UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

 

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI

ELABORATO DI LAUREA

TECNOLOGIA RFID: UN’APPLICAZIONE IN AMBITO MEDICALE

RELATORE CANDIDATO

CH.MO PROF. LUIGI PAURA ALESSANDRO RICCARDI

CORRELATRICE MATR. 039/1491

ING. ANGELA SARA CACCIAPUOTI

Sommario Introduzione ai sistemi RFID

Descrizione del sistema RFID TAG

Lettore

Controllore

Tipologia di TAG

Trasmissione dati Codifica

Modulazione

Applicazione in ambito medicale

Conclusioni e sviluppi futuri

Introduzione ai sistemi RFID Sistemi RFID (Radio Frequency IDentification)

La tecnologia Radio Frequency Identification (RFID) è una tecnologia di comunicazione senza fili che permette agli utenti di identificare

univocamente oggetti, animali e persone senza contatti e soprattutto senza che l’elemento identificante sia necessariamente visibile.

Vantaggi: - assenza di contatto tra Lettore ed elemento identificante - possibilità di rendere invisibile l’oggetto identificante (es. sistemi antitaccheggio)

Descrizione del sistema RFID

Un sistema RFID è costituito da:

1) TAG, l’elemento identificante:

• antenna;

• microchip che contiene dati tra cui l’UID;

• Può essere dotato o meno di una batteria.

2) Lettore, l’unità di lettura e scrittura dei dati sul TAG:

• un’antenna;

• un modulo elettronico a radiofrequenza (RF) per la comunicazione con i TAG;

• un modulo elettronico di controllo per la comunicazione con il controllore.

3) Controllore che assume spesso la forma di un PC o stazione di lavoro che gestisce il database ed il software di controllo

Tipologie di TAG I TAG possono essere di diversi tipi e distinti in base a:

metodo di alimentazione e tipo di memoria

Passivi - non contiene batteria; dimensioni, costo e memoria minori.

Semipassivi - hanno una fonte di alimentazione indipendente dal Lettore; potenza necessaria alla comunicazione fornita dal lettore

Attivi - hanno una batteria . Costo, complessità e dimensioni maggiori. frequenze più alte e raggio d’azione superiore

Metodo di alimentazione

Tipo di memoria

Lettura - memoria Read Only che viene programmata una sola volta al momento della realizzazione. Comunicazione unidirezionale

Lettura/Scrittura - memoria Read/Write che può essere letta e programmata. Comunicazione bidirezionale

Frequenze operative La frequenza di lavoro influisce su: la distanza operativa del sistema (range)

interferenze con altri sistemi radio

velocità di trasferimento dei dati

dimensioni dell’antenna e dei TAG.

Banda LF (Low Frequency) - 125-134 KHz -

Banda HF (High Frequency) - centrata su 13,56 MHz

Banda UHF (Ultra High Frequency) - 433-868 MHz , range di copertura più esteso rispetto alle bande LF e HF.

Banda UHF alta - centrata su 2,4 GHz. TAG più piccoli; banda molto affollata da altre tecnologie (WiFi, Bluetooth).

Trasmissione dei dati - Codifica I dati da trasmettere devono essere codificati in modo da generare un sequenza binaria che

verrà usato per la modulazione.

Le tecniche di codifica hanno caratteristiche differenti riguardo:

la difficoltà di ricostruire la temporizzazione in ricezione

l’occupazione spettrale in banda base

la complessità di decodifica

la sensibilità ai disturbi

l’energia trasferita.

LETTORE =>TAG , in genere, deve essere massimizzata l’energia consegnata in ricezione

TAG => LETTORE deve essere minimizzata l’energia.

Codifiche basate sulla durata degli impulsi (PIE – Pulse Interval Encoding)

Codifiche basate sulle transizioni (Manchester, Miller, FM0)

• Comunicazioni Lettore- TAG Manchester e PIE

• Comunicazioni TAG -Lettore Miller e FM0

Tecniche di codifica• Codifica Manchester: uno 0 è

rappresentato da un livello basso nel primo mezzo bit ed uno alto nel secondo. Viceversa per il bit 1.

• Codifica PIE: I bit 0 ed 1 sono costituiti da un numero differente di periodi TARI (durata d’impulso minima)

• Codifica di Miller: time slot diviso in due metà. Un 1 è rappresentato mantenendo il livello dello stato precedente e attuando una transizione al semiperiodo. Per il bit 0, viene mantenuto il livello precedente per tutto il periodo, se preceduto da 1, altrimenti si ha una transizione all’inizio del periodo e poi si mantiene il livello costante per tutto il periodo.

• Codifica FM0: c’è un inversione di fase ad ogni inizio di simbolo. Per lo 0 si ha un inversione tra il primo mezzo bit ed il secondo.

Trasmissione dei dati - Modulazione Nella comunicazione tra TAG e Lettore e viceversa vengono usate tecniche di modulazione

tradizionali che richiedono bassa complessità circuitale.

ASK (Amplitude Shift Keying)

PR-ASK (Phase Reversal-ASK)

FSK (Frequency Shift Keying)

• Banda LF FSK

• Banda HF e UHF PR-ASK o ASK

Nella modulazione TAG -Lettore viene spesso usata una sottoportante che sposta lo spettro del segnale modulato dal TAG lontano dalla frequenza della portante (generata dal Lettore)

Campi d’applicazione Trasporti

• Gestione e controllo dei bagagli all’aeroporto• Telepass, per il controllo degli accessi in autostrada• Accesso controllato in zone a traffico limitato

Industriale• Catena di rifornimento (controllo inventari, tracciatura prodotto, ecc.)• Catene di montaggio (monitorare movimento pezzi in fase di produzione)

Medico• Monitoraggio degli strumenti diagnostici• Controllo pazienti• Trasporto farmaceutico

Altri• Gestione e controllo libri in biblioteca• Controllo accessi• Eventi sportivi• Rilevamento dati ambientali

Applicazione in ambito medicale: Sistema per la localizzazione degli strumenti diagnostici

Problemi: difficoltà di installazione dovuta a muri spessi e stanze di piccole dimensioni; creano barriere

per la propagazione dei segnali Interferenze elettromagnetiche con le apparecchiature mediche, compromettendone il corretto

funzionamento impatto biologico delle radiazioni:- Basse frequenze => non provocano riscaldamento significativo dei tessuti- Alte frequenze : 1) riduzione delle capacità mentali e fisiche di un individuo

2) riduzione della fertilità maschile

3) insorgenza della cataratta per opacizzazione del cristallino

4) influenza sullo sviluppo fetale applicazioni non replicabili, per cui non consentono di sfruttare le economie di scala

SCENARIO APPLICATIVO: STRUTTURA OSPEDALIERA DI BORGO SAN LORENZO

• LETTORE => TAG : ASK• TAG => LETTORE : ASK o FSK• Codifica: Manchester

Applicazione in ambito medicale: Sistema per la localizzazione degli

strumenti diagnostici (2)• Scelta del TAG:• passivi

• read and write

• adesivi

• frequenza operativa di 13.56 MHz

• supporto standard ISO 15693

• compatibili con oggetti metallici

Scelta del LETTORE:• potenza max di 1 W

• distanza di lettura/scrittura fino a 150 cm

• multi- TAG lettore (ISO 15693)

Evoluzione del TAG – Il progetto WISP

• WISP (Wireless Identification and Sensing Platform): piattaforma wireless senza batterie, atta a rilevare grandezze fisiche (pressione, temperatura, ecc..)

sistemi del tipo “Install –and– Forget “ utilizzati per monitoraggio delle attività cardiache

implantable cardiac defibrillator-ICD prototipo WISPER, sistema costituito da: circuito RFID microcontrollore

Frequenza utilizzata: 915 Mhz

Conclusioni e sviluppi futuri

• Obiettivo fondamentale: - ridurre fortemente i fattori di errore per rendere i processi più trasparenti e

controllabili

- erogare al paziente un servizio migliore e più sicuro

Sviluppi futuri: applicazione della tecnologia Ultrawide Band in ambito RFID, poiché: bassissime potenze di emissione forte resistenza alle interferenze per cammini multipli (multipath) non crea interferenze con altre trasmissioni che operano con modulazione

tradizionale nella stessa banda attraversa gli ostacoli tradizionalmente ostici per l’RFID, come i metalli o i liquidi