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Performance analysis of a radiofrequency identification prototype system to control personnel access in the mayor’s office of Popayán city

Análisis del desempeño de un sistema prototipo de identificación por radiofrecuencia para controlar el acceso de personal en la alcaldía de Popayán

Yaneth López M.1, Lucero Manquillo L.2, Víctor Miramá P.3 1ylopezm(AT)unicauca.edu.co, 2luceromanquillo(AT)unicauca.edu.co, 3vmirama(AT)unicauca.edu.co

Universidad del Cauca. Popayán – Colombia

Artículo de Investigación

Abstract In the last years the use of Radio Frequency Identification Technology (RFID) has extended to many applications, this fact has pushed the study of its performance in several systems. In this paper we present the analysis of a prototype system for controlling personnel access in the Mayor’s Office of Popayán. First we design a system, in hardware and software, considering the requirements of the scenario, the Mayor’s Office of Popayán; then we evaluate the system taking the following parameters into consideration: distance in passive tags RFID, power of lector, scenes of implementation, and possible cases of interference with materials. With the results we evaluate the performance of the system, analyzing through figures the attenuation of signal with the distance, the Frame Error Rate (FER) and Bit Error Rate (BER) in the scene of implementation.

Keywords: RFID, Frame Error Rate (FER), Bit Error Rate (BER), attenuation.

Resumen En los últimos años el uso de la tecnología de Identificación por Radiofrecuencia (RFID) se ha extendido a un gran número de aplicaciones, este hecho ha impulsado el estudio del comportamiento de la tecnología en diferentes sistemas. En este artículo se presenta el análisis de un sistema prototipo en la banda UHF para controlar el acceso de personal en la Alcaldía de Popayán. Como primer paso se realiza el diseño del sistema prototipo tanto en hardware como en software teniendo en cuenta los requerimientos del escenario, la alcaldía de Popayán. Posteriormente se realiza la evaluación del sistema tomando como parámetros de variación, la distancia de etiquetas RFID pasivas, la potencia del lector, los escenarios de implementación y posibles casos de materiales interferentes. Con los resultados se evalúa el desempeño del sistema analizando por medio de figuras la atenuación que sufre la señal con la distancia, la Tasa de Error de Trama (FER) y la Tasa de Error de Bit (BER) en el escenario donde se implementa.

Palabras clave: RFID, Tasa de Error de Trama (FER), Tasa de Error de Bit (BER), atenuación.

© 2016. IAI All rights reserved

Citación López, Y., Manquillo, L. and Miramá, V. 2016. Análisis del desempeño de un sistema prototipo de identificación por radiofrecuencia para controlar el acceso de personal en la alcaldía de Popayán. Actas de Ingeniería 2, 231-239.

Actas de Ingeniería Vol. 2, pp. 231-239, 2016

http://fundacioniai.org/actas

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1. Introducción

Actualmente, existen diversos sistemas de identificación entre los cuales el más utilizado es el código de barras, que se caracteriza por su corto alcance de lectura, baja capacidad, alta interacción humana, incapacidad para hacer lecturas simultáneas y la exigencia de visibilidad entre el código de barras y el lector. Esto lo hace ineficiente para aplicaciones donde se requiere lectura a mayor distancia, alto procesamiento de información con múltiples lecturas de manera simultánea y una mínima interacción humana. Estas limitaciones han forzado la búsqueda de tecnologías de identificación más eficientes, como Radio Frequency Identification (RFID). Esta tecnología ha motivado el desarrollo de un gran número de aplicaciones con funciones específicas, entre las que se cuenta la identificación de personas a través de credenciales con etiquetas RFID integradas [1].

Un caso particular, en el cual la implementación de esta tecnología puede mejorar el proceso de identificación de personal es en la alcaldía de Popayán. Este trabajo tiene como objetivo implementar un sistema RFID que permita hacer un reconocimiento rápido y preciso del personal que ingresa o sale de la alcaldía. En el proceso se requiere el análisis del desempeño del sistema, para definir los mejores parámetros de configuración y comparar el comportamiento de la tecnología RFID en otros escenarios.

2. Tecnología RFID

La Identificación por Radiofrecuencia es una tecnología que utiliza señales de radio para leer a distancia la información contenida en etiquetas en objetos, animales o personas, permitiendo su identificación. Para su funcionamiento requiere etiquetas pasivas, semi-activas o activas, un lector de etiquetas y un computador para observar y procesar la información recibida por el lector (Figura 1). Al interrogar a una etiqueta, un lector puede recibir información como Electronic Product Code (EPC,), que es el número asignado de forma única a cada etiqueta para su identificación en tiempo real de manera segura [2].

Figura 1. Componentes de un sistema RFID

1.1 Componentes de un sistema RFID

1. Lector. Es un dispositivo electrónico encargado de transmitir ondas de radio a la etiqueta para activar el circuito integrado, donde se encuentra almacenada la información y, posteriormente, capturar la respuesta de la misma. La diferencia esencial con los lectores de códigos de barras radica en que los lectores RFID no necesitan línea de vista para la comunicación lector-etiqueta, solamente es necesario que las etiquetas estén dentro del rango de cobertura del lector para ser energizadas.

Un lector consta de un módulo de radiofrecuencia (transmisor, receptor), una unidad de control

(microprocesador e interfaz de comunicación) y una antena para comunicarse con la etiqueta (Figura 2). Estos dispositivos están dotados con interfaces de comunicación estándar, que transfieren la información recibida de la etiqueta a un sistema de procesamiento de datos, tal como un middleware, una base de datos o un controlador, empleando un enlace local o remoto Ethernet, USB, RS232, RS485, WLAN, RF, WI-FI o Bluetooth. También cuenta con sistemas diseñados para trabajar con diferentes lenguajes de programación, tales como .NET, Java y XML, entre otros, que lo hacen una aplicación sencilla para manipular la lectura y escritura de los datos [3, 4].

Figura 2. Diagrama en bloques de un lector RFID

2. Etiqueta. También llamada tag o transpondedor, contiene la información asociada al objeto, animal o persona que la porta y su función es comunicarse con el lector que está transmitiendo señales de radio, para enviar el código EPC almacenado en su circuito integrado. En la Figura 3 se resaltan las partes de una etiqueta RFID pasiva, donde el chip o circuito integrado es un microprocesador que almacena los datos y contiene la lógica de lo que debe hacer para responder al lector; la micro-antena permite recibir energía y transmitir la información de identificación de la etiqueta y el sustrato (Inlay) integra los anteriores componentes. Las etiquetas activas tienen un elemento adicional llamado batería [3, 5].

Figura 3. Partes de una etiqueta pasiva

Existen otras características que diferencian las etiquetas, tales como la fuente de energía (activa, semi-activa y pasiva); la memoria (sólo lectura, lectura y escritura, de una escritura y múltiples lecturas); los protocolos de comunicación con el lector; capacidad de procesamiento; características físicas; ciclo de vida y distancia de lectura, entre otros. Los organismos de estandarización se encargan de definir y agrupar estos parámetros para normalizar y regular la producción de dispositivos [3, 5].

3. Middleware. El subsistema de procesamiento de datos o middleware es software que reside en un computador y que sirve de intermediario entre el lector y las aplicaciones. Se encarga de filtrar los datos que recibe del lector o red de lectores, de forma que a las aplicaciones software únicamente les llega información útil. El lector convierte la información en un formato descifrable para un computador y el middleware obtiene los datos de la comunicación lector-etiqueta. Puede registrar los datos descifrados,

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buscar el ID de la etiqueta en una base de datos, con el fin de ordenar otra acción o incluso insertar información suplementaria en la etiqueta. Además, monitorea el estado de los dispositivos del sistema RFID (de los lectores) y gestiona la infraestructura específica RFID (lectores y etiquetas) y el flujo de información.

1.2 Estandarización y protocolos

Existen diversas organizaciones de normalización en el mundo cuyo propósito es crear uniformidad en la industria de RFID, abordando temas relacionados con el protocolo de interfaz de radio, la estructura de los datos a intercambiar en la comunicación lector-etiqueta, las pruebas que deben cumplir los productos para satisfacer la regulación y el uso de las aplicaciones con RFID [6]. ISO y EPCglobal son ejemplos de estas organizaciones que, en los últimos años, decidieron crear el estándar 18000-6C para definir los parámetros para las comunicaciones de interfaz radio entre 860 MHz - 960 MHz. En el presente trabajo se emplea un equipo RFID que opera bajo el estándar ISO 18000-6C (Tabla 1) [7]:

Está diseñado para que los chips de las etiquetas puedan almacenar 96 y 256 bits.

El lector puede deshabilitar la etiqueta con el comando kill.

Permite ajustar la velocidad de lectura dependiendo de las necesidades.

Permite reprogramar las etiquetas. En seguridad, cuenta con contraseña para el

acceso. Se puede utilizar el espectro de forma más eficiente

y escribir y leer etiquetas con mayor rapidez y flexibilidad.

Tabla 1. Especificaciones para sistemas RFID ISO 18000-6C

Parámetro Tipo Frecuencia 860 – 960 MHz Codificación en el enlace directo PIE Tipo de modulación ASK (DSB, SSB, PR)

EPC 96/256 bits

Velocidad de transmisión de datos 80 a 640 Kbps

Codificación en el enlace inverso FM0, Miller coded subcarrier

40 a 640 Hz Modulación back scattering ASK o PSK

Tipo de protocolo anticolisión Protocolo Q

Verificación 16 bit CRC

EPCglobal es una organización sin ánimo de lucro encargada de la industria RFID, para apoyar y establecer estándares para la red EPC y la estructuración del código EPC, un esquema de identificación diseñado para reconocer de forma univoca cualquier producto en el mundo. El código en sí no guarda información específica de un elemento, sino que el número almacenado en el circuito integrado de la etiqueta actúa como una dirección que permite acceder a la información completa del producto, tal como fecha y lugar de fabricación, fecha de vencimiento, nombre del fabricante, entre otros datos.

1.3 Frecuencias de trabajo

En la tecnología RFID la comunicación lector-etiqueta se realiza de forma bidireccional por medio de ondas electromagnéticas de radiofrecuencia, por esta razón los dispositivos están regulados como unidades de radio. El espectro electromagnético de RFID abarca baja

frecuencia (LF), alta frecuencia (HF), ultra alta frecuencia (UHF) y microondas. En este trabajo se utiliza UHF, cuyas características son:

Opera en la banda de 860 a 960 MHz y microondas en 2.45 GHz o por encima [4].

La ventaja de trabajar con frecuencias altas es tener una longitud de onda corta, lo que permite antenas de pequeño tamaño y mayor cobertura, logrando alcances típicos de 3 metros en etiquetas pasivas y más de 15 en etiquetas activas.

La sensibilidad a distintos tipos de materiales en UHF y microondas presenta mal comportamiento frente a los metales, los líquidos y otros materiales, además de los problemas asociados a la desintonización de las antenas de las etiquetas cuando estas se encuentran muy cercanas entre sí, presentando colisiones [9, 10].

Con una frecuencia más alta se puede incrementar la cantidad de información a transmitir y la velocidad de lectura simultánea [10].

Utiliza acoplamiento electromagnético mediante propagación de la onda electromagnética para alimentar la etiqueta [11].

La banda UHF no se puede utilizar de forma global porque no existe un único estándar [4, 9, 11].

1.4 Fenómenos que afectan la tecnología RFID

Pérdidas de los componentes. Los componentes que conforman el circuito para la comunicación lector-etiqueta están expuestos a fenómenos perturbadores que generan ruido o interferencia, ocasionados por obstáculos entre las antenas del lector y las etiquetas. Se presenta atenuación en el nivel de la señal como consecuencia de la mala orientación de las antenas que portan las etiquetas con respecto al lector. Al momento de diseñar y configurar el sistema de comunicación se debe tener en cuenta las condiciones físicas del lector, la etiqueta y las antenas.

Interferencia. En un sistema RFID la interferencia entre sus componentes y la generada por factores externos, es un problema que comúnmente afecta el desempeño del sistema. En una aplicación de este tipo se pueden presentar diferentes tipos de interferencia, tales como interferencia entre etiquetas, entre lectores o debidas a factores externos. Debido a que no todas las aplicaciones son iguales, ni los entornos en los que se encuentra el sistema presentan las mismas características, la medida en que afectan un sistema varían de uno a otro [12].

Colisiones. Se presentan cuando existen varias etiquetas dentro del área de cobertura del lector, ocasionando problemas para determinar en qué momento debe empezar a transmitir cada una. Las etiquetas que cuentan con un protocolo de anticolisión esperan su turno para responder. El protocolo utilizado en el estándar 18000-6C es el Q [13].

3. Diseño e implementación de un sistema prototipo

Para la realización del sistema prototipo se desarrollaron las fases de la Figura 4.

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Figura 4. Diagrama de fases

1. Análisis de los requerimientos del sistema. En la alcaldía de Popayán el mecanismo de registro utilizado es presentando un carné en la entrada del edificio y con un lector de código de barras se efectúa el registro. El sistema prototipo de identificación permitirá realizar el registro de forma automática y sin la intervención de terceros; podrá registrar el ingreso o salida de uno o más empleados al tiempo y proporcionará un incremento en la capacidad de lectura del carné, el cual portará una etiqueta RFID.

2. Diseño e implementación. La Figura 5 muestra los módulos del diseño, cada uno encargado de realizar una función dentro de la aplicación.

Figura 5. Diagrama de bloques del sistema prototipo

Módulo de interrogación y recolección de información. Se determina la manera más adecuada de ubicar los elementos en el escenario de implementación. Para el diseño se tuvo en cuenta los requerimientos del sistema y las condiciones del escenario principal de implementación, en el pasillo de la alcaldía de Popayán. Se ubicó una antena al principio y otra al final del pasillo y el middleware se encargó de registrar la entrada o salida del edificio según la ubicación y estado de la etiqueta. Para este diseño se adquirió el kit RFID invengo que trabaja en la banda UHF y soporta el estándar ISO 18000-6C. La Figura 6 muestra el diagrama en bloques de la interacción de los elementos del kit.

Figura 6. Diagrama de bloques del sistema prototipo

En la Figura 7 se observa la distribución de los elementos en el pasillo de la alcaldía de Popayán, se optó por crear un sistema en el cual las personas puedan ser identificadas solamente con estar en el campo de radicación de la antena.

Figura 7. Pasillo de ingreso de los funcionarios en la alcaldía

Después de diseñar el esquema físico del sistema se creó la aplicación software para registrar y procesar los datos obtenidos por el lector al interrogar las etiquetas.

Módulo de gestión y visualización de información. En este módulo se creó la aplicación que permitió controlar el acceso de personal y realizar el conteo de las lecturas en tiempos de transmisión programados, se utilizó el lenguaje de programación C# y el entorno de desarrollo Visual Studio 2010, que soporta el lenguaje y tiene un motor de base de datos incrustado SQL Server Compact, que permite el almacenamiento fácil de los datos. No se requiere instalar un servidor de base de datos y tampoco ejecutar un proceso de configuración [14, 15]. Para el diseño hardware propuesto la aplicación tuvo que cumplir los siguientes requisitos:

Comunicar al lector con el equipo de recolección de información vía USB.

Facilitar la configuración de las potencias en los puertos del lector.

Realizar una lectura continua de etiquetas, mostrando las veces que se hizo satisfactoriamente y las que no hubo una lectura exitosa.

Registrar en una base de datos cuando se produzca un nuevo evento de la etiqueta asignada a un empleado.

Registrar nuevos empleados en la base de datos y asignarles una etiqueta RFID.

Mostrar en una tabla el historial de los últimos eventos acontecidos (entradas o salidas).

Evitar que personas no autorizadas accedan a los datos de la aplicación.

Guardar en un archivo el registro diario del horario de asistencia de los empleados.

Enviar el archivo de registro al correo de un funcionario encargado.

En la Tabla 2 se muestran las funciones de la API utilizadas para el código.

Tabla 2. Funciones requeridas

Función Descripción en el proyecto

XCOpen Habilita el puerto USB por el cual se realiza la comunicación

XCCLose Deshabilita el puerto USB

XCPowerOff Apaga el amplificador de potencia del lector

XCPowerQuery Consulta la potencia de cada uno de los puertos de antena del lector, dos, para el sistema prototipo

XCPowerSet Configura la potencia a cada uno de los puertos de antena del lector

XCIdentifyEpcCode Envía la instrucción de lectura del código EPC

XCEpcCodeReport Recibe los datos del EPC

La Figura 8 muestra el modelo de las funciones que implementa el módulo de gestión y visualización de información. La creación del código estuvo acompañada del diseño gráfico de la aplicación en un formulario en Visual Studio 2010.

Figura 8. Bloques de la aplicación

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Las funciones mostradas en la Tabla 2 permitieron la realización del código. Para abrir o cerrar el puerto USB, por el cual se establece la comunicación, se utilizaron las funciones XCOpen y XCClose, una vez abierto el puerto es posible enviar instrucciones al lector.

El bloque de Configuración de Parámetros permite hacer variaciones de potencia en los puertos donde se conectan las antenas. Para ver la potencia de las antenas se utilizó la función XCPowerQuery, y para cambiarla XCPowerSet. Estos elementos no están conectados a la base de datos porque no es necesario guardar registro de esta acción, las instrucciones se envían al lector y este las ejecuta.

El bloque Medición de lecturas permite hacerles seguimiento a las lecturas erróneas y exitosas que se generan en un tiempo predefinido de interrogación; esta información se usa más adelante en el análisis del desempeño del sistema. Cuando se envía una instrucción de lectura del código EPC al lector con la función XCIdentifyEpcCode, el lector se encarga de ejecutar la instrucción y la respuesta se guarda en la variable Result. Si el valor es mayor a 0 indica que la función se ejecutó correctamente y la etiqueta está lista para enviar los datos, si el valor es menor o igual a 0 indica un error durante la ejecución de la instrucción. Con Result>0 se llama a la función XCEpcCodeReport, si regresa un valor igual a 1 los datos de la etiqueta se recibieron correctamente, se guardan en un vector y se muestran en la interfaz. El contador de lecturas exitosas se incrementa en 1. Si el valor es diferente de 1, indica que hay un error en los datos y no es posible visualizar el EPC, el contador de errores se incrementa en 1 e internamente se realiza un conteo de las lecturas totales.

Antes de iniciar la lectura se debe configurar un ChekedListBox para definir por cuánto tiempo se realizará la operación, su valor por defecto es 1 minuto. Las lecturas de etiquetas solamente se realizarán mientras el contador de tiempo no haya excedido el tiempo configurado.

El bloque Registro y Control de personal sirve para hacer consultas a la base de datos o ingresar nuevos empleados y asignarles una tarjeta RFID. También para realizar el monitoreo de asistencia. El registro de ingreso o salida de personal del edificio se muestra en tiempo real. En este bloque se almacena en la base de datos RFID información personal de los empleados, el EPC de la etiqueta que se les asignó y un registro de los eventos que se han atribuido a cada etiqueta (dentro o fuera). Las tablas que componen la base de datos son:

Cargos: que se pueden asociar a un empleado.

Empleados: los datos de un empleado, número de identificación, nombres y apellidos.

Etiqueta_empleado: asocia la identificación del empleado al EPC de una etiqueta.

Etiquetas: valor del EPC para un número de etiqueta determinado.

Eventos: información de todos los eventos que se producen con una etiqueta, también tiene la información del estado de una etiqueta, la antena que hizo la lectura y la hora de entrada o salida.

Tipo usuario: tipos de usuarios que se pueden definir en la aplicación. Según el tipo de usuario se habilitan o restringen algunas funciones de la aplicación.

Usuarios: lista de los usuarios que pueden acceder a la aplicación, así como sus datos de autenticación.

Logs: datos de acceso de una etiqueta asociada a un funcionario, la hora en la que se produjo su registro de entrada o salida.

Descripción de logs: información que será exportaba al archivo de texto.

El bloque Autenticación valida la información ingresada para acceder a las funciones de la aplicación. El registro o salida de un empleado del edificio se realizó valorando una serie de eventos, que pueden ocurrir desde que el usuario se encuentra en la puerta (antena 1) hasta que llega al final del pasillo (antena 2) y viceversa. A continuación, se presenta el desarrollo de la lógica de los eventos.

Manejo de eventos. En esta parte del código se utilizaron estructuras condicionales para tomar decisiones de registro dependiendo de la ubicación de la etiqueta en el pasillo. La aplicación maneja estado para el evento y estado para la etiqueta. Los estados del evento son: cero, uno y dos. Los estados de la etiqueta son: uno, dos y tres. Casos especiales uno-dos y dos-tres. La fecha y hora está sincronizada con el computador, se actualiza cada 0,5 segundos hasta que se cierra el evento y se registra en la base de datos asignándola a la entrada y salida del funcionario. La Figura 9 muestra el proceso que la aplicación sigue cuando se ingresa o sale del edificio.

Figura 9. Control de entrada y salida

Estado del Evento. Cuando una antena detecta una etiqueta se graba la hora inicial y se registra con estado de evento igual a cero; si después de 0,5 segundos la antena deja de detectarla entonces se cambia el estado del evento a uno, indicando que este es el último evento; si la otra antena detecta la misma etiqueta se registra el nuevo evento y cambia el estado a cero. Si pasados 0,5 segundos la antena dos deja de detectar la etiqueta, el estado cambia a uno y el evento anterior se pone en estado igual a 2, indicando que es el penúltimo y de ahí para atrás todos estarán en dos, así se completa y cierra el evento (Figura 9).

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A todas las etiquetas se les revisa el último evento, si están con estado igual a cero se toma la última hora en que fue identificada y se usa para los siguientes cálculos. De esta forma, la aplicación trata de terminar el evento de todas las etiquetas. El estado igual a cero puede deberse a casos especiales en los que alguna de las antenas identifica una de las etiquetas, pero no pasa por la otra antena. Si vuelve a pasar por la misma antena, mira el estado del evento anterior y la hora para actualizarla y, a continuación, realizará el proceso mencionado. Si pasa por la otra antena quiere decir que estaba ubicada en el medio de las dos antenas y se cerrará el evento. Para definir si la persona está entrando o saliendo del edificio se utiliza el estado de la etiqueta.

Estado de la Etiqueta. Los estados uno, uno-dos y dos se manejan como fuera del edificio, y los estados dos-tres y tres indican que está dentro del edificio. La etiqueta se registra cuando es identificada por la antena uno o dos. Pasados 0,5 segundos y si la antena deja de leer el estado de la etiqueta, pasa de uno a dos (en medio de las antenas) y se considera dentro o fuera del edificio, dependiendo del orden de lectura de las antenas. Después de 0,5 segundos y si la otra antena lee la misma etiqueta y esta se aleja de tal forma que no está en el rango de cobertura de las antenas, el estado cambia a tres, registrando a la etiqueta dentro o fuera del edificio. En cada estado se almacena la hora en la base de datos para controlar y actualizar la llegada o salida de la etiqueta según el último evento (Figura 9).

Existen casos especiales, tales como: 1) el usuario ingresa con la etiqueta y se queda parado en la antena uno por más de 0, 5 segundos, entonces se cambia el estado de uno a uno-dos (fuera del edificio) y se espera a que la antena dos lo identifique, para seguir el proceso. De lo contrario, si la antena uno deja de leerlo se concluye que no entró. En el momento que vuelva a ingresar la hora se actualiza. 2) El usuario pasa con la etiqueta por los estados uno, dos y se quede dentro del rango de cobertura de la antena dos por más de 0,5 segundos, se pasa el estado uno a dos-tres (dentro del edificio) y se espera hasta que la antena dos no lo identifique para pasar a estado tres y registrar hora de entrada. Caso contrario, si la etiqueta es leída por la antena uno, se cambia el estado a dos (fuera del edificio) y si la antena deja de leerlo después de 0,5 segundos cambia a estado uno y se registra la hora de salida.

Estos casos se repiten si la etiqueta está dentro del edificio. Además, los eventos se pueden consultar en un listado que se va creando en la pestaña Control de la aplicación. Esta información se guarda en un archivo de texto exportable.

Módulo de almacenamiento de información. Se crearon archivos de registro con la información de los eventos obtenida en el módulo anterior. El listado del control de administrativos y contratistas se almacena por día en un archivo, lo que le permite al personal autorizado y encargado

del cumplimiento de horarios laborales, controlar los ingresos y salidas. Estos se pueden enviar a una cuenta de correo electrónico pre configurada.

3. Pruebas. En tres escenarios se evaluaron parámetros tales como tiempo de respuesta de las etiquetas, número de lecturas exitosas y erróneas, materiales interferentes y máxima distancia de lectura. En los diferentes casos se varió la potencia.

4. Análisis de resultados

Se evaluó la comunicación lector-etiqueta para determinar qué tan conveniente es la tecnología implementada en la aplicación, para lo cual se realizaron tres pruebas en tres escenarios. Las etiquetas empleadas en las pruebas fueron: AD-232 G2iL, AD-805 Monza 3, AD-824 G2xL/xM, AD-826 Monza 3, AD-827 Monza 3, AD-828 Monza 3 y AD-380iL NXPG2iL. Su tamaño no sobrepasa las medidas de un carné de identificación común. Para la evaluación del desempeño del sistema prototipo se establecieron tres escenarios los cuales se describen en la Tabla 3. En las pruebas se realizó una variación de la potencia del lector de 20 a 30 dBm con incrementos de 1 dB.

Tabla 3. Escenarios de trabajo

Escenarios Características

1 Las antenas se ubicaron de frente a la pared en un pasillo de la alcaldía, a una distancia de 226 cm y a una altura de 131 cm.

2 Las antenas se ubicaron de frente a la entrada en el pasillo de la alcaldía, a una distancia de la puerta de 643 cm y a una altura de 131 cm.

3 Las antenas se ubicaron en exteriores de la Universidad del Cauca.

1. Prueba 1: Selección de la etiqueta. Se eligió la etiqueta de mayor alcance, según la distancia máxima en la cual cada una respondía con su número EPC al lector. Por el espacio en los escenarios 1 y 2 no fue posible realizar todas las variaciones de potencia hasta 30 dBm, porque las etiquetas superaban la distancia de los escenarios. En la Figura 10 se presenta el comportamiento de las etiquetas en el escenario 3, donde se realizaron todas las variaciones.

Figura 10. Escenario 3, Potencia vs Distancia

Se observó un mayor alcance de las etiquetas en el escenario 2, en el que se genera un efecto de guía de onda creando puntos de interferencia constructiva y destructiva entre las que viajan por el pasillo. La onda se refuerza y posee mayor energía para viajar cuando hay interferencia constructiva [10]. La etiqueta AD-805 no mostró cambios significativos al incrementar el valor de la potencia, por lo cual se concluye que la distancia de lectura está limitada por la potencia del lector y la sensibilidad de la etiqueta. Se eligió la etiqueta AD-232 porque cubre el ancho del pasillo

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(escenario 1) con una potencia mínima de 20 dBm, el largo del pasillo (escenario 2) con una potencia mínima de 23 dBm y alcanza una distancia de hasta 1154 en exteriores (Figura 10). Por lo tanto, se considera una potencia del sistema de 20 dBm sin materiales interferentes.

2. Prueba 2: Selección de la potencia de trabajo para la etiqueta AD-232 frente a interferencia. La potencia de trabajo del sistema se seleccionó realizando medidas con la etiqueta AD-232 dentro de materiales interferentes (Tabla 4). Las medidas de distancia tomadas en esta prueba fueron menores a la distancia máxima, aunque en este punto la intensidad de la señal del lector es mejor porque energiza continuamente a la etiqueta, garantizando mayor número de lecturas correctas. La Figura 11 muestra el resultado de las mediciones en el escenario 1.

Tabla 4. Materiales interferentes para la prueba

Materiales Descripción Metálico La etiqueta dentro de un estuche metálico Fluido corporal La etiqueta en la mano cerrada Carné Se utilizó un carné que venía con la etiqueta

Billetera El carné con la etiqueta se ubicó en una billetera de lona

Bolso El carné con la etiqueta en la billetera y en un bolso

Sin material Etiqueta AD-232

Figura 11. Escenario 1, Etiqueta AD-232 frente a interferencia

Se observa que los materiales metálicos y el fluido corporal anulan la comunicación del lector con la etiqueta para todas las variaciones de potencia. En 21 dBm la etiqueta en billetera, carné y sin interferencia, llega a la máxima distancia del pasillo, 226 cm. Mientras que la etiqueta en el bolso necesita de una potencia transmitida por el lector de 26 dBm. Por lo tanto, se requiere una potencia entre 26 y 30 dBm para garantizar que el personal pueda portar el carné con la etiqueta dentro del bolso, el peor caso. El material con el que están hechos los objetos utilizados en la prueba influye en la lectura de la etiqueta, porque si es más grueso o denso dificultará la lectura.

Se realizaron pruebas para determinar la distancia mínima en la que una etiqueta no es leída por las dos antenas. Para una potencia de 30 dBm se necesita una distancia de 290cm entre las antenas, para garantizar que los eventos se cumplan y no se asigne información de entrada o salida incorrecta.

3. Prueba 3. Medición de lecturas erróneas y exitosas para calcular la FER y la VER a una distancia fija. Se tomaron medidas de las lecturas exitosas y erróneas que se generan teniendo una distancia fija de 226 cm,

que corresponde al ancho del pasillo en la alcaldía. Para tomar las medidas se consideraron los materiales interferentes de la prueba 2 y se varió para cada uno la potencia transmitida de 20 a 30 dBm. Con los resultados obtenidos en las pruebas 1 y 2 se calculó la atenuación. Para el cálculo de la Tasa de Error de Trama (FER) y la Tasa de Error de Bit (BER) se utilizaron los datos obtenidos en las pruebas 2 y 3.

Por otro lado, los sistemas de comunicación inalámbricos pueden presentar atenuación de la señal mientras viaja del transmisor al receptor, por lo que el sistema prototipo de Identificación por Radiofrecuencia (RFID) diseñado no es ajeno a esto. A causa de la dispersión de energía en el medio, a medida que la etiqueta se aleja del lector disminuye el nivel de potencia de la señal con la cual se energiza, por lo que es conveniente analizar el grado de atenuación presente en la comunicación lector-etiqueta. Este valor se calculó empleando la ecuación (1) de balance del enlace.

𝑃𝑟𝑥 = 𝑃𝐼𝑅𝐸 − 𝐿 (𝐴𝑡𝑒𝑛𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛) (1)

Despejando L de la ecuación (1) se obtiene la (2).

𝐿 (𝐴𝑡𝑒𝑛𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛) = 𝑃𝐼𝑅𝐸 − 𝑃𝑟𝑥 (2)

La PIRE se define con la ecuación (3).

𝑃𝐼𝑅𝐸 = 𝑃𝑡𝑥 + 𝐺𝑎 − 𝐿𝑐𝑐 (3)

Donde, según los datos del sistema, estos valores son:

𝑃𝑡𝑥: potencia del transmisor, de 20 a 30 dBm. 𝐺𝑎: ganancia de la antena, 7.15 dBi 𝐿𝑐𝑐: pérdidas del cable coaxial y conectores, 5.554 𝑃𝑟𝑥: potencia de recepción de las etiquetas. Dado que

este valor no lo proporciona el fabricante, se tomó su sensibilidad, la cual se calculó con las pérdidas de espacio libre (ecuación 4) obtenidas en el escenario 3 con la prueba 1.

𝑙 = 32.45 + 20 log 𝑓 + 20 log 𝑑 (4)

En la ecuación (4) se utilizó una frecuencia constante de 927.25 MHz, haciendo que las pérdidas dependan directamente de la distancia entre el lector y la etiqueta. Seguidamente, se promediaron los 10 resultados obtenidos por cada etiqueta y potencia. Las medidas tienen una desviación estándar de 2,636 y un coeficiente de desviación aproximado de 0,021. La Tabla 5 muestra la sensibilidad calculada. Con la sensibilidad de las etiquetas se calculó la atenuación en los escenarios 1 y 2 con la ecuación (1), cuyos resultados muestran que la etiqueta más sensible es la AD-232, con -20.58 dBm, corroborando su elección como la de mayor alcance en pruebas anteriores. La etiqueta AD-805 presenta la sensibilidad más baja, 2,746 dBm, alcanzando distancias inferiores a 100 cm.

Tabla 5. Sensibilidad de las etiquetas

Etiqueta Potencia (dBm)

Distancia (cm)

Sensibilidad(dBm)

AD-826 20 161 -19,873 AD-232 20 449 -20,58 AD-824 20 107 -17,545 AD-380iL 20 345 -20,242 AD-805 20 15 2,746 AD-827 20 129 -18,991 AD-828 20 118 -18,291

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La Figura 12 muestra los resultados de la atenuación para el escenario 2. Sin embargo, al comparar las curvas de la misma etiqueta en los escenarios 1 y 2 se observa que, para el mismo valor de potencia, la atenuación es igual, debido a que la atenuación depende del medio: los dos escenarios se encuentran en el mismo pasillo.

Figura 12. Escenario 2, Atenuación de las etiquetas

En el escenario 2, las etiquetas con mayor sensibilidad llegan más lejos y, por lo tanto, se atenúa más la señal transmitida. A excepción de la etiqueta AD-805 las demás presentan una atenuación aproximada de 41 dB. El incremento de la potencia transmitida hace que el punto máximo de lectura de la etiqueta sea mayor, debido a que la señal tiene que recorrer una mayor distancia sufre una mayor atenuación. El aumento de 1dB en la potencia transmitida representa un aumento aproximadamente de 2,7 % en la atenuación. En la Figura 12 se observa que las etiquetas que tienen una sensibilidad entre -17 y -20 dBm mantienen una atenuación entre 39 y 46 dB. Los puntos graficados en cada curva representan un nivel de potencia, iniciando en 20 dBm con incrementos de 1dB. Así, la etiqueta AD-805, para una potencia transmitida de 30 dBm, alcanza una distancia de 122 cm y experimenta una atenuación de 28.86 dB.

Otra cuestión es que, debido a la ausencia de una función en el demo del kit RFID para medir la Tasa de Error de Trama (FER) y la Tasa de Error de Bit (BER), estos valores se deben encontrar de otra forma. Teniendo en cuenta que la FER se consigue con el número de tramas erróneas sobre el número de tramas totales y que se puede relacionar con BER, se creó en la aplicación software una funcionalidad de monitoreo para programar un periodo tiempo de transmisión, entre el lector y la etiqueta, y contabilizar el número de lecturas exitosas y erróneas transmitidas en ese periodo.

En el lector se considera una lectura exitosa cuando envía una señal de interrogación a una etiqueta y le responde con su número EPC, de manera que el lector lo recibe y lo muestra en pantalla y el contador de lecturas exitosas se incrementa en 1. Cuando la Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC) resuelve que hubo un error, el lector pide una retransmisión a la etiqueta, en este caso el contador de lecturas erróneas se incrementa en 1. La ecuación (5) relaciona la FER y la BER.

𝐹𝐸𝑅 = 1 − (1 − 𝐵𝐸𝑅)𝑁 (5)

Donde N es el número de bits de cada trama enviada y que, para el sistema prototipo, tiene un valor de 184, correspondiente a una trama de 23 bytes, 8 de ellos pertenecientes al EPC. Despejando BER de la ecuación (5) se obtiene la ecuación (6).

𝐵𝐸𝑅 = 1 − 10𝐿𝑜𝑔 (1 −𝐹𝐸𝑅)

𝑁 (6)

El valor de FER que falta en la ecuación (6) se calculó con el número de lecturas erróneas y totales medidos en las pruebas 2 y 3. Al hablar de lectura se hace referencia a la trama que recibe el lector de la etiqueta. Una lectura errónea es una trama errónea. Con la ecuación (7) se obtuvo FER y para reemplazarlo en la ecuación (6).

𝐹𝐸𝑅 = 𝑇𝑟𝑎𝑚𝑎𝑠 𝑒𝑟𝑟ó𝑛𝑒𝑎𝑠

𝑇𝑟𝑎𝑚𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 (7)

A continuación, se muestran los resultados obtenidos a partir de los datos de la prueba 3, en el escenario 1. En la Figura 13 se muestran las curvas de FER vs Potencia del escenario 1. La etiqueta, sin interferencia en el carné y en la billetera, se lee hasta el punto límite del pasillo a 21 dBm, mientras que el bolso necesita 26 dBm, 5 dB más de potencia, siendo el peor caso de interferencia.

Figura 13. Tasa de Error de Trama (FER) para la etiqueta

La composición de los materiales juega un papel importante en el grado de interferencia en la comunicación del lector y la etiqueta. Al aumentar la potencia, el porcentaje de lectura de la etiqueta en el bolso se incrementa en 37%, en la billetera 17%, en el carné 14% y sin material interferente 18%, para 30 dBm, indicando que hay mayor número de tramas recibidas correctamente en el lector. En 30 dBm las curvas llegan a valores muy cercanos a cero. Al incrementar la potencia, las tramas erróneas pueden disminuir, incluso ser nulas, aunque esto también depende de factores como la presencia de algún objeto metálico o de muchas obstrucciones entre la etiqueta y el lector.

En la Figura 14 se observan las curvas de BER vs Potencia del escenario 1. Los valores máximos de VER, con los que la etiqueta alcanza el límite del pasillo en 21 dBm, son: 1.05 x 10−3 para la etiqueta en la billetera, 8.1 x 10−4 en el carné y 7.4 x 10−4 sin material interferente y, en 26 dBm, 8.1 x 10−4 para la etiqueta en el bolso. Asimismo, los valores mínimos alcanzados en los cuatro casos son: 1.4 x 10−4, 1.3 x 10−4, 1.3 x 10−4 y 2.9 x 10−4, con la etiqueta en la billetera, en el carné, sin material interferente y en el bolso, respectivamente. Al incrementar la potencia la cantidad de errores disminuye: en el bolso pasa de una tasa que representa 8 errores por cada 10000 bits transmitidos a sólo 3. De la misma forma, el carné pasa de 8 a 1 error por cada 10000, la billetera pasa de 1 por cada 1000 a 1 por cada 10000 y la etiqueta sin interferencia de 7 a 1 por cada 10000 bits transmitidos. Estos valores muestran que, cuando se incrementó la potencia, disminuyó la BER, algo que se esperaba porque es proporcional a la FER mostrada en la Figura 14.

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Figura 14. Tasa de Error de Trama (FER) para la etiqueta

Aunque estos valores no alcanzan el nivel definido en la calidad de los sistemas digitales de 10−6, es bueno para la identificación de etiquetas en el sistema diseñado. En el escenario de implementación se observa que, para la mayoría de los casos, la antena leyó la etiqueta y, cuando no lo hizo, la lectura la realizó la segunda antena, generando el registro en la base de datos del prototipo de Identificación por Radiofrecuencia (RFID).

5. Conclusiones

El sistema prototipo cumple con los requerimientos hardware y software y demostró que la tecnología de Identificación por Radiofrecuencia (RFID) es apta para emplearla en aplicaciones de identificación. Además, beneficiándolas al no requerir de una línea de vista transmisor- receptor y al proveer un alcance de lectura mayor a otras tecnologías, como el código de barras. El análisis realizado a la comunicación entre el lector y la etiqueta mostró que existen factores que influyen en la máxima distancia de lectura que se puede alcanzar, tal como el escenario de implementación del sistema, la potencia de operación del lector y los materiales presentes en el trayecto de la señal.

La atenuación que experimenta la señal es igual para cada valor de potencia en los escenarios 1 y 2, porque se encuentran en el mismo medio (pasillo alcaldía), con una atenuación aproximada de 45 dB para la etiqueta AD-232. Al realizar las pruebas en exteriores se generan más pérdidas, porque hay mayor dispersión de las ondas que energizan la etiqueta, mientras que, en los escenarios interiores, la presencia de la pared o elementos en el trayecto de la señal favorecen o perjudican su intensidad.

Después de evaluar los cuatro casos, es decir, dentro de un bolso, en una billetera, en un carné o cuando no tiene ningún tipo de interferencia, se encontró que el peor caso se presenta cuando la etiqueta está dentro de un bolso, obteniendo una Tasa de Error de Bit de 2.9 x 10−4 para 30 dBm, mientras que en los otros casos se logró un valor promedio de 1.4 x 10−4, una disminución de posibilidad de errores de aproximadamente el 50%, por lo tanto, a mayor cantidad de elementos interferentes, menos posibilidades de leer la etiqueta.

Las pruebas de alcance proporcionaron los valores a los cuales debe trabajar el sistema prototipo para lograr

un buen desempeño. Se estimó que con una potencia de 26 dBm la etiqueta puede ser leída en cuatro casos. Sin embargo, se considera que el sistema debe operar con una potencia de 30 dBm ya que a este valor se obtiene la BER más baja, con la posibilidad de generar menos errores en la transmisión.

El análisis de la calidad de transmisión del sistema arrojó una Tasa de Error de Trama y Tasa de Error de Bit con valores altos para potencias entre 20 y 25 dBm, sugiriendo el aumento de la potencia para disminuir el número de lecturas erróneas en la comunicación. A pesar de que no se obtiene una BER de 10−6, en la mayoría de los casos la lectura de las etiquetas se realiza con éxito, porque si la lectura no la hace una antena la hace la otra, registrando el ingreso o salida de una persona y teniendo en cuenta su estado previo.

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