Hoe de recentste RFID-ontwikkelingen te gebruiken in logistieke traceertoepassingen

Bij het beheer van de logistiek en de toeleveringsketen wordt steeds meer gebruik gemaakt van radiofrequentie-identificatietechnologie (RFID) om in realtime inzicht te verschaffen in de locaties en hoeveelheden van materialen en artikelen. Het gebruik van RFID-tags kan het voorraadbeheerproces versnellen, de kans op menselijke fouten verkleinen en bijdragen tot een vermindering van de voorraaddaling. RFID-tags hoeven niet per se zichtbaar te zijn om te kunnen worden gelezen en kunnen worden gelezen terwijl de tag zich in een doos of andere behuizing bevindt. Bovendien kan één persoon vanop afstand honderden RFID-tags tegelijk lezen.

Ontwerpers moeten een keuze maken tussen de vermogensarchitectuur en gegevensformaten van RFID-tags, en zij hebben compacte en nauwkeurige RFID-lezers nodig. Tags en lezers moeten wellicht ook voldoen aan de vereisten van de elektronische productcode (EPC) UHF Gen2v2-technologiestandaard en het RAIN RFID-gegevensformaat.

In dit artikel worden RFID-technologieën besproken, waaronder actieve en passieve tags, en de mogelijkheid om de prestaties van passieve tags te verbeteren door toevoeging van energieoogst. Het geeft een overzicht van de verschillende industrienormen waarvan ontwerpers op de hoogte moeten zijn wanneer ze op RFID-gebaseerde systemen voor het traceren van logistiek invoeren en sluit af met een voorstelling van RFID-tags en lezers van STMicroelectronics, Murata Electronics en Melexis Technologies, samen met evaluatieplatformen om het ontwerp van RFID-oplossingen voor logistiek te versnellen.

RFID-platforms kunnen op verschillende manieren worden gecategoriseerd: op basis van frequentiebanden, voedingsarchitectuur en datacommunicatieformaten. Er zijn drie primaire frequentiebanden: lage frequentie (LF), hoge frequentie (HF) en ultrahoge frequentie (UHF). De LF-band bestrijkt 30 tot 300 kiloHertz (kHz), waarbij de meeste LF-tags werken bij 125 kHz. LF-tags hebben een korter leesbereik van ongeveer 10 tot 30 centimeter (cm) en een lagere leessnelheid dan tags met een hogere frequentie, maar zijn relatief minder gevoelig voor elektromagnetische interferentie (EMI). Ze worden gebruikt voor kabelidentificatie, het opsporen van chirurgische instrumenten en medische apparatuur, en het bijhouden van gereedschapsinventarissen.

Near field communication (NFC) tags zijn een subset van HF RFID. Alle NFC-tags werken in de HF-band, maar niet alle tags in de HF-band gebruiken NFC-protocollen (Afbeelding 1). NFC-tags zijn over het algemeen beperkt tot een zendafstand van enkele centimeters (cm), terwijl andere HF-tagontwerpen tot 30 cm kunnen zenden. Bovendien zijn NFC-tags alleen gespecificeerd voor werking bij 13,56 Megahertz (MHz). Hoewel alle RFID-tagfrequenties in logistieke toepassingen worden gebruikt, worden UHF RFID-tags soms "supply chain"-tags genoemd vanwege hun combinatie van groter leesbereik, hogere leessnelheid en de beschikbaarheid van gegevensformaten die voor logistieke toepassingen zijn geoptimaliseerd.

Afbeelding 1: NFC-tags zijn een subset van de LF RFID-technologie en werken normaliter op 125 kHz. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

RFID-tags kunnen worden gecategoriseerd op basis van hun vermogensarchitectuur:

• Actieve tags hebben een batterij en kunnen periodiek zenden, zonder ondervraagd te worden, en kunnen leesbereiken hebben tot 100 meter.
• Passieve tags moeten door een lezer worden opgeroepen. De energie van het RF-signaal van de lezer zet de tag aan en voedt hem, waardoor de informatie naar de lezer wordt teruggekaatst.
• Energy harvesting tags zijn een vorm van passieve tags die de door de lezer uitgezonden RF-energie kunnen opvangen en de opgevangen energie kunnen gebruiken om extra systeemcomponenten van stroom te voorzien.
• Semi-passieve tags, ook wel tags met batterijondersteuning genoemd, bevatten een batterij maar werken als een passieve tag en zenden alleen gegevens uit wanneer zij door een lezer worden opgeroepen.

Passieve tags, waaronder UHF- en NFC-ontwerpen, zijn de meest voorkomende vormen van RFID in logistieke oplossingen. Actieve tags zijn veel duurder en worden meestal gebruikt om waardevolle goederen in de bouw, het vervoer en de gezondheidszorg te volgen. Semi-passieve tags, vooral die welke gebruik maken van NFC-technologie, worden alleen aangetroffen in specifieke toepassingen zoals mobiele telefoons.

De normen ISO/IEC 14443 en ISO/IEC 15693 waarborgen de interoperabiliteit van NFC-geschikte apparaten. De werking van NFC is gebaseerd op inductieve koppeling en is gevoelig voor de oriëntatie van de antenne (Afbeelding 2). Een NFC-apparaat kan een passief ontwerp zijn dat wordt gevoed door het RF-veld dat door een ander NFC-apparaat wordt opgewekt, of een semi-passief ontwerp met een batterij als energiebron. Vanwege hun korte zendbereik zijn NFC-tags inherent veiliger. Bovendien moeten NFC-tags één voor één worden gelezen, terwijl andere RFID-technologieën, zoals UHF-tags, het gelijktijdig lezen van grote aantallen tags ondersteunen. In vergelijking met andere LF RFID-technologieën kunnen NFC-tags grotere hoeveelheden informatie opslaan en verzenden, waardoor zij nog nuttiger worden in logistieke toepassingen. Een dynamische NFC RFID-tag is een tag met twee interfaces, snelle overdracht, energie oogsten tag met configureerbare interrupts, RF-beheer, en laag vermogen werkingsmodi.

Afbeelding 2: De juiste oriëntatie van de antenne is nodig om de voor NFC-apparaten vereiste inductieve koppeling tot stand te brengen. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

RAIN en EPC voor logistiek beheer

Het gebruik van het GS1 UHF Gen2-protocol ISO/IEC 18000-63 wordt gestimuleerd door de RFID-alliantie RAIN (RAdio frequency Identification). De RAIN-technologie werd ontwikkeld om UHF RFID-tags via het internet aan de cloud te koppelen. EPC gen 2v2 van RAIN is een protocol voor passieve RFID-tags en ondersteunt veiligheid en privacy door tags en lezers te authenticeren. RAIN heeft het ISO-nummeringssysteem gewijzigd om het gebruik van bedrijfsidentificatienummers te vereenvoudigen.

De EPC universele identificatienorm voor fysieke voorwerpen is ontwikkeld door EPCglobal, een joint venture tussen GS1 US (voorheen de Uniform Code Council, Inc.) en GS1 (voorheen EAN International). EPC is aangenomen als de ISO 18000-6C norm. Het standaardiseert hoe lezers en tags communiceren en hoe EPC-gegevens worden gedeeld tussen gebruikers. EPC is een identificator en gegevensformaat, terwijl RFID de RF-dragertechnologie is.

Dynamische NFC-tags

Voor logistieke oplossingen die kunnen profiteren van dynamische NFC-tags, kunnen ontwerpers zich wenden tot de ST25DVxxKC-familie van STMicroelectronics. Apparaten in deze familie bieden 4 kilobits (Kbit), 16 Kbit, en 64 Kbit elektrisch wisbaar programmeerbaar geheugen (EEPROM). Bijvoorbeeld, de ST25DV04KC is een 4 Kbit apparaat. Alle ST25DVxxKC-apparaten gebruiken het ISO/IEC 15693 NFC-protocol en hebben twee interfaces. De I2C seriële verbinding kan werken op een gelijkstroombron zoals een batterij. De RF-verbinding wordt geactiveerd wanneer de ontvangen RF-energie van de draaggolf het toestel voedt. Deze tags bevatten ook een energieoogstfunctie om externe componenten van energie te voorzien (Afbeelding 3). Deze analoge uitgang (V_EH) levert de analoge spanning V_EH die beschikbaar is wanneer de energieoogstmodus is ingeschakeld en wanneer de RF-veldsterkte voldoende is. De uitgang van het energie-oogstvoltage is niet geregeld.

Afbeelding 3: ST25DVxxKC-apparaten maken gebruik van het ISO/IEC 15693 NFC-protocol (middelste blok), een I2C-interface (rechtsonder), en de mogelijkheid om energie te oogsten (in de Analog Front End- en Digital Unit Control-blokken). (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

NFC-lezer evalbord

De X-NUCLEO-NFC03A1 van STMicroelectronics is een NFC-eval-kaartlezerbord op basis van de ST25R95-VMD5T die de ontwikkeling van RFID-oplossingen kan versnellen (Afbeelding 4). De ST25R95-VMD5T beheert frame codering en decodering voor standaardtoepassingen, zoals NFC. De X-NUCLEO-NFC03A1 ondersteunt ISO/IEC 14443 Type A en B, ISO/IEC 18092 en ISO/IEC 15693 (enkelvoudige of dubbele subcarrier) protocollen. Het kan NFC Forum Type 1, 2, 3, en 4 tags detecteren, lezen en schrijven. Bovendien is dit evalbord compatibel met de ST Arduino™ UNO R3-connectorpentoewijzing.

Afbeelding 4: Het X-NUCLEO-NFC03A1-eval-kaartlezerbord maakt uitbreiding mogelijk van de STM32 Nucleo-borden voor NFC met ondersteuning voor proximiteits- en nabijheidsnormen. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

RFID op metalen oppervlakken

De LXTBKZMCMG-010 on-metal UHF RAIN RFID-tag van Murata is ontworpen voor gebruik op chirurgische instrumenten en gereedschappen en gebruikt het metalen oppervlak als een boosterantenne om het leesbereik te vergroten tot 150 cm. De LXTBKZMCMG-010 werkt over de gehele UHF-frequentieband, meet slechts 6,0 x 2,0 x 2,3 millimeter (mm), en heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +85 °C. Zij voldoet aan de EPC global Gen2 (v2) en de RAIN RFID-protocollen.

Volgens de Amerikaanse voorschriften moet op elk chirurgisch instrument een unieke identificatiecode voor hulpmiddelen (UDI) worden aangebracht. Net als EPC's zijn UDI-voorschriften bedoeld om het veilige gebruik en de veilige opslag van medische apparatuur te ondersteunen. UDI-systemen zijn van toepassing op vele soorten medische apparatuur, maar zijn vooral belangrijk bij chirurgische instrumenten, waar een aanzienlijk risico bestaat dat verkeerde instrumenten voor een procedure worden klaargemaakt. Verwacht wordt dat ook Europa in de toekomst UDI's op chirurgische instrumenten zal voorschrijven. Afgezien van de logistieke uitdagingen in verband met chirurgische instrumenten, is het instellen van chirurgische instrumenten tijdrovend en foutgevoelig, zelfs voor ervaren personen.

Afbeelding 5: De metalen oppervlakken van chirurgische instrumenten en gereedschappen worden door Murata's LXTBKZMCMG-010 on-metal UHF RAIN RFID-tag gebruikt als boosterantenne om het leesbereik te vergroten. (Bron afbeelding: Murata)

LF RFID-zendontvanger IC en evalbord

Logistieke oplossingen die voordeel kunnen halen uit een LF RFID zendontvanger kunnen zich wenden tot de MLX90109 single-chip 125 kHz RFID-zendontvanger van Melexis. De MLX90109 combineert minimale systeemkosten en minimaal stroomverbruik in een uiterst flexibel apparaat. De draaggolffrequentie en de oscillatorfrequentie van de lezer worden bepaald met een externe spoel en condensator die als een parallel resonantiecircuit zijn aangesloten, waardoor een externe oscillator overbodig wordt en nulmodulatie-effecten bij perfecte antenneafstemming worden voorkomen. Voor de eenvoudigste uitvoering kan het niet-gecodeerde transpondersignaal via een enkelvoudige draadinterface worden verzonden. Optioneel kan de MLX90109 het transpondersignaal op de chip decoderen en het gedecodeerde signaal via een 2-draads interface delen met de klok en de gegevens. Kenmerken van de MLKX90109 zijn onder andere:

• Uiterst geïntegreerde oplossing in een SO8-pakket
• Externe kwartsreferentie niet nodig; slechts twee weerstanden plus antenne
• On-chip decodering ondersteunt gebruiksgemak en snel systeemontwerp
• Klok en open-drain data-uitgangen maken 2-draads seriële communicatie mogelijk

De EVB90109 van Melexis laat ontwerpers toe om de prestaties van het MLX90109 IC te evalueren (Afbeelding 6). Het versnelt ook de ontwikkeling van compacte en kosteneffectieve RFID-toepassingen. Alle pennen van het MLX90109-evalbord zijn beschikbaar op een dual in-line (DIL) socket voor eenvoudige aansluiting op een externe microcontroller. De EVB90109 kan worden gebruikt om gegevens van een transponder te lezen, of om informatie naar een transponder te zenden met behulp van on/off-keyingmodulatie. De "fast decay" schakeling van een externe transistor en een diode parallel op de antenne ondersteunt een snelle protocollaire werking.

Afbeelding 6: Ontwerpers kunnen de prestaties van het MLX90109 IC meten met behulp van het EVB90109-evalbord. (Bron afbeelding: Melexis)

Samenvatting

RFID-tags worden steeds meer gebruikt in logistieke traceertoepassingen. De verscheidenheid aan beschikbare RFID-tagtechnologieën, met inbegrip van verschillende frequentiebanden, voedingsarchitecturen en communicatie- en gegevensprotocollen, betekent dat er tags beschikbaar zijn die aan een breed scala van logistieke trackingbehoeften kunnen voldoen. Met sommige RFID-technologieën kan één persoon honderden RFID-tags tegelijk van op afstand lezen, waardoor het inventarisbeheer sneller verloopt. In het geval van chirurgische instrumenten kan het gebruik van RFID-tags een bron van menselijke fouten wegnemen en operaties veiliger maken. UHF- en NFC-RFID-tags zijn de meest voorkomende vormen van RFID in logistieke oplossingen, maar LF 125 kHz-tags kunnen goedkope en eenvoudige ontwerpen ondersteunen met een minimum aan externe componenten.