RFID Smart Shelves

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Emanuele Giorgi 
RFID Smart Shelves 
INTRODUZIONE 
 
 
 
 
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INTRODUZIONE 
 
Nella presente tesi verrà trattato il tema della localizzazione in ambienti indoor 
mediante la tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification): i primi sistemi RFID  
furono caratterizzati da semplici funzioni di identificazione a distanza di oggetti, persone 
o animali, mediante comunicazioni a radio frequenza tra le etichette elettroniche, o Tag, 
ad essi applicate ed un Reader. In tempi recenti sono entrati in via di sviluppo sistemi 
che utilizzano questa tecnologia non solamente per rilevare la presenza di un oggetto 
all’interno di un certo volume, ma anche per localizzare tale oggetto mediante stima 
delle coordinate del Tag ad esso applicato. Gli algoritmi di localizzazione che possono 
essere adottati in sistemi RFID sfruttano principi già ampiamente noti in letteratura, 
come le tecniche di triangolazione o di prossimità, le quali, tipicamente in seguito a 
modifiche ed ottimizzazioni, vengono adattate agli RFID. 
In questo lavoro di tesi si tratterà dell’implementazione delle cosiddette “Smart 
Shelves”, ovvero la realizzazione di scaffali per libri e vestiario, cassetti per medicinali, 
credenze o ripiani di frigorifero etc. che siano in grado di localizzare i Tag applicati agli 
oggetti al loro interno mediante comunicazione con antenne Reader; in particolare ci 
soffermeremo  dettagliatamente sulla progettazione di un cassetto intelligente, ad 
esempio per medicinali. 
Per motivi che verranno illustrati sarà adottata la tecnologia RFID alle frequenze UHF 
(860MHz), unitamente all’impiego di Tag passivi e si analizzeranno quegli algoritmi 
che, partendo dalla disponibilità dell’informazione RSSI (Received Signal Strength 
Indication), permettano la localizzazione di Tag su una superficie bidimensionale; sarà 
dedicato particolare riguardo nei confronti dell’algoritmo k-NN (k-Nearest Neighbor) il 
quale, a causa dei numerosi problemi di multipath e rumore riscontrati nello scenario di 
misura del cassetto, è apparsa essere una delle tecniche più robuste e maggiormente 
affidabili. Uno degli obiettivi di questo lavoro è quello di introdurre delle linee guida di 
progetto da poter utilizzare nella localizzazione di Tag in questo particolare scenario,
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INTRODUZIONE 
 
 
 
 
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lasciando a sviluppi futuri la possibilità di una sua applicazione in contesti a più ampia 
portata, come scaffali o librerie. 
Nel primo capitolo saranno brevemente presentate la tecnologia, l’architettura ed il 
principio di funzionamento di un sistema RFID. Nel secondo capitolo si trova un 
consistente Stato dell’Arte aggiornato riguardo la localizzazione RFID in generale e con 
particolare considerazione agli studi ed algoritmi che sfruttano l’informazione RSSI e 
Tag passivi, in particolare. Nel terzo capitolo si effettueranno misure preliminari  del 
parametro RSSI che il Reader a nostra disposizione fornisce ad ogni lettura di un Tag, in 
modo da analizzare e conoscere il comportamento del parametro che andremo a sfruttare 
per localizzare; verranno eseguite misure in un primo scenario in cui Reader, antenna del 
Reader ed un unico Tag vengono disposti su di un tavolo di legno, in modo da acquisire 
questi primi valori in un ambiente privo di ostacoli vicini, pur mantenendosi in un 
ambito reale; successivamente saranno ripetute le misure in presenza del cassetto di 
legno (anch’esso posizionato sullo stesso tavolo). In tali ambiti, si acquisiranno svariate 
curve di RSSI in funzione della distanza tra un unico Tag e l‘antenna del Reader: 
verranno effettuati test al variare della potenza in trasmissione e del tipo di antenna 
(polarizzazione lineare o circolare), al variare del tipo di Tag (si analizzeranno 5 
tipologie di Tag passivi) e della loro orientazione rispetto all’antenna. In presenza del 
cassetto si effettueranno misure anche al variare del posizionamento dell’antenna, che 
può porsi in vari modi su uno dei lati oppure sotto al cassetto. 
Nel quarto capitolo, sfruttando le informazioni ricavate nel capitolo precedente che 
hanno posto le basi per la scelta del set-up di misura, si effettuano test dell’algoritmo 
scelto, il k-NN (algoritmo basato su Tag di Riferimento e sulle differenze di RSSI tra tali 
riferimenti ed i Tag incogniti)  all’interno del cassetto ed in presenza di molti Tag (fino a 
quaranta circa) in modo da simulare una cassettiera con una densa quantità di medicinali. 
Sarà infine presentata un’analisi critica dei risultati, fornendo due possibili parametri di 
valutazione della bontà delle stime ottenute: il primo riguarda la misura dell’errore 
medio commesso nel cassetto e dell’errore per ogni Tag, mentre il secondo si tratta di un 
parametro probabilistico mediante il quale, dividendo il cassetto in più zone di
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INTRODUZIONE 
 
 
 
 
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localizzazione, si calcola la percentuale di stima corretta in funzione della regione di 
appartenenza. 
Un ringraziamento va al professor Paolo Nepa, docente presso il Dipartimento di 
Ingegneria dell’Informazione, università di Pisa, che ha definito e supervisionato tutte le 
fasi di questo lavoro e la stesura della tesi, nonché ad Ing. Gabriele Isola, referente di 
CAEN RFID che ha fornito tutta la strumentazione per le misure, Reader, Tag, antenne, 
oltre alla sua disponibilità per utili suggerimenti riguardo il loro principio di 
funzionamento ed utilizzo; ringrazio anche Ing. Alice Buffi, dottorando presso il 
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, università di Pisa, per la disponibilità e 
l’aiuto fornito nella prima fase della tesi dedicata alla ricerca riguardante lo Stato 
dell’Arte su questa tecnologia. Un ringraziamento in particolare va anche ad Ing. Andrea 
D’Alessandro, dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, 
università di Pisa, che mi ha seguito attivamente durante tutta la fase sperimentale delle 
misure caratterizzando un ottimo lavoro di gruppo, nonché per i suoi consigli e la sua 
supervisone durante la stesura di questa stessa tesi.
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CAPITOLO 1: LA TECNOLOGIA RFID 
 
 
 
 
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1. LA TECNONOGIA RFID 
 
L’acronimo RFDI,  Radio Frequency IDentification, individua una tecnologia di 
identificazione e tracciatura di oggetti, persone o animali mediante trasmissioni a radio 
frequenza. Ha iniziato a svilupparsi attivamente intorno agli anni ’90 ed oggi sta 
finalmente raggiungendo la sua piena maturità: le caratteristiche più evidenti che 
contraddistinguono positivamente questa tecnologia da altri sistemi di identificazione 
come i noti codici a barre, sono insite nel fatto che RFID è in grado di funzionare a 
distanza e senza bisogno di visibilità diretta tra trasmettitore e ricevitore. 
 
1.1 Architettura del sistema RFID  
 
L’architettura di un sistema RFID, schematizzata in Figura 1.1, si compone di tre 
elementi fondamentali, i Tag, i Reader ed un sistema di gestione dei dati ricevuti. 
 
Figura 1.1 - Architettura di un classico sistema RFID 
 
I Tag sono transponder a radiofrequenza di piccole dimensioni costituiti da un 
chip il quale fornisce semplici funzioni di logica di controllo e forniti di una memoria 
digitale interna; il tutto è connesso ad un’antenna integrata che ne permette le 
comunicazioni a radio frequenza; sono applicati come etichette ad oggetti, persone o 
quant’altro si voglia identificare e tracciare.
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CAPITOLO 1: LA TECNOLOGIA RFID 
 
 
 
 
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I Reader sono ricetrasmettitori controllati da un microprocessore interno, la cui 
funzione è quella di interrogare e ricevere le informazioni in risposta dai Tag. 
Il Sistema di gestione è essenzialmente un computer o un server connesso in rete 
con i Reader mediante WiFi, USB, Ethernet etc. il quale memorizza ed elabora i dati 
acquisiti dai Reader e provenienti dai Tag, provvedendo a funzioni varie, come 
l’aggiornamento costante di un database o l’implementazione di eventuali software per 
processare le informazioni in modo utile in base all’applicazione: inventario, tracciatura, 
localizzazione etc. 
Il sistema RFID offre un ottimo livello di gestione dell’identificazione in scenari di ogni 
tipo, quali industrie, magazzini, negozi, centri commerciali, biblioteche, farmacie, 
ospedali e qualunque altro scenario che richieda una precisa e veloce tracciatura di un 
gran numero di elementi in tempo reale. 
Per comprendere la grande innovazione che questa tecnologia apporta, si elencano di 
seguito i punti di forza che contraddistinguono RFID dai più vecchi sistemi di 
identificazione, dei quali i codici a barre sono un valido esempio: 
 RFID non richiede visuale diretta (in inglese LoS, Line of Sight) per la 
comunicazione tra Reader e Tag, quest’ultimo può infatti trovarsi all’interno di un 
armadietto, in un cassetto, o nascosto nella confezione di un prodotto, senza che 
questo ne impedisca la ricetrasmissione; 
 i Tag possono essere letti a grande distanza, a partire da qualche metro per quelli 
passivi fino a decine di metri per quelli attivi; 
 un Reader è in grado di interrogare svariati Tag contemporaneamente, restituendo 
molte letture nel giro di pochi secondi dei Tag presenti nel Read Range del 
trasmettitore; 
 un Reader è in grado non solo di leggere, ma anche di programmare e scrivere 
informazioni all’interno dei Tag durante la comunicazione a distanza; 
 la quantità di informazioni memorizzabile in un Tag RFID mediante la memoria 
elettronica integrata, sebbene non superi qualche Kbyte di capacità, è estremamente 
maggiore rispetto a quanto possibile memorizzare ad esempio in una etichetta di 
codici a barre.
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CAPITOLO 1: LA TECNOLOGIA RFID 
 
 
 
 
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1.1.1 Tag RFID 
 
Tutti i Tag utilizzano l’energia a radiofrequenza per comunicare, anche se è possibile 
distinguere varie modalità di funzionamento ed in base a questo si possono identificare 
tre tipologie di Tag: attivi, passivi e semi-passivi. 
 
Tag attivi: una batteria integrata fornisce l’energia necessaria sia per 
l’attivazione dei circuiti interni che per la trasmissione dei dati; un Reader in questo 
modo può interrogare l’ambiente circostante con bassi livelli di EIRP ed il Tag è in 
grado di rispondere autonomamente mediante segnali estremamente stabili, caratterizzati 
da livelli di potenza che consentono di raggiungere distanze fino a svariate decine di 
metri. Se paragonati ai Tag di tipo passivo, hanno dimensioni fisiche ragguardevoli ed 
un costo per unità relativamente elevato (figura 1.2-a, pagina seguente). 
 
Tag passivi: non presentano alcuna fonte di alimentazione interna, i circuiti del 
chip ricavano l’energia per il funzionamento direttamente dall’onda incidente trasmessa 
dal Reader e con la stessa energia, mediante un fenomeno di modulazione del segnale 
riflesso denominato backscattering, re irradiano la propria risposta con una potenza in 
grado di raggiungere distanze decisamente ridotte rispetto al caso di Tag attivi; il 
funzionamento di tali Tag dipende quindi non solo dal livello di adattamento tra 
l'impedenza dell'antenna e del chip, ma anche da fattori esterni come l’attenuazione del 
canale di trasmissione e la potenza trasmessa dal Reader, raggiungendo distanze 
massime di qualche metro. La loro memoria interna, poche centinaia di byte, seppur 
sufficiente all’inserimento di un codice identificativo, è estremamente ridotta se 
paragonata a quella dei Tag attivi che raggiunge invece capacità di qualche Kbyte, 
mentre un punto di forza dei Tag passivi sono le dimensioni decisamente inferiori, con 
spessori paragonabili a quelli di un foglio di carta, mentre i costi per unità si aggirano 
intorno a pochi centesimi di euro (figura 1.2-b, pagina seguente).
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Tag semi-passivi: come i Tag attivi utilizzano una batteria integrata, ma solo per 
l’alimentazione dei circuiti interni, mentre la comunicazione con il Reader avviene allo 
stesso modo dei Tag Passivi, mediante modulazione di backscattering (figura 1.2-c). 
    
(a)                                         (b)                                       (c) 
Figura 1.2 - Esempi di Tag passivi (a), semi-passivi (b), attivi (c) 
 
Oltre alla suddivisione in base al tipo di alimentazione, si identificano altri parametri 
caratteristici: 
 sensibilità: è il livello minimo di potenza incidente necessaria per l’attivazione del 
Tag, che dunque dipende essenzialmente dalla potenza di soglia del chip, dal tipo di 
antenna ad esso collegata e dal livello di adattamento tra chip ed antenna. Valori 
tipici di potenza di attivazione si aggirano intorno ai -10dBm; 
 portata: o “Read Range”, è la distanza massima alla quale il Tag può essere letto da 
un Reader, dunque dipende oltre che dalla sensibilità del Tag, anche dalla potenza 
trasmessa dal Reader (per i Tag passivi e semi-passivi), ovvero dalla potenza che il 
Tag è in grado di irradiare mediante la propria batteria interna (per i Tag attivi). 
Dipende inoltre dal livello di attenuazione (indicato con il termine inglese Path Loss) 
introdotto dal canale nel quale si propagano le onde elettromagnetiche; 
 chip: il tipo di chip installato in un Tag ne caratterizza totalmente le prestazioni e le 
funzionalità. Da esso dipendono i parametri di sensibilità e portata appena introdotti, 
i tipi di protocollo e le modulazioni supportate (tipicamente ASK, PSK e loro 
varianti), il livello di sensibilità alle interferenze, la quantità di memoria disponibile 
e la velocità massima di lettura, di scrittura e di trasmissione dei dati al Reader. 
Inoltre il chip può gestire anche più antenne [43] [45] in base al numero di ingressi, 
nel caso in cui sia voglia sfruttare il funzionamento in diversità; per i Tag passivi il 
chip caratterizza anche il livello di D-RCS (Differential Radar Cross Section),
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parametro che sarà discusso in seguito e che incide sulla bontà della modulazione di 
backscattering; 
 antenna: il tipo di antenna integrata può essere di tipo diverso, in UHF si possono 
trovare antenne a dipolo corto, dipolo corto ripiegato o anche antenne a loop: in 
genere sono antenne caricate alle estremità e spesso presentano meandri per 
migliorarne le prestazioni. Oltre ad incidere sui parametri ovvi come la direttività e 
l’impedenza d’ingresso (quest’ultima fondamentale per l’adattamento in impedenza 
con il chip), caratterizzano anche il comportamento del Tag che può essere di tipo 
Near Field o Far Field. Naturalmente anche le dimensioni esterne, seppur largamente 
imposte dalla frequenza di lavoro, possono essere modificate (ad esempio ridotte 
mediante un design a dipolo ripiegato o a meandri) in base al tipo di applicazione; 
 protocollo: il protocollo utilizzato tra Tag e Reader ne stabilisce una serie di 
parametri di comunicazione tra i quali spicca il criterio implementato per 
l’anticollisione quando si leggono più Tag contemporaneamente. Il protocollo 
dunque è importante sia per le prestazioni che per la compatibilità tra sistemi diversi: 
attualmente il più recente standard utilizzato da tutti i Tag sul mercato è l’EPC 
Global Class 1 Gen 2 [1] il quale ad esempio implementa un algoritmo di 
anticollisione basato sul Dynamic Framed Slotted ALOHA
1
 (DFSA) [2]-[3].  
Generalmente i Tag RFID, soprattutto nel caso di Tag passivi dove le potenze in gioco 
risultano piccole, sono in grado di funzionare solamente lontano da ostacoli o al 
massimo in vicinanza di materiali isolanti ed elettromagneticamente non assorbenti, dal 
momento che la presenza ravvicinata di materiali conduttori come i metalli ne altera la 
capacità di modulazione in backscattering, mentre la vicinanza a materiali assorbenti, 
come i liquidi, tende a ridurne la capacità di attivazione del chip ed i livelli di potenza 
re irradiata, dal momento che gran parte della potenza incidente sul Tag o re irradiata 
indietro verso il Reader viene invece assorbita dal materiale circostante. 
1 
Gli algoritmi della famiglia slotted Aloha sono basati sulla suddivisone dell’asse dei tempi in slot: ogni 
utente invia il proprio segnale all’interno di uno di questi intervalli, selezionato in modo pseudo-casuale. 
La trasmissione avviene con successo solo nel caso in cui non avvengano collisioni di più segnali 
trasmessi simultaneamente all’interno della stessa slot; in caso contrario, si effettua un nuovo tentativo.
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Alcune soluzioni adottate per venire incontro a questi problemi solo l’utilizzo di: 
 distanziali 
 basse frequenze 
 metal Tags 
 plasmonic structure Tags 
 
Distanziali: una soluzione semplice, ma anche poco efficace per ridurre i 
problemi di funzionamento e di Read Range a contatto con metalli o liquidi, prevede il 
posizionamento dei Tag aggiungendo un distanziale di qualche millimetro e realizzato in 
materiale inerte alle radiofrequenze. I miglioramenti sono ovviamente piuttosto lievi. 
Basse frequenze: generalmente l’utilizzo di basse frequenze nelle bande LF o 
HF, rispetto alle bande UHF rende la comunicazione meno sensibile all’ambiente 
circostante. Questo aspetto sarà analizzato meglio nel paragrafo successivo. 
Metal Tag: un’altra soluzione decisamente efficace prevede l’utilizzo di metal 
Tag, espressamente progettati per lavorare a contatto non solamente di un metallo ma 
anche di un recipiente contenente liquidi o qualunque altro materiale: sfruttano la 
presenza di un piano di massa metallico inserito appositamente al loro interno, che 
provvede alle due funzioni di schermare il Tag dalle interferenze del materiale 
sottostante e di fungere da piano riflettore per l’antenna integrata. E’ posto dunque a una 
distanza tale da permettere una somma costruttiva del segnale da esso riflesso. 
Ovviamente, come tutte le antenne a riflettore[7], i metal Tag funzionano bene 
solamente ad alta frequenza (UHF) e solo all’interno di bande molto strette (la distanza 
tra Tag e riflettore è fortemente legata alla lunghezza d’onda de segnale), ma in quegli 
intervalli frequenziali forniscono prestazioni molto buone e portate discrete, a volte 
anche superiori a quelle dei Tag standard. Le dimensioni fisiche risultano essere 
maggiori a causa del piano metallico che deve avere un' area schermante adeguata e che 
deve essere inserito mediante un distanziale di un certo spessore, funzione della 
lunghezza d’onda. In figura 1.3 (pagina seguente) sono presentati alcuni esempi di metal 
Tag, in particolare, in Figura 1.3-b è mostrata la soluzione ideata dai laboratori di ricerca 
dell’University of Kansas' Information and Telecommunication Technology Center, che
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hanno realizzato un particolare tipo di Tag metallico consistente in un’antenna a patch 
con piano di massa sottostante, che tra le varie soluzioni presenti sul mercato, ha fornito 
uno dei migliori risultati di Read Range (6m) in presenza di metallo o liquido, seppur 
realizzato con uno spessore di poco più di 1mm. 
 
      
                           (a)                                                              (b) 
      
                              (c)                                                               (d) 
Figura 1.3 - Esempi di Metal Tag 
 
Plasmonic Structure [4]-[6]: una quarta soluzione molto interessante per venire 
incontro ai problemi di Tag in prossimità di metalli o liquidi, si rivela essere un nuovo 
approccio grazie ad una tecnologia proprietaria di “QinetiQ”. 
Mediante la “biomimetica”, cioè lo studio consapevole dei 
processi biologici e biomeccanici della natura come fonte di 
ispirazione per il miglioramento delle tecnologie umane, il 
team di sviluppo di QinetiQ ha studiato il modo in cui la 
struttura alare della farfalla “Morpho” (illustrata a lato) è in 
grado di riflettere la luce. Tale concetto è stato implementato nell’RFID progettando un 
materiale brevettato con il nome di Plasmonic Structure col quale vengono fabbricati i 
Tag, sostituendo questa struttura all’antenna integrata, che non è più presente; questo 
materiale non è altro che un dielettrico dalle caratteristiche molto interessanti da un 
punto di vista elettromagnetico.
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Quando un’onda generata da un Reader investe 
questo genere di Tag (immagine a lato), la 
Plasmonic Structure della quale esso è composto 
cattura ed assorbe tutta l’onda incidente evitando di 
farla disperdere nelle vicinanze. Di conseguenza il 
Tag si trova isolato dal materiale al quale è 
applicato o nel quale è immerso e non ne risente l’influenza: il risultato è che il Tag 
funziona come se tale materiale non fosse presente; l’onda catturata oscilla all’interno 
del dielettrico, dando luogo ad una regione ad alta concentrazione energetica e tale 
energia attiva il chip, il quale invia la risposta verso il Reader modulando l’onda 
assorbita che viene infine rilasciata. Come dimostrano gli esperimenti effettuati[5] tali 
Tag funzionano meglio delle tecnologie classiche, fornendo approssimativamente i 
seguenti range di lettura massimi: 
Tag su metallo     10 metri 
Tag su plastica, vicino a Metallo  8 metri 
Tag immerso in acqua   2.5 metri 
 
 
1.1.2 Reader RFID 
 
Come già detto, il Reader è il ricetrasmettitore utilizzato per la comunicazione con i Tag 
da un lato e con il sistema di controllo (server o PC) dall’altro: un Reader deve dunque 
fornire l’energia necessaria per l’attivazione dei Tag in base alla loro sensibilità e nel 
caso di Tag passivi o semi-passivi devono fornire anche una ulteriore porzione di 
energia sufficiente da rendere il Tag in grado di emettere il segnale di risposta. 
Ovviamente il tipo di Reader determina le bande frequenziali nelle quali può lavorare 
(LF, HF, UHF) ed i tipi di protocollo supportati. Si possono individuare altri parametri 
che caratterizzano un Reader RFID tra i quali potenza in uscita, antenna, isolamento, 
software di controllo e parametri in uscita.
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CAPITOLO 1: LA TECNOLOGIA RFID 
 
 
 
 
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Potenza in uscita ed EIRP: per quanto sopra detto risulta chiaro che 
l’Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP) dipendente ovviamente anche 
dall’antenna utilizzata, è direttamente proporzionale al massimo Read Range del sistema 
ed il suo livello massimo è regolamentato dal paese in cui si trova a lavorare il Reader. 
La potenza utilizzata in trasmissione è tipicamente regolabile a step, ed in base al tipo di 
lettore valori di picco tipici possono andare da circa 100mW fino ad 1 o 2W per i 
modelli ad alte prestazioni (il guadagno dell’antenna utilizzata ne definirà poi l’EIRP 
massimo, che non può superare i valori consentiti dalla legge). 
 Antenne ed isolamento: il numero di antenne direttamente collegabili al Reader 
ne determina la versatilità ed ovviamente il numero dei connettori è direttamente 
proporzionale al costo finale dell’apparato. Si utilizzano tipicamente antenne molto 
direttive, ma un parametro molto importante è soprattutto il livello di isolamento tra i 
canali in trasmissione e ricezione, necessario per non mascherare il debole segnale di 
ritorno dai Tag, soprattutto se passivi. Per aumentare questo livello di isolamento 
esistono Reader dalla struttura bistatica la quale utilizza due antenne diverse una per il 
trasmettitore, l’altra per il ricevitore, a differenza dei Reader monostatici in cui un’unica 
antenna esegue entrambe le funzioni grazie alla presenza di un circolatore (figura 1.4). 
 
 
Figura 1.4 - Schema a circolatore per Reader RFID monostatico 
 
Software di controllo e parametri in uscita: il software di gestione fornito con 
il Reader ne determina le funzionalità direttamente utilizzabili dall’utente finale. Tra i 
parametri forniti dal Reader e presentati in uscita sul software, oltre all’identificativo dei