Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Čtečka čárových kódů na bázi MEMS

číslo 5/2006

Čtečka čárových kódů na bázi MEMS

Systémy identifikace výrobků a sledování jejich toku jsou dnes jedním ze základů řízení a spravování logistických řetězců. Přestože lze očekávat, že v budoucnu poroste význam identifikačních metod založených na vysokofrekvenční rádiové identifikaci (RFID), výsadní postavení tištěného alfanumerického značení a čárových a maticových datových kódů se zřejmě ještě dlouhou dobu nezmění. Automatizace sběru a zpracování těchto kódů při správě podnikových toků materiálu výrazně redukuje chybovost a zvyšuje i produktivitu práce při sběru dat. Různé typy čteček čárového kódu proto hrají v dnešních podnicích a jejich informačních systémech nezanedbatelnou roli.

Společnost Intermec uvedla na trh novou generaci čteček Excelerate EL10, která byla vyvinuta ve spolupráci s Fraunhoferovým institutem fotonických mikrosystémů (IPMS) v Drážďanech. Čtečky využívají poznatky získané při vývoji mikroelektro-mechanických systémů (MEMS). Ze spolupráce obou subjektů vzniklo čtecí zařízení, které oproti běžným laserovým skenerům vykazuje nejen vyšší čtecí rychlost, ale i větší robustnost a odolnost proti nárazům.

Vývoj nového zařízení

Společnost Intermec Technologies Corp. se již zhruba 35 let věnuje vývoji a výrobě techniky pro správu a řízení dodavatelských řetězců. Těžištěm produkce jsou v současnosti mobilní výpočetní systémy, tiskárny a snímače čárových kódů a dalších identifikačních médií, včetně techniky vysokofrekvenční radiofrekvenční identifikace (UHF RFID). Při vývoji nejnovějšího přírůstku do svého sortimentu však Intermec nepostupoval zcela sám. I pro takovou firmu by samostatně vedený vývoj v oblasti MEMS byl zřejmě velmi finančně náročný a návratnost případné investice do potřebných vývojových laboratoří by byla více než nejistá. To platí zvláště s ohledem na skutečnost, že výrazně vyšší by ve výsledku byla i cena konečného produktu, který by tak nebyl schopen cenově konkurovat klasickým laserovým čtecím zařízením. Spolupráce soukromého sektoru s výzkumným institutem představuje určitě zajímavou cestu při vývoji nového produktu.

Fraunhoferův institut fotonických mikrosystémů (IPMS), mající své sídlo v Drážďanech, je jeden z 58 nezávislých institutů Fraunhoferovy společnosti, největší evropské organizace zaměřené na aplikovaný výzkum a vývoj. IPMS se věnuje kromě vývoje vlastních aplikací i výzkumu na zakázku v oblasti fotonických mikrosystémů, jako jsou např. modulující a snímací prvky (skenery apod.), světloemitující zařízení (organické LED) a optické detektory (fotodiody, integrované optoelektronické obvody). IPMS má pro vývoj prvků MEMS, MOEMS (mikroopto-elektro-mechanické systémy) a CMOS k dispozici zhruba 1 000 m2 laboratoří, které odpovídají nejpřísnějším kritériím čistoty a bezprašnosti pracovního prostředí.

Takovéto propojení „veřejného„ výzkumu a vývoje a soukromého sektoru je dnes diskutovaným tématem i v České republice. Existuje množství vysokoškolských a univerzitních pracovišť, která mají úspěšné partnery v soukromé sféře, nicméně potenciál vědy, výzkumu a vývoje u nás zdaleka není využit do takové míry, jak je tomu jinde. Větší podniky a společnosti se zahraničními vlastníky podnikající v ČR většinou disponují vlastními centry výzkumu a vývoje, až na výjimky umístěné mimo ČR, nebo podporují spolupráci s vědeckými institucemi ve vlastní zemi. U vlastnicky českých firem naproti tomu panuje nedůvěra k činnosti a výsledkům výzkumných týmů a možný přínos spolupráce s nimi je značně podceňován. Navíc jsou inovace českými firmami často vnímány jako neúnosné riziko. Právě inovace však mohou být způsobem, jak se v dnešním světě prosadit, a spolupráce s veřejnou vědeckovýzkumnou institucí může být, jak dokazuje Excelerate EL10, jednou z finančně schůdných cest.

Mikroelektro-mechanické systémy – MEMS

Nové generace čipů jsou v důsledku postupujícího vývoje stále výkonnější a senzory a akční členy, např. motory či pumpy, se tak postupně stávají „úzkým hrdlem„, které limituje rychlost odezvy systémů na vstupní podněty. Zejména tam, kde je rychlost odezvy kritickým prvkem, jako např. u automobilových airbagů, jsou tato omezení nepříjemná. To byl i jeden z důvodů, které vedly k vývoji systémů MEMS.

MEMS, někdy označované jako „systémy na čipu„, jsou kombinací mikroelektronických a mikromechanických komponent vytvořených na miniaturním silikonovém substrátu metodou velmi podobnou výrobě integrovaných obvodů typu CMOS. Cestou opakovaného nanášení a leptání křemíku a jeho sloučenin mohou být vytvořeny mnohovrstvé struktury v podstatě jakéhokoliv tvaru. Na jednom čipu je tak možné zhotovit nejen miniaturní senzory, jako např. gyroskopy či teploměry, ale i akční členy, jako jsou třeba malé elektromotory. Reakční doba celého systému je v důsledku mikroskopických vzdáleností mezi jeho prvky a především minimálních momentů setrvačností a tření velmi malá. Současně celý systém lépe odolává nárazům v důsledku omezení počtu volných dílů a zanedbatelné nejsou ani celkové úspory materiálu.

Obr. 1.

Obr. 1. MEMS skener čárových kódů

Systémy MEMS nalezly za třicet let své existence uplatnění v mnoha oblastech. Nejznámější je zřejmě jejich použití v automobilovém průmyslu při výrobě senzorů pro airbagy a ABS nebo pro senzory a ovladače u optických vlnovodů.

MEMS a čtečky čárových kódů

Jedním z klíčových prvků klasických snímačů čárových kódů s laserovým paprskem je motorem otáčené zrcadlo, které plní dvojí funkci: kromě toho, že odráží laserový paprsek ze zdroje na čárový kód, také zachytává paprsek odražený od povrchu kódu a směruje jej na senzory (většinou optické senzory CCD). Faktory jako tření a momenty setrvačnosti jsou limitující hlavně z hlediska rychlosti snímání, která bývá nejčastěji vyjadřována v počtu přeběhů paprsku přes čárový kód za jednu sekundu. Další nevýhodou, kterou s sebou tato konstrukce nese, je značná citlivost celého skeneru na otřesy a pády, které mohou poškodit upevnění zrcadla, a jsou proto častou příčinou poruch zařízení.

U MEMS čtečky je použito zrcadlo o daleko menších rozměrech, než je tomu u zmíněných klasických čtecích zařízení. Zrcadlo je vyleptáno do křemíku, a jeho pohyb tak musí být řešen zcela odlišným způsobem. Celá optika, mechanika i procesory potřebné ke snímání jsou integrovány do jednolitého bloku o rozměrech 11,1 × 17,2 × 20,6 mm (obr. 1), který díky své kompaktnosti vykazuje dobré vlastnosti s ohledem na odolnost proti nárazům. Použitá konstrukce zároveň umožňuje snížit energetickou spotřebu celého zařízení zhruba na polovinu, zvýšit jeho spolehlivost i rychlost čtení. Ta se u prvních MEMS čtecích systémů pohybuje okolo 500 čtení za sekundu, což je zhruba čtrnáctkrát více než u běžných a asi pětkrát více než u rychlých klasických laserových snímačů. Vzhledem ke skutečnosti, že MEMS jsou v této oblasti novinkou, lze očekávat, že rychlost s postupujícím vývojem a optimalizací zařízení v budoucnu dosáhne několika tisíc čtení za sekundu. Se zvýšenou rychlostí současně jde i větší počet snímků postoupených procesoru ke zpracování, a celý systém může proto číst i velmi poškozené čárové kódy (obr. 2). To je, spolu s lepší odolností proti poškození nárazem, z hlediska využití v běžném průmyslovém provozu vlastnost pro skener takřka klíčová.

Obr. 2.

Obr. 2. Test výkonnosti MEMS čtečky: čtení poškozených kódů

Omezením této první generace MEMS čteček je, stejně jako u ostatních laserových čtecích zařízení využívajících lineární pohyb paprsku, omezená schopnost zpracovávat dvojrozměrné kódy, ale i čárové kódy orientované v jiných než očekávaných směrech. MEMS čtečky sice díky vyšší rychlosti čtení vykazují lepší výsledky u náhodně orientovaných čárových kódů než běžné čtečky, nicméně stále není vyřešen problém čtení maticových kódů (QR kód aj.). Všesměrové čtení, čtení rastrových kódů a úpravy prodlužující čtecí vzdálenost však lze očekávat již od následující generace MEMS skenerů.

Přístroj před svým zařazením do sériové výroby prošel několikaletým testováním po celém světě a podle získaných zkušeností lze tvrdit, že do oblasti laserových skenerů přináší obdobnou spolehlivost čtení, jakou nabízejí zařízení využívající CCD kamery. Tento skener na bázi MEMS bude nabízen jako integrovaná součást několika čtecích systémů firmy Intermec. Samozřejmostí bude programovatelnost zařízení pro použití s nejčastějšími typy kódů.

Závěr

Systémy MEMS již rozhodně nejsou úplnou novinkou, nicméně jejich použití pro čtečku čárových kódů je zcela nové. Toto spojení s sebou nese nesporné výhody. Zvětšení maximální čtecí vzdálenosti, nižší energetická náročnost i zvýšená odolnost přenosného čtecího zařízení proti nárazům – to vše jsou vylepšení, která pro běžné průmyslové použití rozhodně stojí za pozornost. Přidá-li se několikanásobně rychlejší čtení a s tím související schopnost rozpoznat i velmi poškozené čárové kódy, lze tvrdit, že společný produkt firmy Intermec a Fraunhoferova institutu fotonických mikrosystémů představuje velmi zajímavou alternativu ke klasickým laserovým čtečkám. Vývoj MEMS čteček je v počátcích a od dalšího vývoje lze očekávat další prodloužení životnosti přístroje i jeho výkonnosti.

Petr Buryan