Download Sistema para Detección e Identificación de Ganado

Congreso de Microelectrónica Aplicada 2010
Sistema para Detección e
Identificación de Ganado Ovino
María Isabel Schiavon, Raúl Lisandro Martín, Federico Pacher, Daniel Crepaldo
Laboratorio de Microlectrónica - FCEIA
Universidad Nacional de Rosario
Rosario, Argentina
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
de lectura, resistencia a las condiciones ambientales y de uso
en los animales durante toda su vida productiva, y costo
asumible por la cadena productiva.
Resumen—Se presenta un sistema de detección e identificación de
ganado por radio frecuencia. El sistema consta de un dispositivo
pasivo, identificador, “tag” o “transponder” unido al animal y de
un “transreceptor” o “transceiver” que es la unidad fija que
activa el identificador y entrega los datos a almacenar o recibe los
datos almacenados en el tag. El identificador es un sistema
monochip de aplicación específica (ASIC). El transceptor es un
equipo de mayor complejidad que consta de un módulo de radiofrecuencia, una antena, una fuente de energía, una unidad de
control, una pantalla para visualizar los datos recibidos y una
salida de señal.
Palabras claves:
biocompatible, asic.
trazabilidad,
I.
transponder,
Las unidades de lectura, portátiles o fijas, deben permitir
leer los datos a una distancia no menor a 80 cm en un
ambiente sin interferencias cuando estan orientadas en la
posición más favorable respecto al identificador. Los datos se
modulan en amplitud con una onda portadora de 125KHz.
El identificador es un sistema monochip de aplicación
específica (ASIC) que se está implementando con tecnología
AMIS 0,5µm a encapsular en un material biocompatible no
poroso o cristal para su inserción a nivel subcutáneo. Consta
de los siguientes bloques: control, memoria no volátil,
rectificador, regulador de tensión, modulador y demodulador,
una antena a través de la cual se recibe la energía necesaria
para el funcionamiento y los datos a almacenar en una
operación de escritura o se transmiten los datos almacenados
en una operación de lectura, y un capacitor, que junto con la
inductancia resuenan a la frecuencia de trabajo.
transceiver,
INTRODUCCION
El sistema de detección e identificación de ganado por
radio frecuencia consta de un dispositivo pasivo, identificador,
“tag” o “transponder”, que unido al animal permite realizar el
seguimiento e identificación del ganado en campo y de un
“transreceptor” o “transceiver” que es la unidad fija que activa
el identificador y entrega los datos a almacenar o recibe los
datos almacenados en el tag, tal como se muestra en el
siguiente diagrama en bloques.
El transceptor es un equipo de mayor complejidad que
consta de un módulo de radio-frecuencia encargado de la
emisión, recepción e interpretación de la señal
electromagnética, una antena, una fuente de energía que
permita alimentación con baterías o conexión a la red, un
procesador o unidad de control para el tratamiento y/o
almacenamiento de la información recibida, una pantalla para
visualizar los datos recibidos y una salida de señal para
conexión a un ordenador o equipo que actúa en función de la
información recibida.
II.
TRANSCEIVER
FUNDAMENTOS
A. Profundidad de penetración
El análisis de la propagación de ondas electromagnéticas
en el medio biológico utiliza las ecuaciones de Maxwell y la
ecuación de onda asumiendo que se trata de un medio muy
extenso, isotrópico y homogéneo. De esta manera se puede
asumir que la permitividad eléctrica, ε, la conductividad
eléctrica, σ, y la permeabilidad magnética, µ, se mantienen
constantes y tanto el campo eléctrico, E, como el
desplazamiento eléctrico, D, tienen direcciones coincidentes.
TAG
Figura 1: diagrama en bloques del sistema
Los requerimientos del sistema son lectura a distancia y en
animales en movimiento, funcionamiento pasivo del
identificador, niveles de radiación electromagnética que
garanticen condiciones de seguridad para animales y humanos,
codificación de señales para gestión automática de datos por
ordenador, baja incidencia de errores de identificación y fallos
149
Congreso de Microelectrónica Aplicada 2010
En estas condiciones una onda plana propagándose en la
dirección z queda expresada por:
r
r
r
E z = xE xo e − z (α + jβ ) = x Eo e − zα
k=
1
α
=
1
1
ω
1
≅
2


µε 
σ 

−
1+
1


2 
 ωε 


φ21
M=
i1
µo a 2 N 1 N 2b 2
(2)
π µ fσ
z − Lr
((z − L )
2
r
cy =
((z − L )
y
2
r
+ y2
+ y2
)
3
)
3
−
2
−
2
Figura 2: Circuito Resonante
En este circuito la tensión inducida en el secundario queda
determinada por:
θ12
v2 = M
i2
(cz cos θ − c y senθ )
4 Lr
cz =
= M 12 =
(z
(z
z
+ y2
2
y
2
+ y2
3
)
3
2
v2 =
2
N1 y N2 representan los números de vueltas de cada bobina.
a y Lr corresponden al radio y la longitud de la bobina del
identificador, mientras que b y Lt corresponden a la bobina del
transceiver. Las corrientes i1 e i2 son, respectivamente, las
generadas por el transceiver y la inducida en el identificador.
z representa la distancia entre las bobinas. y representa el
desplazamiento entre los ejes de ambas bobinas.
θ corresponde al valor del posible ángulo de rotación del
identificador respecto a su posición normal.
φ
i2
=
µ o N 2 2π b 2
Lt
L1 =
φ
i1
=
µ o N 1 2π a 2
Lr
(6 )
ωk L1 L2 i1
2
 ωL2
 
R 

+ ωR2C2  +  1 − ω 2 L2C2 + 2 
RL 
 RL
 
(7 )
2
Adoptando convenientemente los parámetros del circuito
se puede asegurar la tensión inducida necesaria para que el
circuito rectificador y el regulador que proveen la potencia
dentro del identificador funcionen apropiadamente.
III.
SOBRE EL IDENTIFICADOR
A. Sobre la frecuencia de la portadora
Los estándares que regulan los RFID para identificación
(ID) animal, “ISO11784 – Estructura de código para ID
Animal y ISO11785 – Conceptos técnicos para la ID animal”,
recomiendan los valores de frecuencias admisibles para esta
aplicación. [3] [4].
Las coeficientes de autoinducción del identificador, L2, y
el transceiver, L1, quedan determinados por (4).
L2 =
di1
di
+ L2 2 − R 2 i2
dt
dt
Cuando el circuito resuena [1] la tensión del secundario
queda determinada por:
(3)
)
(5)
En la figura 2 se muestra un circuito resonante [2] que
permite minimizar el efecto de decrecimiento de la tensión con
la distancia adoptando convenientemente su frecuencia de
resonancia.
B. Acoplamiento inductivo
Entre las inductancias se genera una inducción mutua cuyo
coeficiente, M, puede determinarse en este caso [1] a partir de:
M 21 =
L1 ⋅ L2
En las expresiones (3), (4) y (5) se observa que el coeficiente
de acoplamiento, k, decrece con la distancia y, en
consecuencia, el mismo efecto se produce en la tensión
inducida en la bobina del identificador.
(1)
La magnitud de E decrece exponencialmente con z con la
constante de atenuación α. En consecuencia, la profundidad de
penetración, δ, puede determinarse según (2) y resulta
inversamente proporcional a la frecuencia.
δ=
M
(4)
De los posibles valores, entre 125KHz a 2,4MHz, para la
portadora se adoptó una frecuencia de 125KHz. De esta
manera el sistema tiene un comportamiento robusto frente a
influencias externas, tanto la instalación como la sintonización
resultan relativamente simples y habilita un adecuado rango de
lectura una mayor profundidad de penetración, la cual
calculada según (2) resulta aproximadamente 140 mm.
En consecuencia, el acoplamiento inductivo entre las
bobinas, k, queda determinado por:
150
Congreso de Microelectrónica Aplicada 2010
v
i
Q3
Q2
Q4
Q1
+
Qr Vr
_
Figura 5: Referencia de tensión
La referencia de tensión utiliza el transistor bipolar PNP
vertical disponible en la tecnología con base y colector
conectados al mismo potencial. El valor de la tensión baseemisor resulta independiente de la alimentación y depende
únicamente de las dimensiones relativas de los transistores
MOS y las características del BJT, estabilizándose en un valor
de referencia entre 0.4 y 0.7V. [7].
Figura 3: Circuito Rectificador
B. Circuitos de potencia en el identificador.
En trabajos anteriores se diseñaron tres circuitos que en
conjunto conforman una fuente regulada de tensión en
tecnología CMOS que fueron implementados con tecnología
de 0,7µm.
Todos los circuitos fueron re-diseñados para la tecnología
AMIS 0,5µm disponible a través de MOSIS .
Para implementar el circuito rectificador se utilizó la
topología que se muestra en figura 3, compuesta de un
rectificador CMOS de onda completa, seguido de un filtro a
capacitor integrado que permite obtener una tensión de salida
sustancialmente constante. [5]
IV.
Se presentó un sistema para detección e identificación de
ganado ovino. Se presentaron las características de una de las
unidades del sistema, el identificador o tag. En este momento
se está desarrollando el lay-out para la realización de un
prototipo que nos permita testear en campo la comunicación
por radio frecuencia.
El regulador de tensión serie, figura 4, tiene un transistor
de paso (M10) excitado por la salida de un amplificador de
error (M1 a M9) que compara una proporción de la tensión de
salida Vreg (dada por el conjunto M11 a M13) con una tensión
de referencia independiente de la alimentación Vref. [6].
REFERENCIAS
[1]
V
M7
alim
M5
M4
M9
M10
V
[2]
reg
M11
[3]
[4]
M3
M2
M12
[5]
Vref
M6
M1
M8
CONCLUSIÓN
M13
[6]
Figura 4: Circuito Regulador
[7]
En la figura 5 se muestra el circuito que provee una
referencia de tensión independiente de tensión de
alimentación.
151
R.L. Martín, M. I. Schiavon “Acoplamiento inductivo para sistema de
monitoreo remoto”. X Workshop IBERCHIP. Cartagena de Indias,
Colombia. 2004.
R. L. Martín, M. l. Schiavon, “Modelo de acoplamiento entre
inductancia integrada adosada a un ser vivo en movimiento e
inductancia externa”. X Workshop Iberchip ISBN: 958-33-5899-1.
Mazo 2004.
Klaus Finkenzeller, “RFID Handbook”. 2nd. Edition. John Wiley &Sons,
2006
Paris Kitsos, Yan Zhang, “RFID Security, Techniques, Protocols and
System-on-Chip Design”. Springer, 2008.
D. Crepaldo, E. Prina, M. I. Schiavon; “Conversor RF-DC Como Parte
de un Sistema de Modulación por Absorción”. IX Workshop
IBERCHIP. La Habana, Cuba. 2003
M. I. Schiavon, D.Crepaldo, R. L. Martín, M. Delannoy, L. Lahoz.
“Sistema para monitoreo remoto de variables fisiológicas en seres vivos
en movimiento”. Primer Simposio Internacional de Computación y
Electrónica. La Habana, Cuba. Mayo 2005.
M. I. Schiavon, D. Crepaldo, R. L. Martín; “Independent voltage
reference”. X Workshop IBERCHIP. Cartagena de Indias, Colombia.
2004.