Jak nasadit nejnovější pokroky RFID v aplikacích pro sledování logistiky

Logistika a řízení dodavatelského řetězce se stále více obracejí na technologii radiofrekvenční identifikace (RFID), která poskytuje přehled o umístění a množství materiálů a položek v reálném čase. Použití RFID štítků může urychlit proces řízení zásob, snížit příležitosti pro lidskou chybu a pomoci snížit úbytek zásob. Štítky RFID nemusí být nutně viditelné, aby je bylo možné číst, a lze je číst, když je štítek uvnitř krabice nebo jiného obalu. Jedna osoba navíc dokáže na dálku přečíst stovky RFID štítků současně.

Návrháři si musí vybrat mezi architekturou napájení RFID štítků a datovými formáty a potřebují kompaktní a přesné čtečky RFID. Štítky a čtečky mohou také muset splňovat požadavky technologického standardu UHF Gen2v2 elektronického produktového kódu (EPC) a datového formátu RAIN RFID.

Tento článek popisuje technologie RFID, včetně aktivních a pasivních štítků, a možnost zvýšení výkonu pasivních štítků přidáním sběru energie. Shrnuje různé průmyslové standardy, kterých si musí být návrháři vědomi při zavádění logistických sledovacích systémů založených na RFID, a na závěr představuje RFID štítky a výběr čteček od společností STMicroelectronics ,Murata Electronics, a Melexis Technologies spolu s vyhodnocovacími platformami pro urychlení návrhu logistických řešení RFID.

Platformy RFID lze kategizovat několika způsoby; provozováním frekvenčních pásem, architekturou napájení a formáty datové komunikace. Existují tři primární provozní frekvenční pásma, nízkofrekvenční (LF), vysokofrekvenční (HF) a ultravysokofrekvenční (UHF). Pásmo LF pokrývá 30 až 300 kHz (kHz), přičemž většina LF štítků pracuje na 125 kHz. LF štítky mají kratší čtecí rozsah asi 10 až 30 centimetrů (cm) a nižší rychlost čtení než vysokofrekvenční štítky, ale jsou relativně méně citlivé na elektromagnetické rušení (EMI). Používají se pro identifikaci kabelů, chirurgických nástrojů, sledování lékařského vybavení a udržování inventáře nástrojů.

Štítky NFC (Near Field Communication) jsou podmnožinou HF RFID. Všechny NFC štítky fungují v pásmu HF, ale ne všechny štítky v pásmu HF používají protokoly NFC (obrázek 1). NFC štítky jsou obecně omezeny na několik centimetrů (cm) přenosové vzdálenosti, zatímco jiné konstrukce HF štítků mohou přenášet na vzdálenost až 30 cm. Kromě toho jsou NFC štítky určeny pouze pro provoz na 13,56 MHz (MHz). Zatímco všechny frekvence štítků RFID se používají v logistických aplikacích, štítky UHF RFID jsou někdy označovány jako štítky „dodavatelského řetězce“ kvůli jejich kombinaci delších čtecích rozsahů, vyšších rychlostí čtení a dostupnosti datových formátů optimalizovaných pro logistické aplikace.

Obrázek 1: Štítky NFC jsou podmnožinou technologie LF RFID a obvykle pracují na frekvenci 125 kHz. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

RFID štítky lze kategorizovat podle jejich energetické architektury:

• Aktivní štítky mají baterii a mohou přenášet periodicky, aniž by byly vyzvány, a mohou mít čtecí dosah až 100 metrů.
• Pasivní štítky musí být dotázány čtečkou. Energie z RF signálu čtečky se zapíná a napájí štítek a odráží informace zpět do čtečky.
• Štítky pro získávání energie jsou formou pasivních štítků, které mohou zachytit vysokofrekvenční energii přenášenou čtečkou a využít získanou energii k napájení dalších součástí systému.
• Polopasivní štítky, nazývané také štítky s podporou baterie, obsahují baterii, ale fungují jako pasivní štítky a přenášejí data pouze při dotazování čtečkou.

Pasivní štítky, včetně provedení UHF a NFC, jsou nejběžnějšími formami RFID v logistických řešeních. Aktivní štítky jsou mnohem dražší a obvykle se používají ke sledování vysoce hodnotných aktiv ve stavebnictví, dopravě a zdravotnictví. Polopasivní štítky, zejména ty, které využívají technologii NFC, se nacházejí pouze ve specifických aplikacích, jako jsou mobilní telefony.

Normy ISO/IEC 14443 a ISO/IEC 15693 zajišťují interoperabilitu zařízení s podporou NFC. Provoz NFC je založen na indukční vazbě a je citlivý na orientaci antény (obrázek 2). Zařízení NFC může být pasivní konstrukce napájené RF polem generovaným jiným zařízením NFC nebo semipasivní konstrukce s bateriovým zdrojem energie. Díky krátkému dosahu přenosu jsou NFC štítky ze své podstaty bezpečnější. Kromě toho musí být štítky NFC čteny jeden po druhém, zatímco jiné technologie RFID, jako jsou štítky UHF, podporují současné čtení velkého počtu štítků. Ve srovnání s jinými technologiemi LF RFID mohou NFC štítky ukládat a přenášet větší množství informací, což zvyšuje jejich využitelnost v logistických aplikacích. Dynamický štítek NFC RFID je duální rozhraní, rychlý přenos, štítek pro získávání energie s konfigurovatelnými přerušeními, správa RF a provozní režimy s nízkou spotřebou.

Obrázek 2: Správná orientace antény je nutná pro umožnění indukční vazby vyžadované zařízeními NFC. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

RAIN a EPC pro řízení logistiky

Použití protokolu ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 propaguje aliance RAIN (RAdio frequency Identification) RFID. Technologie RAIN byla vyvinuta k propojení UHF RFID štítků s cloudem pomocí internetu. RAIN EPC gen 2v2 je protokol pro pasivní RFID štítky a podporuje zabezpečení a soukromí ověřováním štítků a čteček. Společnost RAIN upravila systém číslování ISO, aby zjednodušila používání identifikačních čísel společností.

Univerzální identifikátor EPC pro fyzické objekty byl vyvinut společností EPCglobal, společným podnikem mezi GS1 US (dříve Uniform Code Council, Inc.) a GS1 (dříve EAN International). EPC byl přijat jako norma ISO 18000-6C. Standardizuje způsob komunikace mezi čtečkami a štítky a sdílení EPC dat mezi uživateli. EPC je identifikátor a datový formát, zatímco RFID je technologie RF nosiče.

Dynamické NFC štítky

Pro logistická řešení, která mohou těžit z dynamických NFC štítků, se mohou konstruktéři obrátit na řadu ST25DVxxKC od společnosti STMicroelectronics. Zařízení v této rodině nabízejí 4 kilobity (kbit), 16 kbit a 64 kbit elektricky mazatelné programovatelné paměti (EEPROM). Například,ST25DV04KC je 4kbitové zařízení. Všechna zařízení ST25DVxxKC používají protokol NFC ISO/IEC 15693 a mají dvě rozhraní. Sériové spojení I2C lze provozovat ze zdroje stejnosměrného proudu, jako je baterie. RF spojení se aktivuje, pokud RF energie přijatého nosiče napájí zařízení. Tyto štítky také zahrnují schopnost získávání energie pro napájení externích komponent (obrázek 3). Tento analogový výstup (V_EH) dodává analogové napětí V_EH, které je k dispozici, je-li povolen režim získávání energie a je-li intenzita RF pole dostatečná. Výstupní napětí sběru energie není regulováno.

Obrázek 3: Zařízení ST25DVxxKC používají protokol NFC ISO/IEC 15693 (střední blok), rozhraní I2C (vpravo dole) a schopnost získávání energie (v blocích Analog Front End a Digital Unit Control). (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Vyhodnocovací deska čtečky NFC

Model X-NUCLEO-NFC03A1 od společnosti STMicroelectronics je vyhodnocovací deska čtečky karet NFC na bázi obvoduST25R95-VMD5T, která může urychlit vývoj řešení RFID (obrázek 4). ST25R95-VMD5T spravuje kódování a dekódování snímků pro standardní aplikace, jako je NFC. X-NUCLEO-NFC03A1 podporuje protokoly ISO/IEC 14443 typu A a B, ISO/IEC 18092 a ISO/IEC 15693 (jednoduchá nebo dvojitá pomocná nosná). Dokáže detekovat, číst a zapisovat pomocí NFC tagů Forum Type 1, 2, 3 a 4. Kromě toho je tato vyhodnocovací deska kompatibilní s uspořádáním pinů konektoru ST Arduino™ UNO R3.

Obrázek 4: Vyhodnocovací deska čtečky karet X-NUCLEO-NFC03A1 umožňuje rozšíření desek STM32 Nucleo pro NFC o podporu standardů přiblížení a okolí. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

RFID na kovových površích

RFID štítek UHF RAIN na kov LXTBKZMCMG-010 od společnosti Murata navržený pro použití na chirurgické nástrojích a nářadí používá kovový povrch jako podpůrnou anténu pro zvýšení čtecího dosahu až na 150 cm. Štítek LXTBKZMCMG-010 pracuje v celém frekvenčním pásmu UHF, měří pouze 6,0 x 2,0 x 2,3 milimetrů (mm) a má rozsah provozních teplot -40 až +85 °C. Vyhovuje protokolům EPC global Gen2 (v2) a RAIN RFID.

Předpisy USA vyžadují, aby byl na každý chirurgický nástroj umístěn jedinečný identifikátor zařízení (UDI). Stejně jako EPC jsou předpisy UDI navrženy tak, aby podporovaly bezpečné používání a skladování lékařského vybavení. Systémy UDI se vztahují na mnoho typů lékařského vybavení, ale zvláště důležité jsou u chirurgických nástrojů, kde existuje značné riziko připravení nesprávných nástrojů k danému výkonu. Očekává se, že Evropa bude v budoucnu vyžadovat UDI na chirurgických nástrojích. Kromě logistických problémů souvisejících s chirurgickými nástroji je nastavení chirurgických nástrojů časově náročné a náchylné k chybám, a to i zkušenými jednotlivci.

Obrázek 5: Kovové povrchy chirurgických nástrojů a nástrojů využívá štítek na kovu UHF RAIN RFID společnosti Murata LXTBKZMCMG-010 jako posilovací anténu pro zvýšení čtecího dosahu. (Zdroj obrázku: Murata)

LF RFID transceiver IC a vyhodnocovací deska

Logistická řešení, která mohou těžit z LF RFID transceiveru, se mohou obrátit naMLX90109 jednočipový 125 kHz RFID transceiver od Melexis. MLX90109 kombinuje minimální systémové náklady a spotřebu energie ve vysoce flexibilním zařízení. Nosná frekvence čtečky a frekvence oscilátoru jsou určeny externí cívkou a kondenzátorem zapojeným jako paralelní rezonanční obvod, což eliminuje potřebu externího oscilátoru a zabraňuje efektům nulové modulace s dokonalým vyladěním antény. Nedekódovaný signál transpondéru může být přenášen na jednovodičovém rozhraní pro nejjednodušší implementaci. Volitelně může MLX90109 dekódovat signál transpondéru na čipu a sdílet dekódovaný signál přes 2vodičové rozhraní s hodinami a daty. Mezi vlastnosti MLKX90109 patří:

• Vysoce integrované řešení v balíčku SO8
• Odkaz na externí krystal není nutný; pouze dva odpory plus anténa
• Dekódování na čipu podporuje snadné použití a rychlý návrh systému
• Hodiny a datové výstupy s otevřeným odtokem umožňují dvouvodičovou sériovou komunikaci

Deska EVB90109 společnosti Melexis umožňuje konstruktérům vyhodnotit výkon integrovaného obvodu MLX90109 (obrázek 6). Rovněž urychluje vývoj kompaktních a nákladově efektivních RFID aplikací. Všechny piny vyhodnocovací desky MLX90109 jsou k dispozici na zásuvce dual in-line (DIL) pro snadné připojení k externímu mikrokontroléru. EVB90109 lze použít ke čtení dat z transpondéru nebo jej lze použít k odesílání informací do transpondéru pomocí modulace klíčování On/Off. Obvod „rychlého rozpadu“ externího tranzistoru a diody paralelně na anténě podporuje rychlý protokolový provoz.

Obrázek 6: Konstruktéři mohou změřit výkon integrovaného obvodu MLX90109 pomocí vyhodnocovací desky EVB90109. (Zdroj obrázku: Melexis)

Shrnutí

RFID štítky se stále více používají v aplikacích pro sledování logistiky. Rozmanitost dostupných technologií štítků RFID, včetně různých frekvenčních pásem, napájecích architektur a komunikačních a datových protokolů, znamená, že jsou k dispozici štítky, které dokážou splnit širokou škálu požadavků na sledování logistiky. S některými technologiemi RFID může jedna osoba číst stovky RFID štítků najednou na dálku, což urychluje proces řízení zásob. V případě chirurgických nástrojů může použití RFID štítků eliminovat jeden zdroj lidských chyb a zvýšit bezpečnost operací. Štítky UHF a NFC RFID jsou nejběžnějšími formami RFID v logistických řešeních, ale štítky LF 125 kHz mohou podporovat levné a jednoduché návrhy s minimem externích komponent.