A legújabb RFID-fejlesztések alkalmazása logisztikai nyomon követési feladatokhoz

A logisztika és az ellátási lánc menedzsment szakemberei egyre inkább a rádiófrekvenciás azonosítási (RFID) technológia felé fordulnak, hogy valós idejű rálátásuk legyen az anyagok és tételek helyéről és mennyiségéről. Az RFID-címkék használata felgyorsíthatja a készletgazdálkodási folyamatot, csökkentheti az emberi hiba lehetőségét, és segíthet a készletveszteség mérséklésében. Az RFID-címkéknek nem kell feltétlenül láthatónak lenniük ahhoz, hogy olvashatók legyenek, és a címkék akkor is leolvashatók, amikor egy dobozban vagy más burkolaton belül vannak. Ezenkívül egy személy egyszerre több száz RFID-címkét is le tud olvasni távolból.

A tervezőknek ki kell választaniuk az RFID-címkék számára rendelkezésre álló tápellátási architektúrák és adatformátumok közül a megfelelőt, valamint kompakt és pontos RFID-olvasókra van szükségük. A címkéknek és olvasóknak meg kell felelniük az elektronikus termékkódokra (EPC) vonatkozó UHF Gen2v2 technológiai szabvány követelményeinek, és igazodniuk kell a RAIN RFID adatformátumhoz is.

Ez a cikk az RFID-technológiákat tekinti át, beleértve az aktív és a passzív címkéket, valamint a passzív címkék működésbeli javításának lehetőségét energiagyűjtés alkalmazásával. Összefoglalja a különböző iparági szabványokat, amelyeket a tervezőknek ismerniük kell az RFID-alapú logisztikai nyomkövető rendszerek bevezetésekor, majd az STMicroelectronics, a Murata Electronics és a Melexis Technologies által kínált RFID-címkék és olvasók, valamint az RFID-re épülő logisztikai megoldások tervezését felgyorsító kiértékelő platformok bemutatásával zárul.

Az RFID-platformok többféleképpen kategorizálhatók – a működési frekvenciasávok, a tápellátási architektúra és az adatkommunikációs formátumok alapján. Három fő működési frekvenciasáv létezik: az alacsony (LF), a magas (HF) és az ultramagas (UHF) frekvenciasáv. Az LF-sáv 30 és 300 kHz közötti tartományt fed le, és a legtöbb LF-címke 125 kHz-en működik. Az LF címkék rövid hatótávolságból (körülbelül 10-30 centiméterről) és lassabban is olvashatók, mint a magasabb frekvenciájú címkék, az elektromágneses interferenciára (EMI) viszont viszonylag kevésbé érzékenyek. Kábelazonosításra, sebészeti eszközök, orvosi berendezések nyomon követésére és szerszámkészletek karbantartására használják őket.

Az NFC (Near Field Communication, rövid hatótávú kommunikációs) címkék az alacsony frekvenciás (LF) RFID címkék egyik alcsoportja. Az NFC címkék mindegyike a HF-sávban működik, de nem minden HF-sávban működő címke használ NFC protokollt (1. ábra). Az NFC címkéknél az átviteli távolság általában néhány centiméterre korlátozódik, míg más HF-címkék esetében az akár 30 cm-es átviteli távolság is megvalósítható. Ezenkívül az NFC-címkéket csak a 13,56 MHz-es frekvencián való működésre tervezték. Bár a logisztikai alkalmazásokban minden típusú RFID címkefrekvenciát használnak, az UHF RFID címkéket néha az „ellátási lánc címkéinek” is nevezik, mivel nagyobb olvasási hatótávolságot, gyorsabb olvasási sebességet és logisztikai alkalmazásokra optimalizált adatformátumokat kínálnak.

1. ábra: Az NFC címkék az LF RFID technológia egyik alcsoportját képezik, és jellemzően 125 kHz-es frekvencián működnek (kép: STMicroelectronics)

Az RFID címkék a tápellátási architektúrájuk szerint is kategorizálhatók:

• Az aktív címkék rendelkeznek egy akkumulátorral (elemmel), és időszakosan, lekérdezés nélkül tudnak sugározni, valamint akár 100 méteres távolságból is olvashatók.
• A passzív címkéket egy olvasónak kell lekérdeznie. Az olvasó rádiófrekvenciás jelének energiája bekapcsolja és ellátja energiával a címkét, amely visszaküldi az információt az olvasóhoz.
• Az energiagyűjtő címkék olyan passzív címkék, amelyek képesek az olvasó által küldött rádiófrekvenciás jel energiáját elfogni és a begyűjtött energiát más rendszerelemek táplálására hasznosítani.
• A félpasszív címkék (vagy akkumulátor-rásegítéses címkék) rendelkeznek egy elemmel, de ugyanúgy működnek, mint a passzív címkék, és csak akkor küldenek adatokat, ha egy olvasó lekérdezi őket.

Logisztikai megoldásokban az RFID tekintetében legelterjedtebben a passzív címkéket használják, beleértve az UHF-s és az NFC-s kialakításokat. Az aktív címkék sokkal drágábbak, és ezeket jellemzően nagy értékű eszközök nyomon követésére használják az építőiparban, a szállítmányozásban és az egészségügyben. Félpasszív címkékkel, főként az NFC technológiát használókkal, csak speciális alkalmazásokban, például mobiltelefonoknál találkozhatunk.

Az ISO/IEC 14443 és az ISO/IEC 15693 szabványoknak köszönhetően az NFC-kompatibilis eszközök interoperabilitása biztosított. Az NFC címkék működése induktív csatoláson alapul, amit az antenna tájolása érzékenyen befolyásol (2. ábra). Az NFC-eszközök lehetnek egy másik NFC-eszköz által generált RF-mezőből táplálkozó passzív kialakításúak, vagy félpasszívak, akkumulátoros áramforrással. Rövid átviteli hatótávolságuk miatt az NFC címkék eleve biztonságosabbak. Ezenkívül az NFC címkéket egyenként kell leolvasni, míg más RFID-technológiáknál, például az UHF címkéknél, nagyszámú címke egyidejű leolvasása is támogatott. Más LF RFID-technológiákkal összehasonlítva az NFC címkék nagyobb mennyiségű információt képesek tárolni és továbbítani, ami növeli hasznosságukat a logisztikai alkalmazásokban. A dinamikus NFC RFID címkék két interfészes, gyors átvitelű, energiagyűjtő címkék, amelyek konfigurálható megszakításokkal, rádióhullám-kezelési képességekkel és alacsony energiafelhasználású üzemmódokkal rendelkeznek.

2. ábra: Az NFC-eszközök működéséhez megkövetelt induktív csatoláshoz megfelelően tájolt antennára van szükség (kép: STMicroelectronics)

RAIN és EPC szabványok logisztikai irányításhoz

Az ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 protokoll használatának bevezetése mögött a RAIN (RAdio frequency Identification) RFID szövetség áll. A RAIN technológiát arra fejlesztették ki, hogy az UHF RFID címkéket az internet segítségével összekapcsolják a felhővel. A RAIN EPC gen 2v2 a passzív RFID címkék számára kifejlesztett protokoll, amely biztonságot és megfelelő adatvédelmet nyújt a címkék és az olvasók hitelesítésével. A RAIN módosította az ISO számozási rendszert a cégazonosító számok használatának egyszerűsítése érdekében.

A fizikai tárgyakra vonatkozó univerzális EPC azonosító szabványt az EPCglobal néven egyesült GS1 US (korábban Uniform Code Council, Inc.) és GS1 (korábban EAN International) társaságok fejlesztették ki. Az EPC-t az ISO 18000-6C szabványként fogadták el, mely szabványosítja az olvasók és a címkék kommunikációját, valamint az EPC-adatok felhasználók közötti megosztását. Az EPC egy azonosító és adatformátum, míg az RFID az információk hordozására használt technológia.

Dinamikus NFC címkék

A dinamikus NFC címkék előnyeit kihasználó logisztikai megoldásokhoz a tervezők számára rendelkezésre áll az STMicroelectronics ST25DVxxKC családja. Az ide tartozó eszközök 4 kbit, 16 kbit és 64 kbit elektromosan törölhető programozható memóriát (EEPROM) kínálnak. Az ST25DV04KC például egy 4 kbit-es eszköz. Minden ST25DVxxKC eszköz működése az ISO/IEC 15693 NFC protokoll használatán alapul, és mindegyikük két interfésszel rendelkezik. Az I2C soros kapcsolat egyenáramú áramforrásról, például akkumulátorról is működtethető. Az RF-kapcsolat akkor aktiválódik, amikor a fogadott rádióhullámú hordozó jel energiájának hasznosításával az eszköz saját maga számára áramot generál. Ezek a címkék energiagyűjtő képességgel is rendelkeznek külső alkatrészek energiaellátásához (3. ábra). Ez az analóg kimenet (V_EH) szolgáltatja a V_EH analóg feszültséget, amely akkor áll rendelkezésre, ha az energiagyűjtési üzemmód engedélyezve van, és ha az RF-mező erőssége elegendő. Az energiagyűjtési feszültség-kimenet nem szabályozott.

3. ábra: Az ST25DVxxKC eszközök az ISO/IEC 15693 NFC protokollt használják (középső blokk), rendelkeznek egy I2C interfésszel (jobbra lent), valamint energiagyűjtési képességgel (Analog Front End és Digital Unit Control blokkok) (kép: STMicroelectronics)

NFC-olvasó fejlesztőpanel

Az STMicroelectronics X-NUCLEO-NFC03A1 jelű eszköze az ST25R95-VMD5T-n alapuló NFC kártyaolvasókhoz készült fejlesztői kártya, amely felgyorsíthatja az RFID-megoldások kifejlesztését (4. ábra). Az ST25R95-VMD5T kezeli a keretek kódolását és dekódolását a szabványos alkalmazásoknál, például az NFC-nél. Az X-NUCLEO-NFC03A1 támogatja az ISO/IEC 14443 Type A és Type B, az ISO/IEC 18092 és az ISO/IEC 15693 (egy vagy két segédhordozós) protokollokat. Képes a Forum 1, 2, 3 és 4 típusú NFC címkék felismerésére, olvasására és írására. Ezenkívül ez a fejlesztői kártya kompatibilis az ST Arduino™ UNO R3 paneleken lévő csatlakozók lábkiosztásával.

4. ábra: Az X-NUCLEO-NFC03A1 kártyaolvasói fejlesztői kártya segítségével az STM32 Nucleo kártyák NFC-s alkalmazásra is kibővíthetők, közelségi szabványok támogatásával (kép: STMicroelectronics)

Fémfelületek hasznosítása RFID-hez

A Murata sebészeti eszközökkel és fémszerszámokkal való használatra tervezett LXTBKZMCMG-010 jelű, fémekre helyezhető UHF RAIN RFID címkéje a fémfelületet használja erősítő antennaként az olvasási hatótávnak akár 150 cm-re történő megnövelésére. Az LXTBKZMCMG-010 a teljes UHF frekvenciasávban működik, mindössze 6,0 x 2,0 x 2,3 mm méretű, és üzemi hőmérséklettartománya -40 és +85 °C között van. Megfelel az EPC global Gen2 (v2) és a RAIN RFID protokolloknak.

Az amerikai szabályozás előírja, hogy minden sebészeti eszközön egyedi eszközazonosítót (UDI) kell elhelyezni. Az EPC-khez hasonlóan az UDI-kre vonatkozó előírásoknak is az a célja, hogy elősegítse az orvosi berendezések biztonságos használatát és tárolását. Számos különböző orvosi felszerelésnél használnak UDI-rendszereket, de különösen fontosak ezek a sebészeti eszközök esetében, ahol jelentős kockázati tényező az, hogy nem a megfelelő eszközöket készítik elő egy adott beavatkozáshoz. A sebészeti eszközök UDI-jelölését a jövőben várhatóan az európai szabályozás is meg fogja követelni. A sebészeti eszközökkel kapcsolatos logisztikai kihívások mellett az ezen eszközök előkészítése és elrendezése is időigényes és hibalehetőségekkel teli feladat, még tapasztalt személyek számára is.

5. ábra: A Murata LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID címkéi booster antennaként használják a sebészeti eszközök és a szerszámok fémfelületeit az olvasási hatótáv növelése érdekében (kép: Murata)

LF RFID adó-vevő IC és fejlesztői kártya

Az olyan logisztikai megoldásoknál, amelyeknél hasznos lehet egy LF RFID adó-vevő, felhasználható a Melexis MLX90109 jelű egychipes, 125 kHz-es RFID adó-vevője. Az MLX90109 a minimális rendszerköltséget és energiafogyasztást egyesíti egy rendkívül rugalmas eszközben. Az olvasó vivőfrekvenciáját és az oszcillátor frekvenciáját egy párhuzamosan kapcsolt, külső rezonáns áramkört alkotó tekercs és kondenzátor határozza meg, így nincs szükség külső oszcillátorra, és a tökéletes antennahangolásnak köszönhetően elkerülhető az olvasói részen „nulla modulációnak” érzékelt hatás. A nem dekódolt válaszjeladói jelek a legegyszerűbb megvalósításkor egyvezetékes interfészen keresztül továbbíthatók. Opcionálisan az MLX90109 képes chipen belül dekódolni a válaszjeladó jelét, és a dekódolt jelet továbbítani egy kétvezetékes interfészen keresztül az órajelekkel és adatokkal együtt. Az MLKX90109 főbb jellemzői:

• magasan integrált megoldás SO8 tokozásban;
• nincs szükség külső kvarc oszcillátorra, csak két ellenállásra és egy antennára;
• egyszerű használat és gyors rendszertervezés a chipen belüli dekódolásnak köszönhetően;
• lehetőség 2 vezetékes soros kommunikációra a nyitott draines órajel- és adat-kimeneteknek köszönhetően.

A Melexis EVB90109 jelű eszközével a tervezők kiértékelhetik az MLX90109 IC működését (6. ábra), amely emellett felgyorsítja a kompakt és költséghatékony RFID-alkalmazások fejlesztését. Az MLX90109 fejlesztői kártya minden érintkezője megközelíthető egy dual in-line (DIL) aljzaton keresztül, így egyszerűen csatlakoztatható külső mikrovezérlőkhöz. Az EVB90109 felhasználható egy válaszjeladó által küldött adatok olvasására, vagy információk küldésére válaszjeladókhoz ON-OFF modulációval. Egy külső tranzisztorból és egy diódából álló, az antennával párhuzamosan kapcsolt „gyors lefutási idejű” áramkörnek köszönhetően a protokoll képes gyorsan működni.

6. ábra: A tervezők az EVB90109 fejlesztői kártya segítségével kiértékelhetik az MLX90109 IC működését (kép: Melexis)

Összegzés

Az RFID címkéket egyre fokozottabban használják a logisztikai nyomon követési alkalmazásokban. Az elérhető RFID címke technológiák sokfélesége – beleértve a különböző frekvenciasávokat, a tápellátási architektúrákat, valamint a kommunikációs és adatprotokollokat – azt jelenti, hogy olyan megfelelő címkék állnak rendelkezésre, melyekkel a logisztikai nyomon követési igények széles köre kielégíthető. Egyes RFID-technológiák segítségével egyetlen személy egyszerre több száz RFID címkét olvashat le távolról, felgyorsítva ezzel a leltárkezelési folyamatot. A sebészeti eszközök esetében az RFID címkék használata kiküszöbölheti az emberi hiba általi lehetséges hibaforrást, és biztonságosabbá teheti a műtéteket. Logisztikai megoldásokban leggyakrabban az UHF és az NFC RFID címkéket használják, a 125 kHz-es LF címkékkel viszont alacsony költségű és egyszerű kialakítású, minimális külső alkatrészeket igénylő megoldások építhetők.