Modélisation et simulation du système RFID SA W 

Problématique

Les systèmes RFID font face actuellement à des défis à la fois économiques et technologiques. Les points à améliorer portent sur plusieurs aspects dont le prix, la taille et la robustesse des tags, la sensibilité, la reconfigurabilité et l’agilité du lecteur, la portée ainsi que l’immunité aux bruits et aux interférences du système.

Prix des tags RFID vs prix des étiquettes à code barre

L’une des quelques raisons pour lesquelles la RFID n’arrive pas encore à remplacer complètement les étiquettes à code barre est son prix. Le prix unitaire minimal atteint dans la fabrication de tags RFID passifs est de USD 0.1 0 l’unité contre USD 0.05 pour les étiquettes à code barre [41]. L’évolution du prix unitaire des tags RFID passifs commercialisés entre 2000 et 2012 est présentée à la figure 1.2. Le prix d’un tag passif se situe aujourd’hui entre USD 0.07 et USD 0.15 [42].
Le prix des tags RFID passifs a beaucoup diminué au cours des quinze (15) dernières années grâce aux avancées des technologies utilisées dans les procédés de fabrication.
Cependant, l’objectif de commercialisation n’a pas encore été atteint. En effet, un tag RFID coûte encore plus cher qu’une étiquette à code barre. Malgré les innombrables avantages qu’offrent la RFID en termes d’applications possibles, de quantité de données pouvant être exploitées, de durée de vie des dispositifs d’identification (tags RF ID , étiquettes) et de facilité de déploiement et de mise en oeuvre, de nombreuses entreprises préfèrent rester avec la technologie à code barre pour la simple raison: le prix unitaire des étiquettes à code barre.

Taille des tags vs praticabilité

D’un point de vue pratique, la taille des tags d’identification est un facteur déterminant qui contribue au succès de l’implémentation de la RFID dans une application donnée.
Dépendamment de où les tags seront placés, attachés ou implantés, des limitations au niveau de leur taille peuvent s’appliquer voire s’imposer. Par exemple, l’aspect miniaturisation des tags est incontournable dans la conception d’ implants radiofréquences utilisés sur des humains [43] ou des animaux [44] pour des applications de monitoring.
Pour l’instant, le succès de la RFID entièrement passive repose surtout sur le prix attrayant des tags et le fait qu’ils ne soient ni encombrants (taille petite) ni assistés par batteries. Pour les applications où le système RFID utilisé doit garantir un certain niveau de performance en termes de portée, de fiabilité et de robustesse, la RFID active en détient toujours le monopole. Toutefois, l’architecture complexe et l’alimentation par batteries des tags RFID actifs vont de pair avec une taille conséquente des dispositifs. La taille peu pratique des tags actifs ferme la porte à la RFID active à de nombreuses applications, et ce malgré ses excellentes performances. Opter pour la RFID entièrement passive permet de réduire drastiquement la taille des tags. Néanmoins, les performances des systèmes RFID passifs restent à améliorer.

Passivité

La durée de vie d’un tag entièrement passif (non assisté par batterie) est la durée approximative de fonctionnement, qui généralement est de plusieurs années, pendant laquelle le tag sera entièrement opérationnel, et ce sans nécessiter d’interventions ou de maintenance. La durée de vie d’un tag assisté par batterie correspond à la durée d’autonomie de la batterie. Pour des raisons pratiques (portabilité, encombrement et durée de vie des tags), la majorité des applications RFID aspirent à ne faire appel qu’à des tags passifs miniatures capables de fonctionner sans batteries. En effet, l’implémentation de batteries à bord des tags non seulement augmente leur coût et leur taille, mais limite également leur durée de vie.
Les tags actifs dont la majorité est à base de circuits intégrés sont également plus demandants en termes d’énergie nécessaire à leur fonctionnement. En effet, les éléments constituant chaque tag (module d’émission / réception, unité de traitement d’information embarqué, mémoire) ont besoin d’être alimenté par une ou plusieurs batteries à bord du tag pour pouvoir fonctionner. Contrairement aux tags actifs, les tags entièrement passifs sont à consommation d’énergie nulle. Télé-alimentés, ils exploitent l’énergie du signal d’interrogation provenant du lecteur pour s’auto-activer et ensuite renvoyer une réponse au lecteur.
Le développement de nouveaux tags passifs à haute performance est une alternative qui favoriserait le succès des systèmes RFID entièrement passifs sur le marché. L’idéal de tout système RFID serait de n’avoir que des tags à consommation d’énergie nulle tout en garantissant un certain niveau de performance qui répond aux besoins de l’application. Le déploiement de tags entièrement passifs permettrait non seulement de réduire le coût et la consommation d’énergie des systèmes RFID actuels, mais également de se libérer de la contrainte liée à la durée de vie limitée des batteries alimentant les tags actifs, garantissant ainsi une disponibilité quasi-permanente du système.

Robustesse du système vis-à-vis des facteurs physiques externes

Certaines applications de la RFID imposent son déploiement dans des environnements complexes qui peuvent facilement nuire au bon fonctionnement des tags, et qui ne sont pas idéaux pour la communication RF entre le lecteur et les tags. La robustesse des tags utilisés ainsi que celle de la liaison sans fil jouent ainsi un rôle clé dans le maintien des performances du système afin de garantir la disponibilité du système.
Les performances et la fiabilité des systèmes RFID actuellement sur le marché se dégradent sous l’effet de facteurs et/ou phénomènes physiques externes tels que la température, l’humidité [45], la pression, les multi-réflexions, les interférences, les bruits RF, les radiations [46] ainsi que la nature du milieu environnant (métallique, liquide, en béton, etc.) [28, 33, 47-51]. Comparés à d’autres technologies, les tags RFID à base de circuits intégrés sont plus sensibles à des conditions extrêmes de température et d’humidité [25] .

Reconfigurabilité du lecteur

L’utilisation grandissante des tags et capteurs RFID va de pair avec le besoin d’avoir des lecteurs de plus en plus avancées [52]. D’une part, le manque de flexibilité et de reconfigurabilité des lecteurs RFID sur le marché contraint les systèmes RFID actuels à n’être entièrement opérationnels que dans des conditions (bande de fréquences utilisée, niveaux d’interférences avec d’autres systèmes RF, différents scénarios de multi-réflexions possibles, température et niveau d’humidité, présence de surfaces métalliques ou liquides dans le milieu avoisinant, .. . ) qui ont été pré-étudiées à l’avance. Cet aspect nuit grandement à la réputation des systèmes RFID en termes de robustesse et de fiabilité face aux changements dans leurs environnements de travail. Ce manque de flexibilité et de reconfigurabilité ralentit également le développement de systèmes de tests et de mesures de performance des systèmes RFID.
D’autre part, l’incapacité des systèmes RFID à s’adapter aux changements dans leurs environnements de travail va de pair avec un coût de redéploiement conséquent, VOIre même l’acquisition d’un nouveau système RFID plus adapté.

Portée

Le besoin réel en portée vane d’une application à une autre. Les progrès dans le domaine de la RFID entièrement passive ont permis d’atteindre une portée maximale d’une dizaine de mètres. Néanmoins, une portée plus grande est toujours un plus pour le système.
En effet, cette éventualité permet de garantir une meilleure disponibilité du service en termes de zone de couverture et d’offrir une plus grande mobilité aux tags d’identification.

Sensibilité et immunité aux bruits

La majorité des pistes de recherche explorées dans le but d’améliorer les performances des systèmes RFID passifs ont été orientées vers la portée. Les approches adoptées consistaient en la recherche d’alternatives qui permettraient d’améliorer les performances des tags, le gain et la directivité des antennes (antennes des tags, antenne du lecteur), ainsi que les performances du front-end RF du lecteur. Toutefois, les solutions matérielles qui ont été apportées ne permettent pas aux systèmes RFID passifs de faire face aux situations où le signal renvoyé par le tag est noyé dans du bruit et que son niveau (puissance) se trouve au-dessous de la sensibilité du module de réception du lecteur.

Objectifs et originalités du projet

Le projet décrit dans ce travail vise à mettre en place un système RFID entièrement passif robuste à longue portée basé sur un lecteur reconfigurable doté d’une sensibilité et d’une immunité aux bruits optimisées.

Méthodologie

Modélisation et simulation du système RFID SAW

Les étapes suivantes sont prévues pour la mise en place d’un simulateur qui permettrait d’étudier, de comprendre et de prédire le fonctionnement du système RFID SAW proposé:
1. Identifier un modèle (circuit électrique équivalent, structure réalisée à l’aide d’un simulateur) qui représente au mieux les interactions entre les composantes électriques et mécaniques des tags RFID SAW;
2. Mettre en place un modèle ou un simulateur capable de prédire de façon précise le comportement (coefficient de réflexion Sl1 Cf), réponses temporelles) des tags RFIDSAW;
3. Concevoir un modèle capable de reproduire les différentes fonctions (génération du signal d’interrogation, démodulation de la réponse renvoyée par le tag) du lecteur RFID SA W avec DSSS intégré;
4. Mettre en place un modèle représentant le canal RF entre le lecteur et le tag;
5. Unifier les trois (03) modèles mis en place pour analyser et prédire le comportement du système RFID SA W complet.

Réalisation

Fabrication des tags SA W

De la définition du cahier des charges jusqu’à la fabrication en salle blanche, la réalisation des tags SA W (Fig. 1.5) pour le test du nouveau système RFID proposé est constituée de quatre (04) étapes. Les principaux paramètres à définir dans le cahier des charges sont la fréquence de résonance et le format d’adressage (longueur du code servant d’identification) des tags. La deuxième étape consiste à identifier les matériaux constitutifs des tags. En effet, les tags SA W sont fabriqués à partir de deux couches de matériaux distinctes dont une couche représentée par le substrat piézoélectrique qui sert de milieu de propagation pour les ondes acoustiques de surface et une couche de métal à partir de laquelle les doigts interdigités sont réalisés. Le dimensionnement de la structure de chaque tag, le dessin du [ayout global ainsi que les dessins de masques sont détaillés dans la phase conception des tags.

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Table des matières

Résumé
Remerciements
Table des matières 
Liste des tableaux 
Liste des figures
Liste des abréviations
Chapitre 1 – Introduction 
1.1 Classification des systèmes RFID
1.2 RFID vs technologies à code-barres
1.3 État de l’art et veille technologique sur les systèmes RFID
1.3.1 Fiabilité et robustesse
1.3.2 Reconfigurabilité
1.3 .3 Portée
1.3.4 Améliorations de la portée des systèmes RFID passifs
1.4 Problématique
1.4.1 Prix des tags RFID vs prix des étiquettes à code barre
1.4.2 Taille des tags vs praticabilité
1.4.3 Passivité
1.4.4 Robustesse du système vis-à-vis des facteurs physiques externes
1.4.5 Reconfigurabilité du lecteur
1.4.6 Portée
1.4.7 Sensibilité et immunité aux bruits
1.5 Objectifs et originalités du projet
1.5.1 Objectifs du projet
1.5.2 Proposition de solution
1.5.3 Originalités du projet
1.6 Méthodologie
1.6.1 Modélisation et simulation du système RFID SA W
1.6.2 Réalisation
Chapitre 2 – RFID SA W
2.1 Historique de la RFID acoustique
2.2 Éléments constitutifs d’un système RFID SAW
2.3 Tags SA W
2.3.1 Structure d’un tag SA W [25][80]
2.3.2 Principe d’adressage
2.3.3 Dimensionnement d’un tag SA W [25][80]
2.3.4 Procédé de fabrication
2.4 Lecteurs RFID SA W
2.5 Principe de fonctionnement
2.5.1 Interrogation du tag
2.5.2 Transition du signal d’interrogation dans le tag
2.5.3 Traitement du signal renvoyé par le tag
Chapitre 3 – Application du DSSS à la RFID SA W 
3.1 Étalement de spectre
3.2 Principe du DSSS
3.2.1 Modulateur et démodulateur DSSS
3.2.2 Équations d’ondes et formes d’ondes
3.3 Application du DSSS à la RFID SA W
3.3.1 Architecture du lecteur proposé
3.3.2 Signal d’ interrogation généré par le lecteur RFID SAW DSSS
3.4 Avantages du DSSS
Chapitre 4 – Modélisation et simulation du système RFID SA W avec DSSS intégré
4.1 Simulateur de dispositifs SA W
4.1.1 Choix de modèle
4.1 .2 Méthodologie de simulation d’un tag SA W
4.1.3 Principe de fonctionnement du simulateur
4.1.4 Résultats
4.2 Modèle Simulink du lecteur RFID SA W avec DSSS intégré
4.3 Modélisation du canal
4.4 Résultats de simulation
4.4.1 Simulateur de système RFID SA W avec DSSS intégré
4.4.2 Résultats de simulation
Chapitre 5 – Implémentation du lecteur RFID SAW dans une plateforme PXIe 
5.1 Motivation
5.2 Présentation de la plateforme PXI
5.3 Réalisation du lecteur RFID SAW reconfigurable à l’aide d’une PXle
5.3.1 Limitations de l’interrogateur classique
5.3.2 Réalisation du bloc émetteur du lecteur proposé
5.3.3 Bloc récepteur du lecteur proposé
5.4 Validation du lecteur RFID SAW
5.4.1 Banc de test
5.4.2 Résultats de lecture du tag SA W test
Chapitre 6 – Amélioration de la sensibilité et de la portée du système à l’aide du DSSS
6.1 Impact théorique du DSSS sur la sensibilité et la portée
6.1.1 Bilan de puissance d’une liaison lecteur – tag d’ un système RFID SA W
6.1.2 Sensibilité du récepteur d’un lecteur
6.1.3 Impact du DSSS sur la sensibilité du récepteur
6.2 Réalisation du lecteur RFID SA W avec DSSS intégré
6.2.1 Réalisation de l’émetteur DSSS du lecteur
6.2.2 Bloc récepteur du lecteur
6.3 Validation du système RFID SAW avec DSSS intégré
6.3.1 Tests de génération de signal d’ interrogation
6.3.2 Banc de test
6.3.3 Résultats de lecture du tag SA W test
6.4 Amélioration de la sensibilité du lecteur grâce à l’utilisation du DSSS
6.4.2 Résultats
6.5 Estimation de la portée du système RFID SAW avec DSSS intégré
6.5.1 Définition de la portée
6.5.2 Résultats d’estimation
Chapitre 7 – Conclusion 
Références 
Annexe A – Article de conférence 1
Annexe B – Architecture matérielle de la plateforme PXI
Annexe C – Article de conférence 2
Annexe D – Article de journal 1
Annexe E – Article de journal 2
Annexe F – PXIe-5663

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