วิธีการใช้เทคโนโลยีก้าวหน้าล่าสุดของ RFID ในการติดตามโลจิสติกส์

การจัดการโลจิสติกส์และซัพพลายเชนกำลังเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีการระบุเอกลักษณ์ด้วยคลื่นวิทยุ (RFID) เพื่อให้มองเห็นสถานที่และปริมาณของวัสดุและพัสดุแบบเรียลไทม์ การใช้แท็ก RFID สามารถเร่งกระบวนการจัดการสินค้าคงคลัง ลดโอกาสในการเกิดข้อผิดพลาดจากมนุษย์ และช่วยลดการหดหายของสินค้าคงคลัง ในการอ่านแท็ก RFID ไม่จำเป็นต้องมองเห็นได้อย่างชัดเจน และสามารถอ่านได้ในขณะที่แท็กอยู่ภายในกล่องหรือสิ่งห่อหุ้มอื่นๆ นอกจากนี้ บุคคลหนึ่งคนสามารถอ่านแท็ก RFID ได้หลายร้อยรายการพร้อมกันจากระยะไกล

นักออกแบบจำเป็นต้องเลือกระหว่างสถาปัตยกรรมพลังงานแท็ก RFID และรูปแบบข้อมูล และพวกเขาต้องการเครื่องอ่าน RFID ขนาดกะทัดรัดและแม่นยำ นอกจากนั้นแท็กและเครื่องอ่านต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐานผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ (EPC) มาตรฐานเทคโนโลยี UHF Gen2v2 และรูปแบบข้อมูล RAIN RFID

บทความนี้กล่าวถึงเทคโนโลยี RFID ซึ่งรวมถึงแท็กแบบแอคทีฟและแท็กแบบพาสซีฟ และความเป็นไปได้ในการเพิ่มประสิทธิภาพแท็กแบบพาสซีฟด้วยการเพิ่มการเก็บเกี่ยวพลังงาน สรุปมาตรฐานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่นักออกแบบจำเป็นต้องตระหนัก เมื่อปรับใช้ระบบติดตามการขนส่งที่ใช้ RFID และปิดท้ายโดยนำเสนอตัวเลือกแท็ก RFID และเครื่องอ่านจาก STMicroelectronics, Murata Electronics และ Melexis Technologies พร้อมด้วยแพลตฟอร์มประเมินผลเพื่อให้การออกแบบโซลูชันโลจิสติกส์ RFID เร็วขึ้น

แพลตฟอร์ม RFID สามารถจำแนกได้หลายแบบทั้งจากคลื่นความถี่ทำงาน สถาปัตยกรรมพลังงาน และรูปแบบการสื่อสารข้อมูล โดยความถี่มีย่านการทำงานสามย่านหลัก ความถี่ต่ำ (LF) ความถี่สูง (HF) และความถี่สูงพิเศษ (UHF) ย่าน LF ครอบคลุม 30 ถึง 300 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) โดยที่แท็ก LF ส่วนใหญ่ทำงานที่ 125 kHz แท็ก LF มีช่วงการอ่านที่สั้นกว่าประมาณ 10 ถึง 30 เซนติเมตร (ซม.) และความเร็วในการอ่านช้ากว่าแท็กความถี่ที่สูงกว่า แต่ค่อนข้างทนต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ใช้สำหรับการระบุสายเคเบิล เครื่องมือผ่าตัด การติดตามอุปกรณ์ทางการแพทย์ และการบำรุงรักษาสินค้าคงคลังของเครื่องมือ

แท็ก Near Field Communication (NFC) เป็นส่วนหนึ่งของ HF RFID โดยที่แท็ก NFC ทุกแท็กทำงานในย่านความถี่ HF แต่ไม่ใช่แท็กในย่านความถี่ HF ทุกแท็กที่ใช้โปรโตคอล NFC (รูปที่ 1) โดยทั่วไปแท็ก NFC จะจำกัดระยะการส่งข้อมูลเพียงไม่กี่เซนติเมตร (ซม.) ในขณะที่การออกแบบแท็ก HF อื่น ๆ สามารถส่งได้ไกลถึง 30 ซม. นอกจากนี้มีการกำหนดให้แท็ก NFC ทำงานที่ 13.56 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) เท่านั้น แม้ว่าความถี่แท็ก RFID ทั้งหมดจะใช้ในงานด้านโลจิสติกส์ แต่บางครั้งแท็ก UHF RFID ก็ถูกเรียกว่าแท็ก 'ห่วงโซ่อุปทาน' เนื่องจากการรวมกันของช่วงการอ่านที่ยาวขึ้น อัตราการอ่านที่เร็วขึ้น และความพร้อมของรูปแบบข้อมูลที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับงานด้านโลจิสติกส์

รูปที่ 1: แท็ก NFC เป็นส่วนหนึ่งของเทคโนโลยี LF RFID และโดยทั่วไปจะทำงานที่ 125 kHz (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

แท็ก RFID สามารถจัดหมวดหมู่ได้ตามสถาปัตยกรรมพลังงาน:

• แท็กแบบแอคทีฟอยู่มีแบตเตอรี่และสามารถส่งสัญญาณได้เป็นระยะโดยไม่ต้องสุ่มอ่านและสามารถอ่านได้ไกลถึง 100 เมตร
• แท็กแบบพาสซีฟจะต้องตรวจโดยเครื่องอ่าน พลังงานจากสัญญาณ RF ของเครื่องอ่านจะเปิดใช้งานแท็กและให้พลังงานแก่แท็กและสะท้อนข้อมูลกลับไปยังเครื่องอ่าน
• แท็กเก็บเกี่ยวพลังงานเป็นรูปแบบของแท็กแบบพาสซีฟที่สามารถรับพลังงาน RF ที่ส่งมาจากเครื่องอ่านและใช้พลังงานที่เก็บเกี่ยวมาเพิ่มพลังงานให้กับส่วนประกอบของระบบ
• แท็กกึ่งพาสซีฟหรือที่เรียกว่าแท็กที่ใช้แบตเตอรี่ เป็นแท็กมีแบตเตอรี่ แต่ทำงานเหมือนแท็กแบบพาสซีฟและส่งข้อมูลเมื่อมีเครื่องอ่านมาอ่านเท่านั้น

แท็กแบบพาสซีฟ รวมถึงแท็ก UHF และ NFC เป็นรูปแบบทั่วไปของ RFID ในงานด้านโลจิสติกส์ แท็กที่ใช้งานอยู่มีราคาแพงกว่ามากและมักใช้เพื่อติดตามสินทรัพย์ที่มีมูลค่าสูงในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง การขนส่ง และการดูแลสุขภาพ แท็กกึ่งพาสซีฟ โดยเฉพาะแท็กที่ใช้เทคโนโลยี NFC จะพบได้เฉพาะในการใช้งานเฉพาะ เช่น โทรศัพท์มือถือ

มาตรฐาน ISO/IEC 14443 และ ISO/IEC 15693 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำงานร่วมกันของอุปกรณ์ที่ใช้งาน NFC การทำงานของ NFC ขึ้นอยู่กับการจับคู่แบบเหนี่ยวนำและมีความไวต่อการทิศทางของเสาอากาศ (รูปที่ 2) อุปกรณ์ NFC สามารถเป็นแบบพาสซีฟที่ขับเคลื่อนโดยสนามความถี่ RF ที่สร้างจากอุปกรณ์ NFC อื่นหรือการออกแบบกึ่งพาสซีฟพร้อมแหล่งพลังงานแบตเตอรี่ เนื่องจากมีช่วงการส่งข้อมูลที่สั้น แท็ก NFC จึงมีความปลอดภัยมากขึ้น นอกจากนี้ ต้องอ่านแท็ก NFC ทีละรายการ ในขณะที่เทคโนโลยี RFID อื่น ๆ เช่น แท็ก UHF รองรับการอ่านแท็กจำนวนมากพร้อมกัน เมื่อเทียบกับเทคโนโลยี LF RFID อื่น ๆ แท็ก NFC สามารถจัดเก็บและส่งข้อมูลปริมาณมากขึ้น ช่วยเพิ่มประโยชน์ในการใช้งานด้านโลจิสติกส์ แท็ก NFC RFID แบบไดนามิกมีอินเทอร์เฟซคู่ ถ่ายโอนข้อมูลอย่างรวดเร็ว และเป็นแท็กเก็บเกี่ยวพลังงานพร้อมอินเตอร์รัพท์ที่กำหนดค่าได้ การจัดการ RF และโหมดการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำ

รูปที่ 2: การวางแนวเสาอากาศที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเปิดใช้งานการจับคู่แบบเหนี่ยวนำที่อุปกรณ์ NFC ต้องการ (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

RAIN และ EPC สำหรับการจัดการโลจิสติกส์

การใช้โปรโตคอล ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 ได้รับการส่งเสริมโดยกลุ่ม RFID RAIN (การระบุเอกลักษณ์ด้วยคลื่นวิทยุ (RAdio frequency Identification)) เทคโนโลยี RAIN ได้รับการพัฒนาเพื่อเชื่อมโยงแท็ก UHF RFID กับระบบคลาวด์โดยใช้อินเทอร์เน็ต EPC gen 2v2 ของ RAIN เป็นโปรโตคอลสำหรับแท็ก RFID แบบพาสซีฟ และสนับสนุนความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวโดยการตรวจสอบความถูกต้องของแท็กและตัวอ่าน RAIN ได้แก้ไขระบบการกำหนดหมายเลข ISO เพื่อให้ง่ายต่อการใช้หมายเลขบริษัท

มาตรฐานตัวระบุตัวตนสากล EPC สำหรับวัตถุทางกายภาพได้รับการพัฒนาโดย EPCglobal ซึ่งเป็นบริษัทร่วมทุนระหว่าง GS1 US (เดิมชื่อ Uniform Code Council, Inc.) และ GS1 (เดิมคือ EAN International) EPC ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO 18000-6C เป็นมาตรฐานในการสื่อสารของเครื่องอ่านและแท็ก และวิธีการแชร์ข้อมูล EPC ระหว่างผู้ใช้ EPC เป็นตัวระบุและรูปแบบข้อมูล ในขณะที่ RFID เป็นเทคโนโลยีคลื่นพาหะ RF

แท็ก NFC แบบไดนามิก

สำหรับโซลูชันด้านโลจิสติกส์ที่ใช้ประโยชน์จากแท็ก NFC แบบไดนามิก นักออกแบบสามารถใช้ตระกูล ST25DVxxKC จาก STMicroelectronics อุปกรณ์ในกลุ่มนี้มีหน่วยความจำแบบตั้งโปรแกรมได้แบบลบด้วยไฟฟ้า (EEPROM) ขนาด 4 กิโลบิต (Kbit), 16 Kbit และ 64 Kbit ตัวอย่างเช่น ST25DV04KC เป็นอุปกรณ์ 4 Kbit โดยอุปกรณ์ ST25DVxxKC ทั้งหมดใช้โปรโตคอล NFC ISO/IEC 15693 และมีอินเทอร์เฟซสองแบบ ลิงก์อนุกรม I2C สามารถใช้งานได้จากแหล่งพลังงานกระแสตรง เช่น แบตเตอรี่ ลิงค์ RF จะเปิดใช้งานเมื่อพลังงาน RF ของผู้ให้บริการที่ได้รับกำลังจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ แท็กเหล่านี้ยังมีความสามารถในการเก็บเกี่ยวพลังงานเพื่อจ่ายพลังงานให้กับส่วนประกอบภายนอก (รูปที่ 3) เอาต์พุตแอนะล็อก (V_EH) นี้ให้แรงดันไฟฟ้าอนาล็อก V_EH ที่พร้อมใช้งานเมื่อเปิดใช้งานโหมดเก็บเกี่ยวพลังงานและเมื่อความแรงของสนาม RF เพียงพอ เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าเก็บเกี่ยวพลังงานนั้นไม่ได้มีการควบคุม

รูปที่ 3: อุปกรณ์ ST25DVxxKC ใช้โปรโตคอล ISO/IEC 15693 NFC (บล็อกกลาง) อินเทอร์เฟซ I2C (ขวาล่าง) และความสามารถในการเก็บเกี่ยวพลังงาน (ในบล็อกส่วนหน้าอนาล็อกและตัวควบคุมหน่วยดิจิทัล) (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

บอร์ดประเมินผลเครื่องอ่าน NFC

X-NUCLEO-NFC03A1 จาก STMicroelectronics เป็นบอร์ดประเมินผลเครื่องอ่านการ์ด NFC ที่มี ST25R95-VMD5T ที่สามารถเร่งการพัฒนาโซลูชั่น RFID (รูปที่ 4) ST25R95-VMD5T จัดการการเข้ารหัสและถอดรหัสเฟรมสำหรับการใช้งานมาตรฐาน เช่น NFC X-NUCLEO-NFC03A1 รองรับโปรโตคอล ISO/IEC 14443 Type A และ B, ISO/IEC 18092 และ ISO/IEC 15693 (ซับแคริเออร์เดี่ยวหรือคู่) สามารถตรวจจับ อ่าน และเขียนโดยใช้แท็ก NFC Forum Type 1, 2, 3 และ 4 นอกจากนี้บอร์ดประเมินผลนี้ยังเข้ากันได้กับการกำหนดพินคอนเน็กเตอร์ ST Arduino™ UNO R3

รูปที่ 4: บอร์ดประเมินผลเครื่องอ่านการ์ด X-NUCLEO-NFC03A1 ช่วยให้สามารถขยายบอร์ด STM32 Nucleo สำหรับ NFC โดยรองรับมาตรฐานระยะใกล้ชิดและใกล้เคียง (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

RFID บนพื้นผิวโลหะ

ออกแบบมาเพื่อใช้กับเครื่องมือและเครื่องมือผ่าตัด LXTBKZMCMG-010 ของ Murata แท็ก RFID UHF RAIN บนโลหะใช้พื้นผิวโลหะเป็นเสาอากาศเสริมเพื่อเพิ่มระยะการอ่านสูงสุด 150 ซม. LXTBKZMCMG-010 ทำงานบนย่านความถี่ UHF ทั้งหมด โดยมีขนาดเพียง 6.0 x 2.0 x 2.3 มิลลิเมตร (มม.) และมีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -40 ถึง +85 °C สอดคล้องกับโปรโตคอล EPC global Gen2 (v2) และ RAIN RFID

ข้อบังคับของสหรัฐอเมริกากำหนดให้มีการระบุอุปกรณ์ (UDI) ที่ไม่ซ้ำกันในเครื่องมือผ่าตัดแต่ละชิ้น เช่นเดียวกับ EPC ข้อบังคับ UDI ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการใช้และการจัดเก็บอุปกรณ์ทางการแพทย์อย่างปลอดภัย ระบบ UDI ใช้กับอุปกรณ์ทางการแพทย์หลายประเภท แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งกับเครื่องมือผ่าตัด ซึ่งมีความเสี่ยงสูงในการเตรียมเครื่องมือที่ไม่ถูกต้องสำหรับหัตถการ ยุโรปคาดว่าจะต้องใช้ UDI สำหรับเครื่องมือผ่าตัดในอนาคต นอกเหนือจากความท้าทายด้านโลจิสติกส์ที่เกี่ยวข้องกับเครื่องมือผ่าตัดแล้ว การจัดเตรียมเครื่องมือผ่าตัดยังใช้เวลานานและมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดได้ แม้กระทั่งโดยบุคคลที่มีประสบการณ์

รูปที่ 5: พื้นผิวโลหะของเครื่องมือและเครื่องมือผ่าตัดจะทำหน้าที่เป็นเสาอากาศเสริมของแท็ก LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID บนโลหะของ Murata เพื่อเพิ่มช่วงการอ่าน (แหล่งที่มารูปภาพ: Murata)

ไอซีตัวรับส่งสัญญาณ LF RFID และบอร์ดประเมินผล

โซลูชันด้านโลจิสติกส์ที่ได้รับประโยชน์จากตัวรับส่งสัญญาณ LF RFID สามารถเปลี่ยนเป็น MLX90109 ตัวรับส่งสัญญาณ RFID 125 kHz ชิปเดียวจาก Melexis MLX90109 รวมต้นทุนขั้นต่ำของระบบและการใช้พลังงานในอุปกรณ์ที่มีความยืดหยุ่นสูง ความถี่พาหะของเครื่องอ่านและความถี่ออสซิลเลเตอร์ถูกกำหนดด้วยคอยล์ภายนอกและตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อเป็นวงจรเรโซแนนซ์คู่ขนาน ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ออสซิลเลเตอร์ภายนอกและป้องกันเอฟเฟกต์การมอดูเลตเป็นศูนย์ด้วยการปรับสายอากาศที่สมบูรณ์แบบ สัญญาณทรานสปอนเดอร์ที่ไม่ได้ถอดรหัสสามารถส่งสัญญาณบนอินเทอร์เฟซแบบสายเดียวสำหรับการใช้งานที่ง่ายที่สุด อีกทางเลือกหนึ่ง MLX90109 สามารถถอดรหัสสัญญาณทรานสปอนเดอร์บนชิป และแบ่งปันสัญญาณที่ถอดรหัสผ่านอินเทอร์เฟซ 2 สายกับนาฬิกาและข้อมูล คุณสมบัติของ MLKX90109 ประกอบด้วย:

• โซลูชันแบบบูรณาการระดับสูงในแพ็คเกจ SO8
• ไม่จำเป็นต้องอ้างอิงควอตซ์ภายนอก ตัวต้านทานเพียงสองตัวพร้อมเสาอากาศ
• การถอดรหัสบนชิปรองรับความสะดวกในการใช้งานและการออกแบบระบบที่รวดเร็ว
• เอาต์พุตข้อมูลนาฬิกาและ Open drain ช่วยให้สามารถสื่อสารแบบอนุกรม 2 สายได้

EVB90109 ของ Melexis ช่วยให้นักออกแบบสามารถประเมินประสิทธิภาพของไอซี MLX90109 (รูปที่ 6) นอกจากนี้ยังช่วยเร่งการพัฒนาการใช้งาน RFID ขนาดกะทัดรัดและคุ้มค่า พินทั้งหมดของบอร์ดประเมินผล MLX90109 มีอยู่ในซ็อกเก็ตคู่อินไลน์ (DIL) เพื่อให้ง่ายต่อการเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ภายนอก EVB90109 สามารถใช้เพื่ออ่านข้อมูลจากทรานสปอนเดอร์ หรือสามารถใช้เพื่อส่งข้อมูลไปยังทรานสปอนเดอร์โดยใช้การมอดูเลตปุ่มเปิด/ปิด วงจร 'การสลายตัวอย่างรวดเร็ว' ของทรานซิสเตอร์ภายนอกและไดโอดแบบขนานบนเสาอากาศรองรับการทำงานของโปรโตคอลที่รวดเร็ว

รูปที่ 6: นักออกแบบสามารถวัดประสิทธิภาพของไอซี MLX90109 โดยใช้บอร์ดประเมินผล EVB90109 (แหล่งที่มารูปภาพ: Melexis)

สรุป

แท็ก RFID ถูกใช้มากขึ้นในการติดตามโลจิสติกส์ ความหลากหลายของเทคโนโลยีแท็ก RFID ที่มี รวมถึงย่านความถี่ต่าง ๆ สถาปัตยกรรมการจ่ายพลังงาน และโปรโตคอลการสื่อสารและข้อมูล ซึ่งหมายความว่ามีแท็กมากมายที่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการติดตามโลจิสติกส์ได้ ด้วยเทคโนโลยี RFID บางอย่าง บุคคลหนึ่งคนสามารถอ่านแท็ก RFID ได้หลายร้อยรายการพร้อมกันจากระยะไกล ทำให้กระบวนการจัดการสินค้าคงคลังเร็วขึ้น ในกรณีของเครื่องมือผ่าตัด การใช้แท็ก RFID สามารถขจัดข้อผิดพลาดของมนุษย์และทำให้การผ่าตัดปลอดภัยยิ่งขึ้น แท็ก UHF และ NFC RFID เป็นรูปแบบทั่วไปของ RFID ในโซลูชันโลจิสติกส์ แต่แท็ก LF 125 kHz สามารถรองรับการออกแบบที่มีต้นทุนต่ำและเรียบง่ายโดยมีส่วนประกอบภายนอกน้อยที่สุด