Come impiegare i più recenti progressi della tecnologia RFID nelle applicazioni di tracciamento logistico

La logistica e la gestione della supply chain si affidano sempre più alla tecnologia di identificazione in radiofrequenza (RFID) per fornire visibilità in tempo reale sulla posizione e sulle quantità di materiali e prodotti. L'uso di tag RFID può accelerare il processo di gestione delle scorte, ridurre l'incidenza dell'errore umano e contribuire a ridurre la riduzione dell'inventario. I tag RFID non devono necessariamente essere visibili per essere letti e possono essere lette anche all'interno di una scatola o di un involucro. Inoltre, una sola persona può leggere a distanza centinaia di tag RFID contemporaneamente.

I progettisti devono scegliere tra le architetture di alimentazione e i formati di dati dei tag RFID e hanno bisogno di lettori RFID compatti e precisi. I tag e i lettori devono inoltre soddisfare i requisiti dello standard tecnologico EPC (codice elettronico di prodotto) UHF Gen2v2 e del formato dati RFID RAIN.

Questo articolo passa in rassegna le tecnologie RFID, compresi i tag attivi e passivi e la possibilità di migliorare le prestazioni dei tag passivi con l'aggiunta dell'energy harvesting. Riassume i vari standard del settore che i progettisti devono conoscere per implementare sistemi di tracciamento logistico basati sulla tecnologia RFID e chiude presentando le scelte di tag e lettori RFID di STMicroelectronics, Murata Electronics e Melexis Technologies, insieme a piattaforme di valutazione per accelerare la progettazione di soluzioni logistiche RFID.

Le piattaforme RFID possono essere classificate in vari modi: per bande di frequenza operativa, architettura di alimentazione e formati di comunicazione dati. Esistono tre bande di frequenza operative principali: bassa frequenza (LF), alta frequenza (HF) e altissima frequenza (UHF). La banda LF copre da 30 a 300 kHz, con la maggior parte dei tag LF che operano a 125 kHz. I tag LF hanno un campo di lettura più corto pari a circa 10-30 cm e una velocità di lettura inferiore rispetto ai tag a frequenza più elevata, ma sono relativamente meno sensibili alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Sono utilizzati per l'identificazione di cavi, strumenti chirurgici, tracciamento di apparecchiature medicali e gestione delle scorte di utensili.

I tag NFC (Near Field Communication) sono un sottoinsieme dei RFID HF. Tutti i tag NFC operano nella banda HF, ma non tutti i tag nella banda HF utilizzano i protocolli NFC (Figura 1). I tag NFC sono generalmente limitati a una distanza di trasmissione di pochi centimetri, mentre altri modelli di tag HF possono trasmettere fino a 30 cm. Inoltre, i tag NFC sono specificati per funzionare solo a 13,56 MHz. Sebbene siano utilizzate tutte le frequenze dei tag RFID nelle applicazioni logistiche, i tag RFID UHF sono a volte definiti tag "supply chain" per la loro combinazione di campo di lettura più lungo, velocità di lettura più elevata e disponibilità di formati di dati ottimizzati per le applicazioni logistiche.

Figura 1: I tag NFC sono un sottoinsieme della tecnologia RFID LF e operano tipicamente a 125 kHz. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

I tag RFID possono essere classificati in base alle rispettive architetture di alimentazione:

• I tag attivi sono dotati di una batteria e possono trasmettere periodicamente, senza essere interrogati, e possono avere un campo di lettura fino a 100 metri.
• I tag passivi devono essere interrogati da un lettore. L'energia del segnale RF del lettore accende e alimenta il tag, riflettendo le informazioni al lettore.
• I tag di energy harvesting sono una forma di tag passivo in grado di acquisire l'energia RF trasmessa dal lettore e di utilizzare l'energia raccolta per alimentare altri componenti del sistema.
• I tag semi-passivi, chiamati anche tag a batteria, includono una batteria ma funzionano come tag passivi e trasmettono dati solo quando sono interrogati da un lettore.

I tag passivi, compresi i modelli UHF e NFC, sono le forme più comuni di RFID nelle soluzioni logistiche. I tag attivi sono molto più costosi e vengono tipicamente utilizzati per tracciare beni di alto valore nei settori dell'edilizia, dei trasporti e della sanità. I tag semi-passivi, soprattutto quelli che utilizzano la tecnologia NFC, sono presenti solo in applicazioni specifiche come i telefoni cellulari.

Gli standard ISO/IEC 14443 e ISO/IEC 15693 garantiscono l'interoperabilità dei dispositivi NFC. Il funzionamento NFC si basa sull'accoppiamento induttivo ed è sensibile all'orientamento dell'antenna (Figura 2). Un dispositivo NFC può essere un progetto passivo alimentato dal campo RF generato da un altro dispositivo NFC o un progetto semi-passivo con una fonte di alimentazione a batteria. Grazie al corto raggio di trasmissione, i tag NFC sono intrinsecamente più sicuri. Inoltre, i tag NFC devono essere letti uno alla volta, mentre altre tecnologie RFID come i tag UHF supportano la lettura simultanea di un gran numero di tag. Rispetto ad altre tecnologie RFID LF, i tag NFC possono memorizzare e trasmettere quantità maggiori di informazioni, migliorando la loro utilità nelle applicazioni logistiche. Un tag RFID NFC dinamico è un tag a doppia interfaccia, a trasferimento rapido e con energy harvesting con interrupt configurabili, gestione RF e modalità di funzionamento a bassa potenza.

Figura 2: L'orientamento corretto dell'antenna è necessario per l'accoppiamento induttivo richiesto dai dispositivi NFC. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

RAIN ed EPC per la gestione della logistica

L'uso del protocollo ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 è promosso dall'alleanza RAIN (RAdio frequency Identification) RFID. La tecnologia RAIN è stata sviluppata per collegare i tag RFID UHF al cloud tramite Internet. EPC Gen 2v2 di RAIN è un protocollo per tag RFID passivi e supporta la sicurezza e la privacy autenticando tag e lettori. RAIN ha modificato il sistema di numerazione ISO per semplificare l'uso dei numeri di identificazione delle aziende.

Lo standard di identificazione universale EPC per gli oggetti fisici è stato sviluppato da EPCglobal, una joint venture tra GS1 US (ex Uniform Code Council, Inc.) e GS1 (ex EAN International). EPC è stato adottato come standard ISO 18000-6C. Standardizza le modalità di comunicazione tra lettori e tag e la condivisione dei dati EPC tra gli utenti. EPC è un identificativo e un formato di dati, mentre RFID è la tecnologia della portante RF.

Tag NFC dinamici

Per le soluzioni logistiche che possono beneficiare di tag NFC dinamici, i progettisti possono rivolgersi alla famiglia ST25DVxxKC di STMicroelectronics. I dispositivi di questa famiglia offrono 4 kb, 16 kb e 64 kb di memoria programmabile cancellabile elettricamente (EEPROM). Ad esempio, ST25DV04KC è un dispositivo a 4 kb. Tutti i dispositivi ST25DVxxKC utilizzano il protocollo NFC ISO/IEC 15693 e dispongono di due interfacce. Il collegamento seriale I²C può essere alimentato da una fonte di alimentazione in c.c., come una batteria. Il collegamento RF si attiva quando l'energia RF della portante ricevuta alimenta il dispositivo. Questi tag includono anche una capacità di energy harvesting per alimentare i componenti esterni (Figura 3). Questa uscita analogica (V_EH) fornisce la tensione analogica V_EH disponibile quando la modalità di energy harvesting è abilitata e l'intensità del campo RF è sufficiente. La tensione di uscita di energy harvesting non è regolata.

Figura 3: I dispositivi ST25DVxxKC utilizzano il protocollo ISO/IEC 15693 NFC (blocco centrale), un'interfaccia I²C (in basso a destra) e la capacità di energy harvesting (nei blocchi Front-end analogico e Controllo di unità digitale). (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Scheda di valutazione del lettore NFC

X-NUCLEO-NFC03A1 di STMicroelectronics è una scheda di valutazione per lettori di schede NFC basata sul modello ST25R95-VMD5T che può accelerare lo sviluppo di soluzioni RFID (Figura 4). ST25R95-VMD5T gestisce la codifica e la decodifica dei frame per le applicazioni standard, come NFC. X-NUCLEO-NFC03A1 supporta i protocolli ISO/IEC 14443 tipo A e B, ISO/IEC 18092 e ISO/IEC 15693 (a singola o doppia sottoportante). È in grado di rilevare, leggere e scrivere utilizzando i tag NFC Forum di tipo 1, 2, 3 e 4. Inoltre, questa scheda di valutazione è compatibile con l'assegnazione dei pin del connettore ST Arduino™ UNO R3.

Figura 4: La scheda di valutazione del lettore di schede X-NUCLEO-NFC03A1 consente di espandere le schede STM32 Nucleo per NFC con il supporto degli standard di prossimità e vicinanza. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

RFID su superfici metalliche

Progettato per l'uso su strumenti e presidi chirurgici, il tag RFID UHF RAIN LXTBKZMCMG-010 di Murata utilizza la superficie metallica come antenna booster per aumentare il campo di lettura fino a 150 cm. LXTBKZMCMG-010 funziona sull'intera banda di frequenza UHF, misura solo 6,0 x 2,0 x 2,3 mm e ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +85 °C. È conforme ai protocolli EPC global Gen2 (v2) e RAIN RFID.

Le normative statunitensi prevedono che su ogni strumento chirurgico venga apposto un identificativo univoco del dispositivo (UDI). Come per EPC, le normative UDI sono state concepite per supportare l'uso e la conservazione sicura delle apparecchiature medicali. I sistemi UDI si applicano a molti tipi di apparecchiature medicali, ma sono particolarmente importanti per gli strumenti chirurgici, per via del rischio significativo di preparare strumenti errati per una procedura. Si prevede che anche l'Europa richiederà in futuro la presenza degli UDI sugli strumenti chirurgici. Oltre alle sfide logistiche legate agli strumenti chirurgici, la loro messa a punto richiede tempo ed è soggetta a errori, anche da parte di persone esperte.

Figura 5: Le superfici metalliche di strumenti e attrezzi chirurgici sono utilizzate dal tag RFID UHF RAIN su metallo LXTBKZMCMG-010 di Murata come antenna booster per aumentare il campo di lettura. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Transceiver in CI per RFID LF e scheda di valutazione

Le soluzioni logistiche che possono beneficiare di un transceiver RFID LF possono rivolgersi al modello MLX90109 a chip singolo da 125 kHz di Melexis. MLX90109 combina costi di sistema e consumi minimi in un dispositivo estremamente flessibile. La frequenza della portante del lettore e la frequenza dell'oscillatore sono determinate con una bobina e un condensatore esterni collegati come un circuito risonante parallelo, eliminando la necessità di un oscillatore esterno e prevenendo gli effetti di modulazione zero con una perfetta sintonizzazione dell'antenna. Il segnale del transponder non decodificato può essere trasmesso su un'interfaccia monofilare per semplificare l'implementazione. Facoltativamente, MLX90109 può decodificare il segnale del transponder su chip e condividerlo attraverso un'interfaccia bifilare con il clock e i dati. Le caratteristiche di MLKX90109 includono:

• Soluzione altamente integrata in contenitore SO8
• Assenza di un riferimento al quarzo esterno; solo due resistori più l'antenna
• La decodifica su chip semplifica l'uso e velocizza la progettazione del sistema
• Le uscite di clock e dati a drain aperto consentono la comunicazione seriale a 2 fili

EVB90109 di Melexis consente ai progettisti di valutare le prestazioni del circuito integrato MLX90109 (Figura 6). Inoltre, accelera lo sviluppo di applicazioni RFID compatte ed economiche. Tutti i pin della scheda di valutazione MLX90109 sono disponibili su uno zoccolo DIL per facilitare il collegamento a un microcontroller esterno. EVB90109 può essere utilizzato per leggere i dati da un transponder o per inviare informazioni a un transponder utilizzando uno schema di modulazione On/Off. Il circuito a "decadimento rapido" di un transistor esterno e di un diodo in parallelo sull'antenna supporta il funzionamento veloce del protocollo.

Figura 6: I progettisti possono valutare le prestazioni del CI MLX90109 utilizzando la scheda di valutazione EVB90109. (Immagine per gentile concessione di Melexis)

Riepilogo

I tag RFID sono sempre più utilizzati nelle applicazioni di tracciamento logistico. La varietà delle tecnologie disponibili per i tag RFID, comprese le varie bande di frequenza, le architetture di alimentazione e i protocolli di comunicazione e dati, ha permesso di rendere disponibili tag in grado di soddisfare un'ampia gamma di esigenze di tracciamento logistico. Con alcune tecnologie RFID, una sola persona può leggere a distanza centinaia di tag RFID contemporaneamente, accelerando il processo di gestione delle scorte. Nel caso degli strumenti chirurgici, l'uso di tag RFID può eliminare una fonte di errore umano e rendere gli interventi più sicuri. I tag RFID UHF e NFC sono le forme più comuni di RFID nelle soluzioni logistiche, ma i tag LF a 125 kHz possono supportare progetti semplici e a basso costo con un numero minimo di componenti esterni.