Wdrażanie najnowszych rozwiązań technologii RFID do zastosowań śledzenia w logistyce

W logistyce i zarządzaniu łańcuchem dostaw coraz częściej sięga się po technologię identyfikacji radiowej (RFID), aby zapewnić widoczność lokalizacji oraz ilości materiałów i produktów w czasie rzeczywistym. Zastosowanie tagów RFID może przyspieszyć proces zarządzania zapasami, zmniejszyć ryzyko błędów ludzkich i zapobiec kurczeniu się zapasów. Tagi RFID niekoniecznie muszą być widoczne, aby można je było odczytać. Można je odczytywać, gdy znajdują się w pudełku lub innej obudowie. Ponadto jedna osoba może na odległość odczytać setki tagów RFID jednocześnie.

Projektanci muszą dokonać wyboru między architekturą zasilania tagów RFID a formatami danych oraz potrzebują kompaktowych i dokładnych czytników RFID. Tagi i czytniki mogą również wymagać spełnienia wymagań standardu technologii elektronicznego kodu produktu (EPC) UHF Gen2v2 oraz formatu danych RAIN RFID.

W niniejszym artykule omówiono technologie RFID, w tym tagi aktywne i pasywne, a także możliwość zwiększenia wydajności tagów pasywnych przez dodanie funkcji pozyskiwania energii z otoczenia. Zestawiono w nim różne standardy branżowe, które projektanci powinni znać, jeśli zajmują się wdrażaniem w logistyce systemów śledzenia opartych na RFID. Na koniec zaprezentowano tagi i czytniki RFID firmy STMicroelectronics, Murata Electronics oraz Melexis Technologies wraz z platformami ewaluacyjnymi przyspieszającymi projektowanie rozwiązań w technologii RFID dla logistyki.

Platformy RFID można kategoryzować na kilka sposobów: według pasm częstotliwości roboczych, architektury zasilania i formatów transmisji danych. Istnieją trzy podstawowe pasma częstotliwości roboczych: niska częstotliwość (LF), wysoka częstotliwość (HF) i ultrawysoka częstotliwość (UHF). Pasmo LF obejmuje zakres od 30 do 300kHz, przy czym większość tagów LF działa z częstotliwością 125kHz. Tagi LF mają krótszy zasięg odczytu od około 10 do 30cm i mniejsze prędkości odczytu niż tagi o wyższej częstotliwości, jednak są stosunkowo mniej wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Służą do identyfikacji kabli, narzędzi chirurgicznych, śledzenia sprzętu medycznego i utrzymywania zapasów narzędzi.

Tagi komunikacji bliskiego zasięgu (NFC) są podzbiorem tagów RFID HF. Wszystkie tagi NFC działają w paśmie HF, ale nie wszystkie tagi w paśmie HF wykorzystują protokoły NFC (ilustracja 1). Odległość transmisji w tagach NFC zazwyczaj ogranicza się do kilku centymetrów, podczas gdy inne tagi HF mają zdolność transmisji na odległości do 30cm. Ponadto tagi NFC są przeznaczone do pracy tylko przy 13,56MHz. Podczas gdy w zastosowaniach logistycznych wykorzystywane są wszystkie częstotliwości tagów RFID, tagi RFID UHF są czasami określane jako tagi „łańcucha dostaw” ze względu na kombinację większych zasięgów odczytu, większych szybkości odczytu i lepszej dostępności formatów danych zoptymalizowanych pod kątem zastosowań logistycznych.

Ilustracja 1: tagi NFC są podzbiorem tagów w technologii RFID LF i zazwyczaj działają z częstotliwością 125kHz. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Tagi RFID można kategoryzować według ich architektury zasilania:

• Tagi aktywne posiadają baterię i mogą nadawać okresowo, bez odpytywania, a ich zasięg odczytu może wynosić do 100m.
• Tagi pasywne muszą być odpytywane przez czytnik. Energia z sygnału o częstotliwości radiowej (RF) czytnika włącza i zasila tag, przekazując informacje z powrotem do czytnika.
• Tagi z funkcją pozyskiwania energii z otoczenia są rodzajem tagów pasywnych, które mogą przechwytywać energię radiową przesyłaną przez czytnik i wykorzystywać pozyskaną energię do zasilania dodatkowych komponentów układu.
• Tagi półpasywne, zwane również tagami wspomaganymi baterią, zawierają baterię, ale działają jak tagi pasywne i przesyłają dane tylko wtedy, gdy są odpytywane przez czytnik.

Tagi pasywne, w tym typu UHF i NFC, to najczęstsze formy technologii RFID w rozwiązaniach logistycznych. Tagi aktywne są znacznie droższe i są zwykle używane do śledzenia aktywów o wysokiej wartości w branży budowlanej, transportowej i medycznej. Tagi półpasywne, zwłaszcza te wykorzystujące technologię NFC, można znaleźć tylko w określonych zastosowaniach, takich jak telefony komórkowe.

Normy ISO/IEC 14443 i ISO/IEC 15693 zapewniają wzajemną kompatybilność urządzeń obsługujących technologię NFC. Działanie technologii NFC opiera się na sprzężeniu indukcyjnym i jest ona wrażliwa na orientację anteny (ilustracja 2). Urządzenie NFC może być konstrukcją pasywną zasilaną przez pole radiowe generowane przez inne urządzenie NFC lub konstrukcją półpasywną ze źródłem zasilania bateryjnego. Ze względu na mały zasięg transmisji tagi NFC są z natury bezpieczniejsze. Ponadto tagi NFC muszą być odczytywane pojedynczo, podczas gdy inne technologie RFID, takie jak tagi UHF, pozwalają na równoczesny odczyt dużej liczby tagów. W porównaniu z innymi technologiami RFID LF, tagi NFC mogą przechowywać i przesyłać większe ilości informacji, co poprawia ich użyteczność w zastosowaniach logistycznych. Dynamiczny tag RFID NFC wyposażony jest w dwa interfejsy i funkcję pozyskiwania energii z otoczenia o wysokiej szybkości transmisji danych, a także opcję konfiguracji przerw w działaniu, zarządzania radiowego i tryby pracy o niskim poborze mocy.

Ilustracja 2: właściwa orientacja anteny jest konieczna, aby umożliwić sprzężenie indukcyjne wymagane przez urządzenia NFC. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Technologie RAIN i EPC do zarządzania logistyką

Wykorzystanie protokołu ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 jest promowane przez sojusz RFID RAIN (RAdio frequency Identification, z ang. identyfikacja częstotliwości radiowych). Technologia RAIN została opracowana w celu połączenia tagów RFID UHF z chmurą za pośrednictwem Internetu. Protokół EPC gen 2v2 opracowany przez sojusz RAIN przeznaczony jest dla pasywnych tagów RFID i zapewnia bezpieczeństwo oraz prywatność poprzez uwierzytelnianie tagów i czytników. Sojusz RAIN zmodyfikował system numeracji ISO, aby uprościć korzystanie z firmowych numerów identyfikacyjnych.

Uniwersalny standard identyfikatorów EPC dla obiektów fizycznych został opracowany przez EPCglobal, podmiot typu joint venture GS1 US (wcześniej Uniform Code Council, Inc.) i GS1 (wcześniej EAN International). Standard EPC został przyjęty w formie normy ISO 18000-6C. Standaryzuje ona sposób komunikacji czytników i tagów oraz sposób udostępniania danych EPC między użytkownikami. EPC to identyfikator i format danych, podczas gdy RFID to technologia nośnika radiowego.

Dynamiczne tagi NFC

W przypadku rozwiązań logistycznych, które mogą korzystać z dynamicznych tagów NFC, projektanci mogą skorzystać z grupy produktów ST25DVxxKC firmy STMicroelectronics. Urządzenia z tej grupy oferują elektrycznie wymazywaną i programowaną pamięć tylko do odczytu (EEPROM) 4kb, 16kb i 64kb. Przykładowo tagi ST25DV04KC są urządzeniami 4kb. Wszystkie tagi ST25DVxxKC korzystają z protokołu NFC ISO/IEC 15693 i mają dwa interfejsy. Łącze szeregowe I2C może być zasilane ze źródła prądu stałego, takiego jak bateria. Łącze radiowe (RF) aktywuje się, gdy energia radiowa nośnika odbiorczego zasila urządzenie. Tagi te posiadają również możliwość pozyskiwania energii z otoczenia do zasilania komponentów zewnętrznych (ilustracja 3). Wyjście analogowe (V_EH) podaje napięcie analogowe V_EH, gdy włączony jest tryb pozyskiwania energii z otoczenia i gdy natężenie pola radiowego jest wystarczające. Wyjście napięcia pozyskiwania energii z otoczenia nie jest regulowane.

Ilustracja 3: tagi ST25DVxxKC wykorzystują protokół NFC ISO/IEC 15693 (blok środkowy), interfejs I2C (u dołu po prawej) oraz funkcję pozyskiwania energii z otoczenia (w blokach analogowego układu front-end i sterowania cyfrowego). (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Płytka ewaluacyjna czytnika NFC

Płytka ewaluacyjna czytnika kart NFC X-NUCLEO-NFC03A1 firmy STMicroelectronics oparta jest na tagach ST25R95-VMD5T i przyspiesza prace rozwojowe nad rozwiązaniami RFID (ilustracja 4). Płytka ewaluacyjna ST25R95-VMD5T pozwala zarządzać kodowaniem i dekodowaniem ramek dla standardowych zastosowań, takich jak NFC. Płytka X-NUCLEO-NFC03A1 obsługuje protokoły ISO/IEC 14443 typu A i B, ISO/IEC 18092 oraz ISO/IEC 15693 (pojedynczy lub podwójny nośnik pomocniczy). Potrafi wykrywać, odczytywać i zapisywać informacje z tagów NFC Forum typu 1, 2, 3 i 4. Ponadto omawiana płytka ewaluacyjna jest kompatybilna z przypisaniem pinów złącza ST Arduino™ UNO R3.

Ilustracja 4: płytka ewaluacyjna czytnika kart X-NUCLEO-NFC03A1 umożliwia rozbudowę płytek STM32 Nucleo pod kątem technologii NFC o obsługę standardów zbliżeniowych i dystansowych. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

RFID na powierzchniach metalowych

Zaprojektowany do użytku z przyrządami i narzędziami chirurgicznymi tag do powierzchni metalowych UHF RAIN RFID LXTBKZMCMG-010 wykorzystuje metalową powierzchnię jako antenę wzmacniającą, aby zwiększyć zasięg odczytu do 150cm. Tag LXTBKZMCMG-010 działa w całym paśmie częstotliwości UHF, mierzy zaledwie 6,0 x 2,0 x 2,3mm, a jego zakres temperatur roboczych wynosi od -40 do +85°C. Jest zgodny z protokołami EPC global Gen2 (v2) i RAIN RFID.

Przepisy w USA wymagają umieszczania na każdym narzędziu chirurgicznym unikalnego identyfikatora urządzenia (UDI). Podobnie jak EPC, przepisy UDI mają na celu wspieranie bezpiecznego użytkowania i przechowywania sprzętu medycznego. Systemy UDI mogą być stosowane z wieloma rodzajami sprzętu medycznego, choć są szczególnie ważne w przypadku narzędzi chirurgicznych, które mogą zostać błędnie dobrane do zabiegu. Przewiduje się, że w przyszłości w Europie na narzędziach chirurgicznych także będą wymagane tagi UDI. Jeśli chodzi o narzędzia chirurgiczne, dotyczą ich nie tylko wyzwania logistyczne, ale także ich konfiguracja jest czasochłonna i podatna na błędy, nawet przez doświadczone osoby.

Ilustracja 5: metalowe powierzchnie narzędzi i przyrządów chirurgicznych są wykorzystywane przez tag do powierzchni metalowych RFID UHF RAIN RFID LXTBKZMCMG-010 firmy Murata jako antena wzmacniająca w celu zwiększenia zasięgu odczytu. (Źródło ilustracji: Murata)

Układ scalony nadajniko-odbiornika LF RFID i płytka ewaluacyjna

W rozwiązaniach logistycznych, dla których zastosowanie nadajniko-odbiornika LF RFID może przynieść korzyści, można wykorzystać jednoukładowy nadajniko-odbiornik RFID 125kHz MLX90109 firmy Melexis. Nadajniko-odbiornik MLX90109 łączy minimalne koszty układu i minimalne zużycie energii w bardzo elastycznym urządzeniu. Częstotliwość nośna czytnika i częstotliwość oscylatora są określane przez zewnętrzną cewkę i kondensator połączone w równoległy obwód rezonansowy, co eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznego oscylatora i zapobiega efektom zerowej modulacji dzięki doskonałemu dostrojeniu anteny. W najprostszym wdrożeniu niezdekodowany sygnał transpondera może być przesyłany przez interfejs jednoprzewodowy. Opcjonalnie nadajniko-odbiornik MLX90109 może dekodować sygnał transpondera w układzie mikroelektronicznym i udostępniać zdekodowany sygnał za pośrednictwem 2-przewodowego interfejsu z zegarem i danymi. Charakterystyka urządzenia MLKX90109:

• Wysoce zintegrowane rozwiązanie w obudowie SO8
• Zewnętrzny kwarcowy komponent referencyjny nie jest potrzebny - tylko dwa rezystory plus antena
• Dekodowanie w układzie mikroelektronicznym ułatwia obsługę i szybkie projektowanie systemu
• Otwartodrenowe wyjścia danych i zegara umożliwiają 2-przewodową komunikację szeregową

Płytka ewaluacyjna EVB90109 firmy Melexis pozwala projektantom na ewaluację działania układu scalonego MLX90109 (ilustracja 6). Przyspiesza ona również prace rozwojowe nad kompaktowymi i ekonomicznymi rozwiązaniami RFID. Wszystkie styki płytki ewaluacyjnej MLX90109 są dostępne w gnieździe typu DIL (dual in-line), co ułatwia podłączenie do zewnętrznego mikrokontrolera. Płytka ewaluacyjna EVB90109 może być używana do odczytu danych z transpondera lub do wysyłania informacji do transpondera przy użyciu modulacji kluczowania włącz-wyłącz. Obwód „szybkiego opadania” zewnętrznego tranzystora i diody połączonej równolegle z anteną obsługuje szybkie działanie protokołu.

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna EVB90109 pozwala projektantom na ewaluację działania układu scalonego MLX90109. (Źródło ilustracji: Melexis)

Podsumowanie

Tagi RFID są coraz częściej wykorzystywane w zastosowaniach śledzenia w logistyce. Dzięki różnorodności dostępnych technologii tagów RFID, różnych pasm częstotliwości, architektur zasilania oraz protokołów komunikacyjnych i danych, dostępne tagi pozwalają zaspokoić szeroki zakres potrzeb śledzenia w logistyce. W przypadku niektórych technologii RFID jedna osoba może jednocześnie odczytać na odległość setki tagów RFID, co przyspiesza proces zarządzania zapasami. W przypadku narzędzi chirurgicznych zastosowanie tagów RFID może wyeliminować jedno źródło błędów ludzkich i zwiększyć bezpieczeństwo operacji. Tagi RFID UHF i NFC to najpopularniejsze formy technologii RFID w rozwiązaniach logistycznych, natomiast tagi LF 125kHz przydają się do opracowywania tanich i prostych projektów z minimalną ilością komponentów zewnętrznych.