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RAE
1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO ELECTRÓNICO
2. TÍTULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO RFID EN
MATERIALES METÁLICOS
3. AUTORES: Andrés Felipe Márquez Arteaga
4. LUGAR: Bogotá, D.C
5. FECHA: Enero de 2016
6. PALABRAS CLAVE: RFID, Etiqueta RFID, Antena, Blindaje MuMetal, Blindaje EMI, Ferrita, Frecuencia,
Lector/Escritor RFID, Permeabilidad magnética, Permeabilidad eléctrica, Conductividad eléctrica.
7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO: Este proyecto implementó un sistema en RFID en materiales metálicos,
el cual consiste en una primera etapa de análisis teórico, que permite determinar los problemas de
trasmisión de datos, entre lector, etiqueta y materiales metálicos. La principal razón del por qué no se
realiza la trasmisión de datos, son las interferencias producidas en las ondas de radio frecuencia por los
materiales metálicos y sus características eléctricas tales como la Permitividad y conductividad, con esta
información se adaptó la etiqueta RFID para mejorar la trasmisión de datos. El sistema se acoplo a
dichas características, logrando extraer los datos de las etiquetas RFID y visualizarlo en Excel.
Desarrollando posteriormente un aplicativo WEB para la visualización de datos en internet.
8. LÍNEAS DE INVESTIGACION: Línea de Investigación de la USB: Tecnologías actuales. Sub línea de
Facultad de Ingeniería: Antenas y telecomunicación. Campo Temático del Programa: Investigación e
implementación en tecnología RFID.
9. METODOLOGÍA: Empírico-analítico: Se hizo un estudio previo a las diferentes pruebas realizadas, en
la que mediante simulaciones y documentación se determinaron las diferentes características que se
debían implementar al momento de realizar dichas pruebas. Todo esto teniendo en cuenta los
diferentes estudios realizados a través de la investigación.
10. CONCLUSIONES: No hay trasmisión de datos cuando la etiqueta se encuentra sobre la lámina
metálica, debido a que las etiquetas son afectadas por interferencias electromagnéticas generadas por
las láminas metálicas, las cuales son producidas por sus características eléctricas y químicas del material
metálico. La permitividad eléctrica no es un factor decisivo en la trasmisión de datos. La permeabilidad
magnética relativa afecta considerablemente la eficiencia o trasmisión de la antena. La conductividad
eléctrica es uno de los parámetros que más afecta la eficiencia de la antena. En las simulaciones se
demuestra que la permeabilidad, conductividad y permitividad se ven afectadas uno del otro.. Se
determinó que el uso de blindaje EMI y lamina de MuMetal, no es el apropiado como agente dispersor
de las interferencias electromagnéticas en los etiquetas RFID. Las láminas de ferrita, son el material
que se adaptan para la trasmisión de datos desde la etiqueta hasta el lector/escritor.
2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO RFID EN MATERIALES
METÁLICOS
ANDRÉS FELIPE MÁRQUEZ ARTEAGA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C 2015
3
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO RFID EN MATERIALES
METÁLICOS
ANDRÉS FELIPE MÁRQUEZ ARTEAGA
Trabajo presentado como requisito parcial para optar por el título de profesional en
Ingeniería electrónica Asesor: Ingeniero
Fabián Pérez
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C JUNIO 2015
4
Nota de Aceptación
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Firma del Jurado
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Firma del Jurado
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PÁGINA DE DEDICATORIA
Con mucho cariño principalmente a mis padres que me dieron la vida y han
estado conmigo en todo momento. Gracias por todo papá y mamá por darme
una carrera para mi futuro y por creer en mí, A mi hermana Carolina gracias
por estar conmigo y apoyarme siempre, A todos mis amigos muchas gracias
por estar conmigo en todo este tiempo donde he vivido momentos felices y
tristes, Y a mis profesores por confiar. “Si buscas resultados distintos, no hagas
siempre lo mismo”. Albert Einstein (1879-1955)
Andrés F. Márquez Arteaga
6
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi
carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una
vida llena de aprendizajes, Gracias Ingeniero Fabián Pérez por creer en mí, y
haberme brindado la oportunidad de desarrollar mi tesis profesional en la
Universidad de San Buenaventura Y principalmente a mi familia por su apoyo,
disposición y comprensión durante este proceso.
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TABLA DE CONTENIDO
GLOSARIO .................................................................................................................................. 1
PERMEABILIDAD MAGNÉTICA ..................................................................................... 1
PERMITIVIDAD ELÉCTRICA ........................................................................................... 1
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA: ..................................................................................... 1
INTRODUCION .......................................................................................................................... 2
1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .................................................................................. 3
1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................ 3
1.1.1 La práctica de fiabilidad usando RFID en ambientes metálicos ...................... 3
1.1.2 Investigación de inductividad acoplada para sistemas RFID ............................ 4
1.1.3 Diseño y evaluación de la confiabilidad pasiva en un sistema RFID en
entornos metálicos ............................................................................................................. 5
1.1.4 Practicidad de múltiples etiquetas en los sistemas RFID .................................. 5
1.1.5 Un método de evaluación del desempeño de una lámina de metal montada
en una etiqueta ................................................................................................................... 6
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. ....................................... 8
1.2 JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................... 8
1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................. 9
1.3.1 Objetivo general ................................................................................................. 9
1.3.2 Objetivo específicos ........................................................................................... 9
1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ................................................. 9
1.4.1 Alcance ................................................................................................................ 9
1.4.2 Limitaciones ........................................................................................................ 9
2 METODOLOGIA ............................................................................................................... 10
2.1 ENFOQUE DE LA INVESITAGICON: ....................................................................10
2.2 TAREAS .....................................................................................................................10
3 MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................. 11
3.1 RFID ............................................................................................................................11
3.1.1 Identificación automática ....................................................................................... 11
3.1.2 Que es RFID ......................................................................................................... 11
3.1.3 Cómo funciona ....................................................................................................... 12
3.1.4 Lector/ Escritor RFID ........................................................................................... 12
8
3.1.5 Etiqueta RFID ........................................................................................................ 13
3.1.6 Etiquetas RFID pasivas ........................................................................................ 13
3.1.7 Etiquetas RFID activas .......................................................................................... 14
3.1.8 Etiquetas RFID semi-pasivas .............................................................................. 15
3.1.9 Frecuencias RFID .................................................................................................. 16
3.1.10 Beneficios de la tecnología RFID ...................................................................... 16
3.1.11 Aplicaciones en sitios ......................................................................................... 17
3.2 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ...................................................................18
3.2.1 Ondas de radio ....................................................................................................... 19
3.2.2 Antena ...................................................................................................................... 20
3.2.3 Ganancia de la antena .......................................................................................... 20
3.2.4 Diagrama de radiación .......................................................................................... 20
3.2.5 Polarizacion de la antena ...................................................................................... 21
3.2.6 Perdidas de retorno ............................................................................................... 21
3.2.7 Ancho de banda ..................................................................................................... 21
3.2.9. Antena MicroStrip .................................................................................................. 22
3.3. CONDICIONES DE FRONTERAS ............................................................................22
3.3.1 Condiciones de fronteras en conductores ......................................................... 22
3.3.2 Condiciones de fronteras en dieléctricos .......................................................... 23
3.4. METALES ......................................................................................................................23
3.4.1 Permitividad eléctrica ............................................................................................. 23
3.4.2 Permeabilidad magnética...................................................................................... 24
3.4.3 Conductividad eléctrica: ........................................................................................ 24
3.4.5 Materiales ferrosos y no ferrosos ........................................................................ 24
3.5 BLINDAJE EMI ...............................................................................................................25
3.5.1 Concepto EMI ......................................................................................................... 25
3.5.2 Protección contra EMI ........................................................................................... 25
5.5.3 Efectividad del blindaje EMI depende de ........................................................... 25
3.6 MUMETAL ......................................................................................................................26
3.7 KIT TEXAS INSTRUMENTS RFID .............................................................................27
3.7.1 Módulo RFID de TEXAS INSTRUMENTS MRD2EVM microreader .............. 27
3.7.2 .................................................................................................................................... 28
3.7.3. Antena ..................................................................................................................... 29
9
3.7.4. Etiqueta RI-TRP-DR2B-30: .................................................................................. 29
3.7.5. Etiqueta TRPGR30TGC: ...................................................................................... 29
3.7.6. MPT 16/17 .............................................................................................................. 29
3.7.7. HDX + (R/O industrial standard – aplications) ................................................. 29
3.7.8. Comunicación entre microlector y modulo RFID de TI ................................... 30
3.8. ARDUINO .......................................................................................................................... 30
3.8.1. Arduino Leonardo .................................................................................................. 30
3.8.2. Módulo lector RFID-RC522 RF ........................................................................... 31
3.8.3 Etiqueta ISO/IEC 14443 Tipo B ........................................................................... 32
3.8.4. Protocolo SPI ......................................................................................................... 34
3.9 MATLAB ...........................................................................................................................34
3.10 HFSS: .............................................................................................................................35
3.11 XWIX: .............................................................................................................................35
4. DESARROLLO ..................................................................................................................... 36
4.1. DESCRIPCION GENERAL ..........................................................................................36
4.2. SITEMA DE TEXAS RFID EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO........................37
4.2.1 Pruebas TI ............................................................................................................... 37
4.2.2. Sotfware RFID de TEXAS INSTRUMETS......................................................... 38
4.3. SITEMA RFID DE ARDUINO EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO .................39
4.3.1. Trasmisión de datos RFID a través de tarjeta ARDUINO ............................... 39
4.4. PRUEBAS CON LÁMINAS METÁLICAS ..................................................................40
4.4.1. Trasmisión de datos de etiquetas TI y láminas metálicas .......................... 41
4.4.2. Etiqueta ARDUINO con diferentes materiales................................................. 42
4.4.3. Análisis de la trasmisión de datos en etiquetas RFID con metales .............. 44
4.5. SIMULACIÓN HFSS ....................................................................................................44
4.5.1 Perdidas de retorno ............................................................................................... 45
4.5.2 Antena acoplada a una lámina en HFSS ........................................................... 45
4.5.3 Pérdidas de retorno variando la permitividad .................................................... 47
4.5.4 Pérdidas de retorno variando la permeabilidad magnética: ............................ 49
4.5.5 Pérdidas de retorno variando la conductividad ................................................. 52
4.5.6 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija variaciones la
permeabilidad magnética ................................................................................................ 55
10
4.5.7 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y variaciones en la
conductividad eléctrica. ................................................................................................... 56
4.5.8 Miniaturización de una antena microstrip para que trabaje a una frecuencia
de 13.1MHz: ...................................................................................................................... 58
4.5.9 Análisis determinar las condiciones para la trasmisión .................................... 61
4.6. CONDICIONES PARA REDUCIR INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA: 62
4.6.1 Lamina de blindaje EMI ......................................................................................... 62
4.6.2 Análisis blindaje EMI .............................................................................................. 63
4.6.3 Lamina de MuMetal................................................................................................ 63
4.6.4 Análisis lamina de MuMetal .................................................................................. 64
4.6.5 Lamina de ferrita ..................................................................................................... 65
4.5.6 Análisis de lámina de ferrita.................................................................................. 66
4.7. ACOPLE DE SISTEMA RFID PARA TRANSFERENCIA DE DATOS CON
LÁMINAS METÁLICAS ........................................................................................................66
4.7.1 ARDUINO a MATLAB ............................................................................................ 66
4.7.2 Transferencia de datos de MATLAB a EXCEL .................................................. 67
4.8 APLICATIVO WEB .........................................................................................................69
4.8.1 Analisis del aplicativo WEB para la visualización de los datos ....................... 70
CONCLUSIONES..................................................................................................................... 71
BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN ............................................................. 74
A. ANEXOS: Circuitos Eléctricos ........................................................................................ 76
B. ANEXOS: Propiedades de los materiales .................................................................... 84
c. ANEXOS: Programas ...................................................................................................... 87
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Lector/Escritor RFID [1] ......................................................................................... 12
Figura 2. Etiqueta pasiva RFID [2] ....................................................................................... 13
Figura 3. Etiqueta activas RFID [1] ...................................................................................... 14
Figura 4. Funcionamiento general de un sistema. ............................................................. 15
Figura 5.Frecuencias de trabaja para sistemas RFID[3] ................................................. 18
Figura 6. Espectro Electromagnético ................................................................................... 19
Figura 7. Diagrama de radiación [5] ..................................................................................... 21
Figura 8. Diagrama de condiciones de frontera [5] ............................................................ 22
Figura 9. Condiciones de frontera en dieléctricos .............................................................. 23
Figura 10 . Clasificación de metales Ferroso y no Ferrosos ............................................ 25
Figura 11. Cinta de blindaje EMI ......................................................................................... 26
Figura 12. Cinta de MuMetal ................................................................................................. 27
Figura 13. Microlector MRD2EVM de TEXAS INSTRUMENTS ..................................... 28
Figura 14. Microlector LF 134kHz HDX RFID kit de evaluación [12] .............................. 28
Figura 15. Etiquetas RFID de TEXAS INSTRUMETS [12] .............................................. 29
Figura 16. Arduino Leonardo ................................................................................................. 31
Figura 17. Módulo lector RFID-RC522 de Arduino ........................................................... 32
Figura 18 . Etiqueta ISO/IEC 14443 tipo B [14] ............................................................... 33
Figura 19 . Diagrama general del proyecto ......................................................................... 37
Figura 20. Funcionamiento RFID de TI ............................................................................... 38
Figura 21. Software proporcionado por TI ......................................................................... 39
Figura 22. Funcionamiento MF522 / RC522 RFID de Arduino ...................................... 40
Figura 23. Equipos TI con láminas metálicas ................................................................... 41
Figura 24. Equipos Arduino con láminas metálicas .......................................................... 43
Figura 25. Simulación de la antena en UHFSS .................................................................. 44
Figura 26. Simulación de la antena con una lámina del programa [HFSS .................... 46
Figura 27. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina de blindaje EMI ................................... 62
Figura 28. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De MuMetal ......................................... 64
Figura 29. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De Ferrita ............................................ 65
Figura 30. Datos Transferidos desde ARDUINO a MATLAB ........................................... 67
Figura 31. Diagrama de flujo para él envió de datos del lector a Excel ......................... 68
Figura 32. Datos en Excel ..................................................................................................... 69
Figura 33. Pág. WEB Finalizada.......................................................................................... 70
12
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Transmisión de datos TI y láminas metálica ....................................................... 42
Tabla 2. Transmisión de datos ARDUINO a láminas metálica ........................................ 43
Tabla 3.Tabla proporcionada por el programa HFSS con las diferentes características
químicas de los materiales ..................................................................................................... 46
Tabla 4. Transmisión de datos ARDUINO y TI con blindaje EMI .................................... 63
Tabla 5. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lamina de MuMetal ........................ 64
Tabla 6. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lámina de Ferrita ............................ 66
LISTA DE GRAFICAS
Grafica 1. Perdidas de retorno Vs Frecuencia .................................................................... 45
Grafica 2. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una Permitividad
Relativa de 1 ............................................................................................................................ 47
Grafica 3. Perdidas de retorno cuando la lámina es de agua de mar con una
Permitividad Relativa de 81 ................................................................................................... 48
Grafica 4. Perdidas de retorno variando la Permitividad Relativa .................................... 48
Grafica 5. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una Permeabilidad
magnética relativa de 1 .......................................................................................................... 50
Grafica 6. Perdidas de retorno cuando la lámina es cobalto con una Permeabilidad
magnética Relativa de 250 ................................................................................................... 50
Grafica 7. Perdidas de retorno variando la Permeabilidad magnética Relativa ............. 51
Grafica 8. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una conductividad de
0 Siemens/m ............................................................................................................................. 52
Grafica 9.Perdidas de retorno cuando la lámina un conductor ideal ............................... 53
Grafica 10 Perdidas de retorno variando la conductividad del material .......................... 54
Grafica 11. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica del agua de mar y
permeabilidad magnética relativa de 100 ............................................................................. 55
Grafica 12Perdidas de retorno vs permeabilidad magnética variable ............................. 55
Grafica 13. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y conductividad eléctrica
fija. .............................................................................................................................................. 56
Grafica 14.Perdidas de retorno vs conductividad variable ................................................ 57
Grafica 15.Longitud de W variando la Permitividad ............................................................ 60
Grafica 16. Longitud de H variando la Permitividad ........................................................... 60
Grafica 17. Longitud de L variando la Permitividad ............................................................ 61
1
GLOSARIO
ANTENA: Conductor eléctrico que sirve como interfaz para la recepción y
emisión de las ondas electromagnéticas en el espacio libre [4].
BLINDAJE MUMETAL: Aleación de níquel-hierro (aproximadamente 75% de
níquel, 15% de hierro, además de cobre ) con alta permeabilidad magnética.
[10]
ETIQUETA RFID: Dispositivo que permite almacenar y enviar información al
lector a través de ondas de radio frecuencia; coloquialmente suelen
denominarse tags[1]
FRECUENCIA RFID: Intervalos de frecuencias, manejadas en este tipo de
tecnología, siendo aplicadas a diferentes usos. [2]
LECTOR/ ESCRITOR RFID: Equipo encargado de recibir información emitidas
por las etiquetas y transferirlas al middleware o subsistema de procesamiento
de datos. [1]
RFID: La identificación por radio frecuencia o RFID, es un término genérico
para definir tecnologías que emplean ondas radiales para identificar de manera
automática a personas u objetos. [1]
PERMEABILIDAD MAGNÉTICA: La permeabilidad es la capacidad de un
material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna
PERMITIVIDAD ELÉCTRICA: La permitividad eléctrica del medio e (o
impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe
cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA: Se define la conductividad eléctrica como la
capacidad de que una sustancia pueda conducir la corriente eléctrica, y por
tanto es lo contrario de la resistencia eléctrica
2
INTRODUCION
El siguiente documento recoge la información correspondiente a las etapas del
proceso de adaptación de un prototipo RFID (Radio frequency identification), en
materiales metálicos. Específicamente el análisis de problemas, condiciones y
adaptaciones de la implementación del sistema RFID en dichos materiales.
Este proyecto se desarrolló como requisito para optar al título de Ingeniero
Electrónico de la Universidad de San Buenaventura.
La tecnología RFID (Radio Frequency Identification), basada en pequeñas
etiquetas conformadas por un microcontrolador y una antena; cada etiqueta
proporciona una identificación y marcación, siendo esta señal enviada a un
lector a través de ondas de radio frecuencia. RFID es utilizada en múltiples
aplicaciones, gran parte de su enfoque esta dado al envió de datos
inalámbricos, en temas que tiene que ver con logística, seguridad, sensores,
aplicaciones en medicina, aplicaciones bancarias, entre otras.
La tecnología RFID se presenta inconvenientes en la adquisición de datos
cerca de materiales metálicos o líquidos, ya que estos materiales generan
interferencias en la señal de radio frecuencia, impidiendo que la información
sea recibida correctamente por el lector. Atendiendo a estos inconvenientes,
este proyecto implementó un sistema en RFID en materiales metálicos, el cual
consiste en una primera etapa de análisis teórico, que permite determinar los
problemas de trasmisión de datos, entre lector, etiqueta y materiales
metálicos. La principal razón del por qué no se realiza la trasmisión de datos,
son las interferencias producidas en las ondas de radio frecuencia por los
materiales metálicos y sus características electricas tales como la Permitividad
y conductividad, con esta información se adaptó la etiqueta RFID para mejorar
la trasmisión de datos. El sistema se acoplo a dichas características, logrando
extraer los datos de las etiquetas RFID y visualizarlo en Excel. Desarrollando
posteriormente un aplicativo WEB para la visualización de datos en internet.
3
1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
1.1 ANTECEDENTES
Los sistemas RFID han sido estudiados en la Ingeniería y empleados
especialmente en aplicaciones industriales, médicas, transporte entre otras, la
mayoría de los antecedentes encontrados se enfocan a la mejora de logística
y seguridad, por este proyecto que se va a realizar hace la diferencia porque
se pretende dar una posible solución a las etiquetas que se encuentran cerca
de ambientes hostiles, enfocada a materiales metálicos. A continuación se citan
artículos que han brindado herramientas para el desarrollo den este proyecto.
1.1.1 La práctica de fiabilidad usando RFID en ambientes metálicos : Analiza
el comportamiento de sistemas RFID en diferentes materiales, como metal
ferroso y aluminio, colocando un brazo metálico con una antena direccionada
y perpendicularmente en una etiqueta la cual se encuentra sobre una caja
metálica. Los materiales que acompañan a la etiqueta dentro de la caja son no
metálicos. Los resultados muestran que hay lugares donde la señal de Radio
Frecuencia es más fuerte que en otros puntos.
Se realizaron pruebas en tres metales distintos donde cada resultado tiene
diferentes características. Se enviaron señales de radiofrecuencia a través de
un brazo mecánico, se tomaron datos y se analizaron en qué lugares se
trasmitía, observando que los tres materiales tiene un comportamiento distinto,
sin embargo no siempre la etiqueta responde a las señales recibidas. (Arora,
2007)
Cerca del campo electromagnético de la antena, se utilizó materiales de base
principal ferrita, que tiene propiedades como permeabilidad magnética alta,
resistencia eléctrica específica, propiedades que minimizan interferencias
generadas por los metales en las etiquetas. En campos electromagnéticos
lejanos hay más interferencia en las señales de radio frecuencia.
4
Se realizaron pruebas con los mismos metales de diferentes grosores, el metal
más grueso aumenta la conductividad eléctrica por la cantidad de material,
generando más interferencias que el metal delgado.
Mejoras en el rendimiento:
● Se utilizaron acoples entre el metal y la etiqueta para mejorar su
rendimiento.
● Se colocó la mitad de la etiqueta en metal y la otra mitad en madera,
observándose que la señal si era trasmitida en la madera, comprobando
que el material que afecta la trasmisión de datos es el metal.
● Se adaptan diferentes ángulos entre la etiqueta y el lector, logrando un
mejor rendimiento en la trasmisión, lo cual es una solución económica,
de fácil aplicación y práctica a los problemas de interferencia con los
metales.
Cada una de esas soluciones se planteó para disminuir la interferencia
electromagnética entre las etiquetas RFID y los materiales metálicos. (Arora,
2007)
1.1.2 Investigación de inductividad acoplada para sistemas RFID : En general
este trabajo enfatiza las condiciones físicas y parámetros de las etiquetas cerca
de los metales. Se analiza la compatibilidad de estos sistemas en materiales
metálicos, dando las consideraciones que se deben tener en cuenta para la
trasmisión de datos.
Los metales cambian la impedancia de los sistemas RFID, cambiando las
condiciones necesarias para las transmisiones datos de etiqueta a lector,
provocando interferencias electromagnéticas, reduciendo la efectividad
generada por los campos electromagnéticos, estas corrientes tienden a crear
su propio campo magnético, perpendicular a la superficie del metal, este
campo magnético generado impide la trasmisión de datos.
5
Cuatro soluciones para el problema:
● Ubicar un separador entre la etiqueta y el metal
● Usar un material especial entre la etiqueta y el metal
● Usar un rango de frecuencia diferente en RFID
● Considerar las restricciones físicas en la selección e
implementación de la fase en RFID.
Cada una de estas soluciones se planteó para disminuir la interferencia
electromagnética entre las etiquetas RFID y los materiales metálicos. Se
determinó el campo magnético en presencia métales y al aire libre.
Se varió la posición de la antena en el eje Z cerca del metal, dependiendo la
cercanía que se tenga al sistema RFID a los metales esto genera interferencias
electromagnéticas, se realizan diferentes análisis para ver como aumentan o
disminuyen las interferencias electromagnéticas. (Ledchumikanthan, 2007)
1.1.3 Diseño y evaluación de la confiabilidad pasiva en un sistema RFID en
entornos metálicos : Este artículo examina las condiciones ideales y no
ideales. La respuesta de la etiqueta no depende solo del campo magnético, si
no de la orientación en relación con la línea de campo, cuando la etiqueta se
coloca perpendicular al campo es posible ampliar el rango radiado en la onda
de radio frecuencia, se realiza es una configuración en la forma de la antena y
una caja metálica, para mejorar el rendimiento del sistema RFID, se realizan
simulaciones para comprobar que el traspaso de información mejore, sin
embargo no es la solución apropiada para que el sistema elimine totalmente
las interferencias generadas en la etiqueta. (Shih-Kang Kuo, 2011)
1.1.4 Practicidad de múltiples etiquetas en los sistemas RFID: Este artículo
analiza las diferentes circunstancias y/o parámetros que se encuentran en las
etiquetas RFID cerca de ambientes hostiles.
Los metales reflejan las ondas de radio frecuencia.
Los líquidos absorben las ondas de radio frecuencia.
6
A mayor número de etiquetas, mejor enlace de comunicación.
Se deben orientar las etiquetas, con el fin de maximizar el ángulo de incidencia
de la onda de radio frecuencia entre la etiqueta y el lector, el experimento se
realizó dentro de una caja metálica para que no se vea alterado por otras
ondas electromagnéticas, sirviendo dicha caja como “Jaula de Faraday”,
Utilizando un software que permite observar si los datos están siendo leídos.
En las antenas lineales, los experimentos muestran que múltiples etiquetas
mejoran considerablemente la adquisición de datos, se resumen que entre
más etiquetas más posibilidades de una trasferencia de datos. En las antenas
circulares es aún mejor la trasferencia de datos, ya que la orientación de los
objetos con respecto a las antenas varía ampliamente permitiendo que el rango
de lectura mejore. En función de las antenas se comprobó que si las etiquetas
se colocan perpendicularmente hay mayor probabilidad de ser detectadas. Se
utilizó diferentes tipos de etiquetas con las mismas especificaciones y se hizo
diferentes pruebas en cuantos a envió de datos y a tiempos, lo cual determinó
que las especificaciones en las diferentes tipos de etiquetas tienen el mismo
comportamiento. Se realizó otro experimento, el cual consistía en el
reconocimiento de etiquetas con materiales metales y líquidos a su alrededor,
determinando muchas más interferencias en las señales de radio frecuencia;
por ser las etiquetas a bajo precio, se pueden utilizar un mayor número de
estas para mayor probabilidad de lectura. (Leonid Bolotnyy, 2010)
1.1.5 Un método de evaluación del desempeño de una lámina de metal
montada en una etiqueta: Método basado en la adaptación de impedancias,
que ofrece varias ventajas, como la alta sensibilidad y configuración. Se basa
en el principio de acoplamiento electromagnético a 13.56MHz. La energía
obtenida por el chip depende de la energía disipada entre el chip y las
impedancias de la bobina, la cual tiene un circuito LC que trabaja en las
mejores frecuencias de resonancia para la mejor captación de la energía.
Cuando una etiqueta se coloca sobre un metal aumentan las interferencias
electromagnéticas , que tiende a reducir la efectividad de la inductancia de la
7
bobina por lo tanto, aumenta la frecuencia de resonancia. Al colocar una hoja
EMI entre la etiqueta y el metal se recupera eficazmente la frecuencia de
resonancia, utilizando un sensor de potencia en ambos sistemas en donde se
midió las pérdidas de retorno y en donde se encuentra menos atenuación. Las
interferencias electromagnéticas inducen en los metales, impidiendo que la
energía en la etiqueta sea disipada. Como consecuencia de ello la frecuencia
de resonancia causa un rango de lectura mucho más degradado.
El trabajo presenta un método de medición utilizando una hoja EMI, la
medición se basa en el principio de la tecnología inalámbrica transferencia de
potencia siendo analizada cuantitativamente, la falta de concordancia entre
etiquetas y metales puede ser estudiada a través de las interferencias
electromagnéticas, calculándose todos los parámetros que se manejan en una
antena. Finalmente la hoja de EMI 0.4 mm de espesor fue diseñada y
desarrollada con base en el método propuesto, recuperando hasta el 60% del
rango de lectura.(Kevin D’hoe, 2011)
8
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Los sistemas RFID son aplicados en diversas aplicaciones, especialmente en
logística y seguridad, aunque en ambientes hostiles es rara vez aplicada por
que las etiquetas no son óptimas para estos ambientes. Este proyecto está
enfocado a mostrar la trasmisión de datos en sistemas RFID en materiales
metálicos. Los problemas presentes en este tipo de sistemas se resumen en
el exceso de ruido en las etiquetas producida por los materiales metálicos, por
esto es necesario analizar la interferencia que se producen en las etiquetas por
los materiales metálicos, por ello la pregunta principal seria:
¿Cuáles son las interferencias generadas por los metales en las etiquetas
RFID?
1.2 JUSTIFICACIÓN
Este proyecto se desarrolla con el fin de implementar un sistema RFID en
materiales metálicos, ya que dichos materiales presentan inconvenientes,
buscando mejorar las interferencias producidas en las etiquetas. Este
problema está considerado como uno de los grandes inconvenientes en RFID,
produciendo pocas aplicaciones en materiales metálicos y generando un gran
vacío en diversos aspectos a los que se podría enfocar esta tecnología. Al
encontrarse pocas aplicaciones en estos materiales se generan un caso de
estudio el cual busca una solución a dicho problema. Restaurando o
mejorando este problema, se abrirían muchas puertas al enfoque de esta
tecnología, ya que en Colombia y en el mundo se encuentran diversas
empresas que manejan materiales metálicos y a las cuales el uso de esta
tecnología los favorecería. En un futuro se tiene como proyección adaptar el
sistema RFID en materiales metálicos y materiales convencionales sin que se
generara problemas en las señales generadas por las etiquetas.
9
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general
Implementar un prototipo de RFID adaptando las etiquetas en materiales
metálicos.
1.3.2 Objetivo específicos
Analizar las interferencias producidas por los metales en las etiquetas
RFID.
Determinar las condiciones necesarias para reducir las interferencias
producidas por el prototipo RFID.
Adaptar el prototipo RFID en materiales metálicos con las condiciones
planteadas para su funcionamiento.
Desarrollar un aplicativo WEB para la visualización de los datos.
1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.4.1 Alcance
La distancia máxima alcanzada entre el lector y las etiquetas será de
2m.
El ajuste del prototipo RFID se realizará en las etiquetas.
La aplicación en internet sólo mostrará los datos trasmitidos.
1.4.2 Limitaciones
Las características planteadas para la corrección de las interferencias
estará dada sólo para los metales (hierro, cobre y aluminio), por ser
materiales utilizados en múltiples aplicaciones y de fácil adquisición.
No se desarrollará una base de datos en la aplicación WEB, ya que el
conocimiento que se requiere es de Ingeniería de Sistemas.
No se utilizan sistemas con mayores frecuencias a UHF, por los costos
que manejan.
10
2 METODOLOGIA
2.1 ENFOQUE DE LA INVESITAGICON:
Empírico-analítico: Se hizo un estudio previo a las diferentes pruebas
realizadas, en la que mediante simulaciones y documentación se determinaron
las diferentes características que se debían implementar al momento de
realizar dichas pruebas. Todo esto teniendo en cuenta los diferentes estudios
realizados a través de la investigación.
2.2 TAREAS
La metodología para el desarrollo del proyecto se realizó mediante cuatro
pasos fundamentales:
Estudio de las diferentes interferencia producidas por los metales en las
etiquetas.
Simulación de las posibles soluciones para la trasferencia de
información entre lector/escritor y etiqueta.
Establecer las condiciones para la trasferencia de datos entre
lector/escritor y etiqueta, perturbada por una lámina metálica.
Desarrollo de programas y aplicativo WEB para la fácil manipulación de
los datos.
11
3 MARCO CONCEPTUAL
3.1 RFID
3.1.1 Identificación automática: La identificación automática o Auto ID en su
forma abreviada, es un término amplio con el que se denomina a un grupo de
tecnologías, que se emplean para ayudar a que las máquinas identifiquen
distintos tipos de objetos. Con frecuencia la ID Automática se asocia con la
captura automática de datos, Es decir, que las empresas desean identificar
objetos, captar información acerca de los mismos y de alguna manera
introducir esta información en una computadora sin tener que recurrir a que los
empleados tengan que hacerlo manualmente mediante un teclado. El objetivo
de la mayoría de los sistemas de Auto ID es el aumentar la eficiencia, disminuir
los errores en la introducción de la información y el liberar al personal para que
pueda realizar labores con mayor valor agregado, como ser ofreciendo
servicios al cliente. Existe una variedad de tecnologías que se agrupan bajo el
término de la Auto ID. Estas incluyen los códigos de barras, las tarjetas
inteligentes, los sistemas de reconocimiento de voz, algunas tecnologías
biométricas (Ej. Escaneos de Retina), reconocimiento óptico de caracteres
(OCR) y la identificación por radio frecuencia (RFID). (Nauwelaers, 2011)
3.1.2 Que es RFID: La Identificación por radio frecuencia o RFID, es un
término genérico para definir tecnologías que emplean ondas radiales para
identificar de manera automática a personas u objetos. Existen varios métodos
de identificación, pero el más común es el almacenar un número de serie que
identifica a una persona o a un objeto, y tal vez otra información, en un
microchip que se anexa a una antena (el microchip y la antena en conjunto se
denominan transponedor de RFID o etiqueta de RFID). La antena permite que
el microcircuito transmita la información de identificación a un lector. El lector
convierte las ondas radiales emitidas por la etiqueta RFID en información digital
que puede ser pasada a computadoras que la pueden usar. (Nauwelaers,
2011)
12
3.1.3 Cómo funciona: El funcionamiento de esta tecnología se basa en la señal
de radio que genera la etiqueta RFID, en la que previamente se han grabado
los datos identificativos del objeto al que está adherida. Un lector físico se
encarga de recibir esta señal, transformarla en datos y transmitir dicha
información a la aplicación informática específica que gestiona RFID
(denominada middleware). Los componentes que participan en la tecnología
RFID son cuatro: las etiquetas, los lectores, el software que procesa la
información y los programadores.
3.1.4 Lector/ Escritor RFID: Encarga de recibir la información emitida por las
etiquetas y transferirla al middleware o subsistema de procesamiento de datos.
Las partes del lector son: antena, transceptor y decodificador. Algunos lectores
incorporan un módulo programador que les permite escribir información en las
etiquetas, si éstas permiten la escritura. (INTECO, 2012)
Figura 1. Lector/Escritor RFID [1]
Fuente: INTESCE(Ingenieria-tenenologia-segurida)
13
3.1.5 Etiqueta RFID: Permite almacenar y enviar información a un lector a
través de ondas de radio. Coloquialmente suelen denominarse tags – que es el
término en inglés – aunque también son conocidas como transpondedores
(esta denominación proviene de la fusión de las palabras transmitter
(transmisor) y responder (contestador). La etiqueta RFID está compuesta por
una antena, un transductor radio y un microchip (no presente en las versiones
de menor tamaño). La antena es la encargada de transmitir la información que
identifica la etiqueta. El transductor es el que convierte la información que
transmite la antena y el chip posee una memoria interna para almacenar el
número de identificación y en algunos casos datos adicionales. La capacidad
de esta memoria depende del modelo. En el caso de tags sin chip, la
información que se puede almacenar es bastante limitada (hasta 24 bits). Las
etiquetas actualmente tienen precios muy bajos y dimensiones de hasta 0,4
mm2 , por lo que están preparadas para su integración en todo tipo de objetos.
(INTECO, 2012)
3.1.6 Etiquetas RFID pasivas: No necesitan una fuente de alimentación interna,
son circuitos resonantes, ya que toda la energía que requieren se la suministra
el campo electromagnético creado por el lector, que se encarga de activar el
circuito integrado y alimentar el chip para que éste transmita una respuesta. En
este tipo de etiquetas, la antena debe estar diseñada para que pueda obtener
la energía necesaria para funcionar (INTECO, 2012)
Figura 2. Etiqueta pasiva RFID [2]
Fuente: Egomexico (tecnología de identificación por radio frecuencia)
14
El alcance de estas etiquetas varía dependiendo de muchos factores, como la
frecuencia de funcionamiento, o la antena que posean. Alcanzan distancias
entre unos pocos milímetros y otros de 6 a 7 metros. Al no tener una batería
interna, son las etiquetas de menor tamaño y a menudo se insertan en
pegatinas. Las etiquetas RFID pasivas son las etiquetas más económicas del
mercado. (INTECO, 2012)
3.1.7 Etiquetas RFID activas: Poseen una batería interna, con la que alimentan
sus circuitos y transmiten la respuesta al lector. Su cobertura de difusión es
mayor gracias a que poseen una batería propia, y su capacidad de
almacenamiento también es superior. Al transmitir señales más potentes, su
alcance es mejor y puede llegar a ser válido para su uso en entornos hostiles
como puede ser sumergido en agua o en zonas con mucha presencia de
metales. Estas etiquetas son mucho más confiables y seguras. (INTECO, 2012)
Figura 3. Etiqueta activas RFID [1]
Fuente: RFIDInsider(Tracking the RFID Industry)
15
Estas etiquetas también son las más caras del mercado y las de mayor
tamaño. El posible rango de cobertura efectivo de éstas puede llegar a ser
varios cientos de metros (dependiendo de sus características), y la vida útil de
sus baterías puede ser de hasta 10 años. (INTECO, 2012)
3.1.8 Etiquetas RFID semi-pasivas: Este tipo de etiquetas posee una mezcla
de características de los dos tipos anteriores. Por una lado, activa el chip
utilizando una batería (como las etiquetas RFID activas) pero por otro, la
energía que necesita para comunicarse con el lector, se la envía el propio
lector en sus ondas de radio que al ser captadas por la antena de la etiqueta,
aportan suficiente energía para la emisión de la información (como las
etiquetas RFID pasivas). Etiqueta activa son más grandes y más caras que las
etiquetas pasivas (ya que disponen de una batería) y más baratas y pequeñas
que las activas. Sus capacidades de comunicación son mejores que las
pasivas aunque no alcanzan a las activas en estas características. Según la
frecuencia a la que trabajen Dependiendo de la frecuencia de operación, las
etiquetas se pueden clasificar en baja, alta, ultra alta frecuencia y microondas.
La frecuencia de operación determina aspectos de la etiqueta como la
capacidad de transmisión de datos, la velocidad y tiempo de lectura de éstos, el
radio de cobertura y el coste de la etiqueta. (INTECO, 2012)
Figura 4. Funcionamiento general de un sistema.
Fuente: Trilobit(Multiple Access and anti-collision solutions).
16
3.1.9 Frecuencias RFID: Trabaja a diferentes frecuencias, con características
que las hacen más útiles para distintas aplicaciones. Por ejemplo, las etiquetas
de baja frecuencia utilizan un menor consumo de energía y mejor eficiencia en
materiales no metálicas. Son ideales para escanear objetos con un alto
contenido de agua, como la fruta, pero su distancia de lectura se limita a menos
de tres pies (1 metro). Las etiquetas de frecuencia alta funcionan tienen una
mejor eficiencia con objetos metálicos y pueden funcionar con objetos con alto
contenido de agua. Tienen un área máxima de lectura de aproximadamente
tres pies (1 metro). Las frecuencias UHF ofrecen de manera característica
mayores distancias de lectura y pueden transmitir la información más
rápidamente que las frecuencias bajas y altas. Pero utilizan más energía y
tienen menos probabilidades de atravesar distintos materiales. Debido a que
tienden a ser más "dirigidas" requieren una ruta despejada entre la etiqueta y el
lector. Las etiquetas de UHF pueden ser mejores para escanear cajas de
mercancías conforme pasan por una puerta de recepción en un almacén.
(VÍCTOR JOSÉ ACEVEDO DURÁN, 2014)
3.1.10 Beneficios de la tecnología RFID: La tecnología RFID se ha dirigido
principalmente al sector logístico (almacenamiento, distribución, etc.) y al sector
de la defensa y seguridad, La tecnología RFID guía sobre seguridad y
privacidad de la tecnología RFID da los beneficios que proporciona se
extienden a otros campos relacionados con la identificación de procesos:
Permite un gran volumen de almacenamiento de datos mediante un
mecanismo de reducidas proporciones.
Automatiza los procesos para mantener la trazabilidad y permite incluir
una mayor cantidad de información a la etiqueta, reduciendo así los
errores humanos.
Facilita la ocultación y colocación de las etiquetas en los productos (en
el caso de las etiquetas pasivas) para evitar su visibilidad en caso de
intento de robo.
Permite almacenar datos sin tener contacto directo con las etiquetas.
17
Asegura el funcionamiento en el caso de sufrir condiciones adversas
(suciedad, humedad, temperaturas elevadas, etc.).
Reduce los costes operativos ya que las operaciones de escaneo no son
necesarias para identificar los productos que dispongan de esta
tecnología.
Identifica unívocamente los productos.
Posibilita la actualización sencilla de la información almacenada en la
etiqueta en el caso de que ésta sea de lectura/escritura.
Mayor facilidad de retirada de un determinado producto del mercado en
caso de que se manifieste un peligro para la seguridad.
Posibilita la reescritura para así añadir y eliminar información las veces
deseadas en el caso de que la etiqueta sea de lectura/escritura (a
diferencia del código de barras que sólo se puede escribir una vez).
(VÍCTOR JOSÉ ACEVEDO DURÁN, 2014)
3.1.11 Aplicaciones en sitios: El tipo de tecnología, que se ha descrito, se
implementa en aplicaciones como las tarjetas identificadoras sin contacto y los
inmovilizadores de vehículos, además de algunas nuevas aplicaciones y otras
que se prevén para el futuro. Una de las aplicaciones, con más futuro, son las
etiquetas identificadoras que, poco a poco, sustituirán en muchos casos a las
típicas etiquetas de códigos de barras, y se pueden usar para identificar envíos
de cartas o paquetes en correos o agencias de transporte, también existen
chips identificadores de animales como ejemplos.
Una aplicación que está a punto de ponerse en marcha es la identificación de
los equipajes aéreos. Esto permitiría identificar y encauzar automáticamente los
equipajes y evitaría muchos inconvenientes y extravíos de equipajes que tantos
problemas causas a los viajeros y a las compañías aéreas..
. A los transponders se les puede añadir entradas lectoras del estado de
sensores o de interruptores, con lo que se podrían usar como sensores
remotos. Otras aplicaciones posibles son: inventario automático, control de
18
fabricación, identificación de mercancías, distribución automática de productos,
logística, sistemas antisecuestro y localización de documentos. (VÍCTOR JOSÉ
ACEVEDO DURÁN, 2014)
Figura 5.Frecuencias de trabaja para sistemas RFID[3]
Fuente: Kimaldi (Area de conocimiento RFID)
3.2 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Espectro electromagnético. Desde la época de Maxwell hasta nuestros días se
ha producido un gran avance en los conocimientos relacionados con las ondas
electromagnéticas. De manera que en la actualidad sabemos que existen
varios tipos de estas ondas; las cuales, a pesar de ser todas de la misma
naturaleza (constituidas por los campos 𝐸 𝑦𝐵 que oscilan en el tiempo y se
propagan en el espacio). Presentan en ocasiones características muy
19
diferentes. En general, los diversos tipos de ondas electromagnéticas difieren
en el valor de sus frecuencias, y también por la forma en que se producen, el
conjunto de todos estos tipos de ondas o radiaciones se denomina espectro
electromagnético.. (Spaces.com, 2010)
Figura 6. Espectro Electromagnético
Fuente: Batanga (Ciencia y tecnologia)
3.2.1 Ondas de radio: En el espectro vemos que las ondas electromagnéticas
que presentan las frecuencias más bajas son las ondas de radio. Reciben esta
denominación por ser las que emplean las estaciones de radiocomunicación o
radiodifusión para realizar sus transmisiones. En toda estación de radio existen
circuitos eléctricos especiales que provocan la oscilación de electrones en la
antena emisora. Por tanto tales electrones son acelerados en forma continua, y
por ello, emiten las ondas de radio que transportan los mensajes de una
estación. Las ondas electromagnéticas que emplean las emisoras de televisión
tienen las mismas características que las radioondas, pero, sus frecuencias son
más elevadas que las normalmente utilizadas por las emisoras de radio.
Microondas. (Spaces.com, 2010)
20
3.2.2 Antena: La antena es el dispositivo físico que sirve de interfaz entre las
ondas electromagnéticas guiadas por el espacio libre o el aire. La antena debe
transferir la máxima cantidad de energía desde el cable o guía-onda
procedente del transmisor hacia la dirección donde se encontrará la estación
receptora correspondiente. Para ello, la impedancia característica de la antena
debe acoplarse a la impedancia del cable o guía de onda a la cual está
conectada. Los cables coaxiales se producen con impedancias de 50 o 75
ohmios. En televisión se utiliza frecuentemente el valor de 75 ohmios, pero en
todas las demás aplicaciones el valor predominante es de 50 ohmios. Cuando
la impedancia de la antena es diferente a la de la guía-onda o cable que la
alimenta, parte de la energía entregada a la antena se reflejará hacia el
alimentador donde puede inclusive causar daños en el transmisor.
(Pietrosemoli, 2007)
3.2.3 Ganancia de la antena : Definimos a la ganancia de una antena dada
como el cociente entre la cantidad de energía irradiada en la dirección
preferencial y la que irradiaría una antena isotrópica alimentada por el mismo
transmisor. Este número lo expresamos en decibelios con relación a la
isotrópica y por ende se denota en dBi . (Pietrosemoli, 2007)
3.2.4 Diagrama de radiación: El diagrama de radiación es una gráfica de la
potencia de la señal trasmitida en función del ángulo espacial, en ellos
podemos apreciar la ubicación de los lóbulos laterales y traseros, los puntos en
los cuales no se irradia potencia (NULOS) y adicionalmente los puntos de
media potencia. Los diagramas de radiación son volúmenes y como tal se
representan en forma tridimensional, en la siguiente figura podemos ver dos
diagramas de radiación, en la misma observamos que se ha representado la
intensidad mínima por el color azul y la máxima con el color rojo. [5]
21
Figura 7. Diagrama de radiación [5]
Fuente UPV (Universidad Politecnica de Valencia)
3.2.5 Polarizacion de la antena: Una onda electromagnética está formada por
campos eléctricos y magnéticos íntimamente ligados que se propagan en el
espacio. La dirección del campo eléctrico se corresponde con la polarización de
esta onda. (Pietrosemoli, 2007)
3.2.6 Perdidas de retorno: La pérdida de retorno es una forma de expresar la
desadaptación de impedancias. Es una medida logarítmica expresada en dB,
que compara la potencia reflejada por la antena con la potencia entregada por
el transmisor. Siempre existe cierta cantidad de energía que va ser reflejada
hacia el transmisor. (Pietrosemoli, 2007)
( 𝐵)
3.2.7 Ancho de banda: El ancho de banda de una antena es el rango de
frecuencias en el cual la misma puede operar satisfaciendo ciertos criterio,
como por ejemplo la gama de frecuencias para la cual la antena va a tener una
Razón de Onda Estacionaria (SWVR) menor que 2:1. (Pietrosemoli, 2007)
22
3.2.9. Antena MicroStrip: Su uso tiene un gran auge en aeronáutica, aviación,
satélites, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas en general.
Algunas de las ventajas son la tendencia a la miniaturización, fáciles de adaptar
con circuitos integrados de microondas, Entre las principales desventajas de
este tipo de antenas se pueden nombrar: baja potencia de radiación, baja
eficiencia, ancho de banda angosto, considerables pérdidas y son fácilmente
afectadas por el factor térmico. (Hernandez, 2010)
3.3. CONDICIONES DE FRONTERAS
3.3.1 Condiciones de fronteras en conductores
Considerando el vector intensidad de campo eléctrico. En la frontera entre dos
Medios diferentes, podemos descomponer el campo eléctrico total E en una
componente tangente a la superficie de la frontera,, y en una componente
normal a la superficie dela frontera. (Buck, 2007)
Figura 8. Diagrama de condiciones de frontera [5]
Fuente libro : Teoría electromagnética
Dando las siguientes condiciones para determinar el campo eléctrico
𝐸
𝐸
23
3.3.2 Condiciones de fronteras en dieléctricos
Las condiciones que se imponen en la superficie de un conductor en la cual los
campos tangenciales son cero y la componente normal de la densidad de flujo
eléctrico es igual a la densidad superficial de carga del conductor. (Buck, 2007)
Figura 9. Condiciones de frontera en dieléctricos
Fuente libro : Teoría electromagnética
Dando las siguientes condiciones para determinar el campo eléctrico
𝐸 𝐸
3.4. METALES
Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman
parte de las rocas. Por ejemplo, el metal hierro se extrae de minerales de hierro
como la magnetita o la siderita. Los minerales, que se extraen de las minas.
3.4.1 Permitividad eléctrica: La permitividad eléctrica del medio e (o
impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe
cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del
vacío es 8,8541878176x10-12 F/m. La permitividad está determinada por la
24
tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico
y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Está
directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. (Nordberg, 2010)
3.4.2 Permeabilidad magnética: La permeabilidad es la capacidad de un
material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se
afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad
apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido
es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende
de tres factores básicos: (RECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGÜEZ)
la porosidad del material
la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura
la presión a que está sometido el fluido.
3.4.3 Conductividad eléctrica: Es una medida de la capacidad de una solución
acuosa para transmitir una corriente eléctrica y es igual al recíproco de la
resistividad de la solución. Dicha capacidad depende de la presencia de iones;
de su concentración, movilidad y valencia, y de la temperatura ambiental. Las
soluciones de la mayoría de los compuestos inorgánicos (ej. aniones de
cloruro, nitrato, sulfato y fosfato) son relativamente buenos conductores. Por el
contrario, moléculas de compuestos orgánicos que no se disocian en
soluciones acuosas (ej. aceites, fenoles, alcoholes y azúcares) son pobres
conductores de una corriente eléctrica. La conductancia (G, recíproco de
resistencia R) de una solución se mide utilizando dos electrodos químicamente
inertes y fijos espacialmente. La conductancia de una solución es directamente
proporcional al área superficial del electrodo A, (cm2) , e inversamente
proporcional a distancia entre los electrodos L, (cm). La constante de
proporcionalidad, k (conductividad) es una propiedad característica de la
solución localizada entre dos electrodos. (RECINTO UNIVERSITARIO DE
MAYAGÜEZ)
3.4.5 Materiales ferrosos y no ferrosos: Los materiales férricos son aquellos
que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero Los aceros
25
son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades
apreciables de otros elementos de aleación. estas aleaciones son las. Los
metales no ferroso El cinc, poco alterable, se utiliza para los canalones y las
cubiertas de las casas.
Figura 10 . Clasificación de metales Ferroso y no Ferrosos
Fuente: UN (Universidad Nacional de Colmbia)
3.5 BLINDAJE EMI
3.5.1 Concepto EMI: Son el resultado del acoplamiento de: campos eléctricos
(capacitivos), campos magnéticos (inductivos) y campos electromagnéticos
(radiación) sobre un conductor o conjunto de conductores. (Sigler, 2012)
3.5.2 Protección contra EMI: La protección se realiza mediante blindajes o
pantallas metálicas superficie metálica que separa dos regiones. (Sigler, 2012)
5.5.3 Efectividad del blindaje EMI depende de
La frecuencia
La geometría del campo
La posición de la medida y el tipo del campo
La polarización y la dirección de la incidencia.
26
Figura 11. Cinta de blindaje EMI
Fuente Desplam(Displam wholesale)
3.6 MUMETAL
Mu-metal es una aleación de níquel-hierro (aproximadamente 75% de níquel,
15% de hierro, además de cobre ) con una permeabilidad relativa
magnética muy alta. La alta permeabilidad hace al mu-metal muy eficaz en la
detección de campos magnéticos estáticos o de baja frecuencia, que no puede
ser atenuada por otros métodos
Se utiliza principalmente en los campos de baja intensidad, brindando
atenuaciones más altas, en alta permeabilidad inicial μ (Mu) consiguiendo la
mas alta eficiencia del blindaje. Representado por la letra 12ª letra del alfabeto
griego μ (Mu) se utiliza en fórmulas para física e ingeniería con el fin de
representar la permeabilidad, es la capacidad de un material para apoyar la
formación, o absorción, de un campo magnético dentro de sí mismo. En otras
palabras, la permeabilidad (μ) es un valor que representa el grado de
magnetización obtenida en un material.
Mu-metal puede tener permeabilidades relativas de 80.000-100.000 en
comparación con los valores de 10.000-20.000 de los aceros sin aleaciones.
27
Además tiene baja coercitividad y magnetostricción lo que da como resultado
que las pérdida por histéresis sean bajas. Sus propiedades magnéticas son
similares a otras aleaciones de alta permeabilidad como Permalloy.
(MAGNETIC SHIELD CORPORATION, 2012)
Figura 12. Cinta de MuMetal
Fuente: Bioespacios(Hogares libres de radiación toxicas)
3.7 KIT TEXAS INSTRUMENTS RFID
3.7.1 Módulo RFID de TEXAS INSTRUMENTS MRD2EVM microreader: El
módulo Microreader está disponible como un módulo en línea (DIL) dual o un
dispositivo de montaje superficial (SMD), módulo que puede ser conectado a o
soldado a una placa de adaptador especificado en su aplicación. El Microlector
soporta comunicaciones de datos serie y USB entre un PC y etiquetas TI. El
Microlector soporta comunicaciones de datos TTL a través de su interfaz de
comunicaciones serie (SCI), permite comunicación con una interfaz utilizando
un controlador de comunicaciones adicional (por ejemplo, RS232 o RS422).
Además, soporta una interfaz de USB que requiere pocos componentes
externos. Para facilitar el acceso al puerto USB del PC, el lector se gestiona
como un puerto COM. El Microlector puede ser controlado de forma remota, ya
sea por la prestación de determinados insumos o con el correspondiente nivel
de voltaje, mediante el envío de comandos al SCI o USB. El Microlector puede
ser accionado ya sea con o sin sincronización. Dos salidas muestran el estado
lector e informar al usuario acerca de una exitosa ejecución del comando. El
28
Microlector soporta todas las etiquetas TI LF HDX disponibles. El voltaje de
alimentación puede variar entre 2,7 V y 5,5 V. (Texas Instrumets, 2015)
Figura 13. Microlector MRD2EVM de TEXAS INSTRUMENTS
Fuente: TI (Tools & Software for NFC / RFID)
3.7.2 Microlector LF 134kHz HDX RFID kit de evaluación: La placa de
evaluación microreader (RI-STU-MRD2) es un módulo de lectura basado en
USB completa que proporciona el hardware y el software para comunicarse con
baja frecuencia de TI (LF), half-duplex (HDX) y etiquetas avanzados para la
programación y puesta a punto después la fase de producción. La memoria
USB lector-grabador contiene el módulo RI-STU-MRD2 DIL, el cual está
montado sobre una placa de basada en la antena, con un conector USB y una
selección de transpondedores HDX LF TI. El RI-STU-MRD2 es compatible con
el módulo lector RISTU- MRD1 basada RS232. (Texas Instrumets, 2015)
Figura 14. Microlector LF 134kHz HDX RFID kit de evaluación [12]
Fuente: TI (Tools & Software for NFC / RFID)
29
3.7.3. Antena: El Microlector ha sido diseñado para su uso con una antena de
47-uH con un Q de 10 a 20 para generar la frecuencia de excitación de 134,2
kHz. Debido a la baja Q, el sistema no necesita ser sintonizado. (Texas
Instrumets, 2015)
3.7.4. Etiqueta RI-TRP-DR2B-30: Tipo de etiquetas de prueba ya que no se
puede encapsular información en ellas solo permiten leer la información que se
encapsulo desde el fabricante en ellas. (Texas Instrumets, 2015)
3.7.5. Etiqueta TRPGR30TGC: Tipo de etiquetas donde se puede leer y
escribir cierto tipo de información, tiene un espacio reducido para la
encapsulación de la información solo se puede leer o escribir por el tipo de
comunicación que maneja. (Texas Instrumets, 2015)
3.7.6. MPT 16/17: Etiqueta LF tienen la función de programar y albergar más
información que las etiquetas de solo lectura o etiquetas de lectura y escritura.
(Texas Instrumets, 2015)
3.7.7. HDX + (R/O industrial standard – aplications): Etiquetas utilizadas para
aplicaciones más específicas como inventario, además de tener la posibilidad
de escribir leer o programar albergando más información. [12]
El software fue diseñado por TEXAS INTRUMENTS con fin de aprendizaje
como es el funcionamiento de los sistemas RFID. (Texas Instrumets, 2015)
Figura 15. Etiquetas RFID de TEXAS INSTRUMETS [12]
Fuente: TI (Tools & Software for NFC / RFID)
30
3.7.8. Comunicación entre microlector y modulo RFID de TI: La comunicación
entre el anfitrión y el lector se realiza ya sea por el puerto serie o el puerto
USB. Ambos puertos pueden aceptar comandos. La respuesta se envía al
puerto del que se recibió el comando. El puerto USB se configura como CDC
(Comunicación clase de dispositivo). Si está conectado a un PC, se requiere un
archivo INF el cual se puede descargar desde el producto Microlector en la
página web de TI. La transferencia de datos se realiza en un formato binario.
Sin caracteres ASCII. Por lo tanto, el uso del retorno de carro ASCII (CR) o
avance de línea (LF) para la terminación de comandos no es posible. El lector
asume un comando como terminado si no se recibe el número de bytes
especificado s después del byte inicial 0x01, o si hay nuevo byte es recibido por
10 ms.El Microreader puede procesar diferentes protocolos de comunicación:
Se puede interpretar el protocolo definido para el anterior Microreader RI-STU-
MRD1 sin restricciones. Este protocolo se conoce como Legado Protocolo
Microreader (LMP). Sobre la base de este protocolo, las expansiones se
definen para soportar nuevas funcionalidades. (Texas Instrumets, 2015)
3.8. ARDUINO
3.8.1. Arduino Leonardo: El Arduino Leonardo es una placa electronica basada
en el ATmega32u4 (ficha técnica). Cuenta con 20 pines digitales de entrada /
salida (de los cuales 7 se pueden utilizar como salidas PWM y 12 entradas
como analógicas), un 16 MH zoscilador de cristal, una conexión micro USB, un
conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio. Contiene
todo lo necesario para apoyar el microcontrolador; simplemente conectarlo a un
ordenador con un cable USB o el poder con un adaptador de CA o la batería a
CC para empezar. El Leonardo difiere de todas las placas anteriores en que
el ATmega32u4 ha incorporado en la comunicación USB, eliminando la
necesidad de un procesador secundario. (Arduino, 2015)
31
Figura 16. Arduino Leonardo
Fuente:Arduino (Pag WEB Arduino)
3.8.2. Módulo lector RFID-RC522 RF: El módulo utiliza 3.3V como voltaje de
alimentación y se controla a través del protocolo SPI, así como el protocolo
UART, por lo que es compatible con casi cualquier micro controlador, Arduino o
tarjeta de desarrollo. El RC522 utiliza un sistema avanzado de modulación y
demodulación para todo tipo de dispositivos pasivos de 13.56Mhz. Como se
hará una lectura y escritura de la tarjeta, es necesario conocer las
características de los bloques de memoria una tarjeta: La tarjeta que viene con
el módulo RFID cuenta con 64 bloques de memoria (0-63) donde se hace
lectura y/o escritura. Cada bloque de memoria tiene la capacidad de almacenar
hasta 16 Bytes. El número de serie consiste de 5 valores hexadecimales, se
podría utilizar esto para hacer una operación dependiendo del número de
serie. (Arduino, 2015)
32
Figura 17. Módulo lector RFID-RC522 de Arduino
Fuente:Arduino (Pag WEB Arduino)
3.8.3 Etiqueta ISO/IEC 14443 Tipo B: Estándar internacional de cuatro partes
para tarjetas inteligentes sin contacto que funciona a 13,56 MHz en estrecha
proximidad con una antena de lector. Proximidad integrado de una Tarjetas de
Circuito (PICC) tienen la intención de operar dentro de aproximadamente 10 cm
del lector antena.
Parte 1 [ISO / IEC 14443 a 1: 2000 (E)] define las características de tamaño y
físicas de la tarjeta. También enumera varias tensiones ambientales que la
tarjeta debe ser capaz de soportar sin daño permanente a la funcionalidad.
Estas pruebas están destinadas a realizar en el nivel de la tarjeta y son
dependientes de la construcción de la tarjeta y en el diseño de la antena; la
mayoría de los requisitos no se puede traducir fácilmente al nivel dado. El
rango de temperatura de funcionamiento de la tarjeta se especifica en la Parte
1 como Rango de temperatura ambiente de 0 ° C a 50 ° C.
33
Parte 2 [ISO / IEC 14.443-2: 2001 (E)] define la interfaz de potencia de RF y la
señal. Dos esquemas de señalización, tipo A y tipo B, se definen en la parte 2.
Tanto la comunicación esquemas son medio dúplex con una kbit 106 por
segundo de velocidad de datos en cada dirección. Dato transmitido por la
tarjeta se carga modulada con una subportadora 847,5 kHz. La tarjeta es
alimentada por el campo de RF y no se requiere de la batería.
Parte 3 [ISO / IEC 14443-3: 2001 (E)] define los protocolos de inicialización y
anticolisión Los comandos de anticolisión Tipo A y Tipo B., respuestas, trama
de datos, y tiempo se definen en la Parte 3. El esquema de inicialización y
anticolisión está diseñado para permitir la construcción de los lectores
multiprotocolo capaces de comunicación con ambos Tipo A y Tipo B tarjetas.
Ambos tipos de tarjetas de esperar en silencio en el campo por un sondeo
comandos. Un lector multi-protocolo sería sondear un tipo de tarjeta, completar
cualquier transacciones con tarjetas de responder, y luego sondear para el otro
tipo de tarjeta y realizar transacciones con ellos. (Arduino, 2015)
Figura 18 . Etiqueta ISO/IEC 14443 tipo B [14]
Fuente:Arduino (Pag WEB Arduino)
34
3.8.4. Protocolo SPI: SPI es un bus de tres líneas, sobre el cual se transmiten
paquetes de información de 8 bits. Cada una de estas tres líneas porta la
información entre los diferentes dispositivos conectados al bus. Cada
dispositivo conectado al bus puede actuar como transmisor y receptor al mismo
tiempo, por lo que este tipo de comunicación serial es full duplex. Dos de estas
líneas trasfieren los datos (una en cada dirección) y la tercer línea es la del
reloj. Algunos dispositivos solo pueden ser transmisores y otros solo
receptores, generalmente un dispositivo que tramite datos también puede
recibir. Un ejemplo podría ser un memoria EEPROM, el cual es un dispositivo
que puede transmitir y recibir información. Los dispositivos conectados al bus
son definidos como maestros y esclavos. Un maestro es aquel que inicia la
transferencia de información sobre el bus y genera las señales de reloj y
control. Un esclavo es un dispositivo controlado por el maestro. Cada esclavo
es controlado sobre el bus a través de una línea selectora llamada Chip Select
o Select Slave, por lo tanto es esclavo es activado solo cuando esta línea es
seleccionada. Generalmente una línea de selección es dedicada para cada
esclavo.
En un tiempo determinado T1, solo podrá existir un maestro sobre el bus.
Cualquier dispositivo esclavo que no esté seleccionado, debe deshabilitarse
(ponerlo en alta impedancia) a través de la línea selectora (chip select).El bus
SPI emplea un simple registro de desplazamiento para transmitir la
información. ( Ingeniería en Microcontroladores, 2014)
3.9 MATLAB
MatLab es un programa interactivo para computación numérica y visualización
de datos. Permite resolver complicados problemas numéricos sin necesidad de
escribir un programa. MATLAB es un entorno de computación y desarrollo de
aplicaciones totalmente integrado orientado para llevar a cabo proyectos en
donde se encuentren implicados elevados cálculos matemáticos y la
visualización gráfica de los mismos. MATLAB integra análisis numérico, cálculo
35
matricial, proceso de señal y visualización gráfica en un entorno completo
donde los problemas y sus soluciones son expresados del mismo modo en que
se escribirían tradicionalmente, sin necesidad de hacer uso de la programación
tradicional. MATLAB se ha convertido en una herramienta básica, tanto para
los profesionales e investigadores de centros docentes, como una importante
herramienta para la impartición de cursos universitarios, tales como sistemas e
ingenieria de control, álgebra lineal, proceso digital de imagen, señal, etc. En el
mundo industrial, MATLAB está siendo utilizado como herramienta de
investigación para la resolución de complejos problemas planteados en la
realización y aplicación de modelos matemáticos en ingeniería. (UniAndes,
2015)
3.10 HFSS:
Es un sotfaware de alto rendimiento de ondas electromagnética (EM) y
simulador de campo para la volumétrica 3D y modelando dispositivo que
aprovecha de la interfaz gráfica de usuario de Microsoft Windows. Se integra la
simulación, visualización, modelado de sólidos, y la automatización en un
entorno fácil de aprender donde con rapidez y precisión se obtienen soluciones
a sus problemas 3D EM. Ansoft HFSS emplea el Método de Elementos Finitos
(FEM), llamado adaptativo, y gráficos brillantes para darle un rendimiento sin
precedentes y una visión de la totalidad de su Problemas 3D EM. Ansoft HFSS
se puede utilizar para calcular parámetros tales como SParameters, Frecuencia
Resonante y campos. (ANSYS, 2015)
3.11 XWIX:
Es una plataforma para la creación de sitios web gratis. La cual ayuda a los
usuarios a crear páginas web de apariencia profesional las cuales pueden ser
actualizadas y editadas fácilmente. No se requieren conocimientos técnicos y
los sitios son 100% compatible con los motores de búsqueda. (XWIX, 2015)
36
4. DESARROLLO
4.1. DESCRIPCION GENERAL
El sistema está compuesto por etiquetas RFID que trabajan en frecuencias
UHF. Se utilizó láminas de material metálicos las cuales generan
interferencias en las ondas electromagnéticas, lo cual impide la trasmisión de
datos. A través del estudio se determinó que se debe incorporar una lámina de
ferrita (Shih-Kang Kuo, 2011), la cual tiene como función principal disminuir las
interferencias electromagnéticas generadas en la lámina metálica
(Ledchumikanthan, 2007), generadas por las ondas electromagnéticas radiadas
por la antena del Lector/Escritor RFID.
La información que se encuentra encapsulada en las etiquetas es leído por un
lector/escritor RFID, que para este caso se empleó un módulo lector RFID-
RC522 de ARDUINO, el cual transmite a través del protocolo SPI, los datos
son leídos analógicamente por ondas de radio frecuencia, que a su vez estas
ondas son procesadas por el microcontrolador del dispositivo RC522, este
microcontrolador realiza una conversión análoga digital y los envía
posteriormente a la tarjeta de desarrollo ARDUINO LEONARDO, al obtener
estos datos, se diseñó los algoritmos, para poder visualizar los datos en el
Visual Serial de ARDUINO. Con estos datos se diseñó otro algoritmo en
MATLAB para la transferencia de datos desde el visual Serial de ARDUINO a
MATLAB, generándose dentro del algoritmo en MATLAB un comando para la
importación de datos a un documento en Excel, esto con la finalidad de generar
un mejor manejo de la información.
Al tener la información en Excel, se importaron los datos a un aplicativo WEB el
cual se hace con la finalidad de poder visualizar los datos desde cualquier
lugar en el que se tenga acceso a la Red.
37
Figura 19 . Diagrama general del proyecto
Fuente: El autor
4.2. SITEMA DE TEXAS RFID EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO
4.2.1 Pruebas TI: Se realizaron las pruebas con el Microlector de TI,
comprobando que todos los sistemas RFID, estuvieran en correcto
funcionamiento, estas pruebas se determinaron teniendo en cuenta los
parámetros dados por el fabricante con principios básicos de operación, las
cuales se ejecutaron en el momento de hacer las pruebas. Como se ve en el
diagrama de bloques se da a conocer el principio básico del sistema de
funcionamiento RFID de TI.
38
Figura 20. Funcionamiento RFID de TI
Fuente: El autor
Se consiguió la trasmisión de datos entre los sistemas RFID de TI y el PC
esto con el fin de comprobar que la información de trasmisión de los datos se
estuviera realizando correctamente antes de generar la prueba con metales.
4.2.2. Sotfware RFID de TEXAS INSTRUMETS: El sistema RFID de TI,
proporciona un software en el cual es posible lograr las diferentes
configuraciones de las etiquetas RFID, esto da facilidad de encapsular la
información, a través de datos binarios y del protocolo de comunicación
proporcionados por TI tales como Setup Mode Protocol (SM).
39
Figura 21. Software proporcionado por TI
Fuente: Software Texas Instruments
Se realizaron las pruebas comprobando que el sistema estuviera en correcto
funcionamiento, realizando las diferentes configuraciones al lector RFID, para
la captura de información en las etiquetas, logrando la trasmisión de datos y de
esta manera se realizaran las pruebas con materiales metálicos con el fin de
generar las interferencias en las señales de radio frecuencia.
4.3. SITEMA RFID DE ARDUINO EN CORRECTO FUNCIONAMIENTO
4.3.1. Trasmisión de datos RFID a través de tarjeta ARDUINO: Se realizó la
conexión de la tarjeta ARDUINO LEONARDO, a la tarjeta RFID MF522 /
RC522 RFID, la cual trabaja a una frecuencia de 13.56 MHz, que se encuentra
en la banda de frecuencia UHF (alta frecuencia), se instalaron las diferentes
bibliotecas que proporciona ARDUINO, para el manejo de tarjetas RFID y se
desarrolló el algoritmo para la transferencia de datos desde la la etiqueta al
lector y desde el lector a la tarjeta de desarrollo.
40
Figura 22. Funcionamiento MF522 / RC522 RFID de Arduino
Fuente: El Autor
Este algoritmo muestra el proceso que se sigue para enviar y recibir
información desde el PC hasta las etiquetas iso / iec 14443. Esta información
se envía de la etiqueta RFID al lector de ARDUINO, el cual se puede observar
en el Visual Serial de ARDUINO, dando la posibilidad de corroborar la
trasmisión de datos.
4.4. PRUEBAS CON LÁMINAS METÁLICAS
Se adquirieron 5 láminas metálicas de diferentes materiales.
Hierro
Acero
Acero galvanizado
41
Acero call roll
Aluminio
Se realizaron pruebas con los diferentes tipos de etiquetas en cada uno de los
metales que se adquirieron, con el fin de analizar el comportamiento de las
etiquetas RFID sobre las láminas metálicas.
4.4.1. Trasmisión de datos de etiquetas TI y láminas metálicas: Las pruebas
se realizaron variando posición del lector con respecto a la etiqueta y la
distancia del Microlector y las etiquetas, con el fin de aumentar la probabilidad
de que el lector pudiera captar algún tipo de señal. Las etiquetas se
posicionaron sobre la lámina metálica y el lector/escritor ubicado
perpendicularmente a la etiqueta, realizando pulsos de trasmisión y observando
su comportamiento.
Figura 23. Equipos TI con láminas metálicas
Fuente: El Autor
Etiquetas RFID
Lámina metálica
Lector/Escritor RFID
42
Tabla 1. Transmisión de datos TI y láminas metálica
MATERIAL
ETIQUETA TEXAS
INSTRUMENTS
HIERRO ACERO
ACERO
GALVA-
NIZADO
ACERO
CALL
ROLL
ALUMINIO
SOLO LECTURA Falla Falla Falla Falla Falla
LECTURA /ESCRITURA Falla Falla Falla Falla Falla
MPT 16/17 Falla Falla Falla Falla Falla
HDX Falla Falla Falla Falla Falla
Fuente: El Autor
Como se puede evidenciar en la tabla, se realizó la trasmisión de datos con
cada una de las etiquetas y con las diferentes laminas metálicas, en la cual se
puede evidenciar que en las tres etiquetas (Solo lectura, Lectura/Escritura,
MPT 16/17) la transmisión fue fallida esto significa que en el momento en el
que las etiquetas se encontraban cerca da las láminas metálicas sin importar
la posición, la trasmisión era errónea. Para que la trasmisión de datos de las
etiquetas al lector se afectara, estas debían estar separadas por los menos a
3cm de los metales, de esta manera el software mostraba la trasmisión de
datos entre lector y etiqueta
4.4.2. Etiqueta ARDUINO con diferentes materiales: Se situó la etiqueta RFID
sobre cada uno de los materiales
Acero
Acero galvanizado
Acero call roll
Aluminio
Se realizaron las diferentes pruebas, situando las etiquetas iso / iec 14443 de
13,56 MHz, por debajo de las diferentes laminas metálicas, se realizaron
43
pruebas modificando la posición del lector/escritor de Arduino con respecto a
la etiqueta y demás variaciones que se pudieran realizar para lograr la
trasmisión de datos.
Figura 24. Equipos Arduino con láminas metálicas
Fuente: El Autor
Tabla 2. Transmisión de datos ARDUINO a láminas metálica
MATERIAL
ETIQUETA ARDUINOHIERRO ACERO
ACERO
GALVANIZADO
ACERO
CALL ROLLALUMINIO
ETIQUETA 13,4 MHz Falla Falla Falla Falla Falla
Fuente: El Autor
Como se evidenció en la tabla, la trasmisión de datos de la etiqueta iso / iec
14443 de 13,56 MHz, fue errónea en las variaciones físicas que se le
realizaron con los metales. En la trasmisión nunca se evidenció que los datos
de la etiqueta RFID llegaran a ser trasmitidas hasta el PC, dando como
referencia que las etiquetas no trabajan en ambientes hostiles necesitando
mejoras sobre la etiqueta para la transmisión de datos.
Lámina metálica
Lector/Escritor RFID
Etiquetas RFID
44
4.4.3. Análisis de la trasmisión de datos en etiquetas RFID con metales: La
toma de datos que se produjo en las etiquetas RFID con metales, arrojo
resultados nulos de trasmisión, ya que las probabilidades de trasmitir en las
etiquetas y los metales son muy bajas a causa de interferencias
electromagnéticas (Ledchumikanthan, 2007). Se evidencia que los materiales
con más alta conductividad como el acero y el hierro, producen mayores
interferencias, esto hace que la comunicación nunca sea posible en los
diferentes sistemas RFID que se tenían, tanto en TEXAS INSTRUMENT como
en ARDUINO,
4.5. SIMULACIÓN HFSS
Se sintonizo una antena en el programa HFSS, a una frecuencia de
13.1MHz y con pérdidas de retorno de -23.76 dB estos dos parámetros
permiten que la antena tenga una eficiencia de más del 97% permitiendo que la
antena tenga un óptimo desempeño. Se realizaron pruebas entre la antena y
las diferentes características físicas (Permitividad, Permeabilidad y
conductividad) de los diferentes materiales dados el programa HFSS para
lograr determinar el posible comportamiento de la antena RFID con tales
características.
Figura 25. Simulación de la antena en UHFSS
Fuente: (D.B. FerreiraI; A.F. Tinoco SalazarII; I. BianchiII; J.C. da S. LacavaII,
2012)
45
Se determinaron estas medidas para que la antena trabaje a una frecuencia
13.1MHz y con esta realizar las diferentes simulaciones.
4.5.1 Perdidas de retorno: Se realizó la simulación para calcular las pérdidas de
retorno que se encontraban en la antena y conocer cual era la verdadera
frecuencia a la que se encontraba trabajando.
Grafica 1. Perdidas de retorno Vs Frecuencia
Fuente: Software HFSS
Las pérdidas de retorno en la antena son de -23.89 dB a una frecuencia de
trabajo de 13.1 MHz, trabajando a la frecuencia del RC 522 (13.4MHz), en la
banda UHF que para efectos prácticos es ideal, al tener pérdidas de retorno
menores a -23.89 dB permitiendo potencia reflejada mínima y dando VSWR
DE +- 1.2:1 en el trabajo de la antena.
4.5.2 Antena acoplada a una lámina en HFSS : Se acoplo una lámina por el
lado posterior de la antena, dándole las medidas para que se ajustaran a la
antena, en este procesos se determinaron tres características químicas que se
podían variar en los materiales dados por el programa HFSS las cuales son
46
Permeabilidad magnética
Permitividad eléctrica
Conductividad eléctrica
Tabla 3.Tabla proporcionada por el programa HFSS con las diferentes características químicas de los materiales
Fuente: Software HFSS
Figura 26. Simulación de la antena con una lámina del programa [HFSS
Fuente: (D.B. FerreiraI; A.F. Tinoco SalazarII; I. BianchiII; J.C. da S. LacavaII,
2012)
47
Se ajustó una lámina en la antena por medio del programa HFSS con el fin de
conseguir una semejanza al montaje que se realizó físicamente, con esta
lámina se variaron las condiciones químicas para determinar que tanto
afectaba dichas condiciones al funcionamiento de la antena.
4.5.3 Pérdidas de retorno variando la permitividad: Se realizó la simulación
para calcular las pérdidas de retornos que se ENCUENTRAN en la antena
cuando dicha trabajara a una frecuencia de 13.1Mhz.
Grafica 2. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una
Permitividad Relativa de 1
Fuente: El Autor
Como se observa en la gráfica 2, la antena se encuentra trabajando a una
frecuencia de 13.1MHz, esta es la frecuencia a la que trabaja la etiqueta RC
522 (13.4MHz). La antena tiene unas pérdidas de retorno de -23.89 dB, esto
indica que la antena tiene una buena eficiencia.
48
Grafica 3. Perdidas de retorno cuando la lámina es de agua de mar con una Permitividad Relativa de 81
Fuente: El Autor
Como se observa en la gráfica 3, al aumentar la permitividad del medio en el
cual se está trasmitiendo, las pérdidas de retorno disminuyen muy poco. Para
esta simulación se asumió la permitividad más alta posible, la del agua de mar,
incluso en este escenario la antena sigue teniendo una trasmisión eficiente con
unas pérdidas de retorno de -18.32 dB.
Grafica 4. Perdidas de retorno variando la Permitividad Relativa
Fuente: El Autor
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-24
-23
-22
-21
-20
-19
-18Perdidas de retorno Vs Permtividad
Permtividad
Per
dida
s de
ret
orno
49
Como se ve en la gráfica 3 tiene un comportamiento en el cual sin importar cuál
sea la permitividad magnética relativa del medio en el que se está
transmitiendo, la antena tiene una buena eficiencia. El material con la
permitividad más alta que se encuentra en el software HFSS es la del agua de
mar. En el punto con menor permitividad magnética relativa las pérdidas de
retorno son de -23 dB teniendo una buena eficiencia en la antena. Si se
aumenta la permitividad magnética relativa hasta 20 se sigue teniendo
perdida de retorno por debajo de -20dB que para este caso sigue siendo ideal.
Al aumentar la permitividad de 10 en 10 las pérdidas de retorno no disminuyen
considerablemente manteniéndose en un rango que va desde -20dB hasta
-18dB la cual sigue siendo una trasmisión eficiente..
La ecuación que describe el comportamiento que hay, entre las pérdidas de
retorno y la permitividad magnética relativa del material que va desde 1 hasta
81
𝑦( )
Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las
pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material
4.5.4 Pérdidas de retorno variando la permeabilidad magnética: Se realizó la
simulación para calcular las pérdidas de retornos que se encontraban en la
antena cuando dicha trabajara a una frecuencia de 13.1Mhz
.
50
Grafica 5. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una Permeabilidad magnética relativa de 1
Fuente: El Autor
Como se observa en la gráfica 5, la antena se encuentra trabajando a una
frecuencia de 13.1MHz, esta es la frecuencia a la que trabaja la etiqueta RC
522 (13.4MHz). La antena tiene unas pérdidas de retorno de -23.89 dB, esto
indica que la antena tiene una buena eficiencia.
Grafica 6. Perdidas de retorno cuando la lámina es cobalto con una Permeabilidad magnética Relativa de 250
Fuente: El Autor
51
La grafica 6 muestra que al aumentar la permeabilidad del medio, en el cual se
está trasmitiendo, las pérdidas de retorno aumentan considerablemente. Para
esta simulación se utilizó la permeabilidad magnética relativa del cobalto, la
cual es de 250. Se observa entonces que al aumentar considerablemente la
permeabilidad magnética, las pérdidas de retorno aumentan también de forma
considerable, dando como resultado poca eficiencia en la antena. Las pérdidas
de retorno, para el caso de permeabilidad magnética relativa de 250.son de -
0.01 dB, imposibilitando entonces la transmisión de datos.
Grafica 7. Perdidas de retorno variando la Permeabilidad magnética Relativa
Fuente: El Autor
Como se ve en la gráfica 7, al amentar la permeabilidad magnética relativa a
más de 10, la trasmisión de la antena empieza a ser ineficiente. Luego de
aumentar la permeabilidad magnética relativa en múltiples pasos de 10, las
pérdidas de retorno seguían aumentando hasta llegar a una permeabilidad
magnética de 100 y se consiguió unas pérdidas de retorno de -6.98 dB que
para este caso es que la eficiencia sea nula impidiendo la trasmisión de datos.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-24
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6Perdidas de retorno Vs Permiabilidad
Permiabilidad
Per
dida
s de
reto
rno
52
Estas pérdidas de retorno son mayores debido a que al aumentar la
permitivildad del material la onda de radio freceucnia radiada por la antena se
ve ams afectada
Ecuación que describe el comportamiento que hay entre las pérdidas de
retorno y la permeabilidad magnética relativa del material que va desde 1
hasta 100
𝑦( )
Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las
pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material
4.5.5 Pérdidas de retorno variando la conductividad: Se realizó la simulación
para calcular las pérdidas de retornos que se encontraban en la antena
cuando dicha antena trabajara a una frecuencia de 13.1Mhz.
Grafica 8. Perdidas de retorno cuando la lámina es de vacío con una conductividad de 0 Siemens/m
53
Fuente: El Autor
Como se observa en la gráfica 8, la antena se encuentra trabajando a una
frecuencia de 13.1MHz, esta es la frecuencia a la que trabaja la etiqueta RC
522 (13.4MHz). La antena tiene unas pérdidas de retorno de -23.89 dB, esto
indica que la antena tiene una buena eficiencia.
Grafica 9.Perdidas de retorno cuando la lámina un conductor ideal
Fuente: El Autor
La gráfica 9 muestra que al aumentar la conductividad eléctrica, del medio en el
que se está trasmitiendo, las pérdidas de retorno aumentan considerablemente.
Se realizó la simulación con la conductividad eléctrica de un conductor ideal, la
cual es infinita, obteniendo entonces que sus pérdidas de retorno son de 0.001.
Se observa entonces que la eficiencia de la antena con un conductor ideal es
nula, al aumentar un poco dicha conductividad las pérdidas de retorno
aumentan.
54
Grafica 10 Perdidas de retorno variando la conductividad del material
Fuente: El Autor
Como se ve en la gráfica 10, al aumentar la conductividad eléctrica a más de 4
Siemens/m la trasmisión de la antena empieza a ser ineficiente, al llegar a una
conductividad eléctrica de 100 Siemens/m, se corroboro que las pérdidas de
retorno son nulas para este caso; del orden de -0.48 dB.
La ecuación que describe el comportamiento que hay entre las pérdidas de
retorno y la conductividad eléctrica del material, de 1 a 100 Siemens/m es:
𝑦( )
Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las
pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-25
-20
-15
-10
-5
0
5Perdidas de retorno Vs Conductivada
Conductividad
Per
dida
s de
ret
orno
55
4.5.6 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija variaciones la
permeabilidad magnética
Grafica 11. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica del agua de mar y permeabilidad magnética relativa de 100
Fuente: El autor
Como se observa en la gráfica 11, al aumentar permeabilidad magnética
relativa a 100 y mantener la permitividad eléctrica relativa con un valor de 81
en el del medio en el cual se está trasmitiendo, arroja pérdidas de retorno de -
7.01 dB, Se realizaron las pruebas variando la permeabilidad magnética
relativa desde 5 hasta 200.
Grafica 12. Perdidas de retorno vs permeabilidad magnética variable
Fuente: El autor
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6Perdidas de retorno Vs Permeabilidad
Permeabilidad
Perd
idas
de re
torn
o
56
La gráfica 12 muestra que al aumentar la permeabilidad magnética relativa a
más de 40, la antena empieza a ser ineficiente, dicho comportamiento es
diferente al que se da cuando se tiene permitividad eléctrica relativa es de 81
y permeabilidad magnética relativa es de 1. Para este caso en específico las
pérdidas de retornos serán más altas a una permeabilidad magnética relativa a
más baja de la que arrojaría el mismo modelamiento si se realizara la
simulación con un material que tenga la permitividad eléctrica relativa de 1
𝑦( )
Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las
pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material.
4.5.7 Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y variaciones en la
conductividad eléctrica.
Grafica 133. Perdidas de retorno con permitividad eléctrica fija y conductividad eléctrica fija.
FUENTE: El autor
57
Como se ve en la gráfica 13, al aumentar la conductividad eléctrica a 30
Siemens/m y mantener la permitividad eléctrica relativa en 81, las pérdidas de
retorno son de -3.54 dB Se realizaron las pruebas variando la conductividad
eléctrica de 5 a 30 Siemens/m.
Grafica 144.Perdidas de retorno vs conductividad variable
Fuente: El autor
Como se ve en la gráfica 14, al amentar la conductividad eléctrica a más de 12
Siemens/m la antena empieza a ser ineficiente, esto indica entonces que hay
un comportamiento diferente al que se tenía cuando la conductividad eléctrica
varia y la permeabilidad magnética es la del agua de mar. Para este caso las
pérdidas de retornos serán más altas a una conductividad eléctrica de la que
arrojaría el mismo modelamiento si se realizara la simulación con un material
que tenga la permitividad eléctrica relativa de 1.
𝑦( )
Error de regresión en la ecuación que describe el comportamiento de las
pérdidas de retorno contra la permitividad relativa del material.
5 10 15 20 25 30-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2Perdidas de retorno Vs Conductividad
conductividad
Perd
idas
de
reto
rno
58
4.5.8 Miniaturización de una antena microstrip para que trabaje a una
frecuencia de 13.1MHz: Se realizaron los diferentes cálculos para miniaturizar
una antena microstrip el parámetro que se varia es la permitividad del medio
para lograr las dimensiones. Se realizaron los cálculos para determinar las
medidas de una antena micro strep que trabaje a una frecuencia de 13.5MHz y
que tenga una permitividad del substrato de 63
Parámetros básicos para cálculo de las dimensiones de una antena
microsstip trabajando a una frecuencia de 13.56MHz
Calculando de parámetros para la longitud de W
√
√
Calculando de parámetros para la longitud de h
√
√
59
Calculando de parámetros para la longitud de L
√ (
)
√ (
)
(( ) ((
) )
( ) (( ) )
)
(
( )((
) )
( )((
) )
)
√
( )
Basado en los parámetros calculados se diseñó un vector en Matlab el cual
representaría la permitividad del substrato y con el fin de analizar que tanto
variaban las medidas dé la antena al variar la permitividad.
60
Grafica 155.Longitud de W variando la Permitividad
Fuente: El Autor
Grafica 166. Longitud de H variando la Permitividad
Fuente: El Autor
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000
5000
10000
15000Permitividad Vs W
Permitividad
W(m
m)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000
200
400
600
800
1000
1200
1400Permitividad Vs H
Permitividad
H(m
m)
61
Grafica 177. Longitud de L variando la Permitividad
Fuente: El Autor
Al variar la Permitividad del medio las medidas de la antena microstrip cambia y
a mayor permitividad menores son las medidas esto comportamiento se pudo
evidenciar en las tres longitudes debido a que todas estas longitudes están en
función de aquella permitividad.
4.5.9 Análisis determinar las condiciones para la trasmisión: Se logró
determinar que se necesitaba un material entre la etiqueta y la lámina
metálica para disminuir las interferencias electromagnéticas al mínimo, en las
simulaciones se muestra como es el comportamiento de las corrientes,
generadas en la lámina metálica y las pérdidas de retorno sobre la antena de la
etiqueta. Se determinó cuál era el material más apropiado para disminuir el
efecto producido por interferencias electromagnéticas , encontrándose que sus
principales características, eran una baja conductividad y una alta
permitiabilidad, igualmente se encontró que los materiales que cumplían con
estas especificaciones son los que tiene como base principal la ferrita.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Permitividad Vs L
Permitividad
L(m
m)
62
4.6. CONDICIONES PARA REDUCIR INTERFERENCIA
ELECTROMAGNÉTICA:
Basado en las simulaciones y en la información encontrada, se determinó que
la permitividad y conductividad que poseen los materiales, son la
principal razón por la cual no se realiza la comunicación entre etiqueta y
lector, con esta información se estableció que la mejor manera
de disminuir estas corrientes, es a través de materiales metálico, constituidos
a base de ferrita con baja conductividad y alta permutabilidad, utilizados
especialmente para eliminar ruidos electromagnéticos.
4.6.1 Lamina de blindaje EMI: Se utilizó un blindaje EMI, el cual sirve como
agente disperso para las interferencias electromagnéticas, de esta manera
logrando trasmitir la información entre etiqueta y lector, la prueba se realizó
posicionando el blindaje EMI entre la etiqueta de TEXAS y ARDUINO y las
diferentes laminas metálicas, al enviar el pulso para la trasmisión de datos no
se logró la trasmisión de datos, se varió la distancia y el ángulo de inclinación
del lector con respecto a la etiqueta y no hubo trasmisión de datos, se
separaron las etiquetas unos centímetros de la lámina de blindaje EMI y si se
realizó la trasmisión de datos en todas las etiquetas, sin embargo el
comportamiento esperad, es que la trasmisión de datos se realice cuando la
etiqueta se encuentra sobre el blindaje EMI para este caso.
Figura 27. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina de blindaje EMI
Fuente: El autor
Lámina metálica Lámina metálica
Blindaje EMI
Lector/Escritor RFID Etiquetas RFID
Blindaje EMI
63
Tabla 4. Transmisión de datos ARDUINO y TI con blindaje EMI
BLINDAJE EMI
ETIQUETA HIERRO ACERO
ACERO
GALVA-
NIZADO
ACERO
CALL
ROLL
ALUMINIO
SOLO LECTURA Falla Falla Falla Falla Falla
LECTURA /ESCRITURA Falla Falla Falla Falla Falla
MPT 16/17 Falla Falla Falla Falla Falla
ETIQUETA 13,4 MHZ Falla Falla Falla Falla Falla
Fuente: El autor
4.6.2 Análisis blindaje EMI: La primera prueba que se realizó, fue con la cinta
blindaje EMI, en la cual no hubo trasmisión de datos, esto logró determinar a
través de diferentes pruebas, realizadas a los fabricantes TEXES
INSTRUMENTS y ARDUINO, este comportamiento se se da porque su
permeabilidad es de 1000 m^2/s y su conductividad es de 0.9 siemens/m se
determinó que la conductividad del material era muy alta, impidiendo la
trasmisión de datos, estas láminas ayudan a minimizar las interferencias
electromagnéticas , pero por sus características químicas se acopla mejor en
interferencias electromagnéticas, donde existan corrientes eléctricas pequeñas
a bajas frecuencias como las corrientes electromagnéticas generadas en las
guitarras eléctricas.
4.6.3 Lamina de MuMetal: Se utilizó un blindaje MuMetal, el cual sirve como
agente disperso para las interferencias electromagnéticas , de esta manera se
busca trasmitir la información entre etiqueta y lector, la prueba se realizó
posicionando el blindaje MuMetal entre la etiqueta de TEXAS y ARDUINO y las
diferentes laminas metálicas, al enviar el pulso para la trasmisión de datos no
hubo trasmisión de datos, se varió la distancia y el ángulo de inclinación del
lector con respecto a la etiqueta y no hubo trasmisión de datos, se separó unos
centímetros las etiquetas de la lámina de MuMetal lográndose la trasmisión de
datos en todas las etiquetas,
64
Figura 28. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De MuMetal
Fuente: El autor
Tabla 5. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lamina de MuMetal
BLINDAJE EMI
ETIQUETAHIERRO ACERO
ACERO
GALVA-
NIZADO
ACERO
CALL
ROLL
ALUMINIO
SOLO LECTURA Falla Falla Falla Falla Falla
LECTURA /ESCRITURA Falla Falla Falla Falla Falla
MPT 16/17 Falla Falla Falla Falla Falla
ETIQUETA 13,4 MHZ Falla Falla Falla Falla Falla
Fuente: El autor
4.6.4 Análisis lamina de MuMetal: En las láminas de MU METAL ocurrió lo
mismo que en la cinta de blindaje EMI, no hubo trasmisión a pesar de que el
material era menos magnético, esto se da porque su permeabilidad es de 1000
m^2/s y su conductividad es de 0.5 siemens/m al determinar la conductividad
todavía se encontraba muy alta. Sin embargo el comportamiento que se
esperaba era que la trasmisión de datos se realizara, cuando la etiqueta se
Lámina metálica Lámina metálica
MuMet
Lector/Escritor RFID Etiquetas RFID
MuMetal
65
encontrara sobre la lámina de MuMetal. Este material es más utilizado para los
equipos donde se manejen corrientes eléctricas grandes a frecuencias bajas,
tales como trasformadores eléctricos, motores eléctricos o similares en donde
también se ven afectados por interferencias electromagnéticas.
4.6.5 Lamina de ferrita: Se utilizó una lámina de ferrita, la cual sirve como
agente disperso para las interferencias electromagnéticas, de esta manera
logrando trasmitir la información entre etiqueta y lector, la prueba se realizó
posicionando la lámina de ferrita entre la etiqueta de TEXAS y ARDUINO y las
diferentes laminas metálicas, al enviar el pulso se logró transmisión de datos,
aun variando el lector en diferentes posiciones
Figura 29. Sistemas ARDUINO Y TI con lámina De Ferrita
Fuente: el autor
Lámina metálica Lámina metálica
Ferrita
Lector/Escritor RFID Etiquetas RFID
Ferrita
66
Tabla 6. Transmisión de datos ARDUINO y TI con lámina de Ferrita
BLINDAJE EMI
ETIQUETAHIERRO ACERO
ACERO
GALVA-
NIZADO
ACERO
CALL ROLLALUMINIO
SOLO LECTURA Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa
LECTURA /ESCRITURA Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa
MPT 16/17 Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa
ETIQUETA 13,4 MHZ Pasa Pasa Pasa Pasa Pasa
Fuente: El autor
4.5.6 Análisis de lámina de ferrita: Con las láminas de ferrita se logró la
trasmisión de datos, debido a que la conductividad era mucho más baja. La
frecuencia a la que trabaja ARDUINO, la cual se encuentra en la banda UHF
(Alta Frecuencia) tiene un óptimo funcionamiento logrando la trasmisión de
datos en los diferentes láminas de metal con las que se realizaron las pruebas
(Hierro, Aluminio, Acero, Acero Galvanizado, acero Call Roll) esto se da porque
su permeabilidad es de 1000 m^2/s y su conductividad es de 0.01 siemens/m
dando como resultado el mejor material, para este tipo de corrientes y
frecuencias a las que se trabajan.
4.7. ACOPLE DE SISTEMA RFID PARA TRANSFERENCIA DE DATOS CON
LÁMINAS METÁLICAS
4.7.1 ARDUINO a MATLAB: El Lector/Escritor que mejor se comporta para la
trasmisión datos fue la tarjeta RC22 de ARDUINO, al comprobar que la
trasmisión de datos se podría realizar gracias a la lámina de Ferrita. Se
estableció un algoritmo en MATLAB, para poder transferir los datos a un
67
archivo de Excel y dar una mejor manipulación a los datos y de esta misma
manera exportar un archivo al aplicativo WEB.
Figura 30. Datos Transferidos desde ARDUINO a MATLAB
Fuente: El autor
Como se ve en la imagen, se logró realizar la trasmisión de datos desde el
lector RC522 de ARDUINO a MATLAB, cada vez que pasa por la etiqueta
cerca al lector/escritor, la interfaz de MATLAB, muestra los datos que se están
trasmitiendo, para este caso supliendo la interfaz gráfica de ARDUINO.
4.7.2 Transferencia de datos de MATLAB a EXCEL: Se realizó un algoritmo en
MATLAB, para la trasferencia de datos a Excel, que para este caso se ejecutó
68
por un comando que exporta todos los datos a un archivo de EXCEL,
guardando el archivo para una mejor manipulación de datos.
Figura 31. Diagrama de flujo para él envió de datos del lector a Excel
Fuente: El autor
69
Figura 32. Datos en Excel
Fuente: El autor
Como se ve en la figura No.46, al trasmitir los datos de MATLAB a Excel, se
importan todos los datos a través de un arreglo de vectores, que se maneja en
cada celda de Excel, permitiendo al usuario un mejor manejo de la
información.
4.8 APLICATIVO WEB
Se desarrolló un aplicativo WEB gratis, a través de la pag. XWIX, diseñándose
dicha página, con la con ayuda de las herramientas que proporciona el
programa, ya sea colocar imágenes, editar archivos de texto, subir documentos
y diferentes mosaicos. Para subir el aplicativo a la página, se selecciona el
archivo donde se quiere almacenar, esta función se realiza a través de la
función que ofrece la página se carga el archivo se sube y luego se da grabar
en la página.
70
Figura 33. Pág. WEB Finalizada
Fuente: El autor
Esta página permite dar la posibilidad de crear un pequeño aplicativo WEB, la
cual tiene como finalidad mostrar los datos a una escala mayor en el internet y
no solo dejando los datos en un computador. Permitiendo al usuario que tenga
la información, desde cualquier lugar que se tenga acceso a internet.
(http://afmarquez23.wix.com/proyectodegradorfid)
4.8.1 Analisis del aplicativo WEB para la visualización de los datos: El
aplicativo WEB, da muchos beneficios ya que los datos pueden ser
visualizados en cualquier parte del mundo, lo cual hace muy útil esta
aplicación ya que los datos pueden ser vistos por cualquier persona y en
cualquier momento.
71
CONCLUSIONES
Como resultado se pudo evidenciar que no hay trasmisión de datos
cuando la etiqueta se encuentra sobre la lámina metálica, debido a que
las etiquetas son afectadas por interferencias electromagnéticas
generadas por las láminas metálicas, las cuales son producidas por sus
características eléctricas y químicas del material metálico, por lo tanto a
mayor conductividad y mayor permitividad menor eficiencia de
trasmisión en la antena.
La permitividad eléctrica no es un factor decisivo en la trasmisión de
datos. Para que no haya trasmisión la permitividad del medio tiene que
ser infinita, caso que no es aplicable a un escenario práctico, esto ya
que la permitividad Relativa más alta de un caso real es la del agua de
mar (81) y aun así las pérdidas de retorno permitían la trasmisión de
datos.
La permeabilidad magnética relativa afecta considerablemente la
eficiencia o trasmisión de la antena, al aumentar un poco dicha
permeabilidad, la eficiencia de la antena baja a tal punto que impide la
trasmisión de datos.
La conductividad eléctrica es uno de los parámetros que más afecta la
eficiencia de la antena. Al alcanzar un poco de conductividad, en el
material sobre el cual se está trasmitiendo, la eficiencia de la antena es
muy baja y al realizar la trasmisión en un material con una conductividad
que tiende a infinito la trasmisión se vuelve nula.
En las simulaciones se demuestra que la permeabilidad, conductividad y
permitividad se ven afectadas uno del otro, al variar los parámetros de la
permeabilidad magnética y la conductividad eléctrica en el agua de mar
las pérdidas de retorno fueron más grandes cuando estas dos
características era más pequeñas caso contrario a lo que pasaba
cuando se variaba la permeabilidad, conductividad y la permitividad
magnética se dejaba en este para efectos prácticos sería totalmente
72
irreal ya que la conductividad y permeabilidad del agua no cambian de
esas maneras tan bruscas.
Las corrientes propagadas por la antena de la etiqueta, en la lámina de
la etiqueta generando interferencia en la trasmisión de datos , fenómeno
al que se le conoce como interferencia electromagnética, sin embargo
se puede llegar a trasmitir información cuando la etiqueta se encuentra
separada de la lámina metálica a cierta distancia, debido a que el aíre
tiene una baja permitividad y cero condcion eléctrica actúando como
agente dispersor en las interferencias electromagnéticas, impidiendo la
reflexión de la onda sobre la lámina metálica.
Se evidencio que para lograr la trasmisión de datos entre la etiqueta, el
lector y la lámina metálica, se necesita un material que tenga una
conductividad nula y permitividad baja para este caso en específico la
ferrita cumple con esas condiciones.
Se determinó que el uso de blindaje EMI y lamina de MuMetal, no es el
apropiado como agente dispersor de las interferencias
electromagnéticas en los etiquetas RFID, debido a sus características
(conductividad y permeabilidad), sin embargo estos materiales actúan
como agente dispersor, en otras aplicaciones, en las cuáles se
evidencien interferencias electromagnéticas, con características tales
como corrientes bajas a bajas frecuencias en blindaje EMI y corrientes
altas a bajas frecuencias en lámina de MuMetal
El objetivo general es Implementar un prototipo de RFID adaptando las
etiquetas en materiales metálicos, se logró debido a que se estableció
que las láminas de ferrita, son el material que se adaptan para la
trasmisión de datos desde la etiqueta hasta el lector/escritor, por tener
características especiales como permeabilidad alta y conductividad baja,
permitiendo que no se generen interferencias electromagnéticas sobre
ella misma.
73
Se determinó que no es viable aplicar un sistema RFID, sin láminas de
ferrita en medio de la etiqueta y la lámina metálica, debido a que las
interferencias electromagnéticas, generadas sobre la lámina metálica
impiden la trasmisión de datos entre lector/escritor y etiqueta.
Se considera que el uso de sistemas RFID, tendría una gran acogida en
logística y seguridad industrial, debido a que en la industria se maneja
gran cantidad de material metálico, sin embargo como se determinó los
sistemas RFID no son compatibles en materiales metálicos, dando
como una posible solución la adaptación de las láminas de ferrita en
ambientes industriales.
Se determinó que el sistema de ARDUINO, tiene un mejor
funcionamiento por poseer mejores características, trabajar a mayor
frecuencia y ser muy económico, a diferencia de TEXAS
INSTRUMENT, que proporciona muy poca información de sus
dispositivos y es costoso.
La creación de un aplicativo WEB genera una gran ventaja en la
adquisición de los datos, debido a que los datos se encuentran en la red,
permitiendo a cualquier usuario tener un fácil acceso a dichos datos, sin
embargo no se desarrolló la visualización de los datos en tiempo real ni
una base de datos debido a que se necesita un gran conocimiento a
nivel de Ingeniería de Sistemas.
74
BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN
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XWIX. (12 de 5 de 2015). XWIX.com. Recuperado el 12 de 6 de 2015, de
http://es.wix.com/
76
A. ANEXOS: Circuitos Eléctricos
1. Datasheet Microreader RI-STU-MRD2
77
78
2. Datasheet 12mm Glass Encapsulated HDX Transponders
3. Datasheet Arduino Leonardo
79
80
81
1. Datasheet rc522 Arduino
82
83
4. Datasheet Etiqueta ISO/IEC 14443 tipo B
84
B. ANEXOS: Propiedades de los materiales
1. Propiedades del hierro
1. Propiedades del aluminio
2. Propiedades del carbono
85
3. Blindaje EMI
86
4. Lamina de MuMetal
5. Lamina de Ferrita
87
c. ANEXOS: Programas
1. Comunicación MATLAB con TEXAS INSTRUMENTS
%%Abrir el puerto
s=serial('COM3')
s.Status
set(s,'BaudRate',9600)
fopen(s)
out=fread(s)
%out=fscanf(s)
out=fread(s)
fclose(s)
delete(s)
clear s
2. Identificación de la etiqueta por medio de RC522 y ARDUINO
#include <SPI.h> #include <MFRC522.h> #define RST_PIN 9 // Configurable, see typical pin layout above #define SS_PIN 10 // Configurable, see typical pin layout above MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Create MFRC522 instance. void setup() { Serial.begin(9600); // Initialize serial communications with the PC while (!Serial); // Do nothing if no serial port is opened (added for Arduinos based on ATMEGA32U4) SPI.begin(); // Init SPI bus mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 card Serial.println(F("Try the most used default keys to print block 0 of a MIFARE PICC.")); }
88
void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) { for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) { Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " "); Serial.print(buffer[i], HEX); } } boolean try_key(MFRC522::MIFARE_Key *key) { boolean result = false; byte buffer[18]; byte block = 0; byte status; // Serial.println(F("Authenticating using key A...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, block, key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { // Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); // Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return false; } } void loop() { Serial.print(F("Card UID:")); dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size); Serial.println(); }
3. Lectura y escritura en la etiqueta por medio de RC522 y ARDUINO
void loop() { // Look for new cards if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) return; // Select one of the cards if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) return;
89
// Show some details of the PICC (that is: the tag/card) Serial.print(F("Card UID:")); dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size); Serial.println(); Serial.print(F("PICC type: ")); byte piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak); Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType)); // Check for compatibility if ( piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI && piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K && piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) { Serial.println(F("This sample only works with MIFARE Classic cards.")); return; } // In this sample we use the second sector, // that is: sector #1, covering block #4 up to and including block #7 byte sector = 1; byte blockAddr = 4; byte dataBlock[] = { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, // 1, 2, 3, 4, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, // 5, 6, 7, 8, 0x08, 0x09, 0xff, 0x0b, // 9, 10, 255, 12, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f // 13, 14, 15, 16 }; byte trailerBlock = 7; byte status; byte buffer[18]; byte size = sizeof(buffer); // Authenticate using key A Serial.println(F("Authenticating using key A...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return; } // Show the whole sector as it currently is Serial.println(F("Current data in sector:")); mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector); Serial.println();
90
// Read data from the block Serial.print(F("Reading data from block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); status = mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Read() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.print(F("Data in block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(":")); dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println(); Serial.println(); // Authenticate using key B Serial.println(F("Authenticating again using key B...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_B, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return; } // Write data to the block Serial.print(F("Writing data into block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); dump_byte_array(dataBlock, 16); Serial.println(); status = mfrc522.MIFARE_Write(blockAddr, dataBlock, 16); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Write() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.println(); // Read data from the block (again, should now be what we have written) Serial.print(F("Reading data from block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); status = mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Read() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.print(F("Data in block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(":")); dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println(); // Check that data in block is what we have written // by counting the number of bytes that are equal
91
Serial.println(F("Checking result...")); byte count = 0; for (byte i = 0; i < 16; i++) { // Compare buffer (= what we've read) with dataBlock (= what we've written) if (buffer[i] == dataBlock[i]) count++; } Serial.print(F("Number of bytes that match = ")); Serial.println(count); if (count == 16) { Serial.println(F("Success :-)")); } else { Serial.println(F("Failure, no match :-(")); Serial.println(F(" perhaps the write didn't work properly...")); } Serial.println(); // Dump the sector data Serial.println(F("Current data in sector:")); mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector); Serial.println(); // Halt PICC mfrc522.PICC_HaltA(); // Stop encryption on PCD mfrc522.PCD_StopCrypto1(); } void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) { for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) { Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " "); Serial.print(buffer[i], HEX); } }
92
4. Programs e MatLab
%%Grtafica Perdids de retorno Vs Conductividad t=conductividad; y=prconductividad; E=polyfit(t,y,3); z=polyval(E,t); Num=norm(y-z); n=length(y); rms=Num/sqrt(n)%este es el error de la regresion plot(t,z,t,y,'.');%cambie '.' por 'o' si se ven muy pequeños los
puntos. hold on; figure(1) E %coja estos coeficientes y escribalos de la forma EE=-
0.0026.*t.^2+1.1778.*t+1.8688 title('Perdidas de retorno Vs Conductivada') grid on xlabel('Conductividad') ylabel('Perdidas de retorno')
%%Grtafica Perdids de retorno Vs Permitividad t=permitividad; y=prpermitividad; E=polyfit(t,y,2); z=polyval(E,t); Num=norm(y-z); n=length(y); rms=Num/sqrt(n)%este es el error de la regresion plot(t,z,t,y,'.');%cambie '.' por 'o' si se ven muy pequeños los
puntos. hold on; figure(1) E %coja estos coeficientes y escribalos de la forma EE=-
0.0026.*t.^2+1.1778.*t+1.8688 title('Perdidas de retorno Vs Permtividad') grid on xlabel('Permtividad') ylabel('Perdidas de retorno')
%%Grtafica Perdids de retorno Vs Permiabilidad t=permiabilidad; y=prpermiabilidad; E=polyfit(t,y,2); z=polyval(E,t); Num=norm(y-z); n=length(y); rms=Num/sqrt(n)%este es el error de la regresion plot(t,z,t,y,'.');%cambie '.' por 'o' si se ven muy pequeños los
puntos. hold on; figure(1) E %coja estos coeficientes y escribalos de la forma EE=-
0.0026.*t.^2+1.1778.*t+1.8688 title('Perdidas de retorno Vs Permiabilidad') grid on
93
xlabel('Permiabilidad') ylabel('Perdidas de retorno')
s = serial('COM7'); fopen(s) outt=eye(50) j=1 out = fscanf(s) out1 = fscanf(s) out2 = fscanf(s) out3 = fscanf(s) filename = 'testdata.xlsx'; A = out; B= out1; C= out2; D= out3; sheet=1; xlswrite(filename,A,sheet,'A1') xlswrite(filename,B,sheet,'A2') xlswrite(filename,C,sheet,'A3') xlswrite(filename,D,sheet,'A4') fclose(s) delete(s) clear s
5. Programa para graficas de UHFSS
%%
%Grafica vectro J_Vol
figure(1)
filename = 'VectorJ_Vol.xlsx';
a = xlsread(filename)
t=0:0.01:0.14;
plot(t,a)
94
grid on
axis([0 0.2 -0.000005 3.5e-4])
xlabel('Tiempo (ms)')
ylabel('Amps/m^2')
title('Volumen de corriente')
%%
%Grafica vectro J_Surf
figure(2)
filename = 'VectorJ_Surf.xlsx';
b = xlsread(filename)
t=0:0.01:0.14;
plot(t,b)
grid on
axis([0 0.2 -0.000005 1])
xlabel('Tiempo (ms)')
ylabel('Amps/m')
title('Densidad de corriente')
%%
%Grafico Mag_E
figure(3)
filename = 'Mag_E.xlsx';
95
c= xlsread(filename)
t=0:0.01:0.14;
plot(t,c)
grid on
axis([0 0.2 -0.000005 10])
xlabel('Tiempo (ms)')
ylabel('V/m')
title('Flujo Electrico')