Como implantar os últimos avanços RFID em aplicações de rastreamento logístico

A logística e o gerenciamento da cadeia de suprimentos estão se voltando cada vez mais para a tecnologia de identificação por radiofrequência (RFID) para fornecer visibilidade em tempo real dos locais e das quantidades de materiais e itens. O uso de etiquetas RFID pode acelerar o processo de gerenciamento de inventário, reduzir as chances de erro humano e ajudar a diminuir o encolhimento do inventário. As etiquetas RFID não precisam necessariamente ser visíveis para serem lidas e podem ser lidas enquanto a etiqueta estiver dentro de uma caixa ou outro invólucro. Além disso, uma pessoa pode ler centenas de etiquetas RFID de uma só vez à distância.

Os projetistas precisam selecionar entre arquiteturas de energia das etiquetas RFID e formatos de dados, e eles precisam de leitores RFID compactos e precisos. As etiquetas e leitores também podem precisar atender aos requisitos do padrão de tecnologia UHF Gen2v2 do código eletrônico de produto (EPC) e do formato de dados RAIN RFID.

Este artigo analisa as tecnologias RFID, incluindo etiquetas ativas e passivas, e a possibilidade de melhorar o desempenho da etiqueta passiva com a adição da coleta de energia. Ele resume os vários padrões do setor que os projetistas precisam estar cientes ao implantar sistemas de rastreamento logístico baseados em RFID e finaliza, apresentando etiquetas RFID e escolhas de leitores da STMicroelectronics, Murata Electronics e Melexis Technologies, com plataformas de avaliação para acelerar o projeto de soluções logísticas RFID.

As plataformas RFID podem ser categorizadas de várias maneiras; operando bandas de frequência, arquitetura de energia e formatos de comunicação de dados. Há três bandas primárias da frequência de operação, baixa frequência (LF), alta frequência (HF) e ultra-alta frequência (UHF). A faixa LF cobre de 30 a 300 quiloHertz (kHz), com a maioria das etiquetas LF operando a 125 kHz. As etiquetas LF têm um alcance de leitura mais curto de cerca de 10 a 30 centímetros (cm) e velocidades de leitura mais lentas do que as etiquetas de frequência mais alta, mas são relativamente menos sensíveis à interferência eletromagnética (EMI). Elas são usadas para identificação de cabos, instrumentos cirúrgicos, rastreamento de equipamentos médicos e conservação de inventários de ferramentas.

As etiquetas de comunicação de campo próximo (NFC) são um subconjunto do HF RFID. Todas as etiquetas NFC operam na banda HF, mas nem todas as etiquetas na banda HF utilizam protocolos NFC (Figura 1). As etiquetas NFC são geralmente limitadas a alguns centímetros (cm) de distância de transmissão, enquanto outros modelos de etiquetas HF podem transmitir até 30 cm. Além disso, as etiquetas NFC são especificadas apenas para operação em 13,56 Megahertz (MHz). Enquanto todas as frequências de etiquetas RFID são usadas em aplicações logísticas, as etiquetas RFID UHF são às vezes referidas como etiquetas da "cadeia de suprimentos" devido a sua combinação de faixas mais longas de leitura, taxas mais rápidas de leitura e a disponibilidade de formatos de dados otimizados para aplicações logísticas.

Figura 1: As etiquetas NFC são um subconjunto da tecnologia RFID LF e normalmente operam a 125 kHz. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

As etiquetas RFID podem ser categorizadas de acordo com suas arquiteturas de energia:

• As etiquetas ativas têm uma bateria e podem transmitir periodicamente, sem serem sondadas, e podem ter alcance de leitura de até 100 metros.
• As etiquetas passivas devem ser sondadas por um leitor. A energia do sinal de RF do leitor se liga e alimenta a etiqueta, refletindo as informações de volta para o leitor.
• As etiquetas de coleta de energia são uma forma de etiqueta passiva que pode capturar a energia RF transmitida pelo leitor e usar a energia coletada para alimentar componentes adicionais do sistema.
• As etiquetas semipassivas, também chamadas etiquetas assistidas por bateria, incluem uma bateria mas funcionam como uma etiqueta passiva e só transmitem dados quando são sondadas por um leitor.

As etiquetas passivas, incluindo os conceitos UHF e NFC, são as formas mais comuns de RFID em soluções logísticas. As etiquetas ativas são muito mais caras e normalmente são usadas para rastrear ativos de alto valor nas indústrias de construção, transporte e saúde. As etiquetas semipassivas, especialmente as que utilizam a tecnologia NFC, só são encontradas em aplicações específicas, tais como telefones celulares.

As normas ISO/IEC 14443 e ISO/IEC 15693 garantem a interoperabilidade dos dispositivos habilitados para NFC. A operação do NFC é baseada no acoplamento indutivo e é sensível à orientação da antena (Figura 2). Um dispositivo NFC pode ser um projeto passivo alimentado pelo campo de RF gerado por outro dispositivo NFC ou um projeto semipassivo com uma fonte de energia de bateria. Devido a suas faixas curtas de transmissão, as etiquetas NFC são intrinsecamente mais seguras. Além disso, as etiquetas NFC devem ser lidas uma de cada vez, enquanto outras tecnologias RFID como as etiquetas UHF suportam a leitura simultânea de grandes números de etiquetas. Em comparação com outras tecnologias RFID LF, as etiquetas NFC podem armazenar e transmitir maiores quantidades de informações, aumentando sua utilidade em aplicações logísticas. Uma etiqueta RFID NFC dinâmica é uma etiqueta de interface dupla, transferência rápida e de coleta de energia com interrupções configuráveis, gerenciamento de RF e modos de operação de baixa potência.

Figura 2: A orientação adequada da antena é necessária para permitir o acoplamento indutivo requerido pelos dispositivos NFC. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

RAIN e EPC para o gerenciamento logístico

O uso do protocolo ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF da geração 2 é promovido pela aliança RFID RAIN (RAdio frequency Identification). A tecnologia RAIN foi desenvolvida para vincular as etiquetas RFID UHF à nuvem usando a Internet. O EPC da geração 2v2 da RAIN é um protocolo para etiquetas RFID passivas e suporta segurança e privacidade através da autenticação de etiquetas e leitores. A RAIN modificou o sistema de numeração ISO para simplificar o uso dos números de identificação da empresa.

O padrão de identificação universal EPC para objetos físicos foi desenvolvido pela EPCglobal, uma empresa conjunta entre a GS1 US (antiga Uniform Code Council, Inc.) e a GS1 (antiga EAN International). O EPC foi adotado como a norma ISO 18000-6C. Ele padroniza como os leitores e etiquetas se comunicam e como os dados EPC são compartilhados entre os usuários. O EPC é um identificador e formato de dados, enquanto o RFID é a tecnologia portadora de RF.

Etiquetas NFC dinâmicas

Para soluções logísticas que podem se beneficiar das etiquetas dinâmicas NFC, os projetistas podem recorrer à família ST25DVxxKC da STMicroelectronics. Os dispositivos desta família oferecem 4 quilobits (Kbit), 16 Kbit e 64 Kbit de memória programável apagável eletricamente (EEPROM). Por exemplo, o ST25DV04KC é um dispositivo de 4 Kbit. Todos os dispositivos ST25DVxxKC usam o protocolo NFC ISO/IEC 15693 e têm duas interfaces. O link serial I2C pode ser operado a partir de uma fonte de alimentação cc, como uma bateria. O link RF é ativado quando a energia RF recebida do portador estiver alimentando o dispositivo. Estas etiquetas também incluem uma capacidade de coleta de energia para alimentar componentes externos (Figura 3). Esta saída analógica (V_EH) fornece a tensão analógica V_EH disponível, quando o modo de coleta de energia for habilitado e quando a força do campo de RF for suficiente. A tensão de saída da coleta de energia não é regulada.

Figura 3: Os dispositivos ST25DVxxKC usam o protocolo NFC ISO/IEC 15693 (bloco central), uma interface I2C (inferior direito) e capacidade de coleta de energia (nos blocos de Front-End Analógico e de Controle da Unidade Digital). (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Placa de avaliação do leitor NFC

O X-NUCLEO-NFC03A1 da STMicroelectronics é uma placa de avaliação do leitor de cartões NFC baseada no ST25R95-VMD5T que pode acelerar o desenvolvimento de soluções RFID (Figura 4). O ST25R95-VMD5T gerencia a codificação e decodificação de quadros para aplicações padrões, como o NFC. O X-NUCLEO-NFC03A1 suporta os protocolos ISO/IEC 14443 Tipo A e B, ISO/IEC 18092 e ISO/IEC 15693 (subportadora simples ou dupla). Ele pode detectar, ler e escrever usando as etiquetas do Fórum NFC Tipo 1, 2, 3 e 4. Além disso, esta placa de avaliação é compatível com a atribuição de pinos do conector do ST Arduino™ UNO R3.

Figura 4: A placa de avaliação do leitor de cartões X-NUCLEO-NFC03A1 permite a expansão das placas STM32 Nucleo para NFC com suporte para padrões de proximidade e vizinhança. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

RFID em superfícies metálicas

Projetado para uso em instrumentos e ferramentas cirúrgicas, o LXTBKZMCMG-010 sobre etiqueta UHF RAIN RFID metálica da Murata usa a superfície metálica como antena de reforço para aumentar o alcance de leitura até 150 cm. O LXTBKZMCMG-010 opera em toda a faixa de frequência UHF, mede apenas 6,0 x 2,0 x 2,3 milímetros (mm), e tem uma faixa de temperatura operacional de -40 a +85 °C. Está em conformidade com os protocolos EPC global ger. 2 (v2) e RAIN RFID.

Os regulamentos americanos exigem a colocação de um identificador de dispositivo único (UDI) em cada ferramenta cirúrgica. Assim como os EPCs, os regulamentos de UDI são concebidos para dar suporte ao uso e armazenamento seguro do equipamento médico. Os sistemas UDI se aplicam a muitos tipos de equipamentos médicos, mas são especialmente importantes com instrumentos cirúrgicos onde há um risco significativo de preparar instrumentos incorretos para um procedimento. Também se espera que a Europa venha a exigir UDIs em ferramentas cirúrgicas no futuro. Além dos desafios logísticos relacionados às ferramentas cirúrgicas, a instalação de ferramentas cirúrgicas é demorada e propensa a erros, mesmo por pessoal experiente.

Figura 5: As superfícies metálicas dos instrumentos e ferramentas cirúrgicas são utilizadas pela etiqueta UHF RAIN RFID sobre metal LXTBKZMCMG-010 da Murata como uma antena de reforço para aumentar o alcance de leitura. (Fonte da imagem: Murata)

Placa de avaliação e CI transceptor RFID LF

Soluções logísticas que podem se beneficiar de um transceptor RFID LF podem se voltar para o transceptor RFID de chip único MLX90109 de 125 kHz da Melexis. A MLX90109 combina o mínimo do custo do sistema e do consumo de energia em um dispositivo altamente flexível. A frequência portadora e a frequência do oscilador do leitor são determinadas com uma bobina externa e um capacitor conectado como um circuito ressonante paralelo, eliminando a necessidade de um oscilador externo e evitando efeitos de modulação zero com perfeita sintonia da antena. O sinal do transponder não decodificado pode ser transmitido em uma única interface de fio para a implementação mais simples. Opcionalmente, a MLX90109 pode decodificar o sinal do transponder em chip e compartilhar o sinal decodificado através de uma interface de 2 fios com o sinal de clock e de dados. As características do MLKX90109 incluem:

• Solução altamente integrada em um invólucro SO8
• Não necessita de referência externa de quartzo; apenas dois resistores mais a antena
• A decodificação em chip suporta a facilidade de uso e o rápido projeto do sistema
• As saídas de clock e de dados em dreno aberto permitem a comunicação serial por 2 fios

O EVB90109 da Melexis permite aos projetistas avaliar o desempenho do CI MLX90109 (Figura 6). Também acelera o desenvolvimento de aplicações RFID compactas e econômicas. Todos os pinos da placa de avaliação MLX90109 estão disponíveis em um soquete DIL ("dual-in-line") para fácil conexão a um microcontrolador externo. O EVB90109 pode ser usado para ler dados de um transponder, ou pode ser usado para enviar informações a um transponder usando a modulação de polarização On/Off. O circuito de 'decaimento rápido' de um transistor e diodo externo em paralelo na antena suporta a operação de protocolo rápido.

Figura 6: Os projetistas podem medir o desempenho do CI MLX90109 usando a placa de avaliação EVB90109. (Fonte da imagem: Melexis)

Resumo

As etiquetas RFID estão sendo usadas cada vez mais em aplicações de rastreamento logístico. A variedade de tecnologias disponíveis de etiquetas RFID, incluindo várias bandas de frequência, arquiteturas de energia e protocolos de comunicação e dados, significa que há etiquetas disponíveis que podem atender a uma ampla gama de necessidades de rastreamento logístico. Com algumas tecnologias RFID, uma pessoa pode ler centenas de etiquetas RFID de uma vez à distância, acelerando o processo de gerenciamento de inventário. No caso de instrumentos cirúrgicos, o uso de etiquetas RFID pode eliminar uma fonte de erro humano e tornar as cirurgias mais seguras. As etiquetas RFID UHF e NFC são as formas mais comuns de RFID em soluções logísticas, mas as etiquetas LF de 125 kHz podem suportar projetos simples e de baixo custo com o mínimo de componentes externos.