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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI ELABORATO DI LAUREA TECNOLOGIA RFID: UN’APPLICAZIONE IN AMBITO MEDICALE RELATORE CANDIDATO CH.MO PROF. LUIGI PAURA ALESSANDRO RICCARDI
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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI ELABORATO DI LAUREA TECNOLOGIA RFID: UN’APPLICAZIONE IN AMBITO MEDICALE RELATORE CANDIDATO CH.MO PROF. LUIGI PAURA ALESSANDRO RICCARDI CORRELATRICE MATR. 039/1491 ING. ANGELA SARA CACCIAPUOTI
Sommario • Introduzione ai sistemi RFID • Descrizione del sistema RFID • TAG • Lettore • Controllore • Tipologia di TAG • Trasmissione dati • Codifica • Modulazione • Applicazione in ambito medicale • Conclusioni e sviluppi futuri
Introduzioneaisistemi RFID • Sistemi RFID(Radio FrequencyIDentification) La tecnologia Radio FrequencyIdentification (RFID) è una tecnologia di comunicazione senza fili che permette agli utenti di identificare univocamente oggetti, animali e persone senza contatti e soprattutto senza che l’elemento identificante sia necessariamente visibile. • Vantaggi: - assenza di contatto tra Lettore ed elemento identificante - possibilità di rendere invisibile l’oggetto identificante (es. sistemi antitaccheggio)
Descrizione del sistema RFID • Un sistema RFID è costituito da: • TAG, l’elemento identificante: • antenna; • microchip che contiene dati tra cui l’UID; • Può essere dotato o meno di una batteria. • Lettore, l’unità di lettura e scrittura dei dati sul TAG: • un’antenna; • un modulo elettronico a radiofrequenza (RF) per la comunicazione con i TAG; • un modulo elettronico di controllo per la comunicazione con il controllore. • 3) Controllore che assume spesso la forma di un PC o stazione di lavoro che gestisce il database ed il software di controllo
Tipologie di TAG • I TAG possono essere di diversi tipi e distinti in base a: • metodo di alimentazione e tipo di memoria Metodo di alimentazione Passivi - non contiene batteria; dimensioni, costo e memoria minori. Semipassivi- hanno una fonte di alimentazione indipendente dal Lettore; potenza necessaria alla comunicazione fornita dal lettore Attivi - hanno una batteria . Costo, complessità e dimensioni maggiori. frequenze più alte e raggio d’azione superiore Tipo di memoria Lettura - memoria ReadOnly che viene programmata una sola volta al momento della realizzazione. Comunicazione unidirezionale Lettura/Scrittura - memoria Read/Write che può essere letta e programmata. Comunicazione bidirezionale
Frequenze operative • La frequenza di lavoro influisce su: • la distanza operativa del sistema (range) • interferenze con altri sistemi radio • velocità di trasferimento dei dati • dimensioni dell’antenna e dei TAG. • Banda LF (Low Frequency) - 125-134 KHz - • Banda HF(High Frequency) - centrata su 13,56 MHz • Banda UHF (Ultra High Frequency) - 433-868 MHz , range di copertura più esteso rispetto alle bande LF e HF. • Banda UHF alta - centrata su 2,4 GHz. TAG più piccoli; banda molto affollata da altre tecnologie (WiFi, Bluetooth).
Trasmissione dei dati - Codifica • I dati da trasmettere devono essere codificati in modo da generare un sequenza binaria che verrà usato per la modulazione. • Le tecniche di codifica hanno caratteristiche differenti riguardo: • la difficoltà di ricostruire la temporizzazione in ricezione • l’occupazione spettrale in banda base • la complessità di decodifica • la sensibilità ai disturbi • l’energia trasferita. • LETTORE =>TAG , in genere,deve essere massimizzata l’energia consegnata in ricezione • TAG => LETTORE deve essere minimizzata l’energia. • Codifiche basate sulla durata degli impulsi (PIE – PulseIntervalEncoding) • Codifiche basate sulle transizioni (Manchester, Miller, FM0) • Comunicazioni Lettore- TAG Manchester e PIE • Comunicazioni TAG -Lettore Miller e FM0
Tecniche di codifica Codifica Manchester:uno 0 è rappresentato da un livello basso nel primo mezzo bit ed uno alto nel secondo. Viceversa per il bit 1. Codifica PIE: I bit 0 ed 1 sono costituiti da un numero differente di periodi TARI (durata d’impulso minima) Codifica di Miller: time slot diviso in due metà. Un 1 è rappresentato mantenendo il livello dello stato precedente e attuando una transizione al semiperiodo. Per il bit 0, viene mantenuto il livello precedente per tutto il periodo, se preceduto da 1, altrimenti si ha una transizione all’inizio del periodo e poi si mantiene il livello costante per tutto il periodo. Codifica FM0: c’è uninversione di fase ad ogni inizio di simbolo. Per lo 0 si ha un inversione tra il primo mezzo bit ed il secondo.
Trasmissione dei dati - Modulazione • Nella comunicazione tra TAG e Lettore e viceversa vengono usate tecniche di modulazione tradizionali che richiedono bassa complessità circuitale. • ASK (AmplitudeShiftKeying) • PR-ASK (PhaseReversal-ASK) • FSK (FrequencyShiftKeying) • Banda LF FSK • Banda HF e UHF PR-ASK o ASK • Nella modulazione TAG -Lettore viene spesso usata una sottoportante che sposta lo spettro del segnale modulato dal TAG lontano dalla frequenza della portante (generata dal Lettore)
Campi d’applicazione • Trasporti • Gestione e controllo dei bagagli all’aeroporto • Telepass, per il controllo degli accessi in autostrada • Accesso controllato in zone a traffico limitato • Industriale • Catena di rifornimento (controllo inventari, tracciatura prodotto, ecc.) • Catene di montaggio (monitorare movimento pezzi in fase di produzione) • Medico • Monitoraggio degli strumenti diagnostici • Controllo pazienti • Trasporto farmaceutico • Altri • Gestione e controllo libri in biblioteca • Controllo accessi • Eventi sportivi • Rilevamento dati ambientali
Applicazione in ambito medicale: Sistema per la localizzazione degli strumenti diagnostici Problemi: • difficoltà di installazione dovuta a murispessi e stanze di piccole dimensioni; creano barriere per la propagazione dei segnali • Interferenze elettromagnetiche con le apparecchiature mediche, compromettendone il corretto funzionamento • impatto biologico delle radiazioni: • Basse frequenze => non provocano riscaldamento significativo dei tessuti • Alte frequenze : 1) riduzione delle capacità mentali e fisiche di un individuo 2) riduzione della fertilità maschile 3) insorgenza della cataratta per opacizzazione del cristallino 4) influenza sullo sviluppo fetale • applicazioni non replicabili, per cui non consentono di sfruttare le economie di scala SCENARIO APPLICATIVO: STRUTTURA OSPEDALIERA DI BORGO SAN LORENZO • LETTORE =>TAG : ASK • TAG => LETTORE : ASK o FSK • Codifica: Manchester
Applicazione in ambito medicale: Sistema per la localizzazione degli strumenti diagnostici (2) • Scelta del TAG: • passivi • read and write • adesivi • frequenza operativa di 13.56 MHz • supporto standard ISO 15693 • compatibili con oggetti metallici • Scelta del LETTORE: • potenza max di 1 W • distanza di lettura/scrittura fino a 150 cm • multi- TAG lettore (ISO 15693)
Evoluzione del TAG – Il progetto WISP • WISP (Wireless Identification and Sensing Platform): piattaforma wireless senza batterie, atta a rilevare grandezze fisiche (pressione, temperatura, ecc..) • sistemi del tipo “Install –and– Forget “ utilizzati per monitoraggio delle attività cardiache • implantablecardiacdefibrillator-ICD • prototipo WISPER, sistema costituito da: • circuito RFID • microcontrollore Frequenza utilizzata: 915 Mhz
Conclusioni e sviluppi futuri • Obiettivo fondamentale: - ridurre fortemente i fattori di errore per rendere i processi più trasparenti e controllabili - erogare al paziente un servizio migliore e più sicuro • Sviluppi futuri: applicazione della tecnologia Ultrawide Band in ambito RFID, poiché: • bassissime potenze di emissione • forte resistenza alle interferenze per cammini multipli (multipath) • non crea interferenze con altre trasmissioni che operano con modulazione tradizionale nella stessa banda • attraversa gli ostacoli tradizionalmente ostici per l’RFID, come i metalli o i liquidi