Bracelets RFID

Par MORSLI Omar, DURVILLE Jean-Baptiste, RUBIN Clément, GOURRAT Agathe.

Contexte

Dans le cadre du projet développement (réalisé au deuxième semestre) de l’école, notre équipe à eu l’idée de mettre au point un moyen de contrôler les entrées et sorties de personnes lors d’événements rassemblant du monde. Pour cela nous avons cherché à développer des bracelets utilisant la technologie RFID – ou identification par ondes radio – qui permettent de contrôler les personnes passant les issues de secours tout en simplifiant l’accès aux services de l’événement (comme l’achat d’un repas à un stand).

Principe

Les bracelets ont pour principale caractéristique d’utiliser la transmission longue portée qui permet de détecter le mouvement des personnes traversant les portiques situés aux sorties. Ils fonctionnent aussi en courte portée afin de permettre les paiements et autres applications annexes. La subtilité réside dans l’apparition d’interférences avec la manipulation de ces deux modes de transmission qu’il faut prendre en compte lors de la conception du système globale. Dans un premier temps, il faut dimensionner les antennes longues portée et les réaliser afin de les utiliser ensuite dans les expérience pour valider le dimensionnement.

Système global pour contrôler les courte et longue portée.

Réalisations

Pour réaliser les antennes longue portée, il faut d’abord simuler l’antenne et son rayonnement à l’aide de logiciels spécialisés (ici ADS et MoMentum). On obtient ainsi les dimensions de l’antennes qui permettent de les construire.

• Dimensionnement des antennes grâce à une simulation par ADS

  Dans le cadre de ce projet, nous n’étions pas limités par des contraintes de dimensions, donc nous pouvions choisir entre une antenne patch à une fente ou à deux fentes. Cette dernière, fournit une meilleure directivité et est plus performante qu’une antenne à une fente – court-circuitée sur un de ses côtés -. D’autre part, nous avons souhaité réaliser une antenne à deux polarisations, il faut donc que celle-ci soit symétrique. Ainsi, elle doit être carrée et ne pas posséder de court-circuit. Nous avons donc sélectionné une antenne patch rayonnant à travers deux fentes pour chaque polarisation.
  A partir des valeurs de la fréquence de travail (868 MHz) et la permittivité électrique relative du diélectrique (égale 1), nous avons déterminé la longueur d’onde (?=?/?) et la longueur de l’antenne (?=?/?).
  Maintenant que nous disposons des dimensions théoriques (largeur = longueur, antenne carré), nous souhaitons affiner ces calculs à travers ADS. C’est ce logiciel qui nous a permis de trouver des valeurs un peu plus précises pour le dimensionnement, surtout en termes d’adaptation. Le but étant d’avoir un maximum de puissance transmise à l’antenne sans retour. Nous avons utilisé le principe du « tuning » sur Lp (longueur du patch) et sur Lsonde (position de la sonde selon la longueur) sur le modèle de l’antenne patch classique pour avoir un coefficient de réflexion (S11) minimal à la fréquence de travail.
  La dernière étape, consiste à déterminer les performances en rayonnement de cette antenne. C’est pour cela que nous avons procédé à une description plus précise à l’aide d’une analyse électromagnétique.
  En effet, le modèle préalablement retenu ne permettait pas de remonter aux informations relatives au rayonnement. Nous avons donc utilisé l’application ADS/MoMentum, dédiée à ce type de simulation, qui permet en particulier d’étudier les performances réelles du rayonnement (gain, polarisation), mais aussi la distribution des courants dans le patch.

  

  S11 en fonction de la fréquence et abaque de Smith de l’antenne (on peut observer la fenêtre de « tuning » à gauche de l’écran)

• Réalisation d’une antenne longue portée

  Une fois ce dimensionnement réalisé, les dimensions de l’antenne sont connues ce qui facilite sa construction.
  Cette fabrication nécessite de la mousse d’air (ici d’épaisseur 3 mm), qui agit comme isolant, une plaque de cuivre et du scotch métallique, qui permettront de faire le résonateur.
  Tout d’abord nous avons positionné la sonde sur le plan de masse (cuivre) puis nous avons découper deux carrés de mousse avec les dimensions calculées pour avoir une isolation de 6mm et enfin nous avons recouvert la mousse du scotch. Un test effectué à l’aide d’un analyseur de spectre a permis de connaître le minimum de réflexion S11. De nouveaux découpages peuvent être nécessaires pour arriver à adapter l’antenne à la fréquence de travail (ici 868MHz). Il faut que le coefficient à cette fréquence soit le plus bas possible, notre antenne atteint -22,5 dB à 866 MHz ce qui est acceptable.

  

  Antenne et analyseur de spectre

Expériences et Résultats

Maintenant que les antennes longues portée sont réalisées, nous allons effectuer des expériences afin de valider les critères de l’étude (portée, détection de mouvement,…)

Tout d’abord pour valider la portée maximale de l’antenne, on détermine son gain en espace libre grâce à la formule de Friis. Ensuite, pour déterminer sa portée réelle dans un environnement commun, on fait la même expérience avec l’antenne et un badge RFID qui permet d’avoir les différents gains du système. Grâce aux données recueillies, on évalue le seuil (distance) à partir duquel la puissance est insuffisante pour être détectée. Cette dernière expérience est ensuite réalisée pour différents angles de l’antenne afin de s’assurer que le gain reste suffisant malgré une légère orientation de l’antenne.
On détermine ensuite la capacité du système à analyser les mouvements d’entrée et de sortie à l’aide de 2 antennes, d’abord côte-à-côte puis l’une en face de l’autre. On évalue ainsi l’influence du positionnement ce qui permettra de savoir combien d’antennes utilisées dans les portiques et comment les positionner. On pourra déterminer, grâce au temps de retard d’une antenne à l’autre, le mouvement d’une personne traversant le portique. Grâce au positionnement face-à-face, plus de personnes peuvent être détectées car moins d’obstacles bloquent la transmission badge-antenne.
Enfin, on détermine le nombre maximal de personnes perçues simultanément avec un positionnement optimal des antennes (déterminé avec l’expérience précédente).

Ces expériences sont en cours de développement à cause d’un problème au niveau du lecteur d’antennes.

Conclusion

Nous avons pu réaliser les antennes longue portée qui fonctionnent à la fréquence 866-868 MHz et qui pourront être utilisée dans les portiques pour détecter des personnes. Il faudrait pouvoir connecter deux antennes de chaque côté du portique pour pouvoir détecter toutes les personnes qui passent à travers le portique avec le minimum d’erreur et analyser leur mouvement (entrée-sortie).