ODIE

Un RFID és una tecnologia que utilitza ones de ràdio per a identificar o rastrejar objectes, persones o coses de manera automàtica, sense contacte.

Les solucions RFID necessiten tres elements per al seu funcionament: una antena RFID, un lector RFID, una etiqueta RFID.

La part més important del sistema RFID és el lector, que actua com a dispositiu actiu i té una font d'energia pròpia i, per tant, alimenta el sistema. És l'encarregat d'enviar el senyal a l'antena RFID, el canal de comunicació, perquè emeti ones de radiofreqüència.

Quan una d'aquestes ones arriba a una etiqueta o tag RFID, el dispositiu passiu, l'etiqueta, retorna les dades que conté dins través de l'antena. Aquestes dades arriben després al lector, i est els transforma en informació, proporcionant així la informació requerida que s'hagi guardat anteriorment en aquesta etiqueta o tag.

Depenent de la distància a la qual poden arribar les ones, hi ha diversos tipus. Començant per la menor distància es troba la tecnologia LF (Low Frequency), amb una distància de fins a 20 cm, és coneguda per la seva habilitat de comunicació a través del metall i aigua sense interferències en les ones. Seguidament, es troba HF (High Frequency), amb una distància de fins a 1 metre i amb 13,56 MHz de freqüència, i són ideals per a realitzar identificacions de distància mitjana. Dins dels sistemes HF es troba la tecnologia NFC (Near Field Communication), que utilitza la mateixa freqüència que els sistemes HF però la distància és menor (fins a 10 cm) i és la més usada i coneguda actualment gràcies a la seva ràpida connexió i intercanvi de dades de manera segura i sense necessitat de contrasenya. Finalment es troba la tecnologia UHF (Ultra-high Frequency), que pot arribar a comunicar-se fins a 100 metres de distància, depenent dels seus components. Es caracteritza per poder transmetre's a través de l'ona espacial troposfèrica, evitant així la interferència d'altres senyals.

Nosaltres ens centrem en la de més distància: la tecnologia RFID UHF (Ultra-high Frequency).

En els sistemes UHF, el lector té un rang de lectura des de 0 fins a 12 metres. L'antena es pot agrupar depenent de molts aspectes. Segons la polarització de l'antena, referint-se a l'orientació del camp elèctric de l'ona electromagnètica que rep o emet l'antena, pot ser de polarització lineal, on la sortida d'ona és en un sol pla, o de polarització circular, on la sortida d'ona forma un patró en espiral.

Això va relacionat amb l'obertura de feix de l'antena, referint-se a l'angle d'obertura d'aquesta; a nosaltres ens interessa que sigui el més gran possible.

També es pot classificar segons el guany de l'antena, és a dir, segons la capacitat d'enfocar la radiofreqüència en una única direcció, augmentant així la freqüència en aquesta direcció.

Quant als lectors del sistema, per a triar el que ens aniria millor vam investigar els factors a tenir en compte. Els lectors es poden classificar seguint diversos criteris bàsics: segons l'àrea i ràtio de lectura, segons la interfície de comunicació amb el sistema superior i segons si és fix o portàtil.

A més vam fer una recerca sobre quines parts té el lector UHF, entre elles es troben: l'antena, el port coaxial i xarxa d'adaptació, el mòdul lector o xip RF (RF front-end / reader IC), el microcontrolador i el CPU, juntament amb el microprogramari, la bateria o font d'alimentació, la interfície d'usuari i de comunicacions, alguns filtres i commutadors per a la protecció i finalment la carcassa externa.

Tarjetes

Un RFID és una tecnologia que utilitza ones de ràdio per a identificar o rastrejar objectes, persones o coses de manera automàtica i sense contacte.

Un sistema RFID es basa en tres elements principals: una antena RFID, un lector RFID i una etiqueta RFID.

El lector és el dispositiu actiu del sistema, ja que disposa d'una font d'energia pròpia. La seva funció és enviar el senyal a l'antena, que emet ones de radiofreqüència.

Quan aquestes ones arriben a una etiqueta RFID (dispositiu passiu), aquesta respon enviant la informació que conté. El senyal torna al lector a través de l'antena, i el lector la transforma en dades comprensibles per al sistema.

Hi ha diferents tipus de RFID segons el seu abast. En aquest projecte s'utilitza la tecnologia RFID UHF (Ultra High Frequency), que permet majors distàncies de lectura. En sistemes UHF, el lector pot aconseguir rangs d'entre 0 i 12 metres, depenent de la configuració.

L'antena és un element clau i es pot classificar segons diferents característiques.

Segons la polarització, pot ser lineal (emet en una sola direcció) o circular (emet en diverses direccions). En el nostre cas, ens interessa una polarització circular, ja que l'usuari estarà en moviment i no sempre orientarà el lector en la mateixa direcció.

També és important l'obertura de feix, que indica l'angle de cobertura de l'antena. Com més gran sigui, millor podrà detectar etiquetes al voltant.

Finalment, el guany indica la capacitat de concentrar el senyal. Un guany més elevat permet arribar més lluny, però en una direcció més concreta. En el nostre cas, busquem un equilibri entre abast i cobertura.

També cal tenir en compte el Front-to-Back ràtio, que indica quant senyal s'emet cap endavant en comparació amb la que s'escapa per darrere de l'antena.

En el nostre cas, ens interessa que l'antena emeti el màxim possible cap endavant i el mínim per darrere, per a evitar detectar etiquetes que no estan en la direcció en la qual es mou l'usuari. Però això dependrà de com porti el mòbil.

Necessitem a més, que sigui petita. Per grandària, guany i característiques, plantegem Times-7 A5020.

Per a triar el lector més adequat, analitzem diferents factors. Els lectors es poden classificar segons diversos criteris: el rang de lectura, la forma de comunicació amb altres dispositius i si són fixos o portàtils.

A més, estudiem les parts que componen un lector UHF. Aquestes són: l'antena, el port coaxial, el mòdul lector o xip RF, el microcontrolador i la CPU amb el seu microprogramari, la font d'alimentació, les interfícies de comunicació, els sistemes de protecció i la carcassa externa.

Arribem a la conclusió que el nostre lector havia de complir una sèrie de requisits clau. En primer lloc, havia de ser un dispositiu actiu, amb la seva pròpia font d'energia. A més, havia de ser compatible amb el protocol EPC Class 1 Gen 2 / ISO 18000-6C, que és l'estàndard de comunicació entre lector i etiquetes. També havia de treballar en una freqüència entre 860 i 960 MHz (compatible amb Europa), tenir una potència ajustable (per a aconseguir aproximadament entre 2 i 5 metres), una alta sensibilitat, connexió USB-C amb el mòbil, una autonomia suficient i una grandària compacta per a poder integrar-lo en una funda.

A causa de les limitacions de grandària i potència, vam optar per una solució basada en un mòdul lector UHF compacte, concretament el ThingMagic M7E-HECTO, combinat amb una antena externa circular polaritzada d'aproximadament 6 dBi, que permet ampliar l'abast i millorar la cobertura en moviment.

Aquesta configuració ofereix un bon equilibri entre grandària, abast i facilitat d'integració en un dispositiu portàtil com una funda de mòbil.

Finalment, vam investigar les etiquetes o tags RFID UHF que necessitàvem.

Les etiquetes són els dispositius passius del sistema, ja que s'activen quan reben el senyal del lector; si no, no emeten cap informació per si soles.

Aquesta part va ser senzilla a l'hora de definir les característiques, però més complexa en buscar el model adequat. En general, les etiquetes es classifiquen segons la grandària (com més gran és l'antena interna, major sensibilitat), l'orientació i angle de lectura, el tipus de xip i l'entorn on s'instal·laran.

Atès que les nostres etiquetes estaran en exteriors, han de tenir una bona resistència i un alt nivell de protecció (IP65–IP67), és a dir, resistència a la pols i a l'aigua.

A més, han de ser compatibles amb el lector, per la qual cosa han de compartir el mateix protocol i freqüència. A partir d'això, vam definir els requisits principals: resistents a l'aigua i aptes per a metall (waterproof i on-metall), memòria protegida o blocable, rang de temperatura entre -40° i 80°, protocol EPC Class 1 Gen 2 / ISO 18000-6C, freqüència entre 860 i 960 MHz (EU), material resistent (ABS), rang de lectura de 4-5 metres, aptes per a interior i exterior (fixació amb caragols o adhesiu).

Finalment, vam seleccionar el model d'etiqueta Omni-ANEU Exo 800, que compleix amb tots aquests requisits.

Procés

Per a crear l'aplicació ODIE vam seguir els següents passos:

Una vegada definit l'objectiu principal, i les funcionalitats que volíem que tingués, primer vam dissenyar cada pantalla en un paper a mà alçada. Vam elaborar un wireframe o esquema de funcionament, que vam anar modificant diverses vegades al llarg del procés fins que vam donar amb el definitiu:

Seguidament, vam passar l'esquema a App Inventor. Primer, vam dissenyar les pantalles, introduint els elements necessaris en cadascuna per a després poder programar-la i, finalment, posar els colors i les fotos de cada element.

Per últim, la vam provar nosaltres mateixes i vam consultar a persones pertanyents al gremi al qual ens enfoquem per a assegurar-nos que havíem aconseguit el nostre objectiu.

Investigació

La nostra aplicació ha d'estar dissenyada per als discapacitats visuals, perquè són ells els qui la usaran. 

Per això, vam fer una recerca sobre quins colors eren millors per a ells. Vam aprendre que els colors semblants entre si eren difícils de distingir per a alguns tipus de discapacitat, per exemple el blau i el verd. Però per a una altra mena de discapacitat no llegien bé en blanc. Així que ens vam trobar que cada tipus necessitava una personalització exclusiva per a garantir el seu confort a l'hora d'usar l'aplicació. Vam optar, per tant, per fer un model predeterminat amb els colors que a la gran majoria li anaven bé: fons negre, lletres blanques i botons verds, ja que el verd i el groc eren els que menys problema suposaven per a distingir i llegir. Aquest model consisteix en lletra gran i clara, i botons que siguin fàcils de clicar i llegir. D'aquesta manera ens assegurem de mirar per al bé comú res més iniciar l'aplicació, encara que després ells poguessin personalizarselo tot això al seu gust.

Els botons van ser un altre tema de recerca. Vam parlar amb Clara Crespo, una noia que té discapacitat visual, i ens va comentar que algunes persones no veuen bé les formes i no saben distingir-les amb exactitud. Per aquest motiu ens vam assegurar que hi hagués una distinció evident entre els botons per formes molt distintes i els vam contrastar també per color.

Finalment, vam mirar altres aplicacions dissenyades per al mateix públic, com les comentades anteriorment, Navilens, sistema de codis visuals situats en mitjans de transport per a oferir informació, i Be My Eyes, aplicació que connecta a persones amb discapacitat visual i voluntaris per a poder rebre ajuda en temps real mitjançant videotelefonades, amb la finalitat de veure si la nostra s'assemblava a la seva. Com aquestes aplicacions ja estaven publicades, podíem veure l'opinió de la gent i acabar de perfeccionar ODIE amb petits detalls de les aplicacions ja existents. Be My Eyes té el disseny exclusivament blau amb fons blanc i algunes lletres grans en negre. Envision té el fons negre amb lletres blanques. Gràcies a aquestes, vam veure que la nostra s'assemblava quant al disseny i que podia ser còmoda per als discapacitats visuals.

Disseny

Per al disseny de l'aplicació volíem que fos útil i fàcil d'utilitzar tant per a persones amb visió nul·la com per a persones amb visió parcial o total, i per aquest motiu vam usar la informació de la recerca prèvia i les entrevistes i enquestes que vam realitzar amb possibles usuaris per a guiar-nos.

Vam arribar a la conclusió que la forma més senzilla d'assegurar-nos que tot el col·lectiu al qual volíem arribar pogués usar l'app és limitant al màxim el nombre d'elements en la pantalla. A més, les formes i colors dels botons haurien de ser una marca de diferenciació entre els uns i els altres, amb gran contrast entre ells i el fons.

¹ Els colors triats van ser el negre com a fons de pantalla i el verd i blanc per als botons. Així i tot, arran de les entrevistes, vam decidir que el millor era deixar que els ajustos de color de la pantalla o grandària de la lletra fossin personalitzables des de la mateixa aplicació perquè cada usuari pogués sentir-se el més còmode possible.

² Vam diferenciar els botons pels seus colors i vam canviar les formes dels quals porten a pantalles posteriors i els botons de “Enrere”, que porten a la pantalla anterior.

³ Un altre objectiu que ens vam proposar va ser que l'app fos útil amb o sense lector de pantalla. Per aquest motiu vam afegir una pantalla des d'on es pogués personalitzar l'àudio descriptiu tant del títol dels botons i pantalles com de l'explicació del seu ús.

Programació i base de dades

La carcassa està dissenyada en dues parts, la part que es connecta al telèfon i un adjunt que s'adhereix a la part posterior del mòbil i que és buida per a poder emmagatzemar els components electrònics de la solució. Per a facilitar el manteniment i la sostenibilitat del dispositiu, les dues parts són separables. D'aquesta manera, si el lector s'espatlla, no és necessari comprar una nova carcassa, sinó que tan sols faria falta comprar el lector.

Hem fet el disseny de la carcassa en Tinkercad¹, usant un Redmi 13C com a model. Hem creat una carcassa normal, de 172 mm x 82 mm x 10 mm, amb una vora de 2 mm de gruix. La segona part la hem fet usant les mateixes dimensions però amb 5 mm més alt de gruix, per a emmagatzemar el lector. Per a unir els dos components, vam provar diferents mètodes. Primer vam provar juntes anulars d'ajust a pressió, però a causa del reduït gruix de les juntes, ens vam decantar per una mena d'unió que s'assembla a les fundes ABS.

Aquest tipus de funda està construïda per un plàstic dur, reciclable, resistent a impactes, d'alta rigidesa i té qualitats estètiques, ideal per a protegir el lector sense deformar-se fàcilment. A més, suporta temperatures al voltant dels -20oC i 80oC. Es pot usar com a filament per a impressores 3D, anomenat filament ABS, encara que el seu nom tècnic és Acrylonite Butadine Styrene.

Per a imprimir aquest material, es recomana calefactar el llit o base calenta (80 - 100 °C) i és necessari mantenir una temperatura de 210 o 250 °C. S'ha d'usar laca o cinta PEI sobre la base d'impressió o llit calent, i es recomana que en el programa de laminatge o slicer (com a Capellà) es configurin basses, vores o bassa per a enfortir les primeres capes.

Pel que respecta a les vores de la carcassa, hem optat per un material una mica més tou perquè s'adapti i sostingui amb seguretat el telèfon, donant-li una mica d'elasticitat per a no danyar el dispositiu. Vam triar una mescla de policarbonat (PC) i TPU (poliuretà termoplàstic).

El PC proporciona rigidesa i resistència, però no protegeix tant ja que, al no comptar amb una part més blanca, el cop no es reparteix i no disminueix, sinó que cau sobre una zona en concret i hi ha més probabilitats que es trenqui perquè tot l'impacte el rep aquesta part. El TPU té característiques flexibles i és més elàstic, per la qual cosa disposa d'una bona absorció d'impactes. Amb aquests combinats, aconseguim un equilibri entre absorció i rigidesa; així ens assegurem de la seguretat del lector i del mòbil.

Per al prototip final, vam incorporar un espai sota la carcassa per a introduir l'adaptador i vam dissenyar l'interior de la carcassa perquè el lector cabés de manera precisa, juntament amb el cable. Per a segellar-ho, vam decidir utilitzar un mètode completament nou, imants. Per a això, vam posar un bloc quadrat en cada component, cadascun amb un forat, però un d'ells més profund que l'altre. Dins de cada, posicionem dos petits imants de la mateixa intensitat, i col·loquem un caragol metàl·lic en el més profund. D'aquesta manera, quan la bola estigui en aquesta posició, els components poden separar-se, però, mitjançant un cop sec, el caragol es connecta a l'altre imant, bloquejant l'obertura de la carcassa.

¹ Tinkercad és una eina digital creada per Autodesk que permet crear dissenys en 3D, circuits elèctrics i programar. En tractar-se d'una eina d'interfície senzilla i ideal per al nostre objectiu, imprimir en 3D, optem per emprar-la en crear la carcassa.

Per a donar a entendre millor el funcionament del nostre projecte vam decidir construir una maqueta amb el sistema NFC inclòs, amb l'objectiu de simular el que faria ODIE en una escala menor. La diferència entre la tecnologia usada en la maqueta (NFC) i la usada en el prototip real (UHF) és la distància a la qual arriba el senyal i la freqüència usada. Atès que en la maqueta la distància entre l'etiqueta i el lector (el telèfon mòbil) és molt menor, el sistema requerit és el de NFC.

La maqueta està basada en la planta de secretaria del nostre col·legi i està a escala 1:100.

Per a crear-la, primer vam accedir als plans originals del col·legi, veient així les mesures reals de les parets, l'altura de les finestres i l'amplària dels passadissos. Amb ajuda de la nostra professora, Inma Balcells, vam poder passar els plans a AutoCad i començar a dissenyar cada paret de la maqueta. En aquesta part del procés la nostra professora ens va ensenyar a utilitzar amb eficàcia les eines de AutoCad, la qual cosa ens va ajudar molt a agilitzar el procés de disseny.

Una vegada acabat tot el disseny, amb la talladora i gravadora làser de fusta del col·legi com imprimir i gravar els plans i parets a través de Beam Studio, la web corresponent a la impressora. Durant un mes i mig vam estar enganxant amb cua i construint la maqueta a poc a poc.

Tot seguit, vam comprar unes etiquetes NFC per a col·locar en punts estratègics de la maqueta, simulant on estarien les UHF en vida real.

Per a programar les targetes, simplement vam descarregar una aplicació i des d'allí vam anar atribuint un número de sèrie a cada targeta.

En la base de dades externa, que hem explicat anteriorment, vam assignar a cada etiqueta numerada la informació que llegiria el lector (en el cas de la maqueta, el lector és el telèfon mòbil amb l'aplicació instal·lada) a l'usuari que passés per aquesta zona. 

Objectiu: Amb la maqueta volem donar a entendre el projecte d'una manera més pròxima i visual, simulant en escala menor el que faria ODIE en la vida real.

Aquest va ser el resultat final:

El beacon és un dispositiu basat en tecnologia Bluetooth Low Energy (BLE) que està constantment emetent un senyal únic. És necessari:

• Que dispositiu receptor tingui el Bluetooth activat (en el nostre cas, el mòbil).

• Que el dispositiu receptor disposi d'una app específica per a reconèixer el senyal (en el nostre cas, la nostra pròpia aplicació, ODIE).

Els beacons són elements passius (no emeten informació, sinó un identificador que ha de ser interpretat per a descobrir la informació que conté).

La funció del beacon és dur-se a terme mitjançant una aplicació específica que reconegui el senyal que emeten; d’aquesta manera, el beacon “crida” els dispositius.

Perquè funcionin: 

1. Configuració: aplicació recomanada per a fer-ho iBKS Config Tool. Quan l'app localitza el dispositiu, aquesta ens permetrà modificar cadascun dels paràmetres segons convingui, com l'interval de temps per a emetre el senyal, l'abast i la potència, o la URL que s'emet. Una vegada configurat, només haurem de col·locar-ho en el lloc desitjat i esperar que rebin el seu senyal.

2. Hi ha dos protocols: iBeacon (iPhone) i Eddystone (Google).

Els beacons estan constantment emetent un senyal, sense importar qui la rep. Treballen amb una única i pública ANEU, la qual cosa pot suposar un risc, ja que les nostres dades poden ser llegits per tercers malintencionats (la competència, per exemple). En 2016, aquest problema va quedar solucionat gràcies al Ephemeral ANEU del protocol Eddystone de Google.

Parts

1. Microcontrolador (MCU)

És el “cervell” del beacon. Controla el funcionament general i decideix quan i com s’envia el senyal.

• ESP32: Barat i fàcil d'usar.

• nRF52840: Sota consum i projectes més experts.

• Arduino Nano 33 BLE

2. Mòdul Bluetooth Low Energy (BLE)

És el component que emet el senyal Bluetooth perquè els mòbils el detectin. Treballa amb la tecnologia de baix consum.

Com és un mòdul, integra també:

• Xip amb Bluetooth Low Energy.

• Antena.

• Microprogramari bàsic.

Mòduls sense MCI

• HM-10: típic per a principiants. Fàcil d'usar amb comandos AT (comandos d'Attention).

• HC-08: Similar al HM-10 però més econòmic.

Mòduls amb MCU integrat (+BLE)

• ESP32: Porta BLE + wifi + microcontrolador.

• nRF52840: Molt eficient i potent per a BLE.

Funcionament del mòdul BLE:

• Emet senyals.

• Permet connexió amb mòbil o altres dispositius.

• Envia/rep dades amb molt baix consum.

• Avantatges

Consum baix.

Ideal per a dispositius amb bateria.

Compatible amb mòbils (apps tipus nRF Connect).

Resum

Principiant → HM-10.

Versàtil → ESP32.

Baix consum però professional → nRF52840.

3. Antena

Permet transmetre el senyal de ràdio a l’exterior. Pot ser interna (integrada al circuit) o externa.

Antena interna

Va integrada en el mateix mòdul o PCB (Printed Circuit Board).

Està dins del circuit.

Exemple: plaques com l'ESP32 ja la porten.

Avantatges:

• Més compacta.

• No necessites instal·lar res extra.

Desavantatges:

• Més sensible a interferències (caixa, metall, etc.): estan enganxades a la placa (PCB) i no tenen separació de l'entorn. Llavors qualsevol cosa al voltant canvia com “emet” el senyal. Es bloquegen, deformen, reflecteixen malament les ones, menys abast, senyal inestable, corts o pèrdues de connexió, sensibilitat a moure el dispositiu.

• El senyal pot afeblir-se, haver-hi talls momentanis i l'abast es redueix si → Diverses persones = més “obstacles mòbils”.

• El metall “bloqueja” i distorsiona el senyal, és a dir, actua com una pantalla electromagnètica:

Reflexa les ones, les absorbeix parcialment i crea “ombres” de senyal.

• Obstacles

Parets (sobretot formigó).

Metall voltant.

Interferències wifi (2.4 GHz).

Mala orientació de l'antena.

• Bateria baixa o dolenta alimentació.

Resum dels bloquejos

• Metall → bloqueja molt.

• Paret → bloqueja bastant.

• Persona → bloqueja moderat.

• Aire lliure → ideal.

Menor abast

• Interior (amb parets): 5 – 20 metres.

• Interior obert: 10 – 30 metres.

• Exterior sense obstacles: 30 – 100 metres (millor cas).

Consells sobre un millor rendiment

• Línia de visió directa.

• Altura (sense obstacles).

• Menys interferències.

• Antena ben dissenyada en la PCB.

Antena externa

És un component separat, i pot ser un pal o un cable.

Es connecta al mòdul (connector tipus o.FL (connector miniatura de d'antena RF (Radi Frequency) o SMA (SubMiniature version A (tipus de connector per a antenes RF).

Avantatges:

• Major abast.

• Millor senyal.

• Major estabilitat.

• Perquè funcioni bé, l'antena ha d'estar:

Separada del metall (idealment diversos centímetres).

Sense contacte directe amb superfícies grans metàl·liques.

Més direccionalitat.

Desavantatges:

• Ocupa més.

• Més cost.

• Es pot trencar o afluixar.

La qualitat del senyal depèn de:

• Posició de l'antena.

• Obstacles (parets, metall…).

• Freqüència (BLE usa 2.4 GHz, dins de Bluetooth Low Energy).

Resum

• Antena = el que “llança” el senyal a l'aire.

• Interna = còmoda però menys abast.

• Externa = més potent però més gran.

Ni l'antena interna (PCB) ni l'antena externa haurien d'estar en contacte directe amb metall, si volem que funcionin bé.

Mínim una separació de 2-5 cm del metall, no directament.

¹ 4. Bateria
Suministra energia al dispositiu. Normalment és una pila tipus botó (com CR2032), però pot variar segons el model.

5. Sensors (opcional)
Alguns beacons inclouen sensors com:

• temperatura

• ² moviment (acceleròmetre)

• llum

Això permet enviar dades addicionals, no només identificació.

6. Memòria
Guarda informació com l’ID del beacon (³ UUID) i configuracions.

7. Carcassa

És la coberta externa que protegeix els components. Pot ser resistent a l’aigua o a cops segons l’ús.