Sistemi Antitaccheggio: panoramica sulle tecnologie di protezione per negozi e supermercati

Nei negozi e supermercati, proteggono la merce dai furti e in alcuni casi consentono di classificare i prodotti in uscita per aggiornare automaticamente il magazzino. Si basano su diverse tecnologie che qui vi spiegheremo.

Li vediamo entrando e uscendo da gran parte di negozi e supermercati, riconoscendoli dalle caratteristiche antenne a pannello situate sui lati del varco: sono i sistemi di rilevamento della merce utilizzati per evitare i furti ed anche per classificare i prodotti o, per meglio dire, gli antitaccheggio (anti-theft).

Questi sistemi, anche noti come barriere antitaccheggio, funzionano tutti basandosi sulla reazione di un tag, un’etichetta o una piastra antitaccheggio applicata alla merce da proteggere, ad un campo elettromagnetico eccitatore prodotto da una bobina irradiante chiamata antenna trasmittente; però non sono tutti uguali, nel senso che funzionano secondo vari princìpi fisici, il che rende ciascuna tipologia adatta a proteggere più certe merci di altre, in base alla loro costituzione.

In questo articolo facciamo una panoramica sui sistemi utilizzati, distinguendoli per modo di funzionamento.

Tecnologia RFiD

Si tratta della stessa soluzione che rende possibile anche il funzionamento dei recenti e ormai diffusi sistemi di identificazione e pagamento elettronico contactless, anche noti come NFC.

I sistemi RFiD funzionano come dei veri e propri transponder e sono tipicamente passivi, nel senso che il dispositivo di identificazione (tag) portatile agisce solo se viene eccitato dal sistema fisso eccitatore e non possiede alcuna fonte di alimentazione autonoma.

Il funzionamento è questo: il sistema di rilevamento ha un circuito eccitatore che genera un campo elettromagnetico, tipicamente a bassa frequenza (125 kHz, ma esistono sistemi operanti a frequenze maggiori, come ad esempio 13,56 MHz) irradiandolo mediante una bobina che copre tipicamente qualche decina di centimetri.

Quando un tag entra nel campo elettromagnetico, nella bobina che ha al proprio interno si induce una tensione alternata che viene raddrizzata da un diodo e carica un condensatore, tra le armature del quale rimane abbastanza energia da far funzionare la logica del tag; quest’ultima si basa su un encoder che, una volta alimentato, genera un codice identificativo (di solito univoco) che pilota la base di un transistor, il quale ad ogni livello logico alto va in conduzione e “carica” elettricamente la bobina, causando nella bobina del circuito eccitatore una reazione d’indotto, per effetto della quale ogni conduzione aumenta l’assorbimento di corrente.

Tramite un resistore di sense, in questo modo il circuito eccitatore rileva gli impulsi e ricostruisce il codice generato dall’encoder, riuscendo così a identificare il tag. Il diodo permette, nei periodi in cui il transistor carica la bobina, di non scaricare il condensatore del tag, permettendo che l’energia in esso accumulata faccia funzionare l’encoder per il tempo necessario a completare l’identificazione.

Un sistema del genere (schematizzato in Fig. 1) è di tipo monoantenna, nel senso che la bobina è unica ed è solo irradiante (è assimilata ad un’antenna).

È possibile ricorrere a una variante che utilizza due bobine e il cui funzionamento è assimilabile a quello di un trasformatore in aria: la bobina irradiante è il primario e a una certa distanza si colloca una seconda bobina “ricevente” che costituisce il secondario; quando la prima irradia il proprio campo elettromagnetico variabile, la seconda ne viene investita e presenta ai propri capi una tensione, che alimenta un resistore di sense (carico).

A vuoto, tutto il flusso magnetico (o quasi) raggiunge l’antenna (bobina) ricevente, mentre inserendo un tag RFiD, i periodi di carico causati dagli impulsi del codice determinano una perdita di flusso, che viene sottratta al secondario, causando un calo della corrente nel resistore di carico. Questo calo viene rilevato e interpretato come impulso dati.

La tecnologia RFiD consente di identificare il singolo tag e quindi, oltre che per rilevare se un oggetto esce in maniera illecita permette, integrando l’antitaccheggio nel software gestionale del negozio, di scaricare automaticamente la merce dal magazzino contabile.

La disattivazione del tag, per evitare che facciano partire l’allarme quando la merce passa, si può effettuare al banco in due modi: rimuovendoli, ad esempio se sono applicati all’interno di una placca antitaccheggio, o cancellando loro uno o più bit mediante un lettore/scrittore RFiD; in quest’ultimo caso, tuttavia, i tag dovranno essere attivi, ossia di quelli in cui oltre a leggere i dati si può anche scriverli.

Il sistema RFiD è il più complesso e quando serve la sola protezione antitaccheggio è, per così dire, sprecato; soluzioni più economiche sono la RF e la AM. La Fig. 2 mostra alcuni esempi di tag.

 

 

 

Tecnologia AM

Anche nota come Acusto-Magnetica (da qui l’acronimo AM), sfrutta come principio fisico la magnetostrizione e si basa su tag semplicissimi composti da due lamine di lega metallica ad alta permeabilità, separate e racchiuse da un involucro in plastica; la ripartizione degli elementi della lega è tale da conferire un’elevata deformazione a seguito dell’immersione delle lamine in un campo elettromagnetico.

La magnetostrizione è, infatti, un fenomeno fisico che consiste nella variazione delle dimensioni di elementi ferromagnetici quando vengono investiti dalle linee di forza prodotte da un campo magnetico; le lamine del tag per sistemi AM sono realizzate in modo da enfatizzare la deformazione in una direzione, tale da ottenere un’ampia vibrazione sotto l’effetto del campo elettromagnetico.

Una delle lamine è magnetizzata in modo permanente con un campo elettromagnetico costante, in modo da acquisire una discreta magnetizzazione residua che servirà a far vibrare le lamine del tag sotto l’effetto del campo eccitatore.

Quest’ultimo viene prodotto da un circuito di comando, che pilota una bobina d’antenna posta su un lato del varco (Fig. 3); le linee di forza raggiungono la bobina d’antenna ricevente situata sul lato opposto e determinano in essa una tensione indotta che viene analizzata da un discriminatore.

Il segnale che comanda l’antenna trasmittente è un’onda quadra a 58 kHz modulata on/off (OOK) a una frequenza di 60÷90 Hz, cosicché il campo elettromagnetico eccitatore consta di treni di impulsi (burst) a 58 kHz intervallati da pause periodiche.

 

 

Introducendo un tag nel campo elettromagnetico, in corrispondenza dei burst a 58 kHz le lamine cominciano a vibrare ritmicamente alla stessa frequenza, arrivando a risuonare perché il tag è costruito con dimensioni e coefficiente di deformazione ottimizzati per quella frequenza; in virtù del debole campo elettromagnetico in gioco, gli elementi (ferro-nichel-cobalto-silicio-boro) costituenti la lega ferromagnetica delle lamine vengono dosati in fabbrica per fornire al risuonatore siffatto un elevato fattore di merito (Q) compreso tra circa 100 e 600.

Questo permette di ottenere una vibrazione fortemente accentuata in corrispondenza della frequenza di risonanza e un disturbo facilmente rilevabile nel circuito collegato all’antenna ricevente. Infatti quando le lamine risuonano, causano un’alterazione del campo elettromagnetico eccitatore, che si traducono in un segnale di ampiezza più elevata e a una frequenza specifica ai capi dell’antenna ricevente, che può essere facilmente isolato da un circuito discriminatore, l’uscita del quale genera l’allarme.

Nel sistema AM, il tag funziona se è magnetizzata una lamina; per disattivare il tag alla cassa e non far suonare l’antitaccheggio, mediante un campo magnetico molto più intenso di quello ordinario, generato da un disattivatore, si toglie la magnetizzazione residua alla lamina magnetizzata, cosicché la magnetostrizione non può causare la risonanza e quindi il segnale di disturbo rilevato dal ricevitore. La Fig. 4 mostra alcuni esempi di tag per sistemi AM.

I pregi del sistema AM sono il basso costo dei tag e la facilità con cui avviene il loro rilevamento anche in passaggi molto estesi (qualche metro); inoltre è possibile personalizzare i sistemi in modo da avere tag risonanti a varie frequenze entro la banda ammessa dallo standard e regolando la frequenza del campo eccitatore e quella di accordo del ricevitore, così da far scattare l’allarme solo con i tag di un certo esercizio commerciale e non con altri che il cliente potrebbe aver dimenticato in tasca.

 

Altro pregio della AM è che è abbastanza insensibile alla presenza di metallo nella merce da proteggere o di creme e paste, ovvero liquidi elettricamente conduttivi; questo perché l’assorbimento dovuto a tali elementi è costante, mentre il ricevitore discrimina le variazioni di ampiezza innescate dalla risonanza delle lamine. Altro pregio è che le antenne del sistema AM possono essere integrate nel pavimento senza pregiudicare l’affidabilità del rilevamento.

Tecnologia RF

Nata prima della AM, è una soluzione economica e affidabile anche in varchi piuttosto larghi; per contro, funziona a frequenza molto più alta: tipicamente 8,2 MHz. Il circuito di controllo funziona sia da trasmettitore che da ricevitore delle onde radio, avvalendosi di due bobine che si comportano come il primario e il secondario di un trasformatore elettrico; questo vale per i sistemi a doppia antenna, perché esiste la possibilità di funzionare anche con una sola bobina.

Nella versione a doppia antenna, le bobine sono poste alle estremità del varco antitaccheggio, devono essere a vista, ovvero non coperte da materiali metallici o elettricamente conduttivi.

Il campo elettromagnetico eccitatore viene emesso dalla bobina di un lato, che è il primario e viene ricevuto da quella del lato opposto, che agisce da secondario.

Il tag è tipicamente un’etichetta autoadesiva (ne vedete un esempio in Fig. 5) contenente una spirale (bobina) di metallo sottilissimo e una capacità elettrica formata dalle due estremità della spirale stessa opportunamente distanziate in modo da realizzare un dielettrico; l’insieme forma un circuito risonante alla frequenza del campo eccitatore.

Se non viene introdotto alcun tag tra le due bobine, il sistema è in condizioni di riposo.

 

Quando la barriera antitaccheggio viene attraversata da un tag, nella bobina si induce una tensione alla stessa frequenza del campo eccitatore, che genera una corrente elettrica che fluisce nel condensatore. Siccome la frequenza di risonanza del bipolo LC del tag è 8,2 MHz, il tag stesso va in cortocircuito perché in risonanza la corrente è limitata dalla sola componente resistiva, che è bassissima (se il bipolo fosse ideale, annullandosi la reattanza capacitiva e quella induttiva la corrente sarebbe la massima indotta dal flusso magnetico), quindi nel circuito magnetico tra le due antenne si innesca una reazione che causa la sottrazione di parte dell’energia trasmessa.

Ne risulta che la bobina ricevente del varco riceve una minore potenza elettrica e la corrente rilevabile in essa subisce un abbassamento, facilmente rilevabile come segnale d’allarme.

Il tag può essere disattivato dall’esercente mediante un apposito apparecchio (disattivatore) che induce un impulso di campo elettromagnetico molto più intenso di quello eccitatore della barriera antitaccheggio, causando l’immediata saturazione del condensatore (accumulo tra le armature della massima quantità di carica) che si carica all’istante; in questo modo il circuito risonante, finché la capacità non si scarica, non risuona anche se immerso nel campo eccitatore.

In teoria l’energia immagazzinata nella capacità non si esaurisce perché palleggia con l’induttanza, ma trattandosi di componenti reali, in breve tempo viene dissipata dalle componenti resistive parassite del tag.

L’affidabilità del rilevamento è pregiudicata dalla presenza di metallo nella merce da proteggere o di creme e paste, ovvero liquidi elettricamente conduttivi; questo perché il campo RF induce tensioni anche in corpi elettricamente conduttivi immersi in esso e questi corpi a loro volta cortocircuitano le correnti che ne derivano, caricando il campo o innescando fenomeni di detuning (alterazione della frequenza di risonanza), ovvero di dissintonia, che maschererebbero il rilevamento del tag.

Peraltro questi fenomeni sono enfatizzati dalla frequenza relativamente elevata di funzionamento, che però permette di coprire varchi abbastanza grandi; scendendo di frequenza i fenomeni di detuning verrebbero potenzialmente ridotti, ma la portata diminuirebbe, almeno a parità di potenza irradiata dall’antenna o bobina trasmittente. Tra i pregi del sistema, la semplicità, il ridottissimo costo dei tag e la possibilità di riutilizzarli.

Antitaccheggio elettromagnetico

Funziona similmente al sistema RF, solo a una frequenza più bassa (intorno al kHz) e i tag sono lamine di materiale ferromagnetico che viene facilmente saturato dal campo elettromagnetico emesso dal trasmettitore; in pratica alle intensità di campo cui lavora l’apparato trasmittente (che irradia il proprio campo eccitatore mediante la solita bobina) il materiale del tag raggiunge rapidamente la sua massima magnetizzazione ogni volta che il campo magnetico varia.

Ricordiamo che un qualsiasi materiale ferromagnetico sottoposto a un campo magnetico che cresce di intensità, la magnetizzazione inizialmente è bassa, poi sale rapidamente in modo abbastanza lineare, quindi al raggiungimento del cosiddetto “ginocchio di saturazione” cresce di pochissimo anche per forti variazioni dell’intensità del campo.

La variazione dell’induzione elettromagnetica nel metallo interferisce con la frequenza di lavoro del sistema, consentendo di rilevare tramite la bobina ricevente se c’è un tag o un’etichetta nel campo d’azione del sistema antitaccheggio, quindi di far scattare l’allarme.

L’etichetta viene disattivata alla cassa mediante un potente magnete che la magnetizza fortemente, privandola della magnetizzazione residua, cosicché il campo elettromagnetico del portale antitaccheggio non è in grado di imporre alcuna variazione (perché non supera il campo coercitivo) e quindi non la rileva.

Il pregio di questo sistema è che l’etichetta può essere smagnetizzata e quindi riutilizzata, oltre che essere economica; il difetto è che non è molto preciso, per non parlare del fatto che un sistema siffatto non consente di distinguere i tag con la facilità, ad esempio, dell’RFiD o dell’AM o dell’RF.

Bene, con questo abbiamo concluso e riteniamo di aver fatto chiarezza sui sistemi in campo.