ETD

• IoT
• RFID
• UHF

The following PhD thesis deals about the implementation and testing of smart batteryless Radio Frequency IDentification (RFID)-based systems for Internet of Things (IoT) applications. In particular, the research focuses on the main aspects of RFID technology, such as localization, sensing, and robot collision avoidance (based on self-tuning tags). All applications are characterized by the features of low-cost, battery-less, and
automatic data collection, suitable for IoT and Industry 4.0 context. First, the thesis introduces a generic RFID system together with a state-of-the-art regarding its application in retail. The literature shows that it is possible to reach 99% of tag readings under certain conditions.1 Integration of a robot with the RFID transmission side (reader and antenna) leads directly to the first feature, which is indoor localization. The method is based on Synthetic Aperture Radar (SAR) principle. The robot carrying one or more antennas can
collect phase data from passive RFID tags to evaluate the spatial position of a target tag. It is possible to use one or more antennas with different configurations (static or rotating). Experimental results demonstrated that using two rotating antennas presents the lowest localization error in the majority of cases. RFID tags can be integrated with a sensor interface, which is the main argument in the third chapter. The section foresees a study on the main RFID sensor tags present on the market, together with the development of Battery Assisted Passive (BAP) RFID sensor tag. The sensor tag was designed starting from a Ultra High Frequency (UHF) antenna simulated on CST Studio Suite and concludes with the integration of electronic components, a sensor board,
and a moisture sensor. In general, results showed that for acquiring sensing data from passive tags, a stronger power level and/or a shorter antenna-tag distance are necessary with respect to the localization feature.
Finally, a collision avoidance system based on self-tuning RFID tags was implemented for safety applications in low-speed robotic environments. The robot can detect obstacles through the reading of the sensor code received from a self-tuning tag and comparing that value with a distance threshold. Danger and warning zones are defined
to classify the importance of an obstacle. The thesis concludes by presenting some complementary activities. The first was about an activity that regards the energy harvested from an RF source at 868 MHz. That
frequency falls in the European Telecommunications Standards Institute (ETSI)-RFID bands. Another activity regards my period abroad, where an RFID array for anti-theft applications was studied and tested. Finally, the last activities reported are related to my collaboration with Partitalia Srl. In particular, an automatic testing system for RFID tags and a RFID gate for retail application that foresees a forklift passage were tested.

La tesi riguarda l’implementazione e il testing di sistemi battery-less RFID per applicazioni in ambito IoT e dell’industria 4.0. Più precisamente la ricerca portata avanti in questa tesi verte sull’utilizzo dei sistemi RFID per la localizzazione, la misura di parametri ambientali e l’implementazione di sistemi di anti collisione per robot. Viene quindi presentata un’introduzione sui sistemi RFID e lo stato dell’arte sulle applicazioni
di inventario, mostrando che è possibile leggere il 99% dei tag (e quindi degli oggetti) presenti in un magazzino. Lo stato dell’arte sulle applicazioni di un robot equipaggiato con antenna e reader RFID (il cosiddetto RFID robot) introduce la localizzazione di tag in ambienti chiusi basata sui metodi ad apertura sintetica, attraverso l’acquisizione dei dati di fase provenienti dai tag interrogati. In particolare, i risultati hanno mostrato l’errore minimo di localizzazione si ha quando un robot acquisisce i dati attraverso l’utilizzo di due antenne rotanti, considerando configurazioni con una o due antenne statiche o rotanti. I tag RFID possono essere integrati con i sensori come riportato nel terzo capitolo che introduce i tag sensorizzati. In questa parte, viene affrontato uno studio sui principali sensori RFID presenti sul mercato e la progettazione di un tag la cui alimentazione è supportata in parte da una batteria. Quest’ultimo è stato studiato partendo da un’antenna RFID UHF simulata su CST fino ad arrivare all’integrazione dei componenti
elettronici e sensori. I risultati mostrano come in generale per leggere i tag sensorizzati sia necessario o un livello di potenza più elevato o una distanza trasmettitore-ricevitore inferiore rispetto all’operazione di localizzazione. Nel quarto capitolo è stato implementato un sistema di anti-collisione per robot a bassa velocità basato su self-tuning tag. In particolare, il robot può localizzzare ostacoli attraverso la lettura del sensor code ricevuto da questo particolare tipo di tag e confrontare tale valore con una distanza di sicurezza. Un algoritmo basato su zone di danger e warning è stato studiato per permettere al robot di classificare l’importanza di un ostacolo. La tesi si conclude riportando alcune attività complentari all’argomento principale. La prima di queste riguarda l’energy harvesting su sorgenti a radiofrequenza alla frequenza di 868 MHz che ricade anche nella banda ETSI RFID. Un’altra attività riguarda il lavoro portato avanti durante il periodo all’estero ovvero lo studio di un array in banda RFID per l’anti-taccheggio. Infine, ci sono le principali attività in collaborazione con Partitalia Srl tra cui un sistema automatizzato per il test di tag RFID e un gate RFID per l’identificazione di oggetti presenti su un pallet trasportato da un carrello elevatore.