AUTOREFERAT. Opis dorobku i osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 Ustawy, po uzyskaniu stopnia naukowego doktora

Transkrypt

1 AUTOREFERAT Opis dorobku i osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 Ustawy, po uzyskaniu stopnia naukowego doktora dr inż. Piotr Jankowski-Mihułowicz Politechnika Rzeszowska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Zakład Systemów Elektronicznych i Telekomunikacyjnych ul. Wincentego Pola 2, Rzeszów pjanko@prz.edu.pl Rzeszów 2016 pjanko@prz.edu.pl

2

3 SPIS TREŚCI 1. IMIĘ I NAZWISKO TYTUŁY I STOPNIE NAUKOWE PRZEBIEG ZATRUDNIENIA W JEDNOSTKACH NAUKOWYCH WYKAZ PUBLIKACJI STANOWIĄCYCH OSIĄGNIĘCIE NAUKOWE Tytuł osiągnięcia naukowego Publikacje wchodzące w skład osiągnięcia naukowego OMÓWIENIE OSIĄGNIĘCIA NAUKOWEGO Uwarunkowania i ogólna charakterystyka Zakres zagadnień osiągnięcia naukowego Pasma częstotliwości systemów RFID Struktura systemu RFID Systemy indukcyjnie sprzężone Systemy propagacyjne Charakterystyka publikacji stanowiących osiągnięcie naukowe Wyznaczanie parametrów chipu identyfikatora RFID pasma UHF publikacja [P8] Synteza anteny identyfikatora RFID pasma UHF publikacja [P4] Synteza anteny identyfikatora RFID pasma HF publikacja [P7] Wyznaczanie parametrów impedancyjnych anten urządzeń techniki RFID publikacja [P9] Wyznaczanie charakterystyki promieniowania identyfikatora pasma UHF publikacja [P1] Synteza anten układów RWD publikacja [P13] Model charakterystyki promieniowania anteny publikacja [P6] Autonomiczny, półpasywny identyfikator RFID publikacje [P3, P10, P11] Synteza obszaru poprawnej pracy w systemach RFID publikacje [P12, P14] Metody zwiększania rozmiarów geometrycznych obszaru poprawnej pracy w systemach RFID publikacje [P2, P5] OMÓWIENIE INNYCH OSIĄGNIĘĆ Wprowadzenie Laboratorium RFID w ZSEiT PRz Poligon antenowy w PZL Mielec (Sikorsky, a Lockheed Martin Company) Stanowisko do wizualizacji przyszłościowego procesu zakupów w sklepach samoobsługowych Innowacyjne zastosowanie techniki RFID patent Pozostała aktywność publikacyjna i prezentacja wyników badań Udział w projektach i współpraca z gospodarką Działalność ekspercka recenzje grantów, prac naukowych, ekspertyzy Działalność dydaktyczna Pozostała działalność organizacyjna PODSUMOWANIE BIBLIOGRAFIA pjanko@prz.edu.pl 3

4 4

5 1. IMIĘ I NAZWISKO Piotr Jankowski-Mihułowicz 2. TYTUŁY I STOPNIE NAUKOWE uzyskanie stopnia naukowego doktora nauk technicznych w dyscyplinie telekomunikacja, nadanego przez Radę Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie. Temat rozprawy doktorskiej: Uwarunkowania efektywności układów antenowych w wielokrotnych systemach bezstykowej identyfikacji obiektów ze sprzężeniem indukcyjnym, promotor: dr hab. inż. Włodzimierz Kalita, prof. PRz, recenzenci: dr hab. inż. Andrzej Karwowski, prof. PŚ, dr hab. inż. Wiesław Ludwin, prof. AGH; ukończenie z wynikiem bardzo dobrym studiów wyższych magisterskich w Politechnice Rzeszowskiej im. Ignacego Łukasiewicza w Rzeszowie, na Wydziale Elektrycznym, na kierunku elektrotechnika oraz uzyskanie tytułu magistra inżyniera w zakresie specjalności aparatura elektroniczna. Temat pracy magisterskiej: Komputerowy system normowania czasu pracy pracowników, promotor: dr inż. Bogusław Wisz. 3. PRZEBIEG ZATRUDNIENIA W JEDNOSTKACH NAUKOWYCH do chwili obecnej zatrudnienie na stanowisku adiunkta w Zakładzie Systemów Elektronicznych i Telekomunikacyjnych na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Rzeszowskiej; zatrudnienie na stanowisku asystenta w Zakładzie Układów Elektronicznych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Rzeszowskiej. 4. WYKAZ PUBLIKACJI STANOWIĄCYCH OSIĄGNIĘCIE NAUKOWE 4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego Definicja, charakterystyka i wyznaczanie parametrów warunkujących proces syntezy obszaru poprawnej pracy w systemach radiowej identyfikacji obiektów Publikacje wchodzące w skład osiągnięcia naukowego [P1] Jankowski-Mihułowicz P., Węglarski M.: A Method for Measuring the Radiation Pattern of UHF RFID Transponders, Metrology and Measurement Systems, ISSN: , Vol. 23, No. 2, pp , 2016 (DOI: /mms , IF 2015: 1.140). [P2] Jankowski-Mihułowicz P., Kawalec D., Węglarski M.: The Idea of Enhancing Directional Energy Radiation by a Phased Antenna Array in UHF RFID System, International Journal of Electronics and Telecommunications, ISSN , Vol. 62, No. 2, pp , 2016 (DOI: /eletel ). [P3] Jankowski-Mihułowicz P., Węglarski M., Pitera G., Kawalec D., Lichoń W.: Development board of the autonomous semi-passive RFID transponder, Bulletin of The Polish Academy of Sciences Technical Sciences, Vol. 64, No. 3, pp , 2016 (DOI: /bpasts , IF 2015: 1.087). pjanko@prz.edu.pl 5

6 [P4] Jankowski-Mihułowicz P., Kawalec D., Węglarski M.: Antenna Design for Semi-Passive UHF RFID Transponder with Energy Harvester, Radioengineering, ISSN: , Vol. 24, No. 3, pp , 2015 (DOI: /re , IF 2015: 0.590). [P5] Jankowski-Mihułowicz P., Węglarski M.: Interrogation Zone Determination in HF RFID Systems with Multiplexed Antennas, Archives of Electrical Engineering, ISSN: , Vol. 64, No. 3, pp , 2015 (DOI: /aee ). [P6] Jankowski-Mihułowicz P., Lichoń W., Węglarski M.: Numerical Model of Directional Radiation Pattern Based on Primary Antenna Parameters, International Journal of Electronics and Telecommunications, ISSN: , Vol. 61, No. 2, pp , 2015 (DOI: /eletel ). [P7] Jankowski-Mihułowicz P., Tomaszewski G., Węglarski M.: Flexible Antenna Design For HF RFID Semi-Passive Transponder In Ink-Jet Technology, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN: , No. 4, pp. 1-5, 2015 (DOI: / ). [P8] Jankowski-Mihułowicz P., Węglarski M.: Determination of Passive and Semi-Passive Chip Parameters Required for Synthesis of Interrogation Zone in UHF RFID Systems, Elektronika ir Elektrotechnika (Electronics and Electrical Engineering), ISSN: , Vol. 20, No. 9, pp , 2014 (DOI: /j01.eee , IF 2014: 0.561). [P9] Jankowski-Mihułowicz P., Pitera G., Węglarski M.: The Impedance Measurement Problem in Antennas for RFID Technique, Metrology and Measurement Systems, ISSN: , Vol. XXI, No 3, pp , 2014 (DOI: /mms , IF 2014: 0.925). [P10] Janeczek K., Jakubowska M., Kozioł G., Jankowski-Mihułowicz P.: Passive UHF RFID-Enabled Sensor System for Detection of Product s Exposure to Elevated Temperature, Metrology and Measurement Systems, ISSN: , Vol. XX, No 4, pp , 2013 (DOI: /mms , IF 2013: 0.609). [P11] Jankowski-Mihułowicz P., Kalita W., Skoczylas M., Węglarski M.: Modelling and Design of HF RFID Passive Transponders with Additional Energy Harvester, International Journal of Antennas and Propagation, ISSN: , doi: /2013/242840, Vol. 2013, Article ID , pp. 1-10, (DOI: /2013/242840, IF ). [P12] Jankowski-Mihułowicz P., Węglarski M.: Determination of 3-Dimentional Interrogation Zone in Anticollision RFID Systems with Inductive Coupling by Using Monte Carlo Method, Acta Physica Polonica A, ISSN: , Vol. 121, No. 4, pp , 2012 (IF 2012: 0,531). [P13] Jankowski-Mihułowicz P., Węglarski M.: Synthesis of Read/Write Device Antenna for HF Proximity Range RFID Systems with Inductive Coupling, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN: , No. 3a, pp , [P14] Jankowski-Mihułowicz P., Kalita W., Pawłowicz B.: Problem of dynamic change of tags location in anticollision RFID systems, Microelectronics Reliability, Vol. 48, Issue 6, pp , 2008 (DOI: /j.microrel , IF 2008: 1.290). pjanko@prz.edu.pl 6

7 5. OMÓWIENIE OSIĄGNIĘCIA NAUKOWEGO 5.1. Uwarunkowania i ogólna charakterystyka Akronim RFID (ang. Radio Frequency IDentification) oznacza nowoczesną technikę radiowej identyfikacji obiektów [1], która już na obecnym etapie jej rozwoju jest często wykorzystywana w zautomatyzowanych procesach, w różnych obszarach aktywności społeczno-gospodarczej. Użyteczność tej techniki potwierdza rosnąca liczba wdrażanych systemów [2-4]. W aspekcie gospodarczym jest to spowodowane coraz większą dostępnością urządzeń RFID na rynku oraz prognozą ich wykorzystania w perspektywie najbliższych lat [5]. Z kolei w zakresie technicznym, powodem jest coraz lepsze rozpoznanie istoty działania tych urządzeń, zagadnień wyznaczania ich parametrów (odmiennie niż w klasycznych systemach radiokomunikacyjnych), ograniczeń aplikacyjnych i wielu innych czynników. Przedmiotem współcześnie prowadzonych prac wdrożeniowych są szeroko rozumiane procesy automatycznej identyfikacji obiektów stosowane w różnych obszarach życia i gospodarki [1, 6, 7]. Urządzenia techniki RFID między innymi są coraz częściej wykorzystywane w systemach zabezpieczeń i kontroli dostępu: w przemysłowych procesach logistycznych (podczas spedycji przesyłek, materiałów lub wyrobów produkcyjnych), podczas identyfikacji próbek pomiarowych lub cennych materiałów w procesach badawczych (w różnych obszarach nauki, techniki czy medycyny). Spora część tych prac jest także prowadzona w zakresie Internetu produktów (IoT ang. Internet of Things) [8], który w przyszłości umożliwi zastąpienie powszechnie wykorzystywanych kodów kreskowych (ang. bar codes) identyfikatorami radiowymi (ang. transponders), zgodnymi z wymaganiami elektronicznego kodu produktu (EPC ang. Electronic Produkt Code) [9]. Prace te mają zapewnić sprawną realizację automatycznej identyfikacji produktów szybko rotujących (FMCG ang. Fast Moving Consumer Goods) w światowych łańcuchach dostaw (ang. supply chain) [10]. Podobne działania dotyczą systemów, które powinny zapewnić wiarygodną i bezpieczną identyfikację poruszających się obiektów, np. w obszarze transportu kolejowego lub drogowego (AVI ang. Automatic Vehicle Identification) [7]. Można więc stwierdzić, że obserwowany potencjał aplikacyjnego wykorzystania techniki radiowej identyfikacji obiektów uzasadnia potrzebę prowadzenia intensywnych prac badawczo-rozwojowych, które będą stanowiły czynnik innowacyjnych zmian w omówionym zakresie użytkowym. Rozwój techniki RFID w tym obszarze jest głównie stymulowany przez kraje wysoko uprzemysłowione. Należy jednak podkreślić, że prowadzone w Politechnice Rzeszowskiej (PRz) wieloletnie prace o charakterze teoretycznym i doświadczalnym, a także uzyskiwane ich unikalne rezultaty, nawiązują do bieżących badań prowadzonych w naukowych i przemysłowych ośrodkach zagranicznych. Wyniki te stanowią także (weryfikowany na świecie) wkład w rozwiązywanie wielu problemów techniki RFID. Prace badawczo-rozwojowe w obszarze techniki RFID w PRz zostały zainspirowane doświadczeniami wnioskodawcy zebranymi w latach 90-tych XX wieku w zakresie metod i sposobów automatycznej identyfikacji obiektów. Inspiracje te były wynikiem dotychczasowej aktywności zawodowej wnioskodawcy w przemyśle, a dodatkowo stanowiły skutek realizacji przez niego pracy magisterskiej [11]. W ten sposób, z inicjatywy autora przedmiotowego wniosku habilitacyjnego i pod patronatem prof. dra hab. inż. Włodzimierza Kality kierownika Zakładu Systemów Elektronicznych i Telekomunikacyjnych (ZSEiT) na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (WEiI), w 1999 r. rozpoczęto w PRz realizację badań w zakresie techniki radiowej identyfikacji obiektów. Ich pierwszy etap związany z rozwojem zawodowym wnioskodawcy, został pjanko@prz.edu.pl 7

8 zakończony w 2007 r. obroną jego pracy doktorskiej [12] i był przede wszystkim realizowany na podstawie umowy o współpracy pomiędzy ZSEiT PRz a firmą Philips Semiconductors (obecnie NXP Semiconductors). Celem tej pracy było opracowanie podstawowego algorytmu syntezy zespołów antenowych w indukcyjnie sprzężonych (ang. inductive coupling), pojedynczych (ang. single) i wielokrotnych (ang. anticollsion) systemach RFID, z uwzględnieniem elektryczno-przestrzennych uwarunkowań ich właściwości funkcjonalnych. Końcowe badania eksperymentalne zostały potwierdzone w warunkach laboratoryjnych oraz przemysłowych, przy czym przeprowadzono je na wybranych przykładach konfiguracji geometrycznych procesu automatycznej identyfikacji obiektów, tylko z wykorzystaniem systemów RFID pasma LF. Rozwój techniki, a także zaobserwowana w ciągu pierwszych ośmiu lat pracy ( ) mnogość problemów wpływających na efektywność funkcjonowania systemów radiowej identyfikacji obiektów, spowodowały konieczność wyodrębnienia w ZSEiT dedykowanego zespołu badawczego, rozbudowy istniejącego zaplecza laboratoryjnego i zacieśnienia współpracy z partnerami przemysłowymi w obszarze omawianych zagadnień. Działania te (po uzyskaniu przez wnioskodawcę stopnia naukowego doktora) stanowią początek charakterystyki dorobku i osiągnięć naukowych, które zostały objęte przedmiotowym wnioskiem. Etap pracy habilitacyjnej rozpoczęto w 2007 r. od wyodrębnienia spośród pracowników ZSEiT zespołu badawczego techniki RFID, którego koordynatorem i inspiratorem działań został wnioskodawca. Dla każdego z członków zespołu określono główny obszar, w którym do dnia dzisiejszego na bieżąco definiowane są zadania cząstkowe, wynikające z realizacji prac dla wybranych projektów badawczych, rozwojowych i wdrożeniowych, finansowanych z różnych źródeł. Działania te przede wszystkim determinują indywidualny rozwój naukowy członków zespołu RFID, a dodatkowo stanowią istotną inspirację do kreatywnej i wydajnej pracy (także dydaktycznej) w zmieniających się warunkach uczelnianych. Od końca 2007 do początku 2016 roku, prace wnioskodawcy koncepcyjnie stanowiły ciągłość badań, które w ograniczonym zakresie zostały przeprowadzone na etapie jego doktoratu. Z tego powodu prace habilitacyjne zrealizowano wieloaspektowo (rozdział 5.2), z uwzględnieniem efektywności funkcjonowania pojedynczych i wielokrotnych, pasywnych (ang. passivie) i półpasywnych (ang. semi-passive) systemów RFID dla perspektywicznych z użytkowego punktu widzenia pasm częstotliwości (HF, UHF). W trakcie ich realizacji każdorazowo zakładano konieczność osiągania istotnych walorów użytkowych. Stąd większość publikowanych wyników znalazła pozytywne potwierdzenie eksperymentalne, a następnie praktyczne zastosowanie podczas rozwiązywania problemów techniki RFID (w przemyśle, w instytucjach i innych miejscach, w których realizowano wdrożenia zautomatyzowanych systemów). Znaczna część tych prac była prowadzona przez wnioskodawcę w obszarze definicji, charakterystyki i wyznaczania parametrów, które w istotny sposób warunkują proces syntezy obszaru poprawnej pracy (IZ ang. Interrogation Zone) w systemach radiowej identyfikacji obiektów. Wskazana tematyka przede wszystkim stanowi zakres głównego osiągnięcia przedmiotowego wniosku, którego szczegółowe aspekty omówiono w rozdziale 5.3. Z drugiej strony jest ona czynnikiem warunkującym pozostałą aktywność zawodową wnioskodawcy w obszarze wielu prac naukowych, dydaktycznych i organizacyjnych, które dodatkowo są powiązane z techniką antenową oraz konstrukcją i funkcjonowaniem (innych niż RFID) urządzeń oraz systemów elektronicznych i telekomunikacyjnych (rozdział 6). pjanko@prz.edu.pl 8

9 Istotą prac objętych głównym osiągnięciem naukowym, było przede wszystkim pokonywanie barier wdrożeniowych techniki RFID w różnych obszarach aktywności społeczno-gospodarczej. Należy podkreślić, że racjonalne wyznaczanie parametrów systemów RFID, szczególnie w aspekcie ich nietypowych zastosowań, możliwe jest tylko poprzez wieloaspektową analizę rzeczywistych problemów w rozważanych procesach automatycznej identyfikacji obiektów (Rys. 1). To oznacza, że pomimo istniejącego przekonania, na rynku nie istnieje uniwersalny identyfikator RFID przeznaczony do znakowania dowolnego obiektu. Taki identyfikator należy prawidłowo dobrać lub co jest bardziej korzystne zaprojektować dla zadanego obiektu, z uwzględnieniem wielu uwarunkowań jego działania. Nie istnieje także system możliwy do zastosowania w każdym zautomatyzowanym procesie. Konfigurację systemu należy dobrać do potrzeb procesu automatycznej identyfikacji oznakowanych obiektów. Rys. 1. Problem realizacji przykładowych procesów automatycznej identyfikacji z wykorzystaniem techniki RFID W systemie RFID proces komunikacji radiowej może być prowadzony tylko w obszarze poprawnej pracy (Rys. 1). Jeżeli z założenia znajduje się w nim jeden elektronicznie oznaczony obiekt, to taki układ nosi nazwę systemu identyfikacji pojedynczej. W przypadku systemu identyfikacji wielokrotnej, proces komunikacji prowadzony jest jednocześnie z wieloma identyfikatorami. W procesie tym wykorzystuje się algorytmy wielodostępu (ang. multiaccess) do kanału radiowego, które zapewniają możliwość jednoczesnego (automatycznego) rozróżnienia wielu obiektów oznaczonych identyfikatorami RFID. Mechanizmy te są zawarte w stosownych protokołach komunikacyjnych. W obu wymienionych przypadkach systemów RFID można założyć, że znakowane obiekty są ulokowane w trójwymiarowej przestrzeni Ω ID. Nie ma jednak pewności, że wszystkie te obiekty zostaną zidentyfikowane podczas zautomatyzowanego procesu, który dodatkowo może być realizowany w sposób statyczny (stała lokalizacja i orientacja obiektów w przestrzeni) lub dynamiczny (zmienna lokalizacja i/lub orientacja obiektów w przestrzeni). pjanko@prz.edu.pl 9

10 Prawidłowo wdrożony system RFID to taki, w którym wszystkie obiekty zostaną skutecznie oznaczone, a także bez względu na ich lokalizację, orientację czy stan pracy sprawnie zidentyfikowane w zaplanowany (przewidziany) sposób. Rozwiązanie tego problemu sprowadza się do przewidywalności trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy w realizowanym procesie automatycznej identyfikacji obiektów. Istota tego parametru po raz pierwszy została zasygnalizowana przez Klaus a Finkenzeller a w monografii [1], która miała swoje pierwsze anglojęzyczne wydanie w 1999 r. (wydanie drugie powstało w 2003, a trzecie w 2010 r.). Wynika to z dokonanej po raz pierwszy systematyki zagadnień techniki RFID i znajduje potwierdzenie w liczbie cytowań wskazanej publikacji. Z kolei znaczące problemy wyznaczania obszaru poprawnej pracy w przestrzeni trójwymiarowej, zostały m.in. zauważone przez profesora Nemai a C. Karmakar a w monografii [13], którą wydano w 2010 r. Ze względu na skomplikowanie zagadnienia trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy, wielu badawczy sprowadza ten problem do analitycznego lub tylko eksperymentalnego wyznaczania zasięgu (ang. range) działania systemu RFID [14-19]. Z kolei w warunkach przemysłowych parametr ten przeważnie jest wyznaczany metodą prób i błędów [20, 21]. Z definicji, zasięg oznacza maksymalną odległość niezbędną do prawidłowego przeprowadzenia procesu odczytu (ang. read range) lub zapisu (ang. write range) danych do pamięci identyfikatora, który jest umieszczony w osi symetrii anteny czytnika/programatora (RWD ang. Read/Write Device). Bezpośrednie wykorzystanie tego parametru do opisu działania systemu RFID może być użyteczne, ale tylko w przypadku procesu statycznej identyfikacji pojedynczej. Zgodnie z definicją, nie jest możliwe opisanie statycznej i/lub dynamicznej identyfikacji wielokrotnej tylko za pomocą zasięgu, ponieważ stanowi on jedynie wybrany parametr trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy systemu RFID. Okres doniesień literaturowych o problemie badawczym zbiega się z czasem realizacji prac, które były wykonywane przez wnioskodawcę w zakresie głównego osiągnięcia naukowego. W tym kontekście należy stwierdzić, że podstawowym warunkiem syntezy trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy jest rozszerzanie zakresu specyfikowanych parametrów urządzeń oraz systemów techniki RFID. Jest to przede wszystkim związane z koniecznością definicji, charakterystyki i pomiaru parametrów, które do tej pory: a) były pomijane w rozważaniach ze względu na brak ich kompleksowego rozpoznania, b) wyznaczano je nieefektywną eksperymentalną metodą prób i błędów, albo c) mierzono je korzystając z niewłaściwych metod pomiarowych. Między innymi na podstawie udokumentowanych prac B+R+W przeprowadzonych przez wnioskodawcę (załącznik 3) można stwierdzić, że trójwymiarowy obszar poprawnej pracy jest parametrem, w którym równocześnie kumulują się aspekty techniczne działania urządzeń techniki RFID, a także potrzeby rynkowe ich efektywnego wykorzystania w zautomatyzowanych systemach. Stąd w tytule głównego osiągnięcia zawarto słowo synteza, które w wyznaczonych ramach umożliwiło wnioskodawcy całościowe ujęcie przedmiotowego problemu z uwzględnieniem jego wielu uwarunkowań. Czynniki te są już zauważane przez wiodących producentów, którzy starają się uzupełniać istniejące braki w specyfikacjach swoich urządzeń i systemów RFID na podstawie efektów intensywnych prac badawczorozwojowych prowadzonych na świecie. Główne wsparcie dla realizacji prac doświadczalnych w ZSEiT PRz w tym zakresie stanowi zorganizowane z inicjatywy wnioskodawcy specjalistyczne laboratorium badawcze techniki radiowej identyfikacji obiektów (rozdział 6.1). Na podkreślenie zasługuje fakt, że wskazane zaplecze w obszarze techniki RFID, jest skoordynowane z laboratorium zintegrowanych mikro- i nanotechnologii elektronicznych HYBRID [22], pjanko@prz.edu.pl 10

11 w którym m. in. istnieje efektywna możliwość realizacji struktur identyfikatorów radiowych, czytników/programatorów, ich układów antenowych itp. Jest ono także ściśle połączone z profesjonalnym laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej (EMC ang. ElectroMagnetic Compatibility), w którym dokonywane są badania wielu parametrów opracowywanych urządzeń i systemów RFID, a także testy ich zgodności z obowiązującymi regulacjami prawnymi [23]. Powstanie tego zaplecza o łącznej inwestycji ponad 22 mln. zł, wymagało m. in. od wnioskodawcy w ocenianym okresie ponadprzeciętnego zaangażowania osobistego, umiejętnego planowania kolejnych przedsięwzięć oraz realizacji wielu zadań organizacyjno-administracyjnych. Aktywność ta doprowadziła do tego, że od 2012 roku pracownicy ZSEiT na WEiI PRz, a także ich partnerzy, dysponują nowoczesnym w skali krajowej i unikalnym w skali światowej, zintegrowanym kompleksem trzech specjalistycznych laboratoriów, które stały się fundamentalnym narzędziem do komplementarnego rozwoju naukowego i współpracy środowiska naukowego z gospodarką Zakres zagadnień osiągnięcia naukowego Pasma częstotliwości systemów RFID Pomimo tego, że działanie systemów RFID odnosi się do procesu radiokomunikacji, wiele parametrów i zjawisk należy rozumieć w sposób niestandardowy. Dotyczy to np. wykorzystania w tym procesie strefy, w której energia nie jest promieniowana tylko magazynowana w polu elektrycznym i magnetycznym, funkcjonowania niedopasowanych falowo układów antenowych, czy też zjawiska zmiennego dopasowania impedancyjnego układu nadawczo/odbiorczego i jego anteny podczas bezprzewodowej transmisji informacji w systemie. W technice RFID konieczne jest także stosowanie wielu nowych zwrotów, których zrozumienie wymaga uwzględnienia różnych podziałów dotyczących konstrukcji urządzeń i ich działania. Przesłanki te stanowiły istotę prac habilitacyjnych i z tego powodu w publikacjach [P1-P14] każdorazowo dokonywano systematyki pojęć z uwzględnieniem ich wyjaśnienia na przykładzie aplikacyjnego wykorzystania systemów RFID. Podstawowy podział, w jakim rozpatrywano zagadnienia osiągnięcia naukowego, dotyczył wykorzystywanych pasm częstotliwości (Rys. 2). Natężenie pola magnetycznego, H, db A/m (w odl. 10m od źródła promieniowania, dla częstotliwości f < 30 MHz) Moc promieniowania/promieniowana izotropowo ERP/EIRP, W (dla częstotliwości f > 30 MHz) 80 Systemy indukcyjnie sprzężone Systemy propagacyjne 2,446-2,454 GHz khz 865,6-867,6 MHz 4 13,56 MHz Częstotliwość f, MHz: Długość fali, m: 0,01 0, ,3 0,03 0,003 Zakres częstotliwości: VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Rys. 2. Pasma częstotliwości wykorzystywane w systemach RFID pjanko@prz.edu.pl 11

12 W aspekcie emisji pola elektromagnetycznego (EM), systemy RFID są lokowane w grupie urządzeń radiowych, dla których wykorzystuje się pasma (typowo: LF, HF, UHF) i częstotliwości robocze (f 0 ) powszechnie dostępne dla zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych (ISM ang. Industrial-Scientific-Medical) [24]. Pasmo i częstotliwość pracy są więc podstawowymi czynnikami wpływającymi na rozróżnienie rodzaju systemu RFID, a to warunkuje odmienne podejście w zakresie rozważania istoty jego funkcjonowania Struktura systemu RFID Bez względu na pasmo częstotliwości, w systemie radiowej identyfikacji obiektów można wyróżnić część programową i sprzętową. W skład tej pierwszej wchodzi oprogramowanie wykorzystywane do zarządzania pracą systemu, natomiast w części sprzętowej zawarte są: układ czytnika/programatora, jego antena oraz elektroniczne identyfikatory radiowe, które są przeznaczone do znakowania obiektów (Rys. 3). Rys. 3. Uogólniony schemat blokowy systemu RFID Podczas omawiania struktury systemu RFID, w literaturze tematu można się spotkać z określeniem czytnik (ang. reader). Należy mieć jednak na uwadze fakt, że urządzenie to pełni podwójną funkcję w systemie (nadajnika/odbiornika ang. transmitter/receiver), co umożliwia transmisję danych w dwóch kierunkach. Z tego powodu w pracach wnioskodawcy stosowano pełne określenie czytnik/programator. Jeżeli w procesie automatycznej identyfikacji obiektów nie będzie wykorzystywany zapis danych do wewnętrznych pamięci identyfikatorów, wówczas może być uzasadnione stosowanie zwrotu czytnik. W pozostałych przypadkach, gdzie wykorzystuje się zapis i odczyt danych z pamięci identyfikatorów, stosowanie zwrotu czytnik jest skrótem, który nie odzwierciedla istoty działania tego urządzenia. Należy jednak zaznaczyć, że nawet podczas samego odczytu danych z pamięci identyfikatora, w większości przypadków konieczne jest przeprowadzenie dwukierunkowej transmisji danych w jednej sesji komunikacyjnej. W publikacjach stanowiących osiągnięcie naukowe szczególną uwagę zwrócono na badania i rozwój struktury elektronicznego identyfikatora RFID. Jego najbardziej popularna konstrukcja pasywna zawiera w swojej strukturze chip i podłączoną do niego antenę. W strukturze tej dodatkowo może znajdować się wymienne lub niewymienne źródło zasilania (typowo: litowa bateria jednorazowego użytku), którego główną funkcją jest wspomaganie działania chipu. Funkcja ta powoduje zwiększanie rozmiarów pjanko@prz.edu.pl 12

13 obszaru poprawnej pracy. Identyfikatory RFID z wbudowanym źródłem zasilania nazywane są układami półpasywnymi lub aktywnymi (ang. active). W nowych konstrukcjach ich chipów (jednocześnie z interfejsem przewodowym i bezprzewodowym), energię baterii można wykorzystać do realizacji pomiarów wielkości fizycznych (np. wilgotności [25, 26], temperatury [26-28], natężenia światła [26, 27], ciśnienia [29], przyspieszenia [30], stężenia gazu [28]), których wyniki zostaną zapisane w wewnętrznej pamięci identyfikatora. Funkcje te zapewniają autonomiczność działania identyfikatora półpasywnego i są realizowane bez udziału czytnika/programatora. Należy jednak zaznaczyć, że dla prowadzenia procesu radiokomunikacji w systemie RFID cały czas konieczne jest działanie układu RWD. Dodatkowe źródło zasilania chipów półpasywnych nie umożliwia samoczynnego uruchomienia ich układów nadawczych, co oznacza, że antena identyfikatora RFID nie emituje pola EM jak ma to miejsce w klasycznych urządzeniach radiowych bliskiego zasięgu (SRD ang. Short Range Devices) [24]. Te właściwości umożliwiają odróżnienie półpasywnych identyfikatorów RFID od klasycznych, aktywnych urządzeń SRD Systemy indukcyjnie sprzężone W ogólnej klasyfikacji techniki RFID, względem której rozpatrywano zagadnienie osiągnięcia naukowego, pierwszą grupę stanowią systemy indukcyjnie sprzężone funkcjonujące w zakresie fal średnich i krótkich. W paśmie LF wykorzystywana jest częstotliwość nośnej f 0 od 100 khz do 135 khz (typowo 125 khz). Systemy pasma HF funkcjonują z częstotliwością roboczą MHz. W obu pasmach częstotliwości wykorzystywany jest obszar pola bliskiego (ang. near field), gdzie występuje niejednorodne pole magnetyczne (charakteryzowane przez natężenie pola magnetycznego H) oraz silne sprzężenie (charakteryzowane przez indukcyjność wzajemną M) pomiędzy antenami układu komunikacyjnego, zbudowanego z czytnika/programatora i identyfikatorów. Ze względu na to, że długość fali λ wynosi odpowiednio: 2400 m dla częstotliwości 125 khz i ok. 22 m dla f 0 =13,56 MHz, niedopasowane falowo anteny układu komunikacyjnego wykonywane są w postaci małych pętli (względem długości fali). Z tego powodu nośnikiem energii i medium dla transmisji danych w indukcyjnie sprzężonym systemie RFID jest niejednorodne pole magnetyczne. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem komunikacji, z wykorzystaniem tego medium, jest modulacja amplitudy za pomocą kluczowanej rezystancji (ang. load modulation). W systemach pasma LF, informacja przekazywana jest poprzez kluczowanie amplitudy fali nośnej (modulacja ASK ang. Amplitude Shift Keying). W zakresie fal krótkich, gdzie występuje znacznie słabsze sprzężenie indukcyjne pomiędzy pętlami antenowymi identyfikatora i układu RWD, dla prawidłowego przekazywania energii do identyfikatorów dane przekazywane są poprzez modulację z wykorzystaniem podnośnej (ang. load modulation with subcarrier). W widmie zmodulowanego sygnału dla systemów pasma LF, informacja skupiona jest we wstęgach bocznych, występujących wokół fali nośnej. W przypadku widma sygnału dla modulacji z podnośną, informacja powinna być odzyskana z otoczenia podnośnych, które w każdym przypadku są ściśle określone (np. 13,56 MHz / 16, 32, 64 = 847 khz, 424 khz, 212 khz) [31]. Wymienione mechanizmy komunikacyjne są implementowane w odpowiednich protokołach (np. dla pasma HF: ISO/IEC 15693, 14443, ). Elementarnym parametrem, charakteryzującym obszar poprawnej pracy i zasięg działania indukcyjnie sprzężonych systemów RFID, jest minimalne natężenie pola magnetycznego H min (lub minimalna wartość indukcji magnetycznej B min ), pjanko@prz.edu.pl 13

14 dla którego następuje poprawna transmisja danych pomiędzy układem RWD i identyfikatorem [32]. Wartość tego parametru wymagana w procesie zapisu informacji w wewnętrznej pamięci identyfikatora (H minwrite ), jest o kilka procent większa od wartości natężenia pola magnetycznego dla procesu odczytu danych (H minread ). Stan taki skutkuje występowaniem zmian w obszarze poprawnej pracy systemu RFID, w zależności od operacji przeprowadzanych w wewnętrznej pamięci identyfikatora. W obszarze osiągnięcia naukowego często rozważano proces identyfikacji wielokrotnej w systemach indukcyjnie sprzężonych. W tym przypadku konieczne jest zapewnienie odpowiedniego zasilania dla wszystkich identyfikatorów, które umieszczone są w otoczeniu anteny czytnika/programatora. Dla takiej konfiguracji geometrycznej systemu, wpływ magnetycznie sprzężonych obwodów identyfikatorów na wartość całkowitej impedancji pętli antenowej układu RWD wywołuje znaczącą zmianę wielu parametrów elektrycznych tego obwodu. Zjawisko to, w konsekwencji, prowadzi do zaburzeń w komunikacji z identyfikatorami, które umieszczone są na granicy obszaru minimalnej wartości natężenia pola magnetycznego. Poprawna analiza całkowitej impedancji pętli układu RWD ze sprzężonymi zespołami antenowymi identyfikatorów, a tym samym analiza zmian pola magnetycznego w rozpatrywanym obszarze, pozwala na właściwe oszacowanie granic przestrzennego rozmieszczenia znakowanych obiektów dla projektowanego systemu. Porównując parametr H min z wartością natężenia pola magnetycznego, wytworzonego w określonym punkcie P(x,y,z) przez antenę czytnika/programatora, można wyznaczyć trójwymiarowy obszar poprawnej pracy indukcyjnie sprzężonego systemu RFID, niezależnie dla wymaganego kierunku transmisji danych. Należy mieć jednak na uwadze, że prawidłowa synteza obszaru poprawnej pracy może być wykonana tylko wówczas, jeżeli oprócz spełnienia minimalnych warunków energetycznych komplementarnie uwzględniono wymagania komunikacyjnej efektywności prawidłowego działania poszczególnych urządzeń wielokrotnego systemu RFID ze sprzężeniem indukcyjnym Systemy propagacyjne W trakcie rozpatrywania zagadnień osiągnięcia naukowego należało uwzględnić odmienne działanie urządzeń techniki RFID w grupie systemów propagacyjnych (ang. radiative coupling), gdzie typowo wykorzystuje się zakres częstotliwości MHz pasma UHF, który jest uregulowany wymaganiami wybranego regionu świata. W systemach tych przede wszystkich wykorzystywany jest obszar pola dalekiego (ang. far field), gdzie wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego są prostopadłe względem siebie i względem kierunku rozchodzenia się fali, która lokalnie może być rozpatrywana jako płaska. Promieniowana fala o gęstość mocy S jest nośnikiem energii dla pasywnych lub półpasywnych identyfikatorów RFID (Rys. 3). Energia ta przekazywana jest przez falę nośną (o częstotliwości pracy f 0 ) za pomocą dopasowanych falowo i impedancyjnie anten układu radiokomunikacyjnego. Należy tu jednak zaznaczyć, że klasycznie rozumiane dopasowanie impedancyjne nadajnika/odbiornika, realizowane jest tylko w przypadku układu czytnika/programatora i jego anteny (50 Ω). Problem definicji, charakterystyki i wyznaczania parametrów, które w istotny sposób warunkują proces syntezy obszaru poprawnej pracy w paśmie UHF, prezentowano w publikacjach wnioskodawcy na przykładzie zaproponowanego modelu systemu radiokomunikacyjnego (Rys. 4). Składa się on z układu RWD, jego anteny i pojedynczego identyfikatora (pasywnego lub półpasywnego). W zaproponowanym modelu rozpatrywana jest tylko identyfikacja pojedyncza, ponieważ w procesie wielokrotnym podobne czynności powielają się dla każdego układu. pjanko@prz.edu.pl 14

15 Minimalne napięcie U T, indukowane na zaciskach anteny identyfikatora, wzbudza działanie jego wewnętrznego chipu, który odmiennie niż w przypadku klasycznych układów radiokomunikacyjnych zmienia swoją impedancję (Z TC ). Impedancja chipu jest zespolona, a jej część związana z układami prostownika i stabilizatora napięcia (Z TCR ) jest zależna od parametrów pola EM, czyli od lokalizacji i orientacji identyfikatora w przestrzeni, w której panują energetyczne i komunikacyjne warunki niezbędne do prawidłowej pracy tego urządzenia. Warunki te są opisane za pomocą obszaru poprawnej pracy (IZ). Dane z identyfikatora do układu RWD przesyłane są za pomocą zjawiska rozproszenia wstecznego (ang. backscatter communication). W procesie tym następuje częściowe odbicie fali nośnej (w stronę układu RWD) przy wykorzystaniu modulacji, która jest realizowana za pomocą skokowej zmiany impedancji chipu identyfikatora (dołączanie Z TCM ). Mechanizmy komunikacyjne są implementowane w protokole elektronicznego kodu produktu EPC Class 1 Gen 2, którego najnowsza wersja [33] jest obecnie ustandaryzowana przez ISO/IEC (wcześniej ISO/IEC ). Rys. 4. System radiokomunikacyjny czytnik/programator-identyfikator w paśmie UHF Do wyznaczania obszaru poprawnej pracy typowego toru radiokomunikacyjnego w systemie RFID pasma UHF można wykorzystać transmisyjne równanie Friis a [34]: P T 2 Tλ τχ 2 GRG = PRWD (1) (4 π r) gdzie: P RWD moc dostarczana do zacisków dopasowanej impedancyjnie anteny, G R zysk energetyczny impedancyjnie dopasowanej anteny układu RWD, P T moc odbierana w antenie identyfikatora, G T zysk anteny identyfikatora (przy założeniu jej impedancyjnego dopasowania do chipu), χ współczynnik dopasowania polaryzacyjnego anten układu radiokomunikacyjnego, τ współczynnik przenoszenia mocy z anteny identyfikatora do jego chipu, λ długość fali, r odległość pomiędzy antenami. Przekształcając zależność (1), można wyznaczyć geometryczną granicę obszaru poprawnej pracy, czyli maksymalną odległość r PwrMax pomiędzy osiowo symetrycznymi antenami układu komunikacyjnego. Odległość ta umożliwia spełnienie warunku zasilenia pasywnego identyfikatora, charakteryzowanego przez minimalną moc P Tmin, która zapewnia jego prawidłowe działanie: pjanko@prz.edu.pl 15

16 r PwrMax λ PRWD GRGTτχ = (2) 4π P Tmin Czułość chipu identyfikatora jest zależna od jego typu (pasywny/półpasywny) [35, 36], a także od parametrów procesu komunikacji radiowej. Pomiędzy czułością chipu identyfikatora pasywnego P TminP i półpasywnego P TminSP zachodzi związek: P TminP > P (3) TminSP Z nierówności (3) wynika większy rozmiar geometryczny obszaru poprawnej pracy półpasywnego systemu RFID. Jest to bezpośrednio spowodowane dodatkowym zasilaniem chipu w identyfikatorze półpasywnym. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że nierówność (3) będzie słuszna tylko wówczas, gdy napięcie wewnętrznego źródła będzie mieściło się w przedziale od wartości minimalnej U BatMin do maksymalnej U BatMax (Rys. 5). Wobec tego, czułość chipu identyfikatora półpasywnego powinna być specyfikowana dla określonej wartości napięcia wewnętrznego źródło zasilania U Bat. P TminP P TminSP Rys. 5. U BatMin U BatMax Napięcie źródła bateryjnego U bat Uogólniona krzywa czułości chipu pasywnego i półpasywnego W procesie syntezy obszaru poprawnej pracy wymagane jest porównanie maksymalnej odległości r PwrMax z wartością r BtrMax, która oznacza maksymalną odległość pomiędzy antenami układu radiokomunikacyjnego dla zapewnienia prawidłowej detekcji sygnału przesyłanego za pomocą zjawiska rozproszenia wstecznego w kierunku identyfikator-czytnik/programator: r BtrMax λ 2 2 RWD R T = 4 (4) 3 PRmin ( 4π ) P G χσ gdzie: σ T oznacza skuteczną powierzchnię odbicia anteny identyfikatora (ang. Radar Cross Section RCS), P Rmin minimalną moc na wejściu układu RWD dla sygnału fali odbitej od identyfikatora. Do przeprowadzenia skutecznego procesu transmisji danych konieczne jest spełnienie odpowiednich warunków. Moce: P T dostarczona z anteny do chipu identyfikatora umieszczonego w określonym punkcie o współrzędnych (x,y,z), a także P R na wejściu układu RWD dla sygnału fali odbitej, muszą być większe lub równe wartościom minimalnym P Tmin i P Rmin, przy których możliwe jest poprawne działanie systemu RFID: P T (x, y,z) P R(x, y,z) 1, 1 (5) P P Tmin Rmin pjanko@prz.edu.pl 16

17 Z zależności (1)-(5) można korzystać w celu wyznaczania obszaru poprawnej pracy w pasywnych lub półpasywnych systemach RFID pasma UHF. Należy mieć jednak na uwadze, że wiele przytoczonych parametrów zależy od elektryczno-geometrycznych uwarunkowań układu zespołów antenowych czytnik/programator-identyfikatory (np. dla dowolnej orientacji identyfikatora wymagana jest znajomość pełnych, trójwymiarowych charakterystyk promieniowania G(θ,φ) anten, a nie tylko ich diagramów kierunkowych G(θ) i G(φ)). Dotyczy to szczególnie wielokrotnych i dynamicznych systemów RFID, które są dedykowane do zadanego procesu automatycznej identyfikacji obiektów. Najistotniejsze jest jednak szacowanie granicy obszaru poprawnej pracy. W tym przypadku kluczowe są warunki zasilania identyfikatorów pasywnych [37]. Ich istota jest zawarta w czułości chipu (reprezentowanej przez minimalną moc P Tmin ), od której w kolejności zależą: a) jego impedancja na granicy obszaru poprawnej pracy, b) konstrukcja anteny identyfikatora, a także c) obszar poprawnej pracy dla zadanej aplikacji systemu RFID. W klasycznych systemach radiokomunikacyjnych, impedancja nadajnika lub odbiornika jest stała (np. 50, 75 Ω) i dopasowana do jego anteny dla zadanej częstotliwości pracy. W pasywnych lub półpasywnych systemach RFID, impedancja chipu Z TC jest zmienna podczas pracy identyfikatora. Jej dopasowanie do impedancji anteny identyfikatora Z TA jest charakteryzowane przez współczynnik przenoszenia mocy τ (Rys. 4). Podczas syntezy obszaru poprawnej pracy, zysk G T w zależnościach (1) i (2) należy wyznaczać przy pełnym dopasowaniu impedancyjnym anteny i chipu identyfikatora (Z TA =Z TC *, τ=1). Wobec tego współczynnik przenoszenia mocy można zapisać w następującej postaci: τ = Re 4 Re ( ZTA ) Re ( ZTC ) ( Z + Z ) + Im ( Z + Z ) 2 2 TA TC TA TC W praktyce impedancja anteny identyfikatora (Z TA ) jest stała dla zadanej częstotliwości, a impedancja jego chipu (Z TC ) jest zmienna (Rys. 4). Zależność ta jest praktycznie pomijana przez producentów komponentów elektronicznych pomimo tego, że jest ona znacząca dla procesu syntezy obszaru poprawnej pracy systemu RFID Charakterystyka publikacji stanowiących osiągnięcie naukowe Wyznaczanie parametrów chipu identyfikatora RFID pasma UHF publikacja [P8] Problem głównego osiągnięcia naukowego rozpoczyna się już na etapie definicji, charakterystyki i wyznaczania parametrów chipu identyfikatora. W trakcie realizacji prac w tym obszarze wnioskodawca zaobserwował niekompletność literatury tematu i wiedzy przemysłowej, w szczególności w zakresie pasma UHF i nowo wdrażanych na rynku chipów z funkcjami pracy półpasywnej. W tym kontekście, w publikacji [P8] zaprezentowano zweryfikowane doświadczalnie metody wyznaczania kompletnych parametrów pasywnych i półpasywnych chipów UHF. Określono znaczenie tych parametrów dla procesu syntezy obszaru poprawnej pracy w różnych aplikacjach systemów RFID. W opracowanym i omówionym stanowisku pomiarowym możliwe jest także sprawne prowadzenie badań nad modyfikacją parametrów ustandaryzowanych (ISO/IEC ) i opracowywaniem nowych, bardziej efektywnych protokołów komunikacyjnych. Ta funkcja może być znaczącym wsparciem dla wielu prac teoretycznych i symulacyjnych, które są często spotykane w literaturze tematu. (6) pjanko@prz.edu.pl 17

18 Wartość impedancji Z TC zależy od punktu lokalizacji i orientacji identyfikatora względem anteny układu RWD, czyli od mocy P T przekazywanej z anteny do chipu (Rys. 4). Jest to spowodowane działaniem układu prostownika i stabilizatora napięcia, ulokowanych w obwodach wejściowych (ang. RF front end) chipu identyfikatora [38, 39]. Zmienna impedancja chipu stanowi więc istotny problem podczas pomiaru mocy minimalnej P Tmin. Jej wartość dodatkowo zależy od rodzaju wykonywanej operacji zapisu (P TminWrite ) lub odczytu (P TminRead ) danych z wewnętrznej pamięci identyfikatora (P TminWrite >P TminRead ), a także od parametrów protokołu komunikacyjnego, np. ISO/IEC , zgodnego z wymaganiami EPC [33]. Problem ten został rozwiązany za pomocą zestawionego stanowiska pomiarowego, w którego konstrukcji zintegrowano dwie zaproponowane metody wyznaczania czułości chipu identyfikatora przeznaczonego do pracy w systemach RFID pasma UHF (Rys. 6). Rys. 6. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego Istotą obu metod jest poszukiwanie mocy minimalnej P min, przy której dla rozkazu inwentaryzacji Query protokołu komunikacyjnego [33] następuje identyfikacja ciągu RN16 (ang. 16 b Random or Pseudo-Random Number), stanowiącego odpowiedź identyfikatora w przypadku spełnienia warunku: P T P Tmin. Moc P Tmin jest wyznaczana po uwzględnieniu niedopasowania impedancyjnego chipu (Z TC ) i 50 Ω toru pomiarowego (Z 0 ). pjanko@prz.edu.pl 18

19 W metodzie nr 1 do symulacji ramki z rozkazem Query wykorzystano połączenie generatora przebiegów dowolnych (jako źródło sygnału modulującego) oraz wektorowego generatora sygnałów (jako źródło nośnej o regulowanej mocy wyjściowej). Źródłem informacji dla generatora przebiegów dowolnych jest program JankoRFIDchip UHF opracowany w środowisku Mathcad, za pomocą którego przygotowywany jest plik ramki, przesyłany do przyrządu przez sieć LAN (Rys. 7). Rys. 7. Program JankoRFIDchip UHF opracowany dla środowiska Mathcad Po dokonaniu kompilacji pliku źródłowego z sygnałem modulującym, na wyjściu wektorowego generatora sygnałów pojawia się przebieg zmodulowany amplitudowo, w którym możliwa jest regulacja mocy P G (Rys. 6), przenoszonej z sygnałem niezmodulowanym np. podczas wstępnej sekwencji Start zasilania chipu. Ramka wysyłana jest cyklicznie, przy czym proces jej realizacji rozpoczyna wyłączenie zasilania chipu (sekwencja Reset ) i kończy sekwencja Stop (końcowe zasilanie chipu po przesłanym rozkazie Query). Nagłówek pełni funkcję synchronizacji parametrów protokołu komunikacyjnego, zgodnie z wymaganiami [33]. W metodzie nr 2 (Rys. 6), do tego samego celu zaproponowano wykorzystanie czytnika/programatora dalekiego zasięgu (ang. long range), z wbudowaną możliwością konfiguracji parametrów protokołu komunikacyjnego i regulacją mocy wyjściowej P RWD. pjanko@prz.edu.pl 19

20 Wykorzystanie tych urządzeń umożliwia konfigurowanie i wysyłanie rozkazu Query. Możliwa jest także regulacja mocy P RFID poprzez konfigurację oprogramowania kontrolno-sterującego i zmianę odległości r pomiędzy antenami. Ze względu na przygotowany analityczny model ramki danych w programie Mathcad, pierwsza metoda jest bardziej elastyczna w kontekście konfiguracji procesu pomiarowego. Druga metoda (bardziej czasochłonna i podatna na zewnętrzne zakłócenia falowe) umożliwia wyznaczenie czułości chipu przy wykorzystaniu mniej zaawansowanej i tańszej aparatury kontrolno-pomiarowej. Przygotowany w obu metodach sygnał z rozkazem Query jest przekazywany do chipu za pomocą cyrkulatora ferrytowego. Ze względu na to, że Z C Z 0, w analizatorze widma można dokonywać dekodowania przesyłanych informacji (zgodnie z wymaganiami [33]), a także przy uwzględnieniu strat toru pomiarowego cyrkulatora pomiędzy wejściem analizatora widma i wrotami chipu pomiaru mocy minimalnej P min. Czułość badanego chipu jest wyznaczana z zależności: Tmin min 2 ( 1 ) P = P Γ (7) gdzie: Γ oznacza współczynnik odbicia, mierzony za pomocą wektorowego analizatora obwodów (VNA ang. Vector Network Analyser). Pomiaru współczynnika odbicia dokonuje się dla wcześniej określonej wartości mocy P min, po dokonaniu kalibracji wejścia VNA dla impedancji Z 0 =50 Ω i przesunięciu płaszczyzny wrót wejściowych (metoda port extension [40, 41]) do miejsca łączenia chipu identyfikatora z jego anteną. Automatyzacja procesu pomiarowego jest zapewniona przez sterowanie aparaturą w sieci LAN przy wykorzystaniu protokołu TCP/IP. Rys. 8. Stanowisko pomiarowe w laboratorium RFID PRz Dla zaproponowanych metod, w laboratorium RFID przygotowano stanowisko pomiarowe, w którym przeprowadzono kompleksowe badania eksperymentalne wybranych grup chipów (Rys. 8). Zestawione w publikacji [P8] wyniki czułości badanych chipów są zbieżne pomiędzy metodami zaprezentowanymi na rysunku 6. Zmierzone wartości P Tmin w części także pokrywają się z danymi z dokumentacji producentów. Należy jednak podkreślić, że informacje specyfikowane przez producentów są zbyt pobieżne z punktu widzenia potrzeb projektanta systemu RFID. Czułość chipów jest zmienna w funkcji: częstotliwości, parametrów protokołu komunikacyjnego itp. W dokumentacjach producentów często brakuje informacji jak wyznaczano ten pjanko@prz.edu.pl 20

21 parametr, dla jakiej częstotliwości/pasma i innych. Podobne uwagi można sformułować dla różnicy czułości chipu funkcjonującego w trybie pasywnym i półpasywnym (Rys. 9). Z punktu widzenia projektanta systemu RFID, konieczne jest zatem określanie czułości P Tmin identyfikatorów półpasywnych w zależności od napięcia ich dodatkowego źródła zasilania, ponieważ czynniki te w efekcie będą determinować obszar poprawnej pracy systemu RFID. -13,0-13,5 U BatMin 866 MHz 915 MHz -14,0-14,5-15,0-15,5 Rys ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Napięcie źródła bateryjnegou bat (V) Przykładowe wyniki pomiaru czułości chipu pasywno-półpasywnego w funkcji napięcia źródła bateryjnego Prawidłowe wyznaczenie czułości chipu umożliwia pomiar jego impedancji za pomocą wektorowego analizatora obwodów. W publikacji [P8] zestawiono także wyniki pomiarów impedancji dla wartości P Tmin wyznaczonej metodą nr 1. W pracy zaprezentowano zmiany części rzeczywistej i urojonej impedancji Z TC w funkcji mocy P T, odpowiednio dla chipu pasywnego i pasywno-półpasywnego. W obu przypadkach znaczące zmiany impedancji dla większych mocy P T są spowodowane koniecznością stabilizacji napięcia w obwodach wejściowych chipu. Zjawisko to nie jest jednak krytyczne w kontekście określania granic obszaru poprawnej pracy. W tym przypadku ilość energii dostarczanej z pola EM anteny RWD jest wystarczająca do prawidłowego działania chipu. Warto jednak zauważyć, że dla chipu półpasywnego, wartość jego impedancji dla mocy P Tmin jest niezależna od dodatkowego zasilania bateryjnego. Fakt ten ma istotne znaczenie praktyczne, ponieważ pozwala na projektowanie jednego typu anteny identyfikatora, niezależnie od trybu jego pracy (pasywny/półpasywny). Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P8] polegał na: przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; charakterystyce i częściowej definicji parametrów pasywnych i półpasywnych chipów identyfikatorów pasma UHF w kontekście syntezy obszaru poprawnej pracy systemów RFID; opracowaniu uniwersalnych metod pomiaru tych parametrów z wykorzystaniem różnego wyposażenia stanowisk badawczych; opracowaniu i walidacji programu JankoRFIDchip UHF; zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 70%. pjanko@prz.edu.pl 21

22 Synteza anteny identyfikatora RFID pasma UHF publikacja [P4] W kolejnym etapie prac wnioskodawca rozważał problemy syntezy różnych konstrukcji anten, które będą dopasowane do parametrów wybieranych chipów. Rozwój techniki RFID spowodował, że także w tym przypadku zaobserwowano konieczność uzupełnienia wiedzy w zakresie literatury tematu i dokonania weryfikacji znanych metod syntezy anten identyfikatorów dla różnych pasm częstotliwości. Przykładowe zagadnienie dla pasma UHF omówiono w publikacji [P4]. W artykule zaprezentowano nową konstrukcję anteny mikropaskowej, która jest dedykowana dla półpasywnego identyfikatora RFID pasma UHF z wbudowanym układem pozyskiwania energii. W procesie projektowania i obliczeń numerycznych wykorzystano pakiet HyperLynx 3D EM (HL3DEM) firmy Mentor Graphics, a uzyskane w ten sposób dane zostały zweryfikowane doświadczalnie w laboratorium RFID PRz. Głównym celem tego projektu była eliminacja tradycyjnego (bateryjnego) źródła energii ze struktury identyfikatora półpasywnego. Zastosowanie nowego modułu umożliwia pozyskiwanie energii z otoczenia (np. z pola EM typowych systemów radiokomunikacyjnych), a następnie jej wykorzystanie do zasilania struktury identyfikatora półpasywnego i jego dodatkowych bloków funkcji autonomicznych. Dodatkowa funkcja chipów pojawiających się na rynku (pozystkiwanie energii) powoduje konieczność opracowywania nowych koncepcji projektowych dla anten identyfikatorów półpasywnych. Dla czułości P Tmin, typowa wartość rezystancji chipu R TC (pasywnego lub półpasywnego) wynosi od ok. kilkunastu do kilkudziesięciu Ω. Wartość reaktancji chipu X TC (typowo kilkaset Ω) w głównej mierze zależy od wewnętrznej pojemności, która stanowi magazyn energii niezbędnej do działania identyfikatora [P8]. Dopasowanie impedancyjne oznacza zrównanie rezystancji chipu R TC i anteny R TA, a także zapewnienie indukcyjnego charakteru reaktancji anteny X TA dla Z TA =Z TC *. Rys. 10. Sposoby dopasowania impedancyjnego w identyfikatorach RFID pasma UHF: a) dopasowanie typu T, b) pętla sprzęgająca, c) dodatkowy układ strojeniowy Dla klasycznego chipu paswynego identyfikatora pasma UHF istnieje kilka sposobów uzyskiwania silnie indukcyjnego charakteru impedancji anteny [42]. Pierwsza grupa metod dotyczy modyfikacji mikropaskowej konstrukcji anteny. Można to osiągnąć przez regulację efektu sprzężenia pomiędzy anteną i środowiskiem pracy identyfikatora [43], lub przez modyfikację obwodu chipu za pomocą: dopasowania typu T (Rys. 10-a) [44], pętli sprzęgającej (Rys. 10-b) lub innych rozwiązań konstrukcyjnych. Zastosowanie znanych metod dopasowania impedancyjnego w identyfikatorze nie jest możliwe w przypadku nietypowej struktury wewnętrznej nowych konstrukcji chipów [P8]. Wówczas konieczne jest zastosowanie symetrycznych lub niesymetrycznych anten z otwartymi ramionami, których dopasowanie do chipu jest realizowane za pomocą układu mikropaskowego i/lub dodatkowych elementów dyskretnych SMD (Rys. 10-c). pjanko@prz.edu.pl 22

23 W rozważanych w [P4] typach chipów zastosowano zewnętrzne wyjście modułu do pozyskiwania energii z pola EM systemu RFID pasma UHF (Rys. 11). Wyjście to, razem z zewnętrzną opcjonalną baterią, jest wykorzystywane do zasilania bloków dodatkowych funkcji autonomicznych w identyfikatorze półpasywnym. Omówione typowe konstrukcje anten identyfikatorów pasywnych (z dopasowaniem typu T lub pętlą sprzęgającą) negatywnie wpływają na pracę układu pozyskiwania energii, co powoduje zaburzeniem komunikacji identyfikatora z układem RWD. Jest to spowodowane tym, że chip i antena mają współna masę. Z tego powodu w półpaswynym identyfikatorze RFID pasma UHF konieczne jest zastosowanie symetrycznego/asymetrycznego dipola z otwartymi ramionami (Rys. 10-c). Taką metodę dopasowania impedancyjnego zastosowano w próbkach przygotowanych do badań eksperymentalnych. Rys. 11. Zewnętrzna bateria (opcja) Masa chipu Masa anteny Dipol z otwartymi ramionami Wyjście modułu odzyskiwania energii Półpasywny chip pasma UHF z układem odzysku energii Moduł zarządzania energią Radiowy obwód wejściowy Zasilanie Dodatkowe bloki funkcjonalne Dane Obwód wejściowy w półpasywnym chipie pasma UHF z układem pozyskiwania energii Proces syntezy anteny dla półpasywnego identyfikatora RFID pasma UHF z układem pozyskiwania energii został przedyskutowany na podstawie numerycznego modelu HL3DEM i jego praktycznej implementacji w technologii PCB (Rys. 12). Badania wykonano dla pasywno-półpasywnego chipu AMS SL900A umieszczonego w obudowie QFN16 package [46]. W zrealizowanych pracach przyjęto założenie, że projektowana antena powinna być odporna na bliskość obiektów metalowych. Założenie to wprost wynika z faktu, że konstrukcja przedmiotowych chipów jest najbardziej zaawansowana i najdroższa z obecnie dostępnych na rynku. To powoduje konieczność znakowania takimi identyfikatorami obiektów o znacznej wartości. Do ich znakowania nie można wykorzystywać tanich identyfikatorów wykonanych w postaci etykiet samoprzylepnych. Dodatkowo, podczas procesu spedycji takich obiektów konieczne jest kontrolowanie parametrów otaczającego je środowiska za pomocą czujników wbudowanych w identyfikatorze [P3, P10, P11]. Dodatkowo założono, że projektowana antena powinna posiadać kierunkową charakterystykę promieniowania, niewielkie rozmiary geometryczne oraz współczynnik przenoszenia mocy τ=0,7:1 w paśmie: 865,6-867,6 MHz i MHz. Wybór pasma częstotliwości wynika z konieczności prawidłowego funkcjonowania projektowanego identyfikatora w różnych częściach świata. Jest to szczególnie ważne w przypadku systemów RFID dalekiego zasięgu, które funkcjonują w paśmie UHF, zgodnie z wymaganiami EPC (protokół ISO/IEC , wymagania dla układu RWD: a) wersja europejska zgodna z ETSI EN W ERP w paśmie częstotliwości 865,6-867,6 MHz, lub b) wersja amerykańska zgodna z FCC Part W mocy wyjściowej nadajnika z z anteną o maksymalnym zysku 6 dbi 4 W EIRP w paśmie częstotliwości 902 MHz 928 MHz). pjanko@prz.edu.pl 23

24 Rys. 12. Zaproponowana antena półpasywnego identyfikatora RFID pasma UHF z układem pozyskiwania energii: a) model HL3DEM, b) praktyczna implementacja Na podstawie danych modelu numerycznego (Rys. 12-a) dokonano praktycznej realizacji przedmiotowej anteny (Rys. 12-b). Wykonano ją z dwustronnie miedziowanego laminatu ISOLA IS (grubość warstwy dielektrycznej h=1,547 mm, grubość warstwy miedzi 18 µm, względna przenikalność elektryczna ε r =3, stratność tgδ=0,003 dla f 0 =2 GHz). Z uwagi na brak informacji katalogowej o parametrach warstwy dielektrycznej dla założonej częstotliwości rezonansowej (866 MHz i 915 MHz), podczas obliczeń modeli przyjęto wartość ε r =3,08, która została wyznaczona na podstawie rezonatorów pierścieniowych wykonanych dla omawianego materiału [45]. W układzie zamontowano złącze krawędziowe, które zostało wykorzystywane do prac rozwojowych realizowanych w pracach projektu nr PBS1/A3/3/2012. Z praktycznego punktu widzenia uzyskane wyniki zachowują zadawalającą zbieżność z postawionymi założeniami. Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P4] polegał na: opracowaniu koncepcji syntezy anten dla identyfikatorów półpasywnych z układem pozyskiwania energii; określeniu wpływu przedmiotowego zagadnienia na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 50%. pjanko@prz.edu.pl 24

25 Synteza anteny identyfikatora RFID pasma HF publikacja [P7] Obserwowany rozwój techniki RFID dotyczy także zmian materiałów technologicznych, które są wykorzystywane w konstrukcji identyfikatorów. Takie zmiany m.in. znacząco wpływają na proces syntezy anten i wyznaczanie ich parametrów. W kontekście problemów z rozdziału 5.3.2, w artykule [P7] omówiono przykładowy proces syntezy elastycznej anteny dedykowanej do pracy w półpasywnych, indukcyjnie sprzężonych systemach RFID pasma HF. Szczegółowej analizie poddano problem dopasowania anteny i chipu, który jest zupełnie odmienny niż w przypadku pasma UHF. Przeanalizowano także możliwość wykonania zaprojektowanej anteny w procesie druku strumieniowego, zwracając szczególną uwagę na wpływ parametrów technologicznych na działanie identyfikatora w docelowej aplikacji systemu RFID. W artykule omówiono również proces fabrykacji układów testowych oraz ich pracę w niejednorodnym polu magnetycznym. Na podkreślenie zasługuje fakt, że struktury planarne i ich modyfikacje są obecnie obiektem intensywnych prac badawczych. Jest to spowodowane m.in. rozwojem narzędzi programowych do wspomagania projektowania anten, a także rozwojem materiałów i technologii wytwarzania takich struktur. Dzięki temu możliwe jest konstruowanie np. anten identyfikatorów 3D [47, 48], anten identyfikatorów dwupasmowych [49]. Pojawiają się także nowe możliwości zastosowań aplikacyjnych planarnych struktur elastycznych np. ich integrowanie z bardzo cienkim obiektem (biletem, dokumentem, banknotem itp.) [50]. Rys. 13. Półpasywny identyfikator pasma HF: a) schemat obwodu anteny, b) model HL3DEM W równoległym obwodzie zaproponowanego w [P7] modelu identyfikatora pasma HF (Rys. 13-a), parametr L T oznacza indukcyjność własną pętli antenowej, natomiast R T reprezentuje rezystancję przewodu, z którego zostało wykonane jej uzwojenie (C TS charakteryzuje pojemność międzyzwojową pętli). W równoważnym obwodzie szeregowym, parametry R TS i L TS oznaczają odpowiednio szeregową rezystancję i indukcyjność pętli antenowej. Źródło U RT reprezentuje napięcie indukowane pjanko@prz.edu.pl 25

26 na zaciskach pętli podczas lokalizacji identyfikatora w polu magnetycznym anteny układu RWD. Największa wartość napięcia U T indukowanego na zaciskach pętli antenowej identyfikatora, jest uzyskiwana przy równoległym rezonansie pomiędzy indukcyjnością L TS i wejściową pojemnością C TC działającego chipu. Zjawisko to jest wykorzystywane do zasilania chipu, a także do pozyskiwania energii ze środowiska pracy systemu RFID. Takie działanie dotyczy półpasywnych identyfikatorów z wbudowanym mechanizmem pozyskiwania energii z pola magnetycznego anteny układu RWD. Pozyskana w ten sposób energia może być gromadzona, a następnie wykorzystana do zasilania układu dodatkowych funkcji autonomicznych. W przeprowadzonych pracach badawczych syntezie poddano kwadratową antenę dedykowaną dla półpasywnego chipu M24LR16E-R [51], który funkcjonuje zgodnie z wymaganiami protokołu komunikacyjnego ISO/IEC Zrealizowany projekt stał się podstawą rozwoju w ZSEiT PRz elastycznej konstrukcji autonomicznego identyfikatora półpasywnego, dedykowanego do pracy w wielokrotnych, dynamicznych systemach RFID (część prac umowy nr PBS1/A3/3/2012). Model numeryczny pętli antenowej (Rys. 13-b) został opracowany w oprogramowaniu HL3DEM firmy Mentor Graphics. Projekt ten wykonano dla podłoża kaptonowego DuPont HN-500 (grubość warstwy dielektrycznej 125 µm, ε r =3,5, tgδ= dla f 0 =13,56 MHz) i atramentu z nanocząstkami srebra Harima NPS-J (założona grubość trzech warstw druku: 3 µm, założona rezystywność: 3 µω cm). Obliczenia modelu przeprowadzono w celu uzyskania równoległego rezonansu pomiędzy indukcyjnością L TS i pojemnością C TC dla częstotliwości f 0 =13,56 MHz. Rys. 14. Półpasywny identyfikator pasma HF: a) próbka badawcza, b) stanowisko druku strumieniowego w laboratorium HYBRID Proces fabrykacji przeprowadzono w stanowisku laboratorium HYBRID, gdzie wykonywano testowe próbki anten (Rys. 14-a), m.in. przy wykorzystaniu drukarki strumieniowej PixDro LP50 (Rys. 14-b). Zrealizowane prace podsumowano zestawieniem wyników pomiarów i obliczeń numerycznych, na podstawie których potwierdzono użyteczność opracowanej konstrukcji anteny dla elastycznego identyfikatora RFID pasma HF. Przygotowane próbki anten zapewniają ich prawidłowe funkcjonowanie w niejednorodnym polu magnetycznym systemu RFID i w kontekście uwarunkowań komunikacyjnych i energetycznych mogą być dopasowywane do różnych typów chipów pasma HF. pjanko@prz.edu.pl 26

27 Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P7] polegał na: realizacji projektu elastycznej anteny półpasywnego identyfikatora RFID pasma HF wykonywanej w technologii druku strumieniowego, z uwzględnieniem wpływu na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 60% Wyznaczanie parametrów impedancyjnych anten urządzeń techniki RFID publikacja [P9] W technice RFID znaczącym problemem jest pomiar parametrów anten. W obszarze głównego osiągnięcia naukowego był on szczególnie widoczny podczas syntezy anten identyfikatorów i układów RWD różnych pasm częstotliwości [P4, P7, P10, P11, P13]. Z tego powodu w artykule [P9] uwagę zwrócono na problem pomiarów impedancyjnych anten. Odmiennie niż dla typowych systemów radiokomunikacyjnych, w technice RFID pomiary te w większości przypadków należy wykonywać przy wykorzystaniu dwóch portów wektorowego analizatora obwodów i dedykowanej, pasywnej sondy różnicowej (ang. passive differential probe). Proces pomiarowy i wyznaczane parametry zależą od pasma częstotliwości systemu RFID (LF/HF/UHF), typu urządzenia (identyfikator/układ RWD) oraz konstrukcji jego anteny. W związku z tym, w artykule zaproponowano usystematyzowaną procedurę pomiarów impedancyjnych, która może być łatwo stosowana przez projektantów przygotowujących anteny urządzeń dla różnych zastosowań systemów RFID. Szczegółowo omówiono także istotę pośrednich, różnicowych pomiarów parametrów impedancyjnych, co zobrazowano na podstawie kilku reprezentatywnych przykładów urządzeń techniki RFID. Należy tutaj zaznaczyć, że prawidłowa weryfikacja doświadczalna parametrów impedancyjnych stanowi istotny etap syntezy anten identyfikatorów i czytników/programatorów. Jest to także podstawa dla dalszego wyznaczania obszaru poprawnej pracy systemu RFID w jego zadanej aplikacji. Anteny czytnika/programatora i identyfikatorów tworzą układ komunikacyjny, który należy odpowiednio dopasowywać impedancyjnie i/lub falowo. Jednak w przypadku urządzeń techniki RFID klasycznie rozumiane dopasowanie impedancyjne nadajnika/odbiornika, realizowane jest tylko w przypadku układu czytnika/programatora pasma UHF i jego anteny (Rys. 15). Problem pomiarowy anten identyfikatorów i układów RWD w systemach indukcyjnie sprzężonych (pasma LF i HF) dotyczy konieczności określenia parametrów symetrycznej (względem masy) pętli antenowej o impedancji Z L różnej od typowej wartości 50 Ω. Impedancję tę w ogólnej postaci można zapisać jako: Z = R + jωl (8) L S S gdzie: R S i L S oznaczają szeregową rezystancję i indukcyjność pętli antenowej, a pulsacja ω=2πf 0. Prawidłowa specyfikacja parametrów pętli, po pierwsze, umożliwia konstrukcję właściwego układu dopasowania impedancyjnego opracowywanej anteny czytnika/programatora [52-56, P12], a po drugie, pozwala na określenie jakości rezonansu równoległego pomiędzy anteną i chipem identyfikatora projektowanego do znakowania wybranych obiektów [57-59, P6, P10]. pjanko@prz.edu.pl 27

28 Antena identyfikatora Antena RWD Rys. 15. Systematyka konstrukcji anten urządzeń techniki RFID Z kolei problem pomiarowy anten identyfikatorów w systemach pasma UHF dotyczy konieczności określenia impedancji Z A różnej od typowej wartości 50 Ω. Impedancję tę w ogólnej postaci można zapisać jako: ZA = RA + jx A (9) gdzie: R A i X A odpowiednio oznaczają rezystancjęi reaktancję anteny identyfikatora. W każdym z omówionych w [P9] przypadków pasma LF, HF i UHF, wyznaczane parametry impedancyjne są wykorzystywane dla określania energetycznych i komunikacyjnych uwarunkowań pracy systemu RFID. Pierwsze z nich odnoszą się do energii przekazywanej z układu RWD do identyfikatora, natomiast uwarunkowania komunikacyjne dotyczą bezprzewodowej transmisji danych. Rys. 16. Stanowisko pomiarowe: a) schemat blokowy, b) model pomiarowy pjanko@prz.edu.pl 28

29 Rys. 17. Wybrane przykłady zrealizowanych konstrukcji: a) antena układu RWD pasma HF, b) antena identyfikatora pasma UHF W pomiarach parametrów pętli antenowych systemów LF można wykorzystać typowe mostki RLC o odpowiednio dobranym zakresie częstotliwości. W przypadku pasma HF i UHF, w procesie pomiarowym konieczne jest już wykorzystanie dwóch 50 Ω niesymetrycznych portów VNA (P1, P2) i pasywnej sondy różnicowej (Rys. 16-a). Proces ten obejmuje realizację pośredniego, różnicowego pomiaru parametrów impedancyjnych testowanego urządzenia lub anteny (DUT/AUT ang. Device Under Test / Antenna Under Test), w zależności od tego czy jest mierzona kompletna antena, czy tylko jej część. W technice RFID procedura pomiaru różnicowego nie dotyczy tylko anten układów RWD pasma UHF, ponieważ impedancję tych urządzeń dopasowuje się do typowej wartości 50 Ω przy wykorzystaniu jednego niesymetrycznego portu VNA. Porty analizatora pełnią funkcję źródła lub odbiornika sygnału, co jest zależne od wyznaczanego parametru macierzy rozproszenia S. Z kolei sonda różnicowa ma zapewnić separację DUT/AUT od przewodów testowych i umożliwić odpowiednie podłączenie próbki pomiarowej. Ze względu na różnorodność rodzajów i konstrukcji anten (Rys. 15), sondy powinny być indywidualnie dobierane do mierzonych próbek [P4, P7, P10, P11, P13]. pjanko@prz.edu.pl 29

30 Pomiar macierzy rozproszenia S nie daje możliwości bezpośredniego odczytania parametrów impedancyjnych (8) lub (9) dla DUT/AUT. Dlatego w artykule szczegółowo omówiono istotę finalnej zależności na pomiar impedancji różnicowej Z d : S S S S S S ( 1 S11 )( 1 S22 ) S12S Z d = 2Z0 (10) Zagadnienie to jest kluczowe w kontekście pomiaru różnych konstrukcji anten identyfikatorów i układów RWD, które funkcjonują w pasmach częstotliwości systemów RFID (LF, HF, UHF). Problem pomiaru impedancji w technice RFID został przedyskutowany na podstawie praktycznych imoplementacji różnych konstrukcji anten, które zostały wykonane w technologii PCB (Rys. 17). Uzyskane wyniki pomiarów zostały zestawione z danymi obliczeń numerycznych przygotowanych modeli HL3DEM. Przedmiotowe badania zrealizowano w stanowisku pomiarowym zestawionym w laboratorium RFID ZSEiT (Rys. 18). Uzyskane w ten sposób wyniki charakteryzuje zadawalająca zbieżność, co potwierdza fakt, że omówione w publikacji procedury można łatwo wdrożyć w trakcie projektowania urządzeń systemów RFID. Rys. 18. Proces pomiarowy: a) stanowisko w laboratorium RFID, b) sonda różnicowa dobrana do próbki pomiarowej, c) proces kalibracji Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P9] polegał na: systematyce i koncepcji pomiarów parametrów impedancyjnych anten identyfikatorów i czytników/programatorów stosowanych w systemach RFID różnych pasm częstotliwości; określeniu wpływu przedmiotowego zagadnienia na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; częściowym opracowaniu i walidacji modelu analitycznego pomiarów różnicowych; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 60%. pjanko@prz.edu.pl 30

31 Wyznaczanie charakterystyki promieniowania identyfikatora pasma UHF publikacja [P1] Jednym z podstawowych parametrów niezbędnych do oceny użyteczności zadanego systemu radiokomunikacyjnego jest charakterystyka promieniowania anteny (ang. antenna radiation pattern). W typowej konfiguracji sprzętowo-programowej systemu pomiarowego można dokonać wyznaczenia charakterystyki promieniowania dla większości anten powszechnie wykorzystywanych systemów radiokomunikacyjnych (DVB-T, GSM, UMTS, LTE, WiFi i innych) [60]. Ten proces można także dostosować do wymagań nowych konstrukcji anten [61] lub ich przeznaczenia we wspomnianych systemach komunikacji bezprzewodowej [62]. Nie jest jednak możliwe bezpośrednie zastosowanie powszechnie wykorzystywanych stanowisk i metod pomiarowych do wyznaczania charakterystyki promieniowania anten elektronicznego identyfikatora systemu RFID pasma UHF. Jest to przede wszystkim spowodowane tym, że antena identyfikatora powinna być dopasowana do jego chipu, którego zespolona impedancja zmienia się w czasie pracy tego urządzenia w systemie RFID (w zależności od parametrów pola EM w otoczeniu elektronicznie oznaczonego obiektu). Omówione problemy stanowią podstawę do poszukiwania nowych metod pomiarowych dla anten, których działanie należy rozumieć odmiennie niż jest to rozpatrywane w klasycznej teorii. W literaturze tematu sporadycznie można spotkać prawidłowe omówienie procesu pomiarowego, w którym uwzględniono istotę funkcjonowania identyfikatora RFID pasma UHF (zmienność impedancji chipu). Jednak w propozycjach tych wykorzystuje się np. dedykowaną, kosztowną aparaturę, skonstruowaną tylko do wybranego celu [63], albo adoptuje się dodatkowe (np. ruchome) anteny, których zastosowanie komplikuje proces i wprowadza kolejne elementy niepewności pomiaru [64]. Mając na uwadze ten problem, w artykule [P1] zaproponowano uniwersalną metodę pomiaru charakterystyki promieniowania, w której można zastosować już dostępne komponenty różnych systemów pomiarowych (komory bezechowe, pozycjonery badanych anten itp.). Stanowiska takie należy uzupełnić o niedrogie i powszechnie dostępne urządzenia techniki RFID. Konieczne jest także opracowanie procedur kontrolno-sterujących, które będą dostosowane do wykorzystanej aparatury. W zaproponowanej metodzie charakterystyka promieniowania może być wyznaczana dla samego identyfikatora, a także dla elektronicznie oznaczonego obiektu, co jest szczególnie istotne w kontekście określania parametrów mających wpływ na pewność identyfikacji w zautomatyzowanym procesie oraz koszty wdrożenia i eksploatacji systemu RFID. Warunkiem prawidłowego pomiaru jest utrzymanie stałej wartości impedancji Z TC (Z TCR bez modulacji) podczas wyznaczania diagramów kierunkowych charakterystyki promieniowania (względem kątów θ oraz ϕ sferycznego układu współrzędnych), przy jednoczesnym zachowaniu lokalizacji identyfikatora wewnątrz obszaru poprawnej pracy systemu RFID (Rys. 4). Taką kontrolę można prowadzić tylko na granicy IZ, a w proponowanej metodzie proces ten będzie koordynowany za pomocą zmian mocy P RWD dostarczanej do zacisków dopasowanej impedancyjnie anteny układu RWD. Jeżeli do zacisków dopasowanej impedancyjnie anteny układu RWD zostanie doprowadzona minimalna moc P RWDmin, to w danych warunkach środowiskowych, moc odbierana w antenie identyfikatora będzie równa wartości minimalnej P Tmin, która pozwoli na prawidłowe zasilenie tego urządzenia zgodnie z zależnością. Na podstawie (1) i (2) można więc zapisać: P Tmin 2 GRGT λ τχ = PRWDmin (11) 2 (4 π r) pjanko@prz.edu.pl 31

32 Zależność (11) pozwala scharakteryzować granicę IZ, dla której wyznacza się impedancję Z TC, równą Z TCR =f(p Tmin ) [P8]. Impedancja ta jest określana na podstawie procesu, w którym dla rozkazu Query protokołu [33], odpowiedzią identyfikatora jest numer UID (ang. Unique IDentifier). Spełnienie warunku P T =P Tmin dla dowolnych zmian kątów θ oraz ϕ przy niezmiennej odległości r, powoduje utrzymanie stałej impedancji chipu, która stanowi podstawę dla zaproponowanej metody pomiaru charakterystyki promieniowania (Rys. 19). Magistrala komunikacyjna Rys. 19. Schemat zaproponowanej metody pomiaru charakterystyki promieniowania Ze względu na zespoloną impedancję chipu ( 50 Ω), charakterystyka promieniowania jest wyznaczana bezprzewodowo. Oznacza to brak połączenia torów sygnałowych przyrządów ze strukturą identyfikatora, co umożliwia pomiar charakterystyki także dla elektronicznie oznaczonego obiektu. Pomiar jest dokonywany w komorze bezechowej, przy wykorzystaniu aktualnie dostępnego pozycjonera AUT, masztu z zamontowaną anteną RWD o polaryzacji liniowej, a także kontrolera tych urządzeń. Ze względu na niewielkie rozmiary identyfikatorów i pasmo ich pracy, w pomiarach istnieje możliwość wykorzystania małej komory bezechowej [65]. Proces kontroli mocy dostarczanej do identyfikatora zależnie od możliwości sprzętowych może być realizowany za pomocą układu RWD i regulowanego tłumika umieszczonego na jego wyjściu. Unormowaną charakterystykę promieniowania wyznacza się (w db) z zależności: ( θ, φ ) = ( θ, φ ) ( θ, φ ) F P P (12) Tn db RWD dbm min RWD dbm gdzie: P RWD dbm oznacza moc mierzoną w dbm (za pomocą sondy pomiarowej, analizatora widma itp.), natomiast indeks min odnosi się do minimalnej wartości tego parametru. Opracowaną koncepcję zweryfikowano podczas badań eksperymentalnych, które zrealizowano w dwóch różnych stanowiskach zestawionych w laboratorium RFID (Rys. 20). Do konstrukcji stanowisk zgodnych z zaproponowaną metodą wykorzystano komponenty systemów (komory bezechowe, pozycjonery i in.), które są wykorzystywane do pomiaru charakterystyki promieniowania anten typowych systemów radiokomunikacyjnych za pomocą klasycznej metody pola dalekiego. Stanowiska te uzupełniono o niedrogie (w odniesieniu do aparatury kontrolno-pomiarowej) i typowo dostępne na rynku urządzenia techniki RFID. Ponadto, w celu dostosowania aparatury do zaproponowanej metody, w poszczególnych stanowiskach wdrożono opracowane procedury kontrolno-sterujące (aplikacja LabView pn. RFID(UHF)SysAntPat). pjanko@prz.edu.pl 32

33 Rys. 20. Stanowiska pomiarowe: a) pomieszczenie AL9 z komorą MVG, b) pomieszczenie AL1 z komorą TDK Dla prawidłowej oceny uzyskanych wyników, charakterystyki promieniowania zmierzono metodą klasyczną i proponowaną (Rys. 21), przy założeniu tych samych warunków pomiarowych dla reprezentatywnie wybranych próbek (charakterystyka dookólna i kierunkowa). Uzyskana zadawalająca zbieżność zmierzonych diagramów charakterystyki promieniowania potwierdza użyteczność opracowanej metody. pjanko@prz.edu.pl 33

34 a) b) Rys (db) (db) Metoda proponowana: zbieżność wyników Weryfikacja eksperymentalna: a) pomiar próbki nr 1 w systemie z komorą MVG, b) pomiar próbki nr 2 w systemie z komorą TDK Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P1] polegał na: systematyce i koncepcji pomiarów charakterystyki promieniowania identyfikatora RFID funkcjonującego w paśmie UHF; określeniu wpływu przedmiotowego zagadnienia na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu i walidacji metod wyznaczania charakterystyki promieniowania z wykorzystaniem powszechnie dostępnych komponentów różnych systemów pomiarowych; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 70% Synteza anten układów RWD publikacja [P13] Metoda proponowana: zbieżność wyników V 150 H Model HL3DEM 225 Pomiar Model HL3DEM Pomiar Proces syntezy trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy w znacznym stopniu determinuje antena czytnika/programatora, ponieważ urządzenie to wytwarza pole EM, które jest źródłem energii i medium dla dwukierunkowej transmisji danych w systemie RFID. W trakcie realizacji prac habilitacyjnych wnioskodawca dokonywał syntezy anten RWD dla pasma HF [P13, 69] i UHF [66, 67, 68]. Problem ten był rozpatrywany z uwzględnieniem zagadnień zasięgu: a) bliskiego (ang. proximity range działanie systemu do kilkunastu cm z wyodrębnieniem w paśmie HF zakresu NFC V Model HL3DEM Pomiar Model HL3DEM 210 H Pomiar 345 Metoda klasyczna: rozbieżność wyników Metoda klasyczna: rozbieżność wyników pjanko@prz.edu.pl 34

35 ang. Near Field Communiacation działanie do kilku cm), b) średniego (ang. medium range działanie do kilkudziesięciu cm) i c) dalekiego (ang. long range działanie do kilku metrów). Dla przykładowego zobrazowania istoty problemu, do głównego osiągnięcia włączono tylko publikację [P13]. W wybranym artykule zaprezentowano efektywny proces syntezy kompletnego obwodu wyjściowego RF, w którym uwzględniono jego poprawne działanie w systemach identyfikacji pojedynczej, w czytnikach/programatorach skonstruowanych na układach IC różnych producentów. Zaprezentowana metoda może zostać zastosowana dla dowolnego procesu automatycznej identyfikacji obiektów, gdzie wymagana jest aplikacja systemu RFID bliskiego zasięgu, działającego z częstotliwością 13,56 MHz i wykorzystującego różne protokoły komunikacyjne (np. ISO/IEC 14443, 15693). Rys. 22. Uogólniony schemat blokowy układu antenowego podłączonego do czytnika/programatora pasma HF W uogólnionej postaci układ antenowy można go przedstawić jako połączenie: pętli i elementów dopasowania impedancyjnego, a także filtru EMC i obwodu detekcji sygnału dla transmisji danych w kierunku identyfikator-czytnik/programator (Rys. 22). Przedstawiony schemat jest adekwatny dla dowolnego rozwiązania konstrukcyjnego układu antenowego, w którym konieczne jest przewodowe odseparowanie jego poszczególnych modułów. Na jego podstawie można dokonać syntezy efektywnej anteny, która będzie współpracowała z układem IC, takim jak: TRF7960, CLRC632, EM4094, AT88RF1354, AS3910 i wiele innych. Poprawne użytkowanie anteny RWD, wymaga podłączenia - niedopasowanej impedancyjnie i falowo - pętli antenowej do impedancyjnie niedopasowanego i symetrycznego (względem masy) wejścia układu czytnika/programatora (TX1-TVSS-TX2), za pomocą współosiowego przewodu sygnałowego o impedancji falowej Z C =50 Ω. Połączenie to jest realizowane za pomocą symetrycznego filtru EMC po stronie czytnika/programatora oraz niesymetrycznego układu dopasowania po stronie pętli antenowej. Oba układy połączone są ze sobą transformatorem symetryzującym o konfiguracji 4:1 (200 Ω / 50 Ω), w którym przekładnia n=2. Układ dopasowania impedancji pętli antenowej stanowi dzielnik pojemnościowy C R1, C R1. Został on zintegrowany z rezystancją R RA obniżającą dobroć Q R anteny układu RWD. Współczynnik ten nie może przekroczyć wartości maksymalnej Q Rmax, która bezpośrednio wynika z przepływności danych wymaganego protokołu komunikacyjnego. Mniejsze od Q Rmax wartości współczynnika dobroci skutkują zwiększeniem odporności układu RWD na rozstrojenie spowodowane np. wpływem środowiska. Powoduje to jednak zmniejszenie rozmiarów IZ, a tym samym ogranicza użyteczność projektowanego systemu RFID, w którym konieczne jest uzyskiwanie maksymalnych odległości zapisu lub odczytu informacji z pamięci identyfikatora. pjanko@prz.edu.pl 35

36 Symetryczny, dolnoprzepustowy filtr EMC (L F, C F ) pełni dodatkową funkcję dopasowania impedancji Z TX do wejścia układu IC. W zależności od typu mikroukładu, impedancja ta powinna mieć tylko część rzeczywistą (zbliżoną do wymaganej wartości R IC ), co zapewni efektywne przenoszenie mocy z czytnika/programatora do anteny. Poza dopasowaniem impedancyjnym, filtr EMC zapewnia eliminację wyższych harmonicznych podczas transmisji energii, polepsza stosunek sygnału do szumu dla transmisji identyfikator-czytnik/programator i poprawia warunki przesyłania danych do identyfikatora. Podczas jego projektowania należy brać pod uwagę częstotliwość rezonansową f EMC. Jej wymagana wartość wynika z widma sygnału dla modulacji z podnośną. W procesie tym przesyłana informacja powinna być odzyskana ze wstęg bocznych, których częstotliwości są ściśle określone dla wykorzystywanego protokołu komunikacyjnego (np. f 0 /16, 32, , 424, 212 khz itd.). Dla przykładu przesyłania danych z przepływnością 106 kb/s, częstotliwość filtru będzie wynosić f EMC =14,4 MHz (13,6 MHz+847,5 khz). Ostatnim modułem zaprezentowanym na rysunku 22 jest obwód detekcji sygnału dla transmisji danych przesyłanych z identyfikatora. Moduł ten jest specyficzny dla wybranego układu IC i z tego powodu nie sprecyzowano jego szczegółowego schematu elektronicznego. Dodatkowo należy mieć na uwadze także fakt, że podczas wyznaczania obszaru poprawnej pracy w czytnikach/programatorach bliskiego zasięgu dla pasma HF, krytyczny jest omówiony już obwód transmisji energii do pasywnego identyfikatora. Jego prawidłowy projekt, uwzględniający omówioną specyfikę każdego dobieranego elementu, zapewni syntezę pola magnetycznego, które umożliwi dowolną realizację procesu identyfikacji obiektu w odległości kilkunastu cm od anteny czytnika/programatora. Rys. 23. Wyniki obliczeń i pomiarów: a) rozkładu prądu, b) strat odbicia W celu weryfikacji doświadczalnej zaprezentowanej metody, syntezie poddano sześciokątną antenę, dedykowaną do wieloprotokołowego układu czytnika/programatora bliskiego zasięgu dla pasma HF (Rys. 17-a). Obwód drukowany modelu i anteny testowej przygotowano na typowym, dwustronnym laminacie FR-4. Na jego warstwie spodniej umieszczono podłączony do masy ekran, który pokrywa czterozwojową pętlę antenową ulokowaną po przeciwnej stronie laminatu. Zadaniem ekranu jest odseparowanie układu elektronicznego od pola magnetycznego, niezbędnego do prawidłowego zasilenia pasywnego identyfikatora RFID. Potwierdzeniem tej funkcji jest rozkład prądu zaprezentowany na rysunku 23-a. Z kolei uzyskana wartość strat odbicia (Rys. 23-b) zapewnia pełne dopasowanie impedancyjne anteny do zaprojektowanego obwodu czytnika/programatora. pjanko@prz.edu.pl 36

37 Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P13] polegał na: realizacji kompletnego procesu syntezy anteny czytnika/programatora indukcyjnie sprzężonego systemu RFID bliskiego zasięgu funkcjonującego w paśmie HF, z uwzględnieniem wpływu na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 70% Model charakterystyki promieniowania anteny publikacja [P6] Istotnym etapem wdrożenia systemu RFID jest możliwie najlepszy dobór właściwych urządzeń, które zapewnią skuteczną realizację zautomatyzowanego procesu. Często najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest wybór urządzeń, które są od razu dostępne na rynku. Przewidywalność trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy w tym przypadku sprowadza się do wykonania podstawowych obliczeń analitycznych, numerycznych lub zaawansowanych symulacji komputerowych, w których zostaną wykorzystane parametry urządzeń specyfikowane w ich notach katalogowych. W przypadku wyboru identyfikatorów lub anten RWD pasma UHF ich znaczącym parametrem jest charakterystyka promieniowania. Z praktycznego punktu widzenia, problemem jest łatwe przejście z dostępnych diagramów charakterystyki promieniowania, np. prezentowanych w nocie katalogowej anteny, na zależności analityczne, bądź dyskretne dane wymagane do obliczeń numerycznych propagacji fal radiowych. Na podstawie dostępnej literatury stwierdzono, że istnieje potrzeba opracowania prostego narzędzia, za pomocą którego możliwe będzie generowanie numerycznej reprezentacji charakterystyki promieniowania dla rzeczywistej anteny dowolnego systemu radiokomunikacyjnego. Z tego powodu, w artykule [P6] omówiono opracowany model numeryczny kierunkowej charakterystyki promieniowania, w którym uwzględniono wypromieniowanie części energii w wiązkach bocznych i wstecznych. Jego danymi wejściowymi są podstawowe parametry odczytywane z noty katalogowej dowolnie wybranej anteny. Na podstawie modelu opracowano także użyteczny program (NmAntPat) przeznaczony do wizualizacji diagramu charakterystki promieniowania i generowania pliku z jej dyskretnymi wartościami. Opracowany model, program oraz jego plik wynikowy mogą zostać łatwo zaimplementowane do analizy zjawisk propagacji fal radiowych w dowolnych algorytmach lub programach numerycznych. Artykuł podsumowano porównaniem wyników pomiaru i modelowania charakterystyki promieniowania przykładowo wybranej anteny czytnika/programatora systemu radiowej identyfikacji obiektów RFID pasma UHF. Celem pracy było opracowanie numerycznego modelu kierunkowej charakterystyki promieniowania anteny dowolnego systemu radiokomunikacyjnego. Istotę tego modelu stanowi diagram zysku G, obliczany w płaszczyźnie pionowej θ i poziomej ϕ, który jest funkcją NmAntPat: G,,, 0 HPBW HPBWback G( θ, φ) = NmAntPat FS, FB, FBrest, nside, nback, ANG, TILT Argumentami funkcji NmAntPat są podstawowe parametry modelowanej anteny, czyli w kolejności: G 0 maksymalna wartość zysku (dbi), HPBW (ang. Half-Power Beam Width) kąt połowy mocy wiązki głównej ( o ), (13) pjanko@prz.edu.pl 37

38 HPBW back kąt połowy mocy wiązki wstecznej ( o ), FS stosunek promieniowania przód-bok dla pozostałych wiązek z przodu (db), FB stosunek promieniowania przód-tył (db), FB rest stosunek promieniowania przód-bok dla pozostałych wiązek wstecznych (db), n side liczba pozostałych wiązek z przodu (równy podział w zakresie od 0 o do 180 o ), n back liczba pozostałych wiązek wstecznych (równy podział w zakresie od 180 o do 360 o ), ANG zmienna kąta θ lub ϕ (od 0 o do 360 o ), TILT kąt pochylenia diagramu ( o ). Na podstawie omówionego modelu, w środowisku Mathcad opracowano użyteczny program o nazwie NmAntPat, który jest przeznaczony do wizualizacji diagramu charakterystyki promieniowania i generowania pliku z jej dyskretnymi wartościami (Rys. 24). W programie następuje także obliczanie i wizualizacja wartości poziomów poszczególnych wiązek, co ułatwia aproksymację modelowanej charakterystyki. Podczas generowania pliku wyjściowego charakterystyki w łatwy sposób można wybrać format danych. Pozwala to na ich późniejsze wykorzystanie do analizy zjawisk propagacji fal radiowych w dowolnych algorytmach lub programach numerycznych (darmowych lub komercyjnych). Rys. 24. Program NmAntPat i procedura numeryczna W przedmiotowym artykule problem modelowania charakterystyki promieniowania przedyskutowano na przykładzie wybranej anteny czytnika/programatora systemu RFID pasma UHF (Feig ID ISC.ANTU250/250 in EU version [70]). Wizualizację modelu przedstawiono osobno dla diagramu charakterystyki pobranej z noty katalogowej oraz dla wyników pomiaru, które zostały wykonane w komorze bezechowej TDK z wykorzystaniem systemu MI Technologies (Rys. 25). pjanko@prz.edu.pl 38

39 Rys. 25. Przykładowy model diagramu charakterystyki promieniowania W obu zaprezentowanych przypadkach możliwe było zadawalające zamodelowanie diagramu charakterystyki promieniowania, co świadczy o praktycznej użyteczności opracowanego modelu i programu. Z punktu widzenia przedmiotowego modelu, w notach katalogowych często brakuje wielu istotnych parametrów anteny. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że w wielu takich przypadkach wystarczy dokładna analiza zaprezentowanego diagramu charakterystyki promieniowania, na podstawie którego można przygotować dane dla przedmiotowego modelu. Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P6] polegał na: opracowaniu numerycznego modelu kierunkowej charakterystyki promieniowania wyznaczanego na podstawie podstawowych parametrów anten; określeniu wpływu przedmiotowego zagadnienia na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; częściowym opracowaniu i walidacji programu NmAntPat; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 60% Autonomiczny, półpasywny identyfikator RFID publikacje [P3, P10, P11] Omówione do tej pory zagadnienia głównego osiągnięcia naukowego stanowiły podstawę do zaproponowania i realizacji nowej koncepcji w zakresie techniki RFID, którą zaprezentowano w publikacji [P3]. Częściowe wyniki w tym zakresie zostały także zawarte w publikacjach [P10, P11]. Większość prac zrealizowano w ramach projektu pt. Synteza autonomicznego identyfikatora półpasywnego, dedykowanego do pracy w wielokrotnych, dynamicznych systemach RFID, finansowanego przez NCBR w ramach I PBS (nr PBS1/A3/3/2012). 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. pjanko@prz.edu.pl 39

40 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 (Rys. 26). W ramach pierwszego etapu tego cyklu, 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. Rys. 26. Rozwój systemów automatycznej identyfikacji obiektów Proponowaną w [P3] 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 EM 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 omówionych wad baterii konwencjonalnych [71, 72]. pjanko@prz.edu.pl 40

41 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 [73]. 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. [74, 75], 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 [P8, P11]. Podczas realizacji przedmiotowych prac założono, że zaproponowana koncepcja zapewni w przyszłości perspektywy integracji w jednej strukturze identyfikatora urządzeń o niewielkim poborze mocy, które pozwolą na autonomiczną realizację dodatkowych funkcji w systemie. Przesłanki te były do tej pory opisywane w literaturze z uwzględnieniem ich znaczącego potencjału komercjalizacyjnego, lecz w chwili obecnej ich praktyczna realizacja w użytecznych aplikacjach systemowych jest ograniczana przez opisywane wady, które w głównej mierze odnoszone są do obecnie stosowanych nieodwracalnych ogniw elektrycznych. Rys. 27. Identyfikator RFID pasma HF z układem dodatkowych funkcji autonomicznych: a) model, b) praktyczna realizacja układowa pjanko@prz.edu.pl 41

42 W początkowo realizowanych pracach koncepcyjno-projektowych wnioskodawca rozpoczął badania, które dotyczyły modyfikacji i rozszerzania znanej struktury identyfikatorów pasywnych (III etap cyklu rozwoju procesów automatycznej identyfikacji obiektów) [76]. Zwracano przy tym szczególną uwagę na charakterystykę i wyznaczanie parametrów, które warunkują obszar poprawnej pracy w tak zmodyfikowanych systemach RFID. W tym kontekście w publikacji [P11] zaproponowano model i praktyczną konstrukcję układową identyfikatora RFID pasma HF, w którym zaimplementowano nowe funkcje użytkowe (Rys. 27). Dla prawidłowego działania modułu funkcji autonomicznych, za pomocą którego realizowany jest proces pomiaru wartości wielkości fizycznych, wymagana jest ocena transmisji energii z układu RWD do pasywnego identyfikatora. Proces ten omówiono na podstawie modelu pasywnego identyfikatora z uruchomionym blokiem pozyskiwania energii ze środowiska systemu RFID. W przedmiotowym modelu założono istnienie dowolnego układu antenowego czytnika/programatora bliskiego lub dalekiego zasięgu. Reprezentacją modelu jest schemat działającego identyfikatora, który został ulokowany w punkcie P(x,y,z) kartezjańskiego układu współrzędnych systemu RFID. W strukturze modelu identyfikatora wyodrębniono: układ pętli antenowej, chip i zewnętrzny moduł funkcji autonomicznych. Działanie i parametry układu opisano stosownymi zależnościami analitycznymi. W publikacji zestawiono także uzyskane wyniki obliczeń i pomiarów z procesu wyznaczania podstawowych parametrów aplikacyjnych opracowanego identyfikatora. Na przykładzie przygotowanej konstrukcji, weryfikacji doświadczalnej poddano opracowany model obwodowy identyfikatora. Pomiary aplikacyjne wykonano w zestawionym układzie indukcyjnie sprzężonego systemu RFID pasma HF. Parametry energetyczne i komunikacyjne testowego systemu RFID były weryfikowane za pomocą specjalistycznej aparatury kontrolno-pomiarowej. Uzyskana zbieżność wyników obliczeń i pomiarów stanowi podstawę dla wyznaczania trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy pojedynczych i wielokrotnych systemów RFID. Rys. 28. Identyfikator-czujnik z interfejsem RFID pasma UHF oraz przykładowe wyniki granicy IZ systemu: a) podłoże papierowe, b) podłoże kaptonowe W publikacji [P10] zaproponowano praktyczną elastyczną konstrukcję układową identyfikatora RFID pasma UHF, w którym zaimplementowano nowe funkcje użytkowe (Rys. 28). Zmiany temperatury są jednym z kluczowych czynników, które powinny być wzięte pod uwagę w logistyce podczas transportu lub przechowywania wielu rodzajów towarów. W przeprowadzonych badaniach zademonstrowano zastosowanie systemu RFID pasma UHF z identyfikatorem-czujnikiem do detekcji podwyższonej temperatury obiektu (powyżej 58 C). System ten składa się z układu RWD oraz identyfikatora, który zbudowano z połączenia anteny, chipu i modułu czujnika temperatury. pjanko@prz.edu.pl 42

43 Antena została zaprojektowana z wykorzystaniem pakietu HL3DEM. Przedmiotowe badania eksperymentalne parametrów systemu przeprowadzono w zależności od poziomu temperatury, typu opakowania znaczonego obiektu, a także rodzaju podłoża, na którym wykonano elastyczną strukturę identyfikatora-czujnika z interfejsem RFID pasma UHF. Na podstawie omówionej 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 (Rys. 29). Rys. 29. 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 ). 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. pjanko@prz.edu.pl 43

44 Autonomiczność pracy identyfikatora jest także zapewniona przez układ pozyskiwania energii z pola EM innych systemów radiokomunikacyjnych powszechnego użytku. W prezentowanej wersji demonstratora zintegrowano opracowaną dla pasma 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 MAX Poza tymi układami, istnieje także możliwość podłączenia zewnętrznych czujników cyfrowych z interfejsem I 2 C, 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 [77]. Podsumowując działania w wymienionym zakresie, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P3] polegał na: opracowaniu koncepcji, bezbateryjnego demonstratora wielopasmowego, autonomicznego, półpasywnego identyfikatora RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; częściowym wykonaniu projektu i obliczeń układów antenowych; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; częściowej analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 25%. Wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P10] polegał na: opracowaniu koncepcji systemu w kontekście wyznaczenia parametrów obszaru poprawnej pracy; syntezie modeli numerycznych identyfikatora-czujnika pasma UHF z interfejsem RFID; częściowym opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników. Wnioskodawca szacuje swój udział na 30%. pjanko@prz.edu.pl 44

45 Wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P11] polegał na: opracowaniu analitycznego i funkcjonalnego modelu identyfikatora RFID pasma HF z układem pozyskiwania energii; określeniu wpływu przedmiotowego zagadnienia na obszar poprawnej pracy systemu RFID; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; określeniu założeń projektowych dla badań eksperymentalnych; opracowaniu układu antenowego identyfikatora testowego; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 50% Synteza obszaru poprawnej pracy w systemach RFID publikacje [P12, P14] Definicja, charakterystyka i wyznaczanie parametrów dla opracowywanych w ZSEiT PRz lub dostępnych na rynku urządzeń umożliwiły wnioskodawcy przygotowanie stosownych procedur i określenie metod syntezy obszaru poprawnej pracy rozważanych lub wdrażanych systemów RFID. W tym kontekście w publikacji [P12] zaprezentowano elementy algorytmu wyznaczania trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy dla indukcyjnie sprzężonego systemu RFID, ze szczególnym uwzględnieniem energetycznych uwarunkowań jego prawidłowego działania. Cel pracy osiągnięto poprzez aplikację metody Monte Carlo (MC) w algorytmie, który został zrealizowany w opracowanym programie środowiska Mathcad. Rys. 30. Wyznaczanie IZ metodą MC: a) graficzna reprezentacja procesu, b) przykładowe wyniki pomiarów i obliczeń Z praktycznego punktu widzenia wdrożeń wielokrotnych systemów RFID, najbardziej użytecznym rozwiązaniem jest poszukiwanie obszaru poprawnej pracy o zadanym kształcie, położeniu i orientacji w przestrzeni. Istotę jego wyznaczania wg proponowanej metody zaprezentowano na rysunku 30-a. W przeprowadzonych badaniach założono, że wyznaczany obszar będzie miał kształt sześcianu (o boku b), pjanko@prz.edu.pl 45

46 który będzie ulokowany na wysokości z ID względem osiowo-symetrycznej i równoległej pętli antenowej układu RWD. Założenie to wynika z równoległej orientacji identyfikatorów względem anteny układu RWD, która w indukcyjnie sprzężonych systemach RFID, przykładowo może mieć kształt okręgu, kwadratu lub dowolnego wielokąta. Proces wyznaczania obszaru poprawnej pracy realizowany jest zgodnie z zaproponowanym algorytmem. W kolejno rozpatrywanych krokach k poszukiwania obszaru poprawnej pracy systemu RFID, założono losowe rozmieszczanie n-identyfikatorów w punktach P i o współrzędnych kartezjańskich (x i,y i,z i ). Wzajemnie niezależne zmienne losowe x i, y i i z i (dla i=1..n) posiadają rozkład jednostajny. Wynika to z faktu niejednorodności pola magnetycznego w różnych punktach przestrzeni komunikacyjnej. Obszar poprawnej pracy jest wyznaczany dla zadanej sprawności identyfikacji η ID : lidok η ID = 100% n gdzie: l IDOK oznacza liczbę identyfikatorów, dla których poprawnie wykonano żądaną operację zapisu lub odczytu informacji z wewnętrznej pamięci. Do stwierdzenia poprawności funkcjonowania systemu w zautomatyzowanym procesie (przy zadanym rozkładzie identyfikatorów) nie wystarczy uzyskanie sprawności η ID =100% dla n-identyfikatorów i spełnienie wszystkich warunków poprawnej pracy wielokrotnego systemu RFID (gdzie wartość z-składowej wektora natężenia pola magnetycznego H z H min ). Powodem tego jest niemożliwość przewidzenia, że dla k-tego obszaru, w którym następuje spełnienie wszystkich w/w warunków, losowanie współrzędnych lokalizacji identyfikatorów na powierzchni ich rozmieszczenia, umożliwi spełnienie granicznego przypadku poprawnego funkcjonowania całego systemu RFID. Rozwiązaniem tego problemu jest skorzystanie z prawa wielkich liczb (PWL) w k-tym kroku analizowanego obszaru, w którym wykryto spełnienie wszystkich warunków poprawnego funkcjonowania całego systemu RFID z zadaną sprawnością. Praktycznie można stwierdzić, że m-krotne zwiększanie liczby powtórzeń losowania zmiennych x i, y i i z i w k-tym kroku analizowanego obszaru, wydłuża proces obliczeń podczas symulacji układu zespołów antenowych. Pomimo tego, zgodnie z PWL, zwiększa się prawdopodobieństwo prawidłowego oszacowania obszaru poprawnej pracy systemu RFID, co związane jest przede wszystkim z rozpatrywaniem większej liczby przypadków rozlokowania n-identyfikatorów w obszarze niejednorodnego pola magnetycznego, wytworzonego przez antenę RWD. W przypadku zaistnienia stanu, w którym nie będą spełnione warunki poprawnej pracy wielokrotnego systemu RFID w jakimkolwiek z m powtórzeń losowania lokalizacji identyfikatorów dla analizowanego k-tego obszaru, dalszy proces powtórzeń należy zatrzymać i konieczne jest przejście do rozpatrywania kolejnego, (k+1) pomniejszonego sześcianu (b k =b k-1 b step ) rozlokowywania identyfikatorów. Rozwiązanie MC analizowanego obiektu kończy procedurę potwierdzającą spełnienie wszystkich warunków poprawnej pracy wielokrotnego systemu RFID dla zadanej sprawności identyfikacji i obszaru, w którym wszystkie m powtórzeń rozlokowania identyfikatorów daje pozytywny wynik obliczeń symulacyjnych układu zespołów antenowych czytnik/programator-identyfikatory. Wyznaczanie obszaru poprawnej pracy podzielono na dwie części: obliczeniową i pomiarową. W obydwu częściach eksperymentu weryfikacji poddano laboratoryjny proces wielokrotnej identyfikacji RFID. Dla części obliczeniowej, w środowisku Mathcad opracowano program o nazwie JankoRFIDmc 3D-IZ, w którym realizowana jest losowa lokalizacja n-identyfikatorów i badanie efektywności funkcjonowania układu zespołów antenowych RWD-identyfikatory. Jego rozwiązaniem, w którym wykorzystano (14) pjanko@prz.edu.pl 46

47 opracowany algorytm, jest obszar poprawnej pracy systemu RFID dla zadanej sprawności identyfikacji. Na rysunku 30-b zaprezentowano przykładowy wynik i znaczenie obliczeń numerycznych, które uzyskano z programu JankoRFIDmc 3D-IZ. Uzyskana zbieżność wyników pomiarów i obliczeń potwierdza praktyczną użyteczność zaprezentowanej koncepcji wyznaczania trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy z zastosowaniem metody Monte Carlo w wielokrotnych systemach RFID ze sprzężeniem indukcyjnym. Opracowany na jej podstawie program JankoRFIDmc 3D-IZ jest już praktycznie wykorzystywany do rozwiązywania wielu problemów aplikacji systemów RFID, które są zgłaszane do ZSEiT PRz przez przedstawicieli przemysłu. y, m y, m Rys. 31. Wielokrotna identyfikacja dynamiczna: a) wybrane procesy, b) ilustracja rozważanego problemu, c) przykładowe wyniki badań Podczas prac prowadzonych przez wnioskodawcę wyraźnie zarysował się problem identyfikacji obiektów, które w trakcie procesu komunikacji zmieniają swoją przestrzenną lokalizację i/lub orientację (Rys. 31-a). Fakt ten wynikał także ze zgłaszanego zapotrzebowania partnerów przemysłowych. W tym kontekście przykładowo w publikacji [P14] zaprezentowano model etapów zautomatyzowanego procesu i fazy komunikacji w wielokrotnym systemie RFID, w którym grupy identyfikatorów pojawiają się w obszarze poprawnej pracy i opuszczają go po pewnym czasie (Rys. 31-b). Omówione aspekty wpływają na niezawodność, która jest charakteryzowana przez sprawność oraz prawdopodobieństwo identyfikacji elektronicznie oznaczonych obiektów znajdujących się w określonym obszarze poprawnej pracy systemu RFID. Dla sprawnego prowadzenia komunikacji radiowej ze wszystkimi identyfikatorami, podczas dynamicznej zmiany ich lokalizacji i/lub orientacji, pjanko@prz.edu.pl 47

48 krytyczne stają się komunikacyjne warunki poprawnego funkcjonowania wielokrotnego systemu RFID. Zaprezentowany problem stanowi podstawę do określania nowych parametrów aplikacyjnych identyfikatorów, takich jak np. ich maksymalna prędkość ruchu, a także syntezy obszaru poprawnej pracy w wybranych wielokrotnych, dynamicznych systemach RFID. Praktycznym parametrem w zakresie problemu dynamicznych zmian położenia obiektów w wielokrotnych systemach RFID, jest maksymalna prędkość poruszania się identyfikatorów V max, przy której można prawidłowo wykonywać operacje w ich wewnętrznej pamięci półprzewodnikowej. W ogólnym przypadku parametr ten można wyrazić za pomocą zależności: V max Fs { IZ} {,, } s t F D BR n i = = (15) i min t UID max W celu wyznaczenia prędkości V max, w każdym przypadku procesu automatycznej identyfikacji obiektów, wymagana jest znajomość drogi s i, jaką przebędą identyfikatory wewnątrz obszaru poprawnej pracy. Dla rozpatrywanego przypadku wielokrotnego procesu automatycznej identyfikacji obiektów, s i jest funkcją F s obszaru poprawnej pracy i musi zostać wyznaczona z uwzględnieniem maksymalnej liczby prawidłowo funkcjonujących identyfikatorów n max, które w krytycznym momencie mogą znaleźć się wewnątrz tego obszaru. Minimalny czas t i min jest potrzebny na przeprowadzenie operacji zidentyfikowania wszystkich numerów seryjnych identyfikatorów wewnątrz obszaru poprawnej pracy. Czas ten jest funkcją F t, która wynika z użytego protokołu komunikacyjnego i uwzględnia liczbę wszystkich danych D UID (pochodzącą ze wszystkich identyfikatorów) przesyłanych z przepływnością BR. Na rysunku 31-c zaprezentowano przykładowe wyniki obliczeń (symulacja MC dane z programu JankoRFIDmc IZ) i pomiarów (dane ze stanowiska pomiarowego) obszaru poprawnej pracy oraz prędkości V max dla laboratoryjnego procesu automatycznej identyfikacji obiektów. Uzyskana zbieżność wyników pomiarów i obliczeń potwierdza praktyczną użyteczność zaprezentowanej koncepcji wyznaczania obszaru poprawnej pracy z zastosowaniem metody Monte Carlo w wielokrotnych, dynamicznych systemach RFID. Podsumowując działania w wymienionym zakresie, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P12] polegał na: opracowaniu algorytmu i modelu syntezy trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy, w wielokrotnych indukcyjnie sprzężonych systemach RFID, z wykorzystaniem metody Monte Carlo; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 70%. Wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P14] polegał na: definicji problemu wyznaczania trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy systemów RFID w warunkach dynamicznych zmian lokalizacji i orientacji identyfikatorów; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu modelu układu zespołów antenowych wielokrotnego systemu RFID działającego we wskazanych warunkach; opracowaniu specjalistycznej komory pomiarowej; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 70%. pjanko@prz.edu.pl 48

49 Metody zwiększania rozmiarów geometrycznych obszaru poprawnej pracy w systemach RFID publikacje [P2, P5] Z praktycznego punktu widzenia, obszar poprawnej pracy powinien być możliwie największy dla prawidłowego rozpoznawania różnie rozlokowanych obiektów. Parametr ten powinien być także adekwatny do potrzeb zautomatyzowanego procesu identyfikacji obiektów. W zakresie problemów dynamicznej identyfikacji wielokrotnej, w publikacjach [P2, P5] zaprezentowano wybrane zagadnienia zwiększania rozmiarów geometrycznych obszaru poprawnej pracy. Znaczną elastyczność w zwiększaniu i kształtowaniu obszaru poprawnej pracy można uzyskać stosując system RFID z multipleksowanymi antenami czytnika/programatora. W tym kontekście w publikacji [P5] przedstawiono problem wyznaczania IZ w systemie RFID pasma HF z dwiema ortogonalnie ułożonymi względem siebie antenami czytnika/programatora. W celu skutecznego rozwiązania przedmiotowego zagadnienia zaproponowano model, na podstawie którego w środowisku Mathcad opracowano program JankoRFIDmuxHF (Rys. 32). W artykule scharakteryzowano przykładowe wyniki badań dla różnych konfiguracji systemu, a do weryfikacji sprawności identyfikacji wykorzystano skonstruowane stanowisko pomiarowe. Rys. 32. Program JankoRFIDmuxHF pjanko@prz.edu.pl 49

50 W ramach tych prac określono, że problemem do rozwiązania jest układ dwóch prostopadłych anten RWD, które są przełączane podczas procesu identyfikacji obiektów lokowanych wewnątrz sześcianu o boku b. Analizie poddano proces transmisji energii z anten RWD do elektronicznych identyfikatorów RFID. Energia ta jest reprezentowana przez niejednorodne pole magnetyczne o natężeniu H. Wyprowadzone równania umożliwiają projektantom przedmiotowego systemu obliczanie składowych pola magnetycznego w kierunkach x, y oraz z (H x, H y, H z ). Przypadek dowolnej orientacji oznakowanego obiektu, który znajduje się w przestrzeni Ω ID, został zdefiniowany jako odchylenie identyfikatora o kąty α i β od płaszczyzny anteny układu RWD. To założenie oznacza, że elektronicznie oznaczone obiekty znajdują się w stanie chaosu, podobnie jak ma to miejsce w koszyku z codziennymi zakupami, w którym lokuje się produkty FMCG (Rys. 1). W tym przypadku wartość składowej prostopadłej wektora natężenia pola magnetycznego dla odchylonego identyfikatora można opisać zależnością: Hαβ = H z cos( α ) cos( β ) + H x sin( α) cos( β ) + H y sin( β ) (16) Spełnienie warunku H αβ H min oznacza prawidłowe zasilenie identyfikatora i możliwość wymiany danych z układem RWD. Wartość H αβ powinna być oddzielnie rozpatrywana dla każdej anteny i oddzielnie dla każdego identyfikatora, który jest zlokalizowany i zorientowany w punkcie P i (gdzie i=1..n, a n oznacza liczbę rozpatrywanych identyfikatorów). To oznacza, że warunki poprawnej pracy identyfikatora powinny być rozpatrywane w dwóch etapach: wartość H αβ wpierw powinna być obliczona w punkcie P i (x i,y i,z i,α i,β i ) dla anteny nr 1, a następnie w punkcie P i (x i,y i,z i,α i,β i ) dla anteny nr 2. Współrzędne (x,y,z ) można wyznaczyć z zależności: o ( x', y ', z ', α ', β ') ( zid z, y, zid x,90 α, β ) = + + (17) Należy w tym miejscu zaznaczyć, że w proponowanym modelu możliwe jest rozważenie większej liczby anten RWD i ich lokalizacji w przestrzeni. Co do zasady trudno przewidzieć współrzędne P i dla identyfikatorów będących w stanie chaosu. Nie jest więc możliwa analiza konkretnego położenia i orientacji grupy n-identyfikatorów wewnątrz sześcianu o boku b. Opisany problem ma charakter probabilistyczny, więc zaproponowane rozwiązanie uzyskano poprzez symulację grupy obiektów zapomocą metody MC [P11]. Rys. 33. Obszar poprawnej pracy: a) przykładowe wyniki obliczeń i pomiarów, b) opracowane stanowisko pomiarowe pjanko@prz.edu.pl 50

51 Istotą opracowanego modelu jest funkcja MPLX, której argumentami są podstawowe parametry systemu RFID pasma HF z dwiema ortogonalnymi, przełączanymi antenami układu RWD. W programie JankoRFIDmuxHF obliczana jest sprawność identyfikacji i lokalizacja anten RWD dla zadnych parametrów wejściowych. Prezentowana jest także wizualizacja procesu z zaznaczeniem jego efektów (identyfikacja prawidłowa/nieprawidłowa). Uzyskana zbieżność wyników pomiarów i obliczeń (Rys. 33) potwierdza praktyczną użyteczność opracowanej koncepcji wyznaczania obszaru poprawnej pracy w systemach wielokrotnych, a także opracowanego modelu i oprogramowania narzędziowego. W przedmiotowym zakresie interesujące jest elektroniczne sterowanie wiązki głównej charakterystyki promieniowania w fazowych układach antenowych. Pomimo tego, że przez długi czas funkcja ta była wykorzystywana tylko w zastosowaniach militarnych (radiolokacja), to obecnie coraz częściej można ją także zaobserwować w obszarach cywilnych np. podczas identyfikacji obiektów na podstawie kształtów ich echa, w radioastronomii czy w prognozowaniu pogody [78]. W tym kontekście można poszukiwać nowych możliwości wykorzystania fazowych układów antenowych [79]. Mając na uwadze dostępne ograniczenia europejskie (ETSI EN ) oraz amerykańskie (FCC Part ), w artykule [P2] zaprezentowano koncepcję i praktyczną realizację fazowego układu antenowego czytnika/programatora pasma UHF. Na podstawie przeprowadzonych testów wskazano możliwość wykorzystania opracowanej koncepcji i urządzeń do syntezy zdeterminowanego obszaru poprawnej pracy wielokrotnego systemu RFID. Korzystając z istoty działania np. wojskowych radarów radiolokacyjnych, ukierunkowanie energii pola EM do różnie rozlokowanych i zorientowanych identyfikatorów RFID można uzyskać za pomocą zmieniającej się w przestrzeni wiązki głównej charakterystyki promieniowania fazowego układu antenowego RWD (Rys. 34-a). Zaproponowaną koncepcję maksymalizacji IZ można więc opisać za pomocą funkcji, w której uwzględniono lokalizację k-tego położenia wiązki głównej względem n-tego identyfikatora obszaru Ω ID : IZ( Ω ) = f ( F ( ϕ, θ, φ), F ( θ, φ), τ, χ, P, P ) (18) ID R k Tn n n RWD Tmin gdzie: F R (φ,θ,ϕ) oznacza charakterystykę promieniowania fazowo sterowanego układu antenowego RWD, F T (θ,ϕ) charakterystykę promieniowania identyfikatora, natomiast φ kąt przesunięcia fazowego w przebiegu zasilającym poszczególne anteny układu. Zakładając niezmienną lokalizację i orientację identyfikatorów w zautomatyzowanym procesie, kluczowy wpływ na IZ można uzyskać za pomocą charakterystyki F R (φ,θ,ϕ). Zmian położenia jej wiązki głównej można dokonać nawet za pomocą najprostszego zestawu, składającego się z: dzielnika mocy, przesuwnika fazy, systemu mikroprocesorowego i dwóch anten składowych (Rys. 34-b). W proponowanym układzie moc sygnału z czytnika/programatora jest równo dzielona na anteny składowe, przy czym jedna z nich jest zasilana sygnałem opóźnionym o kąt ϕ. Równy podział mocy oraz zmiana przesunięcia fazowego sygnału zasilającego składowe anteny, pozwalają na formowanie odpowiedniej wiązki charakterystyki promieniowania bez mechanicznej zmiany położenia całego układu. Na podstawie otrzymanych wyników obliczeń i pomiarów testowego układu fazowego (Rys. 34-c) można stwierdzić, że uzyskano efektywną możliwość kierunkowania energii wiązki głównej charakterystyki promieniowania w zakresie 14, przy zachowaniu jej stabilnych parametrów. Efekty tych prac będą stanowiły wstęp do kompleksowego szacowania obszaru poprawnej pracy wielokrotnego systemu RFID pasma UHF na podstawie zaproponowanej funkcji (18). pjanko@prz.edu.pl 51

52 Rys. 34. Wielokrotny system RFID pasma UHF z fazowym układem antenowym: a) koncepcja, b) stanowisko pomiarowe, c) przykładowe wyniki Podsumowując, wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P5] polegał na: opracowaniu algorytmu i modelu syntezy trójwymiarowego obszaru poprawnej pracy, w wielokrotnych indukcyjnie sprzężonych systemach RFID z multipleksowanymi układami antenowymi czytnika/programatora; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; opracowaniu i walidacji programu JankoRFIDmuxHF; opracowaniu, zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu głównej części manuskryptu i koordynacji jego procesu wydawniczego. Wnioskodawca szacuje swój udział na 70%. Wkład wnioskodawcy w powstanie pracy [P2] polegał na: opracowaniu koncepcji kierunkowania energii w systemie RFID pasma UHF za pomocą fazowego układu antenowego czytnika/programatora; przeprowadzeniu przeglądu literatury źródłowej; zaplanowaniu i przeprowadzeniu badań eksperymentalnych w laboratorium RFID; częściowej analizie i interpretacji uzyskanych wyników; opracowaniu części manuskryptu. Wnioskodawca szacuje swój udział na 35%. pjanko@prz.edu.pl 52