О самой технологии NFC (Near Field Communication) написано множество статей, в том числе и здесь на Хабре. Активно данная технология находит применение в промышленности. В частности, компанией «Сибур», ведущим игроком в области нефтехимической промышленности, в целях повышения эффективности и для обеспечения контроля и автоматизированного сбора информации внедрены тысячи защищенных NFC-меток. «Защищенность» подразумевает наличие сертификата по соответствующему классу взрывозащиты. Вообще на объектах такого уровня все устройства должны быть взрывозащищенными, так как их применение предполагается во взрывоопасных средах.
Проблема со считыванием меток
Возникла проблема: взрывозащищенные смартфоны Sonim испытывали трудности с надежностью чтения меток. Иногда приходилось несколько раз прикладывать смартфон к метке для считывания, либо метка совсем не считывалась, что приводило к неудобствам для персонала и замедлению рабочих процессов.
Представители Сибура обратились за решением проблемы к специалистам ООО «Алькор-Коммьюникейшин» (2test) как к поставщику взрывозащищенных мобильных устройств.
Мне, как одному из участников этого проекта, опыт показался интересным. Может кому-то будет полезен при построении систем автоматизации.
Устройства, работу которых нам предстояло изучить
Взрывозащищенный смартфон SONIM XP10 (рисунки 1а и 1б) :
Android 12
Qualcomm SM4350 Pro, 2xA76@2.2GHz, 6xA55@1.9GHz
Дисплей 5,5", 2160х1080 точек, 18:9, Gorilla Glass Victus
NFC 13,56 МГц (антенна примерно по середине задней стенки корпуса, рисунок 3)
2. Взрывозащищённая NFC-метка Armaphon (рисунок 2):
Чип NTAG213
Полезная ёмкость 144 байт
Рабочая частота 13,56 МГц
Диапазон рабочих температур от -40°C до +60°C
Проверка работы NFC-меток на объектах
В ходе проверки работы NFC-меток на объектах Сибур была обнаружена закономерность: все метки были закреплены с помощью хомутов (стяжек) или саморезов вплотную к металлической поверхности (столбам и опорам).
При попытках считывания NFC-меток смартфоном SONIM XP10 не всегда с первого раза он считывал метки, часто для чтения метки необходимо было по-разному крутить смартфон и найти оптимальное положение смартфона для считывания.
Проблема плохого считывания меток была подтверждена, а также экспериментальным путем было выявлено оптимальное место на корпусе смартфона, приближение к которому метки обеспечивало более высокую стабильность считывания.
Изучение работы NFC-меток на стенде
На втором этапе был проведен анализ работы NFC-метки в лаборатории. Метка была размещена на отрезке металлической трубы прямоугольного сечения 60х40 мм с толщиной стенок 3 мм. В ходе тестирования применялась NFC-метка, аналогичная тем, которые применяются на объектах Сибур.
В процессе тестирования метка перемещалась на разное расстояние R от металлической поверхности. Кроме этого, дополнительно проверялась максимальная дистанция считывания L. Процент считывания определялся как отношение успешных считываний к общему количеству попыток считывания (не менее 10).
Результат эксперимента приведен в таблице:
Расстояние между меткой NFC и металлической поверхностью, R мм | Процент считывания, % | Максимальная дистанция считывания, L мм |
0 | 0 | Не считывает |
2 | 0 | Не считывает |
4 | 0 | Не считывает |
6 | 30 | 5 |
8 | 50 | 7 |
10 | 80 | 9 |
12 | 90 | 11 |
14 | 100 | 13 |
16 | 100 | 15 |
Немного теории
Существуют обычные NFC-метки, которые можно ставить на неметаллические поверхности и «антиметаллические» NFC-метки, то есть метки для крепления на металл.
Чем же они отличаются? Поскольку NFC-метки работают по принципу электромагнитной индукции, металлическая поверхность в непосредственной близости от антенны выступает в качестве своеобразного «заземления» и снижает производительность антенны, в результате энергии сигнала оказывается не достаточно для питания чипа. Поэтому обычные NFC-метки будут работать не стабильно, если их разместить за металлом или на него. В таких случаях необходимо использовать «антиметаллические» NFC-метки.
Если NFC-метки предназначены для установки на металл, это указывается в техническом описании метки.
Например, IQRFID NFC label NTAG213 (D-25mm.)
Результаты анализа
Инженерами 2TEST было установлено, что защищенные NFC- метки, применяемые на «Сибур», не предназначены для установки на металл. При этом практически все они установлены на металлических поверхностях, вследствие чего не считываются или считываются плохо.
А что, если посмотреть в другую сторону?
Анализ технических характеристик смартфона и его ближайших аналогов, показал, что, возможно модуль NFC устройства SONIM XP10 по мощности передатчика и чувствительности приемника уступает этим характеристикам у других защищенных смартфонов, например, AORO A16, HОNEYWELL DOLPHIN, MIG S6, АРМА S3.3+, Conquest s29, SONIM XP8. Это также могло привести к худшему считыванию NFC-меток.
Поиск экономически выгодного решения
После того, как проблема была найдена, оставалось найти оптимальное ее решение. На первый взгляд было два очевидных решения:
Замена меток на «антиметаллические».
Замена смартфонов на смартфоны с лучшими характеристиками NFC модуля.
Но замена нескольких тысяч меток на объектах Сибур или приобретение новых смартфонов является крайне дорогостоящей, продолжительной и сложной задачей. Кроме того, найти подходящие «антиметаллические» метки, которые бы обладали необходимыми показателями и сертификатами безопасности оказалось непросто.
В результате было предложено экономически эффективное решение проблемы - для обеспечения разрыва между применяемыми NFC- метками и металлом установить полипропиленовую вставку необходимой толщины, чтобы обеспечить 100% считывание меток.
Как показали лабораторные тесты, оптимальное расстояние метки от металла для 100% считывания находится в диапазоне от 14 мм. Было установлено, что использование вместо воздушной прослойки полипропилена не оказывает влияния на считывание.
В качестве «разрыва» была применена прокладка из вспененного полиэтилена толщиной 15 мм. NFC-метки Armaphon с использованием прокладки считывалась так же хорошо, как и метка, предназначенная для крепления на металл.
В итоге заказчику реализовали самое быстрое и дешевое решение вопроса – установка специальных вставок-прокладок между меткой и металлической поверхностью, что обеспечивает гарантированное считывание меток смартфоном.
Как дополнительное решение, чтобы работнику было удобно ориентировать смартфон при работе, на защитном чехле смартфона обозначили место NFC-антенны: выполнили отверстие методом гидроабразивной резки, как показано ниже:
Заключение
После опытного тестирования установлено, что применение вставок привело к существенному улучшению считывания меток. В результате проблема была решена.
