Magicstrap® pro RFID identifikaci elektronických výrobků

Na veletrhu productronica 2013 byla v expozici firmy Beta LAYOUT předvedena možnost výroby desky plošných spojů s embedded RFID čipem zvaným Magicstrap® od společnosti Murata. Za snahou využít RFID pro identifikaci elektronických výrobků stojí však nejen společnosti Beta LAYOUT a Murata, ale několik dalších firem sdružených do konsorcia „RFID Value Creators in Electronics“. V tomto článku jsou uvedeny základní informace nejen o vlastním čipu Magicstrap®, ale také o zmíněném konsorciu a potřebě RFID identifikace výrobků v elektronickém průmyslu. Jako podklady byly použity materiály firmy Murata.

Snaha o využití RFID ve výrobě není nic nového. Elektronický průmysl již delší dobu hledá možnosti automatické identifikace výrobků, která by umožnila jednoduché sledování produktu během jeho výroby i zjišťování různých dalších údajů, ideálně po celou dobu životnosti výrobku. To je důležité nejen pro samotnou výrobu, ale také pro další operace s daným produktem (vývoj, logistika, distribuce, marketing a prodej, servis, recyklace). A navíc, pokud jsou data o výrobku uložena bezpečně tak, že je nelze (alespoň jednoduše) neoprávněně měnit, zabrání se pirátskému kopírování či jinému zneužití daného výrobku.

Proč právě RFID, a ne třeba čárový kód či značení laserem? Identifikování pomocí optického záznamu, který zahrnuje např. čárové kódy, nemůže být často u elektronických výrobků použito, protože nosič informací, např. deska plošných spojů, je většinou nedostupný, schovaný někde uvnitř zařízení.

Počáteční pokusy s RFID používaly kmitočtová pásma 125 kHz a 13,56 MHz. Tato řešení se zdála poměrně vhodná, protože byla založena na pasivním řešení přenosu dat bez použití baterie, přičemž obal výrobku nepředstavoval pro rádiový přenos dat žádný problém. Nicméně se ukázalo, že používání těchto relativně nízkých kmitočtů vyžadovalo nepřiměřeně velké antény pro čtení dat na vzdálenosti větší než pouhých několik centimetrů.

Naproti tomu se kmitočtový rozsah UHF ukázal jako jediná možná cesta pro použití pasivních RFID zařízení, protože i pro komunikaci na vzdálenosti větší než 5 metrů stále ještě stačí poměrně malá anténa. Tento rozsah vzdálenosti již umožňuje použití v aplikacích, které mohou být potřebné jak při tvorbě prototypu, tak také při samotné výrobě a následném používání výrobku po celou dobu jeho životnosti. UHF RFID technologie založená na globálním standardu (ISO 18000-6C a EPC Global C1G2) může být použita i v případě zcela rozdílných míst počáteční výroby, dokončení i používání výrobku. Na rozdíl od optické identifikace umožňuje použití RFID dodatečné modifikace již vložených dat díky své přepisovatelné paměti v čipu součástky. Neméně důležité je, že UHF standard také umožňuje hromadné snímání dat tak, jak to je již dnes používáno v oděvním a logistickém průmyslu. Zde je potřeba říci, že hromadné sledování elektronických zařízení představuje jistý problém pro jejich vysoký obsah kovů, ale firma Siemens dokázala ve svých instalacích, že i tento problém lze řešit [1].

Nutnost systémové integrace bývala překážkou při zavádění RFID technologie a často vedla k nedokončení RFID projektů [2]. Proto vzniklo konsorcium „RFID Value Creators in Electronics“, které podporuje zavedení RFID v elektronickém průmyslu a řeší jak technické záležitosti, tak systémovou integraci. Konsorcium nabízí zájemcům různá kompletní řešení, která jim pomohou snáze a rychleji dosáhnout požadovaného výsledku. Přizpůsobivé řešení nabízené členy konsorcia umožňuje poprvé uplatnit UHF RFID u výrobků už od počátku vývoje přes výrobu až po finální použití. Využití RFID u společnosti Schneider Electric je velmi dobrým příkladem možností, které RFID poskytuje [3].

Kdo jsou členové konsorcia a čím se konkrétně zabývají? Firma Murata dodává SMT součástku zvanou Magicstrap ® jako optimální řešení, při kterém se deska plošných spojů používá jako RFID štítek s daty. Firma NXP Semiconductors nabízí UCODE RFID IC pro Magicstrap®. Firma Brooks spolupracuje jako systémový integrátor hardwaru, který umí pro zákazníka vytvořit RFID řešení. Firma Kathrein, jako dodavatel antén pro RFID čtecí zařízení s různými rozsahy vzdáleností, zajišťuje, aby mohla být deska s RFID čipem použita jako nosič dat celým cyklem výroby i používání daného produktu. Společnost Enso Detego zajišťuje software (middleware) nezbytný pro připojení RFID hardwaru k existující IT infrastruktuře. Další člen konsorcia – firma Beta LAYOUT – přináší technologii vkládání RFID Magicstrap® čipu do desky plošných spojů. Firma Alpha-board navrhuje desky pro zákazníky, kteří mají speciální požadavky na realizaci antény na desce.

Konsorcium „RFID Value Creators“ si vytklo za cíl rozšířit možnosti využití RFID technologie a zároveň ji učinit dostupnou širokému okruhu uživatelů, a proto ve svých řadách ráda uvítá všechny zájemce o spolupráci.

Základním prvkem každého RFID systému je unikátní RFID tag, který spolehlivě identifikuje výrobek. Neoprávněné použití může být ošetřeno pomocí přístupového hesla. Když se vezme v úvahu velikost a složitost elektronického systému, je otázkou, která část zařízení představuje nejvyšší hodnotu výrobku a kde tedy má být RFID čip umístěn tak, aby mohl být použit jak během výroby, tak i po ní. Deska plošných spojů se nabízí jako samozřejmý kandidát na umístění RFID čipu, protože zajišťuje funkčnost výrobku a je spojena s počátkem vytváření hodnoty celého zařízení. Teoreticky je také DPS ideální pro RFID, protože mívá větší kovovou plochu v podobě GND vrstvy desky a ta může být principiálně využita jako anténa. Tato měděná plocha pokrývá většinou celou desku (nebo její větší část), ať už celistvě, nebo přerušovaně. Elektrické vlastnosti zemnicí vrstvy desky představují mnoho proměnných, které dříve ztěžovaly, nebo i znemožnily jejich využití v RFID.

Obr. 1 Blokový diagram součástky Magicstrap®

A právě zde vstupuje do hry součástka Magicstrap® od společnosti Murata. V této součástce kombinuje Murata konvenční UHF RFID čip (UCODE IC od NXP Semiconductors) s keramickou vícevrstvou strukturou, která nese adaptivní přizpůsobovací obvod zhotovený ve 3D na různých keramických vrstvách (obr. 1). Magicstrap® může být umístěn na DPS běžným způsobem používaným u SMT součástek. Integrovaný přizpůsobovací obvod čipu umožňuje použít zemnicí plochu desky jako anténu. To znamená, že Magicstrap® umožňuje využít DPS jako UHF RFID tag, a to jednoduše přidáním navíc jediné součástky v běžném procesu osazování desky. Jediný rozdíl bude v pracovním rozsahu vzdáleností. Obr. 2 ukazuje minimální plochu desky vyžadovanou pro praktické použití. Plocha 0,25 cm² je již dostatečně velká pro čtení ze vzdálenosti větší než 50 cm. Pro dosažení optimální stability má firma Murata vypracovaná 4 doporučení pro návrh desky s ohledem na připojení čipu Magicstrap® (obr. 3). Rozměr delší strany desky je dalším faktorem, který ovlivňuje čtecí vzdálenost (obr. 3). Za nejlépe vyhovující je pokládáno řešení typu 3, které nabízí optimální kompromis mezi vzdáleností a potřebnou plochou desky. Zájemci o popisované řešení mohou získat zdarma informace přímo u společnosti Murata. Studie od firmy Kathrein potvrzuje proveditelnost a současně i možnost simulace výsledků provedené ještě před vlastní realizací [4]. To platí i v případě výroby panelu, kde několik desek uložených vzájemně vedle sebe funguje jako tag. Studie také ukazuje, že další optimalizace čtecí vzdálenosti je možná použitím vhodného simulačního programu a následnou odpovídající změnou v návrhu desky, případně vytvořením antény. Firma Alpha-board nabízí tuto optimalizaci jako službu na zakázku.

Obr. 2 Možnosti provedení na desce a jejich vliv na čtecí vzdálenost

Obr. 3 Čtecí vzdálenosti v závislosti na délce desky a typu provedení z obr. 2

K zajištění spolehlivé funkčnosti musí být řešení pomocí RFID vždy komplexní, a musí se tedy vzít v úvahu také zařízení pro čtení a záznam dat. Tag sám o sobě by měl umožňovat čtení na větší vzdálenosti, zatímco přizpůsobení specifickým požadavkům na vzdálenost čtení by se měla řešit přizpůsobením čtecího zařízení. Potřebný dosah lze ovlivnit výběrem antény a výkonem čtecího zařízení. Také je nezbytné myslet na to, že většinou je třeba „načíst“ jen jednu desku, zatímco použití UHF RFID může způsobit nechtěné čtení dat i jiných desek, protože s použitím čipu Magicstrap® lze dosáhnout snadno čtecí vzdálenosti i několika metrů. Z toho ale vyplývá, že čtecí zařízení, které je nastaveno na maximální výkon a dosah, identifikuje všechny desky v daném rozsahu vzdálenosti. To může být výhodou v logistice, kde je často potřeba snímat mnoho předmětů najednou, ale je nevýhodou při výrobě elektroniky, která může naopak vyžadovat bezchybné identifikace jednotlivých desek během výrobního procesu. Navíc se ve výrobě pracuje s panely, které sdružují několik desek dohromady (např. během průchodu osazovací linkou) a u nichž je potřeba přesně identifikovat jednotlivé desky panelu.

Touto problematikou se zabývá společnost Kathrein. Kromě antén pro střední nebo dlouhý dosah dodává Kathrein také antény typu LORA pro individuální adresování UHF tagů, které jsou umístěny blízko vedle sebe (viz obr. 4). Dalším krokem může být použití softwaru pro filtrování nechtěně snímaných dat. V každém případě jsou výběr vhodné antény a správná analýza prostředí základem pro návrh spolehlivého systému. Firma Brooks, která má mnohaleté zkušenosti s realizací RFID systémů ve výrobním prostředí, vám pak může pomoci vytvořit v krátké době spolehlivý systém. Funkčnost lze následně nechat otestovat v RFID laboratoři společnosti Kathrein v Amerangu nedaleko Mnichova, kde mají osazovací linku, která nabízí možnost předvedení funkčnosti a spolehlivosti za provozních podmínek.

Obr. 4 Anténa LORA pro individuální adresování UHF tagů umístěných blízko sebe

Ještě před vstupem do výroby je ale potřeba vrátit se o jeden krok zpět a podívat se na proces vývoje. Dnes je běžné, že mnohé firmy nemají vůbec vlastní výrobní zařízení nebo mají naopak svou výrobu vytíženou na maximum. To vede k potřebě zadávat prototypovou výrobu externě. Firma Beta LAYOUT má v této oblasti bohaté zkušenosti a nabízí svým zákazníkům rychlou výrobu desek, a to i v malých sériích. Ve firmě Beta LAYOUT používají RFID na desce již při jejím počátečním vývoji, např. za účelem identifikace verze použitého softwaru nebo typů určitých součástek.

Novým řešením firmy Beta LAYOUT je ale integrování čipu Magicstrap® dovnitř desky plošných spojů. Přizpůsobovací obvod na vícevrstvé struktuře čipu funguje totiž také jako anténa, a tak může být Magicstrap® použit jako kompletní UHF tag. Protože „anténa“ čipu má zcela minimální rozměry, je vzdálenost čtení omezena na několik milimetrů bez jakékoliv vnější antény. Firma Beta LAYOUT vyvinula řešení zapouzdření čipu Magicstrap® dovnitř desky, které vyžaduje jen velmi nízké náklady. Embedded RFID čipy tak mohou např. pomoci zabránit pirátskému kopírování výrobků, protože jsou coby zdroje informací o výrobku zcela skryty a nepřístupné. Beta LAYOUT také nabízí svým zákazníkům zhotovení prototypů desek s integrovanou funkčností RFID, což jim umožňuje ohodnotit použití RFID na desce již v zárodku vývoje zařízení. Toto řešení umožňuje využívat standardní čtecí zařízení, pokud je k němu připojena smyčková anténa, nebo anténu LORA od Kathrein, která je rovněž schopna se spojit s Magicstrap ® bez použití přídavné antény.

Kromě vývoje nových zařízení, kdy návrh desky může být připraven pro použití RFID čipu již od začátku, může být takový čip použit i na deskách již navržených, a to při dodatečné změně jejich návrhu. A právě Magicstrap® je vhodným řešením takové úlohy. Beta LAYOUT nabízí také podporu při ohodnocování dodatečného využití RFID technologie na již navržené desce – řešení spočívá v dodání miniaturní desky s jedním z několika doporučených typů návrhu při použití čipu Magicstrap®. Dodaná destička s čipem se připevní na již existující desku a slouží k testování funkčnosti.

Beta LAYOUT také nabízí kompletní UHF RFID starter kit, který umožňuje vývojářům použít a vyzkoušet UHF RFID technologii již v počáteční fázi vývoje nového zařízení.

Efektivnost řešení pomocí RFID závisí také na softwaru, který získaná data zpracovává. Ve většině případů použití RFID je k dispozici již zavedená IT infrastruktura. Ta umožňuje integraci řešení tag-čtečka provést rychle a bez problémů. Aby se tak stalo, speciální aplikace (middleware) zajistí, že z tagu do čtečky půjdou správná data a že tato data budou předána dále ke zpracování a zobrazení. Tagy, které nejsou pro daný proces důležité, budou rovněž v dosahu čtecích zařízení a je potřeba je nějakým způsobem při čtení eliminovat. Kromě optimální kombinace parametrů tagu a čtecího zařízení může být tato záležitost řešena i pomocí softwaru s inteligentním algoritmem, který vyvinula společnost Enso Detego.

Velkou výhodou použití technologie RFID je možnost jejího využití nejenom během vývoje a výroby, ale po celou dobu životnosti výrobku. To je důležité i z hlediska dodržování různých regulačních směrnic, např. EU directive 2002/96/EC. Příslušné orgány EU označily RFID technologii jako významný faktor napomáhající při recyklaci elektronických zařízení (např. pro opětovné použití drahých kovů). V odkazu na literaturu je uvedena publikace navazující na toto téma [5].

Více informací o čipu Magicstrap ® najdete na: www.murata.eu/rfid/index.html.