Cum se implementează cele mai recente progrese RFID în aplicațiile de urmărire a operațiunilor logistice

Gestionarea operațiunilor logistice și a lanțului de aprovizionare utilizează din ce în ce mai des tehnologia de identificare prin radiofrecvență (RFID) pentru a asigura vizibilitatea în timp real a locațiilor și cantităților de materiale și articole. Utilizarea etichetelor RFID poate accelera procesul de gestionare a inventarului, poate reduce posibilitățile de eroare umană și poate contribui la reducerea pierderilor de inventar. Etichetele RFID nu trebuie neapărat să fie vizibile pentru a fi citite și pot fi citite în timp ce eticheta se află în interiorul unei cutii sau al unei alte monturi. În plus, o singură persoană poate citi de la distanță sute de etichete RFID în același timp.

Proiectanții trebuie să aleagă între arhitecturile de alimentare și formatele de date ale etichetelor RFID și au nevoie de cititoare RFID compacte și precise. De asemenea, este posibil să fie necesar ca etichetele și cititoarele să îndeplinească cerințele standardului tehnologic UHF Gen2v2 ale codului electronic de produs (EPC) și ale formatului de date RAIN RFID.

Acest articol trece în revistă tehnologiile RFID, inclusiv etichetele active și pasive, precum și posibilitatea de îmbunătățire a performanțelor etichetelor pasive prin adăugarea de recoltare de energie. Acesta rezumă diferitele standarde industriale pe care proiectanții trebuie să le cunoască atunci când implementează sisteme de urmărire a operațiunilor logistice bazate pe RFID și se încheie prin prezentarea etichetelor RFID și a cititoarelor de la STMicroelectronics, Murata Electronics și Melexis Technologies, împreună cu platformele de evaluare pentru accelerarea proiectării soluțiilor logistice RFID.

Platformele RFID pot fi clasificate în mai multe moduri; în funcție de benzile de frecvență de operare, de arhitectura de alimentare și de formatele de comunicații de date. Există trei benzi de frecvențe de operare principale: frecvență joasă (LF), frecvență înaltă (HF) și frecvență ultra înaltă (UHF). Banda LF acoperă de la 30 până la 300 kiloHertzi (kHz), majoritatea etichetelor LF funcționând la 125 kHz. Etichetele LF au o rază de citire mai scurtă, de aproximativ 10 până la 30 de centimetri (cm), și viteze de citire mai mici decât etichetele de frecvență mai mare, dar sunt relativ mai puțin sensibile la interferențele electromagnetice (EMI). Acestea sunt utilizate pentru identificarea cablurilor, a instrumentelor chirurgicale, pentru urmărirea echipamentelor medicale și pentru menținerea inventarului de instrumente.

Etichetele pentru comunicare în câmp apropiat (NFC) sunt un subset al RFID HF. Toate etichetele NFC funcționează în banda HF, dar nu toate etichetele din banda HF utilizează protocoale NFC (Figura 1). În general, etichetele NFC sunt limitate la o distanță de transmisie de câțiva centimetri (cm), în timp ce alte modele de etichete HF pot transmite până la 30 cm. În plus, etichetele NFC sunt specificate doar pentru funcționarea la 13,56 Megahertzi (MHz). Deși toate frecvențele de etichete RFID sunt utilizate în aplicațiile logistice, etichetele RFID UHF sunt uneori denumite etichete pentru „lanțul de aprovizionare” datorită combinației de raze de citire mai mari, viteze de citire mai rapide și disponibilității unor formate de date optimizate pentru aplicațiile logistice.

Figura 1: etichetele NFC sunt un subset al tehnologiei RFID LF și funcționează, de obicei, la 125 kHz. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Etichetele RFID pot fi clasificate în funcție de arhitecturile de putere:

• Etichetele active au o baterie și pot transmite periodic, fără a fi interogate, și pot avea o rază de citire de până la 100 de metri.
• Etichetele pasive trebuie să fie interogate de un cititor. Energia din semnalul RF al cititorului pornește și alimentează eticheta, reflectând informațiile către cititor.
• Etichetele de recoltare a energiei sunt o formă de etichete pasive care pot capta energia RF transmisă de cititor și pot utiliza energia recoltată pentru a alimenta componentele suplimentare ale sistemului.
• Etichetele semi-pasive, denumite și etichete cu baterie, includ o baterie, dar funcționează ca o etichetă pasivă și transmit date numai atunci când sunt interogate de un cititor.

Etichetele pasive, inclusiv modelele UHF și NFC, sunt cele mai comune forme de RFID din soluțiile logistice. Etichetele active sunt mult mai costisitoare și se utilizează, de obicei, pentru a urmări bunuri de mare valoare în construcții, transporturi și industria medicală. Etichetele semi-pasive, în special cele care utilizează tehnologia NFC, se găsesc doar în aplicații specifice, cum ar fi telefoanele mobile.

Standardele ISO/IEC 14443 și ISO/IEC 15693 asigură interoperabilitatea dispozitivelor cu NFC. Funcționarea NFC se bazează pe cuplajul inductiv și este sensibilă la orientarea antenei (Figura 2). Un dispozitiv NFC poate fi un dispozitiv pasiv alimentat de câmpul de radiofrecvență generat de un alt dispozitiv NFC sau un dispozitiv semi-pasiv cu o sursă de alimentare cu baterii. Datorită razei scurte de transmisie, etichetele NFC sunt, prin natura lor, mai sigure. În plus, etichetele NFC trebuie citite una câte una, în timp ce alte tehnologii RFID, cum ar fi etichetele UHF, permit citirea simultană a unui număr mare de etichete. În comparație cu alte tehnologii LF RFID, etichetele NFC pot stoca și transmite cantități mai mari de informații, ceea ce le sporește utilitatea în aplicațiile logistice. O etichetă RFID NFC dinamică este o etichetă cu interfață dublă, cu transfer rapid, cu recoltare de energie, cu întreruperi configurabile, gestionare RF și moduri de funcționare cu consum redus de energie.

Figura 2: orientarea corectă a antenei este necesară pentru a permite cuplarea inductivă necesară pentru dispozitivele NFC. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

RAIN și EPC pentru gestionarea operațiunilor logistice

Utilizarea protocolului ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 este promovată de alianța RAIN (RAdio frequency Identification) RFID. Tehnologia RAIN a fost dezvoltată pentru a conecta etichetele RFID UHF la cloud prin intermediul internetului. EPC gen 2v2 al RAIN este un protocol pentru etichetele RFID pasive și sprijină securitatea și confidențialitatea prin autentificarea etichetelor și a cititoarelor. RAIN a modificat sistemul de numerotare ISO pentru a simplifica utilizarea numerelor de identificare a companiilor.

Standardul de identificare universală EPC pentru obiectele fizice a fost dezvoltat de EPCglobal, o asociere în participațiune între GS1 US (fostul Uniform Code Council, Inc.) și GS1 (fostul EAN International). EPC a fost adoptat ca standard ISO 18000-6C. Acesta standardizează modul în care comunică cititoarele și etichetele și modul în care datele EPC sunt partajate între utilizatori. EPC este un identificator și un format de date, în timp ce RFID este tehnologia purtătoare de radiofrecvență.

Etichete NFC dinamice

Pentru soluții logistice care pot beneficia de etichete NFC dinamice, proiectanții pot utiliza dispozitivele din familia ST25DVxxKC de la STMicroelectronics. Dispozitivele din această familie oferă 4 kilobiți (Kbit), 16 Kbit și 64 Kbit de memorie programabilă care poate fi ștearsă electronic (EEPROM). De exemplu, ST25DV04KC este un dispozitiv de 4 Kbit. Toate dispozitivele ST25DVxxKC utilizează protocolul ISO/IEC 15693 NFC și au două interfețe. Legătura serială I2C poate fi operată de la o sursă de alimentare de curent continuu, cum ar fi o baterie. Legătura RF se activează atunci când energia RF primită de la purtător alimentează dispozitivul. De asemenea, aceste etichete includ o capacitate de recoltare a energiei pentru alimentarea componentelor externe (Figura 3). Această ieșire analogică (V_EH) furnizează tensiunea analogică V_EH disponibilă atunci când modul de recoltare a energiei este activat și când intensitatea câmpului RF este suficientă. Ieșirea tensiunii de recoltare a energiei nu este reglată.

Figura 3: dispozitivele ST25DVxxKC utilizează protocolul ISO/IEC 15693 NFC (bloc central), o interfață I2C (dreapta jos) și capacitatea de recoltare a energiei (în blocurile front end analogice și controlul unității digitale). (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Placa de evaluare a cititorului NFC

X-NUCLEO-NFC03A1 de la STMicroelectronics este o placă de evaluare a cititorului de carduri NFC bazată pe ST25R95-VMD5T, care poate accelera dezvoltarea soluțiilor RFID (Figura 4). ST25R95-VMD5T gestionează codificarea și decodificarea cadrelor pentru aplicații standard, cum ar fi NFC. X-NUCLEO-NFC03A1 acceptă protocoalele ISO/IEC 14443 tip A și B, ISO/IEC 18092 și ISO/IEC 15693 (cu o singură subpurtătoare sau cu două subpurtătoare). Acesta poate detecta, citi și scrie folosind etichete NFC Forum de tip 1, 2, 3 și 4. În plus, această placă de evaluare este compatibilă cu alocarea pinilor conectorului ST Arduino™ UNO R3.

Figura 4: placa de evaluare a cititorului de carduri X-NUCLEO-NFC03A1 permite extinderea plăcilor STM32 Nucleo pentru NFC cu compatibilitate pentru standardele de proximitate și vecinătate. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

RFID pe suprafețe metalice

Proiectată pentru a fi utilizată pe instrumente și unelte chirurgicale, eticheta RFID UHF RAIN pe metal LXTBKZMCMG-010 de la Murata utilizează suprafața metalică pe post de antenă de amplificare pentru a crește raza de citire până la 150 cm. LXTBKZMCMG-010 funcționează pe întreaga bandă de frecvențe UHF, măsoară doar 6,0 x 2,0 x 2,3 milimetri (mm) și are o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la +85 °C. Aceasta este conformă cu protocoalele EPC global Gen2 (v2) și RAIN RFID.

Reglementările din SUA impun ca pe fiecare instrument chirurgical să fie aplicat un identificator unic de dispozitiv (UDI). La fel ca și EPC-urile, reglementările UDI sunt concepute pentru a sprijini utilizarea și depozitarea în siguranță a echipamentelor medicale. Sistemele UDI se aplică la multe tipuri de echipamente medicale, dar sunt deosebit de importante în cazul instrumentelor chirurgicale, unde există un risc semnificativ de pregătire a instrumentelor incorecte pentru o procedură. De asemenea, se așteaptă ca Europa să impună în viitor utilizarea de UDI pe instrumentele chirurgicale. Pe lângă provocările logistice asociate cu instrumentele chirurgicale, configurarea instrumentelor chirurgicale necesită mult timp și este predispusă la erori, chiar și de către persoane cu experiență.

Figura 5: suprafețele metalice ale instrumentelor și uneltelor chirurgicale sunt folosite de eticheta RFID UHF RAIN pe metal LXTBKZMCMG-010 de la Murata ca antenă de amplificare pentru creșterea razei de citire. (Sursa imaginii: Murata)

CI de emisie-recepție RFID LF și placă de evaluare

Soluțiile logistice care pot beneficia de un emițător-receptor RFID LF pot utiliza emițătorul-receptor RFID pe un singur cip MLX90109 de 125 kHz de la Melexis. MLX90109 combină costul minim al sistemului și consumul de energie într-un dispozitiv extrem de flexibil. Frecvența purtătoare a cititorului și frecvența oscilatorului sunt determinate cu ajutorul unei bobine externe și a unui condensator care sunt conectate ca un circuit rezonant paralel, eliminând necesitatea unui oscilator extern și prevenind efectele de modulare zero cu o acordare perfectă a antenei. Semnalul transponderului nedecodat poate fi transmis pe o interfață cu un singur fir pentru cea mai simplă implementare. Opțional, MLX90109 poate decoda semnalul transponderului pe cip și poate partaja semnalul decodat cu ceasul și datele, printr-o interfață cu 2 fire. Caracteristicile modelului MLKX90109 includ:

• Soluție cu grad foarte ridicate de integrare într-un pachet SO8
• Nu este nevoie de referință externă pentru cuarț; doar două rezistoare plus antenă
• Decodarea pe cip oferă ușurință de utilizare și proiectarea rapidă a sistemului
• Ieșirile de ceas și de date cu drenă deschisă permit comunicarea serială pe 2 fire

EVB90109 de la Melexis permite proiectanților să evalueze performanța circuitului integrat MLX90109 (Figura 6). De asemenea, accelerează dezvoltarea de aplicații RFID compacte și rentabile. Toți pinii plăcii de evaluare MLX90109 sunt disponibili pe un soclu dual în linie (DIL) pentru o conectare ușoară la un microcontroler extern. EVB90109 poate fi utilizat pentru a citi date de la un transponder sau poate fi utilizat pentru a trimite informații către un transponder utilizând modulația On/Off keying. Circuitul cu „dezintegrare rapidă”, format dintr-un tranzistor extern și o diodă în paralel pe antenă, permite funcționarea rapidă a protocolului.

Figura 6: proiectanții pot evalua performanța circuitului integrat MLX90109 utilizând placa de evaluare EVB90109. (Sursa imaginii: Melexis)

Rezumat

Etichetele RFID sunt utilizate din ce în ce mai des în aplicațiile de urmărire a operațiunilor logistice. Datorită varietății de tehnologii disponibile pentru etichetele RFID, inclusiv diverse benzi de frecvență, arhitecturi de alimentare și protocoale de comunicații și de date, există etichete disponibile care pot îndeplini o gamă largă de cerințe pentru urmărirea operațiunilor logistice. Cu unele tehnologii RFID, o singură persoană poate citi de la distanță sute de etichete RFID în același timp, accelerând astfel procesul de gestionare a inventarului. În cazul instrumentelor chirurgicale, utilizarea etichetelor RFID poate elimina o sursă de eroare umană și poate face ca operațiile să fie mai sigure. Etichetele RFID UHF și NFC sunt cele mai comune forme de RFID în soluțiile logistice, dar etichetele LF de 125 kHz pot accepta proiecte simple și cu costuri reduse, cu un minim de componente externe.