Index of /rozprawy2/11060
157
0
0
Pełen tekst
(2) Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki. Praca doktorska. Pasywny bezprzewodowy czujnik wykorzystywany w zadaniach monitoringu stanu konstrukcji Mateusz Lisowski. Promotor prof. dr hab. inż. Tadeusz Uhl. Kraków, 2015.
(3) ACKNOWLEDGEMENTS. Acknowledgements I would like to acknowledge my supervisor, Professor Tadeusz Uhl for all the support, inspiration and motivation, he provided to me during Ph.D. project realization. Thanks to his persuasion and support, initially I started solving the scientific problem and I never give up during the investigation. This dissertation would not be created, if not the support of the whole family. I want to thank my beloved wife - Justyna, for the forbearance, patience and taking care of things that would distract me from the scientific job. I want to say thanks to my parents for education and showing the right way of life. Many thanks for my parents in-laws, for help with childcare and ensuring a place to live. In this place, I would like to express my gratitude to all my friends and colleagues from Department of Robotics and Mechatronics, for creation of great atmosphere at work, valuable discussions that allowed to look at the scientific problems from different views and serving with a helping hand, always when it was needed. Especially, I want to thanks Przemyslaw Gonek, Jakub Korta and Michal Lubieniecki, with whom I cooperate during these years mostly. Last, but not least, I would like to acknowledge all of my friends from Krakow Piotr Majka, Karolina Janik, Maciej and Karolina Rozanski, Jakub and Justyna Barc - who did not mind that I lived with them few days each weak over the years, giving me the roof over my head. In the official part, I want to acknowledge the "Doctus" Scholarship provided by Lesser Poland Center for Entrepreneurship, financed partially from EU budget, for ensuring funds needed to Ph.D. realization. Moreover, I want to acknowledge AGH University of Science and Technology for providing number of scholarships and grants that allow focusing on the investigation, instead of looking for livelihoods. Mateusz Lisowski, 2015. i.
(4) ABSTRACT. Abstract The dissertation addresses a problem of a wireless and battery-free passive sensing platform design for Structural Health Monitoring (SHM). The technology chosen for the sensor design is the Radio Frequency Identification (RFID) technology. Although, Wireless Sensor Networks (WSN) become popular in SHM, there is also still a strong need for simple, but reliable solutions that could be used as first-level of diagnostic systems. The design and experimental tests of two different wireless passive RFID sensors dedicated for SHM are presented in this dissertation. The Ph.D. thesis is started with short introduction, where the motivation and main objectives are described. The main tasks of the dissertation were comprehensive state of the art in the field of wireless passive sensing, new RFID-based sensors development and experimental tests of designed sensors. The review part of the dissertation focuses on the two most important research areas. First, is the comprehensive description of RFID technology. It starts on the description of RFID history, starting from its early beginnings during the World War II and passing to the actual RFID application area and advances. The physical principles of the HF RFID technology are described, what allows for better understanding of the scientific problems solved during the Ph.D. project. The main RFID system’s components are also described. This part ends with the description of challenges and development trends of RFID technology nowadays. The connection between the problems addressed in the Ph.D. project and the actual technology issues are also pointed. The second research area review relates to using of wireless passive sensors in SHM. Description of the problem begins with closing of SHM ideas and assumptions. After that, the role and actual position of WSN in SHM are described, with the pointing of actual problems and concerns from the side of prospective users. The most comprehensive part is related to the using of RFID technology for sensing purposes with especially scope on the SHM applications. The idea of using RFID technology in SHM lays in the range of scientific interests for several years. Comprehensive scientific review of existing solution allows for the designation of the main problems and deficiencies of them, which should be satisfied and fulfilled by the sensors designed during this Ph.D. project.. ii.
(5) ABSTRACT. Next part of the dissertation describes design of two RFID-based sensors dedicated for SHM. There were proposed the wireless passive crack detection sensor dedicated for the ceramic elements and the wireless passive sensing platform. The crack damage sensor has a form of the planar coil and could be applied directly on the monitored element. The complete design procedure, inductance calculation research and preliminary experimental tests related to its operating principle were performed. The sensing platform is based on the RFID technology, where a standard RFID transponder device serves as an interface between low-power sensors - used for damage detection - and RFID reading device. Sensor data are transmitted remotely from this sensing platform to a PC that controls the entire system. The magnetic field produced by an antenna of the RFID reading device is used for energy harvesting. The platform supports different types of sensors that can be positioned in remote locations and used for structural damage detection. The read range of such prepared sensing nodes are on the level of 40 cm and the powering range are on the level of 10 cm. The sensing capability and the damage detection performance of the proposed system is demonstrated using two simple application examples - i.e. vibration measurements in a beam-like structure subjected to the force excitation and temperature measurements in a bearing that supports a rotating shaft. For testing of deformation monitoring capability, the platform was connected to the innovative CNT-based strain sensor that could be easily applied directly on the surface of the structure. The last experiment shows the possibility to perform wireless measurement from few sensing nodes at once. The measured value in the experiments was the temperature. Presented experiments and their results illustrate the great potential of the proposed sensing platform for structural health monitoring applications, particularly in remote, difficult-access or hazardous conditions.. iii.
(6) STRESZCZENIE. Streszczenie Praca doktorska podejmuje zagadnienie zaprojektowania i przetestowania bezprzewodowych czujników pasywnych dedykowanych dla aplikacji monitoringu stanu konstrukcji (z ang. SHM). Omawiane zagadnienie jest istotne z punktu widzenia poszukiwania nowych metod pomiarowych, które mogłyby być bezobsługowe, łatwe do integracji z konstrukcją oraz charakteryzować się długim czasem życia. Praca rozpoczyna się od wprowadzenia, charakteryzującego jej problematykę oraz wskazującego na motywację podjęcia próby rozwiązania problemu naukowego. SHM jest szybko rozwijającą się dziedziną techniki. Jednym z najbardziej aktualnych problemów w SHM jest poszukiwanie nowych, łatwych w integracji metod pomiarowych. Ostatnio coraz większą popularność w aplikacjach SHM zdobywają bezprzewodowe sieci czujników (z ang. WSN). Obok typu sieci aktywnych, w których każdy punkt pomiarowy jest wyposażony we własne źródło zasilania, w ostatnich latach prowadzone są prace badawcze nad stworzeniem sieci pasywnych - zasilanych energią pozyskiwaną z otoczenia. Pasywne czujniki bezprzewodowe bazują najczęściej na technice bezprzewodowej komunikacji radiowej (z ang. RFID). Dotychczas prezentowane były głównie rozwiązania prototypowe, pasywne sieci bezprzewodowe nie weszły jeszcze do szerokiego użytku komercyjnego. Wynika to m. in. z problemów dotyczących komunikacji pomiędzy odbiorcami proponowanych rozwiązań, a ich twórcami. Podjęcie tematu dotyczącego rozwoju bezprzewodowych czujników pasywnych w jednostce naukowej posiadającej duże doświadczenie w tworzeniu systemów SHM jest dużą zaletą pracy i owocuje w dobrym dopasowaniu prezentowanego urządzenia do wymagań potencjalnych użytkowników. Głównymi zadaniami zrealizowanymi w trakcie pracy doktorskiej było szczegółowe zapoznanie się z aktualnym stanem techniki w zakresie bezprzewodowych czujników stosowanych w SHM, zaprojektowanie oraz wykonanie prototypów bezprzewodowych czujników pasywnych opartych na technologii RFID oraz przeprowadzenie testów eksperymentalnych, mających na celu pokazanie przydatności opracowanych czujników dla zastosowań SHM. Wszystkie działania zostały podjęte w celu potwierdzenia tezy postawionej na początku pracy, mówiącej że "technika RFID może stanowić bazę dla bezprzewodowych czujników pasywnych, które mogą być używane w różnych zastosowaniach SHM". Dodatkową motywacją było wprowadzenie nowego. iv.
(7) STRESZCZENIE. obszaru badawczego, jakim jest opracowywanie i testy pasywnych czujników bezprzewodowych, w działalność Katedry Robotyki i Mechatroniki. Obszar ten doskonale uzupełnia zakres dotychczasowej działalności, w zakresie rozwijania systemów monitoringu stanu konstrukcji SHM, prowadzonej dotychczas w jednostce. Drugi rozdział zawiera szczegółowy opis techniki RFID. Rozpoczyna się od opisu historii techniki RFID, począwszy od pierwszych zastosowań w postaci radarowego systemu rozpoznawania wrogów opracowanego przez aliantów w trakcie II Wojny Światowej, poprzez jej gwałtowny rozwój w latach 70-tych XX wieku, aż do stanu dzisiejszego. Opisana została zasada działania technologii, podane zostały podstawowe prawa fizyczne, które umożliwiają bezprzewodową komunikację pomiędzy czytnikiem oraz identyfikatorem, krótko opisane zostały podstawowe elementy systemu RFID. Przedstawione wzory fizyczne pozwalają na lepsze zrozumienie zagadnień oraz eksperymentów prezentowanych w dalszych częściach pracy. Technika RFID polega na bezprzewodowej komunikacji za pomocą fal elektromagnetycznych (lub szybkozmiennego pola megnetycznego w przypadku niższych częstotliwości) pomiędzy czytnikiem a znacznikami, nazywanymi też identyfikatorami. Identyfikatory najczęściej nie posiadają źródła zasilania. Wykorzystują one energię zawartą w fali generowanej przez czytnik, do zaislania własnych obwodów. Mają one za zadanie przesyłanie prostego numeru identyfikacyjnego (z ang. UID) do czytnika, co odbywa się najczęściej za pomocą modyfikacji impedancji anteny identyfikatora. Modyfikacje wykonane w odpowiedniej sekwencji mają wpływ na siłę odbijania fali elektromagnetycznej, która powraca do czytnika, a tym samym pozwalają na bezprzewodowe przekazywanie informacji pomiędzy identyfikatorem a czytnikiem. Opisane zostały również zakresy częstotliwości stosowane w technice RFID oraz powiązane z nimi zagadnienia dotyczące standaryzacji RFID - przybliżone zostały najpopularniejsze standardy. W zależności od zakresu częstotliwości, systemy RFID prezentują różne cechy związane z zasięgiem odczytu, ilością przesyłanych informacji, odpornością na działanie negatywnych czynników zewnętrznych. Szczególnie szeroko zostały opisane systemy pracujące w zakresie wysokich częstotliwości (z ang. HF), jako że właśnie na tej technologii oparte zostały rozwiązania przedstawione w dysertacji. Należy zauważyć, że zastosowanie systemów z zakresu wysokich częstotliwości niesie ze sobą pewne wady, związane z niewielkim zasięgiem odczytu oraz przekazywania energii. Jednocześnie jednak są to systemy, które charakteryzują się wysoką odpornością na negatywny wpływ czynników zewnętrznych (jak np. podwyższona wilgotność),. v.
(8) STRESZCZENIE. co wielokrotnie zostało pokazane w badaniach eksperymentalnych prezentowanych w pracy. Dodatkowo, systemy te charakteryzują się możliwością przesyłania dużych ilości danych oraz prezentują spory potencjał rozwojowy, związany z obsługą protokołu NFC. W najprostszym tłumaczeniu, NFC jest standardem wspieranym przez producentów dzisiejszych urządzeń elektronicznych (smartfony, tablety), który pozwala na stosowanie tych urządzeń w roli czytnika RFID. Tym samym zastosowanie systemów wysokiej częstotliwości zwiększa szansę popularyzacji prezentowanych rozwiązań w praktyce przemysłowej. Ponadto w rozdziale wymienione zostały główne obszary zastosowań techniki RFID, tj. logistyka, kontrola dostępu, wojskowość, bezprzewodowe płatności, rolnictwo, śledzenie urządzeń, systemy lokalizacyjne oraz sensoryka. Rozdział kończy się opisem aktualnych wyzwań wymagających nowych rozwiązań oraz przewidywanych kierunków rozwoju techniki RFID. Wskazane zostały związki pomiędzy opisanymi zagadnieniami, a problematyką podejmowaną w pracy doktorskiej. Najważniejszym autorskim wkładem w omawianym rozdziale jest analiza potencjalnych kierunków rozwoju techniki RFID oraz szczegółowy przegląd historii techniki RFID. Rozdział trzeci prezentuje kompletny i szczegółowy przegląd bezprzewodowych czujników pasywnych, ze szczególnym uwzględnieniem aplikacji dotyczących diagnostyki maszyn lub monitoringu stanu konstrukcji. Rozdział jest skonstruowany w taki sposób, że informacje są podawane od najbardziej ogólnych, do szczegółowych. Rozpoczyna się on od opisu dziedziny techniki, jaką jest SHM z uwzględnieniem jej cech charakterystycznych, które odróżniają ją od innych metod diagnostycznych, np. badań nieniszczących (z ang. NDT). Następnie opisana została rola bezprzewodowych czujników w SHM oraz podział sieci na aktywne i pasywne. Dalej przegląd przechodzi do czujników bezprzewodowych opartych na technice RFID. Wyróżnione zostały dwa podstawowe typy czujników pasywnych, różniące się między sobą zasadą działania. Pierwsza grupa to czujniki oparte na pomiarze wpływu czynników zewnętrznych, na siłę sygnału odbijanego przez identyfikator. Analizując ten parametr (z ang. RSSI) można oszacować poziom wpływu konkretnej zmiennej, a tym samym - jej bezwzględną wartość. Konstrukcja tego typu czujników wymaga najczęściej stosowania różnego typu materiałów, reagujących zmianą impedancji na określone czynniki zewnętrzne, do wykonania anteny identyfikatora. Mogą to być pasty przewodzące, wykonane z dodatkiem. vi.
(9) STRESZCZENIE. nanorurek węglowych lub innych aktywnych mikrocząsteczek. Z drugiej strony, wykorzystywane są często charakterystyczne własności identyfikatorów, jak np. zmiana charakterystyki odbijania sygnału w pobliżu elementów metalowych. W ten sposób wykonywane są czujniki odkształceń, temperatury, wilgotności. Największą wadą tej grupy czujników jest potencjalny wpływ czynników zewnętrznych, innych od tych, które mamy zamiar mierzyć, na siłę sygnału. Jeżeli nie możemy wyeliminować tego rodzaju zakłóceń - efektwyność pomiaru będzie niewielka, dając w rezultacie fałszywe wartości. W tej części przeglądu zaprezentowane zostały rozwiązania opisane w prawie czterdziestu artykułach naukowych z całego świata. Wskazane zostały mocne strony prezentowanych czujników, wykazana została również potrzeba dalszego poszukiwania rozwiązań w tym zakresie. Drugą grupą opisywanych czujników są tzw. platformy pomiarowe, czyli identyfikatory RFID do których można podłączyć czujniki o niskim poborze energii i przekazywać bezprzewodowo dane pomiarowe do czytnika RFID. Platformy takie nie są wyposażone w żadne źródło zasilania, cała energia jest dostarczana w sygnale elektromagnetycznym generowanym przez czytnik RFID. Konstrukcja tego typu czujników jest bardziej skomplikowana od tych należących do pierwszej grupy, jednak posiadają one również zalety związane z odpornością na zakłócenia przez czynniki zewnętrzne oraz możliwość pomiaru kilku różnych zmiennych. Istnieje kilka prototypowych rozwiązań tego typu, jednak jak dotychczas żadne z nich nie zostały wdrożone komercyjnie. W tej części zaprezentowane zostały rozwiązania prototypowe opisywane w prawie dwudziestu artykułach naukowych z całego świata. Najważniejszym autorskim wkładem w omawianym rozdziale jest kompletny przegląd pasywnych czujników bezprzewodowych opartych na technice RFID. Według najlepszej wiedzy autora przegląd zawiera informacje dotyczące większości badań w tym zakresie prowadzonych na świecie w przeciągu ostatnich lat. Jest to jeden z najdokładniejszych przeglądów dotyczących tej tematyki w całej literaturze naukowej i może być użyteczny, nie tylko jako wprowadzenie i podstawa ukazująca znaczenie podjętych badań, ale również jako niezależny dokument, dostarczający kompletną wiedzę na temat aktualnego stanu techniki w dziedzinie czujników pasywnych. Dodatkowym wkładem autora jest propozycja podziału czujników opartych na technice RFID wg założonych kryteriów. Cały rozdział został podsumowany zestawieniem większości opisywanych rozwiązań w formie stabelaryzowanej, co pozwala na efektywne ich porównanie. vii.
(10) STRESZCZENIE. między sobą oraz szybkie wskazanie obszarów, w których prototypy nie wypełniają swojej funkcji w stu procentach. Dodatkowo dla porównania, w tabeli umieszczone zostały również rozwiązania opisywane w tej dysertacji. Istotną wartością omawianego przeglądu dla całości dysertacji jest wskazanie obszarów oraz problematyki, w których omawiane rozwiązania nie prezentują w pełni zadowalających efektów. To właśnie te obszary zostały zdefiniowane jako problemy badawcze podjęte w poniższej dysertacji. Problemami tymi jest stworzenie czujnika odpornego na zakłócenia zewnętrzne, posiadającego prostą konstrukcję oraz umożliwiającego odczyt danych z wielu punktów pomiarowych jednocześnie. Rozdział czwarty opisuje projekt i konstrukcje autorskich bezprzewodowych czujników pasywnych wykonanych w ramach pracy doktorskiej. Pierwszym z zaprojektowanych czujników jest pasywny bezprzewodowy czujnik, służący do detekcji pęknięć w elementach ceramicznych oraz szklanych. Czujnik jest dedykowany zarówno dla zastosowań SHM, jak również do diagnostyki niektórych elementów maszyn. Ważnym przewidywanym przez autora polem aplikacji czujnika może być zastosowanie w wojskowości, w diagnostyce elementów ceramicznych umieszczanych w kamizelkach kuloodpornych. Czujnik jest wykonany w formie cewki planarnej naniesionej bezpośrednio na badanym elemencie. Jego zasada działania zakłada, że dopóki nie pojawi się uszkodzenie diagnozowanego elementu, przesłuchując czujnik za pomocą standardowego czytnika RFID będziemy otrzymywać jego numer identyfikacyjny. W momencie wystąpienia uszkodzenia w postaci pęknięcia, ścieżki czujnika ulegają uszkodzeniu, w związku z czym przestajemy otrzymywać sygnał zwrotny, a tym samym możemy wnioskować o wystąpieniu uszkodzenia. Istotną zaletą proponowanego rozwiązania jest to, że zastępuje ono inspekcję wizualną, która w niektórych wypadkach może być problematyczna. Stosując proponowany system, diagnozowane elementy ceramiczne nie muszą być widoczne - czujnik musi jedynie znajdować się w zasięgu czytnika, który wynosi ok. 40 cm, w zależności od warunków otoczenia (niższy np. w przypadku bliskiej obecności elementów metalowych). Przy okazji projektu czujnika przetestowane zostały różne meotdy obliczania indukcyjności cewek planarnych, jako że nie istnieje metoda obliczeń bezpośrednich, a wszystkie metody obecne w literaturze opierają się na różnego rodzaju przybliżeniach. Ponadto, zaproponowana została metoda projektowania cewek, na którą składają się obliczenia teoretyczne i praktyczne pomiary indukcyjności, co pozwala na. viii.
(11) STRESZCZENIE. uzyskanie cewek planarnych dostosowanych do częstotliwości systemu, o zakładanych wstępnie wymiarach. Drugim z zaprojektowanych czujników jest bezprzewodowa platforma sensoryczna działająca w paśmie wysokich częstotliwości (z ang. HF) RFID. Służy ona do bezprzewodowego przesyłu danych z dowolnego podłączonego czujnika o niskim poborze energii do czytnika RFID. Dane pomiarowe, po przetworzeniu w mikroprocesorze, są przesyłane do czytnika w formie cyfrowej. Przedstawione zostały założenia dotyczące platformy, jej projekt elektroniczny, problematyka dotycząca odzysku energii z sygnału emitowanego przez czytnik (bilans energetyczny), problematyka dotycząca zarządzania transferem danych oraz najważniejsze cechy platformy, które wyróżniają ją spośród innych rozwiązań. Działanie platformy jest oparte na układzie M24LR64E umożliwiającym bezprzewodową komunikację w standardzie ISO15693 RFID, będącym jednocześnie pamięcią EEPROM o pojemności 64 kBit oraz wyposażonym w układ odzysku energii z sygnału emitowanego przez czytnik. Tym samym układ dostarcza zasilanie do pozostałych elementów platformy. Kolejnymi wykorzystanymi układami elektronicznymi jest mikroprocesor MSP430F2132 o niskim poborze energii oraz regulator napięcia NCP583. Platforma jest również wyposażona od razu w dwa czujniki: akcelerometr ADXL335 oraz czujnik temperatury LM94021. Obecne są również konektory, pozwalające na podłączenie czujnika zewnętrznego. W rozdziale zaprezentowane zostały kompletny schemat elektroniczny platformy bezprzewodowej, system zarządzania pamięcią oraz transferu danych pomiarowych od przetwornika analogowo-cyfrowego, aż do agregacji zbiorów danych w jednostce nadrzędnej, do której podłączony jest czytnik RFID, wykonujacy bezprzewodowy pomiar. Pokazane zostały również wyniki pomiarów eksperymentalnych, których celem było oszacowanie efektywnej częstotliwości próbkowania, wynoszącej 100 Hz. Fizyczne cechy platformy oraz jej możliwości zostały podsumowane w tabeli. Poza podawanymi wyżej informacjami, ważnymi cechami platformy jest całkowity pobór prądu, który nie przekracza 1 mA przy napięciu 1.8 V oraz maksymalna moc dostępna dla czujników zewnętrznych wynosząca 16 mW. Platforma sensoryczna jest przewidywana jako tani, bezobsługowy system pomiarowy pierwszego poziomu. Nie ma on za zadanie dostarczać precyzyjnych i dokładnych informacji diagnostycznych. Ma służyć raczej jako pierwsze źródło informacji o tym, że działanie diagnozowanej struktury zostało zakłócone.. ix.
(12) STRESZCZENIE. Początkowo była ona planowana w celu wypełniania zadań systemu diagnostycznego zaimplementowanego na łopatach helikoptera. Może być również stosowana w miejscach trudnodostępnych lub charakteryzujących się trudnymi warunkami środowiskowymi. W ostatnich wypadkach, bezprzewodowe pomiary moga być dokonywane za pomocą czytnika umieszczonego na mobilnych robotach lub dronach. Dodatkowym czynnikiem zwiekszającym atrakcyjność platformy sensorycznej w aplikacjach przemysłowych jest mozliwość jej odczytu za pomocą urządzeń wyposażonych w protokół NFC. Obydwa zaprezentowane czujniki stanowią istotny wkład w rozwój dziedziny techniki dotyczącej bezprzewodowych czujników pasywnych stosowanych w SHM. Piąty rozdział opisuje wszystkie badania eksperymentalne przeprowadzone na opisywanych wcześniej czujnikach w trakcie wykonywania pracy doktorskiej. Większość zaprezentowanych eksperymentów odnosi się do przewidywanych zastosowań czujników (w szczególności platformy sensorycznej) i zostało przygotowane w taki sposób, by jak najlepiej odwzorować rzeczywiste warunki pracy czujników w systemach SHM i diagnostyki maszyn. Badania przeprowadzone nad czujnikiem pęknięć były związane głównie z weryfikacją założonego sposobu działania oraz z opracowaniem aplikacji służącej do obsługi czujników. Większej ilości badań eksperymentalnych została poddana bezprzewodowa platforma sensoryczna, ze względu na jej dużą atrakcyjność dla potencjalnych zastosowań, dzięki posiadanym cechom. W pierwszej serii eksperymentów sprawdzone zostało działanie czujnika przyspieszenia ADXL335 podłączonego na stałe do platformy. W pierwszym eksperymencie sprawdzona została efektywna szerokość pasma pomiarowego dla sygnału drganiowego. W tym celu platforma sensoryczna została umieszczona bezpośrednio na wzbudniku modalnym Modal Shop E2007E01, sterowanym za pomocą kontrolera wibrometru Polytec PSV400 ze zintegrowanym generatorem sygnałowym. Dane były przesyłane bezprzewodowo (tak jak w przypadku wszystkich kolejnych eksperymentów) do standardowego czytnika RFID ID ISC.MR101-USB firmy FEIG, do którego była podłączona antena ID ISC.ANT340/240. Czytnik był podłączony do nadrzędnego komputera klasy PC, gdzie również uzyskane dane zostały poddane obróbce. Testowane były sygnały o różnej częstotliwości drgań, dla ustalonej różnej częstotliwości próbkowania. Wyniki zostały zaprezentowane w spektrum częstotliwości, co pozwala stwierdzić, że w każdym testowanym wypadku, częstotliwość rezonansowa sygnału była odwzorowywana właściwie.. x.
(13) STRESZCZENIE. Kolejnym testem było sprawdzenie możliwości bezprzewodowego pomiaru pierwszej częstotliwości rezonansowej belki kompozytowej o wymiarach 600x50 mm. W tym wypadku dane były kolekcjonowane przy maksymalnej częstotliwości próbkowania wynoszącej 100 Hz. Pomiar został zweryfikowany za pomocą symulacji wykonanej w środowisku Altair Hypermesh. W celu oszacowania własności materiałowych stosowanego kompozytu oraz ich właściwego odwzorowania w symulacji, zostały wykonane testy próbki kompozytowej o wymiarach 100x20 mm na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8872. Wyniki przeprowadzonej symulacji były niemal identyczne z wynikami eksperymentu, w którym pierwsza częstotliwość rezonansowa testowanej belki wynosiła 6.83 Hz (w porównaniu do wartości 6.73 Hz uzyskanej w symulacji). Zaprezentowana została również możliwość dostarczania informacji o uszkodzeniu belki na podstawie różnic w występowaniu piku rezonansowego. W tym wypadku, bezprzewodowy pomiar drgań został wykonany dla belki o innych wymiarach, wynoszących 300x50 mm. W pierwszej części eksperymentu pomiar był wykonany dla belki nieuszkodzonej, w drugiej części, dla belki uszkodzonej. Obydwa wyniki zostały porównane z wynikami symulacji przeprowadzonych analogicznie do tych w pierwszym eksperymencie. Uszkodzenie zostało wprowadzone w postaci poprzecznego frezu, o głębokości równej połowie grubości belki (wynoszącej 2 mm), umiejscowionego w pobliżu miejsca zamocowania belki. Przesunięcie pierwszego piku rezonansowego w dziedzinie częstotliwości jest wyraźnie widoczne, zarówno dla wyników eksperymentalnych, jak również symulacyjnych. W obydwu przypadkach (eksperyment i symulacja) wartości otrzymanych rezonansów są zbliżone. Przeprowadzony został również bezprzewodowy pomiar temperatury obudowy łożyska, poddanej działaniu siły dociskającej. W tym wypadku, bezprzewodowa platforma została umieszczona na obudowie jednego z łożysk w którym osadzony był wał połączony z silnikiem AC o mocy 3 kW. Wał obracał się z prędkością 1200 obr/min, a obudowa łożyska została poddana działaniu siły dociskającej, wynoszącej 800 N. Temperatura obudowy zmieniała się w czasie, wraz z rozgrzewaniem się całego układu. Dane uzyskane bezprzewodowo były weryfikowane za pomocą pomiaru referencyjnego kamerą termowizyjną FLIR i7. Eksperyment był prowadzony przez 15 minut, a termowizyjne pomiary referencyjne były wykonywane co 180 s. W trakcie pomiaru, temperatura obudowy wzrosła o 8◦C z początkowej wartości ok. 30◦C, do wartości 38◦C. Pomiary referencyjne wykazywały dużą zgodność z pomiarami bezprzewodowymi. Duża. xi.
(14) STRESZCZENIE. zaletą przeprowadzonych pomiarów była praktyczna weryfikacja odporności systemu pomiarowego na zaburzenia wprowadzane przez obecność elementów metalowych w sąsiedztwie czujnika. Opcjonalna dodatkowa możliwość wykorzystania bezprzewodowego pomiaru temperatury, została zaprezentowana w dodatkowym eksperymencie obrazującym detekcję oddechu za pomocą czujnika temperatury. Kolejnym ważnym eksperymentem dotyczącym pomiaru temperatury jest pomiar pokazujący możliwość jednoczesnego transferu danych z kilku czujników bezprzewodowych umieszczonych obok siebie. Stanowisko eksperymentalne przygotowane w tym celu było oparte na prototypie mikroturbiny. Czujniki bezprzewodowe zostały umieszczone na poszczególnych sekcjach obudowy prototypu. Istniała możliwość kontroli temperatury poszczególnych sekcji za pomocą grzałek. Dane były pobierane bezprzewodowo z trzech różnych czujników, a wyniki były weryfikowane za pomocą pomiaru referencyjnego kamerą termowizyjną FLIR i7. Pomiary zostały wykonane dla dwóch różnych poziomów temperatury elementów obudowy - 70◦C, 50◦C oraz temperatura ustalona, odpowiednio dla elementów nr 1, 2 i 3, w pierwszym przypadku oraz 80◦C, 60◦C i temperatura ustalona w drugim. Różnica pomiędzy pomiarami wykonanymi za pomocą czujników bezprzewodowych, a pomiarami referencyjnymi nie przekraczała 1◦C. Jest to jeden z pierwszych przykładów w całej światowej literaturze jednoczesnego bezprzewodowego pomiaru z całkowicie pasywnych czujników. Zaprezentowana została również współpraca platformy sensorycznej z podłączonym z zewnątrz powierzchniowym czujnikiem odkształceń wykonanym z nanorurek węglowych (z ang. CNT) wymieszanych z żywicą epoksydową. Czujnik odkształceń CNT wykorzystany w eksperymencie został umieszczony na kompozytowej próbce, wykonanej z włókna szklanego, w formie belki o wymiarach 78x20 mm. Elektrody czujnika zostały podłączone do platformy bezprzewodowej za posrednictwem mostka Wheatstone’a (w układzie ćwierćmostka), bez kompensacji temperaturowej. Próbka w formie belki była zginana w trakcie eksperymentu w dwóch kierunkach. Dane pomiarowe były przekazywane bezprzewodowo do czytnika RFID i dalej do komputera. Po filtracji otrzymanego sygnału, pomiar wskazywał odkształcenie na poziomie 0.01% w jednym kierunku oraz 0.66% w drugim. Odpowiada to wydłużeniu belki o 0.78 mm oraz skróceniu (w trakcie zginania w drugim kierunku) o 0.51 mm. Przeprowadzony eksperyment dowodzi przydatności bezprzewodowego czujnika w aplikacjach wymagajacych pomiaru. xii.
(15) STRESZCZENIE. odkształceń. Dodatkową zaletą jest w tym wypadku łatwa aplikacja czujnika odkształceń, który może być nanoszony w formie pasty lub nawet rozpylany na powierzchni diagnozowanego elementu. Wszystkie przeprowadzone pomiary świadczą o wysokiej przydatności badanej platformy sensorycznej dla przewidywanych zastosowań, jako system diagnostyczny pierwszego poziomu. Jakkolwiek istnieją w literaturze naukowej doniesienia dotyczące prowadzenia podobnych badań, przykład bezprzewodowej diagnostyki belki kompozytowej, bezprzewodowy pomiar temperatury w pobliżu elementów metalowych, bezprzewodowy pasywny transfer danych z podłączonego czujnika CNT oraz bezprzewodowy transfer danych z kilku czujników w tym samym czasie zostały zaprezentowane po raz pierwszy w literaturze światowej. Świadczy to jednoznacznie o dużej istotności przeprowadzonych badań. W ostatnim rozdziale podsumowane zostały wszystkie prace wykonane w ramach przedstawionej dysertacji. Teza postawiona we wstępie została potwierdzona, podsumowana oraz skomentowana. Rozdział kończy się planem dotyczącym dalszych prac badawczych, które powinny zostać przeprowadzone w celu dalszego rozwijania projektu oraz komercjalizacji i wprowadzenia na rynek opisywanych rozwiązań.. xiii.
(16) Contents 1 Introduction. 1. 1.1. From the author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Motivation and problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.3. Aim of the dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.4. Organization of the dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 2 RFID technology - theory and application. 7. 2.1. History of RFID systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 2.2. RFID operating principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 2.2.1. RFID reader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 2.2.2. RFID transponder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 2.3. RFID application areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.4. Frequency bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.5. Operating principles of HF systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.5.1. Magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.5.2. Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.5.3. Faraday’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.5.4. Magnetic coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.5.5. Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 2.5.6. Magnetic field strength generated by the reader’s antenna . . . .. 23. 2.5.7. Modulation scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 2.6. Challenges and development trends of RFID systems . . . . . . . . . . .. 25. 2.7. Summary of the RFID technology description . . . . . . . . . . . . . . .. 27. i.
(17) CONTENTS. 3 Wireless passive sensors in Structural Health Monitoring. 28. 3.1. Structural Health Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 3.2. Wireless Sensor Networks in SHM and Machine Condition Monitoring .. 31. 3.3. WSN based on RFID technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 3.3.1. From RFID based sensing towards Internet of Things . . . . . .. 34. 3.3.2. Active and passive design of RFID based sensors . . . . . . . . .. 36. 3.3.3. Passive sensors ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.3.4. Review of the wireless passive sensing solutions based on changes in the backscattered signal. 3.3.5 3.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Review of the wireless passive sensing solutions with connected external sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. Review Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 4 New developed RFID based sensors 4.1. 4.2. 38. 53. Wireless passive sensor for crack detection in ceramic elements . . . . .. 53. 4.1.1. Operating principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 4.1.2. Examples of application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 4.1.3. Planar coil inductance calculation . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. 4.1.4. Performed simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. Wireless passive sensing platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. 4.2.1. General idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.2.2. Sensing platform elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.2.3. Powering issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 4.2.4. Data management properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 4.2.5. Sensing platform properties - summary. . . . . . . . . . . . . . .. 74. 4.2.6. Application possibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 5 Application examples of developed sensors. 77. 5.1. Development and investigation on crack detection sensor prototypes . .. 77. 5.2. Software application for handling crack detection sensor . . . . . . . . .. 79. 5.2.1. Design criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 5.2.2. Software components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.2.3. Application functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. Vibration measurements by using wireless sensing platform . . . . . . .. 83. 5.3. ii.
(18) CONTENTS. 5.4. 5.3.1. Vibration signal bandwidth experimental test . . . . . . . . . . .. 84. 5.3.2. Vibration measurements of the CFRP beam . . . . . . . . . . . .. 86. 5.3.3. Beam diagnostic example based on vibration measurements . . .. 90. 5.3.4. Motion detection tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 5.3.5. Inclination sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. Temperature sensing by using wireless sensing platform . . . . . . . . .. 95. 5.4.1. Bearing housing temperature measurements for the diagnostic purposes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.4.2 5.5. 5.6. 96. Breath detection by using temperature sensor - medical application 98. Strain measurements by using CNT-based sensor connected to the platform100 5.5.1. CNT-based strain sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100. 5.5.2. Basics of Strain Gauge Measurement Theory . . . . . . . . . . . 100. 5.5.3. Test Stand Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101. 5.5.4. Wireless Strain Measurement Experimental Results. 5.5.5. Result Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104. . . . . . . . 102. Wireless measurements from many sensing nodes . . . . . . . . . . . . . 104 5.6.1. Test stand and experiment description . . . . . . . . . . . . . . . 105. 5.6.2. Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107. 6 Conclusion and future works. 108. 6.1. Main achievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. 6.2. Thesis confirmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110. 6.3. Results discussion and future works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110. A List of articles. 113. List of Figures. 116. List of Tables. 119. References. 120. iii.
(19) GLOSSARY. Glossary AC Alternative Current ADC Analog to Digital Converter CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer CNT Carbon Nanotubes DOF Degree of Freedom EAS Electronic Article Surveillance EM Electromagnetic EPC Electronic Product Code FE Finite Element FMS Flexible Manufacturing System FRF Frequency Response Function GF Gauge Factor GUI Graphical User Interface HF High Frequency IC Integrated Circuit IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFF Identification Friend or Foe IoT Internet of Things ISM Industrial Scientific and Medical JIT Just in Time LC Inductance-Capacitance resonance circuit. iv.
(20) GLOSSARY. LF Low Frequency LTCC Low Temperature Co-fired Ceramic NDT Non-Destructive Testing NFC Near Field Communication OSI Open Systems Interconnection PCB Printed Circuit Board PLC Programmable Logic Controller RF Radio Frequency RFID Radio Frequency Identification ROI Return of the Investment RSSI Received Signal Strength Indicator RTF Reader Talk First RTLS Real Time Location Systems SAW Surface Acoustic Wave SHM Structural Health Monitoring SMD Surface Mounted Devices UHF Ultra High Frequency UID Unique Identifier WISP Wireless Identification and Sensing Platform WSN Wireless Sensor Networks. v.
(21) Chapter 1. Introduction 1.1. From the author. The creation process of this dissertation was a work executed for almost fourth years. It is prepared not only as a final document that allows the defense of doctoral thesis, but also as a document that should serve every scientist, student and engineer that is interested in the subject of wireless passive sensing based on the Radio Frequency Identification (RFID) technology. Although the dissertation describes in detail the solution of advanced scientific problem, the author has made every effort to make it intelligible and well organized. The author express its hope that some part of the dissertation will be especially interesting for the people focused on particular scientific areas. Exemplary it could be the history of RFID systems, the review of passive RFID based sensing methods, planar coil inductance calculation or actual possibilities in wireless passive sensing, proven by conducted investigation. The intention of the author was that this dissertation should not be just a heartless administrative document, but a scientific document that could be interesting for readers, being a source of knowledge and inspiration.. 1.2. Motivation and problem statement. Structural Health Monitoring is the fast developing technical domain in the last years [1]. Due to its complex nature, there are many different scientific problems that belong to this subject. Beside the approach focuses on the complete diagnostic system integration with the structure, some of the scientific activities in this field scope on. 1.
(22) 1.2 Motivation and problem statement. the investigation of particular part of the system. One of the most significant part of every diagnostic system are its "senses" responsible for the perception of the objects. The role of senses in the system is played by sensors. Looking for newer and better (in particular respects) sensing possibilities is therefore the important role for engineers that are engaged in SHM systems development. Design of Wireless Sensor Networks (WSN) is one of the most promising sensing system development direction in SHM [2]. Although usage of WSN meets with many concerns, simultaneously it brings invaluable benefits. There are, among others, the possibility for fully integration with monitored structure and lack of needed wire connections, what means low costs of the system installation. For the last few years, the WSN systems developed another additional advantage - they have no battery in the sensing nodes. These kind of systems are designed mostly on the basis of RFID technology [3] and due to the lack of battery, they could be used for many years without any needs for maintenance activities. There are different projects in this field in the world[4], however, until today there is a little number of such systems that are commercialized and used on a larger scale. The author indicates that the reason that stands behind this situation is development of such kind of sensor, without close cooperation with people that are involved in fields, where the sensor should be used. This is the motivation and simultaneously the strong advantage of this dissertation. It was developed in research team that has wide experience in SHM systems development and implementation on every level of complexity - from development of individual sensors, through different sensing methods based on particular algorithms and authors solution, ending with application of whole monitoring system. This cooperation that often was based only on the consultation and ideas exchange, allowed for development of solution that is well adjusted to the needs of real application. This strong industrial orientation is visible in the dissertation, where, after the development of sensor proof of concept, a wide industrial consulting were performed for achieving the best adjustment to the real needs of prospective users. Although in SHM there have been developed a lot of advanced methods based on the newest scientific achievements from the field of non-linear acoustic, material sciences and vibration analysis, there is also still a strong need for simple, but reliable solutions that could be used as first-level of diagnostic systems [4]. The absence of such system that could be simultaneously wireless, battery-free and robust in SHM is the. 2.
(23) 1.3 Aim of the dissertation. most important motivation that has decided on taking the subject of this dissertation. Additional motivation was the introduction of completely new field of investigation in the Department of Robotics and Mechatronics at AGH, which perfectly complements the range of topics related to SHM realized so far.. 1.3. Aim of the dissertation. The main objective of this dissertation is the development of wireless passive sensors based on RFID technology that could be used in SHM, satisfying requirements related to low-cost, reliability and fitting to prospective application. The scientific problem that the work attempts to solve could be present in the form of the following assumption, which is the main thesis of this dissertation: • RFID technology can be a base for wireless passive sensor design that could be used in different SHM application. To meet the dissertation objectives and prove the thesis stated above, different tasks had to be fulfilled: • State of the art in the field of wireless passive sensing - only the thorough analysis of the actual state of scientific field, concerned with wireless passive sensors design, allows for avoidance of repeating the same investigations that were performed in the world. This knowledge provides the high level of importance of performed investigation, ensuring their novelty at the world scale. Moreover, the deep knowledge related to another developed solutions allows for inspiration finding, as well as undertaking tries to overcome some drawbacks of previous works from different research centers. These drawbacks are the short read range [5], low robustness [6] or the overall system performance [7]. All drawbacks of another wireless passive sensing systems are addressed in the review summary and the advantages of the proposed solutions are depicted. Such review states an intrinsic value for the readers, giving theme excellent survey on the actual state of the art in this field. • Development of principles of RFID based sensor design - to design a passive sensors based on RFID technology, the wide knowledge related to its basic principles, standardization and available solutions is necessary. Only these. 3.
(24) 1.4 Organization of the dissertation. information allow undertaking next design steps. Sensor design steps, from the perspective of wide knowledge about RFID principles, should be easier and more efficient. • RFID-based sensors development - this is a complex task that consists of different subtasks depending on the sensor type. Generally, during the Ph.D. project it was intended to develop two kind of sensors belonging to two different approaches in RFID-based sensor design (Section 3.3.3). For each sensor type the general idea should be elaborated, electrical outfit should be designed, the main sensor features should be specified and partially tested. The important additional task related to design steps was finding an accurate method for planar coil inductance calculation, what allows for efficient antenna design intended for use in High Frequency (HF) RFID systems. • Experimental tests of sensors - to prove usefulness of developed sensors in SHM applications, different experiments have been performed. The experiments should be prepared in a way, to best reflect conditions of real application. This means that every phenomenon that potentially could have an impact on the measurement system (for instance, the proximity of metal objects) should not be separated artificially. Detail experiments should also illustrate typical diagnostic measurement cases. Accurate experiments will show the usefulness of developed systems in assumed application, proving the importance of undertaken research subject simultaneously.. 1.4. Organization of the dissertation. This dissertation is divided into two main parts, each one consists of two chapters, with additional Introduction (Chapter 1) and Conclusion (Chapter 6) chapters, at the beginning and the end of dissertation respectively. First part states the theoretical background for performed research. It consists of wide description of the RFID technology in Chapter 2 with especially scope to its role in WSN and today’s technology in Chapter 3. The second part presents the results of investigation obtained during the Ph.D. project. First chapter of this part describes wireless sensors developed by author (Chapter 4) and the second one brings experimental results obtained by testing them,. 4.
(25) 1.4 Organization of the dissertation. showing their features and possibilities of application (Chapter 5). The thesis consists of the following chapters, shortly described below: • Chapter 2 - this chapter contains a discussion of RFID technology. It starts with the historical background, showing the roots of the RFID and shortly describes the operating principle of the technology. The main elements of RFID systems are described, as well as different types of RFID systems, regarding operating frequency. The physical principles of HF systems are presented also. It allows for better understanding of some experiments presented in next chapters. The issue of standardization in RFID technology is also shown in this chapter. This part ends with a wide description of RFID application possibilities, as well as its future perspective and challenges. The most significant author’s contribution in this chapter is the analysis of RFID development trends, as well as a complex review of the history of RFID technology. • Chapter 3 - this chapter is constructed in a way that brings the reader information from general to specific. It starts with the description of SHM principles and the role of WSN in SHM systems. Then it passes to the RFID based sensing systems describing its diversity on the basis of powering method, as well as measurement method. The most important part of the chapter is a complete review of the art in the subject of wireless passive sensing based on the RFID technology. The survey contains information related to almost all of investigation performed on this type of sensors worldwide. This is one of the most complex review in this field performed so far in the scientific literature and could be useful both as an independent work, as well as a background that shows importance of taken investigation subject. The authorial method of RFID-based sensing system division and the complex review state the most important author’s contribution described in this chapter. • Chapter 4 - this chapter contains information related to wireless passive sensors developed by author during the Ph.D project. The first designed sensor is the wireless passive crack-detection sensor that could be used for the damage detection in ceramic elements. By the occasion of works performed on this sensor, several methods for planar coil inductance calculation were tested and the most accurate ones were indicated. The second designed sensor is the wireless passive sensing platform that could be used for wireless data transfer from any low-power. 5.
(26) 1.4 Organization of the dissertation. sensor connected. The assumptions, design and features of the platform are presented. Both presented solutions state significant contribution to the scientific field of wireless passive RFID-based sensors development. • Chapter 5 - this chapter gathers all of the experimental investigation on developed sensors made during the Ph.D project. Most of the presented experiments are related to prospective applications of developed sensor and were prepared this way to reproduce the realistic working condition of sensors in SHM and mechanical structure diagnostic systems. Investigation on the crack-detection sensor were mainly related to operating principle tests and development of software environment supporting the sensor. Larger number of experiments were performed on the wireless sensing platform, due to its bigger attractiveness for prospective application. Its cooperation with accelerometer, temperature sensor and CNTbased strain sensor were investigated. The results show its high level of usefulness as a first-level diagnostic device in SHM and machine diagnostic application. Although similar experiments were presented by few research group from the world, the wireless passive beam diagnostic example, temperature measurement in the proximity of metal objects, wireless passive data transmission from the CNT-based sensor and the simultaneously wireless temperature data transmission from few sensing nodes are presented for the first time in scientific literature, what indicates the importance of described investigation. • Chapter 6 - this chapter summarizes results achieved within the frame of the Ph.D. project presented in this dissertation. Thesis stated in the introduction is concluded and commented. It ends with the description of future works that could be performed to further improve the undertaken subject, as well as to commercialize and introduce developed solutions on the market. The important element of this dissertation states references that allow for easy move between particular chapters and sections of the dissertation. Additionally, the author has made every effort to add acting link to every cited source, what allows the reader to easily familiarize with cited references.. 6.
(27) Chapter 2. RFID technology - theory and application 2.1. History of RFID systems. Historical perspective on every one contemporary technology could be interesting not only for the enthusiasts of science history. Knowledge of each technology development paths and the experience of previous generations of researchers could be valuable for today investigators. Therefore, looking back on the roots of the technology, the development of which we are dealing with, allows for avoiding repeated traps and offers a broader perspective, on which concerned technology can be seen. Forgetting about past creates a risk of repeating the same mistakes, therefore the knowledge about it is important not only for the historians, but also for technical scientists. Fundamental basis of electromagnetic theory were created by such noble scientists as Benjamin Franklin, Michael Faraday, Andre Ampere, Carl Friedrich Gauss and finally James Clark Maxwell, being the author of the most complex work, known as "A Treatise on Electricity and Magnetism" published in 1873 [8]. Based on his theories and experiments, the next generation of researchers; Heinrich Rudolf Hertz, Aleksandr Popov and Guglielmo Marconi were able to implement them in practical application, inventing radiotelegraphy transmission and forming the foundations of the antenna techniques. Significant contribution to the basics of RFID systems were made by another famous researcher - Nikola Tesla, who has predicted possibility to wirelessly powering the objects in his works [9, 10]. Although his ideas sometimes have balanced on the thin border. 7.
(28) 2.1 History of RFID systems. between science and fiction, concerning the wireless powering via the electromagnetic waves - this particular feature is actually one of the most important advantage of RFID systems. Concluding, the humanity has entered the twentieth century with the basic knowledge of electromagnetism and many ideas related to its possible application. The next milestone, being the consequence of the antenna technique development was invention of the radar technique assigned to the Scottish physicist Sir Robert Alexander Watson-Watt in 1935, on the threshold of World War II. This scientist, initially dealing with issues related to the use of electromagnetic waves for the detection of thunderstorms [11], in the face of impending war was hired as a superintendent of the Bawdsey Research Station under the British Air Ministry. In this laboratory, he has developed a method based on his own idea for detection of aircrafts by using radio waves. The invention was quickly turned into application in the form of installation of a series of radar stations along the East and South coast of England. It is believed that this invention helped to win the Battle of Britain. The radar system would be useless if it would not be equipped in the method of distinction between friendly and hostile airplanes. That was a reason to development Identification Friend or Foe (IFF) system, utilizing active transponders placed on friendly aircraft that broadcast a radio signal after receiving signals from the radar station. Thanks to these transponders, the radar station could recognize friendly machines. Initially the system responds directly to the radar pulse, although together with the development of next generation, different frequency bands were used for its activity [12]. IFF was in fact the first RFID system in the pre-digital era, which significantly contributed to the victory of the Allies. After the end of the World War II the story is approaching Harry Stockman. He, after working in secret research center during the War - Radio Research Lab at Harvard - has become the head of Cambridge Field Station’s Communications Department. There, he investigated different communication possibilities based on electromagnetic waves. One of the most important idea proposed by him was to modulate the carrier wave provided by the transmitter station by changing the receiver characteristic [13]. The backscattered, modulated signal registered by the transmitter could carry some information assuming different modulation parameters. For performing the one of his most famous experiment, he used the Triple Turret Reflector, consisted of corner reflectors utilized during the World War II to deceiving the hostile radar stations. Each reflector has rotated with its own speed and therefore the reflected radio wave from. 8.
(29) 2.2 RFID operating principles. each one had different modulated frequency. By measuring this frequency, he was able to read the simple "coded" number depending on the rotation speed of reflectors. This, in fact, was the first passive pseudo-digital RFID system presented ever. After aforementioned preliminary researches, the development of RFID had to wait few years for the development of electronics, but it started growing rapidly in the 70’. That was the time when the first patent applications have been filled (Robert Richardson "Remotely activated radio frequency powered devices" in 1963, Otto Rittenback "Communication by radar beams" in 1969, J. H. Vogelman "Passive data transmission techniques utilizing radar beams" in 1968 and J. P. Vinding "Interrogator-responder identification system" in 1967 [14]) and first practical applications were performed, especially the simplest in realization Electronic Article Surveillance (EAS) systems. Although the technology has gained popularity during next years, being implemented in different new application areas, the first attempts to standardize it were performed during the 90’. The standard, which gave the huge boost to the UHF technology development was introduced just in the XXI century, by the EPCglobal and is known as Electronic Product Code (EPC) standard [15]. It is, beside the ISO 18000 and ISO 15693 standards, the guarantee of fast technology popularization and brings us closer to the idea of Internet of Things (IoT) based on RFID technology.. 2.2. RFID operating principles. The term Radio Frequency Identification (RFID) systems refers to different radio communication techniques between the device serves as a wireless data collector, which is called a reader and many devices storing unique data, which are defined as transponders. This word was formed at the base of two terms, the transmitter and the responder. They corresponds with the two main features of the transponder, which is the transmission of data to the reader, always as a response for the reader’s request (one of the most important communication principle of RFID systems is called RTF, which means that Reader Talk First). Interchangeably with the term "transponder", the "tag" definition is occasionally used. Widely description of the main RFID system parts are posted in the next sections. The reader communicates with the transponders using electromagnetic waves in specific frequency. The reader sends a signal modulated and coded by using a speci-. 9.
(30) 2.2 RFID operating principles. fied method and waits for the response of the tags within its read range. The tag uses the energy of electromagnetic waves to power its internal circuits and sends a simple response to the reader. The response of the tag is based on the reflection of electromagnetic wave introduced by the reader. Coding of the information is performed by a simple modulation of tag’s antenna parameters (i.e. impedance) what cause changes in the reflected waves. Basically one could perceive the RFID systems as a simple wireless radio identification method, where the only task of the reader is to identify all of the transponders within its interrogation zone. Although the identification is still the most important task of RFID, today the possibilities that entails the use of this technology significantly exceed beyond the basic tasks, for which it was created. RFID systems could be considered at different layers, where the division for different layers could be performed concerning different methods. The typical division method for communications system is the OSI conceptual model presented in ISO/IEC 7498-1. Many attempts were performed to present the RFID communication system by using this model [16], as well as to provide new framework methods based on different assumptions [17]. The most accurate in the opinion of author is the simplified system division model presented in ISO 18000-1 standard. It comprises of the same highest and lowest layers as the OSI model (which are the application and the physical layer respectively), but other layers between theme are treated as one communication layer. Summing up these information, the RFID system comprises of three layers: the application layer, the communication layer and the physical layer [18]: • Application layer - this layer contains additional information related to the identified objects. These augmented information could be used in higher levels of identification systems, by accessing different databases. Examples of such information are for instance the place and data of manufacturing in product identification systems, personal data of employees in access control systems, etc. The application layer covers graphical user interface (GUI), as well as the connection between the reader handling program and the different programs utilized within the system. • Communication layer - this layer defines the communication method between the reader and tags that is the communication protocol compatible with different standards and anticollision methods connected with it. Main parts of communication layer, related to commands used for communication between reader and. 10.
(31) 2.2 RFID operating principles. the tag, as well as a transponder state, are typical for entire RFID communication with slight differences regarding the utilized protocol. • Physical Layer - it defines the physical nature of communication between the reader and the transponder. The main parts of physical layer is the wireless radio interface, resonance frequency, modulation method, data encoding and encryption. The important part of this layer is also the environmental characteristic that could have significant impact for the wireless communication performance due to the different phenomena described widely in the next sections. Similar to other communication systems, particular layers have another importance level for different persons associated with RFID: investors, end-users, integrators, scientists and developers. Although the system should be always considered with regarding to all of these layers, it is impossible to consider only one particular layer, without impacting the other layers.. 2.2.1. RFID reader. The RFID reader plays the crucial role in every RFID system. It could be essentially consider as the heart of the system, being responsible for the identification and wireless communication with the transponders, as well as for the data management processes. It could serve as the top-level object in some systems or sending the data further to the database or the connected server in more complex systems. The typical reader system is understood as a reader device comprised of the electric part and radio-communication component, i.e. the reader antenna. The electric part of the reader is typically based on the RFID reader chip as a core element and different electrical components are responsible for handling of the communication protocols between the reader and external devices, as well as analogous antenna signal pre- and post-processing (impedance or phase adjustment, signal filtering). The reader could be connected to one or more antennas (usually no more than four antennas) responsible for the physical part of communication with transponders. The zone, where the transponders could be read, is called an interrogation zone and its dimensions depend on the system frequency, the connected antenna, elements of the environment which have an impact on the maximal read-range of the system. Typically, the reader provides some anti-collision protocol that allows for semi-simultaneous communication. 11.
(32) 2.2 RFID operating principles. with many transponders within the interrogation zone of the reader. Important feature of the reader is the wireless powering of transponders. Many systems base on the passive transponders, which means that entire energy needed for they operation is provided by the reader antenna. The readers offered on the market have many different forms. The main criterion of division is the mobility feature of the readers. There are used remote readers with their own battery source, which often are offered as hand-held devices. This type of readers is often used in stocktaking application in warehouses or product identification on the assembly lines in the big plants. The different type state stationary, fixed readers installed in one, particular place. This type of readers gains its popularity in the anti-theft application in stores, the access control application and the wireless payment. Both fixed, as well as remote readers have own advantages and drawbacks and proper selection of the appropriate device is one of the most important task when designing an RFID system. Another important problem related to the reader and the antenna selection is the interrogation zone including the maximal read-range, what has a significant impact on the system performance.. 2.2.2. RFID transponder. The main task of the transponder is to carry information data that allows for its identification by the RFID reader. Typically the transponder consists of an antenna and a simple RFID chip, which is an Integrated Circuit (IC) communicating with the reader via backscatter modulation and self-powering by harvesting energy from the Radio Frequency (RF) signal. Because of the powering issues, RFID chip design is crucial, therefore they often have simple construction consisting of few hundred of logic gates. It means that the main part of the calculation connected with the coding and encryption is performed by the side of the RFID reader. The simplest systems, socalled 1-bit systems, require even no any additional IC. Their operation is based only on the antenna providing information related to the presence in the interrogation zone of the reader. Transponders could be placed or even integrated with objects intended for identification. Often tags could be used as independent objects in different forms. According to the [19], transponders are offered in many forms presented in the table 2.1.. 12.
(33) 2.2 RFID operating principles. Table 2.1: Typical forms of RFID transponders.. Form of the tag. Possible application. Smart cards and badges. Access control, working time control, people identification, wireless payment Animal identification Tool identification, gas bottle identification, smart factory, flexible manufacturing systems (FMS) Transport and spedition, trade, libraries, warehouses, inventory application Access control, recreation, traffic control systems, immobilisers in cars Prototype solutions, performance tests, experimental investigation, passive sensing. Glass housing Tags for metal surface. Smart labels Plastic housing (disk, coins, watches) PCB board tags. Another important feature of the tag is the powering method. Generally, one could divide transponders into those equipped with a battery and those without their own power source. Contrary to what might seem, there are not two, but three basic arrangements concerning powering method, which are listed below: • Passive systems - the most popular type of RFID systems. Often the RFID technology is understood as a RFID passive technology, what brings some disagreements and issues by classification procedures. Transponder is not equipped in any power source onboard and drains the entire energy needed for its activity from the EM (Electromagnetic) signal provided by the RFID reader. Generally this kind of systems has shorter read range and often offers only identification possibilities, based on the Unique Identifier (UID) transfer on demand of the reader. The most important advantage of these systems is the battery-free construction, what means that transponder always answers to the reader inquiry providing that it is in the effective read range zone. The communication protocols of these systems are always based on the rule "Reader Talk First" (RTF). Until recently it was believed that these kind of systems are unsuitable for the tasks related to the environmental sensing. Nowadays there are attempts to use completely passive systems in more complicated application (transfer of a small amount of data,. 13.
(34) 2.2 RFID operating principles. sensing application). One of the examples of such systems is the wireless passive sensing platform presented within this dissertation. • Semi-passive systems - these systems are equipped with battery, but it is utilized only to power the internal circuits of the transponder - not for the emission of its own EM signal. This kind of transponders could serve as a data logger in sensing application, they also have a bigger read range up to 30 m in the UHF frequency band. • Active systems - these systems use the battery both to the powering of internal circuits, as well as for the emission of their own EM signal. They represent an excellent read range up to few tens of meters and could be utilized not only as an identifier node, but also as a data-carrier, calculation or sensing node. The active transceivers could send their signals not only as a response to the reader inquiry, but could also act as a beacon, which emits its UID at pre-programmed time intervals. Therefore, the identifier in active systems is not called "transponder", just "transceiver". Subject of the optimal selection of RFID system type is quite complicated nowadays. So far, the passive systems were chosen for the application with a need of huge number of low-cost identifiers that should send only short UID information at relatively short distances. Moreover, transponders should serve for many years without the need of replacement. Nowadays, thanks to the last achievements in the battery development, the RFID active transponders could be utilized even up to six years without the battery replacement [20] - although this feature depends on the reading frequency - maximal battery life time is usually given for once reading a day. Furthermore, according to the rising popularization of Internet of Things (IoT) (Section 3.3.1), there is an increasing demand for the transponders fulfilling not only identification task, but simultaneously be a smart sensing node that could provide environmental information. On the other hand, due to the intense investigation in this field, today there are first passive RFID systems available that offer similar features. As could be seen, actually the pros and cons of active and passive systems slowly become blurred and right choice of system is much harder than a few years ago.. 14.
(35) 2.3 RFID application areas. 2.3. RFID application areas. The RFID, as a technology with still increasing popularity, has many different application areas. In this section the most common applications are given . The areas where the RFID technology begins to be applied are commented as well, but their development perspectives are given in the Section 2.6: • Logistics - currently one of the most popular RFID application area is the transport and logistics that could be generally treated as a supply chain industry. Both passive and active systems are utilized in the goods identification and tracking. Using the RFID transponders instead of the barcodes significantly increases the time needed for listing of goods at pallets, as they do not need a line of sight to identify transponder. To send UID, the identifier should only be in the read range of the reader. RFID is actually used in almost every type of transport - at the airports, in the railway industry, the road transport, warehouses and harbors. This technology has changed the face of logistics forever. • Access control - beside the supply chain management, the access control is nowadays one of the most important RFID application area. Different type of badges, smart cards and identifiers equipped in the near-field communication systems have become commonplace for employees at the whole world. Moreover, similar application are related to the access control in amusement parks, aquaparks, museums and many other commercialized public institution. The RFID technology is easy in use and cheap, what results that for a long time it will be indispensable in this application area. • Military - historically that was the first application area of the RFID technology, in the form of aforementioned IFF system. Today the RFID in military cooperates not only with radar techniques, but is also used for weaponry and items tracking, access control or even as advanced wireless sensing nodes in the different military applications. • Wireless payments - this application area has become popular throughout the last years together with the development of mobile devices equipped in the Near Field Communication (NFC) protocol. The possibility to wirelessly pay small amounts of money substantially shortens the execution time of card payment transactions contributing to the popularization of cashless payments. From the. 15.
Powiązane dokumenty