Composants, fréquences, usages… Tout savoir sur la technologie RFID

La radio-identification, désignée par RFID (radio frequency identification), consiste en l’utilisation d’ondes électromagnétiques pour lire l’identité d’un marqueur, appelé radio-étiquette, transpondeur ou plus couramment « tag RFID », ainsi que toute autre information pouvant y être stockée.

Comment est composé le système RFID ?

Il comporte trois entités :

Le tag RFID

Les données, dont l’identité, doivent pouvoir être lues dans n’importe quelle position et à des distances de lecture pouvant aller jusqu’à 200 mètres selon le type de tag et la fréquence utilisée. Il peut être en lecture seule ou lecture/écriture et est constitué de trois composants :

• Une antenne ;
• Un circuit contenant la mémoire de stockage (généralement une puce) ;
• Un matériel d’encapsulation.

Le tag RFID peut être classé selon deux types :

• Les tags dits passifs, sans système d’alimentation et par nature peu couteux. L’énergie utilisée pour renvoyer les informations est alors celle reçue de l’interrogateur.
• Les tags dits actifs, eux-mêmes de deux types différents :
  - Semi-actif, ce sont des étiquettes passives assistées par batterie, plus robustes, avec un plus fort débit de lecture et plus onéreux. Comme les tags passifs, ils utilisent l’énergie du lecteur pour générer la réponse à une interrogation mais la batterie est utilisée pour alimenter les autres éléments de la puce de silicium, tels que le microcontrôleur et la mémoire. Cela permet, par exemple, d’enregistrer des données lors d’un transport du tag, comme la localisation, la température, la pression, etc.
  - Actif, les plus chers, équipés d’une batterie leur permettant d’être en capacité d’émettre un signal. Ils peuvent être considérés comme des émetteurs-récepteurs de télémétrie et avoir un stockage de données plus important.

Un lecteur ou interrogateur RFID

Equipement mobile, fixe ou portatif selon l’application. Il émet un signal radio qui déclenche la réponse du tag.

Une infrastructure d’appui

Typiquement un système de supervision connecté aux lecteurs, permettant le traitement et l’exploitation des données des tags, qui pourront alimenter d’autres bases de données et applications pour un traitement ultérieur.

Quelles bandes de fréquences sont utilisées par les RFID ?

Plusieurs bandes de fréquences sont disponibles pour les applications RFID dans le cadre européen de la CEPT (Recommandation ERC 70-03) et de la Commission européenne (Décisions 2006/771/CE amendée et 2018/1538/CE), repris au niveau français (<link fileadmin mediatheque documents tnrbf>Annexe 7 du TNRBF et décision Arcep). Elles sont adaptées aux diverses technologies développées par l’industrie pour des applications et des marchés spécifiques avec leurs caractéristiques de taux de transfert/débit, portée/distance de lecture, environnement d’utilisation, type de couplage, etc. :

• 119 à 148.5 kHz (LF) : couplage inductif, courte portée et débit faible ;
• 400 à 600 kHz (MF) : couplage inductif, courte portée et débit faible/moyen ;
• 13,553 à 13,567 MHz (HF) : bande ISM, couplage inductif, courte portée et débit faible/moyen ;
• 433,05 à 434,79 MHz (UHF) : couplage électrique, longue portée et débit moyen/rapide ;
• 865 à 868 MHz (UHF) : couplage électrique, moyenne portée, débit rapide, 2 W p.a.r. de puissance maximale et l’utilisation pour les interrogateurs RFID limitée aux 4 canaux suivants : 865,6-865,8 MHz, 866,2-866,4 MHz, 866,8-867,0 MHz et 867,4- 867,6 MHz ;
• 916,1 à 918,9 MHz (UHF) : couplage électrique, moyenne portée, débit rapide, 4 W p.a.r. de puissance maximale et l’utilisation pour les interrogateurs RFID limitée aux 3 canaux suivants : 916,1-916,5 MHz, 917,3-917,7 MHz et 918,5-918,9 MHz ;
• 2 446 à 2 454 MHz (UHF) : couplage électrique, courte/moyenne portée, débit très rapide et 500 mW p.i.r.e. de puissance maximale.

Quelles sont les applications des RFID ?

Le RFID est un marché en forte croissance depuis sa généralisation dans tous les pays industrialisés dès les années 2000 : 11 milliards de dollars en 2018 pour une projection de 13,4 milliards en 2022 (source : IDTechEx).

Aujourd’hui, un très grand nombre d’applications RFID existent dans tous les domaines du public et de l’industrie :

• Logistique et manutention : les actifs mobiles sont étiquetés pour leur utilisation tout au long de la chaîne d'approvisionnement. Il s’agit par exemple de cartons, conteneurs et palettes étiquetés RFID, utilisés à différentes étapes de la production. Les entreprises s'appuient sur la technologie RFID pour localiser ces actifs et suivre leur progression tout au long de la chaîne d'approvisionnement. D'autres applications de manutention comprennent les bibliothèques ou la gestion des déchets.
• Surveillance et maintenance des actifs : par exemple des machines étiquetées pour inscrire toute information utile, historique de maintenance et pièces remplacées, ce qui suppose une capacité élevée de stockage.
• Contrôle du flux d'articles dans les processus de production : les étiquettes RFID sont attachées aux articles, qui se déplacent à travers un processus de fabrication. Souvent, des informations allant au-delà d'un simple numéro d'identification sont stockées sur l'étiquette pour contrôler les processus de production. C'est par exemple le cas dans l'industrie automobile où les informations de production sont stockées sur l'étiquette, qui peut être attachée à des carrosseries de voitures ou à des pièces plus petites. Cela vise principalement à éviter des erreurs coûteuses lors du processus de production.
• Inventaires : le RFID permet alors d’améliorer la rapidité, la précision et l'efficacité du contrôle des stocks. Dans la plupart des cas, seuls un numéro d'identification et un code EPC sont stockés sur l'étiquette, qui est ensuite utilisée par l'ordinateur hôte pour contrôler ou surveiller la gestion des objets étiquetés.
• Lutte contre le vol : les étiquettes RFID au niveau des articles en vente sont utilisées pour empêcher le vol le long de la chaîne d'approvisionnement ou au point de vente. Une forme simple est la surveillance électronique d'articles (EAS), qui peut être basée sur la technologie RFID. Dans ce cas, des systèmes RFID bas de gamme (par exemple des tags 1 bit) sont utilisés pour communiquer lorsque les consommateurs quittent le magasin sans que le tag ait été désactivé. Certaines applications de lutte contre le vol pour les produits de grande valeur, tels que les téléphones portables, prévoient que les étiquettes soient intégrées dans leurs circuits.
• Authentification, afin de fournir des mécanismes d'identification sécurisés pour les personnes et les objets. Les exemples les plus marquants d'authentification personnelle sont les badges à l’entrée des entreprises, les clés électroniques, les cartes de système de transport, les passeports électroniques et les cartes d'identité. Les domaines d'application actuels de l'authentification d'objets incluent le marquage des médicaments dans le secteur pharmaceutique et des produits de grande valeur dans le secteur du luxe pour éviter la contrefaçon.
• Systèmes de paiement : la technologie RFID est utilisée pour les systèmes de paiement pour sécuriser les transactions. Les exigences de sécurité pour les balises sont très élevées. Les systèmes sont en outre caractérisés par des plages de lecture très faibles pour éviter de mélanger différentes cartes de paiement.
• Affichage automatique des informations, pour des produits et services. Les premières applications peuvent être trouvées dans les points de vente ou dans le secteur public, par exemple dans les musées.
• Applications médicales : suivi des équipements médicaux, des fournitures et des médicaments, des échantillons ou encore des déchets. Cela peut aussi concerner les implants médicaux ou la localisation des patients. L'avantage de la technologie RFID dans le secteur de la santé est d'automatiser les processus qui auparavant étaient manuels et de réduire le temps nécessaire pour ce suivi.
• Identification des animaux : contrôle des animaux de compagnie, du bétail, de la chaîne alimentaire, ou encore relevés scientifiques pour des espèces menacées. L'Union Européenne a rendu obligatoire le marquage des animaux de compagnie et de certaines catégories de bétail.

Quel est le futur des applications RFID ?

Les tags RFID sans puce, qui réduisent considérablement les couts de production, sont en train de révolutionner le marché des applications RFID. Le principe de fonctionnement le plus répandu réside dans l’insertion de circuits avec des résonateurs à différentes fréquences. L'interrogateur génère un signal de balayage de fréquence permettant, par l’analyse de la signature du signal (« paramètres S »), le décodage de l’identifiant (voir figure 1). Avec cette technologie, la lecture à distance d'un identifiant consiste à analyser la signature de l'étiquette.

Figure 1 : exemple de RFID sans puce, et signature (paramètre S21) en amplitude et phase (source : Chipless RFID Sensors for the Internet of Things: Challenges and Opportunities - Viviana Mulloni, and Massimo Donelli)

Il existe aussi depuis longtemps une course à la miniaturisation des tags RFID. Hitachi a annoncé en 2007 la plus petite puce RFID au monde avec 0,05 x 0,05mm pour une épaisseur de 60 microns, qui reste inégalée. Elle comporte une ROM de 128 bits, soit la possibilité de stocker des références de 38 nombres et fonctionne à la fréquence de 2,45 GHz. Cependant, la puce a besoin d'être alimentée et, surtout, doit être équipée d'une antenne d’une longueur de l’ordre du mm pour communiquer avec le lecteur, ce qui relativise l’aspect miniaturisation. La figure de droite met en regard la puce et l’antenne qui doit l’entourer pour pouvoir communiquer avec l’interrogateur. Aussi, on a parlé de « smart dust » ou poussière intelligente mais l’état de l’art reste au niveau du micromètre voire au-dessus si l’on prend en compte l’antenne.

Figure 2 : RFID miniaturisé et le microchip avec son antenne
(source : Hitachi micro-chip. © 2006 IEEE)

Envisager une puce RFID à une échelle plus réduite (par exemple, le nanomètre) soulève des défis techniques considérables, notamment au niveau de l’antenne et de la batterie, et le nano RFID est encore à l’état de recherche appliquée dans le domaine des nanotechnologies.

Pour les antennes, les dimensions sont essentielles pour assurer un couplage efficace entre l’interrogateur et le tag et permettre une interrogation à distance. L’utilisation de fréquences très élevées permet de réduire la taille des antennes mais accroit les pertes de propagation. Par exemple, dans le cadre d’éventuelles applications in vivo, l’atténuation par les tissus biologiques serait alors telle qu’il serait impossible d’exciter le tag. Cette contradiction sera particulièrement difficile à résoudre. A titre d’illustration, il a été envisagé de réaliser une antenne en nanotube de carbone, mais les pertes ohmiques de cette antenne s’élèveraient à 90 dB : cela orienterait plus vers des applications biomédicales pour chauffer certaines zones du corps dans le cadre de traitements thérapeutiques que vers une application de RFID !