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Emanuele Giorgi RFID Smart Shelves
INTRODUZIONE
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INTRODUZIONE
Nella presente tesi verrà trattato il tema della localizzazione in ambienti indoor mediante la tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification): i primi sistemi RFID furono caratterizzati da semplici funzioni di identificazione a distanza di oggetti, persone o animali, mediante comunicazioni a radio frequenza tra le etichette elettroniche, o Tag, ad essi applicate ed un Reader. In tempi recenti sono entrati in via di sviluppo sistemi che utilizzano questa tecnologia non solamente per rilevare la presenza di un oggetto all’interno di un certo volume, ma anche per localizzare tale oggetto mediante stima delle coordinate del Tag ad esso applicato. Gli algoritmi di localizzazione che possono essere adottati in sistemi RFID sfruttano principi già ampiamente noti in letteratura, come le tecniche di triangolazione o di prossimità, le quali, tipicamente in seguito a modifiche ed ottimizzazioni, vengono adattate agli RFID.
In questo lavoro di tesi si tratterà dell’implementazione delle cosiddette “Smart
Shelves”, ovvero la realizzazione di scaffali per libri e vestiario, cassetti per medicinali,
credenze o ripiani di frigorifero etc. che siano in grado di localizzare i Tag applicati agli oggetti al loro interno mediante comunicazione con antenne Reader; in particolare ci soffermeremo dettagliatamente sulla progettazione di un cassetto intelligente, ad esempio per medicinali.
Per motivi che verranno illustrati sarà adottata la tecnologia RFID alle frequenze UHF (860MHz), unitamente all’impiego di Tag passivi e si analizzeranno quegli algoritmi che, partendo dalla disponibilità dell’informazione RSSI (Received Signal Strength
Indication), permettano la localizzazione di Tag su una superficie bidimensionale; sarà
dedicato particolare riguardo nei confronti dell’algoritmo k-NN (k-Nearest Neighbor) il quale, a causa dei numerosi problemi di multipath e rumore riscontrati nello scenario di misura del cassetto, è apparsa essere una delle tecniche più robuste e maggiormente affidabili. Uno degli obiettivi di questo lavoro è quello di introdurre delle linee guida di progetto da poter utilizzare nella localizzazione di Tag in questo particolare scenario,
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lasciando a sviluppi futuri la possibilità di una sua applicazione in contesti a più ampia portata, come scaffali o librerie.
Nel primo capitolo saranno brevemente presentate la tecnologia, l’architettura ed il principio di funzionamento di un sistema RFID. Nel secondo capitolo si trova un consistente Stato dell’Arte aggiornato riguardo la localizzazione RFID in generale e con particolare considerazione agli studi ed algoritmi che sfruttano l’informazione RSSI e Tag passivi, in particolare. Nel terzo capitolo si effettueranno misure preliminari del parametro RSSI che il Reader a nostra disposizione fornisce ad ogni lettura di un Tag, in modo da analizzare e conoscere il comportamento del parametro che andremo a sfruttare per localizzare; verranno eseguite misure in un primo scenario in cui Reader, antenna del Reader ed un unico Tag vengono disposti su di un tavolo di legno, in modo da acquisire questi primi valori in un ambiente privo di ostacoli vicini, pur mantenendosi in un ambito reale; successivamente saranno ripetute le misure in presenza del cassetto di legno (anch’esso posizionato sullo stesso tavolo). In tali ambiti, si acquisiranno svariate curve di RSSI in funzione della distanza tra un unico Tag e l‘antenna del Reader: verranno effettuati test al variare della potenza in trasmissione e del tipo di antenna (polarizzazione lineare o circolare), al variare del tipo di Tag (si analizzeranno 5 tipologie di Tag passivi) e della loro orientazione rispetto all’antenna. In presenza del cassetto si effettueranno misure anche al variare del posizionamento dell’antenna, che può porsi in vari modi su uno dei lati oppure sotto al cassetto.
Nel quarto capitolo, sfruttando le informazioni ricavate nel capitolo precedente che hanno posto le basi per la scelta del set-up di misura, si effettuano test dell’algoritmo scelto, il k-NN (algoritmo basato su Tag di Riferimento e sulle differenze di RSSI tra tali riferimenti ed i Tag incogniti) all’interno del cassetto ed in presenza di molti Tag (fino a quaranta circa) in modo da simulare una cassettiera con una densa quantità di medicinali. Sarà infine presentata un’analisi critica dei risultati, fornendo due possibili parametri di valutazione della bontà delle stime ottenute: il primo riguarda la misura dell’errore medio commesso nel cassetto e dell’errore per ogni Tag, mentre il secondo si tratta di un parametro probabilistico mediante il quale, dividendo il cassetto in più zone di
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localizzazione, si calcola la percentuale di stima corretta in funzione della regione di appartenenza.
Un ringraziamento va al professor Paolo Nepa, docente presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, università di Pisa, che ha definito e supervisionato tutte le fasi di questo lavoro e la stesura della tesi, nonché ad Ing. Gabriele Isola, referente di CAEN RFID che ha fornito tutta la strumentazione per le misure, Reader, Tag, antenne, oltre alla sua disponibilità per utili suggerimenti riguardo il loro principio di funzionamento ed utilizzo; ringrazio anche Ing. Alice Buffi, dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, università di Pisa, per la disponibilità e l’aiuto fornito nella prima fase della tesi dedicata alla ricerca riguardante lo Stato dell’Arte su questa tecnologia. Un ringraziamento in particolare va anche ad Ing. Andrea D’Alessandro, dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, università di Pisa, che mi ha seguito attivamente durante tutta la fase sperimentale delle misure caratterizzando un ottimo lavoro di gruppo, nonché per i suoi consigli e la sua supervisone durante la stesura di questa stessa tesi.
