טכנולוגיה של הספק אפס להתאמה אישית מאוחרת, טכנולוגית track & trace (מעקב ועקיבה), תקשורת דו כיוונית וצימוד ®Bluetooth קל
RFID ואלקטרוניקה מתפתחים יחד
הזיהוי בתדר רדיו ( – Radio Frequency Identification) חדר לחיינו כבר בכמה תחומים – בין אם בבקרת גישה בכניסה למשרד, בספריות לצורך יציאה בשירות עצמי, באתרי סקי לכניסה ללא מגע או בחנויות מסחר קמעוניות למוצרי אופנה לצורך ספירת מלאי מהירה וקלה. לתגי RFID פסיביים אין צורך בסוללות, ועל כן הם
מציעים דרך זולה לזיהוי עצמים במרחקים של עד כמה מטרים. שבב RFID מופעל באופן מלא על ידי שדה בת”ר (RF) שנוצר על ידי הקורא. בנוסף על העובדה שקוראים תעשייתיים שפועלים בתדר גבוה (HF) ובתדר גבוה מאוד (UHF) נפוצים ביותר, החדירה הגוברת של טכנולוגית התקשורת בשדה קרוב ( -Near-field-communication) לשימוש בטלפונים חכמים ובהתקנים ניידים אחרים מאפשרת להשתמש בהם גם כקוראי HF, ובכך מקדמת את טכנולוגית ה-RFID יותר ויותר לידיהם של צרכני הקצה. ביישומים המסורתיים הנזכרים לעיל, תגי RFID המשמשים יהיו בדרך כלל כרטיסים, תוויות נדבקות או אסימונים עצמאיים שמוצמדים למוצר שאותו הם מזהים. כמו כן, בתחום של התקנים אלקטרוניים, טכנולוגית track & trace מתחילה להתפשט ולהחליף את שיטת הברקוד, המשמשת כיום לזיהוי מעגלים מודפסים. הדור הראשון של שבבי RFID עבור מעקב אחרי מעגלים מודפסים פועל כתגים עצמאיים שנמצאים על אותו מעגל מודפס – אין כל חיבור בין שבב RFID לבין המעגלים שעל המעגל המודפס. דור חדש של שבבי RFID מציע כיום חיבור I2C נוסף על חיבור אנטנה, ולכן אפשר לחבר אותו ישירות למיקרובקרים או להתקני ASIC. מה המשמעות שיש לכך עבור אנשי תכנון מערכות אלקטרוניות ואנשי ניהול מוצר, שירות וייצור? הם זוכים באפשרויות חדשות לחלוטין של מערכות אלקטרוניות במהלך תהליכי הייצור, הבדיקות והשירות ובנוחות רבה יותר עבור משתמש הקצה.
איור 2. הדילמה של הגרסאות: תכנות של גרסאות מבוסס מגע יכול לחסוך בעלות התכנות או לחסוך בעלות שרשרת האספקה, אך לא בשתיהן
יישומים חדשים לחלוטין משנים את האופן שבו אנו פועלים עם התקנים אלקטרוניים
השימוש ב-RFID פסיבי מביא את צריכת ההספק לרמות חדשות: מהספק נמוך להספק אפס, למשל בעת עירור התקן באמצעות RFID/NFC ללא זרם של מצב המתנה, או כאשר יש תקשורת עם התקן שהוא כבוי לחלוטין (או אפילו לא הוכנסה בו סוללה), כאשר אפשר לקרוא מידע אבחון או לכתוב הגדרות תצורה בהתקן שאינו מופעל. חלק זה בוחן כמה מקרי שימוש ומציג את היתרונות והמימוש הפונקציונלי. התאמה אישית מאוחרת במקרים רבים נדרש שהתקנים אלקטרוניים יצאו לשוק בגרסאות שונות – מדינות שונות או בהגדרות שפה שונות, סט תכונות שונה, התאמות של ערוצי מכירה או גרסאות קושחה (firmware). כך הוא למשל במקרה של מכשירים ביתיים (מכונות כביסה, מייבשים, מכשירי מיקרוגל, מכונות קפה), טלפונים סלולריים, טלפונים אלחוטיים והתקנים רבים אחרים. ברוב המקרים, החומרה של ההתקנים האלו תהיה זהה בכל מוצרי המשפחה, והגרסאות נקבעות רק באמצעות נתוני תצורה המאוחסנים באזור הזיכרון שבמעגל הראשי של ההתקן. מצב זה יוצר דילמה בין קלות התכנות לבין הגמישות של שרשרת האספקה: ככל שהתכנות של הגרסה מתבצע בשלב מוקדם יותר בתהליך הייצור, כך קל יותר לבצע אותו. עם זאת, בהתאמה אישית מוקדמת, הגמישות של שרשרת האספקה נפגעת מאחר שהיצרן נדרש ליצור מלאי של כל הגרסאות ואינו יכול להגיב במהירות לשינויים מאוחרים יותר בדרישה (עיין באיור 2).
RFID מציע פתרון לדילמה זו: על ידי השימוש בשבב RFID בעל שני ממשקי תקשורת (שבב עם ממשק RFID ועם חיבור I2C) לצורך אחסון נתוני התצורה, ההתאמה האישית המאוחרת הופכת לקלה בהרבה. בתלות בגודל האנטנה ובתדר RFID שנבחר, אפשר לבצע את התכנות ממרחק של כמה מטרים, כל עוד אין סיכוך משמעותי בין האנטנה של הקורא ובין האנטנה של התג. כך מתאפשר ביצוע התאמה אישית (קביעת גרסה) גם כאשר המכשיר נמצא כבר בתוך אריזת המכירה ולכן אפשר להגיב במהירות לשינויים בדרישה בגרסה זו או אחרת. כתוצאה מכך גדלה הגמישות של שרשרת האספקה (איור 3). המימוש של התאמה אישית מאוחרת מבוססת RFID אינה קשה. כל שנדרש בהתקן הוא שבב עם ממשק כפול כגון חיבור UCODE I2C ומבנה של אנטנה, שהיא חלק מהמעגל המודפס (PCB). הפרטים לגבי המימוש מתוארים בהמשך. התדר הנבחר עבור התאמה אישית מאוחרת דרך האריזה היא (
איור 3. התאמה אישית מבוססת RFID (בתצורה של אפס הספק) קלה למימוש וחוסכת בעלויות שרשרת האספקה
868MHz עד 915MHz), מפני שרק תחום UHF מציע טווחי כתיבה וקריאה של מטרים אחדים. התהליך של התאמה אישית מאוחרת מתואר באיור 4. נקודת המפתח במקרה זה היא שהמכשיר כלל אינו מופעל בשעה שקורא RFID כותב את נתוני התצורה בתוך זיכרון המשתמש של זיכרון EEPROM בעל הממשק הכפול.
הופכים את השירות ללקוח לקל כאשר התקן אלקטרוני מוחזר לשירות או לתיקון, יש צורך לאסוף נתונים בסיסיים מסוימים:
• זיהוי המוצר (מספר סידורי, תאריך הייצור, גרסת תוכנה וכיו”ב)
• גרסת קושחה (firmware)
• היסטוריה של שירות ותיקונים
• יומן פעילות או יומן שגיאות
בנוסף, RFID מציע דרך נוחה לאסוף את הנתונים ישירות מההתקן שנדרש לו שירות. יכולת הקריאה באפס הספק מזיכרון בעל ממשק כפול, כפי שמוצג באיור 5, יוצרת יתרון משמעותי לעומת השיטות המשמשות כיום. להלן מפורטים כל אחד מהפריטים:
• זיהוי המוצר: כיום הזיהוי נעשה ברוב המקרים באמצעות מספר סידורי מודפס או מוטבע עם אפשרות לברקוד. לאחר מכן אפשר לאחזר ממסד נתונים את כל הנתונים האחרים (תאריך ייצור, גרסת חומרה וכיו”ב), כאשר המספר הסידורי משמש כמפתח חיפוש. לאחזור כזה יש כמה חסרונות: לעתים יש לפתוח את ההתקן כדי לקבל גישה אל המספר הסידורי, מאחר ששיקולים אסתטיים מונעים ציון של מספר סידורי על החלק החיצוני של ההתקן. ייתכן שהמספר הסידורי יהיה לא קריא כתוצאה משחיקה או
איור 4. תהליך כתיבה בהספק אפס באמצעות זיכרון UCODE I2C בעל ממשק כפול. תהליך הכתיבה במקרה זה מוצג כתהליך כתיבה עם קורא UHF נייח ועם אנטנה
מפני שנעשה ניסיון לגרד אותו כדי לזכות בדרך של רמייה, בתיקון במסגרת האחריות לאחר שתקופת האחריות פגה. יתרונות השימוש בזיהוי RFID: אפשר לקרוא את המספר הסידורי ללא צורך בקו ראייה ישיר, כלומר על ידי הצבת ההתקן בקרבת קורא RFID מבלי לפתוח את ההתקן או לאתר ברקוד. כך נחסך זמן רב של אנשי השירות. בנוסף, תג RFID יכול להכיל מידע נוסף על המספר הסידורי, כך שאפשר לאחסן באופן מקומי על השבב את תאריך הייצור, גרסת החומרה וכיו”ב ולאחזר אותם ללא התחברות אל מסד הנתונים. לבסוף, זיהוי כזה הופך את מעשה הרמייה בתחום השירות לקשה יותר באופן משמעותי, מפני ששבב RFID משובץ בתוך ההתקן.
• גרסת קושחה: על מנת לזהות את גרסת החומרה של התקן באופן ודאי, ההתקן חייב להיות במצב תפקוד תקין, מחובר למקור חשמל ופועל, החומרה המשמשת לאבחון צריכה להיות מחוברת בתקשורת עם ההתקן דרך חיבור השירות (למשל ממשק אינפרה אדום או מחבר שירות). יתרונות השימוש בזיהוי RFID: המיקרובקר (MCU) של ההתקן כותב בכל הפעלה את גרסת הקושחה בזיכרון המשתמש של הממשק הכפול. באופן כזה אפשר לקרוא את גרסת הקושחה בשלב מאוחר יותר באמצעות קורא RFID, גם ללא הפעלה של ההתקן וגם כאשר ההתקן אינו עוד במצב תפקוד תקין.
• היסטוריה של שירות ותיקונים: נתונים אלו מתועדים בדרך כלל במסד נתונים, כשהמספר הסידורי משמש כמפתח. יתרונות השימוש בזיהוי RFID: אפשר לאחסן באופן לא מקוון חלק מהמידע לגבי השירות והתיקונים בזיכרון המשתמש של התקן הממשק הכפול, ולכן אפשר לגשת אליו לצורך בדיקה בסיסית, גם כאשר מסד הנתונים אינו זמין, למשל כתוצאה מכך שאין חיבור לרשת.
איור 5. תהליך קריאה באפס הספק באמצעות זיכרון UCODE I2C עם ממשק כפול. במקרה זה מוצג תהליך הקריאה בעזרת קורא UHF נייד
• יומן פעילות או יומן שגיאות: על מנת להקל על ביצוע האבחון ולקבל סטטיסטיקה לגבי שימוש, התקן יכול ליצור יומן בזיכרון פנימי, אשר בו יירשמו ההפעלה האחרונה שהצליחה, קודי שגיאה או סטטיסטיקה הקשורה להתקן, כגון מונה זמן פעולה. בדומה לקריאה של גרסת הקושחה, אפשר יהיה לאחזר את הנתונים האלו רק אם ההתקן במצב פעולה ובמצב תפקוד תקינים ומחובר אל חומרת האבחון. יתרונות השימוש בזיהוי RFID: המיקרובקר כותב את מידע היומן ישירות בזיכרון של ההתקן בעל הממשק הכפול במהלך הפעולה, וטכנאי השירות קורא את הזיכרון באמצעות קורא RFID. באופן כזה אפשר לחסוך זמן ומאמץ, מאחר ואפשר לקרוא את יומן הפעילות ויומן השגיאות בלי להפעיל את ההתקן, בלי לחבר אותו ומבלי לפתוח אותו.
תקשורת דו-כיוונית
בחלק מהזיכרונות בעלי הממשק הכפול, אפשר לקיים גם תקשורת ישירה דו כיוונית בין הקורא/כותב RFID לבין המיקרובקר. לדוגמה, UCODE I2C תומך במצב
איור 6. פעולה במצב גשר של זיכרון בעל ממשק כפול בדוגמה של שבב UHF עם ממשק UCODE I2C
גשר שבו יש החלפה של נתונים בין הצד של ה-RFID לבין המיקרובקר דרך אוגרי הזיכרון הזמני (buffer register). למצב זה יש שלושה יתרונות:
• הנתונים אינם מוגבלים לגודל של זיכרון המשתמש שבתג RFID (זיכרון המשתמש הוא בדרך כלל בגודל של קילוביט ספורים)
• אין הגבלה על מספר מחזורי הכתיבה
• מהירות העברה גדולה יותר בזכות כתיבה מהירה יותר לאוגרים ומנגנון פסיקה (interrupt) שמודיע למיקרובקר כאשר קיימים נתונים זמינים
• אין צורך ליצור חיבור פיסי (שיכול להשפיע על הממדים)
אפשר אפילו להעיר את ההתקן על ידי גישה אליו באמצעות קורא RFID. גישה כזו יוצרת פסיקה עם הכתיבה הראשונה באוגר על ידי קורא/כותב UHF גם כאשר ההתקן נמצא במצב שינה, ובכך חוסכת אנרגיה בזמן של חוסר פעילות. העיקרון של פעולה במצב גשר מוצג באיור 6.
להלן רשימה חלקית של יישומים שיכולים להפיק תועלת מתקשורת RFID דו-כיוונית:
• קריאה של נתוני מדידות עדכניים: התקני חיישנים
• קריאה של מידע מצב פנימי עדכני על ידי טכנאי שירות: מכשירים ביתיים, מכשירים תעשייתיים
איור 7. פתרון לצימוד Bluetooth עם NTAG203F
• קריאה של קובצי יומן שגיאות שחורגים מהמקום שבזיכרון המשתמש בשבב RFID (למשל ב-UCODE I2C: 3.3 קילוביט): מכשירים ביתיים, מכשירים תעשייתיים
• עדכון קושחה ללא מגע פיסי
• כתיבת הגדרות במכשיר בכמות גדולה יותר, כמות שחורגת מהמקום בזיכרון המשתמש של שבב RFID
• שימוש בקורא RFID כבממשק משתמש חיצוני על מנת לקבל בקלות רבה יותר בקרה על המכשיר. תכונה זו מועילה באופן מיוחד בסביבה צרכנית בעת בחירה בפתרון שתואם לתקשורת בשדה קרוב (NFC). במצב כזה כל טלפון המצויד ב-NFC יכול לשמש כממשק משתמש חיצוני. בזכות המספר הגבוה של טלפוני NFC הנמצאים בשימוש בידי הצרכנים והעובדה שמספרם הולך וגדל, התשתית לשימוש כבר קיימת בשוק.
טכנולוגית Track & Trace
חלק מחברות האלקטרוניקה החלו כבר להעביר את זיהוי המעגלים המודפסים שלהם מברקוד לזיהוי RFID – והם כבר נהנים מהיתרונות שהוא מספק:
• שיפור תהליכים (הסרת צווארי בקבוק)
• הקטנת כמות הסריקה הידנית
• אפשרות לסריקה של כמות פריטים גדולה
• זיהוי ברור של מעגלים גם אם הם משובצים או יצוקים
החברות ®Cisco ו-Jabil מדווחות על גידול של 80% ביעילות הייצור שלהן לאחר שהכניסו לשימוש את טכנולוגית Track & Trace (מעקב ועקיבה). תכונות מסוימות של טכנולוגית RFID פסיבית יוצרות את היתרונות שנזכרו למעלה:
• לא נדרש קו ראיה – אפשר לקרוא את התקן זיהוי המעגל המודפס דרך כיסוי המכשיר כל עוד הוא אינו מסוכך לחלוטין.
• קביעת מספרים סידוריים מלאה ברמת פריט – לכל מעגל מודפס יש מספר ייחודי
• גישה לקריאה/כתיבה – בנוסף למספר הסידורי, אפשר לאחסן מידע נוסף בזיכרון המשתמש של שבב RFID, שלב אחר שלב, לאורך תהליך הייצור.
על מנת לעזור לחברות האלקטרוניקה לממש את טכנולוגית Track & Trace במוצרים שלהן ובמערכת הייצור, נוסד מאגד שחברות בו שש חברות, אשר נקרא RFID Value Creators – החברות Beta LAYOUT, Brooks, Enso ®Detego, Katherein, Murata ו-NXP Semiconductors פועלות במשותף על מנת לתמוך במימוש מהיר וקל של שימוש ב-RFID בייצור של מוצרי אלקטרוניקה.
צימוד קל של התקני ®Bluetooth באמצעות NFC רוב האנשים עומדים כיום בפני אתגר בבואם לבצע צימוד של אביזר Bluetooth עם טלפון. עליך ללחוץ על כמה לחצנים, לבחור בכמה תפריטים, להפעיל מצב סריקה כדי לחפש התקנים ולבסוף, להזין קודי גישה. כל הצעדים האלו הופכים את התהליך למורכב וגוזל זמן. תגי NFC פסיביים המשולבים באביזר הופכים את התהליך להרבה יותר קל באופן משמעותי: כל מה שהמשתמש צריך יהיה לעשות מעתה הוא להקיש קלות על האביזר עם הטלפון שלו המצויד ב-NFC. האביזר יעבור באופן אוטומטי למצב הפעלה בזכות פונקציית גילוי השדה המובנית בשבב של תג תקשורת NFC, הטלפון יקרא את זיהוי ה-Bluetooth ומידע הצימוד של האביזר המאוחסנים בתג NFC ולאחר מכן יבצע באופן אוטומטי צימוד עם האביזר בלי שיהיה צורך לעבור דרך מצב סריקת Bluetooth, כפי שמוצג באיור 7. מוצרים רבים הפועלים בעזרת חיבור Bluetooth, מסוג אוזניות, התקני זרימת מדיה ורמקולים, שיצאו לאחרונה לשוק, וכן גם עכבר, משתמשים בטכנולוגיה זו בהתבסס על השבב NTAG203F ומדגימים שתג NFC פסיבי המשובץ באביזר הופך את הצימוד בטכנולוגית Bluetooth של טלפונים חכמים לקל יותר. פונקציה זו הופכת לתקן בשם “Bluetooth Secured Simple Pairing” על יד פורום NFC.
שיקולי מימוש
בחירת תדר בעת מימוש זיהוי RFID עבור התקן אלקטרוני מגיע הרגע שבו יש לבחור את התדירות הנכונה. קיימים כמה תדרים וכמה תקנים ולכל אחד מהם יש מערך יתרונות ומגבלות משלו. שני התדרים והטכנולוגיות המתאימות לשימוש עבור מערכות אלקטרוניות הן:
• תדר גבוה מאוד – , EPCglobal Gen2): ליישומים ארוכי טווח (כמה מטרים), משמשת באופן נרחב בניהול מלאי ברמת פריט. מתאימה במיוחד ליישומי ייצור וליישומים תעשייתיים. קיים מגוון רחב של קוראים נייחים ייעודיים וקוראים נישאים ביד.
• תקשורת (13.56MHz, תקן ISO14443): תקשורת לטווח קצר (כמה סנטימטרים). בנוסף לקוראים נייחים ונישאים ייעודיים, מכשירי טלפון עם תקשורת NFC יכולים לקרוא מתגים אלו ולכתוב אליהם. כיום כבר קיימים בשוק יותר מ-100 מיליון מכשירי טלפון עם פונקציונליות NFC, עובדה שהופכת את תקשורת NFC לבחירה מתאימה ביותר באותם מקרים שבהם הצרכנים אמורים לבצע פעולות עם תג RFID בהתקן אלקטרוני.
כיצד לממש פונקצית RFID בהתקן
קיימות שלוש אפשרויות עיקריות למימוש פונקציונליות RFID בהתקן אלקטרוני:
• שבב RFID כהתקן בהתקנה משטחית (SMD – surface mounted device) שמותקן על המעגל המודפס בטכנולוגיה רגילה של התקנה משטחית.
• שבב RFID המשובץ בתוך המעגל המודפס.
• תווית RFID דביקה (“מדבקה”) שמודבקת במקום כלשהו בהתקן (מתאימה רק לשימוש ביישומי Track & Trace).
עבור שתי האפשרויות הראשונות האנטנה נוצרת על ידי משטח נחושת המתוכנן בצורה מתאימה כחלק מהמעגל המודפס. טווח הקריאה והכתיבה תלוי בגודל האנטנה. בתחום UHF אפילו אנטנה בגודל קטן מאוד, בין 5x5mm ל-10x10mm, כבר מציעים טווחים טובים כל עוד אין הם נתונים בתוך סיכוך משמעותי. ®MagicStrap של חברת Murata, צורה מיוחדת של רכיב SMD, היא מודול שבנוסף לשבב RFID מכיל גם אנטנה פנימית לטווח קצר. מבנה זה מאפשר לקרוא מהשבב ולכתוב אליו, גם לפני שהוא מולחם אל האנטנה המשנית שעל המעגל המודפס ולכן הוא מאפשר שימוש בטכנולוגית Track & Trace המעגל המודפס מרגע חיבור הרכיב הראשון עליו.
לשיבוץ של שבב RFID במעגל המודפס (האפשרות השניה) יש עלות נוספת, אך גם יתרון, שמאפשר לבצע בעזרתו מעקב אחרי המעגל המודפס כחומר גלם. האפשרות השלישית, תווית RFID, חוסכת את הצורך בתכנון אנטנה ומעבירה אותו אל היצרן של התווית או השכבה, ולכן מנקודת המבט של התכנון היא דורשת את המאמץ הקטן ביותר ומספקת את הגמישות הגדולה ביותר בבחירת המיקום של תג RFID. החיסרון נעוץ בכך שתוויות RFID לא שורדות בדרך כלל את טמפרטורות ההלחמה ואפשר להציב אותן על המעגל המודפס או במארז רק בשלב מאוחר יותר.
