반도체 업계는 크고 비싸고 부담이 되는 기술을 끊임없이 크기와 가격을 낮추고 성능을 향상시켜 왔다. 이제 콜드 체인 모니터링 분야에서도 새로운 종류의 센서 기반 RFID 태그가 개발됨에 따라 변화가 가능해졌다. 이 글에서는 이러한 시스템이 어떻게 구현되는지 살펴보기로 한다. 

음식과 약제 같은 부패하기 쉬운 제품을 생산하는 제조사와 이를 판매하는 도매업자와 소매상인들은 냉장 환경의 온도 유지가 제대로 이루어지지 않을 경우 상품의 가치가 떨어지게 되어 큰 손실을 입게 된다. 물류 업계는 이에 대처해 ‘콜드 체인 모니터링’을 위한 정교한 고가의 시스템을 개발해왔다. 부패 가능한 제품을 취급하는 유통업체는 이러한 시스템을 이용해 상품 보관 상태를 지속적으로 모니터링하면서 지정된 임계값을 벗어나면 신속하게 개입한다.

RTLS 기반 시스템, 크다고 좋은 것일까? 

오랜 기간에 걸쳐 물류 업계는 저장창고에 보관 중이거나 이동 중의 부패 가능한 제품을 지속적으로 모니터링하기 위해 기술 개발과 인프라를 지원하는 데 수십억 달러를 투자해 왔다. 그러나 이제 수십 달러에 불과한 가격의 새로운 RFID 센서 칩과 RFID 리더가 등장하면서 물류 업계는 그동안의 투자가 무의미해지는 상황을 맞고 있다. 

물론, 대형 기업들은 실시간 위치추적 시스템(RTLS)과 소프트웨어, 능동 RF 태그, 무선 통신 포인트 및 GPS 추적을 결합한 복잡한 모니터링 시스템을 운용할 여유가 있겠지만, 이러한 시스템은 많은 비용이 들어가고 끊임없는 유지보수가 필요하다. 또 시스템의 전체 소유비용에는 GPS 위성 위치추적을 위한 전파점유시간, 셀룰러 이동전화 네트워크를 통한 데이터 링크 뿐만 아니라 모든 컨테이너와 트레일러에 장비 설치와 유지보수를 수행하고 모든 유통 장소에 무선 액세스 포인트를 설치하는 데 드는 하드웨어 및 소프트웨어 비용이 포함된다. 

이와 같은 시스템은 문제 발생 시 즉시에 개입 가능한 정보를 제공한다. 그러나 실시간 모니터링이 부패 가능한 제품에 대한 폐기율 제로(0)를 보장하는 것처럼 보이지만, 실제로 완벽한 보장은 가능하지 않다. 예를 들어 운송 중 문제가 발생하면 중간 단계에서는 신속한 해결책으로 이어지는 대신 운영자가 어디에서 문제가 발생했는지 찾느라 지연으로 이어지는 경우가 많다. 또 콜드 체인 문제를 해결하는 데 필요한 백업 시스템(모바일 유지보수 인력 등)은 매우 많은 비용이 들어가는데다 항상 효율적인 것은 아니다. 

그러나 물류 업계가 콜드 체인 모니터링 기술을 맨 처음 채택했을 당시 이러한 복잡하고 부담이 되는 인프라는 가능한 유일한 대안이었다. 당시에 이 기술은 보관되는 모든 제품을 지속적으로 보호해주는 방법을 제공하는 것처럼 보였다. 하지만, 사실상 패키지별로 온도와 기타 파라미터를 감지하면서 RFID 시스템 구현에 사용되는 기존 인프라를 이용하는 보다 단순한 콜드 체인 모니터링 방법을 구현하는 것이 경제적으로 보다 합리적인 선택이 될 수 있다. 이 기술에는 RTLS 기능이 없기 때문에 문제가 발생할 경우 변질될 위험이 있는 상품을 보존하기 위해 즉시 개입하는 것이 가능하지 않으므로 소량의 제품이 폐기될 수 있다. 그러나 저렴하고 간편한 모니터링 인프라를 운용하는데서 얻는 절감은 별도로 폐기되는 소량의 상품 비용을 훨씬 능가한다. 

저렴한 로컬 콜드 체인 모니터링

몇 센트의 저렴한 일회용 수동 RFID 태그에 대한 개념은 물류 업계에 이미 많이 이용되고 있다. 수동 RFID 태그는 RFID 리더에 의해 읽혀진다. 수동 태그가 리더에 의해 송신된 에너지로 후방 산란되는 RFID 신호를 변조하면 통신이 이루어진다. 따라서 수동 태그는 독립적인 전원이 필요없으며, 이론적으로 동작 수명이 영구적일 수 있다. 

기존의 RFID 수동 태그는 RFID 이름이 의미하듯 고유 ID 코드를 저장하는 소형 비휘발성 메모리를 포함한다. 

그러나 RFID 태그가 데이터 로깅 디바이스의 기능까지 겸할 수 있다면 많은 이점을 가질 수 있을 것이다. 이것은 ams에서 개발된 새로운 세대의 센서 기반 RFID 태그를 약속한다. 이러한 디바이스는 상품의 운송이나 저장 중에 개별 패키지 상태를 모니터링할 수 있다. 온도, 진동, 습도와 같은 환경적인 정보도 측정하고 기록할 수 있다(그림 1참조). 이러한 시스템은 기존 RFID 기술과 장치를 사용하므로 간편하고 저렴하게 구현할 수 있다. 그러나 로깅된 데이터를 위한 온보드 온도 센서와 EEPROM 과 함께 외부 센서에 대한 저전력 인터페이스를 추가할 경우(그림 2 참조), 디바이스는 개별적인 모든 패키지의 환경 상태를 모니터링할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 

▲ 그림 1. 일반적인 콜드 체인 추적 애플리케이션

▲ 그림 2. 기존 RFID 태그와 유사한 방식으로 동작하지만 내부 온도 센서와 외부 센서 선택에

대한 인터페이스를 제공하는 센서 태그

기존 기술이 트럭의 냉장 컨테이너 내부나 창고 내부의 온도를 측정하는 것과 같이 컨테이너 수준에서 상태를 모니터링한다면, 센서 태그는 개별 패키지 수준에서 온도와 기타 파라미터를 측정할 수 있으며, 이는 보다 정확한 측정을 제공한다. 

반도체 업계가 다른 산업에서도 보여주듯이, 이러한 향상된 성능과 저렴한 가격의 결합은 높은 수준의 효율과 품질 표준을 유지하면서 콜드 체인을 관리하는 저비용 방법을 제공함으로써 부패 가능한 제품에 대한 콜드 체인 모니터링 운영에 혁신적인 변화를 가져다줄 수 있다. 

2가지 동작 방식

센서 기반 RFID 태그의 개념은 두 가지 방법으로 구현할 수 있다. 기존 RFID 태그와 가장 유사한 방식은 완전 수동 방식이다. 이 경우 센서 태그는 독립적인 전원을 갖지 않으며, 따라서 실시간 클록(RTC) 기능을 제공하지 않는다. RFID 리더에 의해 활성화될 때 RFID 태그는 에너지를 수확하기 위해 수신되는 무선 주파수(RF) 장으로부터 통상 4mA 전류를 소비한다. 이 중에서 인터페이스와 온도 센서 같은 내장 기능을 작동시키는데 단 150µA만 사용된다(그림 2 참조). 따라서 이 방식에서 콜드 체인 모니터링을 위한 데이터 로깅은 패키지가 리더에 의해 질의될 때 발생하며, 이 때 온도 로깅이 시작되고 타임 스탬프가 제공된다. 태그는 데이터를 내부 또는 외부 센서에서 가져올지 제어한다. 로깅된 데이터는 암호로 보호되어 데이터 조작이나 승인받지 않은 사용을 방지한다.

센서 태그는 또한 BAP(battery-assisted passive)라고도 하는 반수동 방식으로 동작할 수 있다.  여기에서는 소형 배터리가 온칩 RTC에 의한 자동 데이터 로깅과 타임 스탬프를 위한 전력을 제공한다. 배터리의 일반적인 수명은 배터리 종류와 로깅 간격에 따라 차이는 있지만 1 년에서 1년 반 사이이다. 

센서 태그의 선택

ams는 현재 콜드 체인 모니터링에 적합한 두 종류의 센서 태그를 출시하고 있으며, 두 제품 모두 -40°C ~ +125°C에서 측정할 수 있는 온보드 온도 센서를 포함한다. 

SL13A는 고주파(13.56MHz) AI(air interface) 무선 인터페이스를 제공하며, ISO15693 및 NFC-V 표준을 준수한다. UHF (860-960MHz) SL900A는 EPC Gen 2, Class 1 및 Class 3 표준을 준수한다. 두 제품은 모두 cool-Log명령과 호환된다.

이들 디바이스의 가장 간단한 사용 용도는 완전 수동 모드에서(즉, RFID 리더 존재 시), 온도 로깅과 식별이다. 이 경우 태그 충돌 방지를 위한 표준 명령과 온도 변환에 사용되는 ‘센서 값 가져오기(Get Sensor Value)’ cool-Log 명령이 필요하다. 리더 없이 RF 장을 제공할 때 태그가 데이터를 로그해야 하는 경우 배터리를 SL13A 또는 SL900A에 연결해야 한다. 1.5V 또는 3V(단일 셀 또는 듀얼 셀) 배터리를 사용할 수 있다. 

박막형 및 플렉서블 배터리를 사용할 경우 블리스터 팩 유형 트랜스폰더를 플렉서블 기판 위에 제조할 수 있다. 이 구현은 가장 저렴한 생산 방법이며, 이러한 태그는 일회용이다. 재사용 가능한 트랜스폰더를 원한다면 버튼 셀과 단단한 PCB 기판이 권장된다. BAP 방식에서 온도 로깅을 위해 시스템은 태그 충돌 방지를 위한 표준 RFID 명령과 다음과 같은 커스텀 cool-Log 명령을 사용한다.

• 로그 모드 설정

• 초기화

• 로깅 시작

• 로깅 중지

SPI 인터페이스로 마이크로컨트롤러에 연결

SL13A와 SL900A는 모두 마이크로컨트롤러와 같은 외부 기기에 연결할 수 있는 SPI(Serial Periph-eral Interface) 포트를 제공한다(그림 3 참조). 이것은 독립형 RF 태그에 의해 제공되는 감지, 데이터 로깅, 식별 기능 외에 콜드 체인 모니터링 애플리케이션에서 이용할 수 있는 다양한 기능을 제공한다. 특히 MCU는 로깅 데이터에 원격으로 직접 연결할 수 있게 셀룰러 트랜시버에 대한 연결을 제공한다. MCU는 또한 알람 시스템과 저장 수명을 계산하는 기능을 지원하도록 프로그래밍할 수 있다. 

▲ 그림 3. SPI를 통해 MCU를 RFID 태그에 연결하면 콜드 체인 애플리 케이션에서 매우 다양한

기능을 제공할 수 있다.

SPI는 임베디드 EEPROM을 읽고 쓰는 데 사용할 수 있으며, 캘리브레이션을 위한 생산 라인에서 테스트 인터페이스와 사용자 ID 프로그래밍에 이용되며 비표준 RF 프로토콜을 지원하는 데에도 사용할 수 있다. 

결론

ams의 센서 태그 SL13A 및 SL900A는 콜드 체인 운영자가 온도, 압력, 습도, 진동과 같은 감각 정보를 자동으로 추적, 모니터링 및 기록할 수 있게 한다. 이 제품은 또한 임계 조건이 발생할 경우, 경보 또는 통지를 자동으로 실행하도록 구성할 수 있다.  이러한 이벤트 중심 기능은 콜드 체인 및 물류 업체가 비침습적이고 실용적인 방법으로 사용되는 재료의 상태를 결정할 수 있게 하며, 현재의 정교한 콜드 체인 모니터링 인프라를 대체하는 훨씬 더 단순하고 저렴한 획기적인 방법을 제공한다. 

스완 레자이(Shawn Rezaei) ams