물류 추적 응용 제품에 최신 RFID 고급 기능을 배포하는 방법

물류 및 공급망 관리는 재료 및 품목의 위치와 수량에 대한 실시간 가시성을 제공하기 위해 점점 더 무선 주파수 식별(RFID) 기술로 전환하고 있습니다. RFID 태그를 사용하면 재고 관리 공정의 속도를 향상시키고, 인적 오류의 가능성을 줄이며, 재고 감소를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. RFID 태그는 보이지 않아도 판독이 가능하며 태그가 박스 또는 다른 인클로저 내부에 있어도 판독할 수 있습니다. 또한 한 사람이 멀리 떨어진 거리에 있는 수 백개의 RFID 태그를 한 번에 판독할 수 있습니다.

설계자는 RFID 태그 전력 아키텍처와 데이터 형식 중에서 선택해야 하며 콤팩트하고 정확한 RFID 판독기를 필요로 합니다. 태그 및 판독기는 EPC(전자 제품 코드) UHF Gen2v2 기술 표준 및 RAIN RFID 데이터 형식의 요구 사항을 충족해야 할 수도 있습니다.

이 기사에서는 능동 및 수동 태그를 포함한 RFID 기술과, 에너지 수확 추가를 통해 수동 태그 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 검토합니다. 또한, 설계자가 RFID 기반 물류 추적 시스템을 배포할 때 알아야 하는 다양한 산업 표준을 요약하고 RFID 물류 솔루션 설계의 가속화를 위한 평가 플랫폼과 함께 STMicroelectronics, Murata Electronics, Melexis Technologies의 RFID 태그 및 판독기 옵션을 제공합니다.

RFID 플랫폼은 작동 주파수 대역, 전력 공급 아키텍처 및 데이터 통신 형식 등의 여러 가지 방식으로 분류할 수 있습니다. 작동 주파수 대역에는 저주파(LF), 고주파(HF), 초고주파(UHF)의 세 가지 기본 작동 주파수 대역이 있습니다. LF 대역은 30kHz ~ 300kHz를 포괄하며 대부분의 LF 태그는 125kHz에서 작동합니다. LF 태그는 약 10cm ~30cm의 짧은 판독 범위와 고주파 태그보다 느린 읽기 속도를 갖지만 전자기 간섭(EMI)에 상대적으로 덜 민감합니다. 이는 케이블 식별, 수술 기구, 의료 장비 추적 및 도구 재고 유지에 사용됩니다.

NFC(근거리 통신) 태그는 HF RFID의 일부입니다. 모든 NFC 태그는 HF 대역에서 작동하지만 HF 대역의 모든 태그가 NFC 프로토콜을 사용하는 것은 아닙니다(그림 1). NFC 태그는 일반적으로 몇 센티미터(cm)의 전송 거리로 제한되지만 다른 HF 태그 설계는 최대 30cm까지 전송할 수 있습니다. 또한 NFC 태그는 13.56MHz에서만 작동하도록 지정되었습니다. 모든 RFID 태그 주파수는 물류 응용 제품에 사용되지만 UHF RFID 태그는 더 긴 판독 범위, 더 빠른 읽기 속도 및 물류 응용 제품에 최적화된 데이터 형식의 가용성 조합으로 인해 '공급망' 태그라고도 합니다.

그림 1: NFC는 LF RFID 기술의 일부이며 일반적으로 125kHz에서 작동합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

RFID 태그는 전력 아키텍처에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 능동 태그는 배터리를 사용하며 폴링 없이 주기적으로 전송할 수 있고 최대 100m의 판독 범위를 가질 수 있습니다.
• 수동 태그는 판독기에 의해 폴링되어야 합니다. 판독기의 RF 신호에서 나오는 에너지가 태그를 켜고 전력을 공급하여 판독기에 다시 정보를 반영합니다.
• 에너지 수확 태그는 판독기가 전송한 RF 에너지를 캡처하고 수확된 에너지를 사용하여 추가 시스템 부품에 전력을 공급할 수 있는 일종의 수동 태그입니다.
• 배터리 지원 태그라고도 하는 반수동 태그는 배터리를 포함하지만 수동 태그처럼 작동하며 판독기에 의해 폴링될 때만 데이터를 전송합니다.

UHF 및 NFC 설계를 포함하는 수동 태그는 물류 솔루션에서 가장 일반적인 형태의 RFID입니다. 능동 태그는 훨씬 더 고가이며 대개 건설, 운송, 헬스케어 산업에서 고가 자산을 추적하는 데 사용됩니다. 특히 NFC 기술을 사용하는 반수동 태그는 휴대폰과 같은 특정 응용 제품에서만 볼 수 있습니다.

ISO/IEC 14443 및 ISO/IEC 15693 표준은 NFC 지원 장치의 상호 운용성을 보장합니다. NFC 작동은 유도 결합을 기반으로 하며 안테나 방향에 민감합니다(그림 2). NFC 장치는 다른 NFC 장치에서 생성된 RF 필드에 의해 전력이 공급되는 수동 설계이거나 배터리 전원을 포함하는 반수동 설계일 수 있습니다. 이 장치의 짧은 전송 범위로 인해 NFC 태그는 내재적으로 더욱 안전합니다. 또한, NFC 태그는 한 번에 하나만 판독할 수 있고, UHF 태그 같은 다른 RFID 기술은 여러 태그를 동시에 판독할 수 있습니다. 다른 LF RFID 기술과 비교하여, NFC 태그는 더 많은 양의 정보를 저장하고 전송할 수 있으므로 물류 응용 분야에서의 사용을 향상시킵니다. 동적 NFC RFID 태그는 구성 가능한 인터럽트, RF 관리 및 저전력 작동 모드를 가진 이중 인터페이스, 고속 전송, 에너지 수확 태그입니다.

그림 2: NFC 장치에 필요한 유도 결합을 실현하려면 적절한 안테나 방향이 필요합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

물류 관리를 위한 RAIN 및 EPC

ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 프로토콜의 사용은 RAIN(RAdio frequency Identification) RFID 연합에 의해 촉진됩니다. RAIN 기술은 인터넷을 사용하여 UHF RFID 태그를 클라우드에 연결하기 위해 개발되었습니다. RAIN의 EPC gen 2v2는 수동 RFID 태그를 위한 프로토콜이며 태그 및 판독기 인증을 통해 보안 및 개인정보보호를 지원합니다. RAIN은 ISO 번호 시스템을 수정하여 회사 식별 번호의 사용을 간소화했습니다.

물리적 객체에 대한 EPC 범용 식별자 표준은 GS1 US(이전 Uniform Code Council, Inc.)와 GS1(이전 EAN International) 간의 합작 투자 회사인 EPCglobal에서 개발했습니다. EPC는 ISO 18000-6C 표준으로 채택되었습니다. EPC는 판독기 및 태그가 통신하는 방법과 사용자 간에 EPC 데이터가 공유되는 방식을 표준화합니다. EPC는 식별자이자 데이터 형식이고, RFID는 RF 반송파 기술입니다.

동적 NFC 태그

동적 NFC 태그의 이점을 누릴 수 있는 물류 솔루션의 경우 설계자는 STMicroelectronics의 ST25DVxxKC 제품군을 사용할 수 있습니다. 이 제품군의 장치는 4킬로비트(Kbit), 16K비트 및 64K비트의 EEPROM(전기적 소거 가능 프로그래밍 가능 메모리)을 제공합니다. 예를 들어 ST25DV04KC는 4Kb 장치입니다. 모든 ST25DVxxKC 장치는 ISO/IEC 15693 NFC 프로토콜을 사용하며 두 개의 인터페이스가 있습니다. I2C 직렬 링크는 배터리와 같은 DC 전원에서 작동할 수 있습니다. RF 링크는 수신된 반송파의 RF 에너지가 장치에 전력을 공급할 때 활성화됩니다. 이러한 태그에는 외부 부품에 전력을 공급하는 에너지 수확 기능도 포함됩니다(그림 3). 이 아날로그 출력(V_EH)은 에너지 수확 모드가 활성화되고 RF 필드 강도가 충분할 때 사용할 수 있는 아날로그 전압 V_EH를 전달합니다. 에너지 수확 전압 출력은 조정되지 않습니다.

그림 3: ST25DVxxKC 장치는 ISO/IEC 15693 NFC 프로토콜(중앙 블록), I2C 인터페이스(오른쪽 아래), 에너지 수확 기능(아날로그 프런트 엔드 및 디지털 장치 제어 블록)을 사용합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

NFC 판독기 평가 기판

STMicroelectronics의 X-NUCLEO-NFC03A1은 RFID 솔루션 개발을 가속화할 수 있는 ST25R95-VMD5T를 기반으로 하는 NFC 카드 판독기 평가 기판입니다(그림 4). ST25R95-VMD5T는 NFC와 같은 표준 응용 제품을 위한 프레임 코딩 및 디코딩을 관리합니다. X-NUCLEO-NFC03A1은 ISO/IEC 14443 유형 A 및 B, ISO/IEC 18092, ISO/IEC 15693(단일 또는 이중 부반송파) 프로토콜을 지원합니다. 이는 NFC 포럼 유형 1, 2, 3, 4 태그를 사용하여 감지 및 판독하고 쓸 수 있습니다. 또한 이 평가 기판은 ST Arduino™ UNO R3 커넥터 핀 할당과 호환됩니다.

그림 4: X-NUCLEO-NFC03A1 카드 판독기 평가 기판을 사용하면 근접 및 인접 표준에 대한 지원을 통해 STM32 Nucleo 기판을 확장할 수 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

금속 표면에서의 RFID

수술 기구 및 도구에 사용하도록 설계된 Murata의 LXTBKZMCMG-010 온메탈 UHF RAIN RFID 태그는 금속 표면을 부스터 안테나로 사용하여 최대 150cm까지 판독 범위를 증가시킵니다. LXTBKZMCMG-010은 전체 UHF 주파수 대역에서 작동하고 크기가 6.0mm x 2.0mm x 2.3mm에 불과하며 작동 온도 범위는 -40 ~ +85°C입니다. 이 장치는 EPC 글로벌 Gen2(v2) 및 RAIN RFID 프로토콜을 준수합니다.

미국 규정에 따라 각 수술 도구에는 고유한 장치 식별자(UDI)를 부착해야 합니다. EPC와 같이, UDI 규정은 의료 장비의 안전한 사용과 보관을 위해 설계되었습니다. UDI 시스템은 많은 유형의 의료 장비에 적용되지만 수술을 위해 잘못된 기구를 준비할 위험이 큰 외과용 기구에 특히 중요합니다. 유럽 또한 미래의 수술 도구에 대해 UDI를 요구할 것으로 예상됩니다. 수술 도구와 관련된 물류 문제 외에도 수술 도구 설정은 숙련된 개인이라도 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기 쉽습니다.

그림 5: Murata의 LXTBKZMCMG-010 온메탈 UHF RAIN RFID 태그는 수술 기구 및 도구의 금속 표면을 부스터 안테나로 사용하여 판독 범위를 늘립니다. (이미지 출처: Murata)

LF RFID 트랜시버 IC 및 평가 기판

LF RFID 트랜시버의 이점을 누릴 수 있는 물류 솔루션은 Melexis의 MLX90109 단일 칩 125kHz RFID 트랜시버로 전환할 수 있습니다. MLX90109는 매우 유연한 장치에 최소 시스템 비용과 전력 소비를 결합합니다. 판독기의 반송파 주파수와 발진기 주파수는 병렬 공진 회로로 연결된 외부 코일과 커패시터로 결정되므로 외부 발진기가 필요하지 않으며 완벽한 안테나 튜닝으로 변조 효과가 0이 되는 것을 방지합니다. 디코딩되지 않은 트랜스폰더 신호는 가장 간단한 구현을 위해 단일 전선 인터페이스에서 전송될 수 있습니다. 선택적으로 MLX90109는 트랜스폰더 신호를 온칩으로 디코딩하고 2선 인터페이스를 통해 클록 및 데이터와 디코딩된 신호를 공유할 수 있습니다. MLKX90109의 특징에는 다음이 포함됩니다.

• SO8 패키지의 고집적 솔루션
• 두 개의 저항기와 안테나(외부 수정 참조가 필요하지 않음)
• 간편한 사용과 신속한 시스템 설계를 지원하는 온칩 디코딩
• 2선 직렬 통신을 가능하게 하는 클록 및 개방-드레인 데이터 출력

설계자는 Melexis의 EVB90109를 사용하여 MLX90109 IC의 성능을 평가할 수 있습니다(그림 6). 이 장치는 또한 콤팩트하고 비용 효과적인 RFID 응용 제품의 개발 속도를 가속화합니다. MLX90109 평가 기판의 모든 핀은 외부 마이크로 컨트롤러에 쉽게 연결할 수 있도록 이중 인라인(DIL) 소켓에서 사용할 수 있습니다. EVB90109는 응답기에서 데이터를 읽는 데 사용하거나 On/Off 키 변조를 사용하여 응답기에 정보를 보내는 데 사용할 수 있습니다. 안테나에 병렬로 연결된 외부 트랜지스터와 다이오드의 '빠른 감쇠' 회로는 빠른 프로토콜 작동을 지원합니다.

그림 6: 설계자는 EVB90109 평가 기판을 사용하여 MLX90109 IC의 성능을 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Melexis)

요약

RFID 태그는 물류 추적 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 다양한 주파수 대역, 전력 공급 아키텍처, 통신 및 데이터 프로토콜을 포함하여 사용 가능한 RFID 태그 기술의 다양성은 광범위한 물류 추적 요구를 충족할 수 있는 태그가 있음을 의미합니다. 일부 RFID 기술을 사용하면 한 사람이 멀리 떨어져 있는 수백 개의 RFID 태그를 한 번에 읽을 수 있어 재고 관리 공정의 속도가 빨라집니다. 수술 기기의 경우 RFID 태그를 사용하면 인적 오류의 한 가지 원인을 제거하고 수술을 보다 안전하게 수행할 수 있습니다. UHF 및 NFC RFID 태그는 물류 솔루션에서 가장 일반적인 형태의 RFID이지만 LF 125kHz 태그는 최소한의 외부 부품으로 저렴하고 단순한 설계를 지원할 수 있습니다.