Funcionamiento del RFID
Escrito por Jaime Bárcena
Dado el carácter informativo de este blog, me gustaría explicar como funcionan a nivel mecánico los sistemas de RFID para aumentar la comprensión de todos vosotros y que de esta forma mejore vuestra relación con esta tecnología. Si bien son unos conocimientos que a priori pueden sonar muy técnicos, creo que es muy importante que los tengamos en cuenta para poder aplicar mejor estos productos, trataré de hacerlo lo más sencillo posible y explicar todo lo bien que pueda esta tecnología.
Para empezar hay que entender cómo opera la radiofrecuencia en general, la radiofrecuencia es una tecnología que se basa en modular las ondas de radio de una frecuencia determinada para transmitir una señal. Fue Marconi quien uso las ondas de radio para las comunicaciones, hoy en día hay muchísimos usos para la RF. Unos de esos usos es la identificación por radiofrecuencia. Según Wikipedia:
"RFID o identificación por radiofrecuencia (del inglés Radio Frequency Identification) es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas, tarjetas o transpondedores RFID. El propósito fundamental de la tecnología RFID es transmitir la identidad de un objeto (similar a un número de serie único) mediante ondas de radio. Las tecnologías RFID se agrupan dentro de las denominadas Auto ID (automatic identification, o identificación automática)."
Es decir, para que esto funcione tenemos un dispositivo llamado transciver, que lo llamamos LECTOR y otro dispositivo llamado transponder que lo llamamos TAG. Este TAG puede ser de muchas formas distintas, tenemos lo más conocido, una tarjeta tipo las tarjetas de crédito que reciben el nombre de tarjetas ISO (por cumplir una norma de tamaño determinada 85,60mm × 53,98mm), a TAGS especiales rugerizados que hacen que el TAG aguante fuego o explosiones.
Para comprender como funciona a nivel práctico debemos hacer unas distinciones sobre cómo se produce esta comunicación entre el Lector y los TAGs. La RFID funciona porque el dispositivo lector envía una señal de radio, esta señal puede ser omnidireccional o direccional, es decir difundirse de manera esférica al rededor del lector o bien la señal se difunde con una dirección de forma cónica.
Entonces, cuando un TAG entra en el campo, el TAG envía la señal del identificador y el lector la recibe enviándola al sistema para su procesado. Esto que parece obvio es un poco más complicado ya que el principio para convertir la señal de radio en una señal con un identificador se llama "backscatter" o retro dispersión modulada, hablando en cristiano. Para continuar es necesario explicar esto con cierto detalle. La emisión electromagnética que emite el lector es usada por el TAG para crear energía y alimentar un pequeño chip que hay en el interior del TAG, este chip es el responsable de modular la señal que la antena del TAG envía de retorno al lector.
Quizá a estas alturas alguien se pregunte: ¿Porqué esto es tan importante? La razón es que los TAGs, es decir, los dispositivos que deben ser identificados necesitan que la señal del lector les llegue con suficiente potencia para que el chip se energice y al mismo tiempo pueda devolver la señal al lector. Pensemos qué hacemos cuando la tarjeta típica de empleado no es leída … siempre pensamos que el lector no funciona, sin embargo es muy posible que seamos nosotros los que estamos haciendo mal la presentación al lector, lo hacemos sin darnos cuenta pero sujetamos la tarjeta de forma que anulamos la energía de RF.
Los principales enemigos de la RF son el agua y el metal. El cuerpo humano tiene un contenido de agua de un 70% aproximadamente, si interponemos nuestra mano a la tarjeta lo más seguro es que no sea leída, pero recordemos que esto sucede con nosotros de pie frente al torno o al lector de puerta, lo único que tenemos que hacer es volver a pasar la tarjeta y entonces la pegamos al lector y normalmente nos lee correctamente.
Perdonad la broma de la foto, pero sin duda, hacer maniobras, con vehículos en el acceso no es divertido, en muchos casos es imposible, bien por falta de espacio o bien por la cola que se ha organizado detrás del vehículo. Cuando esto se produce con camiones, remolques y cisternas, las cosas se ponen muy tensas, he sido testigo del bloqueo de una calle con un tráiler atravesado y sin posibilidad de maniobrar. Un drama que me costó más de 90 minutos atrapado en el atasco que se formó.
Entonces cómo podemos usar de forma sabia la RFID, ¿es posible usar esta tecnología sin contratiempos y de forma eficaz? Si, de hecho el RFID es con diferencia el medio más eficaz de identificación a día de hoy, especialmente en lo que se refiere a largo rango. Para poder avanzar debemos clasificar los TAGs y los Lectores, pero en lugar de hacerlo por la frecuencia lo vamos a hacer por el tipo de "backscatter" y la emisión de los TAGs:
- TAGs pasivos: Son todos aquellos tipos de TAG que no tienen batería y por tanto usan la señal de RF del lector para energizar el chip y retransmitir la señal. Dentro de esta tipología nos encontramos con los TAGs de UHF (850-950 MHz) los TAGS Smart Card (13,56 MHz) los TAGs de proximidad o PROX ( 120-125 KHz). En esta categoría puede haber TAGs NFC u otros tipos de tecnologías, siempre que no usen energía externa bien de una batería o de una alimentación de corriente.
- TAGs activos: Son todos aquellos tipos de TAG que usan energía para alimentar el chip y devolver la señal al lector. Estos dispositivos pueden ser alimentados de forma autónoma por una batería o por corriente suministrada. Lo más reseñable es que están emitiendo de forma constante la señal identificada. Algunos ejemplos pueden ser el GPS (Global Positioning System) o transpondedores de uso civil o militar como en aviones o barcos. También ciertos tipos de TAGs a diferentes frecuencias cómo: 433 MHz, 2,45 GHz y el 5,80 GHz que se usan en diferentes entornos pero el que mejor conocemos es el Telepeaje a 5,80 GHz en Europa por normativa de emisión.
- TAGs semi-pasivos: este tipo es también llamado BAP (Battery Assisted Power) son tags que usando frecuencias asociadas a las tecnologías pasivas usan una batería para suministrar corriente de forma continua al chip, de este manera se consume menos energía de la señal y mejora el rendimiento en detección de estos TAGs. Esto se ha aplicado especialmente para tecnología UHF para evitar interferencias o bloqueos. Por ejemplo se usa en lonjas para la trazabilidad del pescado en cintas transportadoras, soportan el agua, el hielo y el propio cuerpo de los pescados. Permitiendo su identificación a largo rango. Las baterías de estos dispositivos rara vez superan los 2 años ya que suelen ser dispositivos modestos como pegatinas o pequeñas tarjetas al uso. En formato ISO de tarjeta la vida útil es inferior a 2 años por la limitación del grosor de la batería.
- TAGs semi-activos: esta es la opción promedio más inteligente, el motivo que estos TAGs con batería solo utilizan la potencia de la batería para enviar un pulso, es decir, el TAG permanece en modo pasivo hasta que detecta el campo del lector, entonces un contacto envía un pulso de energía de la batería para el chip y retornar la señal modulada, gracias a esto se consiguen promedios de vida útil de unos 5-10 años o más de batería. Esta tecnología se aplica normalmente a frecuencias altas como las 2,45 GHz y 5,80 GHz. Son muy utilizados para entornos de identificación de vehículos y personas donde se quiere garantizar la lectura en cualquier tipo de circunstancia. El uso de esas frecuencias y las baterías ayudan a conseguir esto.
Visto todo esto nos quedan solo un par de conceptos básicos para finalizar. La polarización de la señal del Lector, que determinará las posibles orientaciones de los TAGs. Para ser más claro, la polarización es cómo la onda electromagnética del emisor se propaga. Podemos tener dos formas conocidas, la polarización lineal donde las ondas se propagan unas detrás de otras como sucede en un estanque cuando arrojamos una piedra. Pero recordemos que el campo puede ser omnidireccional o direccional.
Por otra parte tenemos la polarización circular esto significa que las ondas tienen una rotación sobre si mismas en la emisión y por tanto adoptan todo tipo de orientaciones dentro del campo de emisión.
Onda de polarización circular
Como se puede apreciar en ambos dibujos (Gracias al usuario de Wikipedia DAVE3457) vemos como las flechas negras marcan la diferencia entre un tipo y otro. La polarización circular siempre permite una mayor orientación de los objetos por lo que su posición en el campo es menos crítica que con polarización lineal.Esto nos lleva a la orientación del TAG. Si una persona porta un TAG (tipo tarjeta) lo va a presentar al lector de forma óptima es decir lo va a poner en el campo de RF como cuando un árbitro muestra una tarjeta a un jugador, plano y totalmente paralelo al lector. Pero si un vehículo lleva el TAG instalado, empezamos a ver como cada parabrisas de los vehículos tienen diferentes ángulos, pero también diferentes curvaturas. Esto provoca que se rompa ese paralelismo entre el TAG y el Lector. Cuanto más extremos sean esos ángulos mas se dificulta la lectura.
Si nos fiamos en la imagen podemos ver claramente como en un acceso de vehículos las diferencias entre las tipologías son enormes. Esto provoca que los sistemas de RFID de largo rango tengan que poder sobrepasar esto mediante la polarización de la señal
Pensemos en una linterna y un espejo de mano. El objetivo es que la luz del la linterna vuelva a ella una vez reflejada en el espejo. Cuanto más inclinemos el espejo tanto vertical como lateralmente menos luz se reflejará hacia la linterna, esto provocaría que el vehículo no sea identificado, cuando aplicamos esto a la RFID.
Por tanto cuando estamos en entornos donde los vehículos pasan en orden uno detrás de otro por un carril determinado para acceder a las instalaciones, como si de un acceso de parking fuera, menos exigente puede ser el sistema de RFID. Cuanto más abierto es el entorno o más diversidad de vehículos hay, más necesario es un sistema de RFID de altas prestaciones.
Para hacer un resumen efectivo de lo que hemos visto, aplicado a situaciones diferentes:
- Entornos de baja exigencia: Podemos usar sistemas Pasivos basados en UHF (850-950 MHz) para la identificación de vehículos y personas manos libres, de paso continuo sin detenerse ni tener que bajar la ventanilla del vehículo, las personas podrían tener que mostrar la tarjeta preferiblemente en un porta tarjetas, es posible que sea manos libres para personas si usan un porta tarjetas que separa la tarjeta del cuerpo unos 2-3 milímetros. Los lectores pueden tener polarización lineal ya que el acceso de vehículos suele ser tipo parking, con isletas separando el tráfico y los vehículos acceden uno a uno. Digamos son las típicas aplicaciones de edificios de oficinas o singulares donde todos los parámetros están a favor.
- Entornos de alta exigencia: En estos casos, lo más recomendable de usar, son los sistemas Semi-Pasivos, con TAGs con batería y lectores con polarización circular. En algunos casos se pueden usar sistemas pasivos, pero de altas prestaciones, ya que puede darse el caso que el entorno permita la aplicación de esta tecnología, pero esta decisión debe dejarse en manos de profesionales que conocen bien las limitaciones de los sistemas. Estos sitios pueden ser con accesos indiscriminados donde pasan todo tipo de vehículos desde diferentes orientaciones, como una nave industrial con una puerta de mas de 8 metros de ancho. Los sistemas Semi-Pasivos también son muy eficientes en entornos duros como minas o puertos. Además si por algún motivo adicional, no técnico, sino operativo, fuera necesario un compromiso de rendimiento extra entonces la decisión debe ser el sistema Semi-Pasivo sin dudarlo.