Identificarea Prin Radiofrecventă A Trenurilor

Universitatea POLITEHNICA din București

Facultatea Transporturi

Specializarea Telecomenzi și Electronică în Transporturi

IDENTIFICAREA PRIN RADIOFRECVENȚĂ A TRENURILOR

Coordonator științific:

Ș.L. Dr. Ing. Maria Claudia SURUGIU

Absolvent:

Anca Mihaela Ruxandra TOMA

București 2016

Memoriu justificativ

Tehnologia a avansat într-un mod spectaculos în ultimii ani, cantitatea de informație procesată fiind din ce în ce mai mare. Nevoia de a elimina erorile și de a ține o evidență strictă a acestor informații, pentru a putea limita pierderile și de a organiza mai eficient procesele de producție și de management al bunurilor, a condus la apariția a noi metode și domenii științifice.

Astfel necesitatea comunicării a condus la schimbul de informații și implicit la evoluția domeniului de telecomunicații.

Telecomunicațiile au evoluat de la simple conversații și schimburi de informații economice la un domeniu mai amplu, implicat direct în domeniul transporturilor de orice tip (naval, aerian, feroviar, rutier, etc).

Rezultatele din îmbinarea celor două domenii – telecomunicații și transporturi – au ajuns să depindă în cele din urmă, de corectitudinea și organizarea sistemelor de achiziții și de procesare de date din acestea.

Corectitudinea expediției unui bun, întârzierile, livrările acestuia la timp, valoarea lui, se rezumă în a prelucra informațiile ce îl descriu.

Toate informațiile legate de un transport, de marfa în sine, de poziția materialului rulant și multe altele, în trecut se realizau cu ajutorul factorului uman prin contact fizic sau vizual, pe suport de hârtie, ceea ce în anumite condiții este mai greu de realizat în acest mod.

Odată cu trecerea la sistemele informatice de prelucrare a datelor apar avantaje vizibile legate de viteza de citire și de comunicare a informațiilor (aceasta fiiind mai rapidă), capacitatea de stocare (aceasta fiind mai mare), etc.

În domeniul telecomunicațiilor GSM, s-a propus și dezvoltat o nouă ramură specifică transportului feroviar, denumită GSM-R.

Dezvoltarea și standardizarea comunicațiilor prin GSM-R a crescut nevoia de automatizare și gestionare a volumului tot mai mare și divers de marfă transportată. Astfel și-a făcut apariția tehnologia de identificare automată. Ca urmare a utilizării în practică a unor metode de identificare deja existente precum ar fi, codul de bare, cardul inteligent, scanarea biometrică a corpului uman, eliminând neajunsurile acestora, s-a decis utilizarea metodei de identificare prin radiofrecvență (RFID) pentru domeniul feroviar.

Tehnologia își propune să ușureze munca factorului uman, scăderea erorilor acestuia, cât și fluidizarea și siguranța unui volum superior de informații.

În această lucrare sunt descrise și analizate ultimele tehnologii din domeniul transportului feroviar.

Neavând posibilitatea de a implementa în proiectul practic echipamentele și subansamblele necesare funcționarii GSM-R, dar luând în considerare metoda de transmisie a datelor prin intermediul undelor radio și cu ajutorul unor module specifice, am simulat identificarea și prelucrarea datelor, proces similar cu cel folosit în domeniul feroviar, dar realizat la o scară mult mai mică.

În primul capitol sunt prezentate generalități ale Căilor Ferate din România, cât și mijloacele de realizare a comunicațiilor în domeniul feroviar.

În capitolul al doilea este prezentat pe larg sistemul de telecomunicații GSM-R (arhitectura, servicii asigurate), sistemul european de control al trenurilor (ETCS) și serviciul de date GPRS.

În capitolul trei este prezentat sistemul automat de indentificare fără contact, sistemul de identificare prin radiofrecvență (RFID) – frecvențele de operare ale sistemului, modalițățile de transmisie a datelor, principiile de funcționare ale sistemului, prelucrarea informațiilor de către receptor, am arătat avantajele și dezavantajele acestei tehnologii, precum și aplicații ale tehnologiei RFID în transportul feroviar.

În capitolul patru și cinci am ales să descriu soluția propusă în acest proiect și implementarea acesteia. Lucrarea conține schema bloc a întregului sistem, descrierea fiecărui bloc în parte, modulele folosite (cititor RFID, transmițător și receptor radio), placa de dezvoltare (Arduino Uno), scheme electrice, scheme logice ale sistemului și interfața om-mașină.

În capitolul șase este abordată fiabilitatea sistemului prezentat, deoarece acest aspect este foarte important, având în vedere ce orice sistem trebuie să fie cât mai fiabil, realizând și diagramele de defectoscopie.

Scopul lucrării a fost de a demonstra capabilitatea și eficiența acestor tehnologii relativ noi de a conlucra și a acoperi ineficiența altor sisteme deja implementate.

Lista prescurtărilor și abrevierilor

GSM = Sistem Global pentru Comunicații Mobile

GSM-R = Sistemul global de comunicații mobile al căi ferate

ERTMS = Sistem de management al traficului feroviar european

RFID = Identificare prin radiofrecvență

ETCS = Sistemul European de Control al Trenurilor

GPRS = Serviciul pachetelor de date trimise prin unde radio

UIC = Uniunea Internațională a Căilor Ferate

WLAN = Rețele locale fără fir

EIRENE = Rețeaua Europeană Modernizată de Comunicații Radio Integrate la Calea Ferată

TETRA = Rețea profesională mobilă pentru comunicații radio

ETSI=Institutul European de Standarde în Telecomunicații

HF = Frecvență înaltă

VSWR = Raportul undei staționare de tensiune

UIT = Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor

NFC = Comunicații în câmp apropiat

CMOS = Metal oxid semiconductor complementar

SPI = Interfață serială cu perifericele

USART = Transmițător/receptor sincron/asincron universal

ASK = Modulația digitală a amplitudinii

LabVIEW = Laborator Virtual Instrument Engineering Workbench

VI = Instrument virtual

UDL = Legatură universală de date

MTBF = Timpul mediu până la defectare

Generalități despre Căile Ferate din România

Calea ferată, de la apariția sa, a jucat și joacă un rol decisiv în dezvoltarea economică a țărilor, atât în plan intern cât și în dezvoltarea schimburilor internaționale, prin cele două forme de transport: de călători și de mărfă.

Căile Ferate Române, alături de alte 15 căi ferate europene, sunt fondatoarele UIC (Uniunea Internațională a Căilor Ferate), organism tehnic, promotor al standardelor de dezvoltare și calitate tehnică în transportul feroviar.

Fie că este vorba de transportul de persoane sau de transportul de marfă, calea ferată trebuie să asigure siguranța pe tot parcursul traseului indiferent de condițiile atmosferice.

Transportul pe calea ferată este independent, astfel se pot deplasa cantități mari de mărfuri, pe o distanța mare, într-un timp prestabilit.

Prima legătură feroviară de pe teritoriul țării noastre a fost realizată prin construirea între anii 1846-1854 a căii ferate dintre Oravița și Baziaș, iar câțiva ani mai târziu capitala țării a fost legată printr-un "drum de fier" de unul din porturile dunărene, inaugurându-se în anul 1860 linia de cale ferată București-Giurgiu.

În perioada 1930-1940 s-au obținut rezultate importante în ce privește dotarea și exploatarea căilor ferate române, dar din păcate, anii care au urmat acestei perioade au fost neprielnici celui de-al doilea război mondial, lasând urme puternice în evoluția și dezvoltarea rețelei feroviare române.

Abia din anul 1950, după refacerea tronsoanelor afectate de război, căile ferate române încep un program de modernizare, care va cunoaște cel puțin trei etape de evoluție tehnică:

1950-1960: instalații de siguranță feroviară mecanice și electromecanice, locomotive cu abur;

1960-1970: instalații de siguranță feroviară electromecanice și electrodinamice, locomotive diesel;

1970-1989: instalații de siguranță feroviară electrodinamice, automatizări în triaje , tracțiune electrică.

Programele de investiții derulate au urmărit în special creșterea capacităților de circulație pentru a face față traficului sporit, în acest scop s-au realizat dublări de linii, dezvoltări de stații, echipări cu instalații de siguranță feroviară și telecomunicații, dotări cu locomotive puternice, vagoane de călători și vagoane de marfă.

Rețeaua de căi ferate din România are o lungime totală de 20.077 km de linii, fiind a șaptea rețea ca mărime din Uniunea Europeană.

Liniile sunt conectate prin 20.070 aparate de cale echivalente.

Rețeaua cuprinde 17.945 de poduri și podețe, 176 de tuneluri și 11.473 km terasamente. Pe aceste linii circulă zilnic mii de trenuri, transportând sute de mii de tone de mărfuri și zeci de mii de călători, în condiții din ce în ce mai bune de siguranță și confort.

Figura 1. Rețeaua de căi ferate române

(Sursa:

http://www.interferente.ro/images/stories//descopera/geografie/harti

romania-harti-feroviare//romania-harta-cailor-ferate.jpg)

Siguranța circulației pe rețeaua feroviară din România este în orice moment parametrul cheie pentru toate acțiunile căilor ferate, vizând permanent, zi și noapte, vara și iarna, reducerea riscurilor pentru călători, pentru mărfurile transportate, pentru personalul propriu și al clienților, pentru mediu și comunitățile locale.

Rețeaua căilor ferate române este una dintre cele mai sigure din Europa, numărul de accidente sau incidente fiind foarte redus, comparativ cu starea tehnică a infrastructurii.

Siguranța circulației feroviare nu se rezumă doar la asigurarea de echipamente și tehnologii adecvate, sau întreținerea infrastructurii existente, ci și la acțiuni continue de prevenire, control și educare a personalului propriu.

Acolo unde a pătruns, calea ferată a fost purtătoarea civilizației, progresului și deschiderii economice.

Mijloace de realizare a comunicațiilor în domeniul feroviar

Sistemele de comunicații sunt rețele complexe de comunicații, un set de reguli și standarde specifice.

Se pot evidenția șapte grupe care includ mai mult sau mai puțin riguros sisteme mai răspândite:

Sisteme private de radiotelefonie:

Se pot defini drept sisteme de comunicații radio care oferă legături de comunicație de tip simplex sau duplex între membrii unor grupuri de utilizatori, asigurând mobilitatea pe un teritoriu limitat.

Aceste sisteme pot să fie interconectate sau nu, cu alte sisteme de comunicații. Sunt primele sisteme de comunicații mobile care au fost instalate. Variantele convenționale foloseau unul sau mai multe canale de comunicație, utilizatori selectând canalul liber prin supravegherea legăturilor în desfășurare.

Sisteme de radiomesagerie:

Sunt sisteme unilaterale de transmitere de mesaje pe arii largi. Legătura radio este optimizată pentru a se beneficia de avantajul asimetriei.

Se utilizeaza radioemițătoare de putere mare (de la sute de wați la kilowați) cu antene degajate. În acest mod receptoarele pot fi de dimensiuni reduse, de complexitate mică, cu consum energetic redus. De asemenea, semnalele transmise fiind puternice, se asigură o recepție corespunzătoare în cele mai nepotrivite condiții, inclusiv în clădiri. Toate aceste considerații au făcut ca, legătura oferită, deși este săracă din punct de vedere informațional (absența liniei de răspuns), sistemele de radiopaging să cunoască un ritm de dezvoltare remarcabil comparabil cu cel al sistemelor de telefonie celulară.

Sisteme de telefonie fără fir:

Pot fi caracterizate drept sisteme care oferă extinderea rețelei telefonice fixe prin legături radio bilaterale de voce folosind putere mică și asigurând o mobilitate redusă a terminalului. Generația analogică a sistemelor de telefonie fără fir a apărut prin anii 1970 și s-a bucurat de la început de un succes remarcabil.

În fază inițială telefoanele fără cordon au fost concepute pentru a oferi comunicații telefonice, în cursul cărora utilizatorul nu are contact fizic cu terminalul de abonat, în interiorul reședințelor.

În acest scop cordonul telefonic este înlocuit cu o legătura radio între terminalul conectat la rețeaua telefonică și un terminal mobil. Într-o etapă ulterioară aceste sisteme și-au extins aria de aplicații și în afara reședințelor.

Sisteme de radiotelefonie celulară (sisteme celulare de telefonie mobilă):

Sunt sisteme care pot asigura transmisiuni locale, bilaterale, pe o arie de acoperire mare, către utilizatori cu mobilitate mare. Prin mobilitate mare se subînțelege atât viteza de deplasare cât și posibilitatea de circulație liberă (roaming) la nivel național și internațional.

Sisteme de comunicații mobile prin satelit:

Pot fi caracterizate ca sisteme capabile să asigure transmisiuni bilaterale (sau unilaterale) de voce sau de date, către vehicule răspândite pe o arie foarte largă (chiar la nivel global). Calitatea transmisiunilor este redusă.

Aceste sisteme pot fi considerate ca o limită pentru sistemele mobile constituite în jurul unor stații de bază scumpe cu arii de acoperire mare.

Dintre sistemele din această categorie cele mai cunoscute sunt: Iridium, Odisey, Globalstar, etc.

Rețele locale fără fir (WLAN):

Pot fi caracterizate ca sisteme de comunicație dedicate transmiterii de date de viteză mare în interiorul unui campus sau în clădiri mai mari, asigurând mobilitate redusă pentru terminalele de date. Aria de acoperire de la terminalul radio, este ca și în cazul sistemelor de telefonie fără fir, redusă de ordinul a zeci sau, cel mult, sute de metri. Cu alte cuvinte extensia asigurată se limitează la o camera mai mare sau la câteva camere alăturate. Astfel de sisteme există de mai mulți ani , dar evoluția lor a fost oarecum haotică.

Sunt în exploatare variante oferite de diverși producători acoperind o gamă largă de configurații și asigurând viteze de transmisiune mergând de la sute de kb/s la peste 10 Mb/s.

Sisteme radio de transmitere de date pe arii extinse:

Sunt sisteme care asigură transmisiuni de date cu viteză mică pentru vehicule și pietoni, asigurând mobilitate ridicată și arie de acoperire mare. Asemenea sisteme au fost instalate de mai mulți ani în orașe mari din SUA sau Europa, dar nu s-au bucurat de dezvoltarea sistemelor de transmitere audio.

Exemple de astfel de rețele sunt: ARDIS oferită de compania Motorola și RAM oferită de Ericsson. Cele două rețele au fost concepute pentru a folosi canalele radio bilaterale constituite pentru transmisiuni radio – telefonice de voce.

Treptat, aceste rețele se apropie de arhitectura sistemelor moderne celulare având la bază microcelule cu stații de bază apropiate, mici, ieftine conectate la o infrastructură fixă.

Rețele și sisteme de radiocomunicații profesionale:

Comunicațiile radio la distanțe medii și mari, atât pentru transmisiile de voce cât și pentru cele de date se realizează cu rețele radio.

În cazul aplicațiilor tipice pentru transporturi, sistemele radio se diferențiază în 3 categorii:

rețele radio analogice: tipice pentru trafic de voce;

rețele cu transmisie hibridă: în care se transmite informația de voce în mod analogic, dar se realizează suprapus și o transmisie digitală, de obicei separată transmisiei de voce și care sunt transparente recepției de voce prin blocarea căii de recepție la stație;

rețele radio digitale: tipice pentru trafic de date și voce (numai sub formă de pachete de date).

Rețele digitale de înaltă siguranță pentru transporturi:

Rețelele de înaltă siguranță au apărut ca evoluție obligatorie a rețelelor profesionale tip trunking, acestea oferind siguranță și fiabilitate în comunicații, dar având o capacitate de trafic insuficientă în comparație cu necesarul de trafic, eliminând însă riscul blocării rețelei.

Pe de altă parte, rețelele celulare de uz public prezintă limitări ale capacității de trafic, în timp ce rețelele de siguranță se dimensionează pentru o capacitate cel puțin egală cu numărul de terminale înrolate în.

Dezvoltatorii de tehnologie au asigurat migrarea sistemelor de tip trunking către rețele digitale, tipic celulare, pornind de la conceptul și tehnologia dezvoltate pentru acestea și dezvoltând soluțiile astfel încât rețelele să asigure capacitate și fiabilitate funcțională suficient de bună.

Prezentarea generală a sistemului de telecomunicații GSM-R utilizat la căile ferate

Sistemul GSM-Railway, prescurtat GSM-R, reprezintă adaptarea conceptului de transmisie radio de date și voce în sistemul de telefonie mobilă celulară pentru sisteme complexe de transport feroviar.

Cea mai completă aplicație a sistemului GSM-R o reprezintă aplicația feroviară, aceasta incluzând, pe lângă comunicația de date și voce din sistem și transmisiile aferente sistemului de siguranță.

GSM-R este rezultatul a peste 10 ani de colaborare între diverse companii feroviare europene. Pentru a obține o interoperabilitate în întreaga Europă folosind o singură platformă de comunicații, standardul GSM-R combină toate funcțiile cheie și experiențele obținute în trecut din utilizarea a 35 de sisteme analogice de-a lungul Europei.

GSM-R este o platformă sigură pentru comunicații de voce și date între angajații companiilor de cale ferată inclusiv mecanici, dispeceri, membrii ai echipelor de manevră și controlori.

Dispune de specificații avansate cum ar fi apeluri pe grupuri, transmisie radio de voce, conexiuni bazate pe locație și apel în caz de urgentă, care îmbunătățesc semnificativ comunicarea, colaborarea și administrarea securității în cadrul personalului operațional.

GSM-R face parte din noul standard de sistem de management al traficului feroviar european (ERTMS) și transportă informația de semnalizare direct către mecanicul de pe locomotivă, permițând viteze mai mari trenului și o densitate a traficului cu un nivel ridicat de siguranță.

Alegerea tehnologiei GSM (Sistem Global pentru Comunicații Mobile) ca fundație a sistemului GSM-R a contribuit la succesul acestui nou standard.

Figura 2. Sistemul de management al traficului feroviar european

(Sursa: http://www.jarva.lv/railway/electronics-and-communications/)

GSM-R s-a dovedit a fi cea mai ieftină rețea de comunicații digitale wireless construită pe platforma unui operator de cale ferată.

GSM-R oferă mult mai mult decât transmisii de voce și servicii de semnalizare. Aplicații noi, cum ar fi urmărirea încărcăturii, supraveghere video în trenuri și în stații, servicii de informare a pasagerilor folosesc tehnologia GSM-R.

Tehnologia GSM-R este în prezent implementată în 16 țări din toată lumea. Cu toate că specificațiile sistemului au fost finalizate în 2000, GSM-R a fost deja selectat de 38 de țări, inclusiv toate țările membre ale Uniunii Europene precum și de către un număr progresiv de țări din Asia și Nordul Africii.

Fiecare rețea națională GSM-R poate fi bazată pe una sau mai multe rețele mobile GSM interconectate fie în mod direct, fie în mod indirect prin rețele fixe.

Cerințele actuale în comunicații sunt:

standardul internațional (european), care să necesite un minim de modificări pentru aplicațiile de la calea ferată;

caracteristici tehnice demonstrate în rețelele publice terestre de comunicații mobile;

eficiență economică în realizare și implementare;

componentele sistemului de transmisiuni să respecte standardele publice în vigoare (fără implementări specifice pentru calea ferată, pentru a reduce investițiile);

servicii specifice căilor ferate, similare cu cele oferite de sistemele actuale de radio comunicație de la calea ferată;

cerințe generale pentru noul sistem de comunicații radio mobile al căilor ferate;

integrarea tuturor serviciilor de radio comunicații de la calea ferată într-o rețea unică;

înalta fiabilitate și calitatea comunicațiilor, corespunzătoare unor viteze ale stațiilor mobile de până la 500 km/h;

platformă flexibilă, care să permită integrarea de noi servicii ce urmează a fi definite în viitor.

Figura 3. Privire de ansamblu a sistemului GSM-R

(Sursa: http://www.fpz.unizg.hr/ztos/PRSUS/glavna2.htm)

Uniunea Internațională a Căilor Ferate (UIC) a urmărit realizarea interoperabilității transfrontaliere a sistemelor de radio comunicații de la calea ferată prin stabilirea unei benzi comune de frecvență.

În banda 450/460 MHz, alocată și utilizată în prezent de cele mai multe sisteme de radio comunicații de la calea ferată, nu mai sunt canale disponibile pentru viitoarele aplicații.

Banda alocată pentru serviciile radio mobile centrată în jurul frecvenței de 900 MHz, s-a dovedit a fi cea mai potrivită și pentru radio comunicațiile de la calea ferată, din motive ce țin în principal de caracteristicile de propagare radio și de faptul că sistemele ce operează în această bandă (sistemele GSM) sunt deja disponibile.

În consecință UIC a desemnat pentru elaborarea specificațiilor o echipă de proiect denumită EIRENE (Rețeaua Europeană Modernizată de Comunicații Radio Integrate la Calea Ferată). Această echipa a evaluat caracteristicile sistemelor emergente în piața de radio comunicații digitale mobile și anume GSM și TETRA (Terrestrial Trunked Radio) – rețea profesională mobilă pentru comunicații radio.

În 1995 UIC a selectat GSM ca fiind tehnologia adecvată necesităților actuale și de perspectivă a radio comunicațiilor la calea ferată. Această alegere a fost confirmată de succesul ulterior al sistemelor GSM, tehnologia de comunicații radio mobile fiind de departe cea mai răspândită pe plan mondial.

În 1995, Institutul European de Standarde în Telecomunicații (ETSI) a rezervat pentru sistemele EIRENE două benzi de frecvențe: 876-880 MHz (Up-link) și respectiv 921-925 MHz (Down-link). În acest fel, a fost rezolvat elementul cheie pentru interoperabilitatea transfrontalieră a sistemelor de radio comunicații mobile de la calea ferată.

În 1997, s-a elaborat un Memorandum de Înțelegere care să introducă standardul GSM-R pentru toate organizațiile semnatare, cel puțin pentru traficul feroviar transfrontalier. Acest Memorandum a fost semnat de mai mult de 30 de companii naționale de căi ferate, membre ale UIC.

Introducerea sistemelor GSM-R este o realitate, implementarea lor începând încă din anul 1998.

Arhitectura sistemului de comunicații GSM-R

Figura 4. Arhitectura generală a rețelei GSM-R

Descrierea blocurilor componente din figura 4:

ABC: centrul de administrare și facturare;

AC: unitatea care se ocupă cu verificarea utilizatorilor și autorizarea acestora în rețea, în cazul în care aceștia sunt declarați valizi (se afla în baza de date de clienți, nu au restricții și terminalele pe care le folosesc sunt operaționale);

BSC: stație de centralizare a unui sistem, formată din subsistemele care alcătuiesc sistemul celular într-o zonă dată;

BTS: stație de transmisie radio – ansamblu de transmițătoare radio și grupul de antene direcționale care deservesc o celulă fizică;

CBS: celula de emisie a serviciului;

EIR: registrul de identificare a echipamentelor;

HLR: bază de date în care sunt stocați utilizatorii înregistrați, proprii rețele;

MSC: sistem de control general, având rolul de a controla rețeaua și schimbul de date, asigurând funcționarea acesteia;

GCR: registrul grupului de clienți;

OMS: subsistem de operare și întreținere;

SCP: punctul de control al serviciului;

SMP: punctul serviciului de management al mesajelor scurte;

SMS: serviciul pentru mesaje scurte;

SSP: serviciul de comutare;

VLR: bază de date în care sunt stocați utilizatorii pe măsura ce aceștia se deplasează dintr-un subsistem în altul (ansamblu de celule); de asemenea, VLR reține și utilizatorii care se află în rețea, însă nu aparțin acesteia (utilizatori ai altor rețele, care însă folosesc rețeaua în regim de roaming);

VMS: serviciul de mesagerie vocală;

PSTN: rețea telefonică publică comutabilă;

ISDN: rețea digitală de servicii integrate;

PLMN: rețele publice terestre mobile.

Fiind o rețea radio orientată către transmisii de date, arhitectura GSM-R implică o extensie de date, extensie care se regăsește la conceptul GPRS.

La nivelul infrastructurii, rețeaua GSM-R folosește transmisia datelor prin infrastructură proprie, radio sau cablată (fibră optică).

Rețeaua GSM-R este bazată pe conceptul GSM și cuprinde următoarele elemente: stație de transmisie radio (BTS) și stație de centralizare a sistemului (BSC), echipamente mobile (extensie mobilă), subsistem de operare și întreținere (OMS), centru de management al rețelei mobile și platformă de plăți structurată într-o bază de date.

Din punct de vedere al organizării celulare, spre deosebire de arhitectura celulară clasică, care trebuie să acopere o suprafață geografică cât mai mare, sistemul GSM-R acoperă zona căii ferate și accesoriile laterale.

Din acest motiv, rețeaua GSM-R este realizată cu celule nespecifice, adaptate pentru funcționarea în lungul căii ferate.

Astfel, celulele se echipează cu antene direcționale, poziționate astfel încât să acopere lungul căii ferate. Din motive de optimizare a infrastructurii rețelei, fiecare subsistem (BTS) este realizat din 2 celule, reprezentate ca în figura 5, ale căror antene sunt orientate astfel încât să acopere o zonă de cale cât mai mare (tipic, 180° între axele lobilor principali ai antenelor).

Astfel a fost rezolvată problema traficului peste granițe. Unele rețele GSM-R conțin și un centru de servicii pentru mesaje scurte, interfațate la rețeaua GSM cu scopul de a suporta aplicații tip SMS.

Figura 5. Structura tipică de organizare celulară în lungul căii

(Sursa: Stan Valentin – Note curs " Radiocomunicații și televiziune", 2016)

Rețeaua fixă

Implementarea rețelei fixe depinde de cerințele fiecărei căi ferate și constă în rețele fixe private de cale ferată, rețele fixe publice sau o combinație a celor două. Indiferent de tipul de implementare ales, rețeaua fixă va conține măcar următoarele elemente:

comutatoarele de rețea: acestea sunt necesare pentru dirijarea apelurilor prin rețea;

elemente fixe de rețea;

puncte terminale de rețea: sunt locațiile unde echipamentele terminale pot fi conectate la rețeaua fixă, unde rețele fixe pot fi interconectate și unde sistemele de susținere specifice căii ferate pot fi conectate la rețeaua fixă;

centrul de management: este necesar pentru configurarea rețelei, monitorizarea randamentului, managementul defecțiunilor, etc.

Rețeaua fixă poate asigura conexiunile între rețeaua GSM și elementele de bază fixe ale căi ferate (centre de control, stații, etc). Ulterior, poate asigura interfețele la echipamentele de semnalizare și alte echipamente specifice de cale ferată pentru a sprijini funcționalitatea întregului sistem de radiocomunicații.

Fiecare cale ferată în parte este liberă să-și definească propria rețea fixă și tehnologia pe care este bazată.

Echipamentul terminal

Echipamentul terminal pentru un sistem integrat de radiocomunicații, conține următoarele elemente:

echipament mobil: element amplasat în cabina mecanicului; acest echipament poate fi de sine stătător sau în majoritatea cazurilor, cabina radio va fi conectată la un număr de alte sisteme integrate (de exemplu, sistemul public de adrese);

echipament fix: acesta constă în primul rând în consolele utilizate de controlori; în completare pot fi alte terminale, care sunt folosite de operatori de tren, echipele de întreținere, etc.

Figura 6. Cabina mecanicului

(Sursa: http://www.railengineer.uk/wp-content/uploads/GSMRinCab-online.jpg)

Managementul rețelei GSM-R

Pentru a putea opera o rețea de comunicații, se impune prezența unui echipament suplimentar care să realizeze funcțiile de management ale rețelei.

Echipamentul poate fi dedicat unei anumite părți a rețelei, sau întreaga rețea poate fi administrată de un singur sistem de management. Acesta depinde de modul în care rețeaua este proiectată și implementată.

GSM-R este un sistem bazat pe GSM faza 2+. Generația 2+ a GSM reprezintă în concepția europeană o punte de trecere către rețelele de comunicații mobile digitale terestre, mai complexe și cu posibilități sporite de generația a treia, 3G.

Companiile de cale ferată europene folosesc GSM-R într-o bandă de frecvență specială, de 4 MHz care este localizată sub banda GSM extinsă, dar funcționează independent de frecvență. Măsurile speciale alocate garantează performanțe la viteze de până la 500km/h.

Sistemul oferă operatorilor de cale ferată mai multe aplicații pentru comunicații de voce și date.

Cele mai importante ar fi:

servicii de prioritizare;

stații radio folosite în tren;

control automat al trenurilor;

informarea pasagerilor;

evidența și diagnosticarea trenurilor;

întreținerea căii ferate;

comunicații la operațiile de manevră;

comunicații pe plan extins.

Figura 7. Aplicații ale sistemului GSM-R, definite de EIRENE

Acest subset de cerințe comunicaționale a fost studiat și identificat de reprezentanți ai operatorilor europeni de cale ferată și evidențiază toate aplicațiile care permit comunicații mai ieftine pe calea ferată.

Cu ERMTS, căile ferate împreună cu Siemens și alți furnizori mari au dezvoltat un nou sistem de control automat al trenului, pe patru nivele, numit ETCS – Sistemul European de Control al Trenurilor.

Sistemul European de Control al Trenurilor ( ETCS )

Sistemul european de control al trenurilor (ETCS) este un sistem de protecție și control a trenului care asigură și semnalizarea, este proiectat pentru a înlocui multe sisteme de siguranța incompatibile utilizate în prezent de către căile ferate europene, în special pe liniile de mare viteză.

ETCS necesită echipament de cale standard și un controller standard în cadrul cabinei locomotivei trenului. În forma sa finală, toate informațiile de cale sunt trecute la mecanicul locomotivei, electronic eliminând nevoia de semnalizare fizică, deoarece la viteză mare este aproape imposibil de văzut și înteles semnificația acestora.

Specificațiile ETCS au devenit parte din specificația tehnică de interoperabilitate pentru sistemele de control-comandă a căii ferate, care este o parte a legislației europene gestionate de Agenția Europeană a Căilor Ferate.

Nivelul 0 se aplică atunci când un vehicul echipat cu ETCS este folosit pe un traseu fără echipament ETCS la sol. Echipamentul de la bord monitorizează viteza maximă a tipului de tren. Mecanicul de locomotivă respectă semnalele de cale. Deoarece semnalele pot avea semnificații diferite pe căile ferate diferite, acest nivel are limitarea de a se putea folosi un singur tip de cale ferată. În cazul în care trenul a ieșit dintr-un nivel mai ridicat ETCS, s-ar putea limita viteză, datorită ultimelor balize întâlnite.

Nivelul 1 reprezentat în figura 8, este un sistem de semnalizare prezent în cabina locomotivei care poate fi suprapus peste sistemul de semnalizare existent, fără să afecteze sistemul de semnalizare prezent. Eurobaliza primește informații legate de semnalizarea din cale prin intermediul adaptoarelor de semnal și telegramelor (unitatea electronică de linie – leu) și le transmite la vehicul pentru a autoriza mișcarea împreună cu datele rutelor la puncte fixe.

Calculatorul de bord monitorizează continuu și calculează viteza maximă și curba de frânare de la aceste date. Din cauza transmiterii datelor în puncte fixe, trenul trebuie să se deplaseze peste eurobaliză pentru a obține următoarea autorizare de mișcare. În cazul unui tren oprit pentru a se pune în mișcare (când trenul nu este oprit exact pe o baliză), există semnale optice care arată permisiunea de a continua. Euroloop este o extensie a Eurobalizei folosită pentru o anumită distanță care permite practic ca datele să fie transmise în mod continuu pe vehicul prin intermediul cablurilor care emit unde electromagnetice.

Figura 8. Nivelul 1 ETCS

(Sursa: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d7/ETCS_L1_de.svg/2000px-ETCS_L1_de.svg.png)

Nivelul 2 reprezentat în figura 9, este un sistem bazat pe comunicația radio digitală.

Figura 9. Nivelul 2 ETCS

(Sursa: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ETCS_L2_w_RBC_de.svg)

Autorizarea deplasării și alte aspecte legate de semnal, sunt afișate în cabină pentru mecanicul de locomotivă. În afară de câteva panouri indicatoare prin urmare, este posibil să se renunțe la echipamentele de semnalizare din cale. Cu toate acestea, echipamentele de detectare a trenurilor și starea acestora rămân încă în vigoare de-a lungul căii. Circulația trenurilor este monitorizată continuu de către un post central folosind informațiile de cale derivate.

Autorizarea deplasării este transmisă vehiculului continuu prin GSM-R, împreună cu informațiile legate de viteză și informațiile legate de traseu. Eurobalizele sunt folosite la acest nivel ca balize de poziționare pasive. Între două balize de poziționare trenul determină poziția prin intermediul senzorilor (traductoare de osie, accelerometru și radar). Balizele de poziționare sunt folosite în acest caz, ca puncte de referință pentru corectarea erorilor de măsurare a distanței. Calculatorul de la bord monitorizează continuu datele transferate și viteza maximă admisă.

Nivelul 3 reprezentat în figura 10, nu are doar funcția de protecție a trenurilor, cu punerea în aplicare a menținerii distanței sigure între trenuri pe bază de radiocomunicații. Dispozitivele fixe de detectare a trenului nu mai sunt necesare.

Ca și în cazul nivelului 2, trenurile își știu poziția prin intermediul unor balize de poziționare și prin senzori (traductoare de osii, accelerometru și radar), sistemul este capabil să determine integritatea trenului de la bord la cel mai înalt grad de fiabilitate.

Prin transmiterea semnalului de poziționare, la unitatea centrală radio, este întotdeauna posibil să se determine care punct de pe traseul trenului a fost autorizat în condiții de siguranță. Trenului următor i se poate acorda deja o altă autorizare de deplasare până la acest punct. Traseul nu mai este liber în secțiunile de cale fixe.

În acest sens, nivelul 3 se îndepărtează de operarea clasică cu intervale fixe, datorită intervalelor suficient de scurte de poziționare, se realizează autorizarea continuă a deplasării și se apropie de principiul de funcționare cu distanță de frânare care se modifică în timpul deplasării ("bloc în mișcare").

Nivelul 3 este în curs de dezvoltare. Soluții de supraveghere a integrității trenului de încredere sunt foarte complexe și sunt greu de convertit pentru modelele mai vechi de locomotive de transport marfă.

Trenurile europene vor fi echipate cu un sistem ERTMS la bord compus dintr-un calculator și perifericele sale, ca sistemul ERTMS să fie implementat pe rețelele feroviare, în întreaga Europă.

În acest moment numai pe anumite coridoare au fost montate sistemele ERTMS.

Trenurile care circulă pe aceste linii trebuie, prin urmare să fie echipate pentru a putea rula atât pe linii ERTMS, cât și pe linii clasice, care se bazează încă pe sistemele naționale .

Figura 10. Nivelul 3 ETCS

(Sursa: http://www.feroviarul.ro/images/stories/diverse/ETCS_L3_w_RBC.jpg)

Moduri de operare ale locomotive în ETCS

Supraveghere totală:

trăgătoare: locomotiva trage trenul, ETCS primește toate informațiile solicitate;

împingătoare: locomotiva împinge trenul, ETCS trebuie să ia în considerare, faptul că partea din față a trenului, va intra înaintea locomotivei în blocul de detecție.

Supraveghere parțială:

neechipat: linia nu este echipată cu ETCS: sistemul va respecta doar limita de viteză, iar de protecția trenurilor se vor ocupa sistemele mai vechi de semnalizare;

depășirea marcajului: daca trenul a depășit marcajul de oprirei, frânarea completă va fi acționată;

la vedere: deplasare se face la vedere (mecanicul locomotivei se uită pe geam pentru a verifica starea șinei).

Multitasking:

fără conducător: a doua locomotivă are propriul mecanic;

cu conducator: a doua locomotivă este controlată de mecanicul primei locomotive;

transport: locomotiva din spate are rolul de vagon, ea nepropulsând trenul.

Disfuncționalități:

sistem de detecție a defectelor: echipamentele ETCS de la bord detectează automat defectele;

sistem de izolare: mecanicul este deconectat de la controlul locomotivei de către ETCS.

Implementarea Sistemului European de Control al Trenurilor (ETCS) în România

Sistemul european de control al trenurilor (ETCS) a fost adoptat și de CFR, fiind introdus în premieră pe ultima locomotivă modernizată pe plaiurile oltenești, Softronicul clasa 47 cu numărul de parc 538 repartizată la depoul București.

Sistem european de management al traficului feroviar (ERTMS) este un proiect major al Uniunii Europene în parteneriat cu 6 firme private: Alstom Transport, Ansaldo STS, Bombardier Transportation, Invensys Rail Group, Siemens Mobility și Thales.

ERTMS are două componente: ETCS care va înlocui toate sistemele de protecție automată a trenurilor sau sisteme de bloc de linie automat (INDUSI) și GSM-R, acesta fiind un sistem radio, care transmite informații între tren și linia de cale ferată pe baza unor frecvențe GSM-R.

Sistemul ETCS, este format din patru nivele, dar ne vom concentra atenția asupra nivelul 2 ETCS, sistem adoptat și de CFR.

Acest nivel are la bază trei piese importante: o antena radio GSM pentru primirea informațiilor de la tren care se conectează la un calculator în dispeceratul de circulație (post central), eurobalizele așezate la intervale prestabilite de 1.8 km și două antene ETCS, prima se află sub tren pentru primirea informațiilor și a doua se află pe tren pentru transmiterea informațiilor către antena GSM-R a dispeceratului de circulație (post central).

Sistemul este unul de interlocking, adică calculatorul din dispeceratul de circulație (post central) primește informațiile pe calea undelor radio de la tren, procesează informația, o compară cu viteza, distanța față de următoarea oprire sau față de următorul tren, prin fibră optică se transmit informațiile către eurobaliză, unde vor fi prelucrate de tren și circuitul se repetă.

Romania este parte a sistemului ERTMS cu 450 km de linie, adică coridorul Predeal-Bucuresti-Constanta acesta urmând să fie extins până la Curtici.

Acest sistem se mai află implementat și pe tronsonul Buftea-Brașov (38 km); tronsonul Curtici-Brașov.

În viitor se dorește implementarea nivelului 2 ETCS și pe coridorul Curtici- Arad.

Servicii asigurate de sistemul GSM-R

Servicii vocale

Serviciile telefonice vocale ce trebuie asigurate de rețea sunt:

apeluri vocale punct la punct: sistemul trebuie să asigure apeluri vocale punct la punct între doi utilizatori; astfel de apeluri trebuie să permită celor două părți să vorbească simultan;

apeluri vocale publice de urgență;

apeluri radio-difuzate: comunicație într-un singur sens, de la un utilizator către mai mulți utilizatori, într-o zonă stabilită, ai cărei membri fac parte din același grup de apel; compoziția grupului de apel trebuie să poată fi modificată în cadrul rețelei; un singur membru poate face parte din mai multe grupuri de apel; zona locală în care se face apelul trebuie să poată fi modificată în cadrul rețelei (numai cel care face apelul poate vorbi, ceilalți pot doar asculta);

apeluri vocale de grup: compoziția grupului de apel trebuie să poată fi modificată în cadrul rețelei; un singur membru poate face parte din mai multe grupuri de apel; zona locală în care se face apelul trebuie să poată fi modificată în cadrul rețelei; este acceptabil ca numai un utilizator să vorbească la un anumit moment (trebuie să fie posibil ca un controlor să poată întrerupe un utilizator care vorbește și trebuie asigurat un mecanism prin care sistemul să arbitreze între acei utilizatori care doresc să vorbească în cadrul apelului de grup);

apeluri vocale multi-party: în cadrul unui apel multi-party, utilizatorii pot vorbi în același timp.

Servicii de apel

Rețeaua va asigura următoarele servicii de apel :

afișarea identității celui care apelează și a celui apelat, în forma unui număr de telefon standard sau ca descriere – text a funcției lor;

restricția afișării identității celui care apelează și a celui apelat;

prioritate: rețeaua trebuie să ofere un mecanism prin care apelurile să primească un anumit nivel de prioritate, iar apelurile cu prioritate mai mare să poată trece peste apelurile curente, cu prioritate mai mică;

grup de utilizatori limitat;

transmiterea mai departe a unui apel sau un mesaj de date primit de un utilizator poate fi transmis mai departe unui alt utilizator; în cazul unui apel vocal, cel care transmite mai departe apelul poate să discute înainte cu cel căruia îl transmite;

reținerea unui apel;

apel în așteptare: rețeaua trebuie să permită anunțarea unui utilizator care este deja implicat într-un apel, că alt utilizator încearcă să-l contacteze;

interdicții de apelare: se poate interzice primirea tuturor apelurilor;

emiterea de apeluri: către o altă rețea (fixă sau mobilă), anumite tipuri de numere, din cadrul sau din afara rețelei, anumite numere de telefon predefinite;

primirea de apeluri de la alte rețele, anumite numere de telefon din cadrul sau din afara rețelei, anumite numere de telefon predefinite.

Figura 11. Model aparat telefonic pentru serviciile GSM-R

(Surse: a. http://www.txmprojects.co.uk/images/case-studies/class-153-150-142-143-gsmr-installation-001.jpg;b. http://w3.siemens.co.uk/mobility/uk/en/rail_solutions/Rail_Automation/

Mobile_Comms/ UK/ Cab _Secure_Radio/PublishingImages/Cab-Secure-Radio-website-ed.jpg)

Servicii de date

Rețeaua va asigura servicii de date pentru următoarele aplicații:

mesaje text: rețeaua trebuie să permită transmiterea de mesaje text de la utilizator la utilizator, precum și primirea la sol a unor mesaje transmise de pe mobil; primirea mesajelor nu trebuie să împiedice primirea sau transmiterea apelurilor vocale sau de date de mare prioritate;

aplicații de date generale: astfel de aplicații pot fi informații referitoare la orar, aplicații de întreținere și diagnosticare, e-mail, accesul la baze de date îndepărtate; rețeaua trebuie să suporte rate de transfer al datelor de minim 2.4 kbit/sec;

fax automat: faxul trebuie să poată fi întrerupt în cazul apariției unor apeluri de mare prioritate;

aplicații de control al trenului: comunicații de date pentru sisteme de control al trenului bazate pe transmisii, cum ar fi ERTMS / ETCS.

Prezentarea serviciului de date GPRS

GPRS (Serviciul pachetelor de date trimise prin unde radio) oferă un serviciu suplimentar de comunicație prin care se îmbunătățește substanțial și se simplifică accesul utilizatorilor mobili la rețele de transmisii de date în pachete, precum rețeaua Internet. El constă în aplicarea aceleiași tehnici de transmisii de date în pachete și pe canalele radio GSM, motiv pentru care datele utilizatorilor mobili pot fi transmise direct către rețelele externe de date. Transmisiile în pachete pe calea radio facilitează îmbinarea mai multor comunicații pe același canal radio și sporesc astfel, eficiența de utilizare a spectrului.

Timpul de acces și viteza de transmisie sporesc simțitor. Astfel, dacă în sistemele GSM timpul de acces este de câteva secunde și viteza maximă este limitată la 9,6 Kb/s, în sistemele GPRS timpul de acces este mai mic de o secundă, iar viteza maximă de transmisie este de peste 150 Kb/s.

În plus tarifarea comunicațiilor se face în funcție de cantitatea de informație vehiculată de utilizatorul mobil și nu în funcție de timpul de ocupare a canalului radio. Acest tip de tarifare este avantajos pentru comunicațiile intermitente de genul accesului la rețeaua Internet în care utilizatorul este conectat la rețea o perioadă mai mare de timp, dar transmite date în intervale de timp mici cu pauze lungi între două transmisii.

În concluzie, serviciul GPRS crește eficiența de utilizare a resurselor radio, simplifică accesul utilizatorilor mobili la rețelele fixe de transmisii de date, asigură timp mic de acces și viteză mare de transmisie, permite utilizatorului să achite costurile activității efective de comunicație.

Figura 12. Logo-ul tehnologiei GPRS

(Sursa: https://lh3.googleusercontent.com/INydi8V3pfP7

YpIilM2Qbzgd-UmUajK1VnbYI7ExQzoBOCfb6zeLCHw

PMj-8Ba0dNiMy=w300)

Arhitectura unui sistem GPRS

Două principii au stat la baza redefinirii arhitecturii de rețea în vederea implementarii funcțiilor GPRS: separarea netă dintre entitățile GPRS și entitățile radio (BTS și BSC) ale GSM și neintroducerea de modificări în structura și funcțiile MSC.

Primul principiu asigură independența funcționării entităților GPRS în raport cu interfața radio a sistemului și în acest fel, posibilitatea implementarii funcțiilor GPRS și în alte sisteme celulare în afara celor GSM.

Al doilea principiu este rezultatul unor constrângeri economice, MSC fiind entitatea cea mai complexă și mai scumpă dintr-un sistem GSM. Nefiind necesare modificări în structura și funcțiile acestuia costul implementării funcțiilor GPRS este mai mic.

Pentru realizarea funcțiilor specifice GPRS în arhitectura clasică a unui sistem GSM a fost introdusă o nouă clasă de noduri de rețea, numite noduri suport GPRS. Aceste noduri sunt responsabile de preluarea pachetelor de date de la stațiile mobile, rutarea acestora prin rețea și livrarea către rețelele externe cu transmisii de date în pachete.

Un nod GSN server este responsabil de livrarea pachetelor de date de la și către stațiile mobile din interiorul ariei sale de responsabilitate. Sarcinile lui includ rutarea pachetelor și transferul comunicațiilor, managementul mobilității (conectare/deconectare  și localizare), funcțiile de taxare și de autentificare. Registrul de locație al unui nod SGSN înmagazinează informații despre localizarea și profilul tuturor utilizatorilor GPRS înregistrați în respectivul SGSN.

Un nod GSN poartă este o interfață între magistrala rețelei GPRS și rețelele de pachete de date externe. El convertește pachetele GPRS ce vin de la SGSN în formatul corespunzător protocolului rețelei de date cu transmisii în pachete (PDN) și le transmite rețelei corespunzătoare. Pe de altă parte, adresele PDN ale pachetelor de date ce sosesc, sunt convertite în adrese GSM ale utilizatorilor destinatari. Pachetele readresate sunt transmise către nodurile SGSN corespunzătoare. În acest scop, nodul GGSN înmagazinează în propriul registru de locație numărul nodului SGSN curent pentru toți utilizatorii din rețeaua GPRS, precum și profilurile lor. De asemenea nodul GGSN realizează funcțiile de autentificare și taxare. În general, există o relație de 'mai mulți la mai mulți' între nodurile SGSN și nodurile GGSN: un nod GGSN este interfața cu rețelele externe de date pentru mai multe noduri SGSN, iar un nod SGSN își poate ruta pachetele sale spre diferite noduri GGSN pentru a putea ajunge la diferite rețele externe de date.

În figura 13 sunt reprezentate și interfețele dintre noile noduri ale rețelei și rețeaua GSM clasică. Astfel, interfața Gb conectează unitățile BSC cu nodul SGSN. Prin intermediul interfețelor Gp și Gn sunt transmise datele utilizatorilor și cele de semnalizare între nodurile GSN. Dacă nodurile SGSN și GGSN sunt localizate în aceeași rețea GPRS se folosește interfața Gn, iar dacă acestea se afla în rețele GPRS diferite, se folosește interfața Gp.

Toate nodurile GSN sunt interconectate prin intermediul unei magistrale GPRS bazate pe protocolul IP. În interiorul acestei magistrale, nodurile GSN încapsulează pachetele de date și le transmit folosind protocolul de tunelare GPRS.

Figura 13. Arhitectura sistemului de date GPRS

(Sursa: http://www.creeaza.com/tehnologie/comunicatii/DECT589.php)

Sisteme automate de identificare fără contact

În ultimii ani, tehnologiile de identificare au devenit din ce în ce mai populare în majoritatea domeniilor, acestea oferind o varietate de servicii, cum ar fi: eficiență ridicată în procesare a informațiilor, rapiditate și acuratețe în citirea lor, economie în producerea și implementarea acestor sisteme; acestea având o rată a erorilor foarte scăzută spre nulă, față de forța de muncă umană.

Sistemele de identificare automată au un impact major, nu numai în evoluția tehnologiei din zilele noastre, ci și în viața de zi cu zi a fiecăruia.

Identificarea automată există pentru a furniza informații despre oameni, animale, obiecte, dar și despre tranzitul diferitelor produse.

Avem nevoie de un astfel de sistem în mașină, transportul public, punctele de acces importante, chiar și pentru cele mai simple tranzacții, în logistică dar și în sănătate. Cea mai comună metodă de identificare este codul de bare, care la momentul descoperirii sale a reprezentat o revoluție în acest tip de tehnologie. Deși prețul de fabricație al acestora este foarte scăzut, inconvenientul major este reprezentat de imposibilitatea reprogramării, dar și de capacitatea de stocare a informațiilor, aceasta fiind redusă. Totuși contactul fizic necesar acestui tip de identificare este adesea nepractic.

Prezentare generală a sistemelor de identificare este reprezentată în figura14:

Figura 14. Intercorelarea sistemelor de identificare automată

(Sursa: http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/SISTEME-DE-IDENTIFICARE123941113.php)

Alte metode cunoscute de identificare: benzile magnetice atașate cardurilor folosite ca metodă de plată, proceduri biometerice de identificare umană, confirmarea autenticității cu ajutorul hologramelor, sisteme de identificare prin radiofrecvență (RFID) asupra cărora ne vom îndrepta atenția.

Sisteme de identificare prin radiofrecvență (RFID)

Identificarea prin radiofrecvență (RFID) este ultima și cea mai avansată metodă tehnologică de colectare automată a datelor, câștigând o largă acceptare pe măsură ce oamenii înteleg și utilizează această tehnologie.

RFID este un sistem de identificare asemănător tehnologiei cu cod de bare, dar care acționează prin proximitate, fără contact direct.

Sistemele cu cod de bare necesită un cititor și etichete adezive lipite pe obiecte, pe când RFID necesită un cititor și tag-uri speciale sau cartele atașate/integrate în obiecte. Prin comparație, codul de bare utilizează reflexia unui fascicul luminos peste eticheta ce conține tipărit codul, iar RFID folosește un câmp de radiofrecvență de putere mică. Acest câmp de radiofrecvență nu necesită o poziționare precisă a obiectului la citire, el penetrează orice material nemetalic, nefiind necesar contactul direct cu echipamentul de citire.

Procedura tehnică de bază provine din ingineria undelor radio și radar.

Datorită numeroaselor avantaje, acest sistem se folosește la cardurile inteligente fără contact pentru transportul public local, sistematizarea campusurilor și aeroporturilor prin identificarea obiectelor, managementul traficului, este ideal pentru toate tipurile de identificare a vehiculelor inclusiv accesul vehiculelor într-un parc auto, poziționarea trenurilor, identificarea vagoanelor, monitorizarea și identificarea vehiculelor în mișcare, etc.

Sistemele RFID pot avea etichete pasive (sunt alimentate cu energie în momentul interogarii de către echipamentul de citire) sau active (alimentate cu energie de la o baterie de mici dimensiuni).

Microcircuitele RFID au dimensiuni de ordinul milimetrilor și din acest motiv, pot fi integrate în cele mai diverse obiecte, de la ambalaje ale produselor de tot felul, la bancnote sau carduri de plată. În plus, oferă un nivel ridicat de securitate a datelor, pot stoca până la 8 kb de date și pot fi reutilizate de foarte multe ori.

Prin RFID nu se dorește înlocuirea codului de bare în toate aplicațiile, dar RFID trebuie să fie considerată o metodă adițională de colectare a datelor ce poate fi utilizată singular sau în combinație cu alte metode. Fiecare formă de colectare a datelor are avantaje proprii.

Sistemul RFID complet este compus din următoarele componente, reprezentarea acestuia este ilustrată în figura 15:

un cip RFID, constituit dintr-un chip de memorie (microprocesor) atașat la o antenă; acest chip are un număr de identificare unic de 10 cifre în hexazecimal; formatul datelor memorate poate fi adaptat specificațiilor aplicației software;

un cititor RFID, ce poate fi conectat la un computer, PDA (calculator mic portabil, un fel de agendă) sau se poate conecta la o stație; acest cititor este similar unui scanner de cod de bare, practic asigură comunicația dintre tag-ul RFID și echipamentul la care este conectat;

antena RFID conectată la cititor; dimensiunea și structura sa depinde de distanța de comunicație necesară pentru anumite prelucrări; antena emite semnale radio care activează chip-ul; chip-ul RFID transmite înapoi la antenă un semnal radio cu numărul său de identificare, iar antena RFID transmite acest număr unic cititorului RFID pentru decodificare.

Combinația dintre cititor și antenă constituie o stație RFID. Aceasta permite citirea informațiilor memorate în tag-ul RFID, permițând și actualizarea tag-ului RFID cu noi informații.

Comunicația dintre chip-ul RFID și stația RFID este wireless, deci datele pot fi citite de la distanță. Distanța de citire variază în funcție de dimensiunea antenei, de orientarea receptorului față de antenă, de poziția receptorului față de centrul antenei, precum și de tipul receptorului.

Figura 15. Schema bloc a sistemului RFID

(Sursa: www.intechopen.com – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation)

Semnalul de interogare care vine de la antena cititorului trebuie să aibă suficientă putere pentru a activa microcipul receptorului, prin activarea antenei tag-ului se efectuează prelucrarea datelor și se transmit înapoi datele stocate în cip; interval de citire necesar în mod tipic este de 0.3 s – 1 min. Antena cititorului recepționează semnalul modulat de tag-uri și analizează datele.

Etichete / tag RFID:

Tag-ul este blocul de bază al tehnologiei RFID. Fiecare etichetă este formată dintr-o antenă și un mic cip de siliciu, care conține un receptor radio, un modulator radio pentru a trimite înapoi un răspuns la cititorul, logica de control, o anumită cantitate de memorie , precum și un sistem de putere.

Tag-urile conțin un număr unic de identificare și alte informații suplimentare de interes pentru producători, organizațiile medicale, organizații militare, furnizori de servicii logistice și comercianți sau alte persoane care au nevoie pentru a urmări fizic locul de amplasare a mărfurilor sau al echipamentelor .

Toate informațiile referitoare la etichetele RFID, cum ar fi atributele produsului, dimensiuni fizice, prețuri, etc, pot fi scanate radio cu ajutorul unui cititor la o viteză mare și la o distanță de câțiva metri.

După sistemul de alimentare , etichetele pot fi clasificate în trei tipuri:

tag-ul pasiv: aceste etichete utilizează semnalul recepționat de la cititor pentru a alimenta circuitul integrat și variază în funcție de puterea semnalului pentru a transmite informații înapoi la cititor; tag-urile pasive sunt cele mai comune în aplicații ce necesită costuri reduse, deoarece neavând nici o baterie și nici un transmițător , acestea sunt foarte ieftine; un astfel de tag este ilustrat în figura 16.

Figura 16. Schema bloc tag pasiv

(Sursa: www.intechopen.com – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation)

tag-ul activ: aceste etichete au propria capacitate de a transmite independent de cititor; avantajele principale ale tag-urilor active sunt citirea lor pe o raza de acțiune mai mare și siguranța că datele vor ajunge la cititor; tag-urile tind să fie mai sigure, deoarece acestea nu au nevoie de un semnal radio continuu dar, datorită folosirii unei baterii ce se poate defecta/consuma; tag-urile active ilustrate în figura 17, au dezavantajul termenului de valabilitate mai scurt decât etichetele pasive, în mod normal, la câțiva ani de la fabricație acestea trebuiesc înlocuite.

Figura 17. Schema bloc tag activ

(Sursa: www.intechopen.com – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation)

etichete semi-pasive: aceste tag-uri reprezentate în figura 18, sunt cunoscute sub numele de tag-uri pasive asistate de baterii, au o baterie la fel ca tag-urile active, dar încă mai folosesc puterea cititorului pentru a transmite un mesaj către acesta, doar atunci când este nevoie; aceste etichete au prin urmare, siguranța unui tag activ și intervalul de citire al unui tag pasiv; ele au de asemenea, un termen de valabilitate mai lung decât o etichetă deplin activă .

Figura 18. Schema bloc tag semi-pasiv

(Sursa: www.intechopen.com – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation)

Cititor RFID:

Cititorul RFID trimite un impuls de energie radio la tag-ul respectiv și așteaptă răspunsul etichetei. Tag-ul detectează această energie și trimite înapoi un răspuns care conține numărul de serie al etichetei și eventual, alte informații. În cazul sistemelor RFID simple, cititorul funcționează ca un comutator pornit-oprit; în sisteme RFID mai sofisticate, semnalul cititorului conține comenzi pentru etichetă, instrucțiuni pentru a citi sau a scrie în memoria etichetei, poate conține chiar parole.

Cititoarele RFID de obicei, transmit continuu energia radio și așteaptă răspuns de la orice tag care intră în câmpul lor de acțiune. Cu toate acestea, pentru anumite aplicații, acest lucru nu este necesar și nu este de dorit în cazul dispozitivelor alimentate cu baterii, care au nevoie de conservarea energiei. Astfel, este posibilă configurarea unui cititor RFID, astfel încât acesta transmite pulsul radio, numai ca răspuns la un eveniment extern.

De exemplu, majoritatea sistemelor de taxare rutieră electronică au cititor în mod constant alimentat, astfel încât fiecare mașina care trece va fi înregistrată.

La fel ca și etichetele, cititorii RFID vin în mai multe dimensiuni. Cei mai mari cititori sunt formați dintr-un calculator personal de birou cu o cartelă specială și antene multiple conectate la card printr-un cablu ecranat. Un astfel de cititor ar avea în mod tipic o conexiune de tipul unei rețele, astfel încât să poată raporta etichetele pe care le citește și pe alte calculatoare. Cele mai mici cititoare sunt de mărimea unui timbru poștal, ele sunt proiectate pentru a fi încorporate în telefonul mobil.

Antena RFID:

Sincronizare și puterea semnalului care trece prin antenă, proiectarea acesteia este critică pentru aplicațiile RFID.

O antenă optimă pentru un semnal de radiofrecvență este una care are aceeași dimensiune liniară ca și lungimea de undă a receptorului RF.

În cazul în care antenele sunt foarte mici în comparație cu lungime de undă , efectul trecerii curentului prin antenă se anulează când detecția se face la o distanță mare, astfel nu există nici o radiație.

Pentru un sistem RFID HF, de exemplu, lungimea de undă a purtătorului de frecvență egală cu 13,56 MHz este 22,12 m. Prin urmare, utilizarea unei antene reale pentru majoritatea aplicațiilor RF nu este practică. În schimb, RFID folosește un circuit electric mic în buclă, pentru o antenă proiectată a rezona la frecvența dorită.

Circuitul rezonant paralel tipic al antenei tag-ului cuprinde inductanța, rezistența și capacitatea în circuitul buclă al antenei, cu frecvența rezonantă

. (1)

În acest circuit echivalent, capacitatea este suma capacității condensatorului, capacitățile parazite ale bobinei antenei și a bobinei la un nivel minim pentru a crește factorul de calitate (Q) al antenei, astfel încât să maximizeze energia disponibilă către tag.

Figura 19. Circuitul rezonant paralel tipic al antenei

(Sursa:http://www.electronicproducts.com/Passive_Components/Circuit_Protection/Fundamentals_of_RFID_communications.aspx)

La RFID pasiv, antenele cititorului și tag-ului formează un transformator astfel încât timpul de propagare de la cititor la tag este o parte a timpului de ciclu. Prin urmare, aceste sisteme care sunt cunoscute ca sisteme cuplate inductiv, sunt limitate la distanțe de detecție scurte comparabile cu dimensiunea antenei.

În practică, sistemele RFID inductive folosesc de obicei dimensiuni de antenă de la câțiva cm la aproximativ un metru și frecvențele de 125/134 KHz (frecvențe joase) sau 13.56 MHz (frecvențe înalte). Astfel, lungimea de undă este mult mai mare decât antena.

Figura 20. Detectarea de câmp cititor RFID

(Sursa: www.intechopen.com – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation)

Antenele sunt componentele cheie ale oricărui sistem de comunicație fără fir. În conformitate cu standardul IEEE, antena este definită ca "un mijloc de transmitere sau recepționare a undelor radio". Cu alte cuvinte, ele sunt dispozitive care permit transferul unui semnal în unde care, la rândul lor, se propagă prin spațiu și pot fi recepționate de către o altă antenă. Antena care primește este responsabilă pentru transformarea undei electromagnetice într-un semnal sau tensiune la bornele sale, care poate fi ulterior prelucrată de către receptor.

Parametrii necesari pentru a caracteriza complet o antenă și de a determina dacă aceasta este optimizată pentru o anumită aplicație :

Figura 21. Modelul liniei de transmisie

(Sursa: www.intechopen.com – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation)

Impedanța lățimii de bandă indică lățimea de bandă pentru care antena este suficient de potrivită liniei sale de intrare necesară transmisiei, astfel încât 10% sau mai puțin din semnalul incident se pierde datorită reflexiilor. Măsurarea impedanței lățimii de bandă include caracterizarea parametrului raportul undei staționare de tensiune (Voltage Standing Wave Ratio) și pentru a preveni pierderile de randament pe toată banda de interes. VSWR și pierderile de randament sunt ambele dependente de măsurarea coeficientului reflexie Γ. Γ este definit ca raportul dintre unda reflectată V0- și unda incidentă V0+ la o sarcină a liniei de transmisie așa cum se arată în figura 21 și poate fi calculată prin ecuația:

(2)

Zlinie și Zsarcină sunt impedanța liniei de transmisie și respectiv impedanța sarcinii (antenei). Tensiunea și curentul prin linia de transmisie ca o funcție a distanței de la sarcină, z, sunt date după cum urmează:

(3)

) (4)

unde β = 2π/λ (5)

Γ- coeficientul reflexie este echivalent cu parametrul S11 al matricei de împrăștiere. O potrivire de impedanță perfectă ar fi indicată prin Γ = 0. Nepotrivirea de impedanță este dată de Γ = -1 sau 1, corespunzătoare unei impedanțe a sarcinii de scurtcircuit sau întrerupere (gol).

Puterea reflectată la bornele antenei este principala preocupare legată de impedanța de potrivire. Media timpului fluxului de putere este măsurată de obicei de-a lungul unei linii de transmisie pentru a determina puterea medie livrată la sarcină. Puterea incidentă medie este dată de:

(6)

Puterea reflectată este proporțională cu puterea incidentă cu un factor multiplicativ al ,după cum urmează:

(7)

Atunci puterea medie livrată sarcinii este suma dintre puterea medie incidentă și puterea medie reflectată:

(8)

Deoarece puterea livrată sarcinii este proporțională cu, o valoare acceptabilă a Γ care permite doar 10% din puterea reflectată poate fi calculată. Acest rezultat este Γ = 0.3162. Atunci când o sarcină nu se potrivește perfect cu linia de transmisie, reflexii către sarcină provocă o undă ce se propagă negativ, fapt ce duce la propagare în jos linia de transmisie. În cele din urmă, acest lucru creează unde staționare nedorite în linia de transmisie. VSWR măsoară raportul dintre amplitudinile maxime ale undei staționare și amplitudinile minime ale undei staționare și poate fi calculat prin ecuația de mai jos:

(9)

Valoarea dorită în mod tipic a VSWR pentru a indica o potrivire bună de impedanță este mai mică sau egală cu 2. Această limită VSWR este derivată din valoarea calculată mai sus a Γ. Pierderile de randament sunt o altă măsură de îmbunătățire a potrivirii impedanței, de asemenea dependentă de valoarea lui Γ, sau S11. Pierderile de randament ale antenei se calculează prin următoarea ecuație:

, sau -20 log (10)

O potrivire bună a impedanței este indicată printr-o pierdere de randament mai mare de 10 dB (decibeli). Un rezumat al parametrilor de impedanță a antenei doriți includ Γ < 0.3162, VSWR < 2 și pierdere de randament > 10 dB (decibeli).

Frecvențe de operare a sistemului RFID

Frecvența se referă la lățimea de bandă a undelor radio folosite pentru comunicarea între componentele sistemului de identificare prin radiofrecvență. Se poate considera că utilizarea frecvențelor superioare are ca și consecință un transfer de date mai rapid și pe o distanță de citire mai mare, dar pe de altă parte crește și sensibilitatea la factorii de mediu. Datorită spectrului radio diferit în care operează, echipamentele (și implicit aplicațiile) RFID se împart în mai multe categorii.

Alegerea benzii de frecvență optime pentru o aplicație RFID este dictată în primul rând de condițiile de mediu în care sistemul trebuie să funcționeze precum și de cerințele aplicației. Astfel, pentru Europa și Africa benzile de operare sunt:

Joasă frecvență (LF-Low Frequency):

F=125/134 KHz – dispozitive cuplate inductiv, pentru care majoritatea țărilor nu solicită autorizarea sistemelor ce operează în această bandă. Aplicații uzuale:

identificarea animalelor, control acces, managementul recipientelor;

distanțe de citire: 0.1 până la 1 m;

viteza de transfer a datelor ( < 1kbit/s);

funcționare excelentă în apropierea metalelor sau în lichide.

Înaltă frecvență (HF-High Frequency):

F =13,56 MHz – elemente electronice de supraveghere. Aplicații uzuale:

inventariere-arhivare documente, control bagaje, transport auto;

distanțe de citire: 1 m până la 3 m;

viteza de transfer a datelor se apropie de 25 kbit/s;

această bandă de frecvențe are cele mai multe aplicații posibile.

Foarte înaltă frecvență (Ultra High Frequency-UHF):

F=850 MHz – 2,46 GHz. Cuprinde două domenii: cel al frecvențelor cuprinse între 430 și 460 MHz – aplicații industriale, științifice, medicale și cel al hiperfrecvențelor cuprinse între 2.35 și 2.45 GHz – aplicații cu spectru distribuit. Caracteristici pentru acest domeniu:

aplicații uzuale: transport auto, parcare, managementul containerelor;

distanțe de citire: 1 până la 12 m;

viteza de transfer a datelor ajunge aproximativ la 100 kbit/s;

permit identificarea vehiculelor în mișcare cu viteze de peste 100 km/h.

Parametrii de performanță specifici , cum ar fi distanța de citire și viteza de transfer a datelor, depind în mare măsură de proiectarea tag-ului, instalare și mediu.

Datorită faptului că sistemele RFID generează și propagă unde electromagnetice, ele sunt legal clasificate ca sisteme radio.

Funcționarea altor servicii radio nu trebuie sub nici o formă să fie întreruptă sau bruiată de operarea sistemelor RFID. Un punct important este asigurarea că sistemele RFID nu creează interferențe aparatelor radio sau de televiziune aflate în vecinătatea sistemelor de comunicații radio mobile (poliție, servicii de securitate, industriale), sistemelor radio aeronautice și maritime, inclusiv a celor de telefonie mobilă.

Domeniul de lucru al sistemelor RFID variază de la câțiva milimetri până la peste 15 m. Pentru cuplajul dintre cititor și tag se utilizează câmpul electric, magnetic și electromagnetic. Repartițiile frecvențelor se fac după necesitatea utilizărilor, pe regiuni (țări, continente) de către structuri regionale internaționale sub directa supraveghere a UIT (Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor).

În Romania, Ministerul Comunicațiilor, prin Autoritatea Națională pentru Reglementare în Comunicații și Tehnologia Informației (ANRCTI), aplică reglementările Uniunii Europene. Reglementarea se referă la dispozitive cu rază de acțiune mică care pot fi utilizate fără licență – pentru RFID fiind esențiale.

Modalități de transmisie a datelor

În sistemele RFID pasive, cititoarele comunică cu tag-urile prin modularea amplitudinii, fazei sau frecvenței purtătoarei, în conformitate cu proiectarea sistemului RFID. Tag-urile trimit un răspuns folosind metode care depind de faptul că eticheta funcționează în câmpul apropiat sau câmpul îndepărtat al cititorului.

Comunicații în câmp apropiat (NFC) au avantajul folosirii cuplajului inductiv dintre antenele cititorului și tag-ului. Aici, eticheta transmite datele sale prin varierea sarcinii pe bobina antenei, care este proporțională cu tensiunea pe antena și implicit semnalul primit de către cititor. Prin comutarea rapidă a amplitudinii sarcinii bobinei, eticheta poate comunica răspunsul ca o modulare a purtătoarei RF.

Figura 22. Circuit echivalent – comunicație cititor – tag

(Sursa:http://www.electronicproducts.com/Passive_Components/Circuit_Protection/Fundamentals_of_RFID_communications.aspx)

Modele diverse de etichete pun în aplicare pe scară largă diferite variante ale modulației digitale de amplitudine (ASK), de frecvență (FSK), de fază (PSK), modularea poziției impulsului (PPM), modularea duratei impulsului (PDM).

Prin punerea unui tranzistor în conducție folosind un semnal modulator, o etichetă poate varia sarcina pe circuitul rezonant al antenei pentru a transmite date, utilizând un semnal RF modulat, înapoi la un cititor.

Exemplu, o etichetă cu o inductanță a bobinei de 2,5 mH conectată la bornele antenei (VA și VB) are nevoie de un condensator de 648 pF (presupunând capacitatea parazită de 2 pF ilustrată cu linie întreruptă) pentru a rezona la frecvență de funcționare 125 kHz.

Figura 23. Forme de semnal

(Sursa:http://www.electronicproducts.com/Passive_Components/Circuit_Protection/Fundamentals_of_RFID_communications.aspx)

Adesea, metodele de comunicare ale tag-urilor necesită un vârf de putere ce o depășește pe cea dobândită prin cuplaj inductiv. În aceste cazuri, proiectarea tag-ului include, de obicei, un condensator suplimentar.

În timpul unei faze de alimentare a protocolului de comunicație, purtătoarea cititorului energizează circuitul rezonant din tag, dar acum această tensiune indusă este redresată de microcipul tag-ului pentru a încărca condensatorul. La sfârșitul fazei de alimentare, eticheta transmite datele folosind energia stocată în condensator.

Acest tip de protocol de comunicații secvențial diferă de comunicațiile full-duplex și half-duplex, care transmit purtătoarea ce furnizează energie în mod continuu în timp ce fac schimbul de informații simultan (full-duplex) sau în perioade alternative (semi-duplex) .

Transferul de energie prin transmiterea semnalului RF are loc în mod continuu în full-duplex (FDX) și semi-duplex (HDX), spre deosebire de sistemele secvențiale (SEQ) unde transmiterea semnalului RF are loc în pulsuri. Sisteme SEQ sunt folosite la etichetele RFID care utilizează astfel de cicluri de putere care încărca un condensator pentru a obține puterea necesară.

În modul FDX și HDX receptorul comunică cu cititorul când acesta este în raza de a acțiune.

În regimul full-duplex, transferul de date care se realizează între receptor și cititor (up-link) are loc în același timp cu cel dintre cititor și receptor (down-link). Acesta include proceduri în care datele sunt transmise cu o fracțiune din frecvența cititorului. Transferul de energie de la cititor la receptor este continuu.

În regimul half-duplex transferul datelor de la receptor către cititor alternează cu același transport de la cititor către receptor. Metoda armonicilor, la frecvențele sub 30MHz este cel mai adesea folosită cu modulația sarcinii pe purtătoare sau cu / fără modulația pe subpurtătoare, iar la frecvențe peste 100MHz există procedura de reflexie pe secțiunea transversală. În regimul secvențial transferul de energie de la receptor la cititor are loc doar pentru o perioadă limitată de timp – intervale de timp. Pe primul interval se realizează transmisia de date și energie între receptor și cititor, în intervalul de timp următor se realizează de la cititor către receptor.

Figura 24. Reprezentarea procedurilor de transmisie a datelor : HDX, FDX și SEQ

(Sursa:http://www.electronicproducts.com/Passive_Components/Circuit_Protection/Fundamentals_of_RFID_communications.aspx)

Principiile de funcționare ale sistemelor RFID

Metoda radiofrecvenței (modularea sarcinii):

Reprezintă modificarea rezistenței de sarcină echivalentă a amplificatorului final al cititorului. Metoda se folosește în frecvență înaltă (14 MHz). Receptorul include un circuit LC rezonant pe o frecvență f0. Generatorul cititorului injectează curent într-o bobina – cadru (cu dimensiuni mari, cât să treacă obiectul purtător al receptorului). Curentul și câmpul creat de bobină este o frecvență liniar variabilă. Când receptorul este în câmpul magnetic generat de cititor, are loc absorbția de energie de către circuitul rezonant, la frecvență f0; această absorbție, destul de mică este totuși perfect detectabilă, ca o scădere a tensiunii la bornele bobinei inductoare sau ca o creștere a curentului prin bobină. Ceea ce se întâmplă este de fapt o scădere a rezistenței de sarcină echivalente la bornele amplificatorului care alimentează bobina cititorului. Dezactivarea receptorului se face introducându-l în fanta unui generator de câmp foarte intens. Bobina și condensatorul sunt executate pe cartele prin depunere de strat metalic foarte subțire (câțiva µm).

Metoda dublării frecvenței:

Este folosită în microunde ( ≥ 2.45 GHz), se bazează pe generarea, de către receptor, a unei unde radio cu frecvență dublă față de a undei cititorului; energia necesară se preia din unda emisă de cititor. Dublarea / triplarea frecvenței prin deformarea undei cu frecvența fundamentală și selecția armonicei, fără a fi necesară altă energie decât semnalul fundamental, se poate face numai folosind dispozitive neliniare – intensitatea curentului variază neliniar. Eficiența energetică mare a operației o pot asigura numai dispozitivele pasive neliniare și reactive (L și C). Dintre acestea, în prezent și numai în domeniul microundelor (≈ 2GHz) se folosesc diodele varicap.

În principiu, receptorul constă într-un circuit format dintr-un dipol între ale cărui brațe este plasată o dioda varicap. Când se recepționează o unda RF cu f0, în dipol ia naștere un curent a cărui frecvență este dublă (2f0) datorită varicapului dintre brațe; există și curent cu frecvența fundamentală f0 (semnalul recepționat) – astfel nu ar exista energie pentru armonică. Față de semnalul cu 2f0 dipolul acționează ca o antenă perfect acordată (dacă este acordată în λ – (lungimea de unda) la f0, este acordat în 2 λ la 2f0) și astfel funcționează ca o foarte bună antenă de emisie. Radiația cu 2f0 este captată chiar de antena cititorului, iar semnalul este trimis prin duplexor (sistem care asigură comunicația simultană a mai multor transmisiuni) la amplificator. Adesea, semnalul cititorului este modulat digital ASK (semnalul de date modulează amplitudinea unei sinusoide) sau FSK (semnalul de date modulează frecvența unei sinusoide), replica receptorului este de asemenea modulată: ASK cu aceleași caracteristici. Modularea permite o mai bună și mai sigură separare a semnalului util de cele perturbatoare.

Metoda divizării frecvenței (subarmonicei):

Este folosită mai ales în joasă frecvență (100 – 135 kHz) și se bazează pe generarea de câmp magnetic cu frecvența 1:2 din frecvența câmpului cititorului. Receptorul este prevăzut cu un mic circuit integrat (cip) care realizează divizarea frecvenței semnalului recepționat; energia necesară se preia din câmpul magnetic generat de cititor.

Metoda modelului electromagnetic:

Multiplicarea frecvenței cu inductor saturabil se bazează pe utilizarea corpurilor feromagnetice cu caracteristică de histerezis foarte abruptă, cu inducție de saturație mică. Din pulberile acestor materiale se formează pelicule foarte subțiri. În câmpuri magnetice de foarte joasă frecvență și de joasa frecventa (10Hz – 20kHz), materialul ajunge la saturație, dependența câmp (H), inducție (B) este profund neliniară. Aceste materiale se folosesc cu succes ca generatoare de armonice cu dispozitive reactive inductive (exact cum diodele varicap funcționează ca dubloare / triploare de frecvență reactivă – capacitivă). De fapt receptorul constă dintr-o peliculă magnetică depusa sub formă de bandă (sau pătrat, dreptunghi) pe tagul / cartela produsului. Cititorul este o bobină. Când bobina magnetică (receptorul) ajunge practic în apropierea sau în interiorul bobinei cititorului, comportarea este aceea a unei bobine cu miez magnetic saturabil , o bobină neliniară.

Daca se aplică un câmp destul de intens, în bobină se obțin tensiuni electromotoare induse sub forma unor impulsuri scurte și cu amplitudine mare. Aceste impulsuri au un spectru discret larg. Dacă se aplică un curent, suma a 2-3 curenți cu frecvențele f1 f2 f3, trenul de impulsuri generat are în spectru toate combinațiile celor 3 frecvențe. Pentru a fi dezactivate, aceste pelicule se depun, pe folii din material magnetic dur. Trecând un magnet permanent (în curent continuu) peste folie aceasta se magnetizează, câmpul coercitiv (remanent) fiind destul de mare pentru a asigura saturația peliculei saturabile, aceasta nu mai este influențată de câmpul variabil al cititorului. Reactivarea se face prin demagnetizare în câmp alternativ scăzător.

Avantajul acestor sisteme constă în posibilitatea de a lucra și în medii metalice, pot fi depuse pe corpuri metalice.

Metoda acustometrică ( a undei de suprafață SAW – Surface Acoustic Waves):

Utilizează folii din metal feromagnetic dur pe care se depune o peliculă din pulbere magnetică cu proprietăți magnetostrictive. În câmp magnetic particulele pot oscila mecanic prin magnetostricțiune; efectul este intens dacă frecvența câmpului inductor coincide cu frecvența de rezonanță mecanică a particulelor. Frecvențele utilizate sunt joase : 30 – 75 kHz.

Informații prelucrate de receptor

Dacă clasificăm sistemele RFID în funcție de cantitatea de informații conținute, de funcțiile de prelucrare a datelor oferite de către tag și de dimensiunea memoriei de date, se obține un spectru larg de variante. Extremele acestui spectru sunt reprezentate de sistemele de mică capacitate (inferioare) și sistemele de mare capacitate (superioare).

Sistemele de supraveghere a articolelor electronice (EAS) reprezintă treapta inferioară a sistemelor inferioare. Aceste sisteme verifică și monitorizează eventual o posibilă prezență a unui receptor în zona unității de detectare și interogare a cititorului.

Receptoarele care pot fi doar citite cu microcip sunt, de asemenea, clasificate ca sisteme inferioare. Aceste receptoare au un set de date codificate permanent care constă, în general, doar într-un număr de serie, unic format din mai mulți biti. Datorită faptului că acestea emit mereu un flux unidirecțional cu un număr unic, este necesar să ne asigurăm că în raza cititorului nu mai există alt receptor din același tip pentru a nu bloca citirea, respectiv, cititorul nu este capabil, să preia informația transmisă. Funcția sa simplă a făcut ca fabricarea acestui receptor să fie ieftină, zona cipului să se micșoreze însemnând un consum redus de energie.

Mijlocul gamei este ocupat de o varietate de sisteme, memoria datelor putând fi scrisă, ceea ce înseamnă că acest sector are de departe cea mai mare diversitate. Dimensiunile memoriei variază de la câțiva biți până la peste 100Kb EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), tip de memorie nevolatilă folosită în calculatoare și alte echipamente electronice pentru a stoca datele ce trebuie să persiste și după întreruperea alimentării sau SRAM (Static Random Access Memory), tip de memorie semiconductoare, nu mai este necesar un ciclu periodic de reîmprospătare deoarece memoriile folosesc circuite logice combinaționale pentru a memora fiecare bit (receptor activ cu acumulator de rezervă). Aceste receptoare sunt capabile să proceseze comenzi simple. Pot fi amplasate în număr mai mare în zona de interogare, emițând în același timp, și tot odată acestea neinterferând între ele. Procedurile de criptare, adică de autentificare între receptor și cititor, dar și fluxul de date criptate sunt, de asemenea, frecvente în aceste sistemele. Aceste sisteme pot fi operate la toate frecvențele disponibile pentru sistemele RFID.

Segmentul superior este alcătuit din sisteme cu un microprocesor și sistem de operare pentru cardurile inteligente (OS smart card). Utilizarea microprocesoarelor facilitează realizarea criptării și autentificării mult mai complexe. Sistemele superioare operează aproape exclusiv la frecvența 13.56MHz. Transmisia de date între receptor și cititor este descrisă în standardul ISO 14443.

Cerințe de securitate impuse de RFID

Securitatea reprezintă o necesitate de o importanță deosebită în tehnologia folosită de sistemele RFID. Prin criptarea datelor și autentificarea echipamentului cerințele impuse pentru securitate se îndeplinesc. Astfel se elimină majoritatea problemelor care pot să apară la implementarea și utilizarea sistemului. Atacurile la adresa unei tehnologii fără contact pot fi motivate prin însușirea de bunuri materiale sau incapacitatea unui întreg sistem de a mai funcționa de către anumite persoane cu rele intenții. Totuși acest sistem poate fi judecat ca și o tehnologie invazivă față de intimitatea personală a omului.

Exista câteva metode prin care ne putem păstra intimitatea personală:

distrugerea tagurilor, ruperea sau dezactivarea lor;

bruiajul activ: ecranarea tagurilor cu ajutorul unui aparat ce emite mereu semnale radio pentru a bloca cititoarele din vecinătate;

taguri complexe: controlul accesului la informația inscripționată pe un tag privind criptarea, modificarea sau manipularea datelor;

taguri cu posibilitatea de blocare: blochează accesul către tagurile RFID folosind un aparat ce preia calitățile tagului original neavând date inscripționate;

procesarea personală a datelor: aparatele personale furnizează servicii utilizatorilor cu capacitatea de a nu trimite coduri de identificare celorlalte aparate străine sistemului local;

managementul informației: controlul depozitelor de marfă, și prelucrarea informațiilor în baza de date;

reguli sociale: ghiduri de informare cu privire la folosirea tehnologiei RFID și reglementarea acesteia prin legi.

Cușca Faraday: prin construirea acesteia, semnalele radio sunt blocate;

Avantaje / dezavantaje tehnologie RFID

Avantajele tehnologiei RFID:

Viteza mare de încărcare/descărcare; utilizarea acestei tehnologii reduce timpul necesar efectuării operațiilor, informația poate fi citită mult mai rapid, decât cea inscripționată pe codurile de bare și pot fi citite mai multe elemente odată;

Îmbunătățirea semnificativă se obține prin procedura de auto încărcare sau descărcare datorită lipsei necesitații de a plasa bunurile într-o zonă specifică, cu grijă, și datorită posibilității de a încărca mai multe obiecte în același timp; personalul este degrevat de aceste sarcini, când cititoarele sunt instalate;

Înaltă fiabilitate. Cititoarele sunt foarte precise. Comercianții bazelor de date susțin ca aparatele au o precizie de 100% de detecție a tagurilor RFID;

Viteza mare de inventariere. Un avantaj unic pe care îl au sistemele RFID este acela că au abilitatea de a scana cărți pe un raft fără ca acestea să fie scoase sau mișcate din poziția lor. Un inventar de mână al cărților se poate utiliza cu ușurință pentru a împrospăta informațiile deja cunoscute și folosind tehnologia wireless capacitatea și viteza de inventariere practic nu are o limită;

Altă aplicație a tehnologiei RFID este gestionarea automată a produselor. Aceasta include sistemele de sortare după categorie și transport cu mijloace separate. Acest lucru reduce timpul de lucru al personalului necesar pentru resortarea pe rafturi a produselor depozitate necorespunzător;

Viața de utilizare prelungită a tagurilor. Acestea pot fi folosite pe o perioadă mult mai lungă de timp, față de etichetele cu coduri de bare, deoarece nimic nu intră în contact cu ele. Majoritatea comercianților de taguri RFID susțin ca un număr minim de 100.000 de tranzacții este necesar înainte ca acestea să fie schimbate.

În funcție de tehnologia folosită, distanța de citire poate ajunge până la 10 m pentru tag-urile pasive și  până la 100 m pentru cele active;

Securitate Ridicată – datele pot fi criptate, protejate de parole sau pot include o funcționalitate de distrugere automată dacă se încearcă accesarea neautorizată;

Pot fi folosite pentru a declanșa anumite evenimente (ex: deschidere de uși, alarme etc.);

Informațiile pot fi scrise doar pe suport electronic.

Dezavantajele tehnologiei RFID:

Costuri ridicate. Dezavantajul major al tehnologiei RFID este costul implementării securității acestor sisteme, pe când costul în sine al sistemului este foarte mic;

Vulnerabilitatea sistemului. Un tag RFID poate fi compromis prin împachetarea lui în două sau trei straturi de material protector casnic, folie de aluminiu, pentru a bloca semnalul radio. Intenția de a utiliza acest mod de blocare prin aducerea de astfel de materiale în locurile în care este utilizată tehnologia RFID reprezintă intenția de furt premeditat;

Interferențele cu alte sisteme ce utilizează tehnologii fără contact;

Dificultatea cu care se pot realiza antenele direcționale.

Aplicații ale tehnologiei RFID în transportul feroviar

Echiparea unei stații și a unui tren are la bază două module:

un echipament se află localizat pe vagon;

un echipament se află amplasat în stație.

Cele două module fac schimb de date prin radio comunicație care este de tip semiduplex, astfel încât la un anumit interval de timp, numai un echipament face transmisie de date. Se poate utiliza orice metodă de modulație digitală, datorită faptului că transmisia de date este independentă de prelucrarea informațiilor.

Figura 25. Schema bloc a echipamentului

(Sursa: Ionel Petrescu ,Maria Claudia Surugiu, Buletinul AGIR, București, Supliment 1/2012)

Funcțiile sistemului: ansamblul de echipamente realizează cel puțin două funcții principale, ulterior se pot implementa și alte funcții:

funcția de comunicație: se realizează prin radio cu celelalte module, iar legătura cu calculatorul se realizează prin cablu sau prin infraroșu;

funcția de memorare: salvează informațiile.

Mesajele transmise de stație sunt:

identificatorul de stație împreună cu data și ora;

mesaj de confirmare, de primire corectă a mesajelor de la vagon.

Mesajul transmis de vagon este:

identificatorul de vagon.

Modulul de stație conține:

bloc de alimentare: din care se alimentează cu tensiune toate blocurile componente;

bloc de emisie radio;

bloc de recepție radio;

bloc de prelucrare a datelor : format dintr-un microcontroler ce prelucrează toate datele;

bloc de memorie: format dintr-o memorie EEPROM ce memorează datele;

bloc de comunicație cu calculatorul : asigură comunicația cu calculatorul pentru preluarea datelor din blocul de memorie;

bloc timer: furnizează data și ora.

Îmbunătățiri ce pot fi aduse sistemului:

montarea unor senzori pentru uși, deschiderea ușilor pe parcurs generează un eveniment ce poate fi înregistrat în memorie și eventual transmis stației prin care trece, sau personalului de pe locomotivă; de asemenea se poate determina momentul când s-a deschis ușa.

se pot monta senzori de temperatură ce generează o alarmă în cazul depășirii unor limite; alarma poate fi memorată, transmisă stației, sau personalului locomotivei;

la plecarea în cursă se poate memora tipul mărfii, cantitatea, stația de destinație și în cât timp trebuie să ajungă, aceast lucru fiind util în cazul mărfurilor perisabile; de exemplu în apropierea expirării perioadei stabilite se pot genera avertizări;

se pot monta detectoare de fum ce generează alarme transmise către stație, sau către personalul locomotivei;

la vagoanele cisternă se pot monta senzori de presiune și de nivel, de exemplu dacă se detectează o scădere de nivel înseamnă că există o fisură în vagonul cisternă; în funcție de necesități, modulele, pot fi adaptate pentru a îndeplini și alte funcții.

Modele de taguri

Monede (discuri):

Cea mai comună metodă de construcție a receptorului/tag este discul (monedă) în care tagul este asamblat în carcasă rotundă de plastic, cu un diametru de la câțiva milimetri la 10 cm. De regulă acesta are o gaură pentru șurub de fixare în centru. Pe lângă plastic, se mai poate utiliza polistiren sau rășini epoxidice care prezintă o eficacitate de funcționare la temperaturi ridicate.

Figura 26. Tag-uri RFID – Disc transparent

(Sursa: http://www.csb.be/wp-content/uploads/2014/08/disc-tags-pet.png)

Carcasa din sticlă:

Tag-urile încorporate în carcasă din sticlă au fost realizate pentru a fi introduse sub pielea unui animal, pentru ca acesta să poată fi identificat. Tuburile de sticlă de mărimea de 12-32 mm conțin o placă de circuit cu un microcip și un condensator folosit pentru filtrarea alimentării tagului. O sârmă de doar 0.03 mm grosime peste un miez de ferită, reprezintă antena tagului.

Figura 27. Tag-urI RFID – Carcasa din sticla

(Sursa: http://french.rfid-smartcard.com/sale-299266-em4102-em4105-hitags256-chip-125k-or-134-2k-glass-tag-rfid-transponder.html)

Carcasa din plastic:

Carcasa din plastic a fost realizată pentru diverse aplicații ce necesitată un grad de protecție ridicat. Această carcasă poate fi regăsită în cheile mașinii (sistemele de imobilizare electronică). Carcasa din plastic are avantajul de a încorpora microcipuri mai mari, având o bună toleranță la vibrații mecanice, cerință semnalată de industria de automobile. Aceasta este cea mai bună soluție pentru variațiile de temperatură sau loviri accidentale ale carcasei.

Figura 28. Tag-uri RFID – Carcasa din plastic

(Sursa:http://www.enzocard.eu/IMG/png/tags_rfid_

550.png)

Carcase utilizate la suprafețe metalice:

Carcasele speciale au fost realizate pentru a putea adăuga tag-uri cu cuplaj inductiv pe suprafețele de metal. Bobina tagului este matisată pe un miez de ferită. Ansamblul tagului este format dintr-o bobină lipită de un cip care este poziționat în spatele miezului de ferită. Acestea sunt introduse într-un strat de rășină pentru evitarea vibrațiilor puternice. Mărimea acestei carcase a fost standardizată (ISO 69873) pentru a putea fi introdusă în uneltele de diverse forme.

Carduri inteligente fără contact (formatul ID-1):

Formatul ID-1, este un format foarte popular, des întâlnit în practică sub forma cardurilor bancare sau de telefon. Acesta este cel mai des întâlnit format de card inteligent fără contact bazat pe tehnologie RFID. Suprafața mare a bobinei ce se regăsește în acest format, este principalul avantaj al acestuia, distanța de operare fiind sensibil mai mare. Realizarea acestora se face prin integrarea unei folii conținând tagul între două folii de plastic prin expunerea la o temperatură înaltă. Un alt avantaj al acestui format este unul comercial, fiind utilizat în scopuri de reclame. Ca dezavantaj putem expune incapacitatea de a realiza întotdeauna grosimea standardizata (ISO 7810).

Figura 29. Carduri inteligente fără contact

(Sursa: http://carcomputer.ro/img/Card%20

PVC%20RFID-jT8bx.jpg)

Tagul inteligent (smart label):

Acest format constructiv poate fi imprimat pe hârtie. Bobina este imprimată sau gravată pe o folie de plastic de grosime foarte mica – 0.1 mm. Tagurile sunt realizate ca autocolante, fiind folosite în masă pentru marcarea bunurilor de toate tipurile fiind flexibile și distribuite sub formă de role. Având o față din hârtie și una din plastic cu adeziv, se poate supraimprima pe partea de hârtie un cod de bare fiind o metodă suplimentară de identificare.

Figura 30. Tagul inteligent

(Sursa: http://www.nevakarten.de/upload/images/

1433321781037753.jpg)

Tag-uri cu bobină inclusă în cip:

Deși anterior s-au descris taguri cu tehnologie hibridă – antena separată de cip, acest tag se realizează cu scopul miniaturizării, cu bobină integrată în corpul circuitului integrat. Procedeul tehnologic de asamblare este încorporat în tehnologia de realizare a circuitelor CMOS și presupune un proces micro galvanic suplimentar. Exemple de utilizare ale acestui tag: curse de porumbei, întreceri sportive. Aceste taguri permit integrarea în orice formă constructivă.

Figura 31. Tag-uri cu bobină inclusă în cip

(Sursa:https://i0.wp.com/si.wsj.net/public/resources/images/MK-CO124_GOOGME_G_

20140724185211.jpg)

Poziționarea tagurilor pe tren

Identificarea cu ajutorul tagurilor în domeniul feroviar se poate întâlni sub forma a două tipuri principale:

Taguri montate pe obiective în mișcare: adică pe locomotivă sau vagoane, cititorul acestora fiind pus de o parte și de alta a șinei. Această metodă are un real succes în informarea pasagerilor asupra traficului în timp real (locația trenului), operații întreținere și de funcționare asupra configurației trenului.

Tagurile pot avea diferite poziții, acestea sunt reprezentare în figura 32:

de o parte și de alta a vagonului și un cititor fix;

montat într-o singură parte și două cititoare de o parte și de alta;

montat deasupra și un cititor;

montat dedesubt și un cititor.

Figura 32. Poziționarea tag-urilor

(Sursa: Ionel Petrescu ,Maria Claudia Surugiu, Buletinul AGIR, București, Supliment 1/2012)

Cititoare montate pe obiective în mișcare: sunt amplasate pe locomotive, iar tagurile sunt poziționate pe șina de cale ferată. Această configurație de echipamente reușește cu succes localizarea unui tren pe parcursul călătoriei sale.

Cititoarele pot avea diferite locații după cum urmează, acestea sunt ilustrate în figura 33:

montate dedesubt și un tag;

montate în lateral și un tag.

Figura 33. Poziționarea cititoarelor

(Sursa: Ionel Petrescu ,Maria Claudia Surugiu, Buletinul AGIR, București, Supliment 1/2012)

Descrierea și implementarea soluției propuse

Am ales să dezbat acest mod de prelucrare a informațiilor din dorința de a aduce ceva nou, aratând avantajele multiple, ale acestei tehnologii, acestea fiind: viteza mult mai mare de stocare a datelor, viteza de comunicare a informațiilor, posibilitatea de citire a mai multor etichete simultan (astfel culegerea automată a datelor sporește viteza de lucru și elimină erorile, crescând viteza de lucru în sistem prin aceesul în timp real la acestea).

Prin comparație cu tehnologia codurilor de bare, tehnologia RFID oferă capabilitatea de citire, scriere, modificare și actualizare a datelor, acestea putând fi scrise pe suport electronic.

Tehnologia RFID este adoptată în tot mai multe domenii, de tot mai mulți operatori, cu beneficii semnificative pentru toate părțile implicate: cetățeni, cumpărători, întreprinderi, servicii publice, guvernare, etc.

. Schema Bloc

. Descrierea blocurilor componente

Postul local

Are rolul de a transmite, la postul central de comandă și control, codul de identificare al unei locomotive, vagon de marfă/persoane, obținut folosind un cititor RFID, în momentul trecerii acestuia prin apropierea postului local.

Postul local va fi compus dintr-un Microcontroler ATmega328 ce va primi datele de la cititorul RFID MIFARE MFRC522 prin protocolul SPI (Interfață serială cu perifericele) și un transmițător radio RF 433MHz  ce va comunica cu postul central de comandă și control.

Electroalimentare:

Constituie alimentarea cu energie electrică de la rețeaua energetică și are o tensiune de 230V, 50Hz curent alternativ care va fi coborâtă cu ajutorul unui transformator, redresată și filtrată cu ajutorul unui condensator la valoare de 9V, curent continuu. De aici cei 9V curent continuu, vor alimenta bobina unui releu ce va întregi circuitul de alimentare de la rețeaua energetică, și mai departe 2 stabilizatoare de tensiune (lm7805 și lm7833), folosite pentru a obține tensiunea de 5V pentru microcontroler și transmițătorul radio și tensiunea de 3.3V pentru cititorul RFID MFRC522. În cazul opririi alimentării cu energie electrică de la rețea, bobina releului se va dezexcita și se va întregi circuitul de la o baterie de 9V la cele 2 stabilizatoare de tensiune.

Figura 34. Electroalimentarea postului local

Microcontroler ATmega328:

ATmega328 este un microcontroler cu un singur cip creat de Atmel. Microcontrollerul Atmel de 8 biți bazat pe procesare cu set redus de instrucțiuni (RISC), are o memorie flash de 32 kB cu capabilități de citire în timp ce scrie, 1 kB EEPROM, 2 kB SRAM (memorie cu acces aleator statică), 23 de linii I/O (intrare/ieșire) de uz general, întreruperi interne și externe, USART (transmițător/receptor sincron/asincron universal) serial programabil, port serial SPI (interfața serială cu perifericele), 6 canale folosite pentru convertor analog digital cu rezoluția de 10 biți. Dispozitivul funcționează între 1.8 – 5.5V.

Calificarea de fiabilitate arată că rata de eșec de păstrare a datelor este mult mai mică decât una la un milion, timp de 20 de ani, la 85°C, sau 100 de ani, la 25°C.

Figura 35. Microcontroler ATmega328

(Sursa:http://www.hobbytronics.co.uk/image/data/tutorial/arduinohardcore/atmega328-arduino-pinout.jpg)

Tabel 1. Parametri cheie

Modulul cititor RFID:

MFRC522 este un circuit integrat care citește și scrie tag-uri RFID destinat comunicației fără contact, la frecvența de 13,56 MHz, cu o viteză maximă de 10Mbit/s (dată de folosirea protocolului SPI) ce are un consum mic de energie electrică (13mA* 3.3V = 43mW).

Tensiune de lucru: 2.5-3.6V (folosirea unei tensiuni sub 3V va reduce performanța, de exemplu, distanța de citire a tagului);

Curent de lucru: 13-26mA / 3.3V;

Stand-by curent: 10-13mA / 3.3V;

Curentul de vârf: < 30mA;

Distanta de citire a cardului: 0 ~ 60mm.

Modulul RFID MFRC522 suportă modurile de citire și scriere folosind diferite viteze de transfer și protocoale de modulare, în această lucrare acesta fiind folosit doar în modul de citire.

Figura 36. Schema bloc mod citire MFRC522

(Sursa: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/MFRC522.pdf)

Tabel 2. Prezentarea comunicației cititorului MFRC522

(Sursa: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/MFRC522.pdf)

Figura 37. Codarea datelor și formarea cadrelor

(Sursa: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/MFRC522.pdf)

O interfață periferică serială (SPI compatibil) este folosită pentru a permite o viteză de comunicație de până la 10Mbit/s către gazdă (microcontroler). Când comunicarea cu o gazda, MFRC522 acționează ca slave, primește date de la microcontroler pentru setările regiștrilor, trimițând și recepționând date relevante pentru interfața de comunicații RF.

MFRC522 funcționează ca Slave în timpul comunicării SPI. Semnalul de ceas SCK trebuie să fie generat de către Master. Comunicarea de date de la Master la slave folosește linia MOSI. Linia MISO este utilizată pentru a trimite date de la MFRC522 la master.

Interfața serială SPI   este o interfață sincronă standard de mare viteză, ce operează în mod full duplex. Ea e folosită ca sistem de magistrală serială sincronă pentru transmiterea de date, unde circuitele digitale pot să fie interconectate pe principiul master-slave. Aici, modul master/slave înseamnă că dispozitivul (circuitul) digital master inițiază cuvântul de date. Mai multe dispozitive (circuite) digitale slave sunt permise cu slave select individual, adică cu selectare individuală.

Interfața SPI-ul are patru semnale logice specifice:

SCLK – Ceas serial (ieșire din master).

MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input (ieșire master, intrare slave).

MISO/SOMI – Master Input, Slave Output (intrare master, ieșire slave).

SS – Slave Select (active low, ieșire din master).

Transmițător radio:

Tensiune de lucru: 3V – 12V;

Curent de lucru: 9-40mA;

Tipul de modulație folosit: ASK;

Frecvența de lucru: 433MHz;

Putere de transmisie: 25mW;

Viteza de transmisie a datelor: mai puțin de 9.6Kbps ;

Modulul poate transmite până la 90 m în câmp deschis.

Figura 38. Transmițător radio

(Sursa:http://www.electronicoscaldas.com/1354/pareja

-transmisor-y-receptor-de-433-mhz-ef03037.jpg)

Modulația ASK (Amplitude Shift Keying):

ASK este o formă de modulație digitală a amplitudinii ce se bazează pe variații ale amplitudinii undei purtătoare. Într-un sistem ASK, simbolul binar "1" este reprezentat prin transmiterea unei amplitudini fixe a undei purtătoare și frecvența fixă pentru durata unui bit de T secunde. Dacă valoarea mesajului de trimis este "1" atunci semnalul purtător va avea o valoare a amplitudinii; în caz contrar, pentru "0" o altă valoare a amplitudinii semnalului purtător va fi transmisă, frecvența și faza rămânând constante.

Orice sistem de modulație digitală utilizează un număr finit de semnale distincte pentru a reprezenta date digitale. ASK utilizează un număr finit de amplitudini, fiecare atribuită unei structuri unice de cifre binare (ce poate avea de la un bit până la n biți). De obicei, fiecare amplitudine codifică un număr egal de biți. Fiecare structură de biți formează simbolul care este reprezentat de o anumită amplitudine. Demodulatorul, care este proiectat special pentru un set de simboluluri folosit și de către modulator, set ce va determina amplitudinea semnalului trimis și recepționat astfel atât modulatorul cât și demodulatorul să știe despre ce set de biți este vorba.

Figura 39. Modulație ASK

(Sursa:http://www.engineersgarage.com/sites/default/files/imagecache/Original/wysiwyg_

imageupload/1/ASK-Modulator-Using-IC-555%20-%20Waveform.jpg)

Figura 40. Schemă electrică Post local

Microcontrolerul din postul local pentru a funcționa are nevoie de:

tensiune de alimentare de 5V pe pinii 7, 20, 21 , pinii 8 și 22 fiind legați la masă;

un cristal de cuarț cu frecvența de 16MHz, ce va fii montat între pinii 9 și 10;

doi condensatori cu valoarea de 22pF (valoare luată din datasheet-ul microcontrolerului), folosiți pentru o stabilitate mai bună a frecvenței cristalului de cuarț, ce sunt legați de la pinii 9 și 10 la masă;

un switch folosit pentru a reseta microcontrolerul, acest lucru făcându-se punând pinul 1 al microcontrolerului la masa el fiind ținut la tensiunea de 5V prin rezistorul R14 de 1kΩ.

În momentul trecerii, unui vagon sau a unei locomotive ce au montate o etichetă RFID, cititorul RFID va transmite, codul primit de la etichetă, microcontrolerului prin protocolul SPI, urmând ca microcontrolerul să trimită informația către postrul central de comandă și control cu ajutorul unui transmițător radio RF433.

Postul central de comandă și control

Electroalimentarea se va face prin intermediul magistralei USB de la PC, adică 5V curent continuu, necesari placuței de dezvoltare Arduino Uno și receptorului radio. Postul central de comandă și control , este format din:

un computer pe care rulează un program ce primește codurile de la postul local, acestea fiind stocate într-o bază de date, realizată în platforma de proiectare de la National Instruments, LabVIEW;

Arduino Uno R3: este o placă de dezvoltare cu microcontroler de 8 biți Atmel AVR ATMEGA328p cu următoarele specificații: arhitectură RISC, 32kB de memorie flash programabilă, 1kB memorie EEPROM, 2kB memorie SRAM, 14 pini digitali de intrare/ieșire, 6 intrări analogice.

Figura 41. Arduino Uno

(Sursa:http://tech.cyborg5.com/files/2012/04/arduino-uno-r3-atmega328.jpg)

Receptor radio:

Tensiune de lucru: 5.0V ;

Curent de lucru: ≤ 5.5mA;

Tipul de modulație folosit: ASK;

Frecventa de lucru: 433MHz;

Lățime de bandă: 2MHz;

Sensibilitate: 100dBm (50Ω);

Viteza de transmisie: mai puțin de 9.6Kbps .

Figura 42. Receptor radio

(Sursa:http://www.electronicoscaldas.com/1354/pareja-transmisor-y-receptor-de-433-mhz-ef03037.jpg)

Baza de date:

Baza de date este un instrument pentru colectarea și organizarea informațiilor legate de vagoanele și locomotivele ce se doresc a fii identificate într-o anumită locație, informații ce sunt stocate pe computerul din postul central de comandă și control.

Figura 43. Schemă electrică Post central de comandă și control

Proiectare Software

. Noțiuni elementare despre bazele de date

O bază de date este un instrument pentru colectarea și organizarea informațiilor. Bazele de date pot stoca informații despre persoane, produse, comenzi sau orice altceva. Multe baze de date încep sub formă de liste într-un editor de text sau într-o foaie de calcul. Pe măsură ce lista crește, încep să apară redundanțe și inconsistențe în datele prezente. Datele devin greu de înțeles în formă de listă, iar posibilitățile de a căuta și a extrage subseturi de date pentru revizuire sunt limitate. Odată ce încep să apară aceste probleme, este o idee bună să se transfere datele într-o bază de date creată de un sistem de gestionare al bazelor de date, cum ar fi Microsoft Office Access.

O bază de date computerizată este un container de obiecte. O bază de date poate conține mai mult de un tabel. De exemplu, un sistem de urmărire al inventarului care utilizează trei tabele nu reprezintă trei baze de date, ci o bază de date care conține trei tabele. În afara cazului în care a fost proiectată în mod special pentru a utiliza date sau cod din altă sursă, o bază de date Access stochează tabelele sale într-un singur fișier, împreună cu alte obiecte, cum ar fi formulare, rapoarte, macrocomenzi și module.

Microsoft Office Access are următoarele funcționalități:

adăugarea de date noi la o bază de date, cum ar fi un element nou dintr-un tabel;

editarea datelor existente dintr-o bază de date, cum ar fi modificarea locației curente a unui element;

ștergerea informațiilor, de exemplu în cazul în care un element este vândut sau înlăturat;

organizarea și vizualizarea datelor în mai multe moduri.

O bază de date Access este fromată din următoarele părțile componente: tabele, formulare, rapoarte, interogări, macrocomenzi, module.

Tabele: dintr-o bază de date sunt similare ca aspect cu o foaie de calcul, în sensul că datele se stochează în rânduri și coloane. Astfel, este de obicei simplu să se importe o foaie de calcul într-un tabel dintr-o bază de date. Diferența principală dintre stocarea datelor într-o foaie de calcul și stocarea datelor într-o bază de date, constă în modul în care se organizează datele.

Fiecare rând dintr-un tabel se numește înregistrare. Înregistrările reprezintă locul în care se stochează elemente informaționale individuale. Fiecare înregistrare este compusă dintr-unul sau mai multe câmpuri. Câmpurile corespund coloanelor din tabel. Câmpurile trebuie să aibă un anumit tip de date, fie că este text, dată sau oră, număr sau alt tip de date.

Formularele: sunt denumite uneori "ecrane de introducere de date". Ele reprezintă interfața pe care o utilizați pentru a lucra cu date și conțin deseori butoane de comandă care efectuează diverse comenzi. Aveți posibilitatea să creați o bază de date fără a utiliza formulare, editând pur și simplu datele din foile de date ale tabelelor. Cu toate acestea, majoritatea utilizatorilor de baze de date preferă să utilizeze formulare pentru vizualizarea, introducerea și editarea datelor din tabele.

Formularele oferă un format ușor de utilizat pentru lucrul cu date și se pot adăuga elemente funcționale, cum ar fi butoanele de comandă. Aveți posibilitatea să programați butoanele, să determine care date apar în formular, să deschidă alte formulare, rapoarte sau să efectueze diverse alte activități.

Formularele permit, de asemenea, să se controleze modul în care utilizatorii interacționează cu datele din baza de date.

Rapoartele: se utilizează pentru sintetizarea și prezentarea datelor din tabele. Un raport răspunde de obicei unei anumite întrebări. Un raport poate fi executat oricând și va reflecta întotdeauna datele curente din baza de date. Rapoartele sunt formatate în general pentru a fi imprimate, dar pot fi vizualizate și pe ecran, pot fi exportate în alt program sau trimise ca mesaj de poștă electronică.

Interogările: pot efectua multe funcții diferite. Funcția lor cea mai obișnuită este de a regăsi date specifice din tabele. Datele pe care doriți să le vedeți se află de obicei în mai multe tabele, iar interogările permit vizualizarea lor într-o singură foaie de date. De asemenea, din moment ce nu doriți să vedeți de obicei toate înregistrările odată, interogările permit adăugarea de criterii pentru a "filtra" datele și a se afișa numai înregistrările dorite. Interogările servesc deseori ca sursă de înregistrări pentru formulare și rapoarte.

Anumite interogări sunt "actualizabile", adică se pot edita datele din tabelele subiacente (care sunt plasate dedesupt) prin intermediul foii de date a interogării.

Interogările se împart în două tipuri principale: interogări de selectare și interogări de acțiune. O interogare de selectare regăsește pur și simplu datele și le face disponibile pentru utilizare. Rezultatele unei interogări se pot vizualiza pe ecran, se pot imprima sau se pot copia în clipboard. Aveți de asemenea posibilitatea să utilizați datele unei interogări ca sursă de înregistrări pentru un formular sau raport. O interogare de acțiune efectuează, după cum sugerează și numele, o activitate cu datele. Interogările de acțiune pot fi utilizate pentru crearea de tabele noi, pentru adăugarea datelor la tabele existente, pentru actualizarea datelor sau ștergerea lor.

Macrocomenzile: în Access pot fi văzute ca un limbaj de programare simplificat, care poate fi utilizat pentru adăugarea de elemente funcționale la baza de date. De exemplu, aveți posibilitatea să atașați un buton de macrocomandă la un formular, astfel încât macrocomanda să se execute când se face clic pe buton. Macrocomenzile conțin acțiuni care efectuează activități, cum ar fi deschiderea unui raport, executarea unei interogări sau închiderea bazei de date. Majoritatea operațiunilor de baze de date pe care le efectuați manual pot fi automatizate prin utilizarea macrocomenzilor, astfel încât să devină mijloace de economisire de timp.

Modulele: sunt obiecte, se pot utiliza pentru a adăuga funcționalitatea la baza de date. Un modul este o colecție de declarații, declarații privind și proceduri stocate împreună ca o unitate. Un modul poate fi un modul de clasă sau un modul standard. Module clasă sunt atașate la formulare sau rapoarte și conține, de obicei, proceduri specifice de pe formularul sau raportul care este atașat. Modulele standard conțin procedurile generale care nu sunt asociate cu orice alt obiect.

. Prezentarea software-ului Labview

Figura 44. Simbolul software-ului LabVIEW

(Sursa:https://secure.engr.oregonstate.edu/wiki/ams/files//LabTesting.Automation/labview_logo.gif)

LabVIEW (este prescurtarea pentru Laborator Virtual Instrument Engineering Workbench) este o platformă și un mediu de dezvoltare pentru un limbaj de programare vizual de la National Instruments. Limbajul grafic este numit "G" a fost inițial lansat pentru Apple Macintoch în 1986.

LabView este utilizat frecvent pentru achiziția de date, instrument de control, și pe o varietate de platforme industriale de automatizare inclusiv Microsoft Windows, diferite versiuni de Linux și Mac OS X.

Limbajul de programare folosit în LabView, este un limbaj de programare al fluxului de date. Execuția este determinată de structura unei diagrame grafice de tip bloc (codul sursă) pe care programatorul conectează diferite funcții-noduri prin trasarea unor fire. Aceste fire propagă variabile și orice nod poate executa de îndata ce devin disponibile toate datele de intrare. Din moment ce acest lucru ar putea duce la apariția variabilelor în mai multe noduri simultan, limbajul de programare vizual este capabil să execute în paralel mai multe funcții. Prelucrarea multiplă a datelor este exploatată în mod automat de către programatorul încorporat, ce multiplexează firele de execuție ale sistemului de operare peste nodurile de execuție.

LabView este folosit și pentru crearea de interfețe cu utilizatori (numite și panouri principale) în ciclul de dezvoltare.

Programele/subrutinele LabView sunt numite instrumente virtuale (VIs). Fiecare VI are trei componente: o diagramă bloc, un panou principal și un panou conector. Controalele și indicatorii de pe panoul principal permit unui operator introducerea sau extragerea de date dintr-un instrument virtual care rulează. Cu toate acestea, panoul principal poate, de asemenea, servi și ca interfață de programare. Un instrument virtual poate să fie rulat ca și un program, cu panoul principal servind ca interfață de utilizator.

Panoul Frontal definește interfața grafică cu utilizatorul sau ceea ce va vedea utilizatorul pe ecranul calculatorului. Obiectele grafice de interfață disponibile pentru realizarea panoului frontal se împart în controale și indicatoare. Prin intermediul controalelor, utilizatorul introduce sau actualizează valorile datelor de intrare; indicatoarele sunt folosite pentru a se afișa rezultatele prelucrărilor. Dacă instrumentul virtual se privește ca sub instrument virtual (deci ca subrutină), atunci controalele corespund parametrilor formali de intrare, iar indicatoarele sunt parametri formali de ieșire.

Diagrama bloc cuprinde, în spațiul de lucru, reprezentarea grafică a funcțiilor corespunzătoare obiectelor de pe panoul frontal și ilustrează modul în care circulă fluxul de date și operațiile de prelucrare ale acestora. Astfel, diagrama bloc conține codurile sursă ale programului. În cadrul diagramei bloc obiectele de pe panoul frontal apar sub formă de terminale, care constituie porturi de intrare și de ieșire prin care se efectuează schimburile de informații cu panoul frontal. Obiectele din diagrama bloc, care evidențiază operațiile efectuate de către program, se numesc noduri (sunt asemănătoare cu operatorii/subrutinele din programele textuale). Transferul datelor între obiectele din diagrama bloc este asigurat prin legături de conexiune între acestea (fire) având culori, stiluri și grosimi diferite, în funcție de tipurile de date pe care le vehiculează. Orice legătură pornește de la o singură sursă de date, dar poate fi conectată la unul sau mai mulți receptori. În diagrama bloc se mai întâlnesc și așa-numitele structuri, care sunt reprezentări grafice ale buclelor și instrucțiunilor de control de la limbajele de programe textuale.

A treia componenta unui VI este pictograma și conectorul. Prin stabilirea pictogramei și conectorului, acel instrument virtual va putea fi folosit ca și subrutină în diagrama bloc a altui VI.

Cele mai avansate sisteme de dezvoltare LabVIEW oferă posibilitatea de a construi aplicații de sine stătătoare. Mai mult decât atât, este posibil să se creeze aplicații distribuite, care comunică printr-un sistem server/client și sunt prin urmare, mai ușor de implementat din cauza limbajului de programare vizual ce se poate integra aproape oriunde.

În ceea ce privește performanța, LabVIEW include un compilator care produce codul nativ pentru platforma CPU. Codul grafic este tradus în cod mașină executabil prin interpretarea sintaxelor și prin compilare.

Crearea unui fișier Microsoft Data Link pentru conectarea la o bază de date

Pentru conectivitatea unei baze de date cu software-ul LabVIEW este nevoie de un fișier Microsoft Data Link (ce are extensia .UDL), în scopul de a interfață cu o bază de date Microsoft Access.

Fișierele UDL pot fi de asemenea folosite pentru conectarea cu alte tipuri de baze de date, cum ar fi SQL. Un fișier universal data link (legatură universală de date) este un fișier universal, care se leagă la o bază de date specifică și poate fi utilizată de mai multe aplicații diferite.

. Schema logică a programului

. Descrierea diagramei bloc din LabVIEW

Programul începe prin încărcarea și afișarea tabelului selectat din baza de date, și prin pornirea conexiunii la portul de comunicații selctat de unde se vor primii codurile de identificare ale trenurilor și vagoanelor.

Figura 45. Citirea serială de la placa de dezvoltare

Selectarea adresei bazei de date din My computer (ex: C:/RFID) și selectare tabelului (ex: rfid) din baza de date ce conține informații legate de locomotive și vagoane se va face de către operator.

Figura 46. Citirea și afișarea tabelului din baza de date

Tabelul conține informații legate de specificațiile locomotivelor și vagoanelor ce sunt alocate anumitor coduri de identificare ce sunt atașate fizic pe materialul rulant.

Se vor separa codurile primite din șirul de caractere primit, deoarece transmițătorul din postul central de comandă și control trimite încontinuu un șir de spații goale pentru a menține o conexiune activă cu programul.

Se va compara dacă există în baza de date un cod asemănător cu cel primit de la postul local și există două situații:

este primit un cod ce există în coloana din tabel unde sunt stocate codurile de identificare, caz în care se aprinde led-ul verde din dreptul rândului corespunzătoare codului din tabel, și se actualizează timpul trecerii materialului rulant prin acea locație.

Figura 47. Verificarea existenței unui cod în tabelul bazei de date

este primit un cod ce nu există în coloana din tabel unde sunt stocate codurile de identificare, caz în care se aprinde led-ul roșu din dreptul unui rând nou, scrie în coloana corespunzătoare codul de identificare primit, actualizează timpul trecerii materialului rulant prin acea locație și așteaptă completarea coloanelor corespunzătoare specificațiilor tehnice de către operator; operatorul va trebui să selecteze numărul rândului în care se dorește actualizarea specificațiilor tehnice ale materialului rulant ce are un anumit cod de identificare, și după aceea să selecteze numărul coloanei corespunzătoare unei anumite specificații (lungime, viteză, putere, etc.); după aceasta se va scrie în tabelul din baza de date informațiile actualizate apăsând butonul "Modifică".

Figura 48. Scrierea datelor introduse de operator în tabel

Figura 49. Interfața om-mașină

. Listarea codului

Post local

Citește codul de identificare folosind cititorul RFID.

Trimite codul de identificare ce aparține unui anumit vagon sau locomotivă folosind transmițătorul radio.

TRANSMIȚĂTOR

#include <SPI.h> //Include libraria interfeței seriale cu perifericele

#include <RFID.h> //Include libraria cititorului RFID

#include <VirtualWire.h> //Include libraria modulului transmițatorului RF433

#define SS_PIN 10 //Definește piniul de slave select al microcontrolerului

#define RST_PIN 9 //Definește piniul de reset al microcontrolerului

RFID rfid(SS_PIN,RST_PIN);

int serNum[5];

char msg[4];

int U = 5;

const int led_pin = 13;

const int transmit_pin = 7;

const int receive_pin = 2; //Setare pin de transmisie a datelor

const int transmit_en_pin = 3;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

SPI.begin();

rfid.init();

// Inițializare modul RF433

vw_set_tx_pin(transmit_pin);

vw_set_rx_pin(receive_pin);

vw_set_ptt_pin(transmit_en_pin);

vw_set_ptt_inverted(true);

vw_setup(2000); //Biți pe secundă

pinMode(led_pin, OUTPUT);

}

void loop()

{if(rfid.isCard()) //Detecteză prezența unui tag rfid

{if(rfid.readCardSerial())

{ Serial.println(rfid.serNum[4]);

//Printează serial ultima secvență din codul rfid al tagului, pentru depanare

String stringOne = String(rfid.serNum[4]);

stringOne.toCharArray(msg, 5);

//Convertește datele RFID într-un șir de caractere pentru a fi trimise de modulul RF433

Serial.println(msg);

//Printeaza serial mesajul ce va fi trimis prin modulul RF433, pentru depanare

digitalWrite(led_pin, HIGH);

//Aprinde un led pentru a verifica transmiterea datelor

vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); //Transmite datele folosind modulul RF433

vw_wait_tx(); //Așteaptă până când întreg mesajul este trimis

digitalWrite(led_pin, LOW);

//Stinge ledul aprins pentru verificarea transmiterii datelor

}

}

delay(10);

}

Post central de comandă și control

Citește informațiile primite de la postul local prin intermediul receptorului radio, și transmite, folosind interfața serială, aceste infromații, către computer, transmite spații goale pentru a menține conexiunea activă când nu se primesc informații.

RECEPTOR

#include <VirtualWire.h> //Include libraria corespunzătoare modulului receptor RF433

const int led_pin = 13;

const int transmit_pin = 7;

const int receive_pin = 11; //Setare pin de recepție a datelor

const int transmit_en_pin = 3;

void setup()

{

delay(50);

pinMode(12, OUTPUT);

pinMode(9, OUTPUT);

digitalWrite(12, HIGH);

digitalWrite(9, LOW);

Serial.begin(9600);

Serial.println("setup"); //Verificare conexiune serială

// Inițializare modul RF433

vw_set_tx_pin(transmit_pin);

vw_set_rx_pin(receive_pin);

vw_set_ptt_pin(transmit_en_pin);

vw_set_ptt_inverted(true);

vw_setup(2000); //Biți pe secundă

vw_rx_start(); // Începere receptie

pinMode(led_pin, OUTPUT);

}

void loop()

{

uint8_t buf[VW_MAX_MESSAGE_LEN];

uint8_t buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN;

if (vw_get_message(buf, &buflen)) //Primire mesaj in variabila buf, de lungime buflen

{

int i;

digitalWrite(led_pin, HIGH); // Aprinde led pentru a arăta primirea unui mesaj

for (i = 0; i < buflen; i++)

{

Serial.print((char)buf[i]); //Transmite mesajul recepționat prin serial

}

Serial.println(); //transmite rand nou (new line)

digitalWrite(led_pin, LOW); //Stinge led-ul ce arată primirea unui mesaj

}

else {

Serial.println(" "); //Transmite spații libere pentru a menține conexiunea cu aplicația labview activă în cazul în care nu se primește nimic

delay(500);

}

}

Fiabilitate

Fiabilitatea unui obiect este o funcție de timp F(t), definită ca probabilitatea ca, în condiții de mediu specificate, obiectul să funcționeze adecvat în intervalul de timp [0,t); aceasta însumeaza fiabilitățile tuturor componentelor dintr-un sistem.

Fiabilitatea este o caracteristică a unui produs, în sensul că poate fi prevăzută în fază de proiectare, controlată în fază de fabricație, măsurată pe durata testarii și menținută pe durata funcționării.

Aceasta este o problemă fundamentală a tehnicii actuale; reprazentând parametrul principal al calității, permițând aprecierea cantitativă a comportării în timp a elementelor și sistemelor, în condițiile de influență pe care o exercită factorii interni și externi.

Pentru a avea o performanță ridicată în ceea ce privește fiabilitatea se recomandă ca dispozitivele componente să fie folosite în spații climatizate pentru a reduce variațiile de temperatură și umiditate, ce pot afecta buna funcționare a echipamentelor.

Fiabilitatea echipamentului poate fi îmbunătățită prin utilizarea redundanței și a componentelor de calitate controlată:

dublarea sursei de alimentare (prin utilizarea unor surse de alimentare neîntreruptibile cu acumulatori – UPS); sursele cu acumulatori permit detectarea momentului căderii sursei de alimentare principale și menținerea alimentării sistemului pentru un timp predefinit;

echiparea sistemului cu componente a căror fiabilitate raportată de fabricant este cât mai bună.

Pentru a obține performanțe bune din punct de vedere al fiabilității, trebuiesc urmărite cerințele:

folosirea unor calculatoare cu componente cu rată de defectare mică;

respectarea normelor privitoare la mediul de lucru al dispozitivelor electronice;

folosirea unor cabluri și a unor conectoare performante;

proiectarea și utilizarea echipamentelor hardware și software într-un mod redundant.

În concluzie, putem afirma că:

fiabilitatea este o probabilitate, cuprinsă între 0 și 1;

nu exista sisteme perfect fiabile, pentru care F(t) = 1 dacă t > 0; putem însă vorbi de sisteme "destul de fiabile", atunci când avem în minte anumite condiții de utilizare și constrângeri bugetare pentru implementarea sistemului.

Calculul fiabilistic

Probabilitatea de bună funcționare R(t):

R(t) = p(t) = Prob(t > T) (11)

p(t) – este probabilitatea de bună funcționare, adică însăși funcția de fiabilitate;

t – variabila timp;

T – o limită precizată a duratei de bună funcționare.

Ca orice probabilitate se înțelege că și funcția de fiabilitate va îndeplini condiția: 0 < p(t) < 1 adică: la t=0, p(t)=1 ceea ce înseamnă ca produsul este în stare de funcționare la momentul începerii exploatării, iar apoi scade după o anumită lege până la p(t)=0, teoretic la t=∞, când produsul se află în stare de nefuncționare.

Probabilitatea de defectare F(t):

Probabilitatea de defectare, sau funcția de defectare F(t) se definește ca: F(t) = Prob (t < T) și reprezintă probabilitatea complementară în raport cu R(t), putându-se scrie relația:

R(t) + F(t) = 1 (12)

Reprezentarea grafică a celor două funcții, de fiabilitate și de defectare este dată în figura x:

Figura 50. Probabilitatea de bună funcționare și de defectare

Rata de defectare z(t):

Se definește prin relația: (13)

Dimensional, rata de defectare se exprima în h-1.

Figura 51. Rata de defectare

Pentru foarte multe cazuri practice, funcția z(t) se reprezintă ca în figura 51. În figura ratei de defectare, se deosebesc trei zone ale graficului z(t):

zona I, în care se manifestă căderile precoce, datorate unor cauze ascunse și deficiențelor de control de fabricație, durata 0–t1 numindu-se și perioadă de rodaj;

zona II, în care se manifestă căderile aleatorii, normale, reprezentând perioada de funcționare normală; în acest interval de timp (t1–t2), valoarea indicatorului z(t) rămânând aproape constantă;

zona III, în care se manifestă uzura sau îmbătrânirea materialelor constructive ale produsului considerat .

Deci, intervalul 0–t2, reprezintă durata de viață utilă a produsului studiat.

Timpul mediu până la defectare – MTBF, reprezintă media duratelor de bună funcționare pentru totalitatea echipamentelor și componentelor ce au fost luate în considerație. Astfel din cele No produse supuse observației, fiecare prezintă o anumită durată de funcționare tfi.

Figura 52. Durate de funcționare

Media aritmetică a acestor timpi este:

(14)

Din punct de vedere dimensional, MTBF se exprimă în ore.

Calculul MTBF al circuitului folosit în Postul Local:

Tabel 3. Calculul MTBF

Diagramele de defectoscopie

Figura 53. Deficiențe în comunicația dintre cititorul RFID și micorontroler

Figura 54. Deficiențe de comunicație între microcontroler și transmițător

Tabel 4. Calcul economic

Rezultat final

Concluzie

Am ales să dezbat acest mod de prelucrare a informațiilor din dorința de a aduce ceva nou, care ar aduce multe avantaje, cum ar fi: viteza mult mai mare de stocare a datelor, viteza de comunicare a informațiilor și oferirea unei citiri simultane (se pot citi mai multe etichete simultan, astfel culegerea automată a datelor sporește viteza de lucru și elimină erorile, crescând viteza de lucru în sistem, prin acesul în timp real la acestea).

Prin comparație cu tehnologia codurilor de bare, tehnologia RFID ne oferă capabilitatea de citire, scriere, modificare și actualizare a datelor, acestea putând fi scrise pe suport electronic.

Tehnologia RFID este adoptată în tot mai multe domenii, de tot mai mulți actori, cu beneficii semnificative pentru toate părțile implicate: cetățeni, cumpărători, întreprinderi, servicii publice, guvernare, etc.

Această tehnologie va fi aplicată în domeniul de transport feroviar .

Se dorește identificarea prin radiofrecvență a locomotivei și a vagoanelor pentru a ști poziția acestora într-un anume punct, numit post local, unde se va afla receptorul RFID împreună cu microcontrolerul și transmițătorul radio. Aceste date vor fi transmise la postul central de comandă și control, format dintr-un receptor radio și placa de dezvoltare Arduino Uno, urmând a fi prelucrate și stocate într-o baza de date.

Baza de date va conține informații legate de locomotive și vagoane.

Pentru dezvoltarea sistemului se vor folosi mai multe posturi locale amplasate în diverse locații care vor transmite pe rând (aproape simultan) informații la un post central de comandă și control, unde sa va putea știi în ce punct se află un anume vagon sau locomotivă.

Listă figuri

Figura 1. Rețeaua de căi ferate române 6

Figura 2. Sistemul de management al traficului feroviar european 10

Figura 3. Privire de ansamblu a sistemului GSM-R 12

Figura 4. Arhitectura generală a rețelei GSM-R 13

Figura 5. Structura tipică de organizare celulară în lungul căii 15

Figura 6. Cabina mecanicului 16

Figura 7. Aplicații ale sistemului GSM-R, definite de EIRENE 17

Figura 8. Nivelul 1 ETCS 19

Figura 9. Nivelul 2 ETCS 19

Figura 10. Nivelul 3 ETCS 21

Figura 11. Model aparat telefonic pentru serviciile GSM-R 24

Figura 12. Logo-ul tehnologiei GPRS 25

Figura 13. Arhitectura sistemului de date GPRS 27

Figura 14. Intercorelarea sistemelor de identificare automată 28

Figura 15. Schema bloc a sistemului RFID 30

Figura 16. Schema bloc tag pasiv 31

Figura 17. Schema bloc tag activ 32

Figura 18. Schema bloc tag semi-pasiv 32

Figura 19. Circuitul rezonant paralel tipic al antenei 34

Figura 20. Detectarea de câmp cititor RFID 34

Figura 21. Modelul liniei de transmisie 35

Figura 22. Circuit echivalent – comunicație cititor – tag 39

Figura 23. Forme de semnal 40

Figura 24. Reprezentarea procedurilor de transmisie a datelor : HDX, FDX și SEQ 41

Figura 25. Schema bloc a echipamentului 47

Figura 26. Tag-uri RFID – Disc transparent 49

Figura 27. Tag-urI RFID – Carcasa din sticla 49

Figura 28. Tag-uri RFID – Carcasa din plastic 50

Figura 29. Carduri inteligente fără contact 51

Figura 30. Tagul inteligent 51

Figura 31. Tag-uri cu bobină inclusă în cip 51

Figura 32. Poziționarea tag-urilor 52

Figura 33. Poziționarea cititoarelor 52

Figura 34. Electroalimentarea postului local 55

Figura 35. Microcontroler ATmega328 56

Figura 36. Schema bloc mod citire MFRC522 57

Figura 37. Codarea datelor și formarea cadrelor 58

Figura 38. Transmițător radio 59

Figura 39. Modulație ASK 60

Figura 40. Schemă electrică Post local 60

Figura 41. Arduino Uno 61

Figura 42. Receptor radio 62

Figura 43. Schemă electrică Post central de comandă și control 62

Figura 44. Simbolul software-ului LabVIEW 65

Figura 45. Citirea serială de la placa de dezvoltare 69

Figura 46. Citirea și afișarea tabelului din baza de date 69

Figura 47. Verificarea existenței unui cod în tabelul bazei de date 70

Figura 48. Scrierea datelor introduse de operator în tabel 71

Figura 49. Interfața om-mașină 72

Figura 50. Probabilitatea de bună funcționare și de defectare 77

Figura 51. Rata de defectare 78

Figura 52. Durate de funcționare 78

Figura 53. Deficiențe în comunicația dintre cititorul RFID și micorontroler 80

Figura 54. Deficiențe de comunicație între microcontroler și transmițător 81

Listă tabele

Tabel 1. Parametri cheie 56

Tabel 2. Prezentarea comunicației cititorului MFRC522 57

Tabel 3. Calculul MTBF 79

Tabel 4. Calcul economic 82

Bibliografie

http://www.tourismguide.ro/x/istoria_cailor_ferate_romane/

http://www.referatele.com/diverse/Sisteme-de-comunicatii-mobile429.php

Lacramioara -Mihaela Nemtoi, Consideratii privind proiectarea radio a retelelor, Editura Politehnica 2012

Klaus Finkenzeller, RFID Handbook,2010

https://en.wikipedia.org/wiki/European_Train_Control_System

http://christianferoviarul.blogspot.ro/2010/03/sistemul-ertms-etcs.html

http://documents.tips/documents/nivelurile-etcs-in-romania.html

https://ro.scribd.com/doc/238941058/Sistemul-inteligent

http://www.creeaza.com/tehnologie/comunicatii/DECT589.php

Stan Valentin – Note curs " Radiocomunicații și televiziune", 2016

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/SISTEME-DE-IDENTIFICARE123941113.php

http://www.proiecte.ro/marketing/sisteme-de-identificare-cu-radiofrecventa-rfid-19855

http://graduo.ro/referate/marketing/rfid-sistem-de-identificare-prin-radiofrecventa-360110

http://vega.unitbv.ro/~ogrutan/Interfete%20si%20protocoale/Curs/10b-Interfete%20wireless%20ZigBee%20si%20RFID.pdf

http://www.rollsoft.ro/wp-content/uploads/2013/06/RFID1.pdf

http://www.altimate.ro/noutati/avantajele-tehnologiei-rfid-pe-scurt/

Ahmed Toaha Mobashsher1, Mohammad Tariqul Islam and Norbahiah Misran – RFID Technology: Perspectives and Technical Considerations of Microstrip Antennas for Multi-band RFID Reader Operation

http://www.electronicproducts.com/Passive_Components/Circuit_Protection/Fundamentals_of_RFID_communications.aspx

Ionel Petrescu ,Maria Claudia Surugiu, Buletinul AGIR, București, Supliment 1/2012

http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_Complete.pdf

https://www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7805.pdf

http://www.elecrow.com/download/MFRC522%20Datasheet.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/MFRC522.pdf

https://support.office.com/ro-ro/article/No%C8%9Biuni-elementare-despre-bazele-de-date-a849ac16-07c7-4a31-9948-3c8c94a7c204

http://www.aie.ugal.ro/sica/laborator/laborator1.pdf

http://documents.tips/documents/1-introducere-in-labview.html

http://andrei.clubcisco.ro/cursuri/f/f-sym/2ad/Aplicatia%20II_1%20Labview_%20finala.pdf

Ononiwu G. Chiagozie, Okorafor G. Nwaji – Department of Electrical/Electronic Engineering, Federal University Of Technology, Owerri, NIGERIA – RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION (RFID)

Home

https://en.wikipedia.org/wiki/Amplitude-shift_keying

http://www.seeedstudio.com/wiki/433Mhz_RF_link_kit

https://ro.wikipedia.org/wiki/Interfa%C8%9Ba_serial%C4%83_SPI

Proiect IRIS – CFR Romania

http://www.mobility.siemens.com/mobility/global/en/interurban-mobility/rail-solutions/rail-automation/train-control-system/european-train-protection-system/etcs-on-board-equipment/pages/etcs-on-board-equipment.aspx

http://www.msqe.ase.ro/Documente/retelemobile(2).pdf

http://www.emie.ugal.ro/fcie/fcie_note_de_curs.pdf