Hur man använder de senaste framstegen inom RFID i tillämpningar för logistikspårning

Logistik och hantering av leveranskedjan använder sig i allt större utsträckning av RFID-teknik (radiofrekvensidentifiering) för att göra material och föremåls mängd och placering synlig i realtid. Användningen av RFID-taggar kan påskynda lagerhanteringsprocessen, minska risken för mänskliga fel och bidra till att minska lagren. RFID-taggar behöver inte nödvändigtvis vara synliga för att kunna läsas och kan läsas när taggen befinner sig i en låda eller annan inneslutning. Dessutom kan en person läsa hundratals RFID-taggar samtidigt på avstånd.

Konstruktörer måste välja mellan olika strömförsörjningsarkitekturer och dataformat för RFID-taggar, och de behöver kompakta och exakta RFID-läsare. Taggar och läsare kan även behöva uppfylla kraven i EPC-standarden (Electronic Product Code), teknikstandarden UHF Gen2v2 och RFID-dataformatet RAIN.

Artikeln granskar RFID-teknik, inklusive aktiva och passiva taggar, och möjligheten att förbättra passiva taggars prestanda genom att lägga till energiutvinning. Den sammanfattar de olika industristandarder som konstruktörer måste känna till när de använder RFID-baserade logistikspårningssystem och avslutar med att presentera RFID-taggar och läsare från STMicroelectronics, Murata Electronics och Melexis Technologies samt utvärderingsplattformar för att påskynda konstruktionen av logistiklösningar med RFID.

RFID-plattformar kan kategoriseras på flera olika sätt: genom frekvensband, strömförsörjningsarkitektur och datakommunikationsformat. Det finns tre primära frekvensband: låg frekvens (LF), hög frekvens (HF) och ultra-hög frekvens (UHF). LF-bandet omfattar 30 till 300 kHz, och de flesta LF-taggar arbetar med 125 kHz. LF-taggar har ett kortare läsavstånd på cirka 10-30 cm och lägre läshastigheter än högfrekvenstaggar, men är relativt sett mindre känsliga för elektromagnetiska störningar (EMI). De används för identifiering av kablar, kirurgiska instrument, spårning av medicinsk utrustning och underhåll av verktygsförråd.

NFC-taggar (Near Field Communication) är en underkategori till HF RFID. Alla NFC-taggar arbetar i HF-bandet, men alla taggar i HF-bandet använder inte protokollet NFC (figur 1). NFC-taggar är i allmänhet begränsade till ett sändningsavstånd på några centimeter, medan andra HF-taggar kan sända upp till 30 cm. NFC-taggar är dessutom endast specificerade för drift vid 13,56 MHz. Alla frekvenser för RFID-taggar används i logistiktillämpningar, men RFID-taggar för UHF kallas ibland för "leveranskedje"-taggar på grund av deras kombination av längre avläsningsräckvidd, snabbare avläsningshastighet och tillgång till dataformat som är optimerade för logistiktillämpningar.

Figur 1: NFC-taggar är en underkategori till LF RFID och arbetar vanligtvis med 125 kHz. (Bildkälla: STMicroelectronics)

RFID-taggar kan kategoriseras enligt deras strömförsörjningsarkitektur:

• Aktiva taggar har ett batteri och kan sända periodiskt utan att bli avsökta, och kan ha en räckvidd på upp till 100 m.
• Passiva taggar måste avsökas av en läsare. Energin från läsarens RF-signal aktiverar och strömförsörjer taggen och reflekterar tillbaka informationen till läsaren.
• Taggar med energiutvinning är en form av passiva taggar som kan fånga upp den RF-energi som sänds av läsaren och använda energin för att strömförsörja ytterligare systemkomponenter.
• Halvpassiva taggar, även kallade batteriassisterade taggar, innehåller ett batteri men fungerar som en passiv tagg och sänder endast data när en läsare söker efter den.

Passiva taggar, inklusive designer med UHF och NFC, är de vanligaste formerna av RFID i logistiklösningar. Aktiva taggar är mycket dyrare och används vanligtvis för att spåra värdefulla tillgångar inom bygg-, transport- och hälsovårdsbranschen. Halvpassiva taggar, i synnerhet de som använder NFC-teknik, finns endast i specifika tillämpningar som mobiltelefoner.

Standarderna ISO/IEC 14443 och ISO/IEC 15693 garanterar driftskompatibilitet mellan enheter med NFC. Funktionen hos NFC bygger på en induktiv koppling och är känslig för antennens riktning (figur 2). En NFC-enhet kan vara en passiv konstruktion som strömförsörjs av det RF-fält som genereras av en annan NFC-enhet eller en halvpassiv konstruktion med en batterikälla. Tack vare deras korta sändningsavstånd är NFC-taggar säkrare i sin konstruktion. NFC-taggar måste dessutom läsas en i taget, medan andra RFID-tekniker, t.ex. UHF-taggar, har stöd för samtidig avläsning av ett stort antal taggar. Jämfört med andra tekniker för LF RFID kan NFC-taggar lagra och överföra större mängder information, vilket ökar deras användbarhet i logistiktillämpningar. En dynamisk NFC RFID-tagg är en tagg med dubbla gränssnitt, snabb överföring, energiutvinnande tagg med konfigurerbara avbrott, RF-hantering och driftlägen med låg effekt.

Figur 2: Korrekt antennriktning behövs för att möjliggöra den induktiva koppling som krävs av NFC-enheter. (Bildkälla: STMicroelectronics)

RAIN och EPC för logistikhantering

Användningen av protokollet ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 befrämjas av RFID-alliansen RAIN (RAdio frequency Identification). Tekniken RAIN utvecklades för att ansluta UHF RFID-taggar till molnet via internet. EPC gen 2v2 från RAIN är ett protokoll för passiva RFID-taggar med stöd för säkerhet och integritet genom autentisering av taggar och läsare. RAIN har ändrat ISO-nummersystemet för att förenkla användningen av företags identifikationsnummer.

EPC-standarden för universell identifiering av fysiska föremål har utvecklats av EPCglobal, ett gemensamt företag mellan GS1 US (tidigare Uniform Code Council, Inc.) och GS1 (tidigare EAN International). EPC har antagits som standarden ISO 18000-6C. Den standardiserar hur läsare och taggar kommunicerar och hur EPC-data delas mellan användare. EPC är en identifierare och ett dataformat, medan RFID är en RF-bärarteknik.

Dynamiska NFC-taggar

För logistiklösningar som kan dra nytta av dynamiska NFC-taggar kan konstruktörer vända sig till familjen ST25DVxxKC från STMicroelectronics. Enheterna i denna familj har 4 Kbit, 16 Kbit och 64 Kbit elektriskt raderbart programmerbart minne (EEPROM). ST25DV04KC är exempelvis en enhet med 4 Kbit. Alla ST25DVxxKC-enheter använder NFC-protokollet ISO/IEC 15693 och har två gränssnitt. Den seriella I2C-länken kan strömförsörjas från en likspänningskälla, som t.ex. ett batteri. RF-länken aktiveras när den mottagna bärarens RF-energi strömförsörjer enheten. Taggarna har även en förmåga att utvinna energi för att driva externa komponenter (figur 3). Denna analoga utgång (V_EH) levererar den analoga spänningen V_EH som är tillgänglig när energiutvinningsläget är aktiverat och RF-fältstyrkan är tillräcklig. Spänningsutgången för energiutvinning är inte reglerad.

Figur 3: ST25DVxxKC-enheter använder NFC-protokollet ISO/IEC 15693 (blocket i mitten), ett I2C-gränssnitt (nere till höger) och möjlighet till energiutvinning (i blocken Analog Front End och Digital Unit Control). (Bildkälla: STMicroelectronics)

Utvärderingskort för NFC-läsare

X-NUCLEO-NFC03A1 från STMicroelectronics är ett utvärderingskort för NFC-kortläsare baserat på ST25R95-VMD5T som kan påskynda utvecklingen av RFID-lösningar (figur 4). ST25R95-VMD5T hanterar ramkodning och avkodning för standardtillämpningar, som t.ex. NFC. X-NUCLEO-NFC03A1 har stöd för protokollen ISO/IEC 14443 typ A och B, ISO/IEC 18092 och ISO/IEC 15693 (enkel eller dubbel underbärvåg). Det kan upptäcka, läsa och skriva vid användning av NFC Forum Type 1-, 2-, 3- och 4-taggar. Utvärderingskortet är dessutom kompatibelt med stiftlayouten i R3-kontakten på ST Arduino™ UNO.

Figur 4: Kortläsarutvärderingskortet X-NUCLEO-NFC03A1 möjliggör utökning av kortet STM32 Nucleo för NFC med stöd för standarder för proximitets- och avståndsavläsning. (Bildkälla: STMicroelectronics)

RFID på metallytor

UHF RAIN RFID-taggen LXTBKKZMCMG-010 för metall från Murata, som utvecklats för användning på kirurgiska instrument och verktyg, använder metallytan som förstärkningsantenn för att öka avläsningsområdet upp till 150 cm. LXTBKZMCMG-010 fungerar i hela UHF-frekvensbandet, har måtten 6 x 2 x 2,3 mm och har ett driftstemperaturområde på -40 till +85 °C. Den är i överensstämmelse med RFID-protokollen EPC global Gen2 (v2) och RAIN.

Enligt amerikanska bestämmelser måste varje kirurgiskt verktyg förses med en unik identifieringskod (UDI). Precis som för EPC, är UDI-bestämmelserna utformade för att stödja säker användning och förvaring av medicinsk utrustning. UDI-system gäller för många typer av medicinsk utrustning, men är särskilt viktigt för kirurgiska instrument där det finns en stor risk att man förbereder fel instrument för ett ingrepp. Europa förväntas också kräva UDI:er på kirurgiska verktyg i framtiden. Förutom de logistiska utmaningarna i samband med kirurgiska verktyg är inställningen av kirurgiska verktyg tidskrävande och riskerar att leda till fel, även för erfarna personer.

Figur 5: Metallytorna på kirurgiska instrument och verktyg används av Muratas UHF RAIN RFID-tagg LXTBKZMCMG-010 för metall som en förstärkningsantenn för att öka avläsningsområdet. (Bildkälla: Murata)

LF RFID-transceiverkrets och utvärderingskort

Logistiklösningar som kan dra nytta av en LF RFID-transceiver kan använda sig av enkretstransceivern MLX90109 för 125 kHz RFID från Melexis. MLX90109 kombinerar minimal systemkostnad och energiförbrukning i en mycket flexibel enhet. Läsarens bärfrekvens och oscillatorfrekvens bestäms med en extern spole och kondensator som är anslutna som en parallell resonanskrets, vilket eliminerar behovet av en extern oscillator och förhindrar nollmodulationseffekter med perfekt antenninställning. Den icke avkodade transpondersignalen kan överföras via ett gränssnitt med en enda tråd för enklast möjliga implementation. Eller så kan MLX90109 avkoda transpondersignalen i kretsen och dela den avkodade signalen via ett tvåtrådsgränssnitt med klocka och data. MLKX90109 har följande egenskaper:

• Högintegrerad lösning i en SO8-kapsling
• Någon extern kvartsreferens krävs inte, endast två resistorer plus antenn.
• Avkodning i kretsen ger enkel användning och snabb systemdesign
• Utgångar med open-drain för klocka och data möjliggör seriell tvåtrådskommunikation.

EVB90109 från Melexis gör det möjligt för konstruktörer att utvärdera prestandan hos kretsen MLX90109 (figur 6). Den påskyndar även utvecklingen av kompakta och kostnadseffektiva RFID-tillämpningar. Alla stift på utvärderingskortet MLX90109 är tillgängliga i en DIL-sockel (dual in-line) för enkel anslutning till en extern mikrokontroller. EVB90109 kan användas för att läsa data från en transponder eller för att skicka information till en transponder med hjälp av On/Off-nyckelmodulering. Kretsen för "snabb avklingning" med en extern transistor och diod parallellt på antennen stöder användning av snabba protokoll.

Figur 6: Konstruktörer kan mäta prestandan hos kretsen MLX90109 med utvärderingskortet EVB90109. (Bildkälla: Melexis)

Sammanfattning

RFID-taggar används i allt större utsträckning för logistikspårning. De många olika tekniker med RFID-taggar som finns tillgängliga, inklusive olika frekvensband, strömförsörjningsarkitekturer och kommunikations- och dataprotokoll, innebär att det finns taggar som kan tillgodose ett brett spektrum av logistikspårningsbehov. Med vissa RFID-tekniker kan en person läsa hundratals RFID-taggar samtidigt på avstånd, vilket påskyndar lagerhanteringsprocessen. När det gäller kirurgiska instrument kan användningen av RFID-taggar eliminera en källa till mänskliga fel och göra operationerna säkrare. RFID-taggar för UHF och NFC är de vanligaste formerna av RFID i logistiklösningar, men taggar för LF 125 kHz kan stödja billiga och enkla konstruktioner med ett minimum av externa komponenter.