Elenco delle figure. ... v

Indice

Lista degli acronimi. ... iv

Elenco delle figure. ... v

Elenco delle tabelle. ... ix

Ringraziamenti. ... xi

Introduzione. ... 1

1. Elementi delle tecnologie RFId. ... 4

1.1. Elementi basilari della tecnologia RFId standard. ... 5

1.1.1. L’architettura di un sistema RFId... 7

1.1.2. Classificazione dei prodotti RFId. ... 11

1.1.3. Cenni sugli standard utilizzati nella tecnologia RFId. ... 29

1.1.4. Applicazioni dell’RFId ... 32

1.2. La tecnologia RFId&Sensing o SRFId. ... 34

1.2.1. La tecnologia Zero Power Wireless (ZPW). ... 37

1.3. Trend evolutivi della tecnologia RFId e SRFId. ... 38

2. Stato dell’arte e progetto micro – ZPW. ... 42

2.1. Analisi delle tecnologie, consolidate e innovative, d’identificazione e tracciabilità dei prodotti e monitoraggio della loro qualità nella CSC. ... 42

2.1.1. Tecnologie per l’identificazione e la tracciabilità automatica dei prodotti. . 44

2.1.2. Tecnologie per la registrazione di dati sulla qualità dei prodotti. ... 49

2.1.3. Soluzione ricercata per la registrazione di dati sulla qualità dei prodotti. .... 55

2.2. Analisi di chip per transponder sensorizzati e di transponder sensorizzati. ... 57

2.2.1. Circuiti integrati per transpoder sensorizzati. ... 58

2.2.2. Transpoder sensorizzati. ... 65

3. Progetto del Prototipo Transponder Sensorizzato Passivo (PTSP). ... 69

3.1. Il transponder ZPW e il prototipo del sensore chimico. ... 70

3.1.1. Il transponder ZPW (del tipo GreenSensing PT100 prodotto da Tertium). .. 70

3.1.2. Specifiche sul sensore chimico. ... 72

3.2. Progetto del circuito di interfaccia tra sensore e microcontrollore: convertitore resistenza-frequenza. ... 74

3.2.1. Scelta del tipo di oscillatore: multivibratore astabile realizzato con IC Timer 555 (integrato LMC555CM National Semiconductor). ... 76

3.2.2. Configurazione utilizzata e relazione di conversione R

– frequenza. ... 80

3.2.3. Dimensionamento del convertitore. ... 81

3.2.4. Analisi Worst-Case/Montecarlo per valutare l’effetto delle derive di R

, R

e C sulla frequenza di oscillazione e sulla resistenza misurata con la (3-6). ... 86

3.2.5. Prototipo del convertitore e test di misura. ... 93

3.3. Modifiche apportate alla scheda ZPW per renderla adatta ad alloggiare il convertitore. ... 100

3.4. Il PTSP realizzato. ... 103

4. Acquisizione dati dal sistema PTSP ed elaborazione della misura. ... 104

4.1. Setup di misura e procedura di misura seguita. ... 104

4.2. Risultati dei test. ... 107

4.3. Prove sui prototipi del sensore chimico (a temperatura ambiente). ... 111

5. Conclusioni e sviluppi futuri. ... 113

5.1. Conclusioni. ... 113

5.2. Sviluppi futuri. ... 113

5.2.1. Migliorie prototipo. ... 113

5.2.2. Altre linee di sviluppo. ... 114

Appendice A: Schema elettrico del transponder ZPW. ... 115

Appendice B: Indici statistici e rispettivi migliori stimatori statistici. ... 116

Bibliografia. ... 117

Lista degli acronimi.

Si riporta la lista degli acronimi utilizzati più diffusamente nell’elaborato.

ADC Convertitore Analogico Digitale ASIC Application Specific Integrated Circuit

CSC Cold Supply Chain

Micro-ZPW sigla impiegata da Tertium Technology per il progetto iniziato con questa tesi

PTSP Prototipo di Transponder Sensorizzato Passivo

RF Radio Frequency

RFId Radio Frequency Identification

SAW Surface Acoustic Waves

SRFId RFId Sensing

TTI Time Temperature Indicator

WSN Wireless Sensor Network

ZPW Zero Power Wireless

Elenco delle figure.

Figura 1.1: Panoramica dei più diffusi sistemi d’identificazione automatica [ (1)]. ... 5

Figura 1.2: La tecnologia RFId come sintesi di più tecnologie . ... 7

Figura 1.3: Componenti di un sistema RFId standard. ... 8

Figura 1.4: Reader e transponder sono i principali componenti di ogni sistema RFId [ (1)]. ... 9

Figura 1.5: Layout di base del transponder. A sinistra, transponder accoppiato induttivamente con antenna a bobina; a destra, transponder a microonde con antenna dipolare [ (1)]. ... 10

Figura 1.6: Schema a blocchi semplificato di un reader RFId [ (5)]. ... 10

Figura 1.7: Infrastruttura informativa EPCGlobal per sistemi RFId [ (4)]. ... 11

Figura 1.8: Frequenza e sua influenza [ (7)]. ... 15

Figura 1.9: Regolamentazione delle frequenze: bande ISM [ (1)]. ... 15

Figura 1.10: Frequenze utilizzate per i sistemi RFId e relativi standard. ... 17

Figura 1.11: Regioni di campo vicino e campo lontano per frequenze diverse [ (4)]. ... 19

Figura 1.12: Accoppiamento induttivo (magnetico) [ (3)]. ... 21

Figura 1.13: Classificazione rispetto al tipo di frequenza/applicazione/accoppiamento [ (8)]. ... 21

Figura 1.14: Rappresentazione di sistemi full duplex, half duplex e sequenziali nel tempo. Il trasferimento dei dati dal lettore al transponder è chiamato downlink, mentre il trasferimento dei dati dal transponder al lettore è chiamato uplink [ (1)]. ... 23

Figura 1.15: Comparazione dimensioni memoria/funzionalità del TAG [ (1)]. ... 27

Figura 1.16: Scopo degli standard. ... 29

Figura 1.17: Classificazione dei TAG per Standard/Frequenze/Applicazioni [ (4)]. ... 31

Figura 1.18: Architettura I e II di sistemi SE–RFId [ (15)]. ... 36

Figura 1.19: Architettura di sensor–tags, reader RFId, stazione base [ (14)]. ... 36

Figura 1.20: Sensor–tags che formano una rete cooperative ad hoc [ (14)]. ... 36

Figura 1.21: Capacità di elaborazione in funzione del consumo di potenza. Confronto tra tecnologie RFId (passive), tecnologie RFId (passive) con capacità sensoriale (SRFId), tecnologie RFId (passive) con capacità sensoriale e di elaborazione (SPRFId), tecnologie (attive) WSN [ (7)]. ... 37

Figura 1.22: (a) TAG plastico (PolyIC), (b) TAG SAW (CTR), (c) Confronto tra elettronica “tradizionale” e elettronica “stampata”. ... 41

Figura 2.1: Sono evidenziati i differenti livelli di identificazione e gli ambiti in cui si applicano più diffusamente i TAG RFId. In generale, sulla singola confezione e sull’imballaggio (cassa, cartone, etc) si applica quasi sempre un’etichetta RFId passiva (del tipo “usa e getta”, in tal caso si parla anche di applicazioni open loop) mentre sul contenitore di trasporto (pallet, container, etc) si applicano transponder semi–passivi o attivi (recuperabili e riutilizzabili molte volte, in tal caso si parla anche di applicazioni closed loop) [Figura ripresa da (4)]. ... 46

Figura 2.2: Bokode. Confronto con i più comuni codici a barre. ... 47

Figura 2.3: Oltre alla tracciabilità della filiera alimentare sono presentati altri possibili scenari di utilizzo per Bokode. ... 49

Figura 2.4: Esempi di TTI in commercio. ... 51

Figura 2.5: Esempi di TAG RFId (a) semi–passivi e (b) attivi in banda UHF con funzione data logger. ... 52

Figura 2.6: Etichetta con sensore e batteria stampata (VarioSens®). ... 54

Figura 2.7: Fonti energetiche ambientali disponibili, tipi di Harvesting Technology e relative densità di potenza ricavabile. ... 54

Figura 2.8: Schema funzionale MLX90129 [ (24)]. ... 59

Figura 2.9: Shema a blocchi MLX90129 [ (24)]. ... 60

Figura 2.10: Circuito base ZWIR4121[ (25)]. ... 61

Figura 2.11: Caratteristiche IDS–SL13A [ (26)]. ... 62

Figura 2.12: Schema a blocchi IDS–SL13A [ (26)]. ... 63

Figura 2.13: Principali caratteristiche e pin out del chip XT01. ... 64

Figura 2.14: Principali caratteristiche di VarioSens [ (27)]. ... 66

Figura 2.15: Scheda tecnica MTsens [ (28)]. ... 67

Figura 3.1: (a) Schema a blocchi del prototipo sviluppato con componenti elettronici standard; (b) schema a blocchi del progetto micro–ZPW. Si noti che le figure non

sono in scala. ... 70

Figura 3.2: Transponder ZPW (del tipo GreenSensing PT100). ... 71

Figura 3.3: Prototipi del sensore chimico. ... 73

Figura 3.4: Schema a blocchi di un sistema di misura classico. ... 75

Figura 3.5: Cicuito di interfaccia basato su un oscillatore collegato a un sensore modulatore. ... 76

Figura 3.6: Oscillatore a rilassamento basato su trigger di Schmitt. ... 76

Figura 3.7: Multivibratore astabile (D > 50%). ... 77

Figura 3.8: Oscillatore con D = 50%. ... 78

Figura 3.9: Oscillatore con D = 50% (derivato dalla configurazione di Figura 3.8) con cui si converte R

(sensore inserito tra i nodi A e B) in frequenza... 78

Figura 3.10: Grafico qualitativo della relazione di conversione (3-6). ... 82

Figura 3.11: Andamento della (3-6) al variare di C tenendo fissi gli estremi F0 e F’. ... 83

Figura 3.12: Capacità parassite. ... 84

Figura 3.13: Oscillatore dimensionato dopo analisi in Spice. ... 85

Figura 3.14: Distribuzione uniforme utilizzata per le equazioni (3-11), (3-12) e (3-13). . 88

Figura 3.15: Distribuzione di una generica misura: errori sistematico e casuale [ripresa da (42)]. ... 93

Figura 3.16: Prototipo realizzato. ... 94

Figura 3.17: Prototipo convertitore con primo schermo elettromagnetico. ... 94

Figura 3.18: Prototipo convertitore con secondo schermo elettromagnetico ... 95

Figura 3.19: Elaborazione di R

dalle misure Fmis_1 di Tabella 3.14. ... 99

Figura 3.20: Metodo di misura della frequenza implementato nella schedaZPW. ... 101

Figura 3.21: Collegamenti sul microcontrollore presente nella scheda ZPW. ... 101

Figura 3.22: Scheda ZPW modificata per alloggiare il convertitore R

-f. ... 102

Figura 3.23: Schema connessioni [MSP430F1121AIPW] – [CONVERTITORE R

-F] –

[SENSORE]. ... 103

Figura 3.24: PTPS realizzato. ... 103 Figura 4.1: Setup di misura. ... 104 Figura 4.2: Sistema reader - PTPS preparato per l'acquisizione delle misure. ... 105 Figura 4.3: Schema di principio della modifica hardware da apportare al convertitore per

implementare la procedura di misura studiata su microcontrollore. ... 107 Figura 4.4: Risultati delle misure sui resistori di test. ... 109 Figura 4.5: Distribuzioni dei 500 campioni attorno al valor medo e rispetto al valore

nominale sia per i dati elaborati con la (3-6) sia per i dati elaborati con la (3-14) . 109 Figura 4.6: Misura della resistenza del sensore (composto1) in funzione del tempo. La

temperatura è variata nell’intervallo 25-30°C. ... 112 Figura 4.7: Misura della resistenza del sensore (composto2) in funzione del tempo. La

temperatura è variata nell’intervallo 25-30°C. ... 112

Elenco delle tabelle.

Tabella 1.1: Confronto tra TAG passivi, semi–passivi e attivi (4). ... 13

Tabella 1.2: Confronto di TAG per Frequenze/Prestazioni [ (4)]. ... 18

Tabella 1.3: Classificazione dei TAG, in base alla funzionalità, per classi EPC Global. . 27

Tabella 1.4: Confronto di TAG per Frequenze operative/Standard (4). ... 32

Tabella 1.5: Settori e applicazioni RFId correnti. ... 33

Tabella 2.1: Confronto tra BARCODE ed RFId. ... 45

Tabella 2.2: Confronto tra le quattro tecnologie in termini di perfomance. ... 55

Tabella 2.3: Confronto tra le quattro tecnologie in termini di costi e complessità. ... 55

Tabella 2.4: Tecnologie più utilizzate per l’identificazione e la tracciabilità dei prodotti e per il monitoraggio dei parametri indicativi della qualità dei prodotti. ... 57

Tabella 2.5: Confronto di IC per transponder sensorizzati (tutti operanti a 13,56 MHz e rispondenti allo standard ISO/IEC 15693). ... 65

Tabella 2.6: Confronto fra transponder sensorizzati (tutti operanti a 13,56 MHz e rispondenti allo standard ISO/IEC 15693, i prodotti TELID operano a varie frequenze e rispondono a vari standard). ... 68

Tabella 3.1: Caratteristiche elettriche, architetturali e periferiche effettivamente disponibili nel microcontrollore MSP430F1121AIPW. ... 72

Tabella 3.2: Componenti commerciali di precisione utilizzati per il convertitore. ... 86

Tabella 3.3: Risultati delle simulazioni (T = 27°C) sul circuito di Figura 3.13. ... 87

Tabella 3.4: Tolleranza resistenze calcolata con il metodo RSS. ... 89

Tabella 3.5: Tolleranza condensatore calcolata con il metodo RSS. ... 89

Tabella 3.6: Schema del foglio di calcolo impostato per il calcolo della frequenza di oscillazione. ... 90

Tabella 3.7: Risultati numerici ottenuti per la frequenza di oscillazione con C = 33pF. .. 90

Tabella 3.8: Schema del foglio di calcolo per determinare ࡲ૙ e ࡲλ da inserire nella

(3-6). ... 91

Tabella 3.9: Schema del foglio di calcolo per determinare R

. ... 91

Tabella 3.10: Risultati numerici ottenuti per R

(con C = 33pF). ... 91

Tabella 3.11: Valutazione dell’influenza delle derive su f

e su R

. ... 92

Tabella 3.12: Risultati sperimentali delle misure sul prototipo di Figura 3.17. La temperatura è variata nell’intervallo 25-30°C. ... 96

Tabella 3.13: Confronto tra le misure sperimentali e le misure simulate... 97

Tabella 3.14: Calcolo di E

per le misure F

. ... 98

Tabella 3.15: Calcolo di E

per le misure F

. ... 98

Tabella 3.16: Calcolo di E

per le misure F

. ... 98

Tabella 4.1: Misure elaborate secondo la (3-6) sulla base delle frequenze acquisite con il PTPS. ... 108

Tabella 4.2: Misure elaborate secondo la (3-14) sulla base delle frequenze acquisite con il PTPS. ... 108

Tabella 4.3: Calcolo di ࡾ࢓ e di ࡱ࢘ ... 110