MEMORIA 
 
BATTERIA 
Figura 1.3: Schema a blocchi di un transponder. 
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
3 
1.1.2 READER 
Il reader è l’unità in grado di leggere o leggere/scrivere il transponder. Tipicamente un reader è dotato 
di un’antenna per la lettura del tag e una unità di controllo. Ovviamente, dal punto di vista dell’RFID, 
l’antenna e il front-end analogico rappresentano la parte più importante del reader, dato che è quella 
che determina la distanza di comunicazione fra transponder e reader. A seconda dell’applicazione, 
sarà, inoltre, equipaggiato o no con unità per la memorizzazione di dati, interfaccia di comunicazione 
verso il PC, come ad esempio RS232, RS485, Ethernet. A tal proposito, come indicato da [4], i reader 
si possono distinguere in 4 tipologie fondamentali: 
• Gate Readers: utilizzati per l’identificazione di oggetti, animali o persone che attraversano un 
varco. Sono dei sistemi long range, ovvero con un’elevata distanza di lettura, e in grado di 
identificare transponder indipendentemente dalla loro posizione rispetto all’antenna. 
Generalmente sono realizzati con più di un’antenna. 
• Compact Readers: sono dei sistemi generalmente short range, ovvero con una limitata 
distanza di lettura che riuniscono in un unico elemento il dispositivo lettore/scrittore e 
l’antenna (Figura 1.6). 
 
 
Figura 1.6: Compact Reader. Immagine ricavata da [3]. 
 
• Veichle Mounted Readers: sono i dispositivi installati nei veicoli, come ad esempio carrelli 
elevatori. 
• Mobile Readers: sono i dispositivi portatili. Anche questi sono generalmente dei sistemi short 
range. A seconda dei casi possono essere dotati di memoria per la memorizzazione di dati, o 
sistemi di interfaccia wireless per la loro comunicazione ad una centrale operativa. Nei casi 
più semplici sono dei lettori/scrittori di transponder. 
1.2 CLASSIFICAZIONE DI UN SISTEMA RFID 
In generale un sistema RFID si può classificare in base ai seguenti fattori: 
• Fonte di alimentazione. 
• Accoppiamento del campo fra tag e reader. 
• Frequenza operativa. 
1.2.1 CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA FONTE DI ALIMENTAZIONE 
In base alla fonte di alimentazione, come indicato da [5], i tag si possono distinguere in 3 categorie: 
• Passivi: utilizzano il campo elettromagnetico generato dall’antenna del reader come fonte di 
alimentazione. Ovviamente all’aumentare della distanza diminuisce anche la potenza del 
campo, pertanto la distanza di comunicazione è al massimo di 4-5 metri. Quest’ultimo punto 
è sicuramente il principale svantaggio di questi tipi di tag, fra i vantaggi bisogna ricordare 
l’elevata durata, le dimensioni contenute e la flessibilità meccanica dei tag. 
• Semi-Passivi: sono alimentati da batteria, pertanto non necessitano del campo generato 
dall’antenna del reader per l’alimentazione. Non sono dotati di un vero e proprio apparato 
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
4 
trasmittente, ma sfruttano il campo generato dal reader per la comunicazione. Questo fatto 
limita la distanza di comunicazione a qualche centinaio di metri. Inoltre, la presenza della 
batteria consente l’integrazione all’interno del tag di altri dispositivi come sensori di 
pressione o temperatura. Ovviamente, rappresenta anche uno svantaggio perché obbliga a 
realizzare dei package più ingombranti oltre a limitare la durata dl tag stesso. Ciò nonostante, 
utilizzando la batteria solo per l’alimentazione del chip, è possibile stimare la durata della 
batteria stessa con buona approssimazione. 
• Attivi: sono dotati di batteria e di un apparato trasmittente. Questo permette di ottenere 
distanze di comunicazione di qualche chilometro. Hanno gli stessi vantaggi e svantaggi dei 
tag semi-passivi, l’unica differenza è che non è possibile stimare la durata della batteria che 
dipende da quanto il tag viene utilizzato, dato che essa alimenta non solo il chip ma anche 
l’antenna per la trasmissione dei dati. 
1.2.2 CLASSIFICAZIONE IN BASE ALL’ACCOPPIAMENTO DEL 
CAMPO FRA TAG E READER 
L’accoppiamento del campo fra tag e reader, come indicato da [1], può essere di 4 tipi: 
• Inductive Coupling. Si tratta di tecnologia passiva che sfrutta l’accoppiamento induttivo del 
campo magnetico fra l’antenna del reader e l’antenna del tag. Il campo magnetico generato 
dall’antenna del reader si accoppia con l’antenna del tag generando una tensione ai suoi capi, 
è proprio questa tensione, grazie a un circuito rettificatore, che alimenta il tag stesso (Figura 
1.7). Ovviamente, solo una piccola parte del campo generato si accoppia con l’antenna del 
tag, inoltre, l’accoppiamento diminuisce con il quadrato della distanza limitando quest’ultima 
a pochi metri. La distanza di comunicazione è anche inversamente proporzionale alla 
frequenza, pertanto questo tipo di accoppiamento viene utilizzato solo per frequenze inferiori 
ai 20 MHz. Un condensatore è connesso in parallelo con l’antenna in modo da formare un 
circuito risonante alla frequenza desiderata. Le antenne utilizzate sono degli avvolgimenti in 
aria o con nucleo ferromagnetico, il numero degli avvolgimenti diminuisce con l’aumentare 
della frequenza operativa perché la tensione indotta è proporzionale alla frequenza stessa. 
Questo tipo di accoppiamento del campo può anche essere schematizzato come un 
trasformatore, dove il primario è rappresentato dall’antenna del reader e il secondario è 
l’antenna del tag. Pertanto, come in un trasformatore, l’efficienza dell’accoppiamento è 
proporzionale alla frequenza operativa, al numero di avvolgimenti, all’area degli 
avvolgimenti, dall’angolo e dalla distanza fra i due avvolgimenti. 
 
Figura 1.7 Inductive coupling. Si può notare il circuito rettificatore formato dal condensatore C
2
 
e dal diodo e il condensatore C
1
 che forma il circuito risonante con l’antenna. Immagine 
ricavata da [1]. 
 
La comunicazione da transponder a reader è realizzata mediante un resistore (load resistor) 
che viene inserito o no all’antenna del transponder. In questo modo si va a modificare la 
tensione ai capi dell’antenna del reader realizzando una modulazione di ampiezza. Questo 
tipo di modulazione è chiamato load modulation. 
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
5 
• Backscatter Coupling.Si tratta di tecnologia sia passiva, semi-passiva che attiva che sfrutta la 
tecnologia radar in base alla quale le onde elettromagnetiche vengono riflesse da oggetti di 
dimensioni superiori a metà della lunghezza d’onda. L’onda elettromagnetica generata 
dall’antenna del reader (P
1
) raggiunge l’antenna (P
1
’) del tag (Figura 1.8) generando una 
tensione ai capi di quest’ultima, essa viene rettificata e serve ad alimentare il tag in 
tecnologia passiva, oppure viene utilizzato come wake-up per i tag in tecnologia semi-passiva 
o attiva. Una parte dell’onda elettromagnetica che raggiunge l’antenna del tag viene riflessa 
(P
2
) consentendo la comunicazione fra tag e reader. Per la trasmissione dei dati viene 
utilizzata una resistenza R
L
 in parallelo all’antenna del tag che viene attivata o no a seconda 
del dato che deve essere trasmesso, questo produce una modulazione di ampiezza. Una parte 
di questa onda riflessa dal tag raggiunge il reader, qui un coupler direzionale permette la 
separazione fra trasmissione e ricezione. Grazie alla tecnologia semi-passiva e attiva, si 
possono ottenere distanze di comunicazione elevate, ma questo tipo di accoppiamento è 
possibile solo ad elevate frequenze (UHF in poi) proprio a causa del principio di 
funzionamento che obbligherebbe a realizzare delle antenne molto grandi. Quest’ultime sono 
generalmente delle antenne patch. 
 
Figura 1.8 Backscatter Coupling. Nel transponder è visibile il circuito rettificatore formato da 
diodi e condensatori mentre il transistor serve modulare la tensione ai capi dell’antenna per la 
comunicazione da transponder a reader. Immagine ricavata da [1]. 
• Close Coupling. Si tratta di tecnologia passiva caratterizzata da distanze di comunicazioni 
non superiori al centimetro in cui il transponder si trova all’interno del reader o al limite 
sopra il reader. Il principio di funzionamento è lo stesso dell’inductive coupling, con la 
differenza che l’antenna del transponder e quella del reader sono molto vicine e vanno a 
formare un trasformatore (Figura 1.9) dove l’antenna del reader è il primario e quella del 
transponder è il secondario. Generalmente si utilizzano nuclei in materiale ferromagnetico 
per mantenere una bassa perdita. A differenza dell’inductive coupling, l’efficienza è molto 
elevata e trova applicazione in quei sistemi dove ci sono in gioco elevate potenze di 
alimentazione, ad esempio i microprocessori. Una variante all’accoppiamento induttivo è 
quello capacitivo. 
 
Figura 1.9 Close Coupling. Caratterizzato da accoppiamento induttivo fra transponder e 
reader. Immagine ricavata da [1]. 
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
6 
• Electrical Coupling. Si tratta di tecnologia passiva basata sull’accoppiamento capacitivo fra 
reader e transponder (Figura 1.10). L’antenna del reader è realizzata con un largo foglio 
metallico al quale viene applicata una tensione che può andare da qualche centinaio di volts a 
qualche migliaio di volts ad alta frequenza. Questo genera un campo elettrico ad alta 
frequenza fra l’antenna e il piano di massa. Il campo elettrico così realizzato investe il 
transponder generando una tensione ai capi della sua antenna, essa viene rettificata e va ad 
alimentare il transponder stesso. La Figura 1.11 mostra l’equivalente elettrico del sistema 
reader-transponder realizzato, in pratica si viene a formare un partitore di tensione con C
R-T
, 
R
L
 e C
T-GND
. La comunicazione fra transponder e reader è molto simile a quanto accade nel 
backscatter coupling, anche qui, non si fa altro che inserire o no un resistenza di carico. 
 
Figura 1.10 Electrical Coupling. Utilizza un campo elettrico per la trasmissione di energia e dati 
fra reader e transponder. Immagine ricavata da [1]. 
 
Figura 1.11 Circuito equivalente di un sistema RFID basato su Electrical Coupling. Immagine 
ricavata da [1]. 
1.2.3 CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA FREQUENZA OPERATIVA 
I range di frequenza utilizzati dalla tecnologia RFID, come indicato da [6], sono principalmente 4: 
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
7 
• Low Frequency (125 kHz – 134 kHz). Si sfrutta principalmente l’accoppiamento induttivo fra 
l’antenna del reader e quella del tag. La comunicazione avviene mediante modulazione AM. 
L’antenna è generalmente un avvolgimento in aria o con nucleo ferromagnetico, che consente 
di ridurre notevolmente le dimensioni dell’antenna stessa. Si possono anche realizzare delle 
antenne PCB, anche se generalmente molto ingombranti dato che è necessario realizzare 
molti giri per ottenere il valore di induttanza desiderato, che generalmente va dai 400 uH ai 
1.5 mH. L’antenna fa parte di un circuito LC che va opportunamente dimensionato per 
ottenere la risonanza alla frequenza voluta. Dato il basso valore della frequenza anche la 
velocità di comunicazione risulta essere piuttosto ridotta, d’altro canto è proprio la bassa 
frequenza che rende questa tecnologia poco sensibile alla presenza di metalli e all’acqua. I 
tag sono sempre passivi, pertanto le distanze di comunicazione non superano qualche metro. 
Trovano principale applicazione nell’identificazione di animali e nel controllo accessi. 
• High Frequency (13.56 MHz). Come nella tecnologia LF si sfrutta l’accoppiamento induttivo 
fra le antenne del reader e del tag, antenne che sono degli avvolgimenti in aria o antenne PCB 
e fanno parte di un circuito risonante LC. Anche qui si utilizza la modulazione AM per la 
comunicazione e i tag sono passivi. Aumentando la frequenza migliora anche la velocità di 
comunicazione fra tag e reader, mentre peggiora la sensibilità alla presenza di metalli. Le 
applicazioni sono le stesse della tecnologia a bassa frequenza, con il vantaggio che 
generalmente questi tag hanno capacità di memoria superiori e sono dotati di funzionalità 
crittografiche rendendoli adatti ad applicazioni in cui la sicurezza è fondamentale, come la 
monetica. 
• Ultra-High Frequency (433 MHz, 868 MHz). Si sfrutta il backscatter per la comunicazione 
fra tag e reader. Sono particolarmente adatti alla logistica in ambito industriale, soprattutto 
grazie alla tecnologia attiva che permette di raggiungere elevate distanze. Ovviamente, visto 
l’aumentare della frequenza anche la velocità di comunicazione è maggiore a scapito della 
sensibilità all’acqua e all’umidità in particolare, rispetto alla tecnologia  
• Microwave Frequency (2.4 GHz). Come nella tecnologia HF si sfrutta il backscatter per la 
comunicazione fra tag e reader. Vista l’alta frequenza, la velocità di comunicazione è molto 
elevata ma sono molto sensibili alla presenza di acqua e umidità. Trovano principale 
applicazione nel controllo accessi veicolare, infatti, grazie alla tecnologia semi-passiva e 
attiva si possono ottenere distanze di comunicazione elevate. 
1.3 STANDARDS 
Un altro aspetto importante dell’RFID sono gli standards. Il loro scopo è quello di stabilire delle 
regole universali per garantire l’uniformità di lettori e tag e quello di salvaguardare l’interazione 
dell’RFID con altre fonti radio. Gli standards stabiliscono delle regole sulla potenza di emissione, 
sulle frequenze, sul protocollo di comunicazione, sul tipo di modulazione e codifica dei dati, sulla 
velocità di trasmissione e sull’anticollisione fra i vari tag ([5]). Fra i principali standards ci sono l’ISO 
15693, l’ISO 14443 A e B e l’ISO 18000 ([1]). Lo standard ISO 14443 è intitolato “Identification 
cards – Proximity integrated circuit(s) cards” e riunisce i parametri operativi dei transponder di 
prossimità, ovvero con una distanza di comunicazione inferior ai 15 cm che lavorano alla frequenza di 
13.56 MHz. 
Lo standard ISO 15693 intitolato “Identification cards – contactless integrated circuit(s) cards – 
Vicinity Cards” riunisce i parametri operativi dei transponder di vicinanza, caratterizzati da una 
distanza di comunicazione che può arrivare a 1 metro e frequenza operativa di 13.56 MHz. 
Lo standard ISO 18000 intitolato “RFID for Item Management: Air Interface” fa riferimento 
all’interfaccia di comunicazione nell’RFID, ovvero l’aria, stabilendo delle regole alle varie frequenze 
operative. 
1.4 VANTAGGI E SVANTAGGI 
Fra i vantaggi della tecnologia RFID, come indicato da [7], possiamo individuare i seguenti punti: 
• Possono essere letti e scritti permettendo di aggiornare in continuazione le informazioni 
all’interno del tag, con l’obiettivo di tenere traccia di informazioni riguardanti il transponder 
stesso. 
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 
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• Le letture e le scritture possono essere effettuate senza che gli elementi che compongono il 
sistema RFID, ovvero il reader e il tag, siano visibili. 
• Le letture e le scritture possono avvenire a lotti, ad esempio nei gate dove è possibile 
identificare più tag contemporaneamente. 
• Le letture e le scritture possono avvenire anche se il tag è in movimento. 
• Le letture e le scritture possono avvenire con qualsiasi orientamento del tag, anche se questo 
dipende molto dalla tecnologia utilizzata per l’accoppiamento fra reader e tag stesso. 
Fra i svantaggi, come indicato da [7], possiamo individuare i seguenti punti: 
• Inquinamento elettromagnetico, che riguarda sia le interferenze prodotte dai transponder che 
l’immunità all’inquinamento proveniente da altre fonti radio che potrebbe influenzare il 
comportamento di un sistema RFID. 
• Sensibilità agli oggetti metallici che influenzano la distanza di lettura, inoltre risulta 
impossibile identificare un transponder all’interno di un contenitore metallico. 
• Temperature critiche, generalmente i microchip hanno un range di funzionamento limitato 
oltre il quale si potrebbe andare incontro al danneggiamento del chip stesso. 
• Costo elevato. 
1.5 SCOPO DELLA TESI 
Lo scopo di questo lavoro è comprendere meglio il funzionamento di un sistema RFID a 125 kHz 
basato sull’accoppiamento induttivo attraverso la progettazione e la realizzazione di un 
lettore/scrittore general purpose in grado di gestire diversi schemi di modulazione e codifica dei 
segnali. La tesi è organizzata come descritto di seguito. 
Il secondo capitolo è dedicato al tipo di transponder che dovrà essere gestito dal reader oggetto della 
tesi. È riportato in dettaglio l’architettura del transponder, il tipo di comunicazione fra transponder e 
reader e viceversa e le modalità di funzionamento supportate dal transponder stesso. 
Il terzo capitolo è incentrato sul progetto hardware del reader. Sono descritti nel dettaglio tutti i 
componenti principali utilizzati. Particolare attenzione è rivolta al progetto del front end RFID e 
all’antenna utilizzata. E’ stato, inoltre, analizzato, sia con PSPICE che con oscilloscopio digitale, il 
segnale sull’antenna al fine di valutare il comportamento del circuito RLC risonante serie che sta alla 
base del circuito d’antenna. 
Il quarto capitolo è dedicato allo sviluppo del firmware a bordo del reader. Dopo una breve 
descrizione sul sistema di sviluppo e sul linguaggio di programmazione utilizzato, il capitolo analiza 
nel dettaglio il firmware a bordo scheda con l’ausilio di diagrammi di flusso e parti di codice. 
Il quinto capitolo è dedicato allo sviluppo del software per la gestione del reader da PC. Dopo una 
prima parte sul sistema di sviluppo e sul linguaggio di programmazione utilizzato, il capitolo descrive 
nel dettaglio il software sviluppato soffermandosi soprattutto sui form che stanno alla base di tutto e 
sulle diverse schermate che compaiono agendo sui vari controlli (pulsanti, radio button, …). 
Il sesto e ultimo capitolo è dedicato all’analisi dei segnali della scheda attraverso oscilloscopio 
digitale e all’analisi delle prestazioni di una campionatura di tag. In particolare sono stati analizzati i 
segnali del front end RFID nelle sue diverse configurazioni possibili. Per quanto riguarda i tag sono 
stati analizzati in diverse configurazioni reader-tag al fine di stabilire delle relazioni fra caratteristiche 
del sistema reader-tag e distanza di lettura. È stata inoltre valutata l’influenza della presenza di piani 
metallici sull’intero sistema reader-tag.