Choix de la technologie RFID pour l’ implémentation du capteur de tension

Principes d’opération des technologies RFID bidirectionnelles et à alternat

Dans cette section, on fait la revue des technologies RFID exploitant une communication bidirectionnelle ou à alternat. Plus précisément, on se penche sur les étiquettes fonctionnant à partir du couplage inductif, de la diffusion des ondes (backscattering), du couplage rapproché et du couplage électrique. En raison de son importance dans les travaux présentés plus loin, le couplage inductif fait l’objet d’une présentation plus détaillée. 2.5.1 Couplage inductif : Typiquement, une étiquette de ce type comprend un circuit intégré ainsi qu’une bobine conductrice ayant une grande surface servant d’ antenne. La Figure 4 montre un lecteur pour un système RFID fonctionnant à 135 kHz où l’on peut voir la taille considérable de l’antenne. Le circuit intégré a pour fonction de stocker de l’ information. Les étiquettes à couplage inductif fonctionnent presque toujours de façon passive; c’ est donc le lecteur qui fournit l’énergie nécessaire à l’opération.

Pour ce faire, le lecteur génère un fort champ magnétique alternatif qui pénètre la surface de la bobine et, en raison des fréquences généralement utilisées par ces systèmes (135 kHz et 13,56 MHz sont les fréquences les plus courantes), on peut traiter le champ électromagnétique du lecteur comme étant simplement un champ magnétique (le couplage inductif fonctionne donc dans la zone du champ rapproché). Lors de l’interrogation, le champ magnétique du lecteur produit une tension aux bornes de la bobine de l’ étiquette. Cette tension alternative est ensuite redressée et est utilisée afin d’alimenter le circuit intégré. Le circuit de ces étiquettes comprend également une capacité connectée en parallèle avec l’antenne et ce afin de créer un circuit résonant à la fréquence d’opération du système. La résonance a pour effet de maximiser la tension générée aux bornes de la bobine lors de l’interrogation. La Figure 5 montre la structure générale de ce type d’étiquette. Plus simplement, on peut voir ce type de circuit comme un transformateur à noyau d’air. En effet, un transformateur est généralement composé de deux enroulements sur un matériau magnétique afin de conduire efficacement le flux magnétique. Dans ce cas-ci, les enroulements sont réalisés dans l’air, d’où le fait de voir le circuit comme un simple cas particulier du transformateur.

Pour ces systèmes, l’efficacité du transfert de puissance entre le lecteur et l’ étiquette est d’autant plus grande que la fréquence est élevée. Le nombre d’enroulements des bobines ainsi que son aire viennent également jouer un rôle dans l’ efficacité, tout comme l’ orientation relative du lecteur et de l’étiquette (plus le champ magnétique traverse le bobine perpendiculairement, plus le transfert est efficace; la Figure 6 montre l’alignement le plus efficace). Tout comme pour les technologies à 1 bit, l’information des systèmes à couplage inductif est généralement modulée. La modulation couramment utilisée est la modulation de charge. Le principe est « d’ activer » et de « désactiver » une résistance de charge afin de changer la valeur de la tension au lecteur. La Figure 7 montre un circuit de modulation de charge (l’exemple utilise le principe de sous harmonique, mais en utilisant le signal original, on obtient une simple modulation de charge). Le fonctionnement du circuit est le suivant: une partie du signal reçu sert à générer le signal d’horloge du circuit intégré et l’autre partie est redressée pour alimenter ce même circuit intégré. Dans le circuit de la Figure 7, une sous harmonique du signal du lecteur est utilisée, 13 mais dans le cas d’une modulation simple, on enlève le circuit intégré et l’entrée DATA contrôle directement l’interrupteur Tl (un FET la plupart du temps). La variation de la charge cause ainsi une variation de tension au lecteur.

Diffusion des ondes (backscattering) : Ce type d’ étiquettes fonctionne habituellement dans les bandes UHF (868 MHz ou 915 MHz selon si le système est utilisé en Europe ou en Amérique) ou micro-ondes, soit 2,4 GHz et 5,8 GHz. Tout comme dans le cas du couplage inductif, l’alimentation est fournie par le lecteur dans le cas où la portée des systèmes est moindre (moins de 15m en général). Au-delà de cette distance, une batterie est souvent employée. Quant au principe de fonctionnement des étiquettes, ce dernier est très similaire à celui des radars. Comme les objets reflètent les ondes électromagnétiques lorsque ceux-ci ont des dimensions au-delà d’une demi-longueur d’onde du signal incident. Ce principe est employé dans ce type de technologie. L’antenne reçoit le signal d’ interrogation et celui-ci est réfléchi dans une proportion qui varie selon la charge connectée à l’antenne, ce qui donne lieu à une modulation de charge.

 Couplage inductif (bidirectionnel)

De par le fait qu’un champ magnétique est transmis dans ce type de technologie, l’opération en milieu hostile devient possible puisque ce type de champ, contrairement au champ électrique, peut être utilisé dans un milieu où une quantité appréciable de métal est présente. La taille des circuits peut cependant être un inconvénient en raison des inductances (antennes) requises au fonctionnement des étiquettes. Par contre, en favorisant une fréquence de fonctionnement plus élevée, il est possible de faire un compromis quant à la taille des circuits. Ce type de capteur pourrait être facilement mis en réseau moyennant un ou des ajouts aux étiquettes de façon à leur donner une « adresse » permettant de les distinguer. Le seul composant « obligatoire » de ce type de circuit étant l’inductance servant d’antenne, rien n’empêche la conception d’une étiquette entièrement passive, donc cette technologie pourrait répondre aux contraintes à ce niveau. Finalement, il serait également possible de bien isoler les capteurs les uns des autres et ce en créant des antennes planaires présentant une symétrie autour de leurs deux axes; de cette façon, la seule composante du champ magnétique qui ne sera pas nulle se trouvera dans l’axe perpendiculaire au plan de l’antenne, faisant en sorte que l’on pourra rapprocher les étiquettes sans avoir àse soucier d’un couplage entre ceux-ci. À la lumière de ces observations, on peut voir que le couplage inductif permet de répondre aux différentes contraintes du système à développer et pourrait donc servir de technologie de base à l’implantation de ce dernier.

Diffusion des ondes (backscattering)

Ce type de technologie opérant à des fréquences plus élevées, la région du champ exploitée par ces étiquettes est le champ éloigné, ce qui fait en sorte qu’une opération en milieu métallique deviendrait difficile, voire même impossible en raison des nombreuses réflexions des signaux. Par ailleurs, les antennes utilisées pour ces étiquettes ont souvent un patron de radiation omnidirectionnel; en d’autres termes, elles émettent dans toutes les directions. Cela peut devenir un problème si l’espace disponible est restreint puisqu’il faudrait éloigner les circuits les uns des autres. Il serait bien sûr possible de rendre l’émission des ondes plus directionnelle, mais cela requerrait qu’un réseau d’antennes soit mis en place. Non seulement cela demanderait un espace considérable, mais créer un réseau d’ antennes est une tâche qui peut s’avérer longue et très complexe et, en raison des contraintes de temps reliées au projet, est une avenue qui semble très peu réalisable. D’un autre côté, il aurait été possible de créer des étiquettes entièrement passives dans la mesure où la portée désirée restait relativement faible (lm et moins aurait été facilement réalisable) et, en procédant de façon semblable à ce qui a été proposé pour le couplage inductif, chaque étiquette aurait pu se voir assigner une adresse et être mis en réseau. En conclusion, ce type de technologie ne pourrait pas répondre aux besoins en raison de sa fréquence d’opération, de la taille que risquent d’ avoir les étiquettes et la difficulté à obtenir une communication directionnelle.

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Table des matières

Résumé
Remerciements
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Présentation du projet
1.2 Cahier des charges
1.3 Méthodologie
1.4 Organisation du mémoire
Chapitre 2 – Revue de la littérature
2.1 Introduction
2.2 Concepts de champ rapproché et de champ éloigné
2.3 Types d’étiquettes RFID
2.3.1 Étiquettes actives
2.3.2 Étiquettes passives
2.4 Étiquettes RFID à 1 bit
2.4.1 , Étiquettes radiofréquences
2.4.2 Étiquettes micro-ondes
2.4.3 Etiquettes à division de fréquence
2.4.4 Etiquettes électromagnétiques
2.4.5 Etiquettes acoustomagnétiques
2.5 Principes d’opération des technologies RFID bidirectionnelles et à alternat
2.5.1 Couplage inductif.
2.5.2 Diffusion des ondes (backscattering)
2.5.3 Couplage de proximité
2.5.4 Couplage électrique
2.6 Principes d’opération des technologies RFID séquentielles
2.6.1 Couplage inductif.
2.6.2 Ondes acoustiques de surface
2.7 Choix de la technologie RFID pour l’ implémentation du capteur de tension
2.7.1 Étiquettes à 1 bit
2.7.2 Couplage inductif (bidirectionnel)
2.7.3 Diffusion des ondes (backscattering)
2.7.4 Couplage de proximité
2.7.5 Couplage électrique
2.7.6 Couplage inductif(séquentiel)
2.7.7 Ondes acoustiques de surface
2.7.8 Choix de la technologie servant à l’ implantation
2.8 Capteurs existants faisant appel au couplage inductif et méthodes d’ identification des étiquettes
2.8.1 Capteur de pH (Bhadra, Bridges, Thomson et Freund)
2.8.2 Capteur de pH (Horton, Schweitzer, DeRouin et Ong)
2.8.3 Capteur d’humidité (Harpster, Stark et Najafi)
2.8.4 Capteur de température sans fil (Silva, Vasconcelos)
2.8.5 Capteur de déplacement (Duric, Nad, Biberdzic, Damjaniovic, Zivanov)
2.8.6 Capteur de pression (Surman, Potyrailo, Morris, Wortley, Vincent, Diana, Pizzi, Carter, Gash)
2.8.7 Adressage d’ étiquettes à 30 GHz (Preradovic, Karmakar)
2.8.8 Synthèse et orientation des travaux
2.9 Conclusion
Chapitre 3 – Conception de la première version des capteurs de tension
3.1 Introduction
3.2 Première version du capteur (sans adresse)
3.2.1 Conception de l’antenne du lecteur
3.2.2 Conception de l’étiquette (première version)
3.2.3 Résultats (antenne du lecteur)
3.2.4 Résultats (version 1 de l’étiquette)
Chapitre 4 – Conception de la deuxième version des capteurs de tension
4.1.1 Conception de l’antenne
4.1.2 Conception de l’étiquette
4.1.3 Résultats (version 2 des étiquettes)
4.2 Conclusion
Chapitre 5 – Travaux futurs et conclusion
5.1 Solution au problème de lecture simultanée
5.1.1 Introduction
5.1.2 Concept d’adresse révisé
5.2 Structure possible pour un lecteur
5.2.1 Introduction
5.2.2 Structure générale du lecteur
·5.2.3 Détermination de la fréquence de résonance
5.3 Projets possibles
5.3.1 Capteur de pression/force
5.3.2 Capteur de flexion
5.3.3 Exploration de différentes techniques de fabrication
5.4 Conclusion
Bibliographie
Annexe A – A General Purpose Inductively Coupled Voltage Sensor.
Annexe B – A Chipless HF RFID Tag with Signature as a Voltage Sensor

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