Development of UHF RFID tags for traceability and quality control of food products, Application : Cheese production
Développement d'étiquettes RFID UHF pour la traçabilité et le contrôle de qualité des produits alimentaires, Application : production de fromage
Résumé
In the food sector, the use of RFID makes it possible to improve the safety of food while ensuring better traceability and better monitoring of products. The work of the thesis was mainly carried out within the framework of a project in cooperation with several academic and industrial partners in the cheese sector where the main objective of the project is to develop UHF RFID tags adapted to the constraints of food products by ensuring a dual function: a traceability function with unitary identification, and then a sensing function of cheese maturation by indirect measurement of its electromagnetic and physicochemical properties.The first step of the project was the characterization of the electromagnetic parameters of food products during ripening in order to achieve an appropriate design of the tag antenna. Knowledge of these properties is essential to meet industrial requirements and to integrate systems in right conditions. Also, a correlation study is carried out between the variation of the dielectric properties and that of the chemical properties during the period of cheese ripening. This study helps to understand the difference between cheese types and allows determining the main parameters to follow during cheese maturation for the design of the sensor tag.The second step was the design of identification tags for the traceability of food products during the manufacturing process. The primary objective is to create a UHF RFID tag with a performance that meets the needs of manufacturers in the cheese sector regarding the size, memory and reading distance while respecting the health standards at the packaging level as well as the substrate used. Several UHF RFID tag configurations were realized and tested in an industrial environment where the results obtained show the effectiveness of using an RFID system to automate the traceability of products in the cheese sector.The third step is the design of sensor tags to track the degree of maturation of products during the ripening period. A first solution, based on the exploitation of the effect of variation of the dielectric properties on the tag reading distance, shows a lack of performance due to the small variations as well as the difficulties of measurement in a real environment. A second solution based on the analysis of gas evolution rate shows the possibility of estimating the degree of cheese maturation. However, the sensor activation power and the high cost represent significant challenges and thus it was difficult to adopt this solution. Finally, two alternative solutions to measure the effect of gas evolution were presented. The idea is based on monitoring other parameters varying due to the increase of gas release during cheese maturation. The first sensor tag configuration traces the variation of product dimension due to maturation using a resistive sensor. On the other hand, the second sensor tag configuration measures the change of pressure inside the product packaging due to gas production. The results obtained show that these two sensor RFID tag configurations can offer simple and practical solutions for controlling the cheese ripening process.
Dans le secteur de l'agroalimentaire, l'utilisation de la RFID permet d'améliorer la sécurité des produits alimentaires tout en assurant une meilleure traçabilité et un meilleur suivi des produits. Le travail de cette thèse était principalement réalisé dans le cadre d’un projet en coopération avec plusieurs partenaires académiques et industriels dans le secteur fromager où l’objectif principal du projet était de maitriser l’ensemble des étapes de fabrication par un parfait suivi de la traçabilité des produits et un pilotage précis de l’affinage. Le travail réalisé dans cette thèse s'inscrit dans ce contexte et a comme objectif le développement de tags RFID UHF adaptés aux contraintes des produits alimentaires en assurant une double fonction: une fonction de traçabilité à identification unitaire, et ensuite une fonction de détection du degré de maturation de l'aliment par mesure indirecte de ses propriétés électromagnétiques et physico-chimiques.La première étape du projet était la caractérisation des paramètres électromagnétiques des produits alimentaires durant l’affinage afin de réaliser une conception appropriée de l'antenne du tag. En radiofréquences, c'est principalement le substrat qui dicte les propriétés électromagnétiques des composants, notamment la taille des antennes et leur diagramme de rayonnement. La connaissance de ces propriétés est indispensable afin de répondre aux exigences industrielles et d'intégrer dans de bonnes conditions les systèmes dans l'environnement applicatif. En plus, une étude de corrélation est réalisée entre la variation des propriétés diélectriques et celle des propriétés chimiques durant la période d’affinage des produits. Cette étude aide à comprendre la différence entre les différents produits et permet de déterminer les paramètres principaux à suivre durant l’affinage pour la conception du tag capteur.La deuxième étape était la conception des tags identifiants pour la traçabilité des produits alimentaires durant la procédure de fabrication. L’objectif principal est de réaliser un tag identifiant avec une performance qui répond aux besoins des fabricants dans le secteur fromager concernant la taille, la mémoire et la distance de lecture du tag tout en respectant les normes de santé au niveau d’emballage du tag ainsi que le substrat utilisé. Plusieurs configurations de tag RFID UHF étaient réalisées et testées dans un environnement industriel où les résultats obtenus montrent l’efficacité d’utiliser un système de RFID pour automatiser la traçabilité des produits dans le secteur fromager.La troisième étape concerne la conception des tags capteurs pour suivre le degré d’affinage des produits pendant la période de maturation. Une première solution, basée sur l’exploitation de l’effet de variation des propriétés diélectriques sur la distance de lecture de tag, montre un manque de performance due aux faibles variations ainsi qu’aux difficultés de mesure dans un environnement réel. Une deuxième solution basée sur la mesure de taux de dégagement des gaz durant l’affinage montre la possibilité d’estimer le degré d’affinage. Par contre, la puissance d’activation de capteur et le coût élevé ne permettent pas d’adopter cette solution. Finalement, deux solutions alternatives étaient réalisées pour mesurer l’augmentation du taux d’échapement des gaz d’une manière indirecte. La première configuration de tag capteur est basée sur le suivi du changement de dimensions du produit en utilisant un capteur résistif. D’autre part, la deuxième configuration de tag capteur est basée sur le suivi de changement de pression dans l’emballage du produit dû à la production de gaz. Les résultats obtenus montrent que ces deux configurations de tag RFID capteur peuvent offrir des solutions simples et efficaces pour le pilotage de l’affinage des produits alimentaires.
Origine : Version validée par le jury (STAR)