Cómo implementar los últimos avances de la RFID en aplicaciones de seguimiento logístico

La logística y la gestión de la cadena de suministro recurren cada vez más a la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID) para proporcionar visibilidad en tiempo real de las ubicaciones y cantidades de materiales y artículos. El uso de etiquetas RFID puede agilizar el proceso de gestión del inventario, reducir las oportunidades de error humano y ayudar a reducir las pérdidas de inventario. Las etiquetas RFID no tienen que ser necesariamente visibles para ser leídas y pueden leerse mientras la etiqueta está dentro de una caja u otro recinto. Además, una persona puede leer cientos de etiquetas RFID a la vez desde la distancia.

Los diseñadores tienen que elegir entre las arquitecturas de potencia y los formatos de datos de las etiquetas RFID y necesitan lectores RFID compactos y precisos. Es posible que las etiquetas y los lectores también tengan que cumplir los requisitos de la norma tecnológica UHF Gen2v2 del código electrónico de producto (EPC) y el formato de datos RAIN RFID.

Este artículo revisa las tecnologías RFID, incluyendo las etiquetas activas y pasivas, y la posibilidad de mejorar el rendimiento de las etiquetas pasivas con la adición de la recolección de energía. Resume los diversos estándares de la industria que los diseñadores deben conocer al desplegar sistemas de seguimiento logístico basados en RFID y termina presentando las etiquetas RFID y las opciones de lectores de STMicroelectronics, Murata Electronics y Melexis Technologies, junto con plataformas de evaluación para acelerar el diseño de soluciones logísticas RFID.

Las plataformas RFID pueden clasificarse de varias maneras: por bandas de frecuencia de funcionamiento, arquitectura de alimentación y formatos de comunicación de datos. Existen tres bandas de frecuencia principales: baja frecuencia (LF), alta frecuencia (HF) y ultra alta frecuencia (UHF). La banda LF abarca de 30 a 300 kiloHercios (kHz) y la mayoría de las etiquetas LF funcionan a 125 kHz. Las etiquetas de baja frecuencia tienen un rango de lectura más corto, de entre 10 y 30 centímetros, y velocidades de lectura más lentas que las etiquetas de alta frecuencia, pero son relativamente menos sensibles a las interferencias electromagnéticas (EMI). Se utilizan para la identificación de cables, instrumentos quirúrgicos, seguimiento de equipos médicos y mantenimiento de inventarios de herramientas.

Las etiquetas de comunicación de campo cercano (NFC) son un subconjunto de la RFID de alta frecuencia. Todas las etiquetas NFC operan en la banda HF, pero no todas las etiquetas en la banda HF utilizan protocolos NFC (Figura 1). Las etiquetas NFC suelen estar limitadas a unos pocos centímetros (cm) de distancia de transmisión, mientras que otros diseños de etiquetas HF pueden transmitir hasta 30 cm. Además, las etiquetas NFC solo están especificadas para funcionar a 13.56 megahercios (MHz). Aunque todas las frecuencias de las etiquetas RFID se utilizan en aplicaciones logísticas, las etiquetas RFID UHF se denominan a veces etiquetas de la "cadena de suministro" debido a su combinación de rangos de lectura más largos, velocidades de lectura más rápidas y la disponibilidad de formatos de datos optimizados para aplicaciones logísticas.

Figura 1: Las etiquetas NFC son un subconjunto de la tecnología LF RFID y suelen funcionar a 125 kHz. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Las etiquetas RFID pueden clasificarse según sus arquitecturas de potencia:

• Las etiquetas activas tienen una batería y pueden transmitir periódicamente, sin ser encuestadas, y pueden tener rangos de lectura de hasta 100 metros.
• Las etiquetas pasivas deben ser consultadas por un lector. La energía de la señal de radiofrecuencia del lector se enciende y alimenta la etiqueta, reflejando la información al lector.
• Las etiquetas de captación de energía son una forma de etiqueta pasiva que puede captar la energía de radiofrecuencia transmitida por el lector y utilizar la energía captada para alimentar otros componentes del sistema.
• Las etiquetas semipasivas, también denominadas etiquetas asistidas por batería, incluyen una batería pero funcionan como una etiqueta pasiva y solo transmiten datos cuando son consultadas por un lector.

Las etiquetas pasivas, incluidos los diseños UHF y NFC, son las formas más comunes de RFID en las soluciones logísticas. Las etiquetas activas son mucho más caras y suelen utilizarse para el seguimiento de activos de gran valor en los sectores de la construcción, el transporte y la sanidad. Las etiquetas semipasivas, especialmente las que utilizan la tecnología NFC, solo se encuentran en aplicaciones específicas como los teléfonos móviles.

Las normas ISO/IEC 14443 e ISO/IEC 15693 garantizan la interoperabilidad de los dispositivos con NFC. El funcionamiento de la NFC se basa en el acoplamiento inductivo y es sensible a la orientación de la antena (figura 2). Un dispositivo NFC puede ser un diseño pasivo alimentado por el campo de RF generado por otro dispositivo NFC o un diseño semipasivo con una fuente de alimentación por batería. Debido a su corto alcance de transmisión, las etiquetas NFC son intrínsecamente más seguras. Además, las etiquetas NFC deben leerse de una en una, mientras que otras tecnologías RFID, como las etiquetas UHF, permiten la lectura simultánea de un gran número de etiquetas. En comparación con otras tecnologías LF RFID, las etiquetas NFC pueden almacenar y transmitir mayores cantidades de información, lo que aumenta su utilidad en aplicaciones logísticas. Una etiqueta NFC RFID dinámica es una etiqueta de doble interfaz, de transferencia rápida y de recolección de energía con interrupciones configurables, gestión de RF y modos de funcionamiento de baja potencia.

Figura 2: La orientación adecuada de la antena es necesaria para permitir el acoplamiento inductivo que requieren los dispositivos NFC. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

RAIN y EPC para la gestión logística

El uso del protocolo ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 es promovido por la alianza RAIN (Identificación de frecuencia de radio) RFID. La tecnología RAIN se ha desarrollado para enlazar las etiquetas RFID UHF con la nube a través de Internet. El EPC gen 2v2 de RAIN es un protocolo para las etiquetas RFID pasivas y favorece la seguridad y la privacidad mediante la autenticación de etiquetas y lectores. RAIN ha modificado el sistema de numeración ISO para simplificar el uso de los números de identificación de las empresas.

El estándar de identificadores universales EPC para objetos físicos fue desarrollado por EPCglobal, una empresa conjunta entre GS1 US (antes Uniform Code Council, Inc.) y GS1 (antes EAN International). El EPC ha sido adoptado como norma ISO 18000-6C. Estandariza la forma en que se comunican los lectores y las etiquetas y cómo se comparten los datos del EPC entre los usuarios. El EPC es un identificador y un formato de datos, mientras que la RFID es la tecnología de soporte de radiofrecuencia.

Etiquetas NFC dinámicas

Para soluciones logísticas que puedan beneficiarse de las etiquetas NFC dinámicas, los diseñadores pueden recurrir a la familia ST25DVxxKC de STMicroelectronics. Los dispositivos de esta familia ofrecen 4 kilobits (Kbit), 16 Kbit y 64 Kbit de memoria programable con borrado eléctrico (EEPROM). Por ejemplo, el ST25DV04KC es un dispositivo de 4 Kbit. Todos los dispositivos ST25DVxxKC utilizan el protocolo NFC ISO/IEC 15693 y tienen dos interfaces. El enlace serie I2C puede funcionar con una fuente de alimentación de corriente continua, como una batería. El enlace de RF se activa cuando la energía de RF de la portadora recibida alimenta el dispositivo. Estas etiquetas también incluyen una capacidad de recolección de energía para alimentar componentes externos (Figura 3). Esta salida analógica (V_EH) proporciona la tensión analógica V_EH disponible cuando el modo de recolección de energía está activado y cuando la intensidad del campo de RF es suficiente. La salida de la tensión de captación de energía no está regulada.

Figura 3: Los dispositivos ST25DVxxKC utilizan el protocolo NFC ISO/IEC 15693 (bloque central), una interfaz I2C (abajo a la derecha) y capacidad de captación de energía (en los bloques Analog Front End y Digital Unit Control). (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Tarjeta de evaluación del lector NFC

La X-NUCLEO-NFC03A1 de STMicroelectronics es una placa de evaluación de lector de tarjetas NFC basada en el ST25R95-VMD5T que puede acelerar el desarrollo de soluciones RFID (Figura 4). El ST25R95-VMD5T gestiona la codificación y descodificación de tramas para aplicaciones estándar, como NFC. El X-NUCLEO-NFC03A1 es compatible con los protocolos ISO/IEC 14443 Tipo A y B, ISO/IEC 18092 e ISO/IEC 15693 (subportadora simple o doble). Puede detectar, leer y escribir con etiquetas NFC Forum tipo 1, 2, 3 y 4. Además, esta placa de evaluación es compatible con la asignación de pines del conector ST Arduino™ UNO R3.

Figura 4: La placa de evaluación del lector de tarjetas X-NUCLEO-NFC03A1 permite ampliar las placas STM32 Nucleo para NFC con soporte para los estándares de proximidad y cercanía. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

RFID en superficies metálicas

Diseñada para su uso en instrumentos y herramientas quirúrgicas, la etiqueta UHF RAIN RFID sobre metal LXTBKZMCMG-010 de Murata utiliza la superficie metálica como antena de refuerzo para aumentar el alcance de lectura hasta 150 cm. El LXTBKZMCMG-010 opera en toda la banda de frecuencias UHF, mide solo 6.0 x 2.0 x 2.3 milímetros (mm) y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +85 °C. Cumple con los protocolos EPC global Gen2 (v2) y RAIN RFID.

La normativa estadounidense exige que se coloque un identificador único de dispositivo (UDI) en cada herramienta quirúrgica. Al igual que los EPC, las normativas sobre UDI están diseñadas para apoyar el uso y el almacenamiento seguros de los equipos médicos. Los sistemas UDI se aplican a muchos tipos de equipos médicos, pero son especialmente importantes en el caso de los instrumentos quirúrgicos, donde existe un riesgo significativo de preparar instrumentos incorrectos para un procedimiento. También se espera que Europa exija la identificación de los instrumentos quirúrgicos en el futuro. Además de los retos logísticos relacionados con las herramientas quirúrgicas, la configuración de las mismas requiere mucho tiempo y es propensa a errores, incluso por parte de personas experimentadas.

Figura 5: Las superficies metálicas de los instrumentos y herramientas quirúrgicas son utilizadas por la etiqueta RFID UHF RAIN sobre metal LXTBKZMCMG-010 de Murata como antena de refuerzo para aumentar el rango de lectura. (Fuente de la imagen: Murata)

IC transceptor LF RFID y placa de evaluación

Las soluciones logísticas que pueden beneficiarse de un transceptor RFID de baja frecuencia pueden recurrir al transceptor RFID de 125 kHz MLX90109 de Melexis. El MLX90109 combina un coste de sistema y un consumo de energía mínimos en un dispositivo altamente flexible. La frecuencia de la portadora del lector y la frecuencia del oscilador se determinan con una bobina y un condensador externos conectados como un circuito resonante paralelo, lo que elimina la necesidad de un oscilador externo y evita los efectos de modulación cero con una sintonización perfecta de la antena. La señal de transpondedor no decodificada puede transmitirse en una interfaz de un solo cable para la implementación más sencilla. Opcionalmente, el MLX90109 puede decodificar la señal del transpondedor en el chip y compartir la señal decodificada a través de una interfaz de 2 hilos con el reloj y los datos. Las características del MLKX90109 incluyen:

• Solución altamente integrada en un paquete SO8
• No se necesita la referencia de cuarzo externa; solo dos resistencias más la antena
• La decodificación en el chip facilita el uso y el diseño rápido del sistema
• Las salidas de reloj y de datos de drenaje abierto permiten la comunicación en serie a 2 hilos

El EVB90109 de Melexis permite a los diseñadores evaluar el rendimiento del CI MLX90109 (Figura 6). También acelera el desarrollo de aplicaciones RFID compactas y rentables. Todos los pines de la placa de evaluación MLX90109 están disponibles en un zócalo doble en línea (DIL) para facilitar la conexión a un microcontrolador externo. El EVB90109 puede utilizarse para leer datos de un transpondedor o para enviar información a un transpondedor utilizando la modulación de clave On/Off. El circuito de "descomposición rápida", formado por un transistor externo y un diodo en paralelo en la antena, permite un funcionamiento rápido del protocolo.

Figura 6: Los diseñadores pueden medir el rendimiento del CI MLX90109 utilizando la placa de evaluación EVB90109. (Fuente de la imagen: Melexis)

Resumen

Las etiquetas RFID se utilizan cada vez más en aplicaciones de seguimiento logístico. La variedad de tecnologías de etiquetas RFID disponibles, incluyendo varias bandas de frecuencia, arquitecturas de alimentación y protocolos de comunicación y datos, significa que hay etiquetas disponibles que pueden satisfacer una amplia gama de necesidades de seguimiento logístico. Con algunas tecnologías RFID, una persona puede leer cientos de etiquetas RFID a la vez desde la distancia, lo que acelera el proceso de gestión del inventario. En el caso de los instrumentos quirúrgicos, el uso de etiquetas RFID puede eliminar una fuente de error humano y hacer que las cirugías sean más seguras. Las etiquetas RFID UHF y NFC son las formas más comunes de RFID en las soluciones logísticas, pero las etiquetas LF 125 kHz pueden soportar diseños de bajo costo y sencillos con un mínimo de componentes externos.