Określenie specyfikacji i wykorzystanie technologii RFID do śledzenia aktywów w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT)

Śledzenie aktywów i zarządzanie łańcuchem dostaw stanowią istotne działania w wielu zastosowaniach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), na przykład w zakładach produkcyjnych, centrach logistycznych i dystrybucyjnych, ośrodkach przetwarzania danych, szpitalach i służbie zdrowia, rolnictwie, budownictwie i transporcie. Określenie specyfikacji pasywnego systemu śledzenia aktywów za pomocą identyfikacji radiowej (RFID) jest skomplikowane. Wartościowe aktywa mogą być narażone na niekontrolowane warunki, np. wstrząsy i drgania, gorące, mroźne i wilgotne środowisko podczas transportu i przechowywania. Ponadto należy wziąć pod uwagę różne standardy RFID specyficzne dla danego zastosowania.

Projektanci potrzebują niezawodnych tagów odpornych na trudne warunki panujące w środowiskach przemysłowych, budowlanych i produkcyjnych, dostępnych w różnych standardowych rozmiarach i zakresach odczytu w celu spełnienia potrzeb określonych rodzajów i klas aktywów. Niniejszy artykuł zawiera krótkie omówienie pasywnej technologii RFID oraz kilku norm branżowych dotyczących tagów identyfikacji radiowej (RFID) oraz danych. Przedstawiono w nim również tagi identyfikacji radiowej (RFID), czytniki i rozwiązania systemowe firm Molex, Murata Electronics oraz ThingMagic.

Pasywny tag identyfikacji radiowej (RFID) składa się z anteny i układu scalonego, który zawiera analogowy układ front-end (F/E) z modulatorem, demodulatorem, jednostką pozyskiwania energii z otoczenia RF, kontrolerem z koderem/dekoderem, elektroniką sterującą, zegarem i pamięcią (ilustracja 1). Pasywne tagi identyfikacji radiowej (RFID) nie wymagają zasilania bateryjnego. Większość pasywnych tagów identyfikacji radiowej (RFID) pozwala na dokonywanie wielokrotnego zapisu w ich pamięci oraz wymianę znacznie większych ilości danych niż alternatywne rozwiązania, takie jak kody kreskowe.

Pasywna technologia tagów identyfikacji radiowej (RFID) ultrawysokiej częstotliwości (UHF) umożliwia odczyt wielu tagów jednocześnie z odległości do kilku metrów. W przeciwieństwie do kodów kreskowych technologia RFID wykorzystuje komunikację bezprzewodową, dzięki czemu tagi mogą być odczytywane z wnętrza pudełek bez konieczności ich otwierania (ilustracja 2). Ponadto tagi identyfikacji radiowej (RFID) są niewrażliwe na zabrudzenia, wilgoć, wibracje i inne czynniki środowiskowe mogące utrudniać odczyt kodów kreskowych. Tagi identyfikacji radiowej (RFID) są dostępne w różnych formatach przeznaczonych do konkretnych zastosowań. Określone tagi są przeznaczone do śledzenia przedmiotów metalowych, których powierzchnia służy za antenę wzmacniającą w celu zwiększenia zasięgu ich działania. W ramach technologii pasywnych tagów identyfikacji radiowej (RFID) opracowano różne standardy komunikacji i formatu danych.

RAIN RFID

Sojusz RAIN RFID promuje stosowanie protokołu ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2. Technologia identyfikacji z użyciem częstotliwości radiowych RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) powstała w celu połączenia tagów identyfikacji radiowej (RFID) UHF z chmurą. Umożliwia ona przechowywanie danych RFID, zarządzanie nimi i udostępnianie ich za pośrednictwem Internetu. System wykorzystujący rozwiązanie RAIN składa się z tagu identyfikacji radiowej (RFID), czytnika i oprogramowania zapewniającego połączenie z siecią lokalną, a stamtąd z chmurą (ilustracja 3). Sojusz RAIN został oparty na systemie numeracji ISO, w celu uproszczenia kodowania przy użyciu numerów identyfikacyjnych firm (CIN). System numeracji oparty na ISO powstał z myślą o wspieraniu bezkolizyjnej identyfikacji tagów RFID RAIN. Ma on stanowić wolną od zakłóceń alternatywę dla istniejących formatów danych zastrzeżonych lub zdefiniowanych przez producentów.

Elektroniczne kody produktów i RFID

Elektroniczny kod produktu (EPC) Gen 2v2 używany w rozwiązaniu RAIN jest standardem protokołu interfejsu radiowego dla pasywnych tagów identyfikacji radiowej (RFID) UHF. Standard EPC Gen 2v2 zawiera funkcje zwiększające bezpieczeństwo, prywatność oraz zapobiegające fałszerstwom poprzez umożliwienie uwierzytelniania tagów i czytników. Pamięć tagów zgodnych ze standardem Gen 2v2 może być podzielona na wiele plików, a tagi wykorzystywane do elektronicznego nadzoru artykułów (EAS).

Standard EPC został opracowany przez firmę EPCglobal, a następnie zatwierdzony i przyjęty jako norma ISO 18000-6C. Oprócz ustanowienia standardu komunikacji między identyfikatorami i czytnikami, standardy dotyczące EPC określają sposób udostępniania danych EPC różnym użytkownikom. EPC jest uniwersalnym identyfikatorem obiektów fizycznych. Ponieważ jest on powszechnie stosowany w tagach identyfikacji radiowej (RFID), standard danych tagu EPC zawiera wymagania dotyczące danych dodatkowych oprócz EPC, które mogą być przechowywane na tagu identyfikacji radiowej (RFID) Gen 2. Choć technologie EPC i tagów identyfikacji radiowej (RFID) w znacznym stopniu się pokrywają, są one z natury różne - RFID jest technologią nośnika danych, a EPC identyfikatorem i formatem danych.

Przepisy EAS i UDI dotyczące wyrobów medycznych

Podobnie jak w przypadku technologii EPC, przepisy dotyczące unikatowych identyfikatorów urządzeń (UDI) w wielu krajach wymagają, aby sprzęt medyczny był wyposażony w indywidualne identyfikatory w celu wsparcia rozwiązań EAS umożliwiających bezpieczne użytkowanie i przechowywanie sprzętu medycznego. Systemy UDI mogą być stosowane z wieloma rodzajami sprzętu medycznego, choć są szczególnie ważne w przypadku narzędzi chirurgicznych, które mogą zostać błędnie dobrane do zabiegu.

Z powodu dostępności setek różnych narzędzi chirurgicznych niedoświadczony personel może łatwo popełnić błąd podczas ich doboru. Zastosowanie tagów UDI i RFID może wyeliminować ten problem. Tagi identyfikacji radiowej RFID ułatwiają również gromadzenie danych dotyczących historii użycia poszczególnych narzędzi i liczby ich użyć w danej placówce służby zdrowia.

Pasywny tag identyfikacji radiowej (RFID) do narzędzi chirurgicznych i przemysłowych

Projektanci systemów RFID mogą wykorzystać niewielkich rozmiarów tag LXTBKZMCMG-010 typu RFID UHF RAIN firmy Murata przeznaczony do stosowania na przedmiotach metalowych w celu śledzenia instrumentów chirurgicznych, narzędzi przemysłowych i podobnych metalowych przedmiotów (ilustracja 4). Metalowa powierzchnia, na której znajduje się tag LXTBKZMCMG-010, działa jak antena wzmacniająca, zwiększając zasięg odczytu. Tag posiada wymiary 6,0 x 2,0 x 2,3mm, działa w całym paśmie UHF, a jego zakres temperatur pracy wynosi od -40 do +85°C, dzięki czemu nadaje się do śledzenia przedmiotów metalowych w środowiskach przemysłowych i placówkach służby zdrowia.

Niskoprofilowe tagi identyfikacji radiowej (RFID) do śledzenia aktywów

Zastosowania związane ze śledzeniem aktywów i zasobów mogą wykorzystywać tagi odporne na silne drgania i uderzenia oraz znaczne wahania temperatury występujące w systemach przemysłowych, rolniczych, budowlanych i transportowych. Niskoprofilowe rozmiary przekładają się na większą przestrzeń, mniejsze uszkodzenia i niższe koszty. Na przykład tag identyfikacji radiowej (RFID) 0133580821 firmy Molex ma grubość 1,8 mm, posiada stopień ochrony IP68, może być używany w wilgotnym środowisku i działa w temperaturach od -50°C do +85°C (ilustracja 5). Tag 0133580821 posiada 4,5-metrowy zasięg odczytu i jest przeznaczony do stosowania na różnych materiałach, w tym metalach i tworzywach sztucznych.

Czytnik RFID RAIN typu „plug and play”

Czytnik Elara RFID RAIN firmy ThingMagic posiada interfejs i funkcje minimalizujące wysiłki projektowe i przyspieszające wdrożenie technologii RFID w dowolnych zastosowaniach wymagających odległości odczytu nieprzekraczającej 2m (ilustracja 6). Oferowane są dwa modele czytnika Elara: PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB działający w paśmie od 865 do 868MHz oraz PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB działający w paśmie od 915 do 928MHz. Oba czytniki posiadają obudowy wykonane z tworzyw sztucznych dopuszczonych do stosowania w służbie zdrowia.

Urządzenia Elara umożliwiają projektantom łatwe dodawanie funkcji RFID do zastosowań obejmujących wykorzystanie czytników typu plug-and-play na biurku lub montowanych na stałe. Obsługa autonomicznego toku pracy umożliwia szybkie projektowanie rozwiązań niewymagających specjalistycznej wiedzy na temat RFID lub stosowania zestawów rozwojowych oprogramowania i narzędzi integracyjnych. Przykłady zastosowań Elara obejmują wdrażanie przepisów UDI w placówkach służby zdrowia, przetwarzanie i śledzenie zwrotów w magazynach i centrach dystrybucji oraz przekazywanie do użytkowania tagów identyfikacji radiowej (RFID). Możliwości zastosowań Elara to m.in.:

• Uproszczona integracja systemu i działanie bez oprogramowania przy użyciu wstępnie załadowanych autonomicznych toków pracy.
• Obsługa standardów technologii RAIN i interfejsu komunikacyjnego RAIN.
• Obsługa protokołu EPCglobal Gen 2v2.
• Masowy odczyt zestawów przedmiotów, np. narzędzi chirurgicznych lub części dla linii montażowej.
• Liczenie i weryfikacja pozycji na potrzeby obsługi zwrotów lub inwentaryzacji.
• Przekazywanie tagów RFID do użytkowania
• Aktualizacja danych z tagów pod kątem wykorzystania i innych informacji.

Czytnik RFID i serwisowe urządzenie brzegowe w przemyśle 4.0

W przypadku zastosowań w przemyśle 4.0 wymagających wielu czytników RFID i połączenia z chmurą za pośrednictwem serwera brzegowego projektanci mogą skorzystać z urządzenia ALR-F800-X firmy Molex, które zawiera 4-portowy pasywny czytnik tagów RFID UHF klasy korporacyjnej oraz kontroler usług brzegowych (ilustracja 7). Zastosowania ALR-F800-X umożliwiają przetwarzanie danych RFID u źródła i ich analizę w czasie rzeczywistym. Urządzenie ALR-F800 może być zasilane za pomocą zasilacza prądu stałego lub technologii Power-over-Ethernet (PoE), co upraszcza wielkoskalowe wdrażanie systemów RFID w ramach koncepcji przemysłu 4.0.

Technologia autoadaptacji dynamicznej (DSA) zastosowana w urządzeniu ALR-F800 pozwala na monitorowanie środowiska radiowego (RF) w czasie rzeczywistym i sterowanie szeregiem parametrów, filtrami i parametrami dostrajania w celu optymalizacji odczytu tagów identyfikacji radiowej (RFID). Gniazda kart micro-SD umożliwiają zwiększenie pamięci, a port USB dodanie połączeń Wi-Fi i modemu łączności komórkowej.

Wbudowane oprogramowanie Emissary pozwala na obsługę i konfigurację dodatkowych czytników i punktów odczytu bez konieczności stosowania odpowiedniego serwera brzegowego (ilustracja 8). Oprogramowanie Emissary umożliwia tworzenie kompletnych toków pracy z wykorzystaniem wstępnie zaprojektowanych czynności (takich jak odczyt tagu, włączenie światła, wysłanie danych itd.) upraszczających i przyspieszających przekazanie do użytkowania nowych zastosowań. Oprogramowanie Emissary oferuje:

• Ustrukturyzowaną i intuicyjną wizualizację funkcji, urządzeń i punktów odczytu.
• Stosowanie zdroworozsądkowych konwencji nazewniczych, takich jak „stanowisko owijania”, „drzwi nr 1” itp.
• Zestaw narzędzi do tworzenia toków pracy oparty na systemie Windows.
• Konfigurację, kontrolę i konserwację wszystkich lokalnych czytników podłączonych do urządzenia.
• Stosowanie właściwego standardu danych tagów w celu dokładnej interpretacji danych przychodzących.
• Zarządzanie raportami dotyczącymi danych odczytanych z tagów oraz konsolidację raportów z wielu czytników w celu przesłania ich do chmury.

Ilustracja 8: oprogramowanie Emissary stanowiące część systemu ALR-F800-X umożliwia konfigurację i obsługę dodatkowych czytników i punktów odczytu bez konieczności stosowania odpowiedniego serwera brzegowego. (Źródło ilustracji: Molex)

Podsumowanie

Pasywne tagi identyfikacji radiowej (RFID) i czytniki mogą służyć do obsługi różnych działań związanych ze śledzeniem aktywów w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT), w tym w produkcji, logistyce, centrach danych, opiece zdrowotnej, rolnictwie, budownictwie i transporcie. Wybierając i określając specyfikacje systemów RFID, projektanci muszą znać szereg standardów branżowych, w tym RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 oraz przepisy UDI. Różne rodzaje tagów są zoptymalizowane pod kątem konkretnych zastosowań, takich jak instalacja na metalowym przedmiocie oraz śledzenie aktywów dzięki niskoprofilowej budowie. Oprócz tagów dostępne są również czytniki RFID, w tym czytniki stacjonarne oraz czytniki i sterowniki usług brzegowych klasy korporacyjnej, które mogą przyspieszyć wdrażanie zastosowań RFID zgodnych z koncepcją Przemysłu 4.0.

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl