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

Introduzione ai sistemi RFID Sistemi RFID (Radio Frequency IDentification) La tecnologia Radio Frequency Identification (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

Metodo di alimentazione 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 Read Only 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 – Pulse Interval Encoding) 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 un inversione 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 (Amplitude Shift Keying) PR-ASK (Phase Reversal-ASK) FSK (Frequency Shift Keying) 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 Industriale Medico Altri 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 muri spessi 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 implantable cardiac defibrillator-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