Slik distribuerer du de nyeste RFID-fremskrittene i konstruksjoner for logistikksporing

Logistikk og styring av forsyningskjeden går i økende grad over til RFID-teknologi (RFID – radio frequency identification) for å gi synlighet over plasseringen til og antallet materialer og varer i sanntid. Bruken av RFID-brikker kan fremskynde lagerstyringsprosessen, redusere mulighetene for menneskelige feil og bidra til å redusere lagerkrymping. RFID-brikker trenger ikke nødvendigvis være synlige for å være lesbare, så de kan leses mens brikken ligger i en boks eller en annen type innkapsling. I tillegg kan én person lese hundrevis av RFID-brikker samtidig fra en avstand.

Konstruktører må velge mellom strømarkitekturer og dataformater med RFID-brikker, og de trenger kompakte og nøyaktige RFID-lesere. Det kan også hende brikker og lesere må oppfylle kravene i den elektroniske produktkoden (EPC) UHF Gen2v2-teknologistandarden og RAIN RFID-dataformatet.

Denne artikkelen gjennomgår RFID-teknologier, som omfatter aktive og passive brikker, og muligheten til å forbedre ytelsen til passive brikker når energihøsting legges til. Den oppsummerer de ulike industristandardene som konstruktører må være oppmerksomme på når de tar i bruk RFID-baserte logistikksporingssystemer, og avslutter med å presentere RFID-brikker og leservalg fra STMicroelectronics, Murata Electronics og Melexis Technologies, samt evalueringsplattformer som kan fremskynde utviklingen av RFID-logistikkløsninger.

RFID-plattformer kan kategoriseres på flere måter: I henhold til driftsfrekvensbånd, strømforsyning til arkitektur og datakommunikasjonsformater. Det er tre primære driftsfrekvensbånd, lavfrekvent (LF), høyfrekvent (HF) og ultrahøyfrekvent (UHF). LF-båndet dekker 30 til 300 kilohertz (kHz), der de fleste LF-brikkene fungerer med 125 kHz. LF-brikker har et kortere avlesningsområde på ca. 10 til 30 centimeter (cm) og langsommere avlesningshastigheter sammenlignet med brikker som bruker høyere frekvenser, men de er relativt sett mindre følsomme for elektromagnetisk interferens (EMI). De brukes til kabelidentifikasjon, kirurgiske instrumenter, sporing av medisinsk utstyr og vedlikehold av verktøyinventar.

Nærfeltkommunikasjon-brikker (NFC – near field communication) er et undersett av HF RFID. Alle NFC-brikker fungerer i HF-båndet, men ikke alle brikker i HF-båndet bruker NFC-protokoller (figur 1). NFC-brikker er vanligvis begrenset til en overføringsavstand på noen få centimeter (cm), mens andre HF-brikkekonstruksjoner kan overføre opptil 30 cm. I tillegg kan NFC-brikker kun spesifiseres for drift på 13,56 megahertz (MHz). Selv om alle RFID-brikkefrekvenser brukes for logistikkonstruksjoner, blir UHF RFID-brikker noen ganger referert til som «forsyningskjede»-brikker på grunn av kombinasjonen av større avlesningsområder, raskere avlesningshastigheter og tilgjengeligheten av dataformater optimalisert for logistikkonstruksjoner.

Figur 1: NFC-brikker er et undersett av LF RFID-teknologien og fungerer vanligvis på 125 kHz. (Bildekilde: STMicroelectronics)

RFID-brikker kan kategoriseres i henhold til strømarkitektur:

• Aktive brikker har et batteri, og de kan med jevne mellomrom sende uten avspørring (polling), og de kan ha avlesningsområder på opptil 100 meter.
• Passive brikker må avspørres av en leser. Energien fra leserens RF-signal slår på og strømsetter brikken, og reflekterer informasjon tilbake til leseren.
• Energihøstingsbrikker er en type passiv brikke som kan fange opp RF-energien som sendes ut av leseren og bruke denne høstede energien til å drive ekstra systemkomponenter.
• Semipassive brikker, også kalt batteriassisterte brikker, inkluderer et batteri, men de fungerer som en passiv brikke og overfører bare data når de avspørres av en leser.

Passive brikker, inkludert UHF og NFC, er de vanligste typene RFID i logistikkløsninger. Aktive brikker er mye dyrere og brukes vanligvis til å spore verdifulle eiendeler i bygge-, transport- og helsebransjen. Semipassive brikker, spesielt de som bruker NFC-teknologi, brukes bare til bestemte bruksområder, for eksempel mobiltelefoner.

ISO/IEC 14443- og ISO/IEC 15693-standardene sikrer driftskompatibilitet mellom NFC-aktiverte enheter. NFC-drift er basert på induktiv kopling og er følsom for antenneorientering (figur 2). En NFC-enhet kan ha en passiv konstruksjon som drives av RF-feltet som genereres av en annen NFC-enhet eller en semipassiv konstruksjon med en batteristrømkilde. På grunn av de korte overføringsområdene har NFC-brikkene en iboende sikkerhet. I tillegg må NFC-koder avleses én av gangen, mens andre RFID-teknologier som UHF-koder støtter avlesing av et stort antall koder samtidig. Sammenlignet med andre LF RFID-teknologier, kan NFC-koder lagre og overføre større mengder informasjon, noe som forbedrer nytten deres i logistikkonstruksjoner. En dynamisk NFC RFID-brikke er et dobbelt grensesnitt med rask overføring, energihøsting med konfigurerbare avbrudd, RF-styring og driftsmoduser med lavt strømforbruk.

Figur 2: Riktig antenneorientering er nødvendig for å aktivere den induktive koplingen som kreves av NFC-enheter. (Bildekilde: STMicroelectronics)

RAIN og EPC for logistikkstyring

Bruken av ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2-protokollen fremmes av RFID-alliansen RAIN. RAIN-teknologien ble utviklet for å forbinde UHF RFID-brikker med skyen via Internett. RAIN sin EPC gen 2v2-protokoll er for passive RFID-brikker, og den støtter sikkerhet og personvern ved å autentisere brikker og lesere. RAIN har endret ISO-nummereringssystemet for å forenkle bruken av bedriftsidentifikasjonsnumre.

EPC-standarden for universelle identifikatorer for fysiske objekter ble utviklet av EPCglobal, et fellesforetak fra GS1 US (tidligere Uniform Code Council, Inc.) og GS1 (tidligere EAN International). EPC er innført som ISO 18000-6C-standarden. Den standardiserer hvordan lesere og brikker kommuniserer og hvordan EPC-data deles mellom brukere. EPC er en identifikator og et dataformat, mens RFID er RF-bærerteknologien.

Dynamiske NFC-brikker

For logistikkløsninger som kan dra nytte av dynamiske NFC-brikker, kan konstruktører bruke ST25DVxxKC-familien fra STMicroelectronics. Enheter i denne familien tilbyr 4 kilobits (kb), 16 kb og 64 kb elektrisk slettbart programmerbart minne (EEPROM – electrically erasable programmable memory). For eksempel er ST25DV04KC en 4 kb enhet. Alle ST25DVxxKC-enheter bruker ISO/IEC 15693 NFC-protokollen og har to grensesnitt. I2C-seriekoblingen kan betjenes fra en likestrømskilde, for eksempel et batteri. RF-koblingen aktiveres når RF-energien til den mottatte bæreren driver enheten. Disse brikkene omfatter også energihøsting som kan drive eksterne komponenter (figur 3). Denne analoge utgangen (V_EH) leverer den analoge spenningen V_EH som er tilgjengelig når energihøstingsmodusen er aktivert og når RF-feltstyrken er tilstrekkelig. Spenningsutgangen for energihøsting er ikke regulert.

Figur 3: ST25DVxxKC-enheter bruker ISO/IEC 15693 NFC-protokollen (midtre blokk), et I2C-grensesnitt (nederst til høyre) og energihøstingskapasitet (i blokkene Analog Front End og Digital Unit Control). (Bildekilde: STMicroelectronics)

Evalueringskort for NFC-leser

X-NUCLEO-NFC03A1 fra STMicroelectronics er et evalueringskort for NFC-kortlesere basert på ST25R95-VMD5T, som kan fremskynde utviklingen av RFID-løsninger (figur 4). ST25R95-VMD5T håndterer rammekoding og -dekoding for standardkonstruksjoner som NFC. X-NUCLEO-NFC03A1 støtter protokollene ISO/IEC 14443 Type A og B, ISO/IEC 18092 og ISO/IEC 15693 (enkel eller dobbel bibærebølge). Den kan detektere, lese og skrive ved å bruke NFC Forum Type 1-, 2-, 3- og 4-brikkene. I tillegg er dette evalueringskortet kompatibelt med ST Arduino™ UNO R3-kontaktstifttildelingen.

Figur 4: Kortleser-evalueringskortet X-NUCLEO-NFC03A1 muliggjør utvidelse av STM32 Nucleo-kortene for NFC med støtte for nærhets- og omegn-standarder. (Bildekilde: STMicroelectronics)

RFID på metalloverflater

Murata sin LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID-brikker for bruk på metall, er utviklet for å brukes på kirurgiske instrumenter og verktøy, og bruker metalloverflaten som en forsterkerantenne for å øke avlesningsområdet opp til 150 cm. LXTBKZMCMG-010 opererer over hele UHF-frekvensbåndet, måler bare 6,0 x 2,0 x 2,3 millimeter (mm) og har et driftstemperaturområde fra –40 til +85 °C. Dette er i samsvar med protokollene EPC Global Gen2 (v2) og RAIN RFID.

Amerikanske forskrifter krever at en unik enhetsidentifikator (UDI – unique device identifier) plasseres på alle kirurgiske verktøy. I likhet med EPC-er, er UDI-forskrifter utviklet for å støtte sikker bruk og lagring av medisinsk utstyr. UDI-systemer gjelder for mange typer medisinsk utstyr, men de er spesielt viktige med kirurgiske instrumenter der det er en betydelig risiko for å forberede feil instrumenter for en prosedyre. Det forventes også at Europa vil kreve UDI-er på kirurgiske verktøy i fremtiden. I tillegg til logistikkutfordringene knyttet til kirurgiske verktøy, er oppsettet av kirurgiske verktøy tidkrevende og utsatt for feil, selv av erfarent personell.

Figur 5: Metalloverflatene på kirurgiske instrumenter og verktøy brukes av Murata sine LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID-brikker som en forsterkerantenne for å øke avlesningsområdet. (Bildekilde: Murata)

LF RFID transceiver-IC-er og evalueringskort

Logistikkløsninger som kan dra nytte av en LF RFID-transceiver, kan bruke MLX90109 RFID-transceiveren fra Melexis på 125 kHz i én enkelt IC. MLX90109 kombinerer minimum systemkostnader og strømforbruk i en svært fleksibel enhet. Leserens bærefrekvens og oscillatorfrekvens fastsettes med en ekstern spole og kondensator koblet som en parallell resonanskrets, noe som eliminerer behovet for en ekstern oscillator og forhindrer null modulasjonsvirkning med perfekt antennejustering. Det ikke-dekodede transpondersignalet kan overføres på ett grensesnitt med én leder for å oppnå enklest mulig implementering. Alternativt kan MLX90109 dekode transpondersignalet på IC-en og dele det dekodede signalet gjennom et grensesnitt med 2 ledere med klokken og dataene. Funksjonene til MLKX90109 omfatter:

• Svært integrert løsning i en SO8-kapsling
• Ekstern kvartsreferanse er ikke nødvendig, kun to motstander pluss antenne
• Integrert dekoding er brukervennlig og støtter rask systemkonstruksjon
• Klokke- og open-drain-datautganger aktiverer seriekommunikasjon med to ledere

Med Melexis sin EVB90109 kan konstruktører evaluere ytelsen til IC-en MLX90109 (figur 6). Dette fremskynder også utviklingen av kompakte og kostnadseffektive RFID-konstruksjoner. Alle pinnene på MLX90109-evalueringskortet er tilgjengelige på en DIL-kontakt (DIL – dual in-line) som gir enkel tilkobling til en ekstern mikrokontroller. EVB90109 kan brukes til å lese data fra en transponder, eller den kan brukes til å sende informasjon til en transponder ved hjelp av på/av-kodingsmodulasjon (OOK – on/off keying). «Hurtignedbrytning»-kretsen til en ekstern transistor og diode parallelt på antennen, støtter rask protokolldrift.

Figur 6: Konstruktører kan måle ytelsen til MLX90109-IC-en ved å bruke EVB90109-evalueringskortet. (Bildekilde: Melexis)

Sammendrag

RFID-brikker brukes i økende grad i konstruksjoner for logistikksporing. Mangfoldet av tilgjengelige RFID-brikketeknologier, deriblant ulike frekvensbånd, strømforsyningsarkitekturer og kommunikasjons- og dataprotokoller, betyr at det er tilgjengelige brikker som kan dekke et bredt spekter av logistikksporingsbehov. For visse RFID-teknologier kan én person lese hundrevis av RFID-brikker samtidig fra en avstand, noe som fremskynder lagerstyringsprosessen. Når det kommer til kirurgiske instrumenter, kan bruken av RFID-brikker eliminere én kilde til menneskelige feil, noe som gjør medisinske operasjoner tryggere. UHF og NFC RFID-brikker er de vanligste typene RFID i logistikkløsninger, men LF-brikker på 125 kHz kan støtte prisgunstige og enkle konstruksjoner med et minimum av eksterne komponenter.