ANTENNARENDSZEREK KUTATÁSA R12A - ANTENNARENDSZEREK ANTENNÁK HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA R1 - A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA BUDAPEST, 2013
Tartalomjegyzék 1. A DOKUMENTUM POZICIONÁLÁSA... 3 1.1. A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA... 3 1.2. HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA... 3 1.3. R12A ANTENNAVIZSGÁLAT... 3 1.3.1. CÉLJA... 3 1.3.2. EREDMÉNYEI... 4 2. ANTENNARENDSZEREK AZONOSÍTÁSHOZ... 5 2.1. TAGGEL ELLÁTOTT HULLADÉKGYŰJTŐ TÁROLÓEDÉNY AZONOSÍTÁSA ÜRÍTÉSKOR... 5 2.2. UHF ANTENNÁKKAL SZEMBEN TÁMASZTOTT KÖVETELMÉNYEK... 5 2.3. KÖVETELMÉNYEK A TAG TÍPUSÁT ILLETŐEN... 6 2.4. TÁROLÓEDÉNY HELYZETE AZ AUTÓHOZ KÉPEST... 6 2.5. VÁLASZTHATÓ ANTENNARENDSZEREK... 6 2.6. POLARIZÁCIÓ... 7 2.7. AZ ANTENNA ELHELYEZÉSE... 7 2.8. HF ESET... 7 3. LOKALIZÁCIÓ... 9 3.1. LOKALIZÁCIÓS METÓDUSOK... 9 3.1.1. ZÓNÁZÁS... 9 3.1.2. TRILATERÁCIÓ... 9 3.1.3. TRIANGULÁCIÓ... 10 3.1.4. RSSI TÉRKÉP... 11 IRODALOMJEGYZÉK... 12-2-
1. A dokumentum pozicionálása 1.1. A térbeli rádiófrekvenciás azonosítás lehetőségeinek kutatása Az olvasók/antennák dinamikus, kontextus függő vezérlésére szükség van, ami nagyreszt a környezettől függ. Ezért szükséges az RFID rendszerben működő, több objektumra is alkalmas okos lokalizációs es azonosító algoritmusok kidolgozása, amire a jelenlegi rendszerek nem képesek. Szükség van az RFID rendszerben működő okos lokalizációs es azonosító algoritmusok kidolgozására, amire a jelenlegi rendszerek nem képesek. A projekt során kutatjuk az RFID rendszer összetevőit annak érdekében, hogy az egyes alkalmazási területek speciális kihívásainak való megfelelés biztosított-e a jelenleg használt elemekkel, milyen korlátai vannak a rendszereknek, azokat milyen módon lehet a feladat megoldására optimalizálni. E speciális kihívások például: az objektumok anyaga sok esetben fém az objektumok nagy méret- és alakszórása az objektumok tartalmának kiszámíthatatlansága a rendszer működésének jellemzően extrém, különféle területre kell kiterjednie nagyszámú objektumot kell kezelni A projekt fenti speciális kihívásoknak való megfelelés szempontjából az RFID rendszert hardver és szoftver oldalról az alábbi részterületeken vizsgálja rádiójelek terjedése, transzponderek, antennák, protokollok (air interface), olvasók, hálózatok, helymeghatározás, adatbázis tervezés. Az egyes alkalmazási területek, azok extrémitásai és az RFID technológia jellemzői alapján a kutatás célja olyan követelményrendszer megfogalmazására, amelyek a jövőbeni konkrét gyakorlati alkalmazhatóságot nagymértékben elősegítik. Meg kell vizsgálnunk, milyen típusú, karakterisztikájú és elhelyezésű antennával, olvasóval lehet a térbeli rádiófrekvenciás azonosítás pontosságát növelni. 1.2. Hardverelemek vizsgálata Az RFID rendszerek jelenleg használt hardver komponenseit elengedhetetlen mélyreható vizsgálat tárgyává tenni az általuk szolgáltatott funkcionalitás szempontjából. A vizsgálatot tehát az adott alkalmazástípus elvárásainak és környezeti jellemzőinek figyelembevételével kell végezni. Ennek során deríthető ki, hogy a megvalósítandó rendszer által elvárt teljes funkcionalitás halmaz lefedhető-e az elemek ''effektív funkcionalitásával''. Amennyiben nem, akkor egy vagy több olyan speciális rendszerelemet kell tervezni, amely alkalmas a mutatkozó hiányosság kiküszöbölésére. 1.3. R12A Antennavizsgálat 1.3.1. Célja Antennák vizsgálata (UHF RFID és NFC), jelenleg használt antennák lehetőségeinek vizsgálata, alkalmazási feltételek és körülmények meghatározása azonosítási és lokalizációs szempontból. -3-
1.3.2. Eredményei Antennarendszerek kutatása -4-
2. Antennarendszerek azonosításhoz 2.1. Taggel ellátott hulladékgyűjtő tárolóedény azonosítása ürítéskor A mérés célja a tag-ek olvashatóságának vizsgálata, melynek eredményeképp a begyűjtés folyamata alatt, a megfelelő azonosítójú tároló kerül ürítésre. Ismert karakterisztikájú antennarendszer szükséges, mellyel csak az adott eszköz látható, így biztosítható, hogy a környező konténerek ne kerüljenek leolvasásra. 2.2. UHF antennákkal szemben támasztott követelmények Miután kültéri alkalmazásukra kerül sor, ezért rázkódás, por, és vízállónak kell lenniük. Több gyártó kínálatában találhatóak kifejezetten ilyen célra készült antennák. Beltérre készült eszközök esetében gondoskodni kell az antennák burkolásáról. Gyártó Intelleflex Laird CaenRFID Intermec Alien 12" Patch Típus Antenna DCE9028 Wantennax005 IA36A ALR-8696-C Nyereség 8 dbic 9 dbic 7 db 6 db 8,5 dbic -3dB látószög 63 70 67 70 65 polarizáció körpolarizált, párban körpolarizált, párban balkezes körpolarizáció vertikális jobbkezes körpolarizáció védettség IP66 IP65 IP54 1. táblázat: Néhány antenna paraméterei -5-
1. ábra: Kifejezetten járműre tervezett antenna 2.3. Követelmények a tag típusát illetően Az olvasási távolság igény függvényében több frekvenciasáv alkalmazható lokalizáció megvalósítására, ezáltal biztosítható a minimális illetve maximális távolság elérése. A jelen esetben használható sávok a HF (High Frequency) és az UHF (Ultra High Frequency) tartományban helyezkednek el. Az UHF sáv használata esetén, mely Európában 860 MHz körüli érték, már jóval kisebb sugárzási teljesítménnyel nagyobb távolság érhető el, ellenben az UHF tartománynak megvan az a hátránya, hogy viselkedése kezd hasonulni a fény tulajdonságaihoz, így adott tárgyakon nem hatol keresztül, illetve felületekről visszaverődik, reflektálódik. Így akár olyan helyről is történhet olvasás, mely nem kívánatos. 2.4. Tárolóedény helyzete az autóhoz képest Miután nem ismerjük pontosan a tag helyzetét, ezért biztosítani kell akkora lefedettséget, melyben a legrosszabb esetben is leolvasható a tag. Ezt a területet a mérés során határozzuk meg. 2.5. Választható antennarendszerek Az UHF sáv esetében két megoldás lehetséges: Egy antenna alkalmazása, ekkor a Tx(adó) és a Rx(vevő) antenna közös. Ebben az esetben az olvasón belül cirkulátorral történik a jelek szétválasztása. Itt viszonylag egyszerű a feladat, miután csak egy antennát kell elhelyezni. -6-
Külön adó, és fogadó antenna alkalmazása. Ebben az esetben már az elhelyezéstől függően módosul a karakterisztika, mely akár szerencsés is lehet, ugyanis pontosítható az elérhető terület. Az antennák szétnyitásával hosszú, keskeny metszet érhető el, összezárással pedig rövid, gömbölyded. Szükséges biztosítani az antennák között bizonyos távolságot, így nem zavarják egymást. Ez gyártó specifikus, az elhelyezésnél figyelembe kell venni. 2.6. Polarizáció Az antenna polarizációja meghatározza, milyen sík mentén képes olvasni a tag-et. Lehet lineárisan polarizált, és körpolarizált. Lineáris esetben lehet vízszintes vagy függőleges polarizáció. A polarizáció meghatározza, milyen sík mentén lehet a tag. Abban az esetben, ha nem ismert a tag helyzete, cirkulárisan polarizált antenna használata javasolt. Ha tudjuk a tag helyzetét, használhatunk lineárisan polarizált antennát, melynek előnye, hogy nagyobb teljesítménysűrűség érhető el, ezáltal messzebbről vagyunk képesek olvasni. 2.7. Az antenna elhelyezése 2. ábra: Polarizáció Az antennát felülről célszerű a tároló felé irányítani, ezzel a megoldással elérhető, hogy az autó teherhordó felületét ne hagyja el a sugár, így kisebb olvasó teljesítmény szükséges és csökken a téves olvasás lehetősége, miután csökkenthető az olvasási távolság. 2.8. HF eset HF sáv 3MHz-től 30MHz-ig terjed, azon belül is a szabványokban meghatározott frekvencia a 13,56MHz. Mután itt induktív csatolást alkalmaznak, az antenna közelterében található a tag, így ISO 15693 szabvány esetén 10-100cm az elérhető távolság. Ezzel teljes mértékben kizárható a szomszédos edények láthatósága. -7-
Rövidhullámú olvasás esetén (HF) nagyon közeli elhelyezést kell biztosítani, a távolság legfeljebb 40cm lehet. Az alkalmazott antenna hurokantenna, amely tulajdonképpen egy tekercset tartalmazó keret. -8-
3. Lokalizáció Helymeghatározást többféleképpen lehet megvalósítani. A pontosság függvényében akár egy antenna is elegendő, ha csak abban akarunk biztosak lenni, hogy a lefedett területen belül van az azonosítandó tárgy, ez persze nem mindig elegendő. 3.1. Lokalizációs metódusok 3.1.1. Zónázás A zónázás lényege, hogy az antennákkal meg kell határozni azt a minimum olvasási teljesítményt, amivel még látható a tag. Ebből számítható az ehhez a teljesítményhez tartozó buzogány karakterisztika. Ezeknek a függvényeknek a metszési pontjában található meg a tag. Több metszéspont esetén mindig a távolabbi pont az érvényes, ez a még minimális olvasáshoz szükséges teljesítményből következik. A mérési eredményt befolyásolja a tag helyzete. Ez úgynevezett 3D tag használatával javítható, vagy többantennás rendszert kell alkalmazni, melynél az eredményt visszavezetjük háromszögelés módszerére. 3.1.2. Trilateráció 3. ábra: Zónázáson alapuló mérés A trilaterációhoz szükséges ismerni az ún. RSSI értéket (Recieved Signal Strength Indicator). Ezt az olvasó szolgáltatja, értéke megmutatja, mekkora a fogadott jel erőssége, amely arányosan változik a távolsággal. -9-
Szükséges hozzá egy adó, és két fogadó antenna. Az elhelyezés szempontjából az adó antenna található középen, és a két fogadó antenna a széleken. Cirkulátorral ez a felépítés egyszerűsíthető, 2 antennával megvalósítható. Az első antennapár szolgáltat egy RSSI értéket, ebből számolhatunk egy lehetséges távolságot, amelyből egy körív szerkeszthető. Elvégezzük a mérést a másik antennapárral, ebből szintén szerkeszthető egy körív. Ezek metszéspontjában található a tag. 4. ábra: Trilateráción alapuló mérés 3.1.3. Trianguláció A triangulációhoz ismerni kell az antennák tengelye és az tag felé mutató félegyenes által bezárt szögeket. Ha több (minimum 2) antenna esetén ismert ez, akkor ezekből számítható a tag pozíciója. Ennek végrehajtásához a gyakorlatban fázistolt antennatömbre lehet szükség. 5. ábra: Trianguláción alapuló mérés -10-
3.1.4. RSSI térkép Harmadik lehetőség, hogy az RSSI értékeket feltérképezzük diszkrét pontokban, melyből egy RSSI térkép készíthető. A térképben tárolt Antennaazonosító-RSSI-Pozíció hármasok alapján a tárolt és mért RSSI értékek vektorának távolsága számítható. Magas hasonlóság esetén az adott pozíció megadható, mint feltételezett lokáció. 6. ábra: RSSI térkép -11-
Irodalomjegyzék 1. 1. ábra: http://www.peacocks.com.au/images/ia36b_2.jpg 2. 2. ábra: http://mainzatnight.de/2011/10/polarizers-principles-and-usage/ -12-