Interaktivní RFID a bezkontaktní technologie pro nové aplikace

RFID a elektronika vyrůstají společně

Radiofrekvenční identifikace (RFID) proniká do našich životů již v celé řadě oborů – kontrola přístupu do kanceláří, samoobslužné výpůjčky v knihovnách, bezdotykové odbavení v lyžařských střediscích nebo snadné a rychlé provádění inventur v prodejnách módních oděvů. Pasivní RFID tagy nepotřebují baterii, a proto představují levné řešení k identifikaci objektů až do vzdálenosti několika metrů. Čipy RFID se napájejí přímo z pole RF, které je vygenerováno čtečkou. Kromě hojně rozšířených vysokofrekvenčních (HF) nebo ultravysokofrekvenčních (UHF) průmyslových čteček narůstá využití technologie komunikace na krátkou vzdálenost (NFC) v chytrých telefonech a dalších mobilních zařízeních, které lze využívat také jako HF čtečky, a proto dále přenášet radiofrekvenční identifikaci do rukou zákazníků.

Ve výše zmíněných aplikacích mají RFID tagy podobu samostatných karet, tokenů nebo samolepicích štítků připevněných k produktu, který identifikují. Metoda sledování pohybu RFID track&trace se začíná šířit také u elektronických zařízení a nahrazuje čárové kódy v současnosti používané k identifikaci desek tištěných spojů (PCB). První generace RFID čipů pro sledování desek pracuje jako samostatný tag, který je umístěn na stejné desce – mezi RFID čipem a obvodem na desce není žádné spojení.

Nová generace RFID čipů nyní nabízí kromě anténního portu i spojení I²C, a proto lze čipy připojit přímo k mikroprocesorům a čtečkám ASICS. Co to znamená pro vývojáře elektroniky a produktové, servisní a výrobní manažery? Zcela nové možnosti pro elektroniku během výroby, testování a servisu a koncovému uživateli může nabídnout vyšší pohodlí.

Zcela nové aplikace mění způsob, jakým komunikujeme s elektronickým zařízením

Použití pasivního RFID přináší nové úrovně snížení spotřeby energie: od nízké spotřeby po spotřebu nulovou, například když se prostřednictvím RFID/NFC budí zařízení bez pohotovostního napájení. Nebo při komunikaci se zařízením, které je zcela vypnuto (nebo v něm není vložena baterie), kdy můžete číst diagnostické údaje nebo zapisovat nastavení konfigurace do zařízení, které není napájeno.

V této části posoudíme několik oblastí použití, ukážeme si výhody a funkční implementaci.

Obr. 1 Pasivní RFID tagy jsou napájeny polem čtečky-zapisovače a ke komunikaci nepotřebují baterii ani jiný zdroj napájení.

Nejnovější úpravy (přizpůsobení)

Řada elektronických zařízení musí přijít na trh v různých variantách – různé nastavení země nebo jazyka, různé sady funkcí, adaptace pro prodejní kanály nebo verze firmwaru. Jedná se například o domácí spotřebiče (myčky, sušičky, mikrovlnné trouby, kávovary), mobilní a bezdrátové telefony a mnoho jiných přístrojů. Ve většině případů je hardware těchto zařízení totožný pro celou produktovou rodinu a varianty se liší pouze konfiguračními daty, která jsou uložena v paměťové oblasti na hlavní desce zařízení. Vytváří se tak dilema mezi jednoduchostí programování a flexibilitou dodavatelského řetězce: Čím dříve je ve výrobním procesu varianta naprogramována, tím je tento proces programování snadnější. Při včasném přizpůsobení zákazníkovi však má dodavatelský řetězec problémy s pružností, protože výrobce musí vytvořit skladové zásoby ze všech variant a nemůže rychle reagovat na pozdější změny v poptávce (viz obr. 2).

Obr. 2 Rozhodování mezi oběma variantami - Programování založené na kontaktním principu může ušetřit buď náklady programování, nebo náklady dodavatelského řetězce, ale ne obojí.

Radiofrekvenční identifikace nabízí řešení tohoto rozhodování: Při ukládání konfiguračních dat prostřednictvím čipu RFID se dvěma porty (čip s rozhraním RFID a portem I²C) bude pozdější přizpůsobení požadavkům zákazníka mnohem jednodušší. Podle velikosti antény a zvolené frekvence RFID je možný dosah programování až na vzdálenost několika metrů (za předpokladu, že se mezi anténou čtečky a anténou tagu nebude vyskytovat nějaké významnější zastínění). Toto řešení dovoluje zařízení přizpůsobit požadavkům zákazníka i v případě, kdy je již umístěn v prodejním balení, a proto umožňuje rychle reagovat na měnící se požadavek jedné nebo jiné varianty. V důsledku toho se zvyšuje pružnost dodavatelského řetězce (viz obr. 3).

Obr. 3 Systém nejnovějších úprav (přizpůsobení) požadavkům zákazníka využívající RFID (konfigurace s nulovou spotřebou energie) se snadno zavádí a šetří náklady dodavatelského řetězce.

Nejnovější úpravy (přizpůsobení) prostřednictvím RFID

Implementace systému nejnovějších úprav (přizpůsobení) požadavkům zákazníka není složitá. V zařízení potřebujete pouze čip s duálním rozhraním UCODE I²C a anténní strukturu, která je součástí desky plošných spojů. Podrobnosti týkající se implementace jsou vysvětleny v další části. Systém nejnovějších úprav prováděných přes kryt používá frekvenční pásmo UHF (868...915 MHz), protože pouze toto pásmo umožňuje čtení/zápis v okruhu několika metrů.

Proces nejnovějších úprav je znázorněn na obrázku 4. Hlavní význam spočívá v tom, že zařízení může být v době, kdy čtečka RFID zapisuje konfigurační data do uživatelské paměti čipu EEPROM s duálním rozhraním, zcela bez napájení.

Obr. 4 Zápis s nulovou spotřebou energie s využitím paměti duálního rozhraní UCODE I²C. Je znázorněn proces zápisu se stacionární čtečkou UHF a anténou.

Zjednodušení služeb pro zákazníky

Když se elektronické zařízení vrátí na údržbu nebo opravu, musí se shromáždit některá základní data:

• Identifikace produktu (výrobní číslo, datum výroby, verze hardwaru, ...)
• Verze firmwaru
• Historie údržby a oprav
• Protokol o činnosti nebo chybách

Technologie RFID i zde nabízí pohodlný způsob shromažďování dat přímo ze zařízení určeného k servisu. Schopnost čtení paměti duálního rozhraní při nulové spotřebě energie (viz obr. 5) představuje ve srovnání s metodami používanými v současnosti významnou výhodu. Podívejme se na jednotlivé položky:

Obr. 5 Čtení při nulové spotřebě energie s využitím paměti duálního rozhraní UCODE I²C. Zde je znázorněn proces čtení s příruční čtečkou UHF.

Identifikace produktu

To se v současnosti řeší vytištěným nebo vyrytým výrobním číslem, které může doplňovat čárový kód. Veškerá ostatní data (datum výroby, verze hardwaru apod.) lze poté načíst z databáze, kde výrobní číslo slouží jako klíč. Toto řešení má jisté nevýhody: Kvůli přístupu k výrobnímu číslu se zařízení musí často otevřít, protože z estetických důvodů může být použití výrobního čísla na vnějšku přístroje zakázáno. Výrobní číslo může být nečitelné z důvodu opotřebení nebo protože bylo vyškrabáno kvůli pokusu o podvodné uplatnění záruční opravy po uplynutí záruční lhůty.

Výhody RFID: Výrobní číslo lze přečíst bez přímé viditelnosti, pouhým přiblížením zařízení do blízkosti čtečky RFID, bez nutnosti jeho otevírání nebo hledání čárového kódu. Ušetří se tak cenný čas servisního personálu. RFID tag může kromě výrobního čísla obsahovat také další informace, takže datum výroby, verze hardwaru a další údaje mohou být uloženy na čipu a lze je načíst bez připojení k databázi. Pokus o servisní podvod je tak mnohem obtížnější, protože čip RFID je součástí zařízení.

Verze firmwaru

Aby se dala jednoznačně identifikovat verze firmwaru, zařízení musí být funkční, musí být napájeno a prostřednictvím servisního portu (např. infraport nebo servisní konektor) musí komunikovat s diagnostickým hardwarem.

Výhody RFID: Mikroprocesor (MCU) zařízení zapíše verzi firmwaru do uživatelské paměti duálního rozhraní při každém spuštění.

Později lze tímto způsobem verzi firmwaru načíst RFID čtečkou i bez napájení zařízení, a dokonce i když zařízení již není funkční.

Historie údržby a oprav

Obvykle je zaznamenána v databázi, která jako klíč používá výrobní číslo. Výhody RFID: Některé údaje o servisu a opravách lze ukládat offline do uživatelské oblasti paměti duálního rozhraní, a proto jsou přístupné pro základní kontrolu, i když databáze není dostupná, například kvůli chybějícímu síťovému připojení.

Protokol o činnosti nebo chybách

Kvůli usnadnění diagnostiky a získání údajů o využití může zařízení ve vnitřní paměti implementovat protokol, do kterého zaznamenává poslední úspěšnou operaci, kódy chyb nebo statistiky zařízení, např. počítadlo provozní doby. Tato data lze načíst pouze tehdy, jestliže je zařízení napájeno, je funkční a je připojeno k diagnostickému hardwaru, podobně jako při získávání verze firmwaru.

Výhody RFID: Mikroprocesor zapisuje informace protokolu přímo do paměti duálního rozhraní a servisní technik načte její obsah čtečkou RFID. To šetří čas a námahu, protože protokol o činnosti a o chybách lze načíst bez napájení, připojení nebo otevření zařízení.

Obousměrná komunikace

U některých typů pamětí duálního rozhraní je mezi čtečkou/zapisovačem a mikroprocesorem dokonce možná obousměrná komunikace. Například UCODE I²C podporuje můstkový režim, ve kterém se mezi RFID a mikroprocesorem vyměňují data prostřednictvím vyrovnávacího registru. Můstkový režim má tři výhody:

• Data nejsou omezena velikostí uživatelské paměti tagu RFID tagu (uživatelská paměť má obvykle pár kilobitů).
• Není omezen počet zapisovacích cyklů.
• Vyšší přenosová rychlost díky rychlejším zápisům do registrů a mechanismus přerušení, který upozorní mikroprocesor, jakmile budou data k dispozici.
• Není nutné fyzické spojení (které může ovlivnit měření).

Přiblížením ke čtečce RFID lze zařízení dokonce probudit. Tímto způsobem se vytvoří signál přerušení při prvním zápisu do registru z UHF čtečky/zapisovače, i když je zařízení v režimu spánku, který slouží k úspoře energie během nečinnosti. Princip můstkového režimu je znázorněn na obrázku 6.

Obr. 6 Příklad paměti duálního rozhraní v můstkovém režimu – UHF čip UCODE I²C.

Zde je neúplný seznam aplikací, které mohou využívat obousměrnou komunikaci RFID:

• Čtení aktuálně naměřených dat: Snímací zařízení.
• Načítání aktuálních informací o interním stavu servisním technikem: Zařízení pro domácnosti, průmyslová zařízení.
• Načítání protokolů chyb, které překračují kapacitu uživatelské paměti čipu RFID (příklad UCODE I²C: 3,3 kbit): Zařízení pro domácnosti, průmyslová zařízení.
• Bezkontaktní aktualizace firmwaru.
• Zápis většího počtu nastavení do přístroje, která překračují kapacitu uživatelské paměti čipu RFID.
• Využití čtečky RFID jako externího uživatelského rozhraní, které umožňuje snadnější ovládání přístroje. To je výhodné především ve spotřebitelských prostředích při výběru řešení kompatibilního s NFC. V tomto případě lze jako externí uživatelské rozhraní použít každý telefon vybavený NFC. Vzhledem k vysokému a stoupajícímu počtu telefonů NFC v rukou zákazníků je infrastruktura na trhu již přítomna. Podrobnosti naleznete v dokumentaci společnosti [1].

Sledování a pohyb ve výrobě a další aspekty

Některé společnosti zabývající se elektronikou zahájily přechod identifikace svých tištěných spojů z čárového kódu na RFID – a již si dopřávají výhod, které tato změna přináší:

• Optimalizace procesu (odstranění kritických fází).
• Omezení ručního skenování.
• Možnost hromadného skenování.
• Jasná identifikace desek i po zabudování/zalisování.

Společnosti Cisco a Jabil oznámily 80% zvýšení své produkce po zavedení technologie RFID pro sledování a pohyb [2]. Několik vlastností pasivní RFID technologie přináší výše zmíněné výhody:

• Přímá viditelnost není nutná – identifikátor PCB lze načíst i přes kryt (za předpokladu, že není zcela zastíněn).
• Úplná serializace na úrovni položek – každá deska tištěných spojů má jedinečné rozlišovací číslo.
• Přístup ke čtení/zápisu – kromě výrobního čísla lze do uživatelské paměti čipu RFID během výrobního procesu postupně ukládat i další údaje.

Bylo založeno konsorcium RFID Value Creators (www.rfid-valuecreators. com) se šesti členy, jehož záměrem je pomoct výrobcům elektroniky při zavádění systému sledování a pohybu v jejich produktech a výrobním systému. Vzájemná spolupráce společností Beta LAYOUT, Brooks, Enso Detego, Kathrein, Murata a NXP Semiconductors umožňuje podporu a rychlé a snadné zavádění technologie RFID ve výrobě elektroniky.

Jednoduché párování Bluetooth pomocí NFC

Párování příslušenství Bluetooth s telefonem přináší většině lidí problémy. Je třeba stisknout několik tlačítek, vybrat nabídky, aktivovat režim skenování, který vyhledá zařízení a zadat přístupové kódy. Jedná se o komplikovaný a časově náročný proces.

Díky pasivním NFC tagům v příslušenství je to podstatně jednodušší: nyní stačí, když uživatel zařadí toto příslušenství do svého NFC telefonu. Díky funkci detekce pole integrované do čipu na tagu NFC se příslušenství automaticky zapne, telefon si načte Bluetooth ID a informace pro párování, které jsou uloženy v NFC tagu, a pak se automaticky spáruje s příslušenstvím, bez nutnosti vyvolání režimu skenování Bluetooth, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obr. 7 Párování Bluetooth prostřednictvím NTAG203F.

Tuto technologii založenou na čipu NTAG203F využívá mnoho nejnovějších produktových verzí náhlavních souprav Bluetooth, zařízení ke streamování médií, reproduktorů i myší a bylo prokázáno, že pasivní tagy NFC vestavené do příslušenství skutečně usnadňují párování Bluetooth se smartphony.

Tato funkce je sdružením NFC forum standardizována jako Bluetooth Secure Simple Pairing a podrobnosti lze vyhledat pod odkazem [3].

Tabulka 1 Přehled možných implementací

Posouzení implementace – Výběr frekvence

Při implementaci RFID pro elektronické zařízení narazíme nevyhnutelně na volbu správné frekvence. K dispozici je několik frekvencí a standardů a každý z nich má své vlastní výhody a omezení. Pro elektroniku jsou dostupné dvě hlavní odpovídající frekvence a technologie:

UHF (868…915 MHz, EPCglobal Gen2): dlouhý dosah (několik metrů), hojně rozšířeno v systémech řízení zásob na úrovni položek. Ideální pro výrobní a průmyslové aplikace. K dispozici je široká nabídka jednoúčelových stacionárních a příručních čteček.

HF/NFC (13,56 MHz, ISO14443): krátký dosah (několik centimetrů). Kromě jednoúčelových stacionárních a příručních čteček lze tyto tagy číst a zapisovat také prostřednictvím NFC telefonů. Na trhu je již více než 100 milionů telefonů vybavených funkcemi NFC [4], a díky tomu je technologie NFC ideální volbou tam, kde se předpokládá, že zákazníci budou komunikovat s RFID tagy v elektronickém zařízení.

Jak implementovat funkci RFID do zařízení

Funkci RFID lze do zařízení naimplantovat třemi hlavními způsoby:

• Čip RFID osazený na desce tištěných spojů prostřednictvím běžné technologie pro povrchovou montáž.
• Čip RFID zabudovaný na desce tištěných spojů.
• Nalepovací štítek RFID („nálepka“) použitý někde v zařízení (pouze pro aplikace typu sledování a pohyb).

U prvních dvou možností má anténa podobu vhodně navrženého měděného prvku přímo na desce plošných spojů. Dosah při čtení a zápisu závisí na velikosti antény. V pásmu UHF disponují dobrým dosahem i malé antény s rozměry 5 × 5 mm a 10 × 10 mm (za předpokladu, že se nebude vyskytovat nějaké významnější zastínění). Další informace týkající se konstrukce antén UHF naleznete pod odkazem [7]. Podrobnosti o anténách HF (NFC) naleznete pod odkazem [8].

Zvláštní formou komponentu SMD je modul Murata Magic Strap, který kromě RFID čipu obsahuje také interní anténu s krátkým dosahem. Toto řešení umožňuje čtení a zápis čipu dokonce před jeho připájením na druhou anténu desky, a proto umožňuje sledování a pohyb desky od první součástky.

Zařazení RFID čipu na desku plošných spojů (druhá možnost) představuje další náklady, ale má výhodu, že lze sledovat pohyb desek tištěných spojů jako suroviny (neosazené desky).

U třetí možnosti, kterou je štítek RFID, odpadá výrobci štítku/vložky práce s návrhem antény a z pohledu návrhu proto představuje nejmenší úsilí. Pokud jde o výběr umístění RFID tagu, má největší flexibilitu. Problémem je, že štítky RFID obvykle neodolají pájecím teplotám, a proto je lze použít na desky tištěných spojů nebo na kryt až v pozdější fázi.

Závěr

Pasivní RFID tagy přináší nové možnosti při návrhu, výrobě a servisu elektronických zařízení. Takže jaký bude váš příští krok? Tým globální zákaznické podpory společnosti NXP a naši kvalifikovaní partneři jsou připraveni vám pomoci s výběrem optimálních metod vkládání čipů UCODE a NTAG do vašich elektronických produktů. Společnost NXP poskytuje asistenci od konceptu a návrhu přes zajištění slučitelnosti až po výrobu a zaručí rychlou a bezproblémovou implementaci, která umožní maximalizovat návratnost investic a okamžik vstupu na trh. Chcete-li získat podrobnější informace, kontaktujte autora na adrese Richard.Schmidmaier@nxp.com nebo navštivte náš web www.nxp.com nebo zvláštní webové stránky věnované RFID www.nxp-rfid.com.