Brevet FR2894048A1 — publié le 20070601

ETIQUETTE ELECTRONIQUE ET STATION DE BASE POUR L'INTERROGER 5 10 La présente invention concerne une étiquette électronique et une station de base pour l'interroger. Elle s'applique, en particulier, à l'utilisation d'étiquettes électroniques radiofréquence associés à des objets présentant des parties métalliques ou des matériaux conducteurs, pour identifier ces objets. Les étiquettes électroniques radiofréquences, connues sous le nom de RFID 15 (acronyme de RadioFrequence IDentification pour identification radiofréquence), sont bien connues pour leurs capacités à fournir un signal d'identification en réponse à des signaux d'interrogation de stations de base ou base-station , lesdits signaux modulant un champ magnétique généré par la station de base. Lorsque l'on veut insérer une telle étiquette dans un objet comportant des pièces 20 métalliques et particulièrement lorsque l'étiquette électronique doit être en contact ou, au moins partiellement, entourée par une pièce métallique, les perturbations amenées par la partie métallique sur les caractéristiques de l'antenne de l'étiquette et de celle du lecteur risquent d'empêcher son fonctionnement. En effet, la présence de métaux agit de différentes manières sur l'identification 25 radiofréquence : -d'une part, dans le cas des étiquettes passives, l'étiquette est isolée par le métal, et le champ magnétique doit donc être suffisamment élevé pour qu'il reste assez d'énergie pour alimenter l'étiquette, - d'autre part, pour toutes les étiquettes, actives ou passives, le métal provoque une 30 réduction d'intensité des signaux d'interrogation, qui peuvent donc ne pas être perçus par les étiquettes et - enfin, les métaux présents influent sur l'antenne du lecteur de la station de base, en venant fortement réduire le champ magnétique disponible. La capacité d'interrogation d'étiquettes électroniques par une station de base est 35 donc fortement réduite. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif comportant au moins une partie métallique, caractérisé en ce qu'il comporte une étiquette électronique qui comporte, en regard de ladite partie métallique : - un moyen de réception de signaux modulés à une première fréquence ; - un moyen de traitement desdits signaux pour reconnaître un signal d'interrogation auquel ladite étiquette électronique doit répondre et - un moyen d'émission de signaux modulés à une deuxième fréquence différente de ladite première fréquence. En effet, les inventeurs ont découvert que la mise en oeuvre de deux fréquences différentes permet de ne pas trop modifier les caractéristiques électriques de l'étiquette mais uniquement sa sensibilité. Selon des caractéristiques particulières, ladite première fréquence est inférieure à 200 KHz. Grâce à ces dispositions, une meilleure pénétration du champ magnétique dans les parties métalliques est obtenue. Selon des caractéristiques particulières, ladite deuxième fréquence est égale à la moitié de la première fréquence. En effet, le choix d'utiliser une étiquette non résonnante (dont le produit LC(o2 est différent de 1, L étant l'inductance, C la capacité et co la pulsation) impose de ne pouvoir faire un backscattering (pour, en français, modulation de charge rapide) pour la réponse des étiquettes. Le choix de répondre à une fréquence deux fois plus faible permet de détecter plus aisément cette fréquence sur l'antenne de la station de base. De plus, un accord automatique permet de garantir la présence du maximum d'énergie pour alimenter l'étiquette électronique. Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'émission module ou charge une alternance sur deux de la porteuse du signal reçu par le moyen de réception pour obtenir un signal de fréquence moitié. Ainsi, l'étiquette ne coupe qu'environ 80% du signal. Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'émission comporte au moins deux diodes adaptées à garantir un minimum de signal à la première fréquence sur l'antenne de l'étiquette électronique. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise une station de base pour interroger des étiquettes électroniques, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un moyen d'émission de signaux modulés à une première fréquence ; un moyen de réception de signaux modulés à une deuxième fréquence différente de ladite première fréquence, comportant une antenne et adapté à faire varier une fréquence de lecture en contrôlant l'amplitude de la tension sur l'antenne permettant de vérifier constamment que LCw2=1, formule dans laquelle L est l'inductance de l'antenne, C la capacité de l'antenne et w la pulsation, égale à 2.pi.f, où f est la fréquence et un moyen de traitement desdits signaux modulés à la deuxième fréquence pour reconnaître un signal de réponse transmis par ladite étiquette électronique. Selon des caractéristiques particulières, ladite première fréquence est inférieure à 200 KHz. Selon des caractéristiques particulières, ladite deuxième fréquence est égale à la moitié de la première fréquence. Selon des caractéristiques particulières, le moyen de réception comporte une antenne et est adapté à faire varier une fréquence de lecture en contrôlant l'amplitude de la tension sur l'antenne permettant de vérifier constamment que LCw2=1, formule dans laquelle L est l'inductance de l'antenne, C la capacité de l'antenne et co la pulsation, égale à 2.pi.f, où f est la fréquence. L'électronique permet ainsi d'avoir un accord automatique permettant d'obtenir le champ magnétique maximal en fonction de la masse métallique et de sa position devant l'antenne. Selon des caractéristiques particulières, le moyen d'émission et le moyen de réception comportent une antenne commune et le moyen de réception comporte un convertisseur analogique numérique qui transmet la valeur crête présente sur l'antenne au moyen de traitement. Selon des caractéristiques particulières, le convertisseur analogique numérique est relié à ladite antenne par l'intermédiaire d'un pont diviseur ayant une forte impédance adaptée à mettre le niveau de la consigne entre 0 et 10 V et à ne pas perturber l'accord de l'antenne. Selon des caractéristiques particulières, le moyen de traitement est adapté à comparée ladite valeur crête à une consigne de tension acquise en absence d'objets métallique dans le champ de ladite antenne. Selon des caractéristiques particulières, le moyen de traitement est adapté à faire varier la fréquence pour rattraper le niveau de la consigne en faisant évoluer les entrées d'un compteur. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement, un exemple de mise en oeuvre de la présente invention dans un système de lecture d'étiquettes électroniques radiofréquences ; -la figure 2 représente un circuit de génération d'horloge intégré dans une station de base ; - les figures 3A et 3B représentent un circuit logique intégré dans une station de base ; - la figure 4 représente, en coupe, l'intégration d'une étiquette électronique dans une pompe de flacon de parfum comportant des parties métalliques ; - la figure 5 représente un circuit électronique d'étiquette électronique conforme à la présente invention ; - la figure 6 représente la forme d'un signal sortant du circuit illustré en figure 5 et - la figure 7 représente un spectre de signal présent sur l'étiquette électronique au moment de sa réponse à un signal d'interrogation, - la figure 8 représente, schématiquement, des fréquences préférentiellement mises en oeuvre par des antennes du dispositif illustré en figures 1 à 7 et - la figure 9 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d'un circuit électronique de réception d'une station de base du dispositif illustré en figures 1 à 8. Dans toute la description, on décrit le protocole de communication entre une station de base et une étiquette électronique, sans décrire : - les éléments de gestion des requêtes d'interrogation qui permettent à la station de base de sélectionner les requêtes à émettre et à chaque étiquette électronique de sélectionner les requêtes qui la concernent (suivi d'une arborescence des possibles identifiants des étiquettes électroniques, par exemple), - les éléments de gestion des réponses des étiquettes électroniques qui leur permettent de décider quand et comment répondre aux requêtes de la station de base et qui permettent à la station de base de gérer les réponses des étiquettes électroniques (inscription dans des bases de données, commandes d'inhibition provisoire ou définitive des étiquettes électroniques, déclenchement d'alarmes, ...) En effet, ces éléments sont bien connus de l'homme du métier des étiquettes électroniques, notamment RFID et font l'objet de nombreux brevets publiés. On observe, en figure 1, un objet 105 associé à une étiquette électronique 110 qui comporte : - une antenne 130, - un moyen de réception de signaux modulés à une première fréquence 115, - un moyen de traitement 120 des signaux reçus par le moyen de réception, pour reconnaître un signal d'interrogation auquel ladite étiquette électronique doit répondre et - un moyen d'émission de signaux modulés à une deuxième fréquence différente de ladite première fréquence 125. On observe aussi, en figure 1, une station de base 140 pour interroger des étiquettes électroniques 110, qui comporte : - au moins une antenne 145, un moyen d'émission de signaux modulés à une première fréquence 160, - un moyen de réception de signaux modulés à une deuxième fréquence différente de ladite première fréquence 155 et - un moyen de traitement desdits signaux modulés à la deuxième fréquence 150 pour reconnaître un signal de réponse transmis par une étiquette électronique 110. L'objet 105 peut être de n'importe quel type. On suppose ici qu'il comporte des pièces métalliques qui influencent le champ magnétique entourant l'étiquette électronique 110. L'antenne 130 est de type connu. Elle est, par exemple circulaire et dotée de nombreuses spires pour augmenter sa sensibilité aux champs magnétiques générés par l'antenne 145. Le moyen de réception 115 et le moyen d'émission 125 mettent en oeuvre l'antenne 130 pour communiquer avec la station de base 140. Le moyen d'émission est décrit en regard des figures 5 à 7. En figure 1, une seule antenne 145 est représentée. Cependant, dans de nombreux modes de réalisation de la présente invention, un ensemble d'antennes orientées différemment ou présentant des géométries différentes est mis en oeuvre pour que toute étiquette électronique présente dans un volume prédéterminé puisse être identifiée, quelle que soit sa position et son orientation dans ce volume. Le moyen d'émission 160 est partiellement illustré en figure 2, 3A et 3B. La mise en oeuvre d'une étiquette non résonnante permet de ne pas trop modifier ses caractéristiques électriques mais uniquement sa sensibilité, par rapport à la même étiquette utilisée en résonance. Préférentiellement, la première fréquence est inférieure à 200 KHz et la deuxième fréquence est égale à la moitié de la première fréquence. La mise en oeuvre d'une première fréquence basse permet une meilleure pénétration du champ magnétique dans les parties métalliques de l'objet 105. De plus, le choix de répondre à une deuxième fréquence deux fois plus faible que la première fréquence permet de détecter plus aisément cette fréquence sur l'antenne de la station de base 145. De plus, un accord automatique peut permettre de garantir la présence du maximum d'énergie pour alimenter l'étiquette électronique 110. Comme on l'observe en regard des schémas électroniques des figures 2, 3A et 3B, l'électronique de la station de base permet d'avoir un accord automatique permettant de recevoir le champ magnétique maximal en fonction de la masse métallique et de sa position devant l'antenne. Pour cela on fait varier la fréquence de lecture en contrôlant l'amplitude de la tension sur l'antenne permettant de vérifier constamment que LCw2=1. A partir d'un quartz 205, par exemple à 14.13838MHz, on génère une horloge à cette même fréquence (Figure 2) sur la sortie CLK 210, avec un circuit électronique classique. Puis, à l'aide du circuit logique illustré en figures 3A et 3B, on crée en fonction de la position des quatre entrées binaires 225 pré-positionnables d'un compteur programmable 215 (entrées El, E2, E3 et E4), la deuxième fréquence de travail et son double correspondant à la première fréquence. Les valeurs des entrées El, E2, E3 et E4 sont sélectionnées pour maximiser la tension V (voir figure 8). N étant un nombre choisi sur les quatre entrées du compteur 215 et F étant la fréquence du quartz 205, on a : FOmin = F =14.31818 =108.471 kHz et 4(33ùN) 4(33ù0) FOmax = F = 14.31818 =198.863 kHz 4(33ùN) 4(33ù15) FOmin est la valeur minimale de la première fréquence et FOmax est la valeur maximale de la première fréquence. La première fréquence peut donc être positionnée de 108.470 Hz à 198.863 Hz par pas variables dont la moyenne est de 3.389 Hz. En fonction de la variation de fréquence et de la résolution souhaitée, il est possible de changer le quartz (Par exemple avec un quartz de 10 MHz la première fréquence peut-être positionnée de 75.757Hz à 138.888 Hz par pas variable dont la moyenne est de 2.367Hz.) La figure 3A montre le câblage des compteurs 215 et 220. En sortie du compteur 220, la fréquence est le quadruple de la première fréquence. Le composant 240 est une porte XOR et le composant 245 est un inverseur. La sortie 230 B d'une bascule D est le double de la première fréquence, par exemple 125 KHz, cette dernière se trouvant sur le signal présent en sortie 235 C d'une deuxième bascule D . Le circuit représenté en figure 3A permet ainsi d'avoir la première fréquence en sortie 235. La sortie 230 fournit la double fréquence, qui sert uniquement de signal de synchronisation dans la station de base. Les composants 215 et 220 permettent de diviser une fréquence provenant d'un quartz selon la formule décrite (compteur, décompteur préchargeable). En changeant le quarz, la fréquence minimum (FOmin) et la fréquence maximale (FOmax) peuvent être ajustées. La station de base est dotée d'un moyen d'asservissement de la fréquence Fr du signal émis par l'antenne 145 pour que cette fréquence Fr permette de respecter l'équation L x C x (2 x pi x Fr)2 = 1, équation dans laquelle L est l'inductance du circuit d'émission comportant l'antenne et C est la capacité du circuit d'émission comportant l'antenne. Pour réaliser l'asservissement, un convertisseur analogique numérique 250 permet de rapatrier à un processeur de signal numérique (en anglais DSP pour digital signal processor) 255, la valeur crête présente sur l'antenne d'émission. Cette valeur est prise après un pont diviseur 260 ayant une forte impédance permettant à la fois de mettre le niveau de la consigne entre 0 et 10 V et de ne pas perturber l'accord de l'antenne 265. Cette valeur est comparée, par le processeur de signal numérique 255, à la consigne de tension acquise en absence de flacon métal puis le processeur de signal numérique 255 fait varier la fréquence Fr pour rattraper le niveau de la consigne en faisant évoluer les quatre entrées du compteur 215. Dans le cas de l'association d'une étiquette électronique 110 avec une pompe 300 pour flacon de parfum, comme illustré en figure 4, l'étiquette électronique RFID 110 est positionnée au coeur de la structure de la pompe, encerclée par les parties métalliques 305 de la pompe, parties métalliques représentées par des zones sombres sur la figure 4. Le principe de réponse des étiquettes est de moduler le signal de réponse à une deuxième fréquence inférieure à la première fréquence et, égale, ici à la moitié de la première fréquence. Cette deuxième fréquence, égale à la moitié de la première fréquence, est préférentielle car c'est la fréquence portant le plus d'énergie et facilement réalisable par l'étiquette électronique 110. Pour cela le moyen d'émission 125 de l'étiquette électronique 110 module, ou charge une alternance sur deux de la porteuse (première fréquence) pour obtenir un signal de fréquence moitié. Du fait que l'horloge est conservée, l'étiquette électronique ne coupe que 80% du signal. La figure 5 montre le montage qui permet de moduler l'antenne de l'étiquette formée par l'inductance L2 405, une résistance série R1 410 de l'antenne 130 et une capacité parasite Cl 415 de l'antenne 130, et deux diodes D1 420 et D2 425 qui garantissent au moins un minimum de signal à la première fréquence FO sur l'antenne de l'étiquette électronique 110. Le transistor de modulation M1 430 fonctionne en interrupteur et la tension de commande V1 435 est, dans le temps, telle que représentée en figure 6, avec une fréquence égale à la deuxième fréquence, soit 62,5 KHz. Le signal VL2 500 représenté en figure 6 montre la charge de la tension VL2 quand VI est à 1. La figure 7 montre le spectre du signal présent sur l'étiquette électronique 110 au moment de sa réponse : une raie de plus petite densité est présente à la deuxième fréquence. C'est cette deuxième fréquence qui est détectée par le moyen de réception 155, par l'intermédiaire de l'antenne 145 de la station de base 140. On rappelle qu'une antenne se comporte comme un circuit RLC comportant une inductance en série avec une résistance, l'inductance et la résistance étant en parallèle avec un condensateur. La fréquence de résonance Fr est telle que L x C x (2 x pi x Fr)2 = 1. Le gain de l'antenne varie, en fonction de la fréquence émise en partant de la valeur 1 pour la fréquence nulle, en croissant jusqu'à la fréquence de résonance Fr puis en décroissant au delà. Par exemple, ce gain atteint 30 pour la fréquence de résonance Fr. Pour ajuster la fréquence de résonance à la fréquence d'émission recherchée, on ajoute, en parallèle de l'antenne un condensateur. On observe, en haut de la figure 8, la courbe 805 du gain en fonction de la fréquence du signal fournit à l'antenne de la station de base. Conformément à un aspect de la présente invention, le circuit d'alimentation de l'antenne de la station de base est adapté à compenser les variations de l'inductance dues à la présence de métal ou d'antennes d'étiquettes électroniques dans le champ d'émission de l'antenne en modifiant la fréquence d'émission afin de maintenir la relation L x C x (2 x pi x Fr)2 = 1. Le gain de l'antenne d'émission reste ainsi sensiblement constant quelles que soit les perturbations rencontrées. Ainsi, l'antenne émet toujours un signal possédant la fréquence de résonance, indiquée par le trait interrompu vertical et la référence 810. Conformément à un autre aspect de la présente invention, la fréquence de résonance de l'antenne de l'étiquette électronique est décalée par rapport à la fréquence du signal émis par la station de base. Préférentiellement, la fréquence de résonance de l'antenne de l'étiquette électronique est supérieure à la fréquence du signal émis par la station de base. Préférentiellement, la fréquence de résonance de l'antenne de l'étiquette électronique est au moins égale au double de la fréquence du signal émis par la station de base. On observe, en bas de la figure 8, la courbe 815 du gain de l'antenne de l'étiquette électronique en fonction de la fréquence du signal reçue. On observe que la fréquence de résonance indiquée par la référence 820 est supérieure au double de la fréquence reçue, correspondant à la référence 810. Par exemple, pour des signaux émis par la station de base possédant une fréquence entre 125 KHz et 225 KHz, la fréquence de résonance de l'antenne des étiquettes électroniques se trouve entre 400 KHz et 700 KHz. Grâce à ces caractéristiques, le gain de l'antenne de l'étiquette électronique est voisin de 1 à la fréquence émise par l'antenne de la station de base et, par conséquent, à la fréquence de réponse de l'étiquette électronique, qui est, par exemple, la moitié de la fréquence du signal émis par la station de base, comme exposé en regard des figures 1 à 7. On observe, en figure 9, un schéma électronique d'un circuit de réception d'une station de base dans lequel le signal d'émission entre dans le circuit par l'entrée 900 et parcours l'antenne 905 en série avec un condensateur 910. En parallèle de cette branche de circuit constituée par l'antenne 905 et le condensateur 910, un pont image permet de fournir la même tension intermédiaire que la tension présente entre l'antenne 905 et le condensateur 910. Le pont image comporte une inductance 915 et un condensateur 920. Les valeurs de l'inductance 915 et du condensateur 920 sont adaptées à ce que le courant parcourant ce pont image est très inférieur, par exemple dix fois plus faible, au courant parcourant l'antenne 905. Le circuit primaire d'un transformateur 925 est relié, d'une part entre l'antenne 905 et le condensateur 910 et, d'autre part, entre l'inductance 915 et le condensateur 920. Le circuit secondaire du transformateur 925 est relié à un circuit de filtrage et d'amplification 930 dont la sortie est reliée aux circuits de traitement de la station de base qui traitent le signal provenant des étiquettes électroniques. Grâce au pont image, les signaux reçu qui possèdent la fréquence d'émission des étiquettes électroniques, soit ici la moitié de la fréquence d'émission de la station de base, ne sont présents qu'entre l'antenne 905 et le condensateur 910, ce qui permet leur détection par le circuit de filtrage et d'amplification 930. En revanche, les signaux possédant la fréquence d'émission de la station de base, dont on a vu, ci-dessus, qu'elle pouvait être variable, ne modifient pas l'égalité des tensions aux bornes du circuit primaire du transformateur 925 et ne perturbent donc pas la détection des signaux reçus de la part des étiquettes électroniques. REVENDICATIONS 1 û Dispositif (105) comportant au moins une partie métallique, caractérisé en ce qu'il comporte une étiquette électronique (110) qui comporte, en regard de ladite partie métallique : un moyen de réception (115) de signaux modulés à une première fréquence ; un moyen de traitement (120) desdits signaux pour reconnaître un signal d'interrogation auquel ladite étiquette électronique doit répondre et - un moyen d'émission (125) de signaux modulés à une deuxième fréquence différente de ladite première fréquence. 2 û Dispositif (105) selon le revendication 1, caractérisé en ce que ladite première fréquence est inférieure à 200 KHz. 3 û Dispositif (105) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite deuxième fréquence est égale à la moitié de la première fréquence. 4 û Dispositif (105) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'émission (125) module ou charge une alternance sur deux de la porteuse du signal reçu par le moyen de réception pour obtenir un signal de fréquence moitié. 5 û Dispositif (105) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'émission (125) comporte au moins deux diodes (420, 425) adaptées à garantir un minimum de signal à la première fréquence sur l'antenne de l'étiquette électronique (110). 6 - Station de base (140) pour interroger des étiquettes électroniques (110), caractérisée en ce qu'elle comporte : un moyen d'émission (160) de signaux modulés à une première fréquence ; - un moyen de réception (155) de signaux modulés à une deuxième fréquence différente de ladite première fréquence, comportant une antenne (145) et adapté à faire varier une fréquence de lecture en contrôlant l'amplitude de la tension sur l'antenne permettant de vérifier constamment que LCw2=1, formule dans laquelle L est l'inductance de l'antenne, C la capacité de l'antenne et w la pulsation, égale à 2.pi.f, où f est la fréquence et - un moyen de traitement (150) desdits signaux modulés à la deuxième fréquence pour reconnaître un signal de réponse transmis par ladite étiquette électronique. 7 û Station de base (140) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le moyen d'émission (160) et le moyen de réception (155) comportent une antenne commune (145) et en ce que le moyen de réception comporte un convertisseur analogique numérique (250) qui transmet la valeur crête présente sur l'antenne au moyen de traitement. 8 û Station de base (140) selon la revendication 7, caractérisée en ce que le convertisseur analogique numérique (250) est relié à ladite antenne (145) par l'intermédiaire d'un pontdiviseur (260) ayant une forte impédance adaptée à mettre le niveau de la consigne entre 0 et 10 V et à ne pas perturber l'accord de l'antenne. 9 ù Station de base (140) selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que le moyen de traitement (150) est adapté à comparée ladite valeur crête à une consigne de tension acquise en absence d'objets métallique (105) dans le champ de ladite antenne (145). ù Station de base (140) selon la revendication 9, caractérisée en ce que le moyen de traitement (150) est adapté à faire varier la fréquence pour rattraper le niveau de la consigne en faisant évoluer les entrées d'un compteur (215). 10