INFORME FINAL
SAPIENS
(Sistema de Agentes Portables Incrustados para
Entornos Naturales Seguros)
(IMSERSO 106/05)
1. INFORME GENERAL. ...1 1.1.EL PROYECTO SAPIENS. ...1 1.1.1 Introducción...1 1.1.2 Consideraciones...3 1.1.2.1 Lector RFID ... 4 1.1.2.2 Procesador ... 5 1.1.2.3 Text-to-Speech ... 6 1.1.2.4 Base de Datos ... 7
1.1.2.5 Interfaz con el usuario ... 8
1.1.3 Conclusiones ...9
1.2.ESTADO DE LA TECNOLOGÍA Y FUTURO EN RFID...10
1.2.1 Introducción...10
1.2.2 Análisis de las tecnologías...11
1.2.2.1 Frecuencia de operación. ... 12
1.2.2.2 La etiqueta. ... 13
1.2.2.3 Estándares. ... 16
1.2.2.3.1 Introducción. ... 16
1.2.2.3.2 EPC (Electronic Product Code) Global Clase I Gen2 ... 19
1.2.3 Mercado ...22
1.2.4 Conclusiones y perspectivas de futuro ...24
2. INFORME TÉCNICO. ...25 2.1.MICROPROCESADOR...25 2.2.PLATAFORMA...29 2.3.SISTEMA OPERATIVO...31 2.4.HERRAMIENTAS DE DESARROLLO...32 2.5DESARROLLO...33 2.5.1 Herramientas de desarrollo ...33 2.5.2 Lenguajes de programación...33 2.5.3 Rendimiento ...34 2.5.4 Portabilidad ...35 2.5.5 Transaccionalidad ...35 2.5.6 Seguridad ...36 2.5.7 Escalabilidad ...37 2.5.8 Coste ...37 2.5.9 Conclusión ...38
2.6.RADIO FRECUENCY IDENTIFICATION...39
2.6.1 Los Aspectos físicos ...39
2.6.1.1 Conceptos previos ... 39
2.6.1.2 Tipos de comunicaciones ... 40
2.6.1.3 El factor antena... 40
2.6.1.4 Polarización... 42
2.6.1.5 Efectos sobre la comunicación RFID ... 43
2.6.1.6 Materiales. ... 43
2.6.2 Interfaz aérea ...47
2.6.2.1 Modo de comunicación ... 47
2.6.2.2 Modulaciones digitales... 48
2.6.2.3 Acoplamiento ... 49
2.6.2.4. Almacenamiento de información y capacidad de procesamiento ... 50
2.6.2.6 El circuito integrado o chip ... 53
2.6.3 EPC UHF Clase I Gen2: el estándar...54
2.6.3.1 Interoperabilidad ... 54
2.6.3.2 Gen2 y la ISO... 54
2.6.3.3 Puntos clave... 55
2.6.3.4 Protocolo multiprotocolo... 55
2.6.3.5 Mejoras en Gen2. ... 56
2.6.3.5.1 Velocidad o transmisión de datos... 56
2.6.3.5.2 Flexibilidad de la velocidad ... 57
2.6.3.5.3 Comando Select ... 57
2.6.3.5.4 Dense-Interrogator channelized signaling ... 57
2.6.3.5.5 Fiabilidad ... 58
2.6.3.5.6 Mayor robustez al contar tags con Q Algorithm y simetría AB ... 58
2.6.3.5.7 Sesiones... 59
2.6.3.5.8 Passwords más largos... 60
2.6.4 Posibilidades existentes en el mercado...60
2.6.4.1 Frecuencia de trabajo HF... 60
2.6.4.2 Frecuencia de trabajo UHF... 61
2.6.5 Conclusiones ...63
2.6.5.1 Dispositivos Físicos... 64
2.7.BASE DE DATOS...66
2.7.1 Introducción...66
2.7.1.1 Modelos de bases de datos ... 67
2.7.2 La base de datos en SAPIENS...69
2.7.3 SQL ...69 2.7.3.1 Orígenes y evolución... 69 2.7.3.2 Características generales ... 70 2.7.3.2.1 Funcionalidad... 70 2.7.3.2.2 Modos de uso ... 70 2.7.3.2.3 Optimización... 71
2.7.3.2.4 Sistemas de gestión de base de datos ... 71
2.8.TEXTO A VOZ (TTSTEXT-TO-SPEECH). ...76
2.8.1 Introducción...76
2.8.2 Síntesis de voz ...76
2.8.2.1 Visión general de la tecnología de síntesis de voz... 76
2.8.2.2 Historia... 77
2.8.2.3 Tecnologías de síntesis ... 78
2.8.2.4 El front-end ... 81
2.8.2.4.1 Normalización de texto ... 81
2.8.2.4.2 Sistemas Texto a fonema... 82
2.8.3 Sintetizadores de voz disponibles libremente...82
2.8.4 Sintetizadores de voz disponibles comercialmente ...83
2.8.5 Conclusiones ...84 2.9.DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN...85 2.9.1 Introducción...85 2.9.2 Prototipo UHF ...87 2.9.3 Prototipo HF...88 2.9.3.1 Inicialización. ... 88 2.9.3.2 Base de datos... 89
2.9.3.3 Reproductor y grabador de audio ... 90
2.9.3.4 Lectura... 92
2.9.3.5 Edición de la información asociada a un identificador. ... 92
2.9.3.6 Versión 1.0 ... 93
2.9.3.7 Versión 2.0 ... 94
2.9.3.8 Comunicación y programa del PC... 95
3. INFORME USABILIDAD...98
3.1CONCEPTO DE USABILIDAD...98
3.1.1 Factores que intervienen en la usabilidad ...99
3.2INFORME USABILIDAD SAPIENS...100
3.2.1. Introducció...100
3.2.2 Primera fase: determinación de perfiles de usuarios y análisis contextual de tarea...103
3.2.2.1 Perfiles de usuarios... 103
3.2.2.2 Determinación de principios para el diseño... 104
3.2.2.3 Requerimientos funcionales ... 106
3.2.2.3.1 Escalabilidad. ... 106
3.2.2.3.2 Ajuste a actividades... 107
3.2.3 Segunda fase: Evaluación de la usabilidad integrada en el desarrollo...107
3.2.3.1 Descripción prototipo SAPIENS ... 107
3.2.3.2 Test con usuarios ... 108
3.2.4 Intercambio de información...109 3.2.4.1 Salida de información... 110 3.2.4.1.1 Pantalla... 110 3.2.4.1.2 Mensajes ... 111 3.2.4.2 Entrada de información ... 111 3.2.4.2.1 Pantalla... 111 3.2.4.2.2 Botones. ... 111 3.2.4.2.3 Lector. ... 112 3.2.4.2.4 Micrófono. ... 112 3.2.5 Navegación ...112
3.2.6. Evaluación heurística con usuarios expertos de la versión final...114
3.3.CONCLUSIONES...115
3.3.1. Agradecimientos ...116
4. ANEXO I: Fotografías de los prototipos. 5. ANEXO II: Especificaciones Técnicas.
6. ANEXO III: Cuestionario de usabilidad del Identificador SAPIENS. 7. BIBLIOGRAFIA.
1. Informe General.
Este informe pretende exponer de una forma rápida y sencilla los puntos clave y las decisiones principales del proyecto. Este documento va enfocado a lectores que no estén familiarizados con la tecnología utilizada o los que si que lo estén, pero quieran una visión rápida y global del proyecto.
1.1. El proyecto SAPIENS.
1.1.1 IntroducciónLa aparición de un déficit corporal (visual, auditivo, motriz, etc.) debido a una enfermedad, accidente o simplemente el propio ciclo vital, conlleva la generación de un conjunto de limitaciones en las actividades cotidianas, que se traducen en una restricción de la participación de colectivos de discapacitados o mayores en la sociedad, produciéndose, además, una dependencia de terceros. Los trabajos planteados en el presente proyecto centran su actuación en reducir las limitaciones que dichos colectivos sufren en las actividades cotidianas mediante la introducción de agentes inteligentes en su entorno. Estos agentes deben facilitar la accesibilidad del entorno en el que se integran de forma natural, requiriendo la mínima formación o mantenimiento por parte de sus usuarios.
El proyecto, nace con la idea de poder utilizar estas nuevas tecnologías, cada vez más presentes en nuestra vida cotidiana, para ayudar a las personas. El gran avance de las tecnologías de identificación por radiofrecuencia (RFID) fue la que pareció más relevante. El grupo de trabajo se planteó las posibilidades e implicaciones que ofrecía una tecnología de este tipo. La posibilidad de reconocer electrónicamente un objeto y que un sistema pueda presentar la información asociada al identificador de diferentes formas, llevó a pensar en que la tecnología RFID podría ofrecer diversas soluciones para algunos problemas relacionados con personas que puedan presentar cualquier tipo de déficit cognoscitivo. La idea básica del grupo de trabajo era poder ayudar a personas a reconocer características concretas de objetos y utensilios. El proyecto se centro en el colectivo que se podía beneficiar más directamente de las ventajas de una tecnología de identificación electrónica, el de personas ciegas. Los invidentes son el colectivo que, probablemente, más dificultades presenta en la identificación de ciertas características de los objetos en la vida diaria. Por este motivo se ha diseñado el prototipo centrado en el grupo de usuarios finales invidentes.
Un aspecto muchas veces olvidado o como mínimo poco considerado en el momento de concebir una solución tecnológica, es cómo determinados aspectos del diseño actúan sobre las percepciones y, finalmente, sobre el comportamiento de los usuarios. Sabemos que determinados atributos del diseño de las tecnologías asistenciales provocan ciertas emociones y percepciones, que influyen –a veces positivamente y otras negativamente-, sobre el comportamiento del usuario.
Usar un producto o utilizar un servicio es una experiencia con una dimensión emocional. La interacción con un producto –más o menos “tecnológico”- va unido a una experiencia afectiva: sensaciones, sentimientos, valoración, satisfacción, relacionadas con el propio producto, y con nosotros mismos. La experiencia de uso es una expresión que va más allá del concepto de usabilidad entendida como facilidad de uso y que se refiere, sobre todo, al grado de eficacia, eficiencia y satisfacción con que un usuario dado consigue unos objetivos utilizando un determinado artefacto. Por el contrario, la experiencia de uso o experiencia del usuario supone una integración de las acciones del usuario, con lo que siente, y con el resultado que obtiene. Así pues, los dispositivos han de ser no sólo útiles, sino deseables. Es más probable que las personas acepten y adopten los dispositivos bien diseñados -deseables-, porque simultáneamente atienden sus necesidades funcionales, emocionales y sociales. En todas las líneas de decisión del proyecto se ha procurado incorporar, a través del esfuerzo del equipo de psicólogos pertenecientes al grupo de trabajo, el diseño orientado a usuario, dónde se les da a los potenciales usuarios un gran peso en el proceso de decisión.
El enfoque de un proyecto de estas características ha de ser el de ofrecer un servicio de ayuda al usuario. Más que un proyecto desarrollado en un único sistema cerrado que solo funcione con unos determinados elementos, se han de tener unas expectativas más globales. En esta línea el objetivo es crear un sistema donde se puedan integrar diferentes dispositivos hardware de etiquetaje, que no deben ser por fuerza de una marca o característica determinada, y que todos puedan dar el mismo servicio al usuario. Este primer proyecto va encaminado a presentar un dispositivo autónomo, operativo y comercial.
1.1.2 Consideraciones.
El sistema ha sido proyectado para trabajar en un ámbito local donde los productos ya tengan sus etiquetas grabadas con códigos únicos. El sistema asocia el código identificador único a una información concreta. Esta información puede editarse en dos formatos, en grabación sonora o en texto. Este prototipo no contempla la edición de las etiquetas manual debido al nivel de dificultad que supondría para el usuario. La grabación automatizada sería una solución relativamente sencilla, pero aunque el sistema sea de ámbito local puede ser que otros sistemas del entorno necesiten esta información y por otro lado no se cumplirían los estándares. En siguientes proyectos se pretende introducir el sistema en el estándar EPC y crear un sistema de etiquetaje global donde sí que se llegase a editar la información. Así, el marco de actuación de nuestro sistema es que las etiquetas que se contemplan en el ámbito habitual de funcionamiento no están repetidas.
Partiendo de este marco y con el grupo de usuarios definidos, se procede a definir los diferentes bloques constitutivos del sistema.
• Lector RFID: Es la parte que implementa el hardware necesario para recoger el identificador de la etiqueta.
• Interfaz con el usuario: Sistema que permite la entrada de información por parte del usuario.
• Procesador: Parte central del sistema donde se procesa la información y parte del sistema que se comunica con todos los bloques constitutivos.
Procesador Tratamiento de audio Base de Datos Interfaz de Usuario Text-to-Speech Lector RFID Usuario
• Tratamiento de audio: Parte del sistema compuesta por altavoces, micrófono, convertidores D/A y A/D y procesadores de audio que nos permite grabar la voz y reproducir audio.
• Text-to-Speech: Sistema que nos permite traspasar la información contenida en formato de texto a voz.
• Base de Datos: Es el sistema que contiene la información y la relaciona con el identificador.
1.1.2.1 Lector RFID
Aunque ya hemos planteado un estudio en profundidad de este tema en un documento incluido en este informe, se va a realizar un repaso a las conclusiones a las que se han llegado. Básicamente nos
encontramos con dos tecnologías claramente diferenciadas y con características muy concretas, la HF y la UHF. Las dos tecnologías son las que dominan actualmente el sector y no existe previsión de que se imponga ninguna, aunque parece que por sus características la UHF se perfila como la mejor solución. De todas formas se prevé que la convivencia de ambas sea muy larga y que aunque en el sector de la identificación si que parece que la UHF es superior, en el ámbito de las comunicaciones de campo cercano y productos domésticos la HF se perfila como la que ofrece mejores prestaciones. Lo que parece que se ha solucionado es la estandarización de la radio identificación
global, mientras que los primeros sistemas empezaron con estándares muy diversos (sobretodo en HF) parece que actualmente se tiende a confluir en la propuesta presentada por EPC Global para UHF que ha sido aprobada por ISO/IEC y que ha denominado ISO 180000. Para este proyecto y para el entorno local planteado, un ámbito donde el lector solo actúe en un entorno limitado, se ha considerado como la mejor opción HF. Aunque para este proyecto es más adecuada la tecnología HF, se ha considerado adecuado desarrollar dos prototipos para testar las características de las dos tecnologías. El prototipo final y funcional se ha desarrollado en HF y un segundo prototipo que sirve para testar la tecnología se ha desarrollado con UHF. El prototipo UHF se ha diseñado sobre un ordenador portátil debido a los altos requerimientos de alimentación que presenta la tecnología.
1.1.2.2 Procesador
La complejidad del sistema en lo concerniente a comunicación y potencia de procesado, nos ha llevado a pensar en utilizar un microprocesador con una potencia de cálculo suficiente para que el sistema no sea excesivamente lento y se pueda desarrollar una aplicación competente. Un documento dentro de este informe se adentra en profundidad en el tema. Las conclusiones de este, son que se recomienda el uso de un microprocesador ARM9 y más concretamente un dispositivo de agenda personal electrónica (PDA) como plataforma de desarrollo. El uso de una PDA y de sistemas comerciales, confieren al proyecto el valor añadido de una estandarización, un coste mínimo y probablemente una mayor aceptabilidad por parte del usuario final. La PDA proporciona una plataforma de diseño donde se pueden generar aplicaciones escalables. Cuando se habla de escalabilidad se refiere a que un usuario puede ser, por ejemplo, un usuario habitual de PDAs, entonces el proyecto permite la multifuncionalidad de la PDA y puede usarse como una función o un periférico más de la PDA. Por otro lado si el usuario no sabe como funciona ni quiere aprender, se le puede proporcionar un nivel muy elevado de simplicidad sacrificando la multifuncionalidad.
La PDA es una plataforma programable que proporciona un elemento de desarrollo estándar con todos los pros y contras que conlleva. Por otro lado es una herramienta de diseño flexible donde se puede desarrollar una aplicación útil y portable a otros dispositivos. La PDA proporciona todo un abanico de conectividad inalámbrica, que representa disponer de diferentes posibilidades de comunicación con bases de datos remotas. Otro de los bloques importantes en el proyecto es la interfaz de voz, toda la información que se transmita al usuario deberá ser por voz. La PDA es un soporte que proporciona herramientas hardware y software más que suficientes no solo para reproducir voz sino incluso para sintetizarla. Un objetivo fundamental en el desarrollo es proporcionar la máxima autonomía posible al conjunto interfaz-lector, que es una aplicación “cara” en consumo y por ello se han de plantear alternativas de última generación en la alimentación. Las PDAs incorporan una cobertura de última tecnología en casi todos los aspectos pero sobretodo en el tema de baterías, no solo incorporan de los mejores sistemas de alimentación del mercado sino los más reducidos. Con las características de las nuevas PDAs en el ámbito de la alimentación tendremos cubiertos los mínimos de autonomía exigibles a un dispositivo de estas características. Dentro de las PDAs se ha decidido trabajar con el sistema Windows PocketPC® que es el sistema más extendido.
1.1.2.3 Text-to-Speech
Uno de los puntos que son claves para proyectos futuros basados en este, es la capacidad de convertir texto-a-habla (text-to-speech), esta capacidad nos proporcionaría una serie de ventajas que no tienen otros sistemas que existen en la actualidad y que se basan en la grabación y reproducción de voz como elemento informativo. Aunque SAPIENS también implementa este modo de funcionamiento, ofrece la posibilidad de que el usuario escriba sus etiquetas y el sistema se las “lea”. Esto aporta diversas ventajas al sistema actual:
• Posibilidad de introducción de información por parte de personas que puedan presentar problemas en el habla.
• La edición de la información a través del teclado del PC supone una mayor facilidad de manejo y más facilidad en la expresión.
• Menor tamaño de la base datos.
Para futuros proyectos esta funcionalidad supone que se abra un abanico de posibilidades muy interesantes en cuanto a comunicación y procesamiento:
• Posibilidad de diversas bases de datos y de transmisión remota de información sin enviar una cantidad excesiva de datos. Este hecho puede plantear el uso de bases de datos globales.
• Tiempos de espera mucho menores, ya que el procesamiento lo haría el elemento final sin sobrecargar las comunicaciones con las bases de datos globales que en elementos portátiles debieran ser inalámbricas y por lo tanto penalizarían en tiempo, y no hay que olvidar el consumo, el envío masivo de información que supondría enviar archivos de voz.
• Posibilidad de procesar los datos, cuestión muy compleja con el método de grabación de audio, para poder ofrecer al usuario una información lo más útil posible y que suponga un tiempo reducido de atención, por ejemplo que la fecha de caducidad no se diga sino que se avise que un producto esta caducado cuando pase la fecha.
Para poder incorporar esta funcionalidad se han barajado diversas soluciones, que se plantean en otro documento dentro de este informe, desde chips hasta programas. Por la utilización de la PDA, la opción más racional ha sido aprovechar la potencia de cálculo para procesar un programa de text-to-speech. Debido a que no existen programario satisfactorio ni dentro del sistema operativo de la PDA ni dentro de los paquetes de programas gratuitos existentes, se ha determinado utilizar una opción comercial, concretamente el programa de Text-to-speech de la empresa Loquendo. Con este programa se obtienen unos resultados óptimos con un coste de memoria y tiempo de microprocesador muy ajustados y con voces muy naturales y amigables.
1.1.2.4 Base de Datos
Si analizamos el entorno de uso y las características de SAPIENS, tanto por su nivel de complejidad como por la cantidad de elementos que puedan configurar la base de datos, podría parecer que con un sistema de base de datos simple e incluso un sistema de base de datos basado en sistema de archivos podría ser suficientemente eficiente. Pero si se mira al futuro, aunque a priori el sistema puede funcionar con una base de datos más simple, y que
no es necesario utilizar un lenguaje declarativo de acceso a bases de datos relacionales como SQL (Lenguaje de Consulta Estructurado (Structured Query Language) ) con su sistema de gestión, si se mira al futuro y se consideran futuros proyectos, es imprescindible. El SQL es un lenguaje de acceso a bases de datos que explota la flexibilidad y potencia de los sistemas relacionales permitiendo gran variedad de operaciones sobre los mismos. Es un lenguaje declarativo de alto nivel o de no procedimiento, que gracias a su fuerte base teórica y su orientación al manejo de conjuntos de registros, y no a registros individuales, permite una alta productividad en codificación.
La utilización de SQL nos permitirá trabajar con bases de datos remotas o múltiples en futuros proyectos que puedan contemplar la realización de bases de datos remotas globales sin la obligación de realizar grandes cambios en el código o en la estructura del programa. Se ha seleccionado trabajar, para el desarrollo del proyecto, con Microsoft® SQL Server que es una herramienta incluida en Visual Studio.
SQL Server de Microsoft® es un sistema de gestión de bases de datos relacionales basada en el lenguaje SQL, capaz de poner a disposición de muchos usuarios grandes cantidades de datos de manera simultánea. A continuación se describen diversas ventajas de este sistema:
• Soporte de transacciones y procedimientos almacenados. • Gran estabilidad y seguridad.
• Escalabilidad.
• Incluye también un potente entorno gráfico de administración, que permite el uso de comandos DDL y DML gráficamente.
• Permite trabajar en modo cliente-servidor donde la información y datos se alojan en el servidor y las terminales o clientes de la red sólo accedan a la información. • Además permite administrar información de otros servidores de datos
1.1.2.5 Interfaz con el usuario
En este apartado, existen diversos formatos para interfaces de usuario, el más común es el clásico de teclado y pantalla, pero se pueden desarrollar múltiples combinaciones para ofrecer al usuario una solución óptima. El diseño se ha implementado con el objetivo que el usuario final fuese invidente, por ello se ha desarrollado una interfaz de recogida de datos táctil (pantalla y botonera) y un sistema de información por voz reforzado con estímulos visuales de alto contraste. Este apartado se aborda más profundamente en documentos contenidos en este informe. Se han desarrollado dos interfaces de usuario, una basada en PDA y otra en PC.
De la interfaz de PDA se han diseñado dos versiones, una que se ejecuta en primer plano y otra que se carga en segundo plano y que pasa a primero cuando se pulsan unas determinadas teclas hardware. La versión de segundo plano se ha desarrollado para usuarios familiarizados, o que pretendan utilizar, la PDA para otras de las muchas aplicaciones que nos proporciona un dispositivo de estas características, esta versión se incorpora a la PDA como una funcionalidad más y deja la opción al usuario de trabajar libremente con la PDA. La segunda versión consiste en un programa que se ejecuta en primer plano y que limita tanto la multifuncionalidad del sistema como los movimientos del usuario, este sistema se ha diseñado para usuarios que por diversos motivos, capacitación o motivación, les resulte altamente dificultoso manejar un sistema complejo y tecnológico como la PDA. Las dos versiones nos ofrecen la posibilidad de leer etiquetas y de editar los datos asociados mediante grabación de voz, debido a la complejidad en el manejo de teclados en pantallas táctiles por parte de usuarios invidentes se deshecho la posibilidad de trabajar por texto en la PDA.
1.1.3 Conclusiones
Es conveniente realizar un recorrido entre los diversos puntos que hemos repasado en este documento y ofrecer una visión más global del sistema.
En el esquema de la Figura 1.7 podemos ver que el sistema se compone de tres elementos hardware básicos, una PDA, un PC y un lector RFID. El lector RFID va incorporado en la PDA, en la PDA se encuentran incorporados el sistema Text-to-Speech y la base de datos, el PC se comunica con la PDA pero tiene su propio sistema de Text-to-Speech. SAPIENS proporciona un sistema de etiquetaje para ámbitos locales y permite presentar una información asociada a una etiqueta con solo acercar el lector. También permite editar la información en modo voz, con la PDA, y en modo texto con el PC. Se han conseguido asolir los objetivos marcados en el proyecto, y según las pruebas con los usuarios, nos confirman que el sistema les puede ser de gran utilidad para facilitar las actividades de la vida diaria. En los siguientes informes se describe con detalle el proyecto, se ofrecen las características técnicas del producto y el informe de resultados.
En el periodo de duración del proyecto hemos presentado un artículo en el VII Congreso Internacional de Interacción Persona-Ordenador donde se daba a conocer este proyecto y estamos pendientes de publicación de dos artículos en el congreso DRT4all 2007 de Madrid relacionados también con el presente proyecto
PDA PC RFID reader Hardware Element USER DataBase SQL Text-to-Speech Text-to-Speech Procesador Procesador Information relationship Functional Element
1.2. Estado de la tecnología y futuro en RFID.
1.2.1 IntroducciónRFID (en ingles Radio Frecuency IDentification o en castellano Identificación por Radiofrecuencia) es un método de almacenamiento y recuperación de información, para la identificación. Este sistema utiliza, para el almacenamiento de la información, unos dispositivos llamados tags (en ingles) o etiquetas (en castellano) RFID. Una etiqueta es un dispositivo, pequeño, que se puede adherir o incorporar a un producto, animal o persona. Estas etiquetas contienen antenas para permitirles recibir y responder a peticiones por radiofrecuencia desde un lector (en realidad emisor/receptor) RFID.
Figura 1.8. Esquema de enlaces de información en una transacción RFID
Como una primera aproximación podemos dividir las etiquetas en dos grandes grupos: pasivas, que no necesitan alimentación eléctrica interna, y activas que si la requieren. Cada etiqueta puede almacenar información acerca del objeto, persona o animal a la que está adherida. Cuando detecta algún campo generado por un emisor-receptor RFID compatible, se comunica con él, enviando la información que contiene. No obstante, las características de la etiqueta son las que realmente determinan los parámetros de un sistema RFID.
La tecnología RFID esta clasificada dentro de la Tecnología de Auto Identificación (Auto-ID), donde encontramos el código de barras. La tecnología RFID esta probablemente destinada a ser la sucesora del código de barras por sus claras ventajas sobre este; sin embargo, actualmente y en muchos entornos la coexistencia de las dos tecnologías se prolongará algunos años.
Etiqueta RFID Lector RFID Producto
Sistema de Visualización de la
Información Base de Datos
Conexión de la Información conceptual a través de procesos externos
Línea de información principal del sistema, conceptualmente se pretende visualizar la información referida a un producto concreto
Intercambio físico de información
1.2.2 Análisis de las tecnologías
La tecnología RFID se basa en la utilización de tres elementos básicos: una etiqueta electrónica o tag, un lector de tags y una base de datos. Las etiquetas electrónicas llevan un microchip incorporado que almacena el código que identifica del producto al que están adheridas. El funcionamiento del lector es sencillo, el lector produce electricidad que viaja por cable a un ratio determinado, normalmente hacia una antena que radia la misma señal en el espacio a una frecuencia determinada para que otros elementos lo escuchen. No solo genera la señal que se transmite por el aire a través de las antenas, sino que también escucha las respuestas de los tags. Transmite y recibe ondas analógicas que transforma en cadenas de bits. Cada lector se conecta a una o más antenas (máximo según tipo de lectores). Estas tienen una ciencia propia, pero es importante conocer como el lector crea la señal electromagnética y la antena realiza la difusión en su zona de interrogación (campo de radio frecuencia). Además el lector también se conecta a la red o a una máquina mediante varios tipos de interfaz como pueden ser RS-232 o Ethernet. Hay multitud de tipos de lectores: simples (un solo estándar y frecuencia), multiregionales, multifrecuencias (trabajan a diferentes frecuencias), multi protocolos, etc. La línea con mayor interés son los lectores ágiles y flexibles que pueden utilizar cualquier protocolo, región o frecuencia (HF o UHF) según su uso.
El lector envía una serie de ondas de radiofrecuencia al tag, que éste capta a través de una pequeña antena. Estas ondas activan el microchip, que, mediante la antena y la radiofrecuencia, transmite al lector cual es el código del artículo. En definitiva, un equipo lector envía una señal de interrogación a un conjunto de productos y estos responden enviando cada uno su número único de identificación. Por este motivo, se dice que la tecnología RFID es una tecnología de auto-identificación.
Una vez el lector ha recibido el código único del producto, lo transmite a una base de datos, donde se han almacenado previamente las características del artículo en cuestión: fecha de caducidad, material, peso, dimensiones... De este modo se hace posible consultar la identidad de una mercancía en cualquier momento y fácilmente durante toda la cadena de suministro.
Lecto
r RFID
Interrogación
La interrogación proporciona al Tag: - Energía
- Reloj - Datos
Datos
1.2.2.1 Frecuencia de operación.
Un aspecto importante a tener en cuenta en el análisis de la tecnología RFID es la frecuencia de operación del sistema, aunque ya hemos dado algunos apuntes sobre el tema, en el siguiente cuadro se expone de forma sencilla y directa las diferentes
opciones presentes, actualmente, en el mercado.
Rango de Frecuencias LH 125 KHz HF 13,56 MHz UHF 868-915MHz Microondas 2,45 / 5,8 GHz Rango máximo típico de lectura en tags pasivos <0,5m 1m 30m 30m Características generales Relativamente caro incluso a grandes volúmenes. LF requiere una antena de cobre que es más cara que para el resto. Los tags inductivos son más caros que los capacitivos. Por el contrario es menos susceptible a degradaciones de rendimiento con metales y líquidos.
Menos caro que los tags inductivos de LF. Relativamente poca velocidad de transmisión de datos comparado con frecuencias más elevadas. Recomendado para aplicaciones que no requieren lectura múltiple de tags y rangos cortos de lectura. En grandes volúmenes, los tags
son mucho más baratos que los de menor frecuencia y mucho más pequeños. Ofrecen un buen balance entre rango y rendimiento especialmente en lectura múltiple de tags. Características similares a UHF pero con velocidades de transmisión superiores. Es la banda con más afectación de rendimiento por metales y líquidos. Ofrece señal más direccional. Fuente de potencia del tag
Pasivo, acoplamiento magnético Generalmente pasivo, utiliza acoplamiento inductivo y capacitivo.
Tags activos con batería o pasivos con acoplamiento
capacitivo.
Tags activos con batería o pasivos con acoplamiento capacitivo. Velocidad de datos Lento Rápido Funcionamiento en ambientes “hostiles” (metal o agua)
Más eficiencia Menos eficiencia
Tamaño de tag pasivo
1.2.2.2 La etiqueta.
Un tag RFID es un elemento que puede almacenar y transmitir información hacia un elemento lector utilizando ondas radio. El propósito de un tag RFID o etiqueta inteligente es poder adherir a un objeto información de este (ítem). No hay un único modelo de tag, sino que hay diferentes tipos según sus características como su mecanismo de almacenar los datos o la comunicación que utilizan para transmitir la información. Un aspecto muy importante a tener en cuenta es que no todos los tags tienen microchip o fuente de alimentación interna, pero si es cierto que todos ellos contienen una bobina (coil) o antena y que estas últimas pueden tener múltiples formas.
Los tags tienen características o capacidades muy diferentes, por lo que podemos realizar múltiples clasificaciones que nos ayuden a entender como afectan a su
comportamiento o modo de trabajo. Podríamos clasificar tags según su tipología (activo, pasivo y semipasiva), por su tipo de memoria, capacidad de almacenamiento, origen de alimentación, frecuencias de trabajo, características físicas, protocolo de interfaz aérea (cómo se comunica con el equipo lector) y así sucesivamente con casi todas las características. A continuación exponemos de forma simple las clasificaciones más comunes y se realiza, así, un repaso a las características más determinantes. Se comenzará por lo que se consideran las características físicas.
Hay diversas características básicas que pueden modificar el comportamiento de un tag RFID, algunas comunes a todos los tags (requerimientos mínimos que todos deben cumplir) y otras que sólo se encuentran según modelo o tag.
• Adherir el tag: cualquier tipo de tag debe tener un mecanismo adhesivo o mecánico para adjuntarlo al objeto.
• Lectura del tag: cualquier tag debe poder comunicar la información mediante la radiofrecuencia.
• Kill/Disable: algunos tags permiten al lector enviar un comando (orden) para que deje de funcionar permanentemente, siempre y cuando reciba el correcto “Kill code”. Esto provoca que no responda nunca más.
• Write Once: Muchos tags se les introduce el identificado en la propia fabricación, pero los que contienen la característica write-once (una solo escritura) permiten al usuario configurar o escribir su valor una sola vez, después de modificar la inicial, es imposible cambiarlo.
• Write many: algunos tags tienen la capacidad de poder escribir y reescribir tantas veces como se desee (normalmente hay un límite de ciclos muy elevado, como por ejemplo 100.000 escrituras) el campo de datos del identificador.
• Anticolisión: Cuando hay muchos tags próximos a un lector, este puede tener la dificultad de hablar o comunicarse con ellos a la vez. La característica anticolisión permite a los tags conocer cuando debe transmitir para no entorpecer o molestar otras lecturas. Esta característica se realiza mediante protocolos que permiten controlar las comunicaciones entre tag y lector.
• Seguridad y encriptación: algunos tags permiten encriptar la información en la comunicación, además hay la posibilidad en varios tipos de estos tags que permiten responder solo a lectores que les proporciona un password secreto. • Estándares soportados (conformidad): los tags pueden cumplir con uno o más
estándares, permitiendo comunicarse con los lectores que los cumplen.
Las etiquetas también tienen unas características físicas determinadas, los tags RFID toman multitud de formas y tamaños según los diferentes entornos donde deben utilizarse, esta característica de adaptación proporciona un elevado surtido de tags. Además estos tags pueden estar encapsulados en diferentes tipos de material. Hay tags
que se encapsulan en plástico (normalmente PVC), o botones para obtener mayor durabilidad, sobretodo en aplicaciones de ciclo cerrado donde se tiene que reutilizar o en ambientes hostiles. También pueden estar insertadas en tarjetas de plástico como las de crédito, este tipo se denominan “contactless smart cards”, o láminas de papel (similar a los códigos de barra), que reciben el nombre de “smart labels”. Como último destacamos los encapsulados de cristal o cerámica especialmente idóneos en entornos corrosivos, líquidos o para incrementar la protección del tag, por ejemplo, su utilización en la trazabilidad animal. En resumen, el embalaje o encapsulado del tag puede ser una de las características más visuales para clasificar según que tipo de tags, además es una característica que afecta directamente a cómo se adhiere el tag al objeto a identificar.
La clasificación más común de las etiquetas RFID es por su fuente de energía. Las etiquetas RFID pasivas no tienen fuente de alimentación propia. La pequeña corriente que se produce, inducida por la señal del lector en la antena, proporciona suficiente energía al circuito integrado de la etiqueta para poder transmitir una respuesta. Aunque la ausencia de fuente de alimentación proporcione la posibilidad de crear realizaciones de etiquetas muy pequeñas, la cantidad de información a transmitir también debe ser pequeña.
El otro tipo de tags son los activos, estos tienen incorporada una batería que proporciona alimentación constante al chip incorporado. Dentro de este grupo encontramos dos estrategias diferenciadas. Las llamadas etiquetas semi-pasivas, incorporan una pequeña batería que permite al integrado estar alimentado constantemente pero por otra parte el sistema de recepción y envío es muy parecido al de los tags pasivos y la energía para la comunicación la recoge de la señal de radiofrecuencia. Las etiquetas activas incorporan una batería para alimentarse y básicamente se establece una comunicación entre el lector y la etiqueta (que es un elemento activo como el lector) donde la etiqueta puede llegar a almacenar información que le pueda enviar el lector. Este hecho es muy útil para encriptar la comunicación.
Las etiquetas pasivas, debido que no llevan batería, son mucho más baratas y por ello el gran numero de sistemas RFID existentes son de este tipo. En el año 2004 estas etiquetas costaban alrededor de 0,3€ para grandes pedidos, en los próximos años se prevé, según los fabricantes, que para grandes pedidos el precio se reduzca a 0,04€. A pesar de esta gran ventaja de las etiquetas pasivas frente a las activas, estas tienen ventajas significativas en otros factores, como son exactitud, funcionamiento en ambientes “adversos” como cerca de agua o metal y confiabilidad.
La interfaz aérea describe la forma y el modo en que el tag y el lector se comunican o hablan. Esta característica determina la compatibilidad de los lectores y los tags, ya que la utilización de material que no soporta la misma interfaz aérea provoca el no entendimiento de los protocolos. Hay la necesidad que los protocolos de interfaz aérea sean estándares y no sistemas privados para garantizar la interoperabilidad de los dispositivos. Los atributos o características más importantes de la interfaz aérea son la frecuencia de operación, el modo de comunicación, la modulación, la codificación y el acoplamiento.
EPC global como órgano de estandarización para la RFID en su uso con EPC ha organizado las etiquetas en 6 clases. Podríamos llegar a coger estas categorías aunque no fueran con contenido EPC.
• Clase 0: solo lectura (el número EPC se codifica en la etiqueta durante el proceso de fabricación).
• Clase 1: escritura una sola vez y lecturas indefinidas (se fabrican sin número y se incorpora a la etiqueta más tarde)
• Clase 2: lectura y escritura.
• Clase 3: capacidades de la clase 2 más la fuente de alimentación que proporciona un incremento en el rango y funcionalidades avanzadas.
• Clase 4: capacidades de la clase 3 mas una comunicación activa con la posibilidad de comunicar con otras etiquetas activas.
1.2.2.3 Estándares.
1.2.2.3.1 Introducción.
Los estándares o normalizaciones nos garantizan el uso de la tecnología y su durabilidad, debido a que permiten disponer de soluciones conjuntas, que permitan una arquitectura abierta que pueda ser implementada por diferentes fabricantes o integradores. Como en todas las tecnologías, ha habido y hay todavía bastante confusión entorno a que estándares hay. Se han dado una serie de circunstancias que han provocado la, bien conocida en otros sectores, “lucha” de diversas partes del sector con el animo de imponer los estándares propios. El cliente por su parte no acaba de tener claro, cuales hay, si son interoperables o cual será el predominante. Este hecho provoca que no se implementen este tipo de tecnologías por el miedo de las empresas. Por ejemplo, el caso del código de barras, universalmente aceptado y entendido como un estándar. Pero esto no es toda la verdad, hay más de 200 estándares diferentes en los códigos de barras. Lo mismo sucede con RFID, pero en este caso hay un movimiento global hacia el mismo estándar que facilitara su implantación. Hay varios estándares según el tipo de aplicación, por la simple razón de que los principios físicos de las tecnologías en las que se basa la RFID son diferentes según varios factores. Esto hace que se tengan que adaptar todos los parámetros a la aplicación específica. A continuación haremos un breve repaso de las normas más relevantes en el entorno RFID.
Estándares desarrollados para tarjetas de identificación:
• ISO/IEC 10536 Identification cards – Contactless integrated circuit cards: para tarjetas de identificación inteligentes a 13,56 MHz. Describe sus características físicas, dimensiones localizaciones de las aéreas de interrogación, las señales electrónicas y os procedimientos de reset, las respuestas de reset y el protocolo e transmisión.
• ISO/IEC 14443 Identification cards – proximity integrated circuit cards: desarrollado para tarjetas de identificación inteligentes con rango superior a un metro, utilizando la frecuencia 13,56 MHz. Describe las características físicas, el interfaz aéreo, la inicialización y anticolisión, y el protocolo de transmisión. • ISO/IEC 15693 Contactless integrated circuit cards – Vicinity cards: se
desarrollan las características físicas, la interfaz aérea y los protocolos de transmisión y anticolisión para tarjetas sin contacto con circuitos integrados en la banda HF (13,56 MHz).
Estándares desarrollados para la gestión a nivel unidad:
• ISO/IEC 15961 RFID for item management – Data protocol: application
inteface: dirigido comandos funcionales comunes y características de sintaxis,
• ISO/IEC 15962 RFID for item management – Protocol: Data encoding rules
and logical memory functions: dirigido al procedimiento que el sistema RFID
utiliza para intercambiar información de la gestión a nivel unidad. Crea un formato de datos uniforme y correcto, una estructura de comandos, el procesamiento de errores.
• ISO/IEC 15963 for item management – Unique identification of RF tag: este estándar se dirige al sistema de numeración, el proceso de registro y uso del tag RFID. Se ha diseñado para el control de calidad durante el proceso de fabricación. También esta dirigido a la trazabilidad de los tags RFID durante este proceso, su ciclo de vida y control para anticolisión de varios tags en la zona de interrogación.
• ISO/IEC 19762: Harmonized vocabulary – Part 3: radio-frequency
identification: documento que proporciona términos generales y definiciones en
el área de la identificación automática y técnicas de captura de datos, con secciones especializadas en varios campos técnicos, al igual que términos esenciales para ser usados por usuarios no especializados en comunicaciones. La parte 3 es la que hace referencia a la tecnología RFID.
• ISO/IEC 18000 Air inteface standards: diseñada para crear una interoperabilidad global, donde se define la comunicación entre los tags y los lectores. Incluyendo diferentes frecuencias de trabajo. El objetivo del estándar es asegurar un protocolo de interfaz aérea universal. Este estándar contiene 7 partes diferentes. La primera consiste en la arquitectura del sistema RFID para la gestión unitaria. La parte 3 y 6 son las más relevantes y críticas. En la 3 se definen dos modos no interoperables aunque se han diseñado para no interferirse entre ellos. El modo 1 esta basado en ISO 15693 y el modo 2 en PJM (modulación) para obtener mayor tasa de bits. La parte 6 también define dos modos de operación conocidos como A y B.
• ISO/IEC 18001 RFID for Item Management - Application Requirements
Profiles: proporciona el resultado de tres estudios para identificar aplicaciones y
usos de la tecnología RFID con gestión a nivel unidad de artículo, con una clasificación resultante según diferentes parámetros operacionales, incluyendo el rango de operación, tamaño de la memoria, etc. También una breve explicación de los temas asociados con los parámetros de distancias, número de tags dentro del campo de interrogación, etc. Se incluye una clasificación de los tipos de tags según las aplicaciones.
• EPC™ Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF
RFID: creado por EPC global, joint venture entre EAN (European Article
• 13.56 MHz ISM Band Class 1 Radio Frequency (RF) Identification Tag
Interface Specification: desarrollado por EPC global para definir la interfaz de
comunicación y el protocolo para la clase 1 en 13,56MHz. Incluye los requerimientos de los tasg y lectores para establecer comunicaciones en dicha banda de frecuencias.
• Application Level Event (ALE) Specification Version 1.0: estándar desarrollado por EPC global que especifica un interfaz a través de la cual se filtra y consolida códigos electrónicos EPC con origen de varios dispositivos. Hay otros estándares RFID, por ejemplo para identificación animal, seguimiento de containeres, etc. Como reseña de algunos de estos otros estándares comentar que AIAG (Automotive Industry Action Group, que es una asociación con más de 1.600 fabricantes), ha desarrollado junto a EPC global estándares para la industria de la automoción, en específico el “Application Standard for RFID Devices in the Automotive Industry” que viene acompañado por otros como “AIAG B - 11”, estándar para identificar neumáticos y ruedas con RFID. Cada región o país tienen normativas técnicas de referencia. Por ejemplo nos podemos encontrar con:
• EN 300 220 (ETSI): características técnicas y métodos de medida para equipos de radio de corto alcance funcionando entre 25 y 1.000 MHz, hasta 500 mW de potencia.
1.2.2.3.2 EPC (Electronic Product Code) Global Clase I Gen2
El EPC (Electronic Product Code) es un nuevo sistema de identificación y seguimiento de mercancías en tiempo real basado en la radiofrecuencia de identificación (RFID) y que asocia una serie numérica unitaria e inequívoca a cada objeto. El EPC forma parte de un entramado denominado EPCglobal Network o “Internet de los objetos” que, utilizando tags o chips, lectores de RFID y una serie de mecanismos informáticos de acceso a datos, permite automatizar totalmente los procesos y obtener toda la información relativa al objeto identificado con EPC de forma rápida y eficaz. La filosofía del sistema EPC consiste en que cada uno de los objetos está identificado con un número seriado grabado en un chip de radiofrecuencia y que toda la información relativa a cada uno de ellos está deslocalizada, es decir, no está grabada en el propio tag, sino que reside en los diferentes sistemas de información de cada uno de los agentes involucrados en una transacción comercial. El EPC no es una alternativa al código de barras, sino un nuevo sistema para el transporte de información que presenta ventajas sobre él pero todavía hoy con un coste más elevado. Es decir, el EPC y el código de barras coexistirán durante mucho tiempo.
La Red EPCglobal (EPCglobal Network) es una estructura que permite la identificación inmediata y automática de los productos y la posibilidad de compartir la información de estos artículos en la cadena de suministro. Con la combinación de diferentes tecnologías, entre las que se incluyen la RFID e internet, así como el aprovechamiento al máximo de la capacidad de los actuales sistemas de información, la Red EPC se convierte en el proveedor de identificación y localización de artículos en la cadena de suministro más inmediato, automático y preciso de cualquier compañía, en cualquier sector y en cualquier parte del mundo.
NETWORK)
La Red EPCglobal está formada por seis elementos fundamentales:
1. Código Electrónico de Producto (EPC): El EPC es un conjunto de números que identifica única e inequívocamente a un artículo en la cadena de suministro. 2. Etiqueta EPC: En este sistema la etiqueta ya no es un código de barras, sino un
tag (chip de radiofrecuencia unido a una antena). Cada tag contiene un código electrónico de producto único (EPC).
3. Lectores EPC: El tradicional escáner o lector de código de barras pasa a ser un lector de RFID con una o varias antenas, de forma que, por ejemplo, cuando una agrupación de mercancía identificada con EPC cruza a través de un lector de RFID, las antenas activan cada uno de los tags recogiendo simultáneamente la información de productos contenida en cada uno de ellos. Los lectores EPC están situados en puntos estratégicos de la cadena de suministro con el fin de poder localizar los movimientos de los artículos.
5. Sistemas de información EPC (EPC IS): Estos servicios permiten a los usuarios intercambiar los datos incluidos en el EPC con los interlocutores del mercado a través de la Red EPCglobal.
6. Servicios Discovery: Son un conjunto de servicios que permiten a los usuarios encontrar datos relacionados a un EPC específico y solicitar acceso a los mismos.
El nuevo estándar EPC Generación 2 fue ratificado en Diciembre de 2004 (UHF Generation 2 Air Interface Protocol). Se ha creado a partir de las mejores características de la Generación 1, tanto de la clase 1 como de la 2, y los protocolos ISO (ISO 18000 series). Con el compromiso de mejorar el estándar actual. Se ha desarrollado con la colaboración de los fabricantes líderes de RFID, usuarios e instituciones de estandarización, todo ello bajo la coordinación y supervisión de EPC global.
El nuevo estándar para UHF se ha realizado con los siguientes objetivos:
• Establecer una única especificación UHF, para unificar las existentes como EPC clase 1, EPC clase 0 e ISO 18000-6, parte a y b.
C a d a a rtíc u lo lle v a u n a e tiq u e ta q u e c o n tie n e u n a a n te n a d e r a d io y u n p e q u e ñ o m ic r o c h ip g r a b a d o c o n u n id e n tific a d o r ú n ic o , lla m a d o E P C ( C ó d ig o E le c tr ó n ic o d e P r o d u c to ). E l a r tíc u lo p u e d e s e r id e n tific a d o a u to m á tic a m e n te , c o n ta d o y ra s tr e a d o . L a s c a ja s y p a le ts ta m b ié n p u e d e n te n e r s u ta g ú n ic o . A m e d id a q u e lo s p a le ts s a le n d e la fá b ric a , u n le c to r la n z a u n a s e ñ a l d e r a d io q u e “a c tiv a ” la s e tiq u e ta s .
L o s le c to r e s e n v ía n lo s E P C ’s a u n s is te m a in fo rm á tic o q u e e je c u ta e l s o ftw a re d e n o m in a d o S a v a n t , q u e e n v ía e l E P C a tr a v é s d e in te r n e t a u n a b a s e d e d a to s d e O N S (O b je c t N a m e S e rv ic e o S e rv ic io d e N o m b r e d e O b je to ) , la c u a l g e n e ra u n a d ir e c c ió n d e fo r m a s im ila r a c o m o e n in te r n e t . E l O N S e n v ía e l E P C a o tr o s e rv id o r , e l c u a l tie n e in fo rm a c ió n c o m p re n s ib le a c e r c a d e l p r o d u c to . E s te s e r v id o r u tiliz a P M L ( P r o d u c t M a r k e t L a n g u a g e o L e n g u a je d e M a rc a d o F ís ic o ) p a ra a lm a c e n a r lo s d a to s d e lo s p r o d u c to s d e l fa b ric a n te . S i a p a re c e u n in c id e n te la fu e n te d e l p ro b le m a p u e d e s e r ra s tre a d a y lo s p ro d u c to s p u e d e n s e r re c u p e r a d o s . E n e l á re a d e d e s c a r g a , d o n d e h a y u n le c to r d e R F ID , n o h a y n e c e s id a d d e a b r ir n i la s c a ja s n i lo s p a le ts p a r a e x a m in a r s u s c o n te n id o s . S a v a n t p ro p o r c io n a u n a lis ta d e la c a rg a y e l p a le t e s r á p id a m e n te e n v ia d o a l c a m ió n a p r o p ia d o . L o s le c to r e s h a b ilita d o s e n “g ó n d o la s in te lig e n te s ” p u e d e n p e d ir a u to m á tic a m e n te m á s m e r c a n c ía d e s d e la tr a s tie n d a o d e s d e e l p r o v e e d o r . C o n e s te s is te m a la c o s to s a n e c e s id a d d e m a n te n e r s to c k s d e s e g u rid a d e n a lm a c e n e s a le ja d o s s e e lim in a . E l s is te m a d e la c o m p a ñ ía h a c e u n s e g u im ie n to d e l c a r g a m e n to a tra v é s d e s u p r o p ia c o n e x ió n S a v a n t. T a n p r o n to c o m o lle g a , lo s s is te m a s s o n a c tu a liz a d o s in c lu y e n d o c a d a a r tíc u lo . D e e s ta fo r m a , lo s a lm a c e n e s p u e d e n lo c a liz a r to ta lm e n te s u in v e n ta rio d e fo rm a a u to m á tic a , p re c is a y b a jo c o s te .
• Diseño para un desarrollo mundial, dirigido a las diferentes regulaciones de diferentes regiones.
• Influenciar y mejorar las especificaciones UHF existentes, además de anticipar posibles aplicaciones futuras (como incluir funcionalidades para etiquetas que contengan sensores).
La Generación 2 promete mejoras en diferentes aspectos respecto a la Gen1:
• Global y abierto: Gen2 incorpora las frecuencias y características para un uso mundial.
• Incremento del ratio e lectura (velocidad): promete entre 8 veces más que la Gen1. Esto es importante en países donde el ancho de banda es muy limitado, que pueden llegar a tener velocidades un 30% inferiores que Estados Unidos.
• Tamaño: se espera que el tamaño de los chips se puedan reducir en un 20% respecto al actual.
• Alta fiabilidad en la comunicación.
• Mejores algoritmos de lectura que reducirán las lecturas duplicadas.
• Modo para lectura en entornos de lata densidad de lectores (Dense-Interrogator channelized signaling, normalmente llamado Dense Reader Mode).
• Seguridad: mejorada con un password encriptado de 32 bits y la posibilidad para “matar” permanentemente el tag.
• Incremento de la capacidad de escritura gracias ala mejora de los esquemas de escritura.
• Memoria: es opcional el poder añadir memoria adicional a la requerida para el EPC. Uso para que los clientes finales puedan añadir información específica.
1.2.3 Mercado
Las tecnologías RFID sobre artículos de un elevado precio como por ejemplo podrían ser repuestos para maquinaria, bienes de consumo de un valor medio al por menor, joyas, o que vengan en pequeños contenedores farmacéuticos, dan muy buenos dividendos tanto a los proveedores como a minoristas. Algunos beneficios adicionales, aparte de la trazabilidad del producto, que se obtienen con la identificación por radiofrecuencia a nivel de ítem son: la reducción del hurto, la seguridad, la reducción de costes y un mejor servicio al cliente. Podríamos contrastar este hecho con el caso de, por ejemplo, las etiquetas antirrobo, que no benefician al proveedor del producto pero si al vendedor. Si se le pide al proveedor que coloque las etiquetas, para él supone simplemente un coste adicional. Lo mismo sucede con las etiquetas RFID colocadas sobre estibas y cajas en las grandes cadenas minoristas de occidente. Con frecuencia el proveedor de bienes asume los costes y el minorista es quien obtiene el beneficio. En ambos casos, tales proveedores pueden representar un problema para la compañía que les suministra la tecnología RFID. En realidad, ese es el reflejo de la fijación de precios y la consecuente falta de rentabilidad para la mayoría de proveedores de etiquetas RFID involucrados en el proceso.
El término “a nivel de ítem” se refiere al artículo más pequeño que sea posible etiquetar. Por ejemplo, no es práctico etiquetar productos muy baratos o partes muy pequeñas como pastillas o pasta de dientes. A lo que se refiere el nivel de ítem es a los pequeños empaques de los anteriores elementos que se pueden ver en cualquier hogar. La aplicación de RFID a nivel de ítem también se refiere, por ejemplo, a las llantas, para las cuales las normas exigidas en el acta TREAD de Estados Unidos serían muy difíciles de cumplir sin un seguimiento automatizado. Michelin desarrolló un tipo de etiquetas incrustada en la llanta conjuntamente con Intermec.
Las etiquetas RFID a nivel de ítem se ven, cada vez más, como un activo en sectores como por ejemplo la industria militar y hospitalaria o en la fabricación de partes y herramientas. Estas etiquetas reducen la posibilidad de que un cirujano deje algún elemento dentro del paciente y garantizan obtener el tipo de sangre correcta en un hospital o que 40 millones de jeringas etiquetadas provenientes de Astra Zeneca eliminen los errores en la dosificación de anestésico Diprivan en las salas de operaciones de Japón y Europa. Claramente, no se trata únicamente de una mejora en las cadenas de suministro sino en mejoras a muchos niveles. Incluso, podemos llegar a pensar en la prevención de la falsificación gracias al rastreo automatizado de origen, o proteger los activos, incluso las piezas de museo y obras de arte, contra el robo o los errores de envío o almacenaje, lo cual hace mucho más fácil realizar una auditoria y controlar los movimientos.
primario, para ahorrar costos. En este momento, y con este fin, más de sesenta organizaciones están desarrollando circuitos transistores en películas delgadas imprimibles (TFTC), que seguramente serán menos costosos, más delgados y más resistentes que el chip clásico de silicio.
En el sector de la RFID nos encontramos con dos tendencias muy claras, aplicaciones con etiquetas muy costosas y muy bajos volúmenes y etiquetas muy baratas con grandes volúmenes. Un ejemplo clásico, es el etiquetado de las medicinas a nivel de ítem, en el sector de la salud, se prevén precios relativamente bajos de las etiquetas, con gran sofisticación y altos volúmenes, mientras el etiquetado de los activos de la industria de la salud, tales como el instrumental de un hospital, en muchos casos justificará contar con Sistemas de Localización en Tiempo Real (RTLS) que son mucho más costosas.
El mercado de las etiquetas RFID a nivel de ítem se ha duplicado en el 2006, gracias a la decisión del ejército de los Estados Unidos de etiquetar todos los ítems críticos y todos los elementos que cuesten más de 5.000 dólares, así como la presión de la Food and Drugs Administration, FDA, por combatir las medicinas falsificadas, que hoy en día se distribuyen en las farmacias legítimas de forma regular. También existe una tendencia global de etiquetar los libros, DVD, videos y otros elementos en las bibliotecas para automatizar el ingreso, la salida y el recuento de los mismos. Verdaderamente, y analizando el mercado, nos damos cuenta que el uso de las etiquetas se duplicó cuando estas se utilizaron como herramientas antirrobo. Cerca de 50 millones de ítems de biblioteca se etiquetan al año en Nueva Zelanda, Japón y Canadá.
Casi todos los ítems que son etiquetados hoy en día emplean una o dos de las frecuencias de RFID más populares: Alta frecuencia (HF) o Ultra alta frecuencia (UHF). Para el etiquetado en bibliotecas, lavanderías y productos farmacéuticos se utiliza normalmente la HF porque se obtienen mejores rendimientos frente al metal y al agua, así como buena legibilidad en una etiqueta de bajo costo. Después de todo, el coste de la etiqueta puede representar el 50 por ciento del coste de propiedad de un sistema RFID a nivel de ítem de alto volumen. Tanto el UHF como el HF son populares para las prendas de vestir que se venden al detalle. Boekhandels Groep, de Holanda, es el líder mundial en etiquetar libros en las librerías y escogió la tecnología UHF. HF es la opción para aquellos que quieren etiquetar probetas; por ejemplo, Roche en la investigación farmacéutica; Fonterra, de Nueva Zelanda, la cooperativa lechera más grande del mundo (para etiquetar muestras de lácteos), y diferentes hospitales que etiquetan muestras y bolsas de sangre.
1.2.4 Conclusiones y perspectivas de futuro
Como ejemplo podemos revisar las tendencias de una de los sectores pioneros en la utilización de RFID, la industria farmacéutica. La previsión es que este sector migrará hacia las soluciones RFID híbridas HF-UHF para la cadena de suministro médica en los próximos cinco años y después cambiará a la tecnología UHF de campo próximo o near-field. Tradicionalmente, los fabricantes de medicamentos y los mayoristas o distribuidores han utilizado tags y lectores RFID HF, los cuáles no disponen de la velocidad de lectura de los UHF pero ofrecen más capacidad de lectura en entornos hostiles, como líquidos y metales. También son más efectivos a la hora de leer múltiples ítems en un espacio reducido, por ejemplo, muchas botellas apiladas en un cartón que pasa a través de las líneas de ensamblaje a gran velocidad.
La tecnología UHF de campo próximo o near-field es capaz de transmitir en un campo cercano, similar a la banda HF, pero es más rápida y trabaja bien en entornos metálicos y líquidos. Parece que la disponibilidad de hardware UHF near-field EPC Gen 2 cambiará el escenario, ya que la tecnología responde bien en líquidos y metales y lee más ítems de manera más rápida (aproximadamente un 500% más rápido) que la HF. Puede además codificar tags RFID a un ratio un 75% más rápido que la HF. Los lectores UHF capaces de leer tanto tags near-field como far-field se espera que sean un 50% más caros que los lectores RFID corrientes, los cuáles están diseñados para leer tags sólo en campo lejano. Además, la tecnología requerirá antenas duales y paquetes de software duales para distinguir entre las transmisiones de las dos antenas.
Al mismo tiempo, un número creciente de empresas farmacéuticas están buscando soluciones RFID a nivel de ítem y habrá un incremento de las soluciones híbridas. Estos híbridos pueden ser combinaciones de sistemas RFID HF y UHF, como la UHF para cajas y palets, y los tags HF y las combinaciones de tags HF y etiquetas 2D de códigos de barras a nivel de ítem. También puede haber combinaciones de tags RFID con sensores capaces de medir los impactos, temperatura, humedad y otras condiciones, para hacer el seguimiento de si los medicamentos viajan a través de la cadena de suministro sin daños. Parece que el uso aislado de HF para el etiquetaje a nivel de ítem no resulta una solución a largo plazo para la industria farmacéutica. El crecimiento de la UHF está mermando la popularidad de la HF, incluso a nivel de ítem. Wal-Mart, por ejemplo, ya ha pedido a la mayoría de sus proveedores que fijen tags UHF EPC a todas las cajas y palets de productos. Además del apoyo que la UHF recibe de Wal-Mart parece que hay de tres a cinco veces más dólares invertidos en la investigación y desarrollo de la UHF que la HF.
2. Informe Técnico.
2.1. Microprocesador
Hoy en día, el sector de los dispositivos integrados pertenece a un mercado que está muy explotado y, por tanto, no es de extrañar que existan muchos dispositivos que un diseñador pueda utilizar como sistema embebido dependiendo de las prestaciones deseadas. En la Figura 2.1 están representadas algunas de las empresas con más experiencia en el sector.
Cuando un diseñador decide buscar un nuevo dispositivo para su aplicación, al contrastar los productos que comercializan varios fabricantes se ha de “pelear” con las características técnicas. Con respecto a los microcontroladores, las comparaciones entre fabricantes suelen ser bastante difíciles ya que para asegurarse el mercado no suelen copiar las mismas funcionalidades que pueden ofrecer otros fabricantes. En este sentido, los periféricos que realizan funciones básicas y otras más específicas, suelen variar en número y prestaciones. Así, si se compara la hoja de características del 68HC08AB16A
de Freescalecon el PIC16F873 puede observarse que el primero posee más puertos de
entrada-salida (51 pines el primero con respecto a los 34 del segundo), mientras que este último puede trabajar a una velocidad superior al primero (8MHz frente a los 20MHz
del más rápido) Sin embargo, ambos son controladores de 8 bits. En general, la pieza
más adecuada vendrá determinada por los requisitos de la aplicación: puertos de entrada-salida digitales, conversores AD, temporizadores, interrupciones, consumo, comunicaciones necesarias, etc.; y esto provocará, a menudo, que para cada aplicación haya que considerar diferentes fabricantes.
Si se consulta, por ejemplo, las unidades que comercializa Microchip (considerada como una de las compañías punteras por lo que respecta a unidades de 8 bits), encontraremos cinco gamas distintas: base, media, mejorada, familia 24F y dsPIC). La gama base incluye piezas de 8 y 12 y la gama media está reservada para los controladores de 14 y 16 bits. La primera posee solo funciones básicas, mientras que la segunda incluye periféricos para realizar funciones más complejas. De este modo, las gamas superiores poseen más prestaciones. Así, el dsPIC, que es un microcontrolador pensado para aumentar las prestaciones de cálculo, equivaldría a lo que dicha casa comercializa dentro de las unidades más conocidas como DSP (Digital Signal
Processor). Esta suele ser la tónica general en la mayoría de fabricantes, los cuales
agrupan todas sus piezas en varias gamas dependiendo de la tecnología o el número de bits al que trabaja la unidad de proceso (la ALU.- Arithmetic Logic Unit). Normalmente, cuando mayor sea el número de bits, más funciones complejas podrá realizar y más recursos tendrá el ‘chip’ incorporado. En consecuencia, esta característica determina indirectamente el tipo de aplicación que se puede desarrollar con el microcontrolador.
Aunque los microcontroladores de 16 bits tienen unas prestaciones superiores a los de 8 bits, lo cierto es que los de 8 bits dominan el mercado. La razón de esta tendencia es que éstos son apropiados para la gran mayoría de aplicaciones cotidianas lo que hace absurdo emplear piezas más potentes y consecuentemente más caras. Entre los sectores que hasta hoy más han demandado dispositivos de 16 bits destacan: la informática, la electrónica de consumo (juguetes, hornos, aspiradoras, TV, video, etc.), las comunicaciones, el control de procesos industriales y la automoción, entre otros.
Sin embargo, la irrupción del núcleo ARM de 32 bits está cambiando la tendencia de la electrónica de consumo hacia un panorama donde las denominadas ‘aplicaciones móviles’ son la nota predominante. Al igual que pasara con el 8051, la arquitectura ARM [6] ha sido adoptada por varios fabricantes. Actualmente existen
varias versiones de ella (ARM5TM, ARM7TM, ARM9TM, ARM9ETM,
ARM10TM,ARM11TM, etc.). Actualmente, los microcontroladores que tienen este
Microcontroladores (μC)
8 bits 16 bits 32 bits
(ARM)
Carácter
principal Tamaño reducido Propósito general
Control avanzado a alta velocidad y análisis de
datos a bajo consumo
Funciones incorporadas Funciones básicas: WTD, I/O, A/D, TMR, RAM, E2P Incrementa el número de funciones básicas de los μC de 8 bits e incluye algunos periféricos más que realizan funciones complejas como: INT, PWM, COMP, USART, I2C, SPI,
USB, QEI, LowP, LCD mbeb, …
Funcionalidad de control y DSP en la misma pieza:
INT, PWM, USART, SPI, varios modos de ahorro de
energía, capacidad de memoria, funciones de cálculo: Multiplicación, FFT, … Dispositivos/ Fabricantes HC08 (Freescale), PIC16F87X (Microchip), MSC-51 (Atmel), AduC812 (AD), 8xC51 (Philips), XC-8000 (Infineon), ST6 (ST-Micro) … HC6800 (Freescale), 24Fx (Microchip), MSC-51 (Atmel), 8xC51 XA (Philips), XC-166 (Infineon), ST10 (ST-Micro), … (Freescale), AT-91 (Atmel), STR7/9 (ST-Micro), AduC7021 (AD,)
LPC 2000 (Philips),… Aplicaciones Control de procesos sencillos: Teclados matriciales, monitorización de
datos vía LED, display o LCD, Finales de carrera, … Realización de tareas de dificultad moderada Cargadores de baterías, fuentes de alimentación, adquisición de datos,… Dispositivos móviles:
Teléfonos, PDAs, llave USB, reproductores digitales, … Unidades avanzadas Procesadores y DSPs MultiCore Carácter principal
Alta densidad y velocidad de cálculo
Varios núcleos trabajando paralelamente en el mismo ‘chip’ Funciones
incorporadas
Multiplicación, MAC, DMA, …
Según los núcleos incorporados (ARM+DSP)
Dispositivos/ Fabricantes
(TMS320C5000) TI, SC140 (Freescale), ADSP21xx (AD),
…
Tri-Core TC-1166 (Infineon), PXA27x (Xscale), Pentium IV(Intel), IOMAP5910
(TI), …
Aplicaciones
Tratamiento de datos:
Control de motores, reconocimiento de voz, imagen,
LAN, etc
Terminales portátiles multimedia (>600MHz) con necesidades de bajo
consumo.
PDA, Telemática, radiofrecuencia, dispositivos medicina portátiles
Las arquitecturas ARM también han supuesto un gran avance en los ‘chips’ que llevan incorporados varios núcleos dentro del mismo circuito integrado. Estos microcontroladores, junto con otras arquitecturas denominadas ‘multicore’, se suelen utilizar allá donde las exigentes especificaciones de procesado obligan a optimizar los procesos que se ejecutan de manera paralela. De este modo, se han conseguido mejorar aún más las prestaciones de estructuras anteriores que combinaban arquitecturas DSP con microcontroladores de 8 o 16 bits.
En definitiva, cada gran grupo de microcontroladores tiene unas características determinadas que lo hacen aptos en situaciones determinadas y dentro de ese grupo existen familias con más o menos prestaciones. En el caso que nos ocupa se pretendía desarrollar un sistema embedido para personas ciegas. En primer lugar, la interacción hombre-máquina había de ser sencilla y adaptada según las necesidades de cada usuario. Además, el funcionamiento del sistema debía de ser lo más transparente posible a los usuarios. En este sentido, el análisis de datos, el consumo energético y la necesidad de una comunicación transparente, como la que ofrecía la tecnología ‘wireless’, fueron los factores que predominaron en la elección del microcontrolador.
Las prestaciones de la mayoría de piezas de 8 y 16 bits empezaban a ser insuficientes como para pretender conseguir estos objetivos y las DSPs tenían un consumo muy elevado. Por otra parte, los sistemas embedidos comerciales tenían la ventaja de que podían reducir el tiempo de puesta en marcha de la aplicación ya que no hay que preocuparse del ‘hardware’. En este sentido, se decidió utilizar microcontroladores de 32 bits con funciones avanzadas de control de tareas y con cierta capacidad de cálculo. Este es el caso de los microcontroladores con arquitectura ARM.
