Uusia innovaatioita RFID:n käytölle Heikki Seppä VTT 1
Sisältö RFID lyhyesti Nykytilanne Mitä markkinoilla on tapahtunut 2005-2006 Langaton Funktionaalinen Ympäristö Lopuksi 2
Ensimmäinen todellinen RFID:n sovellutus mikro- aaltoja hyödyntäen (NL > 50 v. sitten) Base Station Antenna High Microwave Power > 10 W 10 m - 20 m Wall Antenna Hotel room Power Source Sound Waves RFID kommunikointi perustuu heijastukseen 3
100000 Markets expand... 10000 World GNP 2040 Turnover (10 9 ) 1000 100 10 Electronics market Semiconductor market CMOS Line Width 100 nm 10 nm 1 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Semiconductor market x CMOS linewidth = 20 000 m 2000 2005 2010 2015 2020 From business we can predict that 0.4 nm is the limit. 4
Elektroniikan kehitys Silicon based electronic Nanotechnology Printable electronics 48 nm 5 nm Probe Memory nanopattering nanoparticles Discrete components Circuit board Packaging 2010 RFID EPC Reel-to-reel fabrication Now 5
Teknologian kehitys Puolijohdetekniikkan kehitys avainasemassa Anturit (esim. MEMS) tulossa kulutuselektroniikkaan Muistin määrä lisääntyy Tietokoneissa -> 1 Tb, Handseteissä -> 100 Gb, RFID-piireissä -> 100 Mb Paperilla -> 1 Mb Nanoteknologia mahdollistaa suuremmat muistit, painettavat koodit ja anturit Yksinkertaista elektroniikkaa valmistetaan rullalta rullalle Elektroniikka hautautuu kaikkialle, RFID:llä ja PE:llä ja keskeinen rooli Langaton tiedonsiirto siirtyy ihmiseltä ihmiselle kommunikaatiosta tavarasta ja ympäristöstä ihmiselle kommunikaatioksi Langattomien tiedonsiirtoteknologioiden kehitys johtaa langattomaan funktionaaliseenympäristöön, missä haudattu elektroniikka tarjoaa palveluja käyttäjille. 6
RFID, mikä se on? RFID on tavaroihin ja tuotteisiin liitettävä halpa muistipiiri (ja siihen liitetty antenni). Tunnistin pystyy kommunikoimaan kiinteän tai liikkuvan päätelaitteen kanssa jopa 8 m:iin saakka. Muistin sisältöä voidaan muuttaa langattomasti jopa yli 3 m:n etäisyydeltä (hinta nyt halvimmillaan 0.1 ). Sitä voidaan käyttää viivavakoodin tavoin, mutta koska muistin sisältöä voidaan muuttaa, muistia on huomattavasti enemmän ja koska se voidaan lukea esteiden läpi, sen sovellutusalue on huomattavasti viivakoodia laajempi. Englanniksi sitä kutsutaan RFID-piiriksi, joka tulee sanoista Radio Frequency IDentification = radiotaajuinen tunnistaminen. Nimi juontaa juurensa siihen, että kun RFID-tekniikka kaupallistui 1980 luvulla, taajuus oli 100 khz. Hiukan myöhemmin lähinnä USA:ssa tietullit ottivat käyttöön mikroaaltotekniikkaan perustuvat (2.45 GHz = 2.5 x 10^4 x 100 khz) ja patteroidut etätunnisteet, joita nykyään myös kutsutaan RFID-tekniikaksi. Jotkut erottelevat RFID:n kolmeen osaan: passiiviset, semi-passiiviset ja aktiiviset. Koska aktiivinen RFID ei poikkea mitenkään radiosta, en pidä sitä RFID-tekniikkana. Tulen esittämään tässä kaupallisista ja historiallisista sidoksista riippumat-toman määritelmän etätunnistimille. 7
RFID:n (etätunnistin) määritelmä RFID tulisi mieltää tiedonsiirtovälineeksi, missä menetelmänä käytetään heijastusperiaatetta ja tiedonsiirtovälineenä (ultraääntä) tai sähkömagneettista kenttää. Jos teemme määrittelyn näin, eri taajuiset (125 khz, 13.56 MHz, 869 MHz, 2.45 GHz) passiiviset ja semi-passiiviset RFID tunnisteet, mekaaniset resonaattorit (SAW, MEMS,..), sähköiseen tai mekaaniseen värähtelyyn perustuvat varasanturit sekä viivakoodi (1D ja 2D) ovat saman tiedosiirtotekniikan erilaisia realisaatioita. Lisäksi painettavat sähköiset koodit (< 0.01 koodi) tulee mieltään samaan teknologiaperheeseen kuuluvaksi. Tekniikan ja taajuuden valinta vaikuttavat: hintaan, lukuetäisyyteen, muistin määrään, lukulaitteen hintaan, etätunnistimen ja lukulaitteen kokoon jne. 8
Frequency is Highly Important Magnetic Field 865 MHz/2W suunnattua tehoa!! Electromagnetic Field (Amplitude and Phase) Power Electric Field Long Distance, Small Size, Good Penetration Radio Frequencies VHF UHF Microwaves Visible Light Accepted Maximum Radiation Maximum Field Stength Limited Limits the Readout Distance Frequency 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz Wavelength 30 m 3 m 30 cm 3 cm 1000 THz 300 nm First Generation, 1985 Second Generation, 2000 Third Generation, 2005 Antenna Wirewound Coil Several hunreds turns Laminated and Wetetched Spiral Loop, less than ten turns Size of the antenna is determined by its physical size Technology CMOS Laminated and Wetetched Antenna Effective size of the antenna is determined by the wavelength CMOS + RF-diode First Generation, 1973 Size of the tag is by the printing technology and reader technology Barcode 9
Lukutaajuuden vaikutus etäisyyteen 10
From RF RFID to Microwave RFID Reader 4 m Transponder 0.5 W 10 µw rectifier micro-chip 100 pw R load Logic & Memory < 10 µw modulation r max = λ 4π ηgt G P R R P T λ = wave length η = efficiency of rectifier G T = gain of reader antenna G R = gain of transponder antenna P T = power transmitted by a reader P R = power required by a transponder 11
Etätunnistimia Induktiivinen 13.56 MHz (Rafsec) Kapasitiivinen luku (Motorola) Sähkömagneettiseen säteilyyn perustuva (VTT) 12
2004 PIFA ja PAFFA pohjaisen UHF antennin kehitys toimivat kaikilla alustoilla - myös metallin päällä Keraaminen alusta PAFFA Muovialusta 2006 PAFFA PIFA ja keraaminen alusta Rullalta rullalle tuotanto PIFA 13
Langaton maailma Ihmiseltä ihmiselle Koneelta ihmiselle Koneelta koneelle Esineeltä koneelle Esineeltä Ihmiselle Esineeltä esineelle? Personal Zone Local Area Zone Wide Area Zone Broadcasting Zone 14
RFID kehitys lyhyellä- ja pitkällä aikavälillä 100 khz -> auton avain, eläinten merkkaus, -> lauton lukkopesä, erillinen kiinteä lukulaite 13,56 MHz -> liputtaminen ja maksaminen, -> lukulaite matkapuhelimessa, -> käyttöliittymä, TouchMe -> antureiden käyttöliittymä 869 MHz/865 MHz -> logistiikka, henkilöseuranta, liikenne, -> tavaroiden laatumittaukset, -> käsilukulaitteet, lukulaite matkapuhelimessa -> käyttöliittymä, PointMe, -> antureiden käyttöliittymä Painetut etätunnistimet -> koodaus (alkuperäismerk....), -> anturit -> lukulaite erillinen kynä tai matkapuhelin -> käyttöliittymä, SweepMe 15
NFC Forum 16
NFC hyödyntäminen kilowattituntimittarin luennassa GPRS RFID Palvelin Puhelin Tietojen tallenus. Palveluohjelmisto puhelinta varten. koskeminen mittariin aktivoi Käyttöliittymä: puhelimen Linkki energiayhtiön tietokantajärjestelmiin. palvelun. Ohjelmisto teholukemien siirtämiseksi energiayhtiön palvelimelle Näyttö kulutustietojen teksti ja graavisisa esityksiä varten RFID omaava energiamittari Tehon mittaus, tuntitehon tallenus, mittarin identifikaatio sekä energiayhtiöpalvelimen puhelinnumero 17
Väitteitä 1 1) H/K-alalla siirrytään käyttämään laajasti CMOS -pohjaista UHF (869 MHz) RFID-tekniikkaa Lavat, rullakot, pakkaukset ja yksittäiset tuotteet tullaan merkkaamaan etätunnistimilla. Etätunnistin sisältää EPC koodin (Electronic Product Coding = EAN + yksilöllinen tieto tuotteesta) sekä muutettavissa olevan muistiavaruuden. Jatkossa sen avulla voidaan valvoa tavaran ja kuljetuksen laatua (lämpötila, kosteus, tärinä, korroosio, pilaantuminen...). Etätunnistimen hinta vaihtelee 0.1-0.5, lukuetäisyys on 8 m 2 W:n teholla, etätunnistimien antennit suunnitellaan kohteeseen ja/tai käytetään ns. metaliantenneja, jotka soveltuvat metallisen kappaleen lisäksi jokaiseen kohteeseen. Osa etätunnistimista sisältävät kertakäyttöisen patterin tai RFID-tekniikalla ladattavan akun. Tämä mahdollistaa koko kuljetusketjun laadun valvonnan. 18
Väitteitä 2 2) UHF lukulaitteita sijoitetaan tehtaiden ja huolintaliikkeiden porteille, kontteihin, trukkeihin, vihivaunuihin,..sekä varastoihin. 3) Työntekijät merkataan UHF etätunnistimilla oleskelu tiloissa voidaan tunnistaa, ovien avaus tietyn tuotteen jakelusta tai huolinnasta vastaava henkilö voidaan tunnistaa. työntekijän identifikaatio merkataan tuotteen RFIDpiiriin automaattisesti (turvallisuus, vastuu) 4) Työntekijöillä aina mukana kannettava UHF lukulaite. lukulaitteen hinta = matkapuhelimen hinta. kytketty langattomasti yrityksen tietoverkkoon (Wlan?) 19
Väitteitä 3 5) Postipaketit, kirjeet, tuotteet jne. merkataan RFID, jossa sisäänrakennettu antenni edullinen hinta, lyhyt lukuetäisyys, salakuuntelun esto antennikytketyllä etätunnistimella pitkä lukuetäisyyys, tietoliikennettä voidaan salakuunnella painettu sähköinen koodi, lyhyt lukuetäisyys, erittäin halpa hinta kertakäyttöisiä tai kierrätettäviä Syy: Postilähetyksen turvallisuus, kuljetuksen perillemenon varmistaminen, alkuperäisyyden toteaminen, maksaminen,. Lähetys voidaan turvata esim. lähettämällä vastaanottajalla emailin välityksellä avain. 20
VTT EPC Tehdas Tuotetietojen reitityspalvelu Palveluyritys Koti Internet Kuluttaja Varasto Kuljetus Kauppa Satama Kuljetus 21
VTT R/W Memory Tehdas Koti Intranet Internet Useita palveluyrityksiä Varasto Kuluttaja RFID RFID Kuljetus RFID Kauppa Intranet Satama Kuljetus 22
Väite (toive) RFID tulee sisältämään muutettavissa olevaa muistia, joka mahdollistaa internetistä riippumattoman logistiikan ja huolinnan. Tieto tuotteesta, lähtöajasta, saapumisajasta, tavaran toimittajasta, huolintaliikkeestä jne voidaan taltioida etätunnistimen muistiin. Kättely (tuotteen luovuttaminen seuraavalle jakeluketjun hoitajalle, yrityksen A intranetista yrityksen B intranettiin ) voidaan hoitaa etätunnistimen avulla. Tuote xxxx, jonka tuotetiedot ovat osoitteessa qqqq, siirretään yritykseltä yyyy, (vastuuhenkilöltä NN), paikassa zzzz, ajanhetkellä vvvv, yritykselle wwww, (vastuuhenkilölle tttt). Osa tästä yritysten sopimuspojaisesta kättelystä siirretään internettissä olevaan tietokantaan kolmannen osapuolen i(esim. tavaran tuottaja tai vastaanottaja ) käyttöön. 23
Väite Kun UHF RFID infrastuktuuri on valmis, etätunnistimeen liitetään laatutietoja. Näitä ovat lämpötila, kosteus, korroosio, varastunniste (sinetti rikottu), alkuperäistodistus jne. Osa näistä voidaan realisoida passivisella RFID tunnisteella lisättynä painettavalla elektroniikalla tuotetuilla antureilla. Vahvasti suojattuja RFID-piirejä tullaan käyttämään arvoesineiden kuljetuksissa ja huolinnassa. Suojaus vaihtuvalla salasanalla tai liittämällä salasageneraattori RFID-piiriin. RFID lukijan salankuuntelu estetään lisäämällä lukutapahtumaan kohinaa. 24
Markinat siirtymässä pilotoinnista implementointiin 2005 2006 kasvuvauhti kymmenkertaistuu!! 2006 todelliset aplikaatiot ylittävät pilotit 25
Tilanne 2005 UHF lyömässä itsensä läpi logistiikka sovellutuksissa Tuotantoautomaatio ottamassa UHF:n käyttöön (Mersu) NFC johtamassa siihen, että matkapuhelimiin 13.56 MHz:n lukija, sovellutuksina liputtaminen ja maksaminen (kehitys tapahtunut n. vuoden viiveellä?) Alimmat myyntihinnat EPC UHF tunnistimissa 0.079 $ Kysyntä muihin sovellutuksiin lisääntynyt (sairaalat, henkilövalvonta,...) voimakkaasti, mutta ei vielä merkittävästi sovellettu käytännössä. Antureita sisältävät RFID ratkaisut tulossa (kestää vielä 2 3 v). 26
Teknologiat muutoksen takana Euroopassa ja Japanissa/Asiassa sovittu UHF:n käytöstä. EU:ssa tuli käyttöön 865 MHz:n alue, joka mahdollistaa 2 W:n suunnatun tehon. Rafsec Oy kehittänyt taitettavan laminaattiantennin, joka toimii lähellä metallia tai häviöllistä pintaa. Merkittävä kehitys kauppaketjujen kertakäyttötuotteita ajatellen. Investointi Amerikkaan 1995 1000 miljkpl/v. VTT kehittänyt PIFA- ja PAFFA-pohjaisen antenniteknologian UHF alueelle. Pitkä lukuetäisyys (jopa 6 7 m), toimii kaikkien pintojen läheisyydessä, pieni koko ja edullinen valmistaa. AspoComp Oy on ensimmäisenä maailmassa koetuottamassa ko. antenneja VTT:n lisenssillä. Muita tuotantomenetelmiä suunnitteilla. Erittäin merkittävä keksintö ajatellen rullien, lavojen, autojen, metalliosien, työkalujen ja henkilöiden merkkaamista. Mersu käyttää ko. antenneja. Useat piirinvalmistajat tukevat eri protokollia ja RFID standardeja. 27
PIFA ja PAFFA pohjaisen UHF antennin kehitys 2004 Keraaminen alusta PAFFA Muovialusta 2006 PAFFA PIFA ja keraaminen alusta Rullalta rullalle tuotanto PIFA 28
2000 UHF antennien tilanne ja kehitys Antennityyppi Valmistusmenetelmä 2002 Dipoliantenni Rafsec Taitettu dipoliantenni FR4 piirikortti Muovilaminaatti Muovilaminaatti 2004 PIFA VTT Keraaminen piirikortti Muovipohjainen piirikortti PAFFA Muovilaminaatti + kotelo Muovipohjainen roll to roll 29
VTT rooli RFID:ssä RFID antennien valmistus 13.56 MHz UHF RFID mikrosirun kehittäminen Palomar UHF RFID kukulaitteen kehitys RFID pohjainen fyysinen käyttöliittymä NOKIA UHF RFID antennikehitystyö AspoComp xxxxxxxx UHF handset readers -> XXXXXX Wireless Functional Environment 30
Liiketoimintamallit/Tapaus Mersu Istuin Puskuri Jousitus tuotanto tuotanto tuotanto varasto varasto varasto Logistiikkayritykset Mersu Suodatin varasto tuotanto S-mallin Mercedes, 1600 osaa Riippumaton palvelujen tarjoaja 31
Tapaus Mersu: just-in-time tuotanto Pilotti 2004 2006 S-Mersun kokoonpanossa Tuotantokäytössä S-Mersun tuotannossa 2005 Kuljetuskehikot, kuorma-autot, istuimet,.. Toiminnan laajentaminen 2006 Kaikki mersun merkit, S, C,... Osien merkkausta laajennetaan aste asteelta Autossa tyypillisesti 1400 osaa Merkitys: Mersu arvioi, että voivat mahdollisesti saada tuotannon nykyisestä n. 3 kk alle 1 kk. Työvoiman merkittävä vähentäminen. Merkittävät säästöt. Teknologia: Atmelin RFID-piiri (VTT ollut kehittämässä) VTT:n AspoCompille lisensoima PIFA/PAFFAantenni. 32
Keskeisimmät haasteet 2006 - Lyhyellä aikajänteellä 2006-2007 Tuotannon pystyttäminen halvoille PAFFA-antenneille. Monitaajuusantenien kehittäminen (USA, EU, Aasia) listen yritysten ehdoilla - luokan 1 EPC ei sovellu kaikille. NFC-konseptin lämpimurto liputtamisessa ja maksamisessa. Halpojen lukulaitteiden kehittäminen UHF alueelle. Järjestelmiä myyvien yritysten syntyminen. Pitkällä aikajänteellä 2008-2010 UHF ja 13.56 MHz:n yhdistäminen, molemmat lukulaitteet esim. matkapuhelimessa ja/tai sama etätunnistin tukemaan molempia taajuuksia. Anturirajapinnan määrittely, anturiliitännäiset RFID-tunnisteet. Muistin kasvattaminen 1 10 Mbits/Musiikin jakelu,... Erittäin halvan elektronisen koodauksen syntyminen, painettavat RFID-piirit Wireless Functional Environment implementointi 33
Etätunnistimien kehitys ja hinta 10 Hinta [ ] 1.0 HS:n oletus Si 13.56 MHz tarratyyppinen RFID Si 13.56 MHz ferriiti-tyyppinen RFID Si UHF tarratyyppinen RFID Si UHF Pifa/Paffa-tyyppinen RFID Si Large Memory RFID 0.1 0.01 Painettu 13.56 MHz RFID Painettu UHF RFID Painettu EPC? 0.001 2000 2005 2010 2015 2020 Vuosi 34
Role of Printable Electronics in Wireless Functional Environment Fabrication: Roll-to-roll Materials: Applications: Electronic codes, phase-transition sensors, sensors, platforms for biosensors,.. Products: Electronic code < 0.01 Code + sensor 0.01 0.1 RFID + sensor (embedded with an antenna) 0.2 1.0 RFID + sensor(s) + battery (data logger) 1-3 Metals, ferroelectrics, ink, polymers, plastic, paper, Reader: Method: Handset: User Interface: Contact less impedance measurement pen, mobile phone, SweepMe, TouchMe (rfid), ScanMe 35
Funktionaalinen ympäristö - fyysinen käyttöliittymä Wireless remotepowered sensor (WRPS, selected) SweepMe Input devices (sensors) ) Bluetooth or MEMS radio Smart Smart accessory (Processors) ) Memory (Data logger) Battery-powered sensor (BPS) Ultra low Ultra low power low cost SR radio TouchMe RFID tag (selected) 10 m 2 m WRPS RFID supported sensor Embedded sensors Short range radio PointMe Applications User Interface to AI Cellular Engine aikataulu viivästyy Services (e.g, community, content) IP IP network Cellular network Cellular network selected BPS 36
Wireless Functional Environment will be based on two major platforms: Paper based functionality, roll-to-roll printed electronics Silicon based functionality User interfaces are SweepMe: e.g. conductive polymers can be added in the paper for providing additional information, user interface or sensors and user can utilize that by sweeping the surface of the paper by his Personal Trusted Device. TouchMe (NFC): RFID tag is embedded in the product and the user can communicate with it by setting his mobile terminal close to the object PointMe: Passive (or semipassive) microwave RFID tag or Bluetooth radio having a light detector. The user starts communicating with the object by pointing it (maximum distance 2 m 10 m) ScanMe: The user can pick-up any radio (passive, and active RFID, Bluetooth, Wlan..) by selcting it via a menu. Most of the radios are installed with a wake-up circuit (100 nw). 37
Teknologian kehitys Kokeellinen fysiikka Kirjapaino Höyrykone Teollinen vallankumous Todellinen/Fyysinen maailma Tavaravallankumous Kvanttimekaniikka Radio Transistori Mikroprosessorit Televisio Mikroelektroniikka UHF-ja mikroaaltoalueen RFID teknologia Tietovallankumous virtuaalimaailma Tietokoneet Internet Matkapuhelimet Kanettavat päätelaitteet Lyhyen matkan kommunikointi mobiilit verkot laitteiden välinen langaton tiedonsiirto Mikrosysteemitekniikat Biotekniikka "nanotekniikat"? 2010 1600 1700 1800 1900 2000 38
Lopuksi NFC yleistyy maksamaisessa ja liputtamisessa ja se otetaan käyttöön myös muissa sovellutuksissa, missä "lyhy" lukuetöisyys voidaan hyväksyä tai on jopa hyödyksi. UHF RFID yleistyy voimakkaasti logistiikassa, tuotannossa, kierrätyksessä, liikenteessä (tietullit), jne. Osa yrityksistä on odottavalla kannalla hyödyntämisen suhteen. Tämä johtaa patoutuneeseen kysyntäpotenttiaaliin ja sen purkautuminen johtaa komponettien ja lukulaitteiden tuotanto-ongelmiin. Edulliset lukulaitteet ja käsilukulaitteet ilmestytävt markkinoille 2007-2008. NFC:n ja UHF etätunnnistimien ja syntyneen infrastuktuurin ympärille rakentuu etäantureihin liittyvä murros = RFID sisältää anturin: lämpötila, kosteus, korroosio, e-seal, Jatkossa RFID voidaan tehdä painamalla, mutta sen kaupallistuminen epävarmaa. Pii pohjaiset etätunnistimet ovat niin halpoja että painettavat eivät pysty kilpailemaan. Täsätä seuraa, että useissa sovellutukissa RFID:n sijaan hyödynnetään painettavaa näkymätöntä sähköistä koodia (SweepMe), joka luetaan pyyhkäisemällä. Näiden hinta koodia kohden on 10-100 kertaa RFID:tä edullisempi. RFID:n ja siihen rinnastettavien teknologioiden merkitys tulee vertautumaan mikroprosessorin, internetin, matkapuhelin kaltaisiin teknologisiin murroksiin. 39
Ehdotus EU:n pitäisi pelkästään kierätyssyistä synnyttää direktiivi, joka edellyttää "kaikkiin" tuotteisiin etätunnistimen! Näin voitaisiin kiihdyttää RFID infrastuktuurin syntymistä. Syntynyt infrastuktuuri mahdollistaisi merkittävät hyödyt tuotanolle, logistiikalle, kaupalle, liikenteelle, ohjelmistotuotannolle, markkinoinille ja palveluille. Tällä aloitteella olisi merkittävä vaikutus koko EU:n taloudelle ja kilpailukyvylle. Suomi voisi olla tässä aloitteellinen! 40