Verwendung der neuesten RFID-Techniken in Tracking-Anwendungen für die Logistik

In der Logistik und im Lieferkettenmanagement wird zunehmend auf die Radiofrequenz-Identifikationstechnologie (RFID) zurückgegriffen, um in Echtzeit Einblick in die Standorte und Mengen von Materialien und Artikeln zu erhalten. Der Einsatz von RFID-Etiketten kann den Prozess der Bestandsverwaltung beschleunigen, die Möglichkeit menschlicher Fehler verringern und dazu beitragen, den Bestandsschwund zu reduzieren. RFID-Etiketten müssen nicht unbedingt sichtbar sein, um gelesen zu werden, und können gelesen werden, während sich das Etikett in einer Schachtel oder einem anderen Gehäuse befindet. Außerdem kann eine Person Hunderte von RFID-Etiketten auf einmal aus der Ferne lesen.

Entwickler müssen zwischen verschiedenen Leistungsarchitekturen und Datenformaten für RFID-Tags wählen und benötigen kompakte und genaue RFID-Lesegeräte. Tags und Lesegeräte müssen unter Umständen auch die Anforderungen des UHF-Gen2v2-Technologiestandards für elektronische Produktcodes (EPC) und des RAIN-RFID-Datenformats erfüllen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über RFID-Technologien, einschließlich aktiver und passiver Tags, und über die Möglichkeit, die Leistung passiver Tags durch die Nutzung von Energy Harvesting zu verbessern. Er fasst die verschiedenen Industriestandards zusammen, die Entwickler beim Einsatz von RFID-basierten Tracking-Systemen für die Logistik beachten müssen, und stellt abschließend RFID-Tags und Lesegeräte von STMicroelectronics, Murata Electronics und Melexis Technologies sowie Evaluierungsplattformen vor, die den Entwurf von RFID-Logistiklösungen beschleunigen.

RFID-Plattformen können auf verschiedene Weise kategorisiert werden: nach Betriebsfrequenzbändern, Stromversorgungsarchitektur und Datenkommunikationsformaten. Es gibt drei primäre Betriebsfrequenzbänder: Niederfrequenz (LF), Hochfrequenz (HF) und Ultrahochfrequenz (UHF). Das NF-Band umfasst 30 bis 300 Kilohertz (kHz), wobei die meisten NF-Tags bei 125 kHz arbeiten. LF-Etiketten haben eine kürzere Lesereichweite von etwa 10 bis 30 Zentimetern (cm) und langsamere Lesegeschwindigkeiten als Hochfrequenz-Etiketten, sind aber relativ unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI). Sie werden für die Identifizierung von Kabeln, chirurgischen Instrumenten und medizinischen Geräten sowie für die Verwaltung von Werkzeugbeständen verwendet.

NFC-Etiketten (Near Field Communication) sind eine Untergruppe von HF-RFID. Alle NFC-Tags arbeiten im HF-Band, aber nicht alle Tags im HF-Band verwenden NFC-Protokolle (Abbildung 1). NFC-Etiketten sind im Allgemeinen auf eine Übertragungsreichweite von wenigen Zentimetern (cm) beschränkt, während andere HF-Etiketten bis zu 30 cm weit übertragen können. Darüber hinaus sind NFC-Etiketten nur für den Betrieb bei 13,56 Megahertz (MHz) spezifiziert. Während in der Logistik alle RFID-Tag-Frequenzen zum Einsatz kommen, werden UHF-RFID-Tags aufgrund ihrer Kombination aus größerer Lesereichweite, schnellerer Leserate und der Verfügbarkeit von für Logistikanwendungen optimierten Datenformaten manchmal als „Lieferketten“-Tags bezeichnet.

Abbildung 1: NFC-Etiketten sind eine Untergruppe der LF-RFID-Technologie und arbeiten in der Regel mit 125 kHz. (Bildquelle: STMicroelectronics)

RFID-Etiketten können nach ihrer Leistungsarchitektur kategorisiert werden:

• Aktive Tags verfügen über eine Batterie und können in regelmäßigen Abständen senden, ohne dass sie abgefragt werden, und haben eine Lesereichweite von bis zu 100 Metern.
• Passive Tags müssen von einem Lesegerät abgefragt werden. Die Energie des HF-Signals des Lesegeräts schaltet das Etikett ein und versorgt es mit Strom, wodurch Informationen an das Lesegerät zurückgesendet werden.
• Energy-Harvesting-Tags sind eine Form von passiven Tags, die die vom Lesegerät gesendete HF-Energie auffangen und die gewonnene Energie zur Versorgung weiterer Systemkomponenten nutzen können.
• Semi-passive Tags, auch batteriegestützte Tags genannt, enthalten eine Batterie, funktionieren aber wie ein passives Tag und senden nur dann Daten, wenn sie von einem Lesegerät abgefragt werden.

Passive Tags, einschließlich UHF- und NFC-Designs, sind die gängigsten Formen von RFID in Logistiklösungen. Aktive Tags sind wesentlich teurer und werden in der Regel zur Verfolgung von hochwertigen Gütern in der Bau-, Transport- und Gesundheitsbranche eingesetzt. Semi-passive Tags, insbesondere solche, die die NFC-Technologie nutzen, sind nur in bestimmten Anwendungen wie Mobiltelefonen zu finden.

Die Normen ISO/IEC 14443 und ISO/IEC 15693 gewährleisten die Interoperabilität von NFC-fähigen Geräten. Der NFC-Betrieb basiert auf induktiver Kopplung und ist empfindlich gegenüber der Antennenausrichtung (Abbildung 2). Bei einem NFC-Gerät kann es sich um ein passives Design handeln, das durch das von einem anderen NFC-Gerät erzeugte HF-Feld mit Strom versorgt wird, oder um ein semi-passives Design mit einer Batteriestromquelle. Aufgrund ihrer kurzen Übertragungsreichweite sind NFC-Tags von Natur aus sicherer. Darüber hinaus müssen NFC-Tags einzeln gelesen werden, während andere RFID-Technologien wie UHF-Tags das gleichzeitige Lesen einer großen Anzahl von Tags ermöglichen. Im Vergleich zu anderen LF-RFID-Technologien können NFC-Etiketten größere Mengen an Informationen speichern und übertragen, was ihren Nutzen in Logistikanwendungen erhöht. Bei einem dynamischen NFC-RFID-Tag handelt es sich um ein Dual-Interface-Energy-Harvesting-Etikett mit schneller Übertragung und konfigurierbaren Unterbrechungen, HF-Management und energiesparenden Betriebsmodi.

Abbildung 2: Die richtige Ausrichtung der Antenne ist wichtig, um die für NFC-Geräte erforderliche induktive Kopplung zu ermöglichen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

RAIN und EPC für die Logistikverwaltung

Die Verwendung des Protokolls ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 wird von der RAIN-RFID-Allianz (RAdio frequency Identification) gefördert. Die RAIN-Technologie wurde entwickelt, um UHF-RFID-Tags über das Internet mit der Cloud zu verbinden. RAINs EPC gen 2v2 ist ein Protokoll für passive RFID-Etiketten und unterstützt Sicherheit und Datenschutz durch Authentifizierung von Etiketten und Lesegeräten. RAIN hat das ISO-Nummernsystem geändert, um die Verwendung von Unternehmensidentifikationsnummern zu vereinfachen.

Der EPC-Standard für die universelle Kennzeichnung physischer Objekte wurde von EPCglobal entwickelt, einem Gemeinschaftsunternehmen von GS1 US (früher Uniform Code Council, Inc.) und GS1 (früher EAN International). Der EPC wurde als ISO-18000-6C-Norm angenommen. Sie standardisiert die Kommunikation zwischen Lesegeräten und Etiketten sowie die gemeinsame Nutzung von EPC-Daten durch die Nutzer. EPC ist ein Identifizierungs- und Datenformat, während RFID die RF-Trägertechnologie ist.

Dynamischer NFC-Tag

Für Logistiklösungen, die von dynamischen NFC-Tags profitieren können, können sich Entwickler an die ST25DVxxKC-Familie von STMicroelectronics wenden. Die Geräte dieser Familie bieten 4 Kilobit (Kbit), 16 Kbit und 64 Kbit elektrisch löschbaren programmierbaren Speicher (EEPROM). Der ST25DV04KC ist zum Beispiel ein 4-Kbit-Gerät. Alle ST25DVxxKC-Geräte verwenden das NFC-Protokoll ISO/IEC 15693 und verfügen über zwei Schnittstellen. Die serielle I2C-Verbindung kann mit einer Gleichstromquelle wie einer Batterie betrieben werden. Die HF-Verbindung wird aktiviert, wenn die HF-Energie des empfangenen Trägers das Gerät mit Strom versorgt. Diese Tags sind auch in der Lage, Energie zu ernten, um externe Komponenten mit Strom zu versorgen (Abbildung 3). Dieser analoge Ausgang (V_EH) liefert die analoge Spannung V_EH, die zur Verfügung steht, wenn der Energy-Harvesting-Modus aktiviert ist und die HF-Feldstärke ausreichend ist. Die Ausgangsspannung des Energy Harvesting ist nicht geregelt.

Abbildung 3: ST25DVxxKC-Bausteine verwenden das NFC-Protokoll ISO/IEC 15693 (mittlerer Block), eine I2C-Schnittstelle (unten rechts) und die Fähigkeit zur Energiegewinnung (in den Blöcken Analog Front End und Digital Unit Control). (Bildquelle: STMicroelectronics)

Evaluierungsplatine für NFC-Lesegerät

Das X-NUCLEO-NFC03A1 von STMicroelectronics ist ein NFC-Kartenleser-Evaluierungsboard auf der Basis des ST25R95-VMD5T, das die Entwicklung von RFID-Lösungen beschleunigen kann (Abbildung 4). Der ST25R95-VMD5T verwaltet die Rahmenkodierung und -dekodierung für Standardanwendungen, wie z. B. NFC. Der X-NUCLEO-NFC03A1 unterstützt die Protokolle ISO/IEC 14443 Typ A und B, ISO/IEC 18092 und ISO/IEC 15693. Er kann NFC-Forum-Tags der Typen 1, 2, 3 und 4 erkennen, lesen und schreiben. Darüber hinaus ist dieses Evaluierungsboard mit der ST Arduino™ UNO R3 Steckerbelegung kompatibel.

Abbildung 4: Das Kartenleser-Evaluierungsboard X-NUCLEO-NFC03A1 ermöglicht die Erweiterung der STM32-Nucleo-Boards für NFC mit Unterstützung für Proximity- und Neighbourhood-Standards. (Bildquelle: STMicroelectronics)

RFID auf Metalloberflächen

Der für den Einsatz an chirurgischen Instrumenten und Werkzeugen konzipierte UHF-RAIN-RFID-Tag LXTBKZMCMG-010 von Murata nutzt die Metalloberfläche als Booster-Antenne, um die Lesereichweite auf bis zu 150 cm zu erhöhen. Der LXTBKZMCMG-010 arbeitet über das gesamte UHF-Frequenzband, misst nur 6,0 x 2,0 x 2,3 Millimeter (mm) und hat einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C. Er erfüllt die globalen EPC-Gen2(v2)- und die RAIN-RFID-Protokolle.

Die US-Vorschriften verlangen, dass jedes chirurgische Instrument mit einer eindeutigen Gerätekennung (UDI) versehen wird. Wie die EPCs sind auch die UDI-Vorschriften darauf ausgerichtet, die sichere Verwendung und Lagerung von medizinischen Geräten zu unterstützen. UDI-Systeme gelten für viele Arten von medizinischen Geräten, sind aber besonders wichtig für chirurgische Instrumente, bei denen ein erhebliches Risiko besteht, dass falsche Instrumente für einen Eingriff vorbereitet werden. Es wird erwartet, dass auch Europa in Zukunft UDI auf chirurgischen Instrumenten vorschreiben wird. Zusätzlich zu den logistischen Herausforderungen im Zusammenhang mit chirurgischen Werkzeugen ist das Einrichten von chirurgischen Werkzeugen zeitaufwändig und fehleranfällig, selbst für erfahrene Personen.

Abbildung 5: Die Metalloberflächen von chirurgischen Instrumenten und Werkzeugen werden von Muratas auf Metall montierbaren UHF-RAIN-RFID-Tags LXTBKZMCMG-010 als Booster-Antenne genutzt, um die Lesereichweite zu erhöhen. (Bildquelle: Murata)

LF-RFID-Transceiver-IC und Testplatine

Logistiklösungen, die von einem LF-RFID-Transceiver profitieren sollen, können den 125 kHz RFID-Einzelchip-Transceiver MLX90109 von Melexis verwenden. Der MLX90109 kombiniert minimale Systemkosten und Stromverbrauch in einem hochflexiblen Gerät. Die Trägerfrequenz und die Oszillatorfrequenz des Lesegeräts werden mit einer externen Spule und einem Kondensator bestimmt, die als Parallelschwingkreis geschaltet sind, wodurch ein externer Oszillator überflüssig wird und Nullmodulationseffekte bei perfekter Antennenabstimmung vermieden werden. Das nicht dekodierte Transpondersignal kann bei der einfachsten Implementierung über eine Ein-Draht-Schnittstelle übertragen werden. Optional kann der MLX90109 das Transpondersignal auf dem Chip dekodieren und das dekodierte Signal mit Takt und Daten über eine 2-Draht-Schnittstelle austauschen. Zu den Merkmalen des MLKX90109 gehören:

• Hochintegrierte Lösung in einem SO8-Gehäuse
• Externe Quarzreferenz nicht erforderlich; nur zwei Widerstände plus Antenne
• Die On-Chip-Dekodierung unterstützt die Benutzerfreundlichkeit und das schnelle Systemdesign
• Takt- und Open-Drain-Datenausgänge ermöglichen serielle 2-Draht-Kommunikation

Mit dem EVB90109 von Melexis können Entwickler die Leistung des MLX90109-IC evaluieren (Abbildung 6). Es beschleunigt zudem auch die Entwicklung kompakter und kostengünstiger RFID-Anwendungen. Alle Pins des MLX90109-Evaluierungsboards sind auf einem Dual-In-Line(DIL)-Sockel für den einfachen Anschluss an einen externen Mikrocontroller verfügbar. Das EVB90109 kann zum Auslesen von Daten aus einem Transponder oder zum Senden von Informationen an einen Transponder mittels On/Off-Keying-Modulation verwendet werden. Die „Fast-Decay“-Schaltung aus einem externen Transistor und einer Diode, die parallel zur Antenne geschaltet sind, unterstützt den schnellen Protokollbetrieb.

Abbildung 6: Entwickler können die Leistung des MLX90109-ICs mit Hilfe des Evaluierungsboards EVB90109 evaluieren. (Bildquelle: Melexis)

Zusammenfassung

RFID-Etiketten werden zunehmend in der Logistik eingesetzt. Die Vielfalt der verfügbaren RFID-Tag-Technologien, einschließlich verschiedener Frequenzbänder, Stromversorgungsarchitekturen und Kommunikations- und Datenprotokolle, bedeutet, dass es Tags gibt, die eine breite Palette von Logistikanforderungen erfüllen können. Bei einigen RFID-Technologien kann eine Person Hunderte von RFID-Etiketten auf einmal aus der Ferne lesen, was den Prozess der Bestandsverwaltung beschleunigt. Bei chirurgischen Instrumenten kann der Einsatz von RFID-Etiketten eine Fehlerquelle beseitigen und Operationen sicherer machen. UHF- und NFC-RFID-Tags sind die gebräuchlichsten Formen von RFID in Logistiklösungen, aber niederfrequente 125 kHz-Tags können kostengünstige und einfache Designs mit einem Minimum an externen Komponenten unterstützen.