Kesän helteillä on erittäin tärkeää pysyä selvillä, mitä elintarvikkeiden kylmäketjussa tapahtuu. Uusilla anturitageilla voidaan edullisesti ja tarkasti valvoa pilaantuvien tavaroiden kuljetusta.

Kirjoittaja Shawn Rezaei on vanhempi sovellusinsinööri itävaltalaisella ams:llä. Hänellä on laaja tietämys RDIF-teknikoista. Shawn vastaa asiakkaiden teknisestä useissa ams:n langattomissa tuotteissa. Hänellä on elektroniikkasuunnittelun tutkinto Wentworthin teknologiainstituutista Bostonista.

Ruuan ja lääkkeitten valmistajilla, tukkukauppiailla ja vähittäismyyjillä on paljon rahaa sidottuna tavaroihin, joista tulee arvottomia mikäli niitä ei pidetä tarkasti kontrolloidussa viileässä ympäristössä. Logiikka-ala on siksi kehittänyt edistyneitä ja kalliita ratkaisuja kylmäketjun hallimtaan. Nämä auttavat pilaantuvien tavaroiden jakelijoita seuraamaan jatkuvasti olosuhteita, joissa tavaroita pidetään, ja nopeasti puuttumaan kun olosuhteet eivät täytä määriteltyjä raja-arvoja.

Puolijohdeala sen sijaan on usein tehnyt tällaisia suuria, kalliita ja vaivalloisia teknologioita tarpeettomiksi korvaamalla ne pienemmillä, halvemmilla ja paremmilla vaihtoehdoilla.Tämä voisi nyt olla mahdollista myös kylmäketjun hallinnassa uuden komponentin myötä. Tämä artikkeli selittää, miten anturikäyttöön sopiva RFID-tagi voi muuttaa kylmäketjun hallintaa.

RTLS-pohjaiset järjestelmät: liian suuria epäonnistumaan?

Useita vuosia kestäneessä prosessissa logistiikka-ala on kuluttanut miljardeja dollareita luodakseen teknologian ja sitä tukevan infrastruktuurin pilaantuvien tavaroiden jatkuvaan valvontaan varastoinnissa ja liikkeellä. Nyt tämä investointi voi käydä tarpeettomaksi, sillä uudet RFID-anturitagit ja RFID-lukimet maksavat vain muutamia kymmeniä dollareita.

Suurilla yrityksillä on tietenkin varaa pitää yllä monimutkaisia valvontajärjestelmi, jotka yhdistävät reaaliaikaista paikannusta (RTLS, real-time location systems), ohjelmistoja, langattomia yhdyspisteitä ja GPS-paikannusta, vaikka järjestelmät ovatkin kalliita ja lisäksi vaativat jatkuvaa ylläpitoa. Kokonaiskustannuksiin kuuluvat myös GPS-satelliitit ja datayhteys matkapuhelinverkon kautta, sekä laite- ja ohjelmistokulut, jotka aiheutuvat jokaisen kuljetuskontin varustamisesta ja ylläpidosta. Samoin kustannuksia lisää langattoman yhdyspisteen lisääminen jokaiseen jakelupisteeseen.

Tällaiset järjestelmät antavat informaatiota, jonka perusteella voidaan välittömästi tarttua vikatilanteisiin. Valitettavasti, vaikka reaaliaikainen seuranta näyttäisi tuovan keinon varmistaa, ettei pilaantuvia tavaroita haaskata ollenkaan, käytännössä tällaista takuuta ei ole. Esimerkiksi vaikeudet kuljetuksissa johtavat nopean ratkaisun sijasta usein viivästyksiin, kun operaattorit etsivät ongelman lähdettä. Varajärjestelmät (kuten mobiilit ylläpitotiimit), joita kylmäketjun ongelmien ratkaisemiseen tarvitaan, ovat hyvin kalliita eivätkä aina toimi tehokkaasti.

Kun logistiikka-ala ensimmäisen kerran ryhtyi monitoroimaan kylmäketjua, tämä monimutkainen ja hankala infrastruktuuri oli ainoa käytettävissä oleva. Siihen aikaan se näytti tarjoavan keinot suojata kaikkea tavaraliikennettä kaiken aikaa.

Nyt olisi taloudellisesti järkevämpää ottaa käyttöön yksinkertaisempi menetelmä kylmäketjun seurantaan, joka perustuisi lämpötilan ja muiden parametrien aistimiseen yksittäisissä paketeissa. Tässä hyödynnettäisiin olemassaolevaa infrastruktuuria, jolle RFID-järjestelmät on rakennettu. Tällaisesta teknologiasta puuttuu RTLS-toiminnallisuus, joten käyttäjien täytyy hyväksyä se, että osa tavaroista pilaantuu kun jokin vikatilanne yllättää, eikä tavaroita ole mahdollista pelastaa nopealla puuttumisella. Halvan ja yksinkertaisen seurantajärjestelmän hyödyt ylittäisivät kuitenkin reillusti ne kustannukset, joita pienestä lisähävikistä aiheutuu.

Edullinen, paikallinen kylmäketjun seuranta

Edullisen, muutaman sentin arvoisen ja kertakäyttöisen passiivisen RFID-tagin idea on hyvin vakiintunut logistiikka-alalla. Passiiviset RFID-tagit voidaan lukea RFID-lukimella: kommunikaatiolinkki muodostuu, kun passiivinen tagi moduloi takaisinheijastuneen RFID-energian, jonka lukulaite lähettää. Passiiviset tagit eivät siksi tarvitse erillistä teholähdettä, ja niiden käyttöikä on teoriassa loputon.

Perinteiset pssiiviset RFID-tagit pitävät sisällään pienen haihtumattoman muistin, johon - tähän nimi RFID jo viittaa - tallennetaan ainutlaatuinen tunnistuskoodi.

Mutta entäpä jos RFID-tagi voisi toimia myös datanloggauslaitteena? Tähän pystyy ams:n kehittämä uusi anturipohjainen RFID-tagi. Tällainen laite voisi monitoroida yksittäisten pakettien tilaa kuljetuksen tai varastoinnin aikana. Olosuhdeinformaatio kuten lämpötila, tärinä tai kosteus mitattaisiin ja tallennettaisiin muistiin (ks. kuvaa 1).

Kuva 1. Tyypillinen kylmäketjun seurantasovellus.

Koska järjestelmä käyttäisi olemassaolevaa RFID-teknologiaa ja laitteita, sen käyttöönotto olisi yksinkertaista ja edullista yrityksille. Lisäämällä tagiin lämpötila-anturin ja EEPROM-muistin datan tallennukseen, sekä vähävirtaisen liitännän ulkoisille antureille (ks. kuvaa 2) sillä voitaisiin seurata jokaisen pakkauksen tilaa yksilöllisesti.

Kun nykyinen teknologia seuraa olosuhteita kuljetuslaatikoiden tai jäähdytyskonttien tasolla tai varaston sisällä, anturitagi voi mitata lämpötilaa ja muita muuttujia yksittäisen pakkauksen tasolla, mikä antaa paljon tarkempia mittaustuloksia.

Tämä parantuneen suorituskyvyn ja halvemman hinnan yhdistelmä - jota puolijohdeala niin usein tarjoaa muille teollisuudenaloille - voi nyt mullistaa pilaantuvien tavaroiden kylmäketjun hallinnan tuomalla käyttöön edullisen tavan hallita kylmäketjua säilyttäen samalla tehokkuuden ja laadun korkeat vaatimukset.

Kaksi toimintatapaa

Anturitagin konsepti voidaan toteuttaa kahdella erilaisella tavalla. Lähimpänä perinteistä RFID-tagi on täysin passiivinen toimintatapa. Siinä anturitagilla ei ole itsenäistä teholähdettä, mikä tarkoittaa ettei käytössä ole reaaliaikakellotoimintoa (RTC). Kun RFID-lukulaite herättää tagin, se sieppaa tyypillisesti 4 milliampeerin virran tulevasta RF-säteilystä kerätäkseen energiaa. Tästä virrasta vain 150 mikroampeeria käytetään anturiliitännän sekä sisäänrakennettujen toimintojen kuten lämpötila-anturin operointiin (ks. kuva 2).

Tässä moodissa datanloggaus kylmäketjun monitorointitarkoituksiin tapahtuu kun pakkaus tulee kosketuksiin lukulaitteen kanssa, mikä käynnistää lämpötilan seurannan ja merkitsee myös aikaleiman. Tagi kontrolloi sitä, ottaako se data sisäisestä vai ulkoisesta anturista. Tallennettu data suojataan salasanoilla, joilla estetään manipulointi tai datan auktorisoimaton käyttö.

Kuva 2. Anturitagi operoi perinteisen RFID-tagin tavoin, mutta siinä on sisäänrakennettu anturi ja liitäntä ulkoisen anturin vaihtoehtoiselle käytölle.

Anturitagit voivat toimia myös osittain passiivisessa (semi-passive) moodissa, mikä tunnetaan myös paristoavusteisena passiivisena toimintana eli BAP-moodina. Siinä pieni paristo antaa virran autonomiselle datanloggaukselle ja aikaleima tulee sirulla olevasta reaaliaikakellosta. Pariston tyypillinen käyttöaika on 1-1,5 vuotta, vaikkakin tämä riippuu pariston tyypistä ja datanloggauksen tiheydestä.

Anturitagien valinta

ams tarjoaa jo kahta anturitagia kylmäketjun seurantaan. Molemmissa on mukana lämpötila-anturi, joka voi mitata -40 - +125 asteen lämpötiloja.

13,56 megahertsin taajuudella toimiva SL13A on yhteensopiva ISO15693- ja NFC-V -standardien kanssa. UHF-alueella (860-960MHz) toimiva SL900A tukee EPC Gen 2-, Class 1- ja Class 3 -standardeja. Molemmat piirit tukevat myös cool-Log -komentoja.

Yksinkertaisin käyttötapa näille piireille on lämpötilan seuranta ja tunnistautuminen täysin passiivisessa tilassa, eli RFID-lukulaitteen läheisyydessä. Tämä edellyttää vakiokomentojen käyttämistä tagien erottelemiseen toisistaan ja vakioista "Get Sensor Value" -cool-Log -komentoa lämpötilan muunnokseen.

Jos tagin pitää tehdä datasta logimerkintä kun RF-kenttää ei ole läsnä, pitää SL13A- tai SL900A-piiriin liittää paristo. Tässä voidaan käyttää 1,5 tai 3 voltin paristoa.

Jos käytettävä akku on ohut ja taipuisa, voidan taipuisalle alustalle valmistaa läpipainopakkauksen tyyppinen lähetinvastaanotin. Tämä toteutus on valmistuskustannuksiltaan edullisin ja tällaiset tagit ovat kertakäyttöisiä. Jos lähetintä halutaan käyttää uudelleen, suositellaan nappipariston ja jäykän piirilevyalustan käyttämistä.

Lämpötilojen loggausta varten järjestelmä jäyttää standardeja RFID-komentoja tagien yksilöimiseen ja räätälöityjä cool-Log -komentoja, kuten:
Set Log Mode
Initialise
Start Logging
Stop Logging

SPI-liitäntä mikro-ohjaimelle

Sekä SL13A- että SL900A-tagilla on SPI-liitäntä (Serial Peripheral Interface) ulkoiseen laitteeseen kuten mikro-ohjaimeen liittymiseksi (ks. kuva 3). Tämä laajentaa kylmäketjun hallinnan toimintoja pelkän erillisen RF-tagin aistimisen, dataloggauksen ja tunnistustoimintojen ulkopuolelle.

Mikro-ohjaimen kautta RFID-tagiin voidaan jopa tuoda yhteys mobiiliverkon modeemiin, jolloin lämpötiladataan päästään käsiksi etäältä. Mikro-ohjaimen avulla tagin rekisterit ja toiminnot voidaan myös asettaa hyvin helposti. Mikro-ohjain voidaan myös ohjelmoida tukemaan hälytysjärjestelmää ja toimintoja, joilla lasketaan tagin varastointiaika.

SPI-liitäntää voidaan käyttää lukemaan ja kirjoittamaan dataa sulautetulta EEPROM-muistilta. Sitä voidaan käyttää myös tuotantolinjalla testiliitäntänä kalibrointia ja käyttäjän ID-ohjelmointia varten. SPI:n kautta tagi saadaan tarvittaessa myös tukemaan epästandardeja RF-protokollia.

Kuva 3. Mikro-ohjaimen liittäminen RFID-tagiin SPI-liitännällä tuo paljon monipuolisuutta kylmäketjusovelluksiin.

Lopuksi

ams:n anturitagien SL13A ja SL900A avulla kylmäketjuoperaattorit voivat automaattisesti seurata, valvoa ja tallentaa anturi-informaatiota kuten lämpötilaa, painetta, kosteutta tai tärinää. Ne voidaan myös konfiguroida tekemään automaattisesti hälytyksiä tai ilmoituksia, kun olosuhteet muuttuvat kriittisiksi.

Tämän tapahtumapohjaisuuden ansiosta nykyisille monimutkaisille kylmäketjun monitorointijärjestelmille saadaan selvästi yksinkertaisempi ja helvempi vaihtoehto.