Tecnología RFID: Identificación por Radiofrecuencia

La Identificación por Radiofrecuencia (RFID) es un sistema de almacenamiento y recuperación de datos remoto que utiliza dispositivos denominados etiquetas, tarjetas o transpondedores RFID. Su propósito fundamental es transmitir la identidad de un objeto mediante ondas de radio. Las etiquetas RFID son dispositivos pequeños que pueden ser adheridos o incorporados a un producto.

Contienen antenas para permitir recibir y responder peticiones de radiofrecuencia desde un emisor-receptor RFID (lector).

Componentes Clave de un Sistema RFID

• Etiqueta RFID: Compuesta por datos (ID), una antena y, opcionalmente, una batería o un recolector de energía.
• Lector RFID: Envía una señal de radiofrecuencia (RF) y obtiene la información enviada por la etiqueta.

Tipos de Etiquetas RFID

1. Pasiva:
   • No tienen batería; utilizan la energía recibida del lector para responder.
   • Ofrecen lectura lenta y alcance corto.
   • A menudo son de tipo WORM (Write Once Read Many).
   • Frecuencias comunes:
     • LF (Low Frequency): 100 KHz, alcance < 10 cm.
     • HF (High Frequency): 10 MHz, alcance < 1 m.
     • UHF (Ultra High Frequency): 1 GHz, alcance ≈ 5 m.
2. Semipasiva:
   • Utilizan una batería para alimentar su electrónica, pero dependen del lector para la señal de activación.
   • El lector usa señales de menor energía.
   • Son más caras que las pasivas.
3. Activa:
   • Disponen de su propia batería para alimentar la electrónica y transmitir la señal.
   • La etiqueta puede iniciar la comunicación.
   • Son las más caras.
   • Ofrecen lectura rápida, mayor alcance (hasta 100 m) y mayor capacidad de almacenamiento.

Procesadores ARM: Instrucciones con Predicados

Características y Ventajas de la Ejecución Condicional

La ejecución condicional, implementada mediante instrucciones con predicados en los procesadores ARM, ofrece varias ventajas:

• Optimización del Espacio y Rendimiento: Reduce la necesidad de algunos desplazamientos en el acceso a memoria y, crucialmente, permite evitar la pérdida de ciclos de reloj en el pipeline al ejecutar pequeños fragmentos de código.
• Eficiencia Energética: Al permitir la realización de tareas con procesos más cortos y evitar saltos innecesarios, contribuye a una disminución significativa de la energía empleada.
• Simplicidad de Instrucciones: Las instrucciones individuales tienen un contenido semántico más reducido y son más sencillas. Sin embargo, esto implica que para llevar a cabo operaciones complejas se requieren más líneas de código.
• Potencial de Alta Frecuencia: La simplicidad del conjunto de instrucciones (RISC) facilita el diseño de procesadores que pueden operar a elevadas velocidades de reloj, optimizando el rendimiento por vatio.

DVS: Dynamic Voltage Scaling (Escalado Dinámico de Voltaje)

Fundamento

El Dynamic Voltage Scaling (DVS) es una técnica fundamental para la gestión de energía en sistemas electrónicos, basada en las siguientes premisas:

• El consumo de energía en circuitos CMOS crece de forma cuadrática con la tensión de alimentación y de forma lineal con la frecuencia de operación.
• La máxima frecuencia de reloj que un circuito puede alcanzar crece de forma lineal con la tensión de alimentación.
• Al reducir la tensión de alimentación, el consumo de energía disminuye de forma cuadrática, pero el tiempo de proceso (o retardo) crece de forma lineal.

Por lo tanto, la implementación de DVS se lleva a cabo permitiendo diversos niveles de tensión de alimentación y conmutando entre ellos en función de los requisitos de rendimiento y consumo que se presenten en cada instante. Esto permite optimizar la eficiencia energética adaptando la potencia al trabajo real.

Conversores Analógico-Digital (A/D)

Los conversores A/D transforman una señal analógica en una señal digital, permitiendo que esta pueda ser interpretada y procesada por sistemas digitales, como los sensores y microcontroladores.

Conversores Flash

Los conversores Flash son un tipo de ADC conocidos por su alta velocidad de operación, ya que pueden realizar operaciones en paralelo. Sin embargo, su principal desventaja es el alto costo y la complejidad, debido a la gran cantidad de componentes que requieren.

Un conversor Flash de n bits necesita 2ⁿ-1 comparadores. Por ejemplo, para un conversor Flash de 12 bits, se requieren 2¹²-1 = 4095 comparadores, lo que ilustra su complejidad y coste para altas resoluciones.

Protocolos de Gestión de Prioridades en Sistemas de Tiempo Real

En sistemas de tiempo real, la gestión de recursos compartidos es crucial para evitar bloqueos e interbloqueos. Los protocolos de herencia y techo de prioridad son mecanismos diseñados para mitigar estos problemas.

Protocolo de Herencia de Prioridad (PIP – Priority Inheritance Protocol)

Este protocolo permite reducir la duración de los bloqueos variando dinámicamente la prioridad de las tareas:

• Cuando una tarea de alta prioridad (T_H) intenta acceder a un recurso que está siendo utilizado por una tarea de menor prioridad (T_L), T_L hereda temporalmente la prioridad de T_H.
• Esto asegura que T_L ejecute su sección crítica con una prioridad elevada, minimizando el tiempo que T_H permanece bloqueada.
• La herencia de prioridad es transitiva: si T_H bloquea a T_M, y T_M bloquea a T_L, entonces T_L hereda la prioridad de T_H.
• Con este protocolo, una tarea se puede bloquear como máximo una vez por cada recurso y una vez por cada tarea de prioridad inferior que pueda bloquearla.

Fórmula de tiempo de bloqueo (ejemplo): Bi = SUM(U(k,i) * C(k)) (donde U(k,i) indica si la tarea k puede bloquear a i, y C(k) es el tiempo de ejecución de la sección crítica de k).

Protocolo de Techo de Prioridad (PCP – Priority Ceiling Protocol)

El techo de prioridad de un recurso es la máxima prioridad de todas las tareas que pueden utilizar dicho recurso. Este protocolo opera bajo las siguientes reglas:

• La prioridad dinámica de una tarea es el máximo entre su prioridad básica y las prioridades de las tareas a las que está bloqueando (si aplica).
• Una tarea solo puede usar un recurso si su prioridad dinámica es mayor que el techo de prioridad de todos los recursos que están siendo utilizados por otras tareas en ese momento.
• Cuando se utiliza en un sistema monoprocesador, este protocolo garantiza propiedades importantes:
  • Cada tarea se puede bloquear, como máximo, una vez por cada ciclo de ejecución.
  • No pueden ocurrir interbloqueos (deadlocks).
  • No pueden ocurrir bloqueos encadenados (chained blocking).

Fórmula de tiempo de bloqueo (ejemplo): Bi = max(U(k,i) * Ck) (donde U(k,i) indica si la tarea k puede bloquear a i, y Ck es el tiempo de ejecución de la sección crítica de k).

Técnicas de Identificación de Objetos en IoT

La identificación unívoca de objetos es un pilar fundamental en el ecosistema del Internet de las Cosas (IoT). Diversas tecnologías permiten obtener la identidad de un objeto:

Mecanismos de Identificación

1. Código de Barras:
   • Existen en formatos 1D (lineales), 2D (como QR codes) y 3D.
   • Son leídos por un escáner, que típicamente consta de un iluminador, un sensor y un decodificador.
2. RFID (Radio Frequency Identification):
   • Tecnología que utiliza ondas de radio para identificar objetos equipados con etiquetas RFID. (Ver sección anterior para más detalles).
3. NFC (Near Field Communication):
   • Tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance.
   • Un dispositivo NFC puede leer e incluso escribir en etiquetas NFC (algunas etiquetas avanzadas o modos específicos pueden requerir batería en el tag).
   • Ofrece dos modos de operación adicionales clave:
     • Modo de Emulación de Tarjeta (Card Emulation): Permite que un dispositivo (ej. smartphone) actúe como una tarjeta de pago sin contacto, facilitando transacciones y el uso de monederos digitales.
     • Modo Punto a Punto (P2P – Peer-to-Peer): Permite el intercambio de datos entre dos dispositivos NFC activos.

Sistemas de Localización: Active Bat, GPS y Active Badge

La localización de objetos y personas es una capacidad clave en numerosos sistemas, desde la navegación hasta la gestión de activos en interiores. A continuación, se comparan diferentes tecnologías de localización.

Active Bat vs. GPS: Diferencias Clave

Ambos son sistemas de localización, pero con enfoques y aplicaciones distintas:

Active Bat

• Tipo de Sistema: Sistema de localización en interiores donde la ubicación (del dispositivo o usuario) es el elemento principal de contexto.
• Representación de la Información: Física (coordenadas).
• Entorno: Tecnología diseñada para interiores.
• Técnica de Localización: Utiliza multilateración. Requiere al menos 4 objetos de referencia (la posición se determina por la intersección de 4 hiperboloides, que corresponden a la diferencia en el tiempo de llegada de la señal a estos objetos de referencia) para determinar correctamente la posición del objeto en un espacio 3D.
• Cálculo de Ubicación: La ubicación es calculada por la infraestructura del sistema, lo que requiere menos cómputo en el dispositivo final en comparación con el GPS.
• Tecnologías Empleadas: Necesita RFID para identificación y ultrasonido para la localización precisa.
• Sincronización de Reloj: No requiere sincronización de reloj entre los objetos de referencia.
• Consumo Energético: Consume menos energía que su antecesor, Active Badge.

Multilateración: La posición se infiere no a partir de las distancias absolutas a los objetos de referencia, sino por la diferencia en el tiempo de llegada de una señal a múltiples receptores.

GPS (Global Positioning System)

• Tipo de Sistema: Sistema de navegación y localización global.
• Representación de la Información: Física (longitud y latitud).
• Entorno: Tecnología diseñada para exteriores.
• Técnica de Localización: Utiliza trilateración. Necesita al menos 4 satélites (objetos de referencia) para determinar la posición del objeto. La posición se calcula mediante la intersección de esferas, donde el radio de cada esfera es la distancia al satélite.
• Cálculo de Ubicación: La ubicación es calculada por el propio dispositivo receptor, lo que otorga mayor privacidad, aunque conlleva un mayor coste computacional en el dispositivo.
• Requisitos de Presencia: No requiere una presencia física directa entre el emisor (satélite) y el receptor más allá de la línea de visión.
• Sincronización de Reloj: Sí requiere una sincronización de relojes muy precisa entre los satélites y el objeto receptor.

Trilateración: La posición se deduce a partir de la obtención de distancias absolutas respecto a objetos de referencia. Los objetos de referencia (satélites) emiten su posición y el tiempo de emisión, y el receptor calcula la distancia basándose en el tiempo de viaje de la señal.

Consideraciones sobre la Información Emitida y Recibida

Para sistemas de localización basados en señales, el dispositivo emisor debería emitir su identificador único. Si la potencia de emisión es fija y conocida por todos los elementos y dispositivos, no es necesario emitirla explícitamente; en caso contrario, debería hacerlo para permitir el cálculo de la atenuación de la señal y, por ende, inferir la distancia.

Por cada señal recibida, el dispositivo receptor debería enviar a la infraestructura (mediante comunicación inalámbrica) el identificador del elemento que emitió la señal, la potencia de la señal recibida (y la emitida, si no fuera fija y conocida a priori) y su propio identificador.

Active Badge: Un Predecesor

Active Badge es un sistema de localización anterior a Active Bat, con las siguientes características:

• Cálculo de Posición: La posición es calculada por la infraestructura, lo que puede resultar en una precisión menor en comparación con el cálculo en el propio objeto.
• Almacenamiento: Centralizado, lo que facilita la comunicación y reduce el cómputo en el dispositivo. Aunque el cálculo en el objeto ofrece mayor privacidad, implica un mayor cómputo.
• Consumo Energético: Emite una señal periódicamente, lo que genera un consumo continuo de energía. En contraste, Active Bat utiliza RFID para la identificación de objetos, lo que puede ser más eficiente.
• Tipo de Localización: Simbólica (ej. «en la oficina X») frente a la localización física (coordenadas) de Active Bat.
• Resolución: A nivel de habitación para Active Badge, frente al 90% de precisión y 3 cm de resolución de Active Bat.
• Requerimientos de Infraestructura: Active Badge necesita sensores infrarrojos (IR) y etiquetas personalizadas, mientras que Active Bat requiere receptores RFID y transmisores de ultrasonidos.