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25/01/2023 | Desarrollo de aplicaciones,Sistema embebido,Tecnologías
Tecnología RFID: En qué consiste, cómo funciona y para qué sirve.
RFID son las siglas para Identificación por Radiofrecuencia (Radio Frequency IDentification) y es un tipo de tecnología que pertenece a las denominadas tecnologías de Auto-ID, como lo son los Códigos de Barras o las tarjetas de banda magnética entre otras.
Como su nombre nos indica, la RFID hace uso de las ondas de radio para identificar todo tipo de elementos. Desde artículos individuales hasta lugares e incluso personas o animales, lo único que varía de uno a otro es como se organiza la información de aquello que se identifica. Tiene varias posibilidades de uso aunque una de las más comunes es la identificación de un objeto por medio de un número único.
Un poco de historia
Antes de abordar el funcionamiento de esta tecnología, vamos a contextualizar de dónde viene. Ya que se dice que es una tecnología nueva, aunque lleva existiendo desde antes de los códigos de barras.
Nos remontamos a la década de 1920, donde el MIT ya desarrolla lo que se considera un primer paso hacia el RFID; por medio de ondas de radiofrecuencia logran intercambiar información entre dos máquinas.
En la Segunda Guerra Mundial empezaron a utilizarse las ondas de radiofrecuencia para la detección de aviones. Tanto las fuerzas británicas como alemanas hacen uso de ellas. Aunque fueron las fuerzas británicas quienes consiguieron desarrollar un sistema que podía diferenciar aliados de enemigos.
Desde entonces, empiezan a investigarse sistemas que combinan el uso de radiodifusión y de radar. Se investigan sistemas de RFID tanto activos como pasivos. En 1948 se publica un artículo titulado “Comunicación por medio de la energía reflejada” por Harry Stockman el cual es considerado el nacimiento de la tecnología RFID.
Durante los posteriores años se siguen desarrollando tecnologías con diferentes aplicaciones, como sistemas antirrobo, los cuales comienzan a usarse a finales de la década de los 60. En 1973 se crea las primeras patentes sobre RFID, Mario Cardullo obtiene la patente sobre etiquetas con memoria regrabable y Charles Walton logra patentar un transpondedor pasivo para el desbloqueo de puertas sin el uso de una llave, además de ser el primero en usar el acrónimo RFID.
Llegamos a 2006 donde comienzan a aparecer estándares abiertos por parte de algunas empresas, además de la aparición de algunos manufacturadores de componentes RFID (como lectores y etiquetas). Lo que propició una democratización de esta tecnología y un mayor adopción y uso de esta.
¿Cómo funciona el sistema RFID?
A la hora de implementar un sistema RFID dentro de un proyecto, siempre vamos a encontrar una serie de elementos, los cuales atenderán a las necesidades del propio sistema físico como las etiquetas, las antenas y el lector, o atenderán a las necesidades de negocio, como son el estándar de EPC o el Middleware. Y en las que vamos a ir indagando una a una.
Etiquetas
Una de las partes principales del estándar de RFID son las etiquetas. Estas son las que almacenarán la información que identifique a cada elemento dentro de un rango de actuación. Podemos encontrarnos estas etiquetas en una gran variedad de formatos, dependiendo tanto del tipo de antena que se esté utilizando como de su desempeño.
Empecemos clasificando las etiquetas por su desempeño. En este caso podemos encontrar tres tipos:
- Etiquetas pasivas: Son etiquetas de muy bajo coste, normalmente podemos encontrarlas en formato de pegatina. Son las más utilizadas y las encontramos frecuentemente en nuestro día a día. Suelen utilizarse para frecuencias bajas (LF), aunque también existen etiquetas para frecuencias altas (HF) y ultra altas (UHF). Su diseño no incluye un sistema de alimentación, simplemente se induce la energía al circuito mediante la señal que le llega del lector, la cual le permite recibir y transmitir la información que almacena.
- Etiquetas activas: Estas sí que cuentan con un sistema de alimentación propio con el cual emiten una señal de manera constante en un rango más amplio. La señal también será más potente, por lo que puede traspasar entornos más difíciles para señales de radiofrecuencia como pueden ser el agua o el metal. Además de pueden operar a largas distancias, ya que no dependen de la intensidad de la señal que reciban del lector.
- Etiquetas semipasivas: En este caso, también contamos con un sistema de alimentación, aunque este sólo se encarga de alimentar el microchip y no de transmitir una señal. La transmisión funciona de la misma manera que una etiqueta pasiva. La ventaja que tienen este tipo de etiquetas sobre las etiquetas pasivas es que no necesitan una antena diseñada para inducir energía, lo que la hace más rápido en responder. Es también ventajosa frente a las etiquetas activas puesto que su vida útil es mucho más larga.
Como mencionamos antes, también podemos encontrar diferentes etiquetas en base a el tipo de antena que utilices. En este caso también podemos diferenciar tres tipos:
- Etiquetas de baja frecuencia (LF): Estas etiquetas no pueden leerse a grandes distancias, 10 centímetros como mucho. Suelen operar en frecuencias entre los 125 y los 140 KHz (esto puede variar dependiendo de la región y/o de cómo se utilice). Se suelen utilizar para controles de acceso, seguimiento de artículos, identificación de animales, puntos de venta, entre otros posibles usos.
- Etiquetas de alta frecuencia (HF): Las distancias de lectura que pueden alcanzar estas etiquetas pueden llegar hasta un metro de distancia. Normalmente operan entre los 1.75MHz y los 13.56 MHz. Estas pueden usarse en sistemas de pago, sistemas de control de acceso, transferencia de datos o en sistemas de tickets (para transporte público o para algunos eventos).
- Etiquetas NFC: Este tipo de tecnología nace a partir del estándar RFID. Trabajan en el mismo rango de frecuencias que las etiquetas de alta frecuencia, solo que es necesario que el lector esté cerca a la etiqueta (por eso su nombre, Near Field Communication). Actualmente tienen todo tipo de usos, aunque uno de los más conocidos es en terminales de pago.
- Etiquetas de frecuencia ultra alta (UHF): Estas suelen operar en frecuencias de entre 860 y 960 MHz, en 433MHz y 2.45 GHz. Este tipo de frecuencias suelen aplicarse en etiquetas tanto activas como pasivas y esto cambia la distancia que puede alcanzar la señal y el uso que se les da.
-
- Etiquetas UHF pasivas: Tienen un rango de alrededor de 30 metros, son muy sensibles a agua y metales y suelen aplicarse para el seguimiento de herramientas de trabajo, varios tipos de artículos y cronometraje en carreras.
- Etiquetas UHF activas: Pueden alcanzar un ratio de 100 metros, resiste mejor situaciones adversas que las etiquetas pasivas. Son usadas frecuentemente en industrias de combustibles fósiles, transporte y seguimiento de vehículos o materiales de construcción.
Lector
Este componente también es clave en cualquier sistema RFID. Podríamos decir que es el encargado de que es el “cerebro” del sistema. Desde el lector (o interrogador) se configura la potencia con la que trabajarán las antenas y lanzará, por medio de ellas, señales constantemente para suministrar energía a las etiquetas pasivas y leer su contenido o escribirlo.
Suelen venir también acompañados de otros tipos de conexiones para poder servir la información recopilada, como puede ser Ethernet, WiFi u otro tipo de protocolos de comunicación. O pueden ir conectado por medio de algunos puertos I/O a otros periféricos como luces o bocinas, los cuales pueden activar.
Podemos encontrarnos diferentes tipos de formatos de lectores:
- Lectores fijos: Se usan normalmente en almacenes dónde puedan hacer recuento de inventario lanzando señales continuamente e informándonos de nuevos artículos o retirada de estos.
- Lectores portátiles: Pueden conectarse a una gran variedad de dispositivos, nos permiten mantener el seguimiento de nuestros productos, paquetes, etc.
- Lectores USB: Lectores sencillos que pueden ser utilizados como periféricos para una aplicación sencilla. Son de corto alcance. Pueden utilizarse para mantener el stock de una tienda, por ejemplo.
- Túneles: Usados para leer etiquetas dentro de cajas o cualquier tipo de paquetería. Son muy comunes en logística.
Podemos, también, diferenciar los lectores entre «tontos» e inteligentes: Los lectores tontos simplemente leen etiquetas y reportan la información leída, estos requerirán de un Middleware que trabaje esta información para transmitirla al back-end, en cambio, los lectores inteligentes vienen integrados con software que les permite filtrar, agregar o incluso analizar la información con el fin de darle un sentido para sistema de back-end. Normalmente los lectores también pueden venir integrados con una interfaz de configuración para ajustar diferentes parámetros.
Memoria
La forma en la que se escriben datos en la memoria de un transpondedor sigue el estándar de la organización GS1.
El mapa de memoria de un transpondedor tiene 4 bancos de memoria: Memoria reservada, memoria EPC, memoria para identificación del transpondedor (TID) y memoria de usuario.
- Memoria reservada (banco 0): Guarda las contraseñas de acceso y bloqueo del transpondedor, cada una de 32 bits de tamaño.
- Memoria EPC (banco 1)
Almacena el EPC (código de producto electrónico), que es un sistema para la identificación de objetos físicos, unidades de carga, ubicaciones… A cada objeto físico se le puede asignar un EPC único y con un EPC se puede identificar un objeto.
Hay 4 formas de representar un EPC:
- Clave GS1: Es un identificador definido en la especificación general GS1. Hay 9 tipos de clave GS1, cada uno usado para identificar un tipo de objeto. No cualquier clave GS1 se corresponde con un EPC, ni viceversa. Por ejemplo, un Número Global de Artículo Comercial (GTIN) identifica una clase de artículos, como puede ser «bombilla marca acme, modelo 42», pero no un artículo concreto. Un GTIN concatenado con un número de serie de un artículo sí corresponde con un EPC. Esta combinación se denomina SGTIN.
Otros tipos de claves GS1, como el Número de Ubicación Global (GLN) o el Identificador de Activo Individual Global (GIAI) sí se corresponden con EPCs.
Y otros tipos como el Número de Identificación de Envío Global (GSIN) no tienen ninguna correlación con un EPC.
Ejemplo de GTIN + número de serie: (01) 80614141123458 (21) 6789
- Pure identity URI: Este formato se usa en documentos electrónicos, mensajes y bases de datos para hacer referencia a objetos físicos.
Ejemplo: urn:epc:id:sgtin:0614141.812345.6789
- EPC tag URI: Este formato se usa exclusivamente en sistemas de hardware y software que interactúan con transpondedores RFID.
Incluye información adicional de control para que los lectores y transpondedores RFID sean más eficientes.
Como el Pure Identity URI, usa una sintaxis sencilla de leer por personas y software.
Ejemplo: urn:epc:tag:sgtin-96:3.0614141.812345.6789
- Codificación binaria: Como el EPC tag URI, se usa en sistemas que interactúan con transpondedores. Contiene la misma información que el EPC tag URI pero compactada en formato binario para que ocupe lo menos posible en el transpondedor.
Ejemplo: 3074257bf7194e4000001a85
- Memoria para el TID (banco 2): En ella se almacena información que identifica al transpondedor mismo y no al objeto sobre el que está éste.
Como mínimo contiene un identificador del fabricante del chip (9 bits) y un identificador del modelo del chip (12 bits).
Opcionalmente puede contener un número de serie único para cada transpondedor, así como información adicional como el tamaño de memoria del chip.
Este banco de memoria es de solo lectura.
- Memoria de usuario (banco 3): Es opcional y se usa para información adicional al EPC. Puede tener varios tamaños, normalmente 512 bits y hasta 8K. Existen una serie de estándares para leer y escribir la memoria de usuario.
Antenas
Las antenas son una extensión del lector RFID. Son responsables de transmitir y recibir las señales de radiofrecuencia que interactúan con los transpondedores. En algunos casos la antena va integrada en el lector aunque normalmente va conectada a éste mediante un cable. Las 3 especificaciones más importantes a tener en cuenta a la hora de escoger una antena son la polarización, la frecuencia y la ganancia.
- Polarización: Puede ser circular o lineal.
Las antenas de polarización lineal emiten las ondas en un mismo plano. Tienen un alcance mayor, pero solamente leerán transpondedores paralelos al plano de la onda.
Las antenas de polarización circular emiten ondas electromagnéticas en un movimiento espiral. Tienen un alcance más corto, pero son menos sensibles a la orientación del transpondedor. Son ideales cuando se quieren leer varios transpondedores en distintas posiciones.
- Rango de frecuencias: El rango de frecuencias RFID en UHF en el que se puede emitir está regulado en cada país. En EE.UU. el rango de frecuencias va de 902 a 928 MHz, mientras que en Europa está entre los 865 y 868MHz. Hay antenas genéricas que funcionan en el rango de frecuencias entre 860 y 960 MHz y son válidas para todo el mundo, y antenas que funcionan en el rango específico de una región, por lo que tienen un mejor rendimiento en esa región que una antena genérica.
- Ganancia: La ganancia de la antena afecta a su alcance y a la anchura del haz. Una antena con mayor ganancia tendrá un mayor alcance, pero un haz más estrecho. Antenas con menor ganancia tendrán menor alcance pero un haz más ancho. Lo más común son ganancias de 6 dBi.
¿Qué beneficios tiene usar RFID?
- Velocidad de lectura: Se pueden leer varias etiquetas simultáneamente. Además las lecturas pueden hacerse con los objetos en movimiento y en cualquier posición.
- Distancia de lectura: Permite leer los datos desde varios metros de distancia.
- Trazabilidad: Cada objeto tiene un código individual, en contraposición con los códigos de barras en los que cada código corresponde a un tipo de producto. Esto permite que cada unidad pueda ser tratada individualmente.
- Mayor cantidad de información: Permite guardar más datos de cada producto que otros sistemas. También permiten medir la temperatura, lo que ayuda a asegurar la cadena de frío en productos que lo requieran.
- Fiabilidad: No se ve afectado por el polvo o suciedad en la etiqueta ni se degrada ante el sol o la humedad.
Caso práctico de uso
Imagina que llevas una empresa de logística y recibes millones de bultos anualmente. Tienes varios almacenes a lo largo del país y toda la trazabilidad de los bultos es manual, por medio de códigos de barras. Tus trabajadores son los que se encargan de apuntar, uno a uno, en qué estantería del almacén está cada paquete, que paquetes entran, cuales salen, hacia dónde van, etc.
Todos estos procesos son muy susceptibles a fallo humano, pueden perderse paquetes o perderse tiempo en la búsqueda de artículos mal reportados, lo que puede afectar a la fiabilidad y calidad de tu servicio.
Sería mucho más sencillo implementar etiquetas RFID de bajo coste en el momento que un paquete llegue del comerciante al almacén o incluso de un almacén a otro, e identificar un nuevo bulto por medio de un lector de túnel en una cinta transportadora. Tener lectores en cada estantería para poder reportar de manera automática la ubicación de cada bulto e incluso reportar al cliente que recibirá el paquete dónde se encuentra en cada momento.
Este es un caso muy común, pero este tipo de tecnología por sí misma o en combinación de otras tiene todo tipo de posibilidades. Sin ir más lejos, los dispositivos antirrobo que llevan las prendas de ropa u otro tipo de artículos en las tiendas, no dejan de ser etiquetas de RFID con lectores en la puerta, en el suelo o en el techo que harán saltar las alarmas si abandonas el local sin haber pagado.
También tienen aplicaciones en la industria alimenticia, donde puedes trazar las diferentes etapas en las que se encuentra cada artículo en la cadena de producción. O para controlar en qué condiciones se encuentran en una cadena de frío a tiempo real como mencionamos antes.
Fuera de la trazabilidad de producto, este tipo de tecnología es muy usada en control de acceso para oficinas. Cada vez es más común ver cómo en grandes empresas, los empleados llevan incluidos en sus tarjetas de identificación una etiqueta RFID la cual contiene el acceso a los tornos de entrada. También podemos encontrar esta aplicación en el Metro de Madrid, donde la información de tu billete se almacena en tu tarjeta gracias a una etiqueta RFID, lo que incluso puede permitir una trazabilidad de posibles congestiones en las líneas de metro.