Miten RFID-teknologian uusimmat edistysaskeleet voidaan ottaa käyttöön logistiikan seurantasovelluksissa?

Logistiikassa ja toimitusketjujen hallinnassa käytetään yhä enemmän radiotaajuuksiin perustuvaa tunnistusteknologiaa (RFID) materiaalien ja esineiden sijaintien ja määrien reaaliaikaisen näkyvyyden mahdollistamiseksi. RFID-tunnisteiden käyttö voi nopeuttaa varastonhallintaprosessia, vähentää inhimillisten virheiden mahdollisuutta ja auttaa vähentämään varastohävikkiä. RFID-tunnisteiden ei välttämättä tarvitse olla näkyvissä, jotta ne voidaan lukea. Ne ovat luettavissa, vaikka tunniste on laatikon tai muun kotelon sisällä. Lisäksi yksi ainut henkilö pystyy lukemaan kerralla satoja RFID-tunnisteita matkan päästä.

Suunnittelijoiden on valittava sopiva RFID-tunnisteiden tehoarkkitehtuuri ja tietomuoto. Suunnittelijat tarvitsevat myös kompakteja ja tarkkoja RFID-lukijoita. Tunnisteiden ja lukijoiden täytyy myös mahdollisesti täyttää EPC (Electronic Product Code) UHF Gen2v2 -teknologiastandardin ja RAIN RFID -tietomuodon vaatimukset.

Tässä artikkelissa tarkastellaan RFID-tekniikoita, mukaan lukien aktiivisia ja passiivisia tunnisteita, sekä mahdollisuutta parantaa passiivisten tunnisteiden suorituskykyä käyttämällä energian talteenottoa. Artikkelissa esitetään yhteenveto alan eri standardeista, jotka suunnittelijoiden on otettava huomioon, kun he ottavat käyttöön RFID-pohjaisia logistiikan seurantajärjestelmiä. Lopuksi siinä esitellään valmistajien STMicroelectronics, Murata Electronics ja Melexis Technologies RFID-tunniste- ja lukijavaihtoehtoja sekä evaluointialustoja, joiden avulla RFID-logistiikkaratkaisujen suunnittelua voidaan nopeuttaa.

RFID-alustat voidaan luokitella useilla eri tavoilla: toimintataajuusalueiden, virransyöttöarkkitehtuurin ja tiedonsiirtomuotojen mukaan. Tärkeimpiä toimintataajuusalueita on kolme: matalat taajuudet (LF), korkeat taajuudet (HF) ja ultrakorkeat taajuudet (UHF). LF-kaista kattaa taajuudet 30–300 kilohertsiä (kHz), ja useimmat LF-tunnisteet toimivat taajuudella 125 kHz. LF-tunnisteiden lukuetäisyys on lyhyempi, noin 10–30 senttimetriä (cm), ja niiden lukunopeus on korkeamman taajuuden tunnisteita hitaampi, mutta ne ovat suhteellisesti vähemmän herkkiä sähkömagneettisille häiriöille (EMI). LF-tunnisteita käytetään kaapeleiden tunnistamiseen, kirurgisten instrumenttien ja lääkinnällisten laitteiden seurantaan sekä työkaluvarastojen hallintaan.

NFC (Near Field Communication) -tunnisteet ovat HF-RFID-tunnisteiden alaryhmä. Kaikki NFC-tunnisteet toimivat HF-kaistalla, mutta kaikki HF-kaistalla toimivat tunnisteet eivät käytä NFC-protokollia (kuva 1). NFC-tunnisteiden tiedonsiirtoetäisyys rajoittuu yleensä muutamaan senttimetriin (cm), kun taas muiden HF-tunnistemallien lähetysetäisyys voi olla jopa 30 cm. Lisäksi NFC-tunnisteet on määritelty käytettäväksi vain 13,56 megahertsin (MHz) taajuudella. Vaikka kaikkia RFID-tunnisteiden taajuuksia käytetäänkin logistiikkasovelluksissa, UHF-taajuuden RFID-tunnisteita kutsutaan toisinaan ”toimitusketjun” tunnisteiksi. Se johtuu siitä, että niiden lukuetäisyydet ovat pidemmät, lukunopeus on nopeampi ja käytettävissä on logistiikkasovelluksiin optimoituja tietomuotoja.

Kuva 1: NFC-tunnisteet ovat LF-RFID-teknologian alaryhmä, ja ne toimivat yleensä taajuudella 125 kHz. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

RFID-tunnisteet voidaan luokitella niiden tehoarkkitehtuurin mukaan:

• Aktiivisissa tunnisteissa on paristo ja ne voivat lähettää informaatiota säännöllisesti ilman pollausta ja niiden lukuetäisyys voi olla jopa 100 metriä.
• Passiivisia tunnisteita on pollattava lukijalla. Lukijan lähettämän RF-signaalin energia aktivoi tunnisteen ja tunniste lähettää informaation takaisin lukijalle.
• Energiaa talteenottavat tunnisteet ovat sellaisia passiivisia tunnisteita, jotka voivat kerätä lukijan lähettämää RF-energiaa ja syöttää talteenotettua energiaa järjestelmän lisäkomponenteille.
• Puolipassiiviset tunnisteet, joita kutsutaan myös paristoavusteisiksi tunnisteiksi, sisältävät pariston, mutta toimivat kuten passiiviset tunnisteet ja lähettävät tietoja vain lukijan pollatessa niitä.

Passiiviset tunnisteet, mukaan lukien UHF- ja NFC-mallit, ovat yleisimpiä logistiikkaratkaisuissa käytettäviä RFID-tunnisteita. Aktiiviset tunnisteet ovat huomattavasti kalliimpia, ja niitä käytetään yleensä arvokkaan omaisuuden seurantaan rakennus-, kuljetus- ja terveydenhuoltoalalla. Puolipassiivisia tunnisteita, erityisesti NFC-tekniikkaa hyödyntäviä tunnisteita, käytetään vain määrätyissä sovelluksissa, kuten matkapuhelimissa.

ISO/IEC 14443- ja ISO/IEC 15693 -standardit takaavat NFC-yhteensopivien laitteiden yhteentoimivuuden. NFC-toiminta perustuu induktiiviseen kytkentään ja on herkkä antennin suuntaukselle (kuva 2). NFC-laite voi olla passiivinen, jolloin se saa virtansa toisen NFC-laitteen tuottamasta RF-kentästä. Vaihtoehtoisesti se voi olla paristovirtalähteen sisältävä puolipassiivinen laite. NFC-tunnisteet ovat luonnostaan turvallisempia lyhyiden tiedonsiirtomatkojen vuoksi. Lisäksi NFC-tunnisteet täytyy lukea yksi kerrallaan, kun taas muut RFID-tekniikat, kuten UHF-tunnisteet, tukevat suuren tunnistemäärän samanaikaista lukemista. NFC-tunnisteet voivat tallentaa ja lähettää muihin LF-RFID-tekniikoihin verrattuna suurempia tietomääriä, mikä lisää niiden hyödyllisyyttä logistiikkasovelluksissa. Dynaaminen NFC-RFID-tunniste on kaksirajapintainen energiaa talteenottava tunniste nopeaan tiedonsiirtoon. Sen muihin ominaisuuksiin kuuluvat konfiguroitavissa olevat keskeytykset, RF-hallinta ja virransäästötilat.

Kuva 2: Antennin suuntaus on tärkeää, jotta NFC-laitteiden vaatima induktiivinen kytkentä olisi mahdollista. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

RAIN ja EPC logistiikan hallintaan

RAIN (RAdio frequency Identification) RFID -allianssi edistää ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 -protokollan käyttöä. RAIN-teknologia on kehitetty UHF-RFID-tunnisteiden yhdistämiseksi pilvipalveluun internetin välityksellä. RAIN-allianssin EPC gen 2v2 on passiivisten RFID-tunnisteiden protokolla, joka tukee tietoturvallisuutta ja -suojaa käyttämällä tunnisteiden ja lukijoiden todentamista. RAIN on muuttanut ISO-numerojärjestelmää yritysten tunnistenumeroiden käytön yksinkertaistamiseksi.

Fyysisten esineiden EPC-yleistunnistestandardin on kehittänyt EPCglobal, joka on GS1 US:n (aiemmin Uniform Code Council, Inc.) ja GS1:n (aiemmin EAN International) yhteisyritys. EPC on otettu käyttöön ISO 18000-6C -standardina. Se määrittää, miten lukijat ja tunnisteet kommunikoivat keskenään ja miten EPC-dataa jaetaan käyttäjien kesken. EPC on tunniste- ja tietomuoto, kun taas RFID on RF-siirtotekniikka.

Dynaamiset NFC-tunnisteet

Suunnittelijat voivat käyttää STMicroelectronics ST25DVxxKC-tuoteperhettä logistiikkaratkaisuihin, joissa halutaan käyttää dynaamisia NFC-tunnisteita. Tämän tuoteperheen laitteet tarjoavat 4 kilobitin (Kbit), 16 Kbitin ja 64 Kbitin EEPROM (Electrically Erasable Programmable Memory) -muistin. Esimerkiksi tunniste ST25DV04KC on 4 kilobitin komponentti. Kaikki ST25DVxxKC-tunnisteet käyttävät standardin ISO/IEC 15693 mukaista NFC-protokollaa ja sisältävät kaksi rajapintaa. DC-virtalähde, kuten paristo, voi käyttää I2C-sarjalinkkiä. RF-linkki aktivoituu, kun vastaanotetun kantoaallon RF-energia kytkee laitteeseen virran. Nämä tunnisteet voivat myös ottaa talteen energiaa, joka voidaan syöttää virtana ulkoisille komponenteille (kuva 3). Tähän analogiseen lähtöön (V_EH) syötetään analoginen jännite V_EH, jota voidaan käyttää silloin kun energiantalteenottotila on aktivoituna ja kun RF-kentän voimakkuus on riittävä. Energian talteenoton lähtöjännitettä ei ole reguloitu.

Kuva 3: ST25DVxxKC-tunnisteissa käytetään ISO/IEC 15693 -standardin mukaista NFC-protokollaa (keskimmäinen lohko), I2C-rajapintaa (oikealla alhaalla) ja energian talteenotto-ominaisuutta (analogisessa etuasteessa ja digitaalisen yksikön ohjauslohkoissa). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

NFC-lukijan evaluointikortti

STMicroelectronicsin X-NUCLEO-NFC03A1 on ST25R95-VMD5T-komponenttiin perustuva NFC-kortinlukijan evaluointikortti, jolla voidaan nopeuttaa RFID-ratkaisujen kehittämistä (kuva 4). ST25R95-VMD5T hallitsee kehysten koodausta ja dekoodausta sellaisissa vakiosovelluksissa kuten NFC-lukija. X-NUCLEO-NFC03A1-evaluointikortti tukee protokollia ISO/IEC 14443 Type A ja B, ISO/IEC 18092 ja ISO/IEC 15693 (yksi tai kaksi alikantoaaltoa). Se voi tunnistaa, lukea ja kirjoittaa tyyppien 1, 2, 3 ja 4 NFC Forum -tunnisteita. Lisäksi tämä evaluointikortti on yhteensopiva ST Arduino™ UNO R3 -liittimen nastamäärityksen kanssa.

Kuva 4: Kortinlukijan evaluointikortti X-NUCLEO-NFC03A1 mahdollistaa NFC-protokollan lisäämisen STM32 Nucleo -kortteihin ja se tukee lähikentän standardeja. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

RFID metallipinnoilla

Kirurgisia instrumentteja ja työkaluja varten suunniteltu Muratan LXTBKZMCMG-010 on metallipinnoille sijoitettava UHF RAIN RFID -tunniste. Se käyttää metallipintaa vahvistinantennina ja kasvattaa näin lukuetäisyyden jopa 150 cm:iin. LXTBKZMCMG-010-tunniste toimii koko UHF-taajuuskaistalla. Sen koko on vain 6,0 x 2,0 x 2,3 millimetriä (mm) ja käyttölämpötila-alue on -40 ... +85 °C. Se noudattaa EPC global Gen2 (v2)- ja RAIN RFID -protokollia.

Yhdysvaltain säädökset edellyttävät, että jokaiseen kirurgiseen välineeseen on sijoitettava yksilöllinen laitetunniste (UDI). EPC-protokollien tavoin UDI-säädökset on suunniteltu tukemaan lääkinnällisten laitteiden turvallista käyttöä ja varastointia. UDI-järjestelmiä käytetään monenlaisissa lääkinnällisissä laitteissa, mutta ne ovat erityisen tärkeitä kirurgisissa instrumenteissa, sillä riski valmistella väärät instrumentit toimenpidettä varten on suuri. Myös Euroopan odotetaan vaativan UDI-tunnisteita kirurgisille välineille tulevaisuudessa. Kirurgisiin välineisiin liittyvien logististen haasteiden lisäksi kirurgisten välineiden valmistelu on aikaa vievää ja virhealtista jopa kokeneille henkilöille.

Kuva 5: Muratan metallipinnoille sijoitettava UHF RAIN RFID -tunniste LXTBKZMCMG-010 käyttää kirurgisten instrumenttien ja välineiden metallipintoja lukuetäisyyden vahvistinantennina. (Kuvan lähde: Murata)

LF RFID -lähetin-vastaanotinmikropiiri ja evaluointikortti

Jos logistiikkaratkaisuissa halutaan käyttää LF-RFID-lähetin-vastaanotinta, yksi vaihtoehto on yksisiruinen 125 kHz:n RFID-lähetin-vastaanotin Melexis MLX90109. MLX90109-lähetin-vastaanottimessa yhdistyvät minimaaliset järjestelmäkustannukset, erittäin alhainen virrankulutus ja erinomainen joustavuus. Lukijan kantoaalto- ja oskillaattoritaajuus määräytyy ulkoisen kelan ja kondensaattorin mukaan, jotka on kytketty rinnakkaiseksi resonanssipiiriksi. Tällöin ulkoista oskillaattoria ei tarvita ja nollamodulaatiovaikutukset estetään antennin täydellisellä virityksellä. Dekoodaamaton transponderisignaali voidaan lähettää yksinkertaisimmillaan yhden johtimen rajapinnan kautta. MLX90109-lähetin-vastaanotin voidaan haluttaessa konfiguroida dekoodaamaan itse transponderisignaali ja jakamaan dekoodattu signaali 2-johdinrajapinnan kautta kellon ja datan kanssa. MLKX90109-piirin ominaisuuksiin kuuluvat:

• erittäin integroitu ratkaisu SO8-kotelossa
• ulkoista kvartsireferenssiä ei tarvita; vain kaksi vastusta ja antenni
• piirinsisäinen dekoodaus helpottaa käyttöä ja nopeaa järjestelmäsuunnittelua
• kello- ja avoimen nielun datalähdöt mahdollistavat sarjaliikenteen 2 johtimella.

Suunnittelijat voivat evaluoida MLX90109-mikropiirin suorituskykyä Melexis EVB90109 -evaluointikortin avulla (kuva 6). Se myös nopeuttaa kompaktien ja kustannustehokkaiden RFID-sovellusten kehittämistä. Kaikki MLX90109-evaluointikortin nastat ovat käytettävissä DIL (Dual In-Line) -liitännässä, joka on helppo liittää ulkoiseen mikrokontrolleriin. Evaluointikorttia EVB90109 voidaan käyttää datan lukemiseen transponderista ja sen avulla voidaan lähettää informaatiota transponderiin OOK (On-Off Keying) -moduloinnilla. Antennin kanssa rinnakkain kytketty ulkoisesta transistorista ja diodista koostuva ”nopea purkupiiri” tukee nopeita protokollia.

Kuva 6: Suunnittelijat voivat arvioida MLX90109-mikropiirin suorituskykyä EVB90109-evaluointikortin avulla. (Kuvan lähde: Melexis)

Yhteenveto

RFID-tunnisteita käytetään yhä enemmän logistiikan seurantasovelluksissa. Käytettävissä on monenlaisia RFID-tunnistetekniikoita kuten myös eri taajuuskaistoja, virransyöttöarkkitehtuureja sekä tiedonsiirto- ja dataprotokollia. Tämä moninaisuus tarkoittaa, että tunnisteita on saatavana erilaisiin logistiikan seurantatarpeisiin. Joissakin RFID-tekniikoissa yksi henkilö voi lukea satoja RFID-tunnisteita kerralla matkan päästä, mikä nopeuttaa varastonhallintaprosessia. Kirurgisten instrumenttien tapauksessa RFID-tunnisteiden käytöllä voidaan eliminoida yksi inhimillisten virheiden lähde ja lisätä leikkauksien turvallisuutta. UHF- ja NFC RFID -tunnisteet ovat kaikkein yleisimpiä RFID-tunnisteita logistiikkaratkaisuissa. LF 125 kHz -tunnisteet puolestaan sopivat edullisiin ja yksinkertaisiin ratkaisuihin, joissa on mahdollisimman vähän ulkoisia komponentteja.