ES2303465B2 - Sistema de identificacion por radiofrecuencia de largo alcance. - Google Patents
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Abstract
Sistema de identificación por radiofrecuencia de largo alcance, empleado para identificar personas (1) localizadas en diferentes áreas de identificación (4), comprendiendo, en cada área de identificación (4), un equipo activador (3) compuesto de un circuito activador (5) conectado a una antena (6), que emite una señal de activación a frecuencia f0; un transpondedor activo (2) portado por cada persona a identificar con un microcontrolador, un transmisor de radio a frecuencia f1 y un receptor de radio a frecuencia f0, disponiendo cada transpondedor (2) de un identificador IDTR único y estando configurado para recibir la señal de activación y emitir un mensaje de respuesta, a frecuencia f1, con el identificador IDTR; un equipo receptor (7) encargado de recepcionar los mensajes de respuesta de los transpondedores (2) y de enviar la información de los mensajes a una unidad de control (9); una unidad de control (9) conectada al equipo receptor (7), que recibe los datos enviados por éste y gestiona el sistema de identificación.
Description
Sistema de identificación por radiofrecuencia de
largo alcance.
La presente invención se engloba dentro del
campo de la identificación y control de presencia de personas en
sistemas de seguridad y control de acceso. En concreto, el presente
sistema consiste en un sistema de identificación por
radiofrecuencia, en el que la persona a identificar es portadora de
un transpondedor en forma de tarjeta que se comunica vía radio con
diversos elementos del sistema para detectar su presencia.
En la actualidad, existen en el mercado sistemas
de identificación por radiofrecuencia utilizando transpondedores que
cumplen todas las funcionalidades necesarias para el control de
personas pero tienen los siguientes inconvenientes:
- -
- En cuanto a la colaboración del portador del transpondedor, en primer lugar necesitan de la colaboración del individuo para ser identificados. El individuo debe coger el transpondedor y acercarlo a un lector. Además, los transpondedores pasivos (o semiactivos) como las tarjetas "contactless" tienen un alcance de 10 cm, esto implica que el individuo tiene que acercar el transpondedor al lector.
- -
- En cuanto al tamaño, con los transpondedores pasivos no existe problema alguno con el tamaño pues existe una infinidad de modelos, pero en los transpondedores activos, al necesitar de una batería para poder interactuar con los lectores, se hace necesario aumentar el tamaño de éste de manera que quepa la batería. Este incremento de tamaño (y peso) en todos los casos lo hace inviable, funcional y estéticamente hablando, de ser portado por los individuos de una manera cómoda.
- -
- En cuanto al alcance, existen transpondedores activos de largo alcance con un tamaño considerable que cubren el rango de hasta los 100 m, el problema es el tamaño y peso, mientras que las tarjetas contactless tienen un alcance de no mayor de 50 cm.
El mercado demanda un sistema de identificación
no intrusivo, fácil de usar, rápido y cómodo con las siguientes
características:
- -
- Inexistente o nula colaboración del individuo para ser detectado.
- -
- Tamaño similar al de una tarjeta de banco o carné de identidad.
- -
- Alcance suficiente para ser detectado en habitaciones, salas, pasillos sin que el individuo deba interactuar con el lector.
- -
- Robustez y flexibilidad suficiente para soportar las torsiones a las que se verá sometida.
El sistema objeto de la invención utiliza una
tarjeta activa (un transpondedor) de identificación por
radiofrecuencia de largo alcance en dimensiones ISOCARD. El formato
ISOCARD permite que quepa dentro de las típicas carteras de bolsillo
y pasar como una tarjeta más. El grosor del transpondedor activo es
de 1,7 mm. Sin llegar a ser los 0,8 mm del estándar, el
transpondedor es lo suficientemente delgado y ligero como para no
molestar al individuo ya que su grosor equivale a menos de dos
tarjetas típicas de crédito. El recubrimiento plástico del
transpondedor le confiere el suficiente cuerpo como para soportar
las torsiones a las que se verá sometida al ser llevada en un
bolsillo o cartera.
El transpondedor es un circuito que se ha
diseñado teniendo claros unos objetivos muy definidos como son el
grosor final del dispositivo y el menor consumo posible.
El alcance medio del transpondedor es de 15 m.
El campo de acción del transpondedor activo es dinámico. En algunos
casos se puede comportar como un transpondedor de largo alcance y
en otros como uno de corto alcance sin que por ello se vean
mermadas sus características.
En un uso normal, la duración de las baterías
del transpondedor es de 3 años. Además existe un método para
reemplazar las baterías de tal modo que se puede alargar la vida
útil del transpondedor de forma casi indefinida.
Gracias al alcance y a sus dimensiones, el
transpondedor puede ser llevado en cualquier cartera, bolso o
bolsillo como otra tarjeta más y permite que el individuo que la
porta sea identificado sin su colaboración expresa.
El transpondedor y el sistema de identificación
que la presente invención propone es idóneo para las siguientes
funciones:
- -
- Control de acceso sin vigilante
- -
- Control horario
- -
- Seguimiento de visitas
- -
- Acceso a zonas de seguridad
- -
- Control de tiempos de exposición a contaminantes
- -
- Seguimiento de rondas
\vskip1.000000\baselineskip
Para cumplir las características de tamaño,
alcance y duración en un mismo transpondedor se han seguido los
siguientes pasos:
- Elección de integrados con los siguientes
requisitos:
- \circ
- Mínimo área y perfil bajo
- \circ
- Consumo mínimo
- \circ
- Máximas prestaciones
- Elección de componentes discretos SMD de
mínimas dimensiones.
- Elección de baterías de perfil bajo pensadas
para SMARTCARDs y que hayan superado pruebas mecánicas de ISOCARD y
procesos de laminado.
- Elección de PCB de mínimo grosor y con cierto
grado de flexibilidad.
- Novedoso proceso de embutido de los
componentes de mayor espesor en la PCB para poder reducir su
perfil. El embutido de componentes hace que los componentes de
mayor grosor queden incrustados dentro de la PCB reduciendo su
altura efectiva en algunas décimas de milímetro. Para ello se
desarrollo un útil de creación propia en el que conformar los
componentes antes del soldado en placa.
- Diseño de software destinado a:
- \circ
- Reducir el consumo para alargar la vida útil del TAG. Consumo de tan solo 1 \muA en stand-by y 7 mA en transmisión.
- \circ
- Incluir funcionalidades tales como:
- \sqbullet
- Búsqueda de transpondedores concretos.
- \sqbullet
- Sistema antipánico.
- \sqbullet
- Grabación de datos.
- \sqbullet
- Lectura de datos.
- \sqbullet
- Creación de nuevas funciones.
- \sqbullet
- Se puede averiguar el sentido de paso de un transpondedor en una determinada zona, gracias a un algoritmo de detección múltiple.
- \circ
- Sistema de encriptación para asegurar que el mensaje del transpondedor sólo llega al receptor indicado
- \circ
- Creación de un diálogo entre el transpondedor y el lector. En otros sistemas el transpondedor se limita a transmitir su identificador cuando se lo ordenan. En el presente sistema el transpondedor interactúa con el lector de una manera más compleja sin que por ello pierda su funcionalidad y rapidez.
- Creación de un molde para plástico ABS
inyectado para la creación de piezas para recubrir la electrónica
del transpondedor y así darle la suficiente robustez para soportar
las torsiones a las que se verá sufrida durante su vida.
- Búsqueda de láminas de PVC para formar una
carcasa junto con la pieza anterior. La cara del PVC será la
imprimible de mayor calidad.
- Sellado del ABS con el PVC mediante
ultrasonidos.
- Los plásticos utilizados son compatibles con
las impresoras de transferencia y retransferencia comúnmente
utilizados para la personalización de tarjetas.
- Con objeto de aligerar peso, se reduce el
número de componentes del transpondedor hasta el mínimo posible. Se
elimina el cristal de cuarzo que marca la frecuencia de trabajo del
transpondedor sin que por ello se vea afectado el funcionamiento
del mismo. Se implementa por software una rutina de sincronización
usando como base de tiempo la marcada por el sistema completo por la
interfaz radio. El transpondedor no posee una base de tiempos
conocida y estable, es por ello que el algoritmo de sincronización
realiza las siguientes funciones:
- \sqbullet
- Supone fija y conocido el tiempo entre dos señales del lector.
- \sqbullet
- Para llegar a sincronizarse conoce la distancia en unidades de tiempo entre dos señales consecutivas del lector a una frecuencia objetivo.
- \sqbullet
- A la frecuencia actual realiza una cuenta entre el comienzo de dos señales del lector
- \sqbullet
- Compara la cuenta actual con la cuenta objetivo decidiendo que:
- \circ
- Si la cuenta actual es mayor que la objetivo debemos reducir la frecuencia actual para llegar a la objetivo.
- \circ
- Si la actual es menor debemos aumentar la frecuencia actual para llegar.
- \sqbullet
- Se establece un margen de confianza dentro del cual no es necesario hacer una sincronización.
Al contrario de los transpondedores activos
existentes en el mercado, el transpondedor objeto de la presente
invención sólo emite su identificador una vez cuando está bajo la
acción del campo de activación de un lector. El consumo del
transpondedor se reduce al limitar el número de transmisiones
realizadas. Se establece un diálogo con el lector de manera que el
transpondedor pueda conocer cuando no requiere de mayor actuación.
En los lectores comunes no existe comunicación después de la
respuesta del transpondedor a la señal de activación. Esto hace que
la señal de activación sea sólo una señal de identidad del lector.
Al existir ahora un camino entre la señal de activación y la
respuesta del transpondedor al lector, el lector puede enviar
mensajes de forma unívoca a un transpondedor de forma casi
inmediata. Una vez recibida la identificación del transpondedor, el
lector envía un mensaje dirigido de forma exclusiva al
transpondedor para indicarle que debe dejar de emitir su
identificación. En los mensajes del lector enviados al transpondedor
también se incluye la identificación del lector, es por ello que
cualquier mensaje puede servir para activar transpondedores.
La invención se refiere a un sistema de
identificación por radiofrecuencia de largo alcance, empleado para
la identificación de personas localizadas en diferentes áreas de
identificación de acuerdo con la reivindicación 1. Realizaciones
preferidas del sistema y del transpondedor se definen en las
reivindicaciones dependientes.
El sistema objeto de la invención comprende:
- Al menos un equipo activador, cada uno situado
en cada área de identificación, compuesto de un circuito activador
conectado a una antena, encargado de emitir periódicamente una
señal de activación a una frecuencia f0. Se entiende por área de
identificación la zona en la cual se realiza la identificación de
las personas, y que viene delimitada por el alcance de emisión de
cada equipo activador.
- Un transpondedor activo portado por cada
persona a identificar, comprendiendo un circuito electrónico que
dispone de al menos una batería, al menos un microcontrolador, un
transmisor de radio a la frecuencia f1 y un receptor de radio a la
frecuencia f0, disponiendo cada transpondedor de un identificador
ID_{TR} único almacenado en una memoria del circuito electrónico,
y estando configurado cada transpondedor para recibir la señal de
activación y emitir un mensaje de respuesta, a una frecuencia f1,
que contiene el identificador ID_{TR} del transpondedor en
cuestión.
- Al menos un equipo receptor, encargado de la
recepción de los mensajes de respuesta de los transpondedores, del
tratamiento de dichos mensajes y del envío de la información
contenida en los mensajes a una unidad de control.
- Una unidad de control conectada al al menos un
equipo receptor, encargada de recibir los datos enviados por el al
menos un equipo receptor y gestionar el sistema de
identificación.
Cada transpondedor puede comprender una placa de
circuito impreso de grosor inferior a 0.5 mm, donde los componentes
de grosor igual o superior al grosor de la placa van embutidos en
la misma.
El circuito activador puede realizar un
autoajuste de la potencia de salida para optimizar la sintonización
de la antena, disponiendo dicho circuito activador en su etapa de
salida de una pluralidad de condensadores en paralelo, cada uno de
ellos pudiendo ser conectados mediante un relé.
El equipo activador de cada área de
identificación puede estar conectado al equipo receptor
correspondiente de dicha área de identificación mediante un bus de
comunicaciones a través del cual dicho equipo receptor en cualquier
momento puede:
- enviar órdenes al equipo activador; y
- señales de sincronización.
En este caso, el equipo activador puede enviar,
en el momento que se lo ordene el equipo receptor a través del bus
de comunicaciones y a los transpondedores seleccionados por dicho
equipo receptor, comandos instándoles a ejecutar una acción
concreta. Cada equipo receptor puede estar conectado mediante el bus
de comunicaciones a al menos un equipo activador, estando cada
equipo activador identificado con un identificador ID_{ACT}
único. Cada equipo activador puede incluir su correspondiente
identificador ID_{ACT} en los mensajes enviados a los
transpondedores, incluyendo éstos a su vez dicho identificador
ID_{ACT} en los mensajes de respuesta enviados al equipo receptor
correspondiente. Una línea XMIT del bus de comunicaciones puede
sincronizar cada equipo receptor con el al menos un equipo
activador con el que está conectado, enviando una trama
periódicamente según un período de sincronización T_{SINC},
indicando dicha trama el momento en el cual el equipo activador
puede enviar un mensaje a los transpondedores, pudiendo responder
cada transpondedor a dicho mensaje con un retraso de
N\cdotT_{SINC}, siendo N un número entero aleatorio
generado por dicho transpondedor y comprendido entre 1 y
\frac{1}{T_{SINC}}.
Los transpondedores disponen preferentemente de
un elemento de generación de sincronismo interno que es ajustado a
través de la señal de activación proveniente de los equipos
activadores. Este elemento de generación de sincronismo interno
puede ser, por ejemplo, un oscilador digitalmente controlado
(DCO).
Los mensajes enviados en la comunicación entre
los distintos dispositivos del sistema pueden ser encriptados.
El al menos un microcontrolador de cada
transpondedor activo preferentemente funciona en modo
stand-by excepto en el momento en el que dicho
transpondedor recibe un mensaje de un equipo activador.
El al menos un equipo receptor puede disponer de
una tarjeta de red mediante la cual se comunica con la unidad de
control. En ese caso el al menos un equipo receptor dispone
preferentemente de un buffer de entradas y salidas digitales
conectado a la tarjeta de red.
Es objeto también de la presente invención un
transpondedor activo para sistemas de identificación de personas
por radiofrecuencia, portado por cada persona a identificar. Dicho
transpondedor comprende una placa de circuito impreso de grosor
inferior a 0.5 mm, disponiendo de al menos una batería, al menos un
microcontrolador, un transmisor de radio y un receptor de radio.
Los componentes de grosor igual o superior al grosor de la placa
están embutidos en la misma mediante la modificación de la
orientación de su patillaje. El transpondedor preferentemente
comprende adicionalmente una capa de un primer material polimérico,
preferiblemente material termoplástico como por ejemplo plástico
ABS, que recubre la placa de circuito impreso, y una lámina de un
segundo material polimérico como PVC sellada al primer material
polimérico formando ambas capas la carcasa de la placa de circuito
impreso.
También es objeto de la invención un
procedimiento de embutición de componentes para dicho transpondedor
activo. Este procedimiento comprende las siguientes etapas:
- Seleccionar el componente a embutir.
- Posicionar dicho componente en posición
horizontal sobre un soporte dotado de un cajeado de conformación
con su fondo de anchura ligeramente inferior a la suma de las
longitudes del componente y patillaje, estando dispuesto dicho
soporte igualmente en posición horizontal, disponiendo el patillaje
del componente en contacto con el soporte.
- Presionar el componente en sentido vertical
contra el cajeado de conformación para que el patillaje quede
conformado según la forma de dicho cajeado.
- Colocar el componente en la posición taladrada
correspondiente de la placa de circuito impreso.
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
La Figura 1 muestra un esquema básico del
sistema de identificación.
La Figura 2 muestra un esquema de los
componentes del sistema y su interacción.
La Figura 3 representa un sistema de
identificación en el que un receptor está conectado a una
pluralidad de activadores.
La Figura 4 muestra un esquema de la etapa de
salida del activador, en la que se realiza el autoajuste de los
condensadores.
En la Figura 5 se representa la línea XMIT del
bus de comunicaciones utilizada para sincronizar los equipos
receptores con los equipos activadores.
La Figura 6 muestra un esquema básico de la
placa de circuito impreso que forma parte del transpondedor.
En las figuras 7A, 7B, 7C, 7D se ilustra las
diferentes etapas del procedimiento de embutición de los
componentes de mayor grosor en la placa de circuito impreso del
transpondedor.
Básicamente el sistema objeto de la presente
invención es un conjunto de equipos emisor y receptor cuya misión
fundamental es la de identificar al portador de un transpondedor
(llamado normalmente "tag" o "etiqueta RFID") en una zona
determinada, además de una funcionalidad añadida como puede ser el
control de accesos, niveles de ocupación de personal, alarmas o el
control de flotas. El sistema en concreto trabaja en los rangos de
125 Khz y 434,2 Mhz, cumpliendo toda la normativa al respecto
(EN61000, EN55022, IEC60950).
En la figura 1 se muestra un esquema del sistema
en cuestión, en el que se representa la persona a identificar,
referenciada como 1. Dicho sistema consta de:
- Un transpondedor 2 portado por cada persona a
identificar 1, en formato similar al de una tarjeta de crédito
aunque un poco más grueso que lleva un número interno, un
identificador ID_{TR}, que identifica a cada uno de de forma
única. Los transpondedores envían su señal a 434,2 Mhz.
- Un equipo activador 3, compuesto de un
circuito activador 5 conectado a una antena 6 que emite una señal
de activación a una frecuencia de 125 Khz.
- Un equipo receptor 7 encargado de detectar los
transpondedores 2 que estén dentro de su rango de acción.
- Una unidad de control 9 (un ordenador, por
ejemplo, con una aplicación de gestión) que supervisa tantos
equipos receptores 7 como sean necesarios en la instalación.
El modo normal de funcionamiento es el
siguiente: Un transpondedor 2 se encuentra en el denominado modo
sleep o stand-by, en modo ahorro de energía. Al
entrar en el área de identificación 4, que es la zona de cobertura
del equipo activador 3, el transpondedor 2 pasa del modo
stand-by al modo normal de funcionamiento, y
comienza a emitir una señal con su identificador ID_{TR}. Esta
señal es detectada por el equipo receptor 7 que analiza y
desencripta los datos recibidos y si dicha información es correcta
se envía mediante el protocolo TCP/IP a la unidad de control 9.
Dependiendo del nivel de seguridad que se quiera dotar al sistema se
puede implementar o no la encriptación de los mensajes. La
encriptación se realiza con una clave generada en el equipo
receptor 7. Éste la transmite al equipo activador 3, y a su vez,
este último la enviará en la trama de activación a los
transpondedores 2. Esta clave es, en una realización preferida, un
entero de 32 bits. Una vez el transpondedor 2 recibe la trama,
almacena la clave y su mensaje de respuesta se cifra con dicho
entero. Este cifrado consiste en un conjunto de operaciones lógicas
con la información a transmitir. En el camino de vuelta del
transpondedor 2 al equipo receptor 7, éste recibe la trama del
transpondedor 2 y se realiza el proceso inverso, con la clave que el
propio equipo receptor 7 generó en su momento. Como esta clave va
variando temporalmente, es necesario repetir el proceso de
desencriptado con la clave actual y anterior. Cada equipo receptor
7 tiene una clave distinta lo que permite discriminar qué mensajes
son para qué equipo receptor 7.
En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques
con los diferentes elementos que integran el sistema.
El circuito activador 5 del equipo activador 3
es un circuito diseñado específicamente para el sistema y que está
encargado de enviar a los transpondedores 2 las órdenes para que
éstos actúen en consecuencia. Estas órdenes se envían a través de
una antena 6 auto-sintonizada a 125 Khz y dispone de
la potencia necesaria de tal manera que tenga un campo de acción de
6 m de radio. Los aspectos tenidos en cuenta para alcanzar dicho
radio de acción han sido los siguientes:
\bullet Intensidad máxima que puede pasar por
el tanque RLC: esta intensidad debe proporcionarla la fuente
conmutada ajustable, diseñada para ello.
\bullet Sintonización de la antena: para que a
la frecuencia de 125 Khz presente la menor impedancia y por tanto
transfiera la máxima potencia.
\bullet Ajuste de la antena en cuanto al
número de espiras y su área.
Las funciones más importantes del equipo
activador 3 son:
- Comunicaciones con el resto del sistema: a
través de varios pines recibirá órdenes del equipo receptor 7 y
señales de sincronización.
- Autoajuste de condensadores para la mejor
sintonización de la antena 6 que esté conectada a la salida. Esto
posibilita conectar el sistema a múltiples tipos de antena sin
tener que realizar ningún cambio hardware en el mismo.
- Temporización: todo el sistema debe estar
sincronizado con lo cual la base de tiempos debe ser lo más estable
posible.
- Generación de las tramas: con las que se
transmitirá la información a los transpondedores 2. No sólo se
generan señales de activación, sino también diferentes los mensajes
que se deben enviar según el modo de funcionamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
El equipo receptor 7 captura los mensajes
emitidos por los transpondedores 2, los trata y los reenvía a la
unidad de control 9 que controla el sistema completo. Se ha
diseñado el equipo receptor 7 para dotar al sistema de un mayor
alcance. Entre otras, las funciones que realiza este subsistema
son:
- Comprobación CRC y desencriptación: en primer
lugar se comprueba que no han habido errores en la transmisión
verificando el valor del CRC. Tras esta operación se desencripta la
trama ya que viene cifrada para aumentar la seguridad del
sistema
- Configuración: dispone de un canal, mediante
el cual la unidad de control 9 puede ajustar ciertos parámetros de
su funcionamiento.
- Manejo del protocolo TCP/IP para el envío de
mensajes de los transpondedores a la unidad de control 9. Con este
protocolo se flexibiliza al máximo el sistema. Esta comunicación
también va cifrada para dotar de mayor seguridad al sistema.
\vskip1.000000\baselineskip
El equipo receptor 7 dispone de una tarjeta de
red 14 para comunicarse con la unidad de control 9. Dispone a su
vez de un buffer 16 de entradas y salidas digitales conectado a la
tarjeta de red 14. Se trata de un integrado, concretamente el
74HC241 que es un buffer triestado de 8bits, de los cuales se
utilizan 6. Los niveles que manejan estas señales son los
estándares de lógica TTL. Tres de los pines están configurados como
entradas y los restantes como salidas. Así desde la unidad de
control 9 o desde el propio equipo receptor 7 se pueden leer o
escribir en cada uno de los pines. El disponer de entradas y
salidas es de gran aplicación para otros dispositivos 17, ya que
posibilita la comunicación con ellos de forma inmediata, como puede
ser el caso de actuadores, sirenas, indicadores luminosos,
accionadores de cualquier tipo o sensores de proximidad,
volumétricos, pulsadores, setas de seguridad, etc. En caso de
necesitar algún protocolo especial de comunicaciones pueden usarse
dichos pines para soportar el protocolo indicado.
El equipo receptor 7 está conectado al equipo
activador 3 mediante un bus de comunicaciones 12 a través del cual
el equipo receptor 7 en cualquier momento puede enviar órdenes y
señales de sincronización al equipo activador 3.
La mayor labor de desarrollo y lo más novedoso
del presente sistema radica en el formato y características del
transpondedor 2. El transpondedor 2 es un circuito diseñado
teniendo claros unos objetivos muy definidos como son el grosor
final del dispositivo y el menor consumo posible. Para ello, el
proceso de fabricación se adapta para conseguir el menor espesor
posible. Las funciones que realiza el transpondedor 2 son las
siguientes:
- Recepción de tramas del equipo activador 3: el
transpondedor 2 debe estar a la escucha (con su receptor de 125 Khz
activado) de las posibles tramas que le vengan de un equipo
activador 3 del sistema. El contenido de estas tramas puede ser
diverso ya que la mayor parte serán señales o comandos de
activación pero también pueden ser comandos de pasar a modo
stand-by, lectura en memoria, escritura, borrado de
memoria o cambio de identificador ID_{TR}, entre otros.
- Ahorro energético: Para alargar la vida de la
batería y disminuir el consumo al máximo, el transpondedor 2
hiberna (funcionamiento en modo "sleep" o
stand-by) durante todo el tiempo de inactividad,
despertándose sólo cuando es necesario (modo normal de
funcionamiento).
- Encriptación de la respuesta: Cuando el
transpondedor 2 envía la respuesta a cualquier comando recibido,
éste cifra el contenido para tener la seguridad necesaria en la
comunicación con el equipo receptor 7. Esta encriptación se realiza
mediante clave variable disminuyendo drásticamente las
posibilidades de reconstrucción del mensaje.
- Envío de respuestas: el transpondedor 2
dispone de un transmisor de 434,2 Mhz para enviar la información
necesaria al equipo receptor 7. Esta información será la
identificación del portador (ID_{TR}) en la mayoría de los casos,
pero también se pueden tener respuestas a los comandos citados
anteriormente como son lectura, escritura, borrado o cambio de
identificador ID_{TR}.
La comunicación entre el equipo receptor 7 y el
equipo activador 3 se realiza con un protocolo soportado por tres
líneas, estándar en cuanto a morfología aunque los tiempos de
transmisión difieran de otros similares. La cronología de estas
señales es la siguiente: El emisor controla las tres señales. Se
pone una señal LOAD a nivel alto indicando al receptor que comienza
la comunicación. La señal de datos, enviada a través de la línea
DATA, estará a nivel alto o bajo en función del bit que se desea a
transmitir. Con una señal CLK se indica al receptor cuándo debe leer
la línea DATA. Con la bajada de la señal LOAD se da por finalizada
la transmisión.
Ya que se dispone de un alcance considerable en
el camino del transpondedor 2 al equipo receptor 7, un receptor
puede estar conectado a una pluralidad de activadores, tal como se
muestra en la figura 3. Esta es una de las características
novedosas frente a otros sistemas, ya que el presente sistema puede
tener una topología donde un mismo equipo receptor 7 cuelguen hasta
ocho equipos activadores 3. Para ello, además de la comunicación
sobre las tres líneas antes mencionada (LOAD, DATA y CLOCK), se
usan otras tres (DIR_H, DIR_M y DIR_L) para direccionar a uno de
los ocho posibles equipos activadores 3 conectados al mismo equipo
receptor 7. Una vez fijados los correspondientes niveles para
direccionar a uno u otro equipo activador 3, se habilita una señal
de ENABLE durante todo el proceso de transmisión anteriormente
mencionado. En la figura 3 cada equipo activador 3 está configurado
con un identificador ID_{ACT} único del 1 al 8, de tal manera que
cuando el transpondedor 2 es activado por cualquiera de ellos, en
su trama de respuesta irá el identificador ID_{ACT} del equipo
activador 3, quedando determinada el área de identificación 4 donde
se ha detectado a la persona a identificar 1.
La condición optima que se busca en el ajuste de
la antena 6 al circuito activador 5, es aquella que hace que la
sintonía de la misma sea la mejor para que la radiación de potencia
sea máxima. Partiendo de que la inductancia de la bobina es
constante hay que buscar el valor más cercano a la capacidad tal que
haga que el tanque resonante tenga su máximo a 125 Khz que es la
frecuencia de transmisión del equipo activador 3. Para ello, la
etapa de salida del activador dispone, tal como se muestra en la
figura 4, de una batería de condensadores 18 en paralelo cada uno de
ellos conectables mediante un relé 19. Así el microcontrolador del
equipo activador 3 podrá ir conectando o desconectando, según
corresponda, cada uno de los condensadores 18 de forma que se
obtenga el valor máximo en la salida. El autoajuste permite
conectar una gran variedad de antenas al equipo activador 3, así
como tener independencia de la distancia de la antena 6 al circuito
activador 5, ya que la capacidad introducida por el cable que los
une se corrige en dicho proceso. El circuito activador 5 puede
estar conectado a diferentes tipos de antenas 6, en función de la
aplicación requerida:
- Antena normal para paso de personas por
pasillos y espacios abiertos.
- Antena loop situada en el pavimento para
detección de portadores dentro de vehículos o personas.
- Antena de corto alcance para la acción
voluntaria del portador en la apertura de puertas.
Además de estas topologías, pueden conectarse
dos antenas 6 a un mismo circuito activador 5 para cubrir un mayor
área de identificación.
La temporización en el sistema completo es uno
de los aspectos más importantes del correcto funcionamiento, ya que
si no fuera así, las transmisiones de los distintos elementos
interferirían no pudiéndose recibir correctamente los diferentes
mensajes. La solución adoptada para sincronizar todos los elementos
se explica a continuación. En el sistema hay tres elementos que
deben estar sincronizados: el equipo activador 3 (señales de
activación a 125 Khz), los transpondedores 2 (respuestas a 434,2
Mhz) y el equipo receptor 7 (envió de tramas recibidas a la unidad
de control 9). Entre el equipo receptor 7 y el equipo activador 3
hay una conexión física, existe una línea denominada XMIT que se
encarga de sincronizar al equipo activador 3, de forma que
transmita un número de veces determinado por segundo su trama, 13
veces por segundo en un modo de realización preferido. Esta señal es
de la forma mostrada en la figura 5. Los transpondedores 2 para
enviar su respuesta saben que en un segundo pueden responder 13 de
ellos, ya que el sistema de slot así está pensado. Después de cada
transmisión del equipo activador 3 se genera un delay de
X\cdot(1/13) ms, donde X es un número aleatorio entre 1 y
13, quedando fijada con respecto a la activación el momento de
respuesta. Cabe destacar que los transpondedores 2 no poseen una
fuente de sincronismo, como puede ser un cristal de cuarzo, sino
que tienen un DCO ("digitally controlled oscillator", oscilador
digitalmente controlado) que genera la frecuencia de trabajo. Este
DCO es ajustado la primera vez que el transpondedor 2 entra en
funcionamiento con la señal emitida desde los equipos activadores
3. El equipo receptor 7 esperará para transmitir las tramas
recibidas a la unidad de control 9 en el momento en el cual no se
pueden recibir respuestas de transpondedores 2, siendo éste el
flanco de subida de la señal XMIT. Con lo cual se tiene un sistema
de sincronización distribuido en todos los elementos del sistema y
controlado desde el equipo receptor 7 que es el que genera la señal
XMIT.
Es objeto también de la presente invención el
diseño del transpondedor 2 mostrado en la figura 6. Se ha
conseguido un transpondedor de dimensiones reducidas y bajo
consumo. En ella se muestran los componentes más importantes: el
microcontrolador 21, el receptor 22 a 125 Khz y el transmisor 23 a
434,2 Mhz. Para ello se ha efectuado un proceso de selección de
componentes, encaminado a los de menor consumo. También se han ido
buscando encapsulados lo más pequeños posibles, todo en montaje
SMD. Las baterías que se han elegido son las más finas hoy en día
existentes, de tan sólo 0,4 mm de espesor y una capacidad de 25 mAh.
Las de botón tiene un grosor impensable para esta aplicación, por
ello se ha recurrido a unas extrafinas de dióxido de litio
manganeso. Con ello, y reduciendo al máximo la trama de datos
enviada por el transpondedor 2, se ha conseguido tener una
transpondedor capaz de transmitir a un mínimo de 15 metros con una
duración estimada de 3 años para 50 transmisiones al día. El resto
de componentes (resistencias, condensadores y bobinas) van montados
en encapsulados 0402. El grosor de la PCB 24 (placa de circuito
impreso) es uno de los más finos existentes hoy en día. Dicha PCB 24
tiene un grosor de 0.4 mm en los puntos donde existe cobre en ambas
caras. Y también muy importante en aras de buscar el menor grosor
ha sido el nuevo proceso de fabricación. Los componentes de mayor
grosor no van montados SMD sino embutidos en la propia PCB 24.
Los transpondedores 2 pueden ser programados vía
radio. Al igual que se le pueden enviar a los transpondedores 2
tramas o señales de activación, pueden enviarse otras tramas con
una codificación tal que, interprete dichas tramas como comandos de
escritura en cierta posición de la memoria del microcontrolador 21.
Esto posibilita grabar nuevo código a partir de la última dirección
escrita. Para permitir esto se ha de configurar el sistema en modo
programación pasando a funcionar de manera diferente en cuanto a la
recepción/envío de los transpondedores 2 detectados se refiere. A
partir de ahora se espera a que una aplicación de gestión indique
los comandos a enviar a un transpondedor 2 determinado
(identificado por su identificador ID_{TR}). Estos comandos se
generan a partir del nuevo código compilado que se quiere almacenar
en el transpondedor 2. El transpondedor 2 captura dichos comandos y
los almacena en la dirección de memoria designada para ello. Por
último se cambia un registro de estado que indica que hay que
seguir mirando el código nuevo a partir de dicha dirección. Desde
este momento el transpondedor 2 gozará de una nueva funcionalidad
implementada mediante la programación vía radio.
En las figuras 7A, 7B, 7C, 7D se muestra el
proceso de embutición de los componentes en la PCB 24. Este
procedimiento se aplica solamente a aquellas partes del
transpondedor 2 donde existen mayores problemas de grosor.
Anteriormente se han taladrado en la PCB 24 huecos donde van
alojados los componentes (microcontrolador 21, transmisor 23 y
receptor 22). Se selecciona en primer lugar el componente 25 a
embutir (figura 7A). Se procede a modificar el patillaje 26 de
fábrica de dicho componente 25 (figura 7B) mediante conformado en
la máquina de montaje. Para ello se ha desarrollado un soporte 27
dotado de un cajeado de conformación 28 sobre el cual se posiciona
el componente 25. El fondo del cajeado tiene una anchura 30
ligeramente inferior a la suma 29 de las longitudes del componente
25 y patillaje 26. Se aplica una fuerza vertical sobre el
componente para que el patillaje 26 quede conformado según la forma
del cajeado 28 (figura 7C). Por último se coloca el componente 25
en la posición taladrada de la PCB 24.
Claims (15)
1. Sistema de identificación por radiofrecuencia
de largo alcance, empleado para la identificación de personas (1)
localizadas en diferentes áreas de identificación (4),
caracterizado porque comprende:
- al menos un equipo activador (3), cada uno
situado en cada área de identificación (4), compuesto de un
circuito activador (5) conectado a una antena (6), encargado de
emitir periódicamente una señal de activación a una frecuencia
f0;
- un transpondedor activo (2) portado por cada
persona a identificar, comprendiendo un circuito electrónico que
dispone de al menos una batería, al menos un microcontrolador (21),
un transmisor de radio (23) a la frecuencia f1 y un receptor de
radio (22) a la frecuencia f0, disponiendo cada transpondedor (2) de
un identificador ID_{TR} único almacenado en una memoria del
circuito electrónico, y estando configurado cada transpondedor (2)
para recibir la señal de activación y emitir un mensaje de
respuesta, a una frecuencia f1, que contiene el identificador
ID_{TR} del transpondedor (2) en cuestión; cada transpondedor (2)
comprendiendo además una placa de circuito impreso (24) de grosor
inferior a 0.5 mm, con los componentes de grosor igual o superior
al grosor de la placa (24) embutidos en la misma;
- al menos un equipo receptor (7), encargado de
la recepción de los mensajes de respuesta de los transpondedores
(2), del tratamiento de dichos mensajes y del envío de la
información contenida en los mensajes a una unidad de control
(9);
- una unidad de control (9) conectada al al
menos un equipo receptor (7), encargada de recibir los datos
enviados por el al menos un equipo receptor (7) y gestionar el
sistema de identificación.
2. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
circuito activador (5) realiza un autoajuste de la potencia de
salida para optimizar la sintonización de la antena (6),
disponiendo dicho circuito activador (5) en su etapa de salida de
una pluralidad de condensadores (18) en paralelo, cada uno de ellos
pudiendo ser conectados mediante un relé (19).
3. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el equipo
activador (3) de cada área de identificación (4) está conectado al
equipo receptor (7) correspondiente de dicha área de identificación
(4) mediante un bus de comunicaciones (12) a través del cual dicho
equipo receptor (7) en cualquier momento puede:
- enviar órdenes al equipo activador (3); y
- señales de sincronización.
4. Sistema según la reivindicación anterior,
caracterizado porque el equipo activador (3) envía, en el
momento que se lo ordene el equipo receptor (7) a través del bus de
comunicaciones (12) y a los transpondedores (2) seleccionados por
dicho equipo receptor (7), comandos instándoles a ejecutar una
acción concreta.
5. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 4, caracterizado porque cada equipo
receptor (7) está conectado mediante el bus de comunicaciones (12)
a al menos un equipo activador (3), estando cada equipo activador
(3) identificado con un identificador ID_{ACT} único; y porque
cada equipo activador (3) incluye su correspondiente identificador
ID_{ACT} en los mensajes enviadas a los transpondedores (2),
incluyendo éstos a su vez dicho identificador ID_{ACT} en los
mensajes de respuesta enviados al equipo receptor (7)
correspondiente.
6. Sistema según la reivindicación anterior,
caracterizado porque una línea XMIT del bus de
comunicaciones (12) sincroniza cada equipo receptor (7) con el al
menos un equipo activador (3) con el que está conectado, enviando
una trama periódicamente según un período de sincronización
T_{SINC}, indicando dicha trama el momento en el cual el equipo
activador (3) puede enviar un mensaje a los transpondedores (2); y
porque cada transpondedor (2) responde a dicho mensaje con un
retraso de N \cdot T_{SINC}, siendo N un número entero aleatorio
generado por dicho transpondedor (2) y comprendido entre 1 y
\frac{1}{T_{SINC}}.
7. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
transpondedores (2) disponen de un elemento de generación de
sincronismo interno que es ajustado a través de la señal de
activación proveniente de los equipos activadores (3).
8. Sistema según la reivindicación anterior,
caracterizado porque el elemento de generación de
sincronismo interno es un oscilador digitalmente controlado
(DCO).
9. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
mensajes enviados en la comunicación entre los distintos
dispositivos del sistema son encriptados.
\newpage
10. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al
menos un microcontrolador (21) de cada transpondedor activo (2)
funciona en modo stand-by excepto en el momento en
el que dicho transpondedor (2) recibe un mensaje de un equipo
activador (3).
11. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al
menos un equipo receptor (7) dispone de una tarjeta de red (14)
mediante la cual se comunica con la unidad de control (9).
12. Sistema según la reivindicación anterior,
caracterizado porque el al menos un equipo receptor (7)
dispone de un buffer (16) de entradas y salidas digitales conectado
a la tarjeta de red (14).
13. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el transpondedor (2) comprende una
placa de circuito impreso (24) de grosor inferior a 0.5 mm,
disponiendo de al menos una batería, al menos un microcontrolador
(21), un transmisor de radio (23) y un receptor de radio (22) y
porque los componentes (25) de grosor igual o superior al grosor de
la placa (24) están embutidos en la misma mediante la modificación
de la orientación de su patillaje (26).
14. Sistema según la reivindicación anterior,
caracterizado porque comprende adicionalmente una capa de un
primer material polimérico que recubre la placa de circuito impreso
(24) y una lámina de un segundo material polimérico sellada a la
capa del primer material polimérico, formando ambas capas la
carcasa de la placa de circuito impreso (24).
15. Sistema según la reivindicación 13,
caracterizado porque el proceso de montaje de componentes
electrónicos en el transpondedor activo se basa en la embutición de
los mismos en la placa de circuito impreso, según las siguientes
etapas:
- seleccionar el componente (25) a embutir;
- posicionar dicho componente (25) en posición
horizontal sobre un soporte (27) dotado de un cajeado de
conformación (28) con su fondo de anchura (30) ligeramente inferior
a la suma (29) de las longitudes del componente (25) y patillaje
(26), estando dispuesto dicho soporte (27) igualmente en posición
horizontal, disponiendo el patillaje (26) del componente (25) en
contacto con el soporte (27);
- presionar el componente (25) en sentido
vertical contra el cajeado de conformación (28) para que el
patillaje (26) quede conformado según la forma de dicho cajeado
(28);
- colocar el componente (25) en la posición
taladrada correspondiente de la placa de circuito impreso (24).
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