כיצד לפרוס את חידושי ה-RFID העדכניים ביותר ביישומי מעקב לוגיסטיקה

לוגיסטיקה וניהול שרשרת אספקה פונים יותר ויותר לטכנולוגיית זיהוי תדרי רדיו (RFID) כדי לספק נראות בזמן-אמת למיקומים וכמויות של חומרים ופריטים. השימוש בתגי RFID יכול להאיץ את תהליך ניהול המלאי, להפחית אפשרויות של טעויות אנוש ולעזור להפחית את הצטמקות המלאי. תגי RFID לא בהכרח צריכים להיות גלויים לקריאה וניתן לקרוא אותם כשהתג נמצא בתוך קופסה או מארז סגור אחר. בנוסף, אדם אחד יכול לקרוא מאות תגי RFID בו-זמנית מרחוק.

המתכננים צריכים לבחור בין ארכיטקטורות הספק תגי RFID ופורמטים של נתונים, והם צריכים קוראי RFID קומפקטיים ומדויקים. ייתכן שגם תגים וקוראים יצטרכו לעמוד בדרישות של תקן הטכנולוגיה של קוד מוצר אלקטרוני (EPC‏) UHF Gen2v2 ופורמט הנתונים RAIN RFID.

מאמר זה סוקר את טכנולוגיות RFID, כולל תגים אקטיביים ופסיביים, ואת האפשרות לשפר את ביצועי התגים הפסיביים עם תוספת של קצירת אנרגיה. הוא מסכם את התקנים השונים בתעשייה שאליהם המתכננים צריכים להיות מודעים בעת פריסת מערכות מעקב לוגיסטיקה מבוססות RFID, ומסיים בהצגת תגי RFID ואפשרויות קורא של STMicroelectronics‏, Murata Electronics‏, Melexis Technologies‏, ביחד עם פלטפורמות הערכה להאצת התכנון של פתרונות לוגיסטיקה RFID‏.

ניתן לסווג פלטפורמות RFID בכמה דרכים; לפי פסי תדרי הפעולה, ארכיטקטורת הספקת-הכוח ופורמטי תקשורת הנתונים. ישנם שלושה פסי תדרי פעולה עיקריים, תדר נמוך (LF), תדר גבוה (HF) ותדר אולטרה-גבוה (UHF). פס התדרים LF מכסה 30 עד 300 קילו-הרץ (kHz), כאשר רוב תגי LF פועלים ב-125 קילו-הרץ. לתגי LF יש טווח קריאה קצר יותר של כ-10 עד 30 ס"מ ומהירויות קריאה איטיות יותר לעומת תגי תדר גבוה יותר, אך הם יחסית פחות רגישים להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). הם משמשים לזיהוי כבלים, מכשור כירורגי, מעקב אחר ציוד רפואי ותחזוקת מלאי כלים.

תגי תקשורת שדה קרוב (NFC) הם תת-קבוצה של HF RFID. כל תגי NFC פועלים בפס התדרים HF, אך לא כל התגים בפס HF משתמשים בפרוטוקולי NFC (איור 1). תגי NFC מוגבלים בדרך כלל למרחק שידור של כמה סנטימטרים (ס"מ), בעוד שתכני תגי HF אחרים יכולים לשדר עד 30 ס"מ. בנוסף, תגי NFC מוגדרים לפעולה רק ב-13.56 מגה-הרץ (MHz). בעוד שכל תדרי תגי RFID משמשים ביישומי לוגיסטיקה, תגי RFID‏ UHF נקראים לעתים תגי 'שרשרת אספקה' בשל השילוב שלהם של טווחי קריאה ארוכים יותר, קצבי קריאה מהירים יותר וזמינותם של פורמטי נתונים הממוטבים עבור יישומי לוגיסטיקה.

איור 1: תגי NFC הם תת-קבוצה של טכנולוגיית LF RFID ופועלים בדרך כלל ב-125 קילו-הרץ. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

ניתן לסווג תגי RFID לפי ארכיטקטורות הספקת-הכוח שלהם:

• לתגים אקטיביים יש סוללה והם יכולים לשדר באופן מחזורי, ללא תשאול, ויכולים להיות בעלי טווח קריאה של עד 100 מטר.
• תגים פסיביים מחייבים תשאול על ידי קורא. האנרגיה מאות ה-RF של הקורא מזינה ומפעילה את התג, ומשקפת מידע בחזרה לקורא.
• תגי קצירת אנרגיה הם סוג של תג פסיבי שיכול לקלוט את אנרגיית ה-RF המשודרת על ידי הקורא ולהשתמש באנרגיה שנקצרה כדי להזין רכיבי מערכת נוספים.
• תגים חצי-פסיביים, הנקראים גם תגים נעזרי-סוללה, כוללים סוללה אך פועלים כמו תג פסיבי ומשדרים נתונים רק כאשר הם מתושאלים על ידי קורא.

תגים פסיביים, כולל תכני UHF ו-NFC, הם הצורות הנפוצות ביותר של RFID בפתרונות לוגיסטיקה. תגים אקטיביים הם הרבה יותר יקרים והם משמשים בדרך כלל למעקב אחר נכסים בעלי ערך גבוה בתעשיות הבנייה, התחבורה והבריאות. תגים חצי-פסיביים, במיוחד אלה המשתמשים בטכנולוגיית NFC, נמצאים רק ביישומים ספציפיים כמו טלפונים סלולריים.

תקני ISO/IEC 14443 ו-ISO/IEC 15693 מבטיחים יכולת תפעוליות-בינית (Interoperability) של התקנים מאופשרי-NFC. פעולת NFC מבוססת על צימוד אינדוקטיבי והיא רגישה לכיווניות האנטנה (איור 2). התקן NFC יכול להיות תכן פסיבי המוזן על ידי שדה ה-RF שנוצר מהתקן NFC אחר או תכן חצי-פסיבי עם מקור הספקת-כוח סוללה. בגלל טווחי השידור הקצרים שלהם, תגי NFC הם מטבעם מאובטחים יותר. בנוסף, יש לקרוא תגי NFC אחד בכל פעם, בעוד שטכנולוגיות RFID אחרות כגון תגי UHF תומכות בקריאה בו-זמנית של מספר רב של תגים. בהשוואה לטכנולוגיות LF RFID אחרות, תגי NFC יכולים לאחסן ולשדר כמויות גדולות יותר של מידע, ולשפר את השימושיות שלהם ביישומי לוגיסטיקה. תג NFC RFID דינמי הוא בעל ממשק כפול, העברה מהירה, קצירת אנרגיה עם פסקים (Interrupts) ניתנים-להגדרה, ניהול RF ואופני פעולה בהספק נמוך.

איור 2‏: כיווניות אנטנה מתאימה נדרשת כדי לאפשר צימוד אינדוקטיבי הנדרש על ידי התקני NFC‏. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

RAIN ו-EPC עבור ניהול לוגיסטיקה

השימוש בפרוטוקול ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 מקודם על ידי ברית RFID‏ RAIN‏ (RAdio frequency Identification). טכנולוגיית RAIN פותחה כדי לקשר תגי UHF RFID לענן באמצעות האינטרנט. ה-EPC gen 2v2 של RAIN הוא פרוטוקול לתגי RFID פסיביים ותומך באבטחה ופרטיות על ידי אימות תגים וקוראים. תקן RAIN שינה את מערכת המספור ISO כדי לפשט את השימוש במספרי זיהוי של החברה.

תקן המזהה האוניברסלי EPC לאובייקטים פיזיים פותח על ידי EPCglobal, מיזם משותף בין GS1 US (לשעבר .Uniform Code Council, Inc) ו-GS1 (לשעבר EAN International). תקן EPC אומץ כתקן ISO 18000-6C. הוא מתקנן את האופן שבו קוראים ותגים מתקשרים ואת האופן שבו נתוני EPC משותפים בין משתמשים. EPC הוא מזהה ופורמט נתונים, בעוד ש-RFID היא טכנולוגיית גל-נושא RF.

תגי NFC דינמיים

עבור פתרונות לוגיסטיקה היכולים להפיק תועלת מתגי NFC דינמיים, המתכננים יכולים לפנות למשפחת ST25DVxxKC של STMicroelectronics. ההתקנים במשפחה זו מציעים 4 קילו-ביט (Kbit‏), kbit‏ 16 ו-Kbit‏ 64 של זיכרון הניתן למחיקה חשמלית (EEPROM). לדוגמה, ה-ST25DV04KC‏ הוא התקן של Kbit‏ 4‏. כל התקני ST25DVxxKC משתמשים בפרוטוקול ISO/IEC 15693 NFC ויש להם שני ממשקים. ניתן להזין את הקישור הטורי I2C ממקור הספקת-כוח DC כגון סוללה. קישור ה-RF מופעל כאשר אנרגיית ה-RF של הגל-הנושא המתקבל מזינה את ההתקן. תגים אלה כוללים גם יכולת קצירת אנרגיה עבור הזנת רכיבים חיצוניים (איור 3). יציאה אנלוגית זו (V_EH) מספקת את המתח האנלוגי V_EH הזמין כאשר מצב קצירת האנרגיה מופעל וכאשר עוצמת שדה ה-RF מספיקה. יציאת מתח קצירת האנרגיה אינו מיוצבת.

איור 3: התקני ST25DVxxKC משתמשים בפרוטוקול ISO/IEC 15693 NFC (הבלוק במרכז), ממשק I2C (ימין למטה) ויכולת קצירת אנרגיה (בקצה-הקדמי האנלוגי ובבלוקי הבקרה של היחידה הדיגיטלית). (מקור התמונה: STMicroelectronics)

לוח הערכת קורא NFC‏

ה-X-NUCLEO-NFC03A1 של STMicroelectronics הוא לוח הערכה לקורא כרטיסי NFC המבוסס על ST25R95-VMD5T שיכול להאיץ את הפיתוח של פתרונות RFID (איור 4). ה-ST25R95-VMD5T מנהל קידוד ופענוח של מסגרות (Frame‏) עבור יישומים סטנדרטיים, כגון NFC. ה-X-NUCLEO-NFC03A1 תומך בפרוטוקולי ISO/IEC 14443‏ Type A ו- Type B‏, ISO/IEC 18092 ו-ISO/IEC 15693 (תת-נשא יחיד או כפול). הוא יכול לזהות, לקרוא ולכתוב באמצעות תגי NFC Forum‏ סוגים 1‏, 2‏, 3‏ ו-4. בנוסף, לוח הערכה זה תואם להקצאת הפינים של מחבר ST Arduino™ UNO R3.

איור 4: לוח ההרחבה של קורא הכרטיסים X-NUCLEO-NFC03A1 מאפשר הרחבה של לוחות STM32 Nucleo עבור NFC עם תמיכה בתקני קירבה וסביבה. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

RFID על משטחי מתכת

תוכנן לשימוש על מכשירים וכלים כירורגיים, תג UHF RAIN RFID על-מתכת LXTBKZMCMG-010‏ של Murata משתמש במשטח מתכת כאנטנת הגברה כדי להגדיל את טווח הקריאה עד 150 ס"מ. ה-LXTBKZMCMG-010 פועל על פני כל פסי-התדר של UHF, מידותיו הן 2.3‏ x‏ 2.0‏ x‏ 6.0‏ מילימטרים (מ"מ) בלבד, ויש לו תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40- עד C‏°‏85‏+. הוא תואם לפרוטוקולים הכלל-עולמיים (Gen2 (v2‏ EPC‏ ו-RFID‏ RAIN‏.

התקנות בארה"ב דורשות הצבת מזהה התקן ייחודי (UDI‏) על כל כלי כירורגי. בדומה ל-EPC, תקנות UDI נועדו לתמוך בשימוש ובאחסון בטוח של ציוד רפואי. מערכות UDI ישימות לסוגים רבים של ציוד רפואי אך הן חשובות במיוחד בהקשר של מכשירים כירורגיים היכן שיש סיכון משמעותי בהכנת מכשירים לא נכונים עבור ניתוח. אירופה צפויה גם כן לדרוש UDI על כלים כירורגיים בעתיד. בנוסף לאתגרי הלוגיסטיקה הקשורים לכלים כירורגיים, התקנת הכלים הכירורגיים גוזלת זמן ונוטה לשגיאות, אפילו על ידי אנשים מנוסים.

איור 5: משטחי המתכת של מכשירים וכלים כירורגיים משמשים את תג UHF RAIN RFID‏ על-מתכת LXTBKZMCMG-010 של Murata כאנטנת הגברה להגדלת טווח הקריאה. (מקור תמונה: Murata‏)

מעגל-משולב (IC‏) של מקמ"ש RFID‏ LF‏ ולוח הערכה

פתרונות לוגיסטיקה שיכולים להפיק תועלת ממקמ"ש LF RFID יכולים לפנות למקמ"ש RFID‏ kHz‏ 125‏ בעל שבב-יחיד MLX90109‏ של Melexis. ה-MLX90109 משלב עלות מערכת וצריכת הספק מינימליות בהתקן גמיש ביותר. תדר הגל הנושא ותדר המתנד של הקורא נקבעים באמצעות סליל וקבל חיצוניים המחוברים כמעגל תהודה מקבילי, המבטל את הצורך במתנד חיצוני ומונע אפקטים של אפנון אפס עם כוונון אנטנה מושלם. ניתן להעביר את אות הטרנספונדר הלא-מפוענח על ממשק חוט יחיד עבור המימוש הפשוט ביותר. אופציונלית, ה-MLX90109 יכול לפענח את אות הטרנספונדר בשבב ולשתף את האות המפוענח באמצעות ממשק דו-חוטי עם השעון והנתונים. המאפיינים של ה-MLKX90109 כוללים:

• פתרון משולב ביותר במארז SO8
• אין צורך בייחוס קווארץ חיצוני; רק בשני נגדים פלוס אנטנה
• פענוח על-השבב תומך בקלות השימוש ובתכנון מהיר של המערכת
• יציאות נתונים מרזב-פתוח (OD) ושעון מאפשרות תקשורת טורית דו-חוטית

ה-EVB90109‏ של Melexis מאפשר למתכננים להעריך את הביצועים של ה- MLX90109 IC (איור 6). הוא גם מזרז את הפיתוח של יישומי RFID קומפקטיים, יעילים וחסכוניים. כל הפינים של לוח ההערכה MLX90109 זמינים בשקע בקו-אחד כפול (DIL) עבור חיבור קל למיקרו-בקר חיצוני. ניתן להשתמש ב-EVB90109 לקריאת נתונים מהטרנספונדר, או שהוא יכול לשמש לשליחת מידע לטרנספונדר באמצעות אפנון קידוד On/Off‏. מעגל 'הדעיכה המהירה' של טרנזיסטור חיצוני ודיודה במקביל על האנטנה תומך בפעולת פרוטוקול מהירה.

איור 6: המתכננים יכולים להעריך את הביצועים של ה- MLX90109 IC באמצעות לוח ההערכה EVB90109. (מקור התמונה: Melexis)

סיכום

תגי RFID הם יותר ויותר בשימוש ביישומי מעקב לוגיסטיקה. המגוון של טכנולוגיות תגי RFID הזמינות, כולל פסי תדרים שונים, ארכיטקטורות הזנה ופרוטוקולי תקשורת ונתונים, פירושו הוא שיש תגים זמינים היכולים לענות על מגוון רחב של צורכי מעקב לוגיסטיקה. עם כמה מטכנולוגיות RFID, אדם אחד יכול לקרוא מאות תגי RFID בו-זמנית מרחוק ולהאיץ את תהליך ניהול המלאי. במקרה של מכשירים כירורגיים, השימוש בתגי RFID יכול לבטל מקור אחד של טעות אנוש ולהפוך את הניתוחים לבטוחים יותר. תגי RFID‏ UHF ו-NFC הם הצורות הנפוצות ביותר של RFID בפתרונות לוגיסטיקה, אך תגי LF 125 kHz‎ יכולים לתמוך בתכנים פשוטים בעלות נמוכה עם מינימום רכיבים חיצוניים.