25 Février 2012  |  Logistique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 02/2012

Une lecture RFID multi-tag sur des distances de 6 m

Werner Bloch*

Lorsqu’il s’agit de gérer et de surveiller des processus logistiques industriels au sein d’une chaîne de processus à plusieurs couches, sans aucune erreur, des procédés d’identification automatiques en radio fréquence peuvent représenter une solution efficace.
 
Les étiquettes de codes barres, les codages mécaniques, les systèmes d’émetteur/récepteur, qui fonctionnent par ondes radio ou micro-ondes, ainsi que les systèmes d’identification inductifs, sont des procédés utilisés quotidiennement. L’avantage d’appliquer la technologie RFID (Radio Frequency IDentification) réside dans le fait qu’elle est sans contact physique, par conséquent, sans usure, et ce, selon la version, également sur de grandes distances.
Le spécialiste en capteurs et fournisseur de connectique Balluff a complété sa palette de systèmes RFID robustes à couplage inductif (BIS C, BIS L, BIS M, BIS S), d’une portée maximale de 300 mm, par le nouveau système Industrial RFID BIS U, une solution UHF (Ultra-High Frequency: 868 à 870 MHz). Cette solution offre des portées de lecture pouvant dorénavant atteindre 6 m. Des variantes adaptées en fréquence pour un fonctionnement hors de l’Union européenne sont également disponibles.
Les principaux composants du système industriel RFID BIS U sont, outre l’unité d’exploitation, un maximum de quatre antennes directives UHF, de polarisation circulaire, ainsi qu’un transpondeur pour l’identification des objets et des systèmes maîtres, tels qu’un API (Application Programming Interface) et un PC, doté du logiciel de paramétrage BIS UHF-Manager.
Ce système UHF, qui utilise la technologie de rétrodiffusion (backscattering), définit les radio-étiquettes (tags) RFID selon les normes internationales EPC Gen2 (V1.2.0) ou ISO/CEI 18000-6C. La technologie de mémoire EEPROM (mémoire morte à reprogrammation électrique) garantit une communication flexible et rapide, y compris pour les applications ultra-dynamiques. Ses domaines d’application typiques sont, entre autres, la technique de manutention, l’intra-logistique, l’industrie automobile et ses sous-traitants.
Une des spécificités de ce système consiste en la possibilité de lire à grande vitesse, en mode dynamique les informations des étiquettes. Cela, autant sous forme individuelle que sous forme regroupée, grâce aux antennes polarisées circulaires, indépendamment de leur orientation dans l’espace. Contrairement aux codes barres, la visibilité directe entre l’appareil de lecture et le transpondeur RFID n’est pas nécessaire. Cette propriété permet d’intégrer les transpondeurs dans des objets qui ne sont pas apparents, pour une utilisation dans des conditions extrêmes, telles qu’en présence de saletés ou de chaleur, par exemple.
 
Le système BIS U de Balluff permet la lecture simultanée de plusieurs étiquettes (tags).
 
Des transpondeurs normalisés, dotés d’un code produit
Les étiquettes disponibles sont aussi diverses et variées que leurs applications. Les utilisateurs peuvent choisir entre des radio-étiquettes pour un usage unique et des transpondeurs encapsulés. Ces derniers sont particulièrement robustes, d’une classe de protection élevée, pour un usage à long terme dans des applications en boucle fermée, comme sur les supports d’article sur palettes ou dans le domaine de la production, par exemple.
Les radio-étiquettes sont disponibles pour différentes version d’antenne – longue portée et hybride – ainsi que sous la forme de converted labels tags, à savoir dotées d’un texte supplémentaire, imprimé en clair, comme un code barres, des données d’expédition, etc. A cet égard, il convient de noter que les étiquettes UHF se distinguent en termes de sensibilité de réponse, ainsi que de portées de lecture et de travail maximales.
Les étiquettes rigides ou badges encapsulés (hard-tags), comme les transpondeurs BIS U 100, proposés par cette entreprise répondent à la classe de protection IP67. Ils conviennent à un usage en environnement hostile, comme une exposition élevée aux chocs et aux vibrations, comme on peut les trouver dans le domaine de la logistique ou dans la production industrielle. On peut fixer ces transpondeurs, qui résistent aux températures comprises entre - 40 et  85 °C, à l’aide de l’entretoise ou des pieds magnétiques joints, même directement sur du métal.
Le cœur de tout transpondeur BIS U est son code de produit électronique – abrégé EPC (Electronic Product Code). Avec le numéro d’identification à attribution unique, le BIS U permet d’identifier, sans équivoque, dans le monde entier, tout type d’objet, comme des produits et des unités logistiques, en tout point de la chaîne d’approvisionnement. L’attribution, qui fonctionne au-delà des processus d’une entreprise, est réalisée au moyen d’une base de données centrale.

Un exemple d’aplication.
 
Des supports de données autonomes
Un des clous des supports de données passifs est qu’ils ne nécessitent aucune alimentation électrique dédiée. Ils prélèvent l’énergie nécessaire à leur fonctionnement du champ électromagnétique. La majeure partie de la puissance rayonnée est pourtant réfléchie. La modification, en fonction du temps, du comportement de la réflexion de l’antenne dipôle conduit à une onde électromagnétique rétrodiffusée et modulée dans son amplitude (intensité). Celle-ci est détectée par l’antenne de l’unité d’exploitation, puis démodulée. Cette forme d’échange d’information est appelée rétrodiffusion (backscattering).
Alors qu’à l’extérieur, dans des conditions idéales et en l’absence d’obstacles, l’intensité du champ électrique décroît en proportion inverse de la distance, il en va tout autrement dans les conditions réelles. Ainsi, les ondes électromagnétiques émises par l’appareil de lecture, sont non seulement réfléchies par les transpondeurs RFID, mais également par tous les autres objets situés dans l’environnement, tels que les murs, les sols ou les conteneurs. Les ondes réfléchies se superposent à l’onde primaire, conduisant d’une part à un amortissement local, voire à l’extinction et, d’autre part, à une amplification.
Ce comportement des ondes électromagnétiques n’autorise qu’une prévision relativement imprécise de la portée de lecture. Mais, grâce à l’utilisation de plusieurs antennes, à l’adaptation sur mesure de la puissance d’antenne et au déplacement des objets lors du balayage dans le champ électromagnétique, on peut contourner ces difficultés de manière à adapter le système de façon optimale aux situations spécifiques.

Capture d’écran du logiciel de paramétrage BIS UHF-Manager, ici pour le réglage de la puissance d’émission (version allemande).
 
Le procédé anticollision Aloha pour une identification groupée rapide
Un procédé particulièrement rationnel et économique consiste à acquérir l’information des étiquettes sous forme groupée, sans individualiser les objets à détecter. On peut ainsi guider une palette de cartons, sur lesquels sont fixés les étiquettes, au travers d’un champ d’antennes. Un lecteur d’accès peut lire, quasiment d’un seul trait, tous les supports de données à partir d’une grande distance, indépendamment de leur orientation.
Prenons un cas de figure qui représente un vrai défi. Un système UHF détecte la présence d’un support de données dans le champ hertzien, mais seulement lorsque les interférences, les effets d’écran et une orientation favorable à l’antenne le permettent. Par ailleurs, des collisions de données sont possibles lorsque plusieurs étiquettes répondent en même temps. Une solution à cette situation consiste en la mise en œuvre du procédé Aloha (bonjour, en langue hawaiienne), destiné à l’acquisition groupée. Il comprend un protocole anticollision, qui maintient en séquence le flux des données pour empêcher les collisions. Les tags sont alors reconnus de façon sûre, également dans un espace réduit.
En théorie, il est ainsi possible d’acquérir les informations de quelque 250 transpondeurs par seconde. Cette performance est obtenue de la manière suivante. L’unité d’exploitation émet une demande à tous les transpondeurs, les invitant à générer un nombre aléatoire compris entre 0 et n, afin de générer une file d’attente hiérarchisée. Usuellement, le nombre n est une fonction du nombre de transpondeurs escomptés (n = 2Q).
Seul le transpondeur, qui a généré aléatoirement un 0, peut répondre par la transmission de son code EPC. Les autres doivent attendre la commande suivante. L’appareil de lecture reçoit la réponse du transpondeur, puis envoie une nouvelle commande. Celle-ci exige de tous les transpondeurs restants de décrémenter leur nombre aléatoire respectif de un. Seul le transpondeur, dont le nombre aléatoire est désormais 0, peut transmettre son code EPC, tandis que les autres attendent la commande suivante.
Au cas où deux transpondeurs répondraient en même temps, la séquence d’invite initiale est redémarrée avec un facteur Q modifié, résultant en une nouvelle séquence de nombres aléatoires. Si l’unité d’exploitation n’obtenait aucune réponse, parce que le facteur Q choisi était trop élevé, elle répèterait son invitation initiale en modifiant ce facteur. Lorsque le procédé de récursivité pour le nombre aléatoire se termine sans collision de données, on peut considérer que tous les transpondeurs se trouvant dans la zone de lecture de l’antenne ont répondu.
 
 
La protection du travail
Lors du fonctionnement d’un tel système, il faut évidemment s’attendre à ce que des personnes se trouvent exposées pendant une durée plus ou moins longue au rayonnement. Etant donné que le système respecte parfaitement les seuils obligatoires relatifs aux champs électromagnétiques, définis par la Commission internationale de protection contre les radiations, un fonctionnement sûr du système est possible, quasiment en tout lieu.
Si l’on utilise une antenne de longue portée usuelle, dont la puissance émise dans la direction de rayonnement principale s’élève à 2 WERP(la puissance apparente rayonnée), son émission se trouve déjà sous le seuil de 40,51 V/M, défini pour les environnements de travail à des distances supérieures à 24 cm de l’antenne. En présence de puissances d’émission inférieures, la distance de sécurité diminue en conséquence.

Balluff Sensortechnik AG
8953 Dietikon
Tél: 043 322 32 40
www.balluff.com
 

* Chef de projet chez Balluff


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