Détection de luminosité par tag RFID UHF passif

Yassin Belaizi, Arnaud Vena, Brice Sorli

Institut d‟Electronique et des Systèmes,

860 rue St Priest, 34000 Montpellier E-mail : belaizi@ies.univ-montp2.fr

Résumé

Ce papier traite de l’implémentation d’un capteur RFID

pour la détection de luminosité fonctionnant en bande

UHF à 867 MHz. Dans ce travail, nous étudions la

possibilité d’exploiter différemment une puce RFID

(EM4324 - MicroElectronic-Marin) normalement

utilisée pour fonctionner en mode passif ou semi-passif

(assistée par une batterie), en la couplant avec une

cellule photovoltaïque de dimension réduite. Cette

association forme ainsi un capteur RFID UHF simple.

Ce dernier se base sur la détection d'une variation de

puissance d'activation de la puce entre ces deux modes

de fonctionnement, à savoir une variation significative de

l'ordre de 20dB. En effet, l'énergie lumineuse perçue par

la cellule photovoltaïque contribue à alimenter la puce

RFID, ce qui a pour effet de faire commuter la puce du

mode passif au mode semi-passif.

1. Introduction

Depuis quelques années, nous voyons apparaître

de nouvelles applications autour des objets connectés

et des réseaux de capteurs dans le but de rendre les

objets de notre entourage « intelligents » et capable

de communiquer des données. Pour un grand

nombre d‟applications tels que la santé, l‟industrie

pharmaceutique et l‟agro-alimentaire, les contraintes

de coût, de consommation énergétique et de

maintenance quasi-nulle sont requises.

Parmi les technologies sans fils pouvant répondre

à ces critères, la technologie d‟identification par

radiofréquences (RFID) s‟avère être très pertinente.

Cette technologie est composée d‟un lecteur et d‟un

tag (qui lui-même est composé d‟une antenne, et

d‟une puce avec un identifiant unique), l‟ensemble

est appelé transpondeur. De plus elle se décline

suivant la fréquence d‟utilisation (Basses Fréquences

: 125 kHz, Hautes Fréquences : 13.56 Mhz, Ultras

Hautes Fréquences : 860 – 960 Mhz (UE), Supra

Hautes Fréquences : 2.45 ou 5.8 Ghz) ainsi que son

mode (passif, semi-passif ou actif).

La RFID active fait appel à un schéma de

communication classique. En effet, le tag actif

embarque un émetteur radio, il a donc besoin d‟une

batterie pour assurer à la fois la communication et

l‟alimentation de la puce. Ainsi ce type de tag, qui a

un coût non négligeable (plusieurs dizaine d‟euros),

communique sur de grandes distances (de 10 à

100m).

A l‟ opposé, les tags RFID passifs et semi-passifs

n‟ont pas d‟émetteurs radio pour transmettre des

données du tag vers le lecteur. Le principe de

communication est basé sur la rétro-modulation

d‟une onde incidente dans le sens tag vers lecteur

[1,2]. On parle alors d‟auto-alimentation. La RFID

passive présente l‟avantage de consommer très peu

d‟énergie pour fonctionner (de l‟ordre de -20dBm

pour les dernières générations de puces RFID). En

contrepartie la portée de lecture est moindre (qq.

mètres au maximum). La différenciation entre passif

et semi-passif provient du fait que le tag RFID semi-

passif possède une batterie qui lui apporte un

complément d‟énergie lorsque celui-ci est interrogé.

Cela se traduit par une distance de lecture de l‟ordre

de quelques dizaines de mètres.

L‟identification d‟objets à l‟aide de tags RFID

passif/semi-passive est aujourd‟hui une technologie

éprouvée mais limitée. Le fait de pouvoir y ajouter

d‟autres fonctionnalités tel que la lecture d‟un

capteur, permet de concurrencer d‟autres

technologies sans fils, largement utilisés dans le

domaine des réseaux de capteurs et de l‟internet des

objets à courte portée.

Pour assurer cette fonctionnalité capteur, deux

solutions sont envisageables. La première totalement

passive consiste à transformer un tag classique

composé d‟une antenne reliée à une puce RFID, en

capteur-RFID par dépôt d‟un matériau sensible sur

l‟antenne. En effet, les propriétés diélectriques du

matériau déposé varient en fonction d‟un paramètre

physique ce qui modifie la réponse

électromagnétique du tag. Nous trouvons dans la

littérature des applications mettant en œuvre des

capteurs d‟ammoniac [3], d‟humidité [4], ou encore

d‟une déformation [5]. La seconde solution, est une

solution semi-passive, pour les puces RFID dédiées

capteurs. Dans ce cas, cette dernière intègre

directement le capteur et/ou possède des bornes

spécifiques pour le branchement d‟un capteur

externe. L‟information capteur est transmise par

échange de données entre la puce et le lecteur RFID

comme par exemple pour la mesure d‟activité

physique [6].

Dans cet article, nous proposons un nouveau

concept de capteur RFID passif fonctionnant en

bande UHF. Contrairement aux solutions alternatives

de capteurs RFID semi-passifs ou actifs nous

utilisons ici une puce RFID EM4324 [7] ne

possédant pas d‟étage d‟acquisition capteur, donc de

coût réduit. Cette dernière est couplée à une cellule

photovoltaïque de taille réduite (4mm×4mm) [8],

l‟ensemble permet la détection du dépassement d‟un

seuil de luminosité pré-réglé par l‟adjonction d‟un

composant passif. La valeur ajoutée de ce système se

trouve d‟une part dans l‟utilisation de la cellule

photovoltaïque en tant que source d‟alimentation

mais également en tant que capteur de luminosité.

Des tags actifs dotés d‟un système de récupération

d‟énergie solaire ont été étudiés [9-10]. Mais ils ont

pour inconvénient la taille de la cellule solaire, ce qui

oblige la présence d‟autres composants pour la

régulation de l‟énergie. Par ailleurs, nous nous

rapprochons dans ce dernier cas des performances

atteintes par les technologies de communications

sans fils les plus utilisées (Bluetooth, Zigbee…) en

termes de consommation d‟énergie.

La suite de cet article est organisée de la manière

suivante. Dans la partie 2, nous introduirons en détail

le concept de capteur RFID ainsi que le prototype

étudié. Avant de conclure, la partie 3 permettra de

valider le concept avec une caractérisation de la

réponse du capteur RFID en fonction de différents

niveaux de luminosité.

2. Etude du capteur RFID

2.1. Principe de fonctionnement

Le prototype capteur-RFID que nous

proposons, présenté Figure 1 se compose d‟une puce

RFID, d‟une antenne planaire, et d‟une cellule

photovoltaïque. Une résistance supplémentaire peut

également être ajoutée en parallèle de la cellule

solaire pour modifier le seuil de détection de

luminosité. Nous détaillerons ce dernier point dans la

suite de cet article (voir partie 2.5).

Figure 1 : prototype capteur RFID UHF passif

La puissance d‟activation de la puce RFID

EM4324 est de -27 dBm lorsqu‟elle est assistée par

une batterie et de -9 dBm sans. Dans cette étude,

nous exploitons cette différence de puissance

significative (18 dB) dans l‟objectif de concevoir un

capteur. La Figure 2 décrit une des applications

(détection de passage d‟une personne) possibles qui

montre le principe de fonctionnement général du

capteur RFID étudié pour la détection de seuil de

luminosité.

Figure 2 : Principe de fonctionnement

2.2. Banc de test utilisé

La caractérisation du capteur a été effectuée sur

un banc de mesure avec le système de caractérisation

de tags RFID Tagformance (Figure 3). Ce dispositif

permet de caractériser les performances du tag dans

une gamme de fréquences allant de 700 MHz à 1.2

GHz avec un pas minimum de 0,1 MHz. Afin de

connaître la puissance nécessaire pour activer le tag,

ce dispositif augmente graduellement sa puissance de

sortie par pas de 0.1dB, en partant de 0dBm, jusqu‟à

30dBm.

Une caractérisation du capteur RFID décrit

Figure 3, est effectuée en faisant varier l‟exposition

de la cellule solaire. La lumière utilisée pour éclairer

le tag capteur est une lumière artificielle (blanche).

Un contrôle de l‟intensité lumineuse est effectué

avec le luxmètre Bioblock LX101 (Digital LUX

Meter).

Antenne

Cellule Photo voltaïque EM4324

Figure 3: Banc de test

2.3. Etude de l’antenne

Dans cette étude, nous avons modifié un design

d‟antenne existant préconisé par le fabricant de la

puce EM4324 afin d‟y ajouter une connexion avec la

cellule photovoltaïque (CPC1824). L‟antenne

dispose d‟un « T » d‟adaptation (Figure 4 (a)) pour

permettre une adaptation conjuguée avec

l‟impédance complexe de la puce de l‟ordre de 11-

j155ohms à 915MHz. Le tag est réalisé sur un

substrat FR4 (permittivité = 4.35 tanδ = 0.02),

une simulation de l‟ensemble a été effectuée sous

CST Microwave Studio (CST MWS) afin d‟estimer

le gain et la portée de lecture théorique dans les deux

modes de fonctionnements de la puce (-9dBm et -

27dBm). Le diagramme de rayonnement du tag

associé au gain réalisé, en mode passif, est présenté

Figure 4(b).

(a)

(b)

Figure 4 : (a) Géométrie du capteur RFID (b) Diagramme de rayonnement 3D.

Ce diagramme représente le gain réalisé (1.25

dBi) maximum en échelle linéaire. On note que les

directions principales de propagations forment un

tore autour de l‟antenne.

Pour valider le tag réalisé, nous avons mesuré la

distance de lecture théorique sur une plage de

fréquence allant de 700MHz à 1200MHz à l‟aide du

système Voyantic. Les résultats sont présentés

Figure 5 pour plusieurs configurations. Deux tags

ont été utilisés pour cette caractérisation, le premier

sans cellule photo voltaïque et l‟autre avec la cellule,

mais à luminosité ambiante, ce qui explique la faible

différence entre les deux mesures. Les tags sont en

modes passifs. Pour conforter ce résultat de mesure

nous avons également simulé la portée théorique de

l‟antenne à l‟aide de CST (Equation 1), tirée de [1],

le gain réalisé de l‟antenne Gr et le coefficient de

réflexion entre la puce et l‟antenne du tag sont pris

en compte afin de calculer cette portée théorique en

espace libre et sans obstacle. La sensibilité de la puce

est fixée à -9 dBm, ce qui correspond au cas où la

puce est en mode passif.

√

Équation 1

Avec :

- Pt (W) la puissance délivrée à l'antenne d'émission - Pr (W) la puissance collectée sur l'antenne de

réception

- Gt (dBi) est le gain linéaire de l'antenne d'émission - Gr (dBi) est le gain linéaire de l'antenne de réception

- R (m) la distance théorique de lecture

- C (m/s) célérité - F (Hz) fréquence de travail

Figure 5 : Portée de lecture théorique du capteur RFID

On note qu‟une portée de lecture d‟au moins 2m

est assurée sur toute la bande de fréquence. En effet,

les mesures sont effectuées hors chambre anéchoïque

ce qui en partie explique des écarts de cet ordre de

grandeur (réflexions multiples).

2.4. Etude de la puce RFID EM4324

D‟après les données constructeurs, lorsque la

puce EM4324 est interrogée par le lecteur en mode

passif, elle consomme un courant de l‟ordre de 1µA,

et en mode actif elle nécessite un courant

d‟activation entre 11 et 25µA pour une tension

comprise entre 1.5 et 3V. Expérimentalement la

tension et le courant minimum pour activer la puce

sont respectivement 1.1V et 10µA. La puissance

d‟activation de la puce est de -27 dBm lorsqu‟elle est

assistée par une source de tension externe. Sans

batterie cette puce est tout de même détectée mais le

seuil d‟activation est plus élevée (-9 dBm).

Le concept de capteur de seuil de luminosité

proposé dans cet article se base sur cette différence

de puissance d‟activation entre les modes passif et

semi-passif facilement détectable côté lecteur. En

effet, la puissance fournie par la cellule solaire est

corrélée avec la luminosité produite par une source

lumineuse. Si la puissance fournie par la cellule

atteint le seuil d‟alimentation minimum, la puce

commute du mode passif au mode semi-passif.

Alors, une variation significative et soudaine de la

puissance d‟activation est détectée côté lecteur

Figure 7.

2.5. Etude de la cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque (CPC1824), de 4×4

mm couvert par un enrobage de résine, délivre une

tension en circuit ouvert de 10V et un courant de

court-circuit de 100µA.

Le point de fonctionnement (1.1V, 10µA) qui

permet de fixer le seuil de basculement de la puce

RFID, varie en fonction de la charge mise en

parallèle avec la puce RFID. Le principe est simple,

le courant délivré par la cellule est réparti entre la

puce RFID et le potentiomètre de réglage. Il suffit

donc d‟augmenter ou de diminuer la résistance pour

avoir la même variation de courant dans la puce

RFID, ce qui a pour finalité de décaler le seuil de

détection. Le schéma de l‟ensemble est représenté

Figure 5.

Figure 5 : Schéma électronique du capteur RFID

Afin d‟obtenir un détecteur de seuil nous avons

procédé (en Figure 6) à la caractérisation de la cellule

photovoltaïque pour différentes valeurs de charges.

Figure 6 : Caractérisations cellule solaire CPC1824 pour différentes charges

3. Résultats

Cette partie permet de valider le fonctionnement

du capteur RFID. La Figure 7 présente des courbes

tirées du voyantic dans laquelle on voit la variation

du mode passif au mode semi passif du capteur

RFID sous éclairement variable. Il en ressort

principalement la robustesse de détection avec

environ 20dB de différence entre les deux modes, et

également il en ressort qu‟il faut une intensité

lumineuse minimum d‟environ 50000 lx (cette

intensité est dépendante de la source lumineuse et de

la longueur d‟onde utilisée) pour activer la puce.

Figure 7 : Puissance minimum transmise et reçue permettant l’activation du capteur RFID assisté par

cellule solaire.

Le seuil de basculement étant au minimum de

50klx, ces deux courbes représentent la puissance

d‟activation de la puce RFID en fonction de la

fréquence dans les deux modes ; passifs (en dessous

du seuil de basculement, 40klx) et semi-passif (au-

dessus du seuil de basculement, 60klx). On distingue

clairement le basculement de la puce RFID, on

détecte donc facilement le passage du seuil dont les

applications sont nombreuses.

Puissance transmise

Puissance reçue

Figure 8 : Courbe de décalage du seuil de détection

Afin de démontrer la réalisation d‟un capteur de

luminosité avec seuil réglable, on commence par

fixer une valeur de luminosité. Par exemple sur la

Figure 8 on a choisi 51000 lx, puis, la valeur de la

résistance est ajustée jusqu‟au basculement de la

puce RFID, du mode semi-passif au mode passif.

Cette valeur de résistance est gardée pour faire

ensuite augmenter l‟intensité lumineuse produite par

la source. Ce qui fait repasser la puce RFID dans le

mode passif, démontrant ainsi que le seuil peut être

réglé simplement avec une résistance bien définie.

4. Conclusion

Nous avons donc démontré la faisabilité de

l‟utilisation d‟une cellule photovoltaïque et d‟une

puce RFID d‟une manière détournée afin de réaliser

un capteur RFID UHF passif. Ce dernier destiné à la

détection de seuils de luminosité, a été conçu,

modélisé et caractérisé. En se basant sur les

puissances d‟activation et re-rayonnée du tag

capteur-RFID, nous avons pu détecter de manière

robuste (18dB) la variation de ce seuil de luminosité.

Nous pouvons transposer ce système à plusieurs

applications nécessitant un contrôle de l„intensité

lumineuse, par exemple pour l'éclairage public, ou

encore afin de réaliser des inventaires sélectifs.

5. Remerciements

Nous souhaitons remercier l‟université de

Montpellier pour son soutien. Ainsi que la fondation

Macumba

Références [1] K. Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and

Applications in Contactless Smart Cards, Radio

Frequency Identification and Near-field

Communication, Wiley. 2010.

[2] D. M. Dobkin, “The RF in RFID, Passive UHF RFID

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[3] C. Occhiuzzi, A.Rida, G. Marrocco, M. M. Tentzeris

“ Passive Ammonia Sensor: RFID Tag Integrating

Carbon Nanotubes”

[4] Sangkil Kim, Taolan Le and Manos M. Tentzeris “An

RFID-enabled Inkjet-printed Soil Moisture Sensor on

Paper for "Smart" Agricultural Applications”

[5] M. Hasani, A. Vena, L. Sydänheimo,L. Ukkonen, and

M. M. Tentzeris, “Implementation of a Dual-

Interrogation-Mode Embroidered RFID-Enabled Strain

Sensor”

[6] Y.Belaizi, A.Vena, B.Sorli, V.Mongin, “UHF RFID

Anisotropic Magnetoresistance Sensor for Human

Motion Monitoring” International Instrumentation and

Measurement Technology Conference, at pise, may

2015

[7] ELECTRONIQUE-MARIN: 1 kbit Read/Write, ISO

18000-6C / EPC C-1 G-2 Passive / Battery-assisted

Contactless IC

[8] http://www.ixysic.com/home/pdfs.nsf/www/CPC1824.

pdf/$file/CPC1824.pdf

[9] Alanson P. Sample, J.Braun, A.Parks, and Joshua R.

Smith “Photovoltaic Enhanced UHF RFID Tag

Antennas for Dual Purpose Energy Harvesting”

[10] M.Lehner, A.Ascher, M.Eberhardt, E.Biebl, “An

Autonomous UHF RFID Transponder Concept for

Fawn Saving using Solar Energy Harvesting”, Smart

SysTech, June 16-17, 2015, Germany