Projektowanie taga RFID zaczyna się od kształtu anteny

Jakub Załuska, dyrektor marketingu w Talkin’ Things; etykiety RFID

Trudno już sobie wyobrazić branżę, w której inteligentne etykiety nie wpływają lub nie mogłyby wpływać na usprawnienie jakiegoś procesu, np. logistycznego, kontroli jakości czy sprzedaży. W przypadku standardu RAIN RFID, znanego jako UHF RFID (Ultra High Frequency) czytnik RFID odbiera najczęściej informację o indywidualnym numerze identyfikacyjnym danego oznakowanego obiektu, natomiast w komunikacji bliskiego zasięgu NFC (Near Field Communication), dla której tagi możemy zidentyfikować telefonem, ze względu na zastosowanie m.in. w płatnościach i dokumentach elektronicznych, dochodzą jeszcze dodatkowe warstwy zabezpieczeń i kryptografii przy wymianie danych. 

Dosyć prosty elektronicznie i stosowany do tej pory przeciwkradzieżowy system EAS (Electronic Article Surveillance) nie zawiera elementów półprzewodnikowych takich jak chipy czy mikroprocesory. Składa się z anteny emitującej pole elektromagnetyczne, które pobudza metki oraz z centralki przetwarzające dane. Etykieta w technologii EAS odpowiada na pytanie bramki lub nie, jeśli jest dezaktywowana. Nie zawiera chipa, tylko antenę, która reaguje jeśli w pobliżu znajduje się czytnik. Po zakupieniu produktu tag EAS jest przy kasie dezaktywowany. Natomiast coraz bardziej powszechna technologia identyfikacji radiowej RFID (Radio Frequency Identification) zaczyna wchodzić w obszar relacji produktu z otoczeniem, począwszy od etapu produkcji, kontroli jakości, magazynowania i logistyki, przez sklep i interakcję z klientem w programie lojalnościowym, po ewentualną obsługę zwrotów i reklamacji. Wszystko dlatego, że tagi w technologii RFID zawierają chipy. Są więc nośnikiem indywidualnego, unikalnego identyfikatora i w zależności od modelu posiadają inne funkcje, np. można je uśpić nie uśmiercając lub wyłączyć wydając zabezpieczoną hasłem komendę, po czym w dowolnej chwili aktywować oraz ponownie wprowadzić towar do systemu i na półkę. Pozwala to na łączenie wielu funkcji, w tym również antykradzieżowej. 

Etykiety RFID © Talkin' Things

— Na masową skalę tagi RFID są używane w formie bazowej jako znaczniki identyfikacyjne. Ilościowo najwięcej zużywa ich branża odzieżowa, na drugim miejscu jest logistyka, magazyny i inne branże, np. lotnicza czy medyczna — mówi Jakub Załuska, dyrektor marketingu w Talkin’ Things. — Widzimy coraz więcej zastosowań w branży przemysłowej, także jako ważne narzędzie automatyzacji pozyskiwania danych w systemach industry 4.0 oraz coraz większe zainteresowanie ze strony producentów żywności. Jest to bowiem technologia, która odpowiada za identyfikację, ale można dzięki niej uzyskać więcej niż tylko informację o numerze. Na przykład integrując w tagu czujnik temperatury czy wilgotności można komunikacją z etykietą uzyskać informacje na temat tych parametrów w miejscu, gdzie dany produkt się znajduje. Mamy w historii naszej firmy takie projekty, gdzie w tagu był zintegrowany nie tylko sensor, ale również loger temperatury zapamiętujący pomiary co dwie minuty przez 3 lata. Działał dokładnie tak samo jak identyfikator, ale dodatkowo można było z niego pobrać dane z historią odczytów i na tej podstawie obliczać rzeczywisty pozostały czas przydatności produktu do użytku. Ponadto za pomocą taga, który jest unikalny dla każdego produktu, można sprawdzić czy został on prawidłowo zainstalowany, co ma duże znaczenie przy naprawach gwarancyjnych.

Projektowanie i prototypowanie tagów

Aby etykiety w systemie RFID działały prawidłowo, muszą mieć odpowiednio zaprojektowane anteny. Ich kształt jest zróżnicowany ze względu na zasięg odczytu w danym środowisku, rozmiar produktu oraz rodzaj materiału, na jaki tag ma być zaaplikowany. 

Projektowanie anteny taga UHF © Talkin' Things

— Przy projektowaniu tagów i ich anten musimy wiedzieć w jakich warunkach i zakresach częstotliwości będą używane — opowiada Jakub Załuska. — Mogą być uniwersalne lub mieć określony minimalny zasięg czytania po umieszczeniu na danym materiale, np. 6 metrów na folii PCV, albo 8 metrów na kartonie. W bardzo dużym uproszczeniu, im większa antena, tym większy zasięg można uzyskać, ale najczęściej jej wymiary są ograniczone wymiarami produktu lub jego opakowania, bo muszą się mieścić w określonym miejscu. Największe tagi stosowane są w etykietach logistycznych, bo tam zwyczajnie jest na to miejsce. Standardowe rozmiary anteny, np. w branży odzieżowej to 42 x 16 lub 40 x 15 mm. Do popularnych rozmiarów należą też 30 x 50 oraz 70 x 12 mm. Znaczniki przyklejane są w formie samoprzylepnej etykiety lub wszywane jako metki. W tym ostatnim przypadku czasem stosuje się bardzo długie i wąskie tagi, które można ukryć wewnątrz szwu. Na produktach zawierających płyny lub na metalu tagi często umieszczane są w formie tzw. flagi (część etykiety odstaje od opakowania), ponieważ zarówno metal, jak i woda mają duży wpływ na sprawność odczytu w technologii UHF. Klasyczny, niemodyfikowany tag umieszczony na butelce wody nie działałby dobrze. W takiej sytuacji czasem używa się tagów HF, czyli NFC, na które woda wpływa w mniejszym stopniu albo wyposaża się je w dodatkowy element zwiększający zasięg i umieszcza na puszce jak flagę. Opracowaliśmy w Talkin’ Things także specjalny rodzaj taga do zastosowania w jubilerstwie, którego sprawność wzrasta po zaaplikowaniu, dzięki dodatkowemu fragmentowi anteny owijającemu się wokół metalowego elementu biżuterii. 

Warto zaznaczyć, że standard UHF RFID obejmuje rożne częstotliwości, w zależności od rejonu świata - nieco inne częstotliwości stosowane są w USA, inne w Europie, a jeszcze inne np. w Chinach, zatem to, w jakiej części świata tag będzie używany jest ważnym wyznacznikiem dla procesu projektowego. I oczywiście pozostaje jeszcze kwestia z jakim chipem dany tag będzie produkowany, ponieważ każdy model ma inną charakterystykę i antena musi być do niej idealnie dopasowana.

Można powiedzieć, że tag jest dobry wtedy, kiedy jego charakterystyka odpowiada oczekiwaniom klienta i spełnia on swoje zadanie w procesie, do którego jest przeznaczony. Czasem wymagania bywają bardzo nietypowe, np. tag powinien być tak mały, żeby nie uruchamiał wykrywacza metalu w procesie kontroli jakości produktu, a jednocześnie pozwalał na jednoczesny odczyt 25 produktów umieszczonych jeden na drugim. Takie wyzwanie dostaliśmy od klienta z branży motoryzacyjnej.

Symulacja cyfrowa trójwymiarowego rozkładu pola elektromagnetycznego taga RFID © Talkin' Things

Po wstępnym zaprojektowaniu kształtu anteny inżynierowie wprowadzają do programu symulacyjnego wszystkie dane wejściowe, takie jak surowce i parametry, po czym uzyskują informację o tym w jaki sposób tag będzie się zachowywał.

— Wykorzystujemy specjalistyczne oprogramowanie ANSYS HFSS do symulacji zaburzeń pola elektromagnetycznego, a konkretnie do przeprowadzania obliczeń numerycznych w celu wyznaczenia parametrów anten tagów RFID. Dzięki temu możemy optymalizować ich działanie już na wczesnym etapie projektowania — twierdzi Jakub Załuska. — W Talkin’ Things opracowaliśmy i wprowadziliśmy autorski proces szybkiego prototypowania tagów RFID, gdzie je testujemy i mierzymy w różnych warunkach oraz na rozmaitych materiałach. Dzięki temu, że nasz prototyp ma dokładnie te same właściwości co produkt tworzony później w wielkoskalowym procesie, jesteśmy w stanie bardzo szybko i wiarygodnie sprawdzić i ewentualnie w kolejnych iteracjach udoskonalić, w jaki sposób znacznik będzie działał, zanim trafi do zatwierdzenia u klienta, a potem do produkcji. Zbudowaliśmy do tego celu własne urządzenie, które w jednostkowej skali odwzorowuje proces tzw. bondingu, czyli łączenia chipa z anteną. Zazwyczaj gotowy projekt znacznika wychodzi od nas po siedmiu dniach roboczych, ale udało nam się osiągnąć rekordowy wynik w ciągu 6 godzin od otrzymania założeń do przetestowania prototypu. 

Jeden z etapów tworzenia prototypu taga RFID © Talkin' Things

Rozmawiała i opracowała: Agnieszka Kubasik