Sådan implementeres de seneste RFID-fremskridt i applikationer til logistiksporing

Logistik- og forsyningskædeforvaltning anvender i stigende grad RFID-teknologi til at skabe synlighed i realtid i forhold til materialers og varers placering og mængder. Brugen af RFID-tags kan fremskynde lagerstyringsprocessen, reducere mulighederne for menneskelige fejl og hjælpe med at reducere svind i lageret. RFID-tags behøver ikke nødvendigvis at være synlige for at blive læst og kan læses, mens tagget befinder sig i en kasse eller et andet kabinet. Desuden kan én person læse hundredvis af RFID-tags på én gang på afstand.

Designere skal vælge mellem RFID-tag arkitekturer og dataformater, og de har brug for kompakte og præcise RFID-læsere. Tags og læsere skal muligvis også opfylde kravene i den elektroniske produktkode (EPC) UHF Gen2v2-teknologistandard og RAIN RFID-dataformatet.

I denne artikel gennemgår vi RFID-teknologier, herunder aktive og passive tags, og muligheden for at forbedre passive tags ydeevne ved at tilføje energihøst. Artiklen opsummerer de forskellige industristandarder, som designere skal være opmærksomme på, når de implementerer RFID-baserede systemer til logistiksporing, og afslutter med en præsentation af RFID-tags og læsere fra STMicroelectronics, Murata Electronics og Melexis Technologies samt evalueringsplatforme, der fremskynder designet af RFID-logistikløsninger.

RFID-platforme kan kategoriseres på flere måder, f.eks. efter frekvensbånd, strømforsyningsarkitektur og datakommunikationsformater. Der findes tre primære frekvensbånd: Lavfrekvens (LF), højfrekvens (HF) og ultrahøjfrekvens (UHF). LF-båndet dækker 30 til 300 kHz, og de fleste LF-tags opererer ved 125 kHz. LF-tags har en kortere læseafstand på ca. 10 til 30 cm og langsommere læsehastigheder end højfrekvente tags, men er relativt mindre følsomme over for elektromagnetisk interferens (EMI). De bruges til identifikation af kabler, kirurgiske instrumenter, sporing af medicinsk udstyr og vedligeholdelse af værktøjsbeholdninger.

NFC-tags (Near Field Communication) er en delmængde af HF RFID. Alle NFC-tags opererer i HF-båndet, men ikke alle tags i HF-båndet anvender NFC-protokoller (figur 1). NFC-tags er generelt begrænset til en transmissionsafstand på få centimeters, mens andre HF-tags kan transmittere op til 30 cm. Desuden er NFC-tags kun specificeret til drift ved 13,56 megahertz (MHz). Alle RFID-tag frekvenser anvendes i logistikapplikationer, men UHF RFID-tags kaldes undertiden for "supply chain"-tags på grund af deres kombination af længere læseafstand, hurtigere læsehastighed og tilgængeligheden af dataformater, der er optimeret til logistikapplikationer.

Figur 1: NFC-tags er en delmængde af LF RFID-teknologien og fungerer typisk ved 125 kHz. (Billedkilde: STMicroelectronics)

RFID-tags kan kategoriseres efter deres strømarkitektur:

• Aktive tags har et batteri og kan sende periodisk, uden at de bliver spurgt, og de kan have en læseafstand på op til 100 meter.
• Passive tags skal polles af en læser. Energien fra læserens RF-signal tænder og forsyner taggen med strøm og reflekterer oplysninger tilbage til læseren.
• energihøst-tags er en form for passivt tag, der kan opsamle den RF-energi, der sendes af læseren, og bruge den opsamlede energi til at drive yderligere systemkomponenter.
• Semi-passive tags, også kaldet batteriassisterede tags, indeholder et batteri, men fungerer som et passivt tag og sender kun data, når de bliver spurgt af en læser.

Passive tags, herunder UHF- og NFC-designs, er de mest almindelige former for RFID i logistikløsninger. Aktive tags er meget dyrere og bruges typisk til at spore aktiver af høj værdi i bygge-, transport- og sundhedssektoren. Semi-passive tags, især dem, der anvender NFC-teknologi, findes kun i specifikke applikationer som f.eks. mobiltelefoner.

ISO/IEC 14443- og ISO/IEC 15693-standarderne sikrer interoperabilitet mellem NFC-aktiverede enheder. NFC-driften er baseret på induktiv kobling og er følsom over for antennens orientering (figur 2). En NFC-enhed kan være en passiv konstruktion, der drives af det RF-felt, der genereres af en anden NFC-enhed, eller en semi-passiv konstruktion med en batteristrømkilde. NFC-tags er i sagens natur mere sikre på grund af deres korte transmissionsrækkevidde. Desuden skal NFC-tags læses én ad gangen, mens andre RFID-teknologier som f.eks. UHF-tags understøtter samtidig læsning af et stort antal tags. Sammenlignet med andre LF RFID-teknologier kan NFC-tags lagre og sende større mængder information, hvilket øger deres anvendelighed i logistikanvendelser. Et dynamisk NFC RFID-tag er et tag med dobbelt interface, hurtig overførsel, energihøst-tag med konfigurerbare afbrydelser, RF-styring og driftsformer med lavt strømforbrug.

Figur 2: Det er nødvendigt med en korrekt antenneorientering for at muliggøre den induktive kobling, som NFC-enhederne kræver. (Billedkilde: STMicroelectronics)

RAIN og EPC til logistikstyring

Brugen af ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2-protokollen fremmes af RAIN (RAdio frequency Identification) RFID-alliancen. RAIN-teknologien blev udviklet til at forbinde UHF RFID-tags til cloud'en via internettet. RAIN's EPC gen 2v2 er en protokol for passive RFID-tags og understøtter sikkerhed og privatlivets fred ved at autentificere tags og læsere. RAIN har ændret ISO-nummereringssystemet for at forenkle brugen af virksomhedsidentifikationsnumre.

Den universelle EPC-identifikationsstandard for fysiske genstande er udviklet af EPCglobal, et joint venture mellem GS1 US (tidligere Uniform Code Council, Inc.) og GS1 (tidligere EAN International). EPC er blevet vedtaget som ISO 18000-6C-standard. Den standardiserer, hvordan læsere og tags kommunikerer, og hvordan EPC-data deles mellem brugere. EPC er et identifikations- og dataformat, mens RFID er en RF-bærerteknologi.

Dynamiske NFC-tags

For logistikløsninger, der kan drage fordel af dynamiske NFC-tags, kan designere henvende sig til ST25DVxxKC-familien fra STMicroelectronics. Enhederne i denne familie har 4 Kbit, 16 Kbit og 64 Kbit elektrisk sletbar programmerbar hukommelse (EEPROM). ST25DV04KC er f.eks. en 4 Kbit-enhed. Alle ST25DVVxxKC-enheder bruger ISO/IEC 15693 NFC-protokollen og har to interfaces. Den serielle I²C-forbindelse kan drives fra en DC-kilde som f.eks. et batteri. RF-forbindelsen aktiveres, når den modtagne bærers RF-energi forsyner enheden med strøm. Disse tags omfatter også en energihøst-funktion til at forsyne eksterne komponenter med strøm (figur 3). Denne analoge udgang (V_EH) leverer den analoge spænding V_EH, der er tilgængelig, når energihøst-tilstanden er aktiveret, og når RF-feltstyrken er tilstrækkelig. Energihøst udgangsspænding er ikke reguleret.

Figur 3: ST25DVxxKC-enheder anvender ISO/IEC 15693 NFC-protokollen (blokken i midten), en I2C-interface (nederst til højre) og mulighed for energihøst (i blokkene Analog Front End og Digital Unit Control). (Billedkilde: STMicroelectronics)

NFC-læser evalueringskort

X-NUCLEO-NFC03A1 fra STMicroelectronics er et NFC-kortlæser evalueringskort baseret på ST25R95-VMD5T, der kan fremskynde udviklingen af RFID-løsninger (Figur 4). ST25R95-VMD5T styrer rammekodning og -afkodning til standardapplikationer som f.eks. NFC. X-NUCLEO-NFC03A1 understøtter ISO/IEC 14443 Type A og B, ISO/IEC 18092 og ISO/IEC 15693 (enkelt eller dobbelt subcarrier) protokoller. Den kan registrere, læse og skrive ved hjælp af NFC Forum Type 1, 2, 3 og 4 tags. Desuden er dette evalueringskort ben-kompatibelt med ST Arduino™ UNO R3-konnektoren.

Figur 4: X-NUCLEO-NFC03A1 kortlæser evalueringskortet giver mulighed for udvidelse af STM32 Nucleo-kort til NFC med understøttelse af nærheds- og nærhedsstandarder. (Billedkilde: STMicroelectronics)

RFID på metaloverflader

Murata's LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID-tag på metal, der er designet til brug på kirurgiske instrumenter og værktøjer, bruger metaloverfladen som en booster-antenne for at øge læseområdet op til 150 cm. LXTBKZMCMG-010 fungerer i hele UHF-frekvensbåndet, måler kun 6,0 x 2,0 x 2,3 mm og har et driftstemperaturområde på -40 til +85 °C. Den er i overensstemmelse med EPC global Gen2 (v2) og RAIN RFID-protokollerne.

De amerikanske regler kræver, at der skal anbringes en unik udstyrsidentifikation (UDI) på hvert kirurgisk værktøj. Ligesom EPC'er er UDI-bestemmelserne udformet med henblik på at støtte sikker brug og opbevaring af medicinsk udstyr. UDI-systemer gælder for mange typer medicinsk udstyr, men er især vigtige for kirurgiske instrumenter, hvor der er en betydelig risiko for at forberede forkerte instrumenter til en procedure. Europa forventes også at kræve UDI'er på kirurgisk værktøj i fremtiden. Ud over de logistiske udfordringer i forbindelse med kirurgisk værktøj er opsætning af kirurgisk værktøj tidskrævende og udsat for fejl, selv for erfarne personer.

Figur 5: Metaloverfladerne på kirurgiske instrumenter og værktøjer bruges af Muratas LXTBKZZMCMG-010 UHF RAIN RFID-tag på metal som en booster-antenne for at øge læseområdet. (Billedkilde: Murata)

LF RFID-transceiver IC og evalueringskort

Logistikløsninger, der kan drage fordel af en LF RFID-transceiver, kan henvende sig til MLX90109 single-chip 125 kHz RFID-transceiveren fra Melexis. MLX90109 kombinerer minimale systemomkostninger og et minimalt strømforbrug i en meget fleksibel enhed. Læserens bærefrekvens og oscillatorfrekvens bestemmes med en ekstern spole og kondensator, der er forbundet som et parallelt resonanskredsløb, hvilket eliminerer behovet for en ekstern oscillator og forhindrer nul-modulationseffekter med perfekt antenneafstemning. Det ikke-afkodede transpondersignal kan overføres via en enkelttråds-interface i den enkleste implementering. Muligvis kan MLX90109 afkode transpondersignalet on-chip og dele det afkodede signal via en 2-tråds interface med clock og dataene. MLKX90109 har bl.a. følgende funktioner:

• Meget integreret løsning i en SO8-pakke
• Ekstern kvartsreference er ikke nødvendig; kun to modstande plus antenne
• On-chip-afkodning understøtter brugervenlighed og hurtig systemdesign
• Clock og open-drain dataudgange muliggør 2-wire seriel kommunikation

Melexis' EVB90109 giver designere mulighed for at evaluere MLX90109-IC'ens ydeevne (figur 6). Det fremskynder også udviklingen af kompakte og omkostningseffektive RFID-applikationer. Alle ben på MLX90109 evalueringskort er tilgængelige på en DIL-sokkel (dual in-line) for nem tilslutning til en ekstern mikrocontroller. EVB90109 kan bruges til at læse data fra en transponder, eller den kan bruges til at sende oplysninger til en transponder ved hjælp af on/off-tastemodulation. Kredsløbet med "hurtig nedbrydning" bestående af en ekstern transistor og en parallel diode på antennen understøtter hurtig protokolfunktion.

Figur 6: Designere kan måle MLX90109-IC'ets ydeevne ved hjælp af EVB90109-evalueringskort. (Billedkilde: Melexis)

Sammenfatning

RFID-tags anvendes i stigende grad til logistiksporing. De mange forskellige tilgængelige RFID-tagteknologier, herunder forskellige frekvensbånd, strømforsyningsarkitekturer og kommunikations- og dataprotokoller, betyder, at der findes tags, som kan opfylde en lang række behov for logistiksporing. Med nogle RFID-teknologier kan én person læse hundredvis af RFID-tags på én gang fra en afstand, hvilket fremskynder lagerstyringsprocessen. I forbindelse med kirurgiske instrumenter kan brugen af RFID-tags fjerne en kilde til menneskelige fejl og gøre operationer mere sikre. UHF- og NFC RFID-tags er de mest almindelige former for RFID i logistikløsninger, men LF 125 kHz-tags kan understøtte billige og enkle designs med et minimum af eksterne komponenter.