Tecnologia RFID: concetti base

ISC.SPAD102 Shielded Pad Antenna (schermata) con reader RFID HF integrato

Reader&Antenna RFID in banda HF 

Acronimo inglese di Radio Frequency Identification, l’RFID è la tecnologia di identificazione automatica basata sulla propagazione nell’aria di onde elettro-magnetiche, consentendo la rilevazione univoca, automatica (hand free), massiva e a distanza di oggetti, animali e persone sia statici che in movimento.

L’RFID interviene a monte della filiera del dato, acquisendolo con peculiarità tecniche e quindi prestazionali uniche, così da diventare l’abilitatore dell’infrastruttura IoT, la scintilla per l’interconnessione di persone, oggetti, servizi e processi.

Identificare, quindi attribuire un’identità elettronica univoca al prodotto e autenticarlo, tracciare il suo ciclo di vita, seguendolo nelle sue fasi di produzione, distribuzione e consumo, raccogliere ed intrecciare dati  lungo questo percorso (Big Data), generati dai molteplici attori coinvolti in un processo dinamico e consapevole di co-creazione di valore tramite l’informazione – RFID Value Chain.

E’ questo il contesto in cui opera l’RFID, ponte tra mondo fisico e mondo digitale capace di influenzare l’intera vita del dato, non solo l’acquisizione, ma anche l’integrazione, analisi, evoluzione in informazione, per finire con la sua fruizione da parte del final user o del consumer.

Perché tracciare il prodotto? Come risponde l’RFID a questa domanda?

L’ascolto del mercato ci porta ad individuare 4 principali aspettative sulla tracciabilità e rintracciabilità: reagire con tempestività in caso di richiami e ritiri del bene, intervenendo in modo chirurgico e selezionando solo i lotti interessati a questa azione, tutelare la sicurezza dei consumatori, con un benefico riflesso sull’appeal del brand, ridurre la contraffazione e il mercato grigio, quindi anche il danno economico ingente soprattutto nei settori del Made-in-Italy (fashion, food & beverage), e rispettare i requisiti normativi.
Al cuore della tracciabilità si trova quindi il concetto di visibilità, inteso come identificazione del prodotto e dell’attore della supply chain che con esso interagisce, raccolta delle informazioni affidabili e in tempo reale per renderle disponibili, condividendole lungo l’intera filiera.

Wearable Computer e Data Collection RFID

Su questi presupposti si inserisce l’RFID, che opera ai fini della tracciabilità lungo il percorso produzione-distribuzione-vendita del bene, intersecando molteplici settori del manufacturing e adattando il suo identikit tecnico alle peculiarità dell’ambiente operativo.

Quali i punti di forza dell’RFID nel rispondere ai bisogni di identificazione e tracciabilità?

  • I tag possono essere non solo letti, ma anche scritti, quindi le informazioni contenute nella memoria del chip possono essere modificate e aggiornate nel tempo in modo da tenere traccia di trasformazioni o passaggi cui l’oggetto è sottoposto durante il suo ciclo di vita: con il tag RFID l’informazione segue il prodotto, dall’inizio della sua creazione fino al suo smaltimento, divenendo un’etichetta narrante;
  • Le letture e scritture possono essere effettuate automaticamente e senza visibilità ottica, grazie al canale in cui avviene la trasmissione dei dati, ossia le onde radio: è quindi possibile rilevare le etichette contenute all’interno di scatole, confezioni, ecc. anche senza l’intervento dell’operatore;
    unico vincolo: i tag non possono essere ospitati all’interno di contenitori metallici che, per effetto della “Gabbia di Faraday”, risultano impermeabili ai campi elettromagnetici. 
  • Le letture e scritture possono avvenire non singolarmente ma a lotti, ossia in modo massivo: una popolazione di tag RFID che attraversa un campo elettromagnetico (es. varco) è rilevata contemporaneamente (anti-collisione).
RFID Pad Antenna HF - RFID Global
  • Le letture e scritture possono avvenire a varie velocità e con qualunque orientamento della etichetta (3D), nel rispetto però di alcuni accorgimenti tecnici (es. dimensioni del tag e dell’antenna); 
  • Ogni microchip di silicio ospitato nel tag RFID contiene un codice univoco al mondo e non è scrivibile né modificabile in alcun modo, ma solo leggibile; in termini di sicurezza, ciò significa che il tag non può essere clonato, essendo l’unicità garantita dai produttori dei microchip (Texas Instruments, Philips, STMicroelectronics, etc.), in accordo con gli organismi internazionali di standardizzazione (protocolli ISO);
    altro decisivo effetto di questa particolarità: l’RFID identifica non un tag (quindi oggetto/persone/animale), ma IL tag.
  • Il tag RFID può assumere forme, dimensioni e rivestimenti vari, adattabile quindi in applicazioni custom, anche in ambienti ostici (es. alte temperature, presenza di acqua, detergenti, polvere, coloranti, solventi ed agenti chimici), e può essere recuperato.

L’articolato mondo della produzione richiede sistemi RFID – tag/transponder, reader, antenne e mobile device – per l’identificazione e la tracciabilità altrettanto articolati: le esigenze del fashion sono diverse da quelle del food&beverage e pharma, le aspettative e l’ambiente operativo dell’automotive e della produzione di quadri e motori elettrici per l’automazione differiscono dal comparto siderurgico, l’incipit dell’innesto tecnologico nella produzione della pietra naturale si distingue da quello della tracciabilità di vernici ed inchiostri per imballi.
Poiché in ognuno di questi scenari l’RFID affronta sfide ed aspettative differenti, che possono andare dalla distanza di lettura all’identificazione massiva degli oggetti, abbiamo creato un catalogo prodotti di oltre 400 componenti RFID, corredati da Engineering Services per accrescere ulteriormente il valore di questa auto-ID technology.

 

La natura progettuale della tecnologia: RFID VALUE CHAIN

Se da un lato le potenzialità dell’RFID si intuiscono già da quanti fino ad ora esposto, dall’altro non bisogna però considerare questa tecnologia come una panacea, in grado di superare sempre ogni freno applicativo: oltre ai dogmi della fisica, tra cui la presenza di sostanze metalliche che possono schermare la propagazione elettro-magnetica, è doveroso considerare anche aspetti operativi legati al lean management di ogni organizzazione, quindi individuare l’architettura RFID idonea alle esigenze applicative ed un modus operandi in linea con l’utente, senza stravolgerne le normali e collaudate procedure lavorative.

L’RFID è infatti una tecnologia progettuale e non Plug&Play, che necessita di un collaudato know-how ed una gamma di iniziative ed attività di supporto collaborativo lungo tutto il processo di proposizione, vendita ed implementazione, in un’unica dicitura “valore aggiunto”, tra cui training mirati, una gradazione completa di device RFID (layer fisico, quindi solo hardware), supporto in fase di proof-of-concept per verificare prima teoricamente e poi empiricamente la fattibilità della soluzione RFID, e disponibilità dell’RFID Testing Center, che gli Integrator Partner possono visitare, anche con i loro clienti, per “toccare con mano” il funzionamento dell’RFID.

Esistono ad esempio una serie di accorgimenti per consentire la lettura (e scrittura) di transponder orientati in qualsiasi modo (lettura 2D o 3D), fra i quali i più utilizzati sono:

  • Con antenne od oggetti (dotati di tag) in movimento si ottiene una lettura a più orientamenti,
  • Più antenne con diversi orientamenti accese alternativamente (multiplexer in radiofrequenza) a costituire un tunnel di lettura,
  • Antenne contrapposte con campo elettromagnetico sfasato a costituire un gate 3D di lettura.
Tunnel RFID per la tracciabilità automatica in linea di confezionamento vino

Tunnel RFID per la tracciabilità automatica in linea di confezionamento vino

Dettagli tecnologici

Esistono due grandi famiglie di tecnologie RFID, a seconda della sorgente di energia che la alimenta: nell’RFID passiva, i tag ricevono l’energia necessaria ad operare dal campo RF fornito dal sistema di lettura, con una distanza di lettura limitata (fino a 10-15m).

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) - Dimostrò l'esistenza delle onde elettromagnetiche alla base della Tecnologia RFID

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)

Un sistema con tecnologia RFID passiva può operare in bassa frequenza (LF), alta (HF) o altissima frequenza (UHF e VHF):

  • RFID passivo LF (125-135 KHz): utilizzabile worldwide con distanza di lettura limitata ed applicata per antifurti, chiavi, etc.
  • RFID passivo HF (13,56 MHz), normalizzata dagli standard ISO 14443 e ISO 15693; è utilizzata worldwide, con distanza di lettura ridotta (fino a 1,20 mt.) ed applicata per libri, pallet, controllo accessi, abbigliamento etc.
  • RFID passivo UHF (868-915 MHz): incontra limiti locali definiti dalle autorità dei singoli paesi, applicata per pallet, container, etc. VHF (2,4 o 5,8GHz): utilizzata globalmente per transponder attivi, applicata per controllo accessi, veicoli, etc.

Nell’RFID attiva, invece, i tag vivono di un’alimentazione propria, normalmente costituita da una batteria a lunga durata: quando interrogati dal sistema di lettura, detti tag emettono una propria energia in radio-frequenza in grado di propagarsi su distanze più consistenti; utilizzando l’avanzata tecnologia di trasmissione radio nella banda UHF, gli apparati RFID Attivi trasmettono e ricevono dati a distanze fino a 100 metri (Tag i-B2) o fino a 500 metri con tag della famiglia i-Q350.

RFID: come funziona

Un sistema RFID, in particolare, si compone di transponder, detto anche tag, il cui chip contiene i dati, di antenna, per comunicare con il tag e gestita dal controller, e di reader (o controller), che attraverso il segnale radio legge l’identificativo del tag e può scriverne la memoria, trasmettendo poi il segnale all’host (PC) o in cloud.

Un sistema RFID può operare in bassa frequenza (LF), alta (HF) o altissima frequenza (UHF e VHF):

  • LF (125-135 KHz): utilizzabile worldwide con distanza di lettura limitata ed applicata per antifurti, chiavi, etc.
  • HF (13,56 MHz), normalizzata dagli standard ISO 14443 e ISO 15693; è utilizzata worldwide, con distanza di lettura ridotta (fino a 1,20 mt.) ed applicata per libri, pallet, controllo accessi, abbigliamento etc.
  • UHF (868-915 MHz): incontra limiti locali definiti dalle autorità dei singoli paesi, applicata per pallet, container, etc.
  • VHF (2,4 o 5,8GHz): utilizzata globalmente per transponder attivi, applicata per controllo accessi, veicoli, etc.

In particolare, i tag / transponder RFID sono sostanzialmente delle memorie dotate di un apparato radio ricetrasmittente, spesso inserito nel medesimo chip di silicio: eccitato da un apparato esterno (fisso o portatile) con il quale stabilisce un dialogo via radio, il tag restituisce poi il suo codice identificativo e/o le altre eventuali informazioni contenute.
I tag RFID possono assumere svariate forme a secondo del tipo di applicazione considerata: ad esempio i tag utilizzati per l’identificazione degli animali sono di piccolissime dimensioni, in quanto devono essere inseriti sotto la pelle (ci sono progetti pilota anche su esseri umani in ambito sanitario), mentre per applicazioni di controllo accessi assumono le sembianze di una carta di credito o del più classico badge.

Le antenne RFID, gestite dal controller, generano un campo magnetico che “risveglia” il tag, avviando così la comunicazione via radio; le antenne, talvolta incorporate nel controller, possono essere a polarizzazione lineare oppure circolare, in base alle condizioni di lettura, all’orientamento dei tag ed all’ambiente in cui opera l’RFID.

Il controller RFID, detto anche lettore o reader, è la componente di un sistema RFID dedicata alla lettura/identificazione e scrittura dei tag RFID e della comunicazione dei loro codici ai sistemi di alto livello (Middleware o ERP) tramite le antenne, l’altro elemento del sistema che irradia il segnale RF.

Tag RFID waterproof in banda HF per applicazione nel food

La potenza del controller, unitamente al tipo di antenna ad esso collegata, ne determina una delle performance più importanti, ossia la distanza di lettura (del tag), che può essere qualificata in 4 tipologie:

  • Proximity: letture da 10cm fino max 20-25cm
  • Vicinity: letture su alcune decine di cm
  • Mid Range: distanza di ca. 1 m
  • Long Range: alcuni metri

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