Nasze serwisy używają informacji zapisanych w plikach cookies. Korzystając z serwisu wyrażasz zgodę na używanie plików cookies zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki, które możesz zmienić w dowolnej chwili. Więcej informacji odnośnie plików cookies.

Obowiązek informacyjny wynikający z Ustawy z dnia 16 listopada 2012 r. o zmianie ustawy – Prawo telekomunikacyjne oraz niektórych innych ustaw.

Wyłącz komunikat

 
 
politechnika
NCBR PBS I

Umowa z NCBR na realizację grantu z zakresu techniki RFiD, EMC oraz technologii elektronicznych układów hybrydowych 

 

Synteza autonomicznego identyfikatora półpasywnego, dedykowanego do pracy w wielokrotnych, dynamicznych systemach RFID

 

   

Akronim: API-RFID

Wykonawca: Zakład Systemów Elektronicznych i Telekomunikacyjnych Politechniki Rzeszowskiej

Finansowanie: Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Badań Stosowanych I

Okres realizacji: 2012 – 2015

Kooperacja: Politechnika Wrocławska, Elmak Sp. z.o.o. Rzeszów

Kwota dofinansowania: ponad 5 mln zł

Numer: PBS1/A3/3/2012 (U-8795/G/PBS)

 

PROGRAM NCBR PBS I

Program Badań Stosowanych Narodowego Centrum Badań i Rozwoju był horyzontalnym programem wsparcia sektora nauki i sektora przedsiębiorstw w zakresie badań stosowanych z różnych dziedzin nauki (ścieżka programowa A) oraz branż przemysłu (ścieżka programowa B). Zgodnie z definicją, badania stosowane obejmowały poszukiwanie możliwych zastosowań praktycznych dla wyników badań oraz rozwój nowych rozwiązań pozwalających na osiągnięcie z góry założonych celów praktycznych.

 

Szczegółowy opis programu NCBR PBS I       

  http://www.ncbir.pl/programy-krajowe/program-badan-stosowanych/

 

CEL PROJEKTU

Głównym celem projektu było opracowanie laboratoryjnego modelu autonomicznego, półpasywnego identyfikatora RFID, niewymagającego zastosowania klasycznego zasilania bateryjnego. W jego strukturze zostały zaimplementowane mechanizmy pozyskiwania energii elektrycznej ze środowiska – pola elektromagnetycznego innych systemów radiokomunikacyjnych powszechnego użytku, a wybór takiego rozwiązania wynikał z istoty działania identyfikatora RFID. Pozyskana energia może być efektywnie gromadzona w elemencie pasywnym (np. superkondensatorze), niewymagającym wykonywania żadnych czynności eksploatacyjnych. Przewidywane zwiększanie rozmiarów geometrycznych obszaru poprawnej pracy względem popularnych, pasywnych systemów RFID pozwala na efektywną realizację procesów identyfikacji wielokrotnej i dynamicznej, a także zapewnia możliwość integracji w jednej strukturze identyfikatora oraz urządzeń o niewielkim poborze mocy (np. czujników), czyli autonomicznych funkcji dodatkowych.

 

 

KONCEPCJA ROZWIĄZANIA

Przyjęta koncepcja autonomicznego, półpasywnego identyfikatora RFID została uwarunkowana głównymi wadami istniejących rozwiązań komercyjnych, które znacząco ograniczają możliwości ich szerokiego stosowania w zautomatyzowanych procesach oraz wynikała z trendu poszukiwania alternatywnych, lub efektywnego wykorzystania już istniejących źródeł energii, które są obecne w środowisku pracy systemów RFID. Zgodnie z przyjętą definicją stabilnej i niezawodnej pracy całego systemu identyfikacji wielokrotnej w ściśle określonym obszarze poprawnej pracy systemu RFID, została określona użyteczność aplikacyjna proponowanego modelu laboratoryjnego. Została ona uwarunkowana realną oceną działania urządzenia w rzeczywistych warunkach, w których konieczne jest – przewidywalne ilościowo – zwiększanie rozmiarów geometrycznych obszaru poprawnej pracy względem popularnych, pasywnych systemów RFID, a także uwzględnianie dynamiki obiektów podlegających rozpoznawaniu. Dodatkowo, zapewnienie perspektywy integracji w jednej strukturze identyfikatora urządzeń o niewielkim poborze mocy (np. czujników wielkości fizycznych), które pozwalają na autonomiczną realizację dodatkowych funkcji w systemie bez udziału czytnika/programatora i jego anteny, umożliwia kontrolę przechowywania lub eksploatacji znakowanych obiektów (np. produktów szybko-rotujących, które muszą być składowane w odpowiednich warunkach środowiskowych).  Znacząca część potencjału aplikacyjnego wyników przedmiotowego projektu jest ulokowana w obszarze Internetu produktów (Internet of Things), którego podstawą sprzętową są urządzenia techniki RFID zgodne z wymaganiami elektronicznego kodu produktu.

W odniesieniu do konstrukcji pasywnych, niewielki obszar zastosowania obecnie dostępnych identyfikatorów półpasywnych jest przede wszystkim spowodowany wadami ich dodatkowego źródła energii. Do wad tych zalicza się: ograniczoną żywotność baterii, malejącą szczególnie w trudnych warunkach środowiskowych (np. w niskiej temperaturze), konieczność jej wymiany i zabezpieczenia przed kradzieżą, ograniczoną zdolność do oddawania energii źródła w impulsach większej mocy i in. Czynniki te powodują wzrost niepewności działania nielicznie znanych półpasywnych systemów RFID, a dodatkowo znacząco podnoszą koszty ich eksploatacji.

Wymienione problemy stanowiły podstawę do opracowania koncepcji bezbateryjnego demonstratora dla wielopasmowego, autonomicznego, półpasywnego identyfikatora RFID, w którego konstrukcji przewidziano zastosowanie mechanizmów: pozyskiwania energii ze środowiska, jej przetwarzania, a także gromadzenia na potrzeby realizacji dodatkowych funkcji w systemie. Przedmiotowa koncepcja jest wpisana w cykl rozwoju procesów automatycznej identyfikacji obiektów.

 

ROZWÓJ SYSTEMÓW AUTOMATYCZNEJ IDENTYFIKACJI OBIEKTÓW

 

 

 

W ramach pierwszego etapu cyklu rozwoju procesów automatycznej identyfikacji obiektów, powszechnie wykorzystywane kody kreskowe zawierają tylko podstawowe i niezmienne informacje o obiektach, a proces ich rozpoznawania może być realizowany wyłącznie w sposób pojedynczy i z optyczną widocznością identyfikatora. Typowe pasywne, lub znane półpasywne (nieautonomiczne) identyfikatory RFID zawierają rozszerzone, zmienne informacje o obiektach (możliwy jest zapis/odczyt danych), a proces ich odczytu może być realizowany jednocześnie, bez ich optycznej widoczności.

Zaproponowaną w ramach projektu koncepcję układową wpisano w nowy – trzeci etap tego cyklu, w którym bezbateryjne, półpasywne identyfikatory RFID zawierają rozszerzone, zmienne informacje o obiektach i ich otoczeniu (pochodzące z czujników różnych wielkości fizycznych), a ich autonomiczna praca jest zapewniona dzięki energii pozyskanej z pola elektromagnetycznego systemów radiokomunikacyjnych powszechnego użytku. Źródłem dodatkowego zasilania identyfikatora jest superkondensator. Tego typu pasywny akumulator środowiskowej energii elektrycznej charakteryzuje się pomijalnym stopniem zużycia w czasie i nie posiada wad baterii konwencjonalnych. Ponadto, uzyskanie jego dużej pojemności przy niewielkich rozmiarach (zbieżność dużej, skutecznej powierzchni elektrod z bardzo małą dzielącą je odległością), pozwala na magazynowanie w tym elemencie znacznie większej ilości energii niż w kondensatorach konwencjonalnych, co umożliwia jej uwalnianie ze znacznie większą mocą niż w klasycznych źródłach bateryjnych.

 

 

ROZWIĄZANIE PROBLEMU

 

Dla prawidłowego wykorzystania zaproponowanego, nowego źródła zasilania w półpasywnych identyfikatorach RFID, wymagane jest zapewnienie warunków jego efektywnego doładowywania. Pomimo możliwości skutecznego pozyskiwania środowiskowej energii elektrycznej za pomocą przetworników mechanicznych, termicznych, ogniw fotowoltaicznych i in., w kontekście użyteczności w systemach RFID bardziej naturalnym jest wykorzystanie do tego celu pola EM innych systemów radiokomunikacyjnych powszechnego użytku (np. stacji bazowych telefonii komórkowej, urządzeń komputerowych sieci bezprzewodowych i in.). Wybór ten wprost wynika z istoty działania systemów RFID pasm HF i UHF, ponieważ w nowych konstrukcjach chipów dla identyfikatorów półpasywnych możliwe jest pozyskiwanie energii także z układu RWD podczas realizacji zaplanowanego procesu automatycznej identyfikacji obiektów.

Na podstawie zaproponowanej koncepcji, ostatecznie w ramach projektu nr PBS1/A3/3/2012 opracowano rozwojowy układ bezbateryjnego demonstratora dla wielopasmowego, autonomicznego, półpasywnego identyfikatora RFID, w którego konstrukcji zastosowano mechanizmy: pozyskiwania energii z różnych źródeł pola EM, jej przetwarzania, a także gromadzenia na potrzeby realizacji dodatkowych funkcji w systemie RFID.

 

DEMONSTRATOR OPRACOWANY W RAMACH UMOWY NR PBS1/A3/3/2012

 

 

Układ wyposażono w dwa niezależne interfejsy radiowej identyfikacji obiektów (pasmo HF: protokół ISO IEC 15693; pasmo UHF: protokół EPC Class 1 Gen 2 zgodny z ISO IEC 18000-63). Moduły te zrealizowano z wykorzystaniem półpasywnych chipów z dodatkowo wbudowanym interfejsem komunikacji przewodowej (pasmo HF: chip ST M24LR64E, interfejs I2C; pasmo UHF: chip AMS SL900A, interfejs SPI). Ponadto, oba układy umożliwiają pozyskiwanie energii z pola EM anten RWD działających w wybranych pasmach częstotliwości. Zapewnia to stałe doładowywanie superkondensatora podczas realizacji komunikacji za pomocą interfejsów RFID. Komunikacja ta może być realizowana niezależnie od działania pozostałych modułów demonstratora.

Autonomiczność pracy identyfikatora jest także zapewniona przez układ pozyskiwania energii z pola elektromagnetycznego innych systemów radiokomunikacyjnych powszechnego użytku. W prezentowanej wersji demonstratora zintegrowano opracowaną dla pasma 930-975 MHz antenę podłączoną do układu Powercast P2110B, który zapewnia pozyskiwanie energii z systemu GSM900. W module tym możliwe jest wykonywanie okresowych pomiarów mocy wejściowej i dostosowywanie częstotliwości wybudzania układu do bieżących warunków energetycznych. Na podstawie wspólnych prac B+R z firmą Powercast, w demonstratorze można zamontować kompatybilny układ pozyskiwania energii dla innego systemu radiokomunikacyjnego (np. UMTS, LTE, WiFi).

Typowo, źródła energii środowiskowej charakteryzuje mała wydajność prądowa, dlatego w demonstratorze opracowano moduł przetwarzania i gromadzenia energii. Zgromadzona energia umożliwia autonomiczne działanie demonstratora i jest wykorzystywana do pozyskiwania informacji o otoczeniu elektronicznie oznaczonego obiektu. Odbywa się to poprzez okresowe wykonywanie pomiarów wielkości fizycznych i zapisywanie uzyskanych wyników w pamięci chipów identyfikatorów. Układy pomiarowe zintegrowano w module, w skład którego wchodzą: trójosiowy akcelerometr Analog Devices ADXL362, czujnik temperatury i wilgotności Silicon Labs Si7020 oraz czujnik natężenia światła Maxim Integrated MAX44009. Poza tymi układami, istnieje także możliwość podłączenia zewnętrznych czujników cyfrowych z interfejsem I2C, co zapewnia dostosowanie demonstratora do planowanej aplikacji użytkowej.

Cała praca demonstratora jest nadzorowana w module sterującym, opracowanym na podstawie energooszczędnego, 32-bitowego mikrokontrolera STM32L151RBT6. W jego pamięci zawarto przykładowe/demonstracyjne oprogramowanie, które w cyklu dalszych prac rozwojowych prowadzonych przez użytkownika, może być dostosowane do docelowych wymagań aplikacyjnych (aktualizacja za pomocą wbudowanego interfejsu USB).

Zaproponowana konstrukcja demonstratora pozwala na rozpoczęcie prac rozwojowych, które w przyszłości powinny zapewnić możliwość komercjalizacji opracowywanych (na jego podstawie) identyfikatorów dedykowanych do znakowania i monitorowania pracy wybranych obiektów. W tym kontekście, na zautomatyzowanej linii produkcyjnej firmy ELMAK Sp. z o. o. dokonano montażu pierwszej serii demonstratorów. Równolegle zakończono etap badań, których celem była identyfikacja uwarunkowań decyzyjnych w procesie wdrażania w polskich przedsiębiorstwach systemu z przedmiotowym identyfikatorem RFID, a także ocena potencjału rynkowego i możliwości komercjalizacji tego produktu. Dodatkowo, opracowany układ demonstratora m.in. przekazano do dalszego wykorzystania podczas prac badawczo-rozwojowych z FEIG ELECTRONIC GmbH, które umożliwią w przyszłości obsługę w czytnikach/programatorach nowych funkcji użytkowych urządzenia opracowanego w ZSEiT PRz w ramach umowy PBS1/A3/3/2012.

 

 

 

 

 

 


Katedra Systemów Elektronicznych i Telekomunikacyjnych 2017