Specifikation og brug af RFID til IIoT-tracking af aktiver

Tracking af aktiver og styring af forsyningskæden er vigtige aktiviteter på tværs af en række IIoT-applikationer (Industrial Internet of Things), herunder produktionsanlæg, logistik- og distributionscentre, datacentre, hospitaler og sundhedspleje, landbrug, byggeri og transport. Det er komplekst at specificere et passivt RFID-system (Radio Frequency Identification) til tracking af aktiver. Værdifulde aktiver kan blive udsat for forskellige ukontrollerede forhold, herunder stød og vibrationer, varme, kulde og våde miljøer under transport og opbevaring, og der er forskellige applikationsspecifikke RFID-standarder, der skal tages i betragtning.

Designere har brug for robuste og pålidelige tags, der kan modstå de barske forhold i industri-, bygge- og produktionsmiljøer, og som er tilgængelig i forskellige standardstørrelser og læseområder, der passer til behovene for specifikke typer af aktiver og klasser. Denne artikel giver en kort gennemgang af passiv RFID-teknologi og flere industristandarder vedrørende RFID-tags og -data. Derefter præsenteres RFID-tags, læsere og systemløsninger fra Molex, Murata Electronics og ThingMagic.

Et passivt RFID-tag består af en antenne og et integreret kredsløb, der omfatter en analog front-end (F/E) med en modulator, en demodulator, en RF-energi udnyttelsesenhed, en controller med en koder/dekoder, styreelektronik, clock og hukommelse (figur 1). Passive RFID-tags bruger ikke batterier. I de fleste passive RFID-tags kan hukommelsen skrives om, og RFID-tags kan udveksle langt større mængder data end alternativer som f.eks. stregkoder.

Figur 1: Et passivt RFID-tag består af en antenne og en IC, der omfatter en analog front-end (F/E), controller og hukommelse. (Billedkilde: Murata)

Passive ultrahøjfrekvente (UHF) RFID-tags kan læses på afstande på op til flere meter, og flere tags kan læses på én gang. I modsætning til stregkoder anvender RFID trådløs kommunikation, og tags kan aflæses uden for emballagekasser uden at åbne kassen (figur 2). Desuden er RFID-tags ufølsomme over for snavs, fugt, vibrationer og andre miljømæssige faktorer, som kan forstyrre brugen af stregkoder. RFID-tags findes i en række forskellige formater, der er designet til specifikke anvendelser. Nogle tags er designet til tracking af metalgenstande og bruger metaloverfladen som en booster-antenne for at øge rækkevidden. Der er blevet udviklet forskellige standarder for kommunikation og dataformat til passive RFID-tags.

Figur 2: RFID-tags kan læses på afstande på op til flere meter. I nogle designs kan flere tags læses samtidig, og tags kan læses gennem kasser og anden emballage. (Billedkilde: Murata)

RAIN RFID

RAIN RFID-alliancen opfordrer til at anvende ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2-protokollen. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) er designet til at forbinde UHF RFID-tags og cloud’en. Det gør det muligt at lagre, administrere og dele RFID-data via internettet. Et system, der anvender en RAIN-løsning, har et RFID-tag, en læser og software, der kan skabe et link til det lokale netværk og derfra til cloud’en (figur 3). RAIN-alliancen har bygget videre på ISO-nummereringssystemet for at forenkle kodningen ved hjælp af virksomhedsidentifikationsnumre (CIN'er). Det ISO-baserede nummereringssystem er designet til at understøtte RAIN RFID-tags kollisionsfri identifikation. Det skal være et interferensfrit alternativ til eksisterende proprietære eller leverandørdefinerede dataformater.

Figur 3: RAIN RFID er reguleret af en enkelt global standard kaldet EPC UHF Gen2v2 eller ISO/IEC 18000-63. (Billedkilde: RAIN Alliance)

Elektroniske produktkoder og RFID

Den elektroniske produktkode (EPC) Gen 2v2, der anvendes af RAIN, er en protokolstandard for luft-interface til passive UHF RFID-tags. EPC Gen 2v2 indeholder funktioner til at forbedre sikkerheden, forhindre forfalskning og øge privatlivets fred ved at muliggøre autentificering af tags og læsere. Hukommelsen i et Gen 2v2-tag kan opdeles i flere filer, og tags, der opfylder kravene, kan bruges til elektronisk vareovervågning (EAS).

EPC-standarden blev udviklet af EPCglobal og godkendt og vedtaget som ISO 18000-6C-standarden. Ud over at fastsætte en standard for, hvordan tags og læsere kommunikerer, er der en række standarder forbundet med EPC, som fastlægger, hvordan EPC-data deles mellem forskellige brugere. En EPC er en universel identifikator for fysiske genstande. Da den er meget udbredt i RFID-tags, indeholder EPC-tag datastandarden krav til data ud over EPC-oplysningerne, som kan lagres på et Gen 2 RFID-tag. Selv om der er en betydelig overlapning mellem EPC'er og RFID-tags, er de i sagens natur forskellige; RFID er datatransmissions teknologien, og EPC er en identifikator og et dataformat.

EAS- og UDI-bestemmelser for medicinsk udstyr

I lighed med EPC'er kræver bestemmelserne om unik identifikation af udstyr (UDI) i mange lande, at medicinsk udstyr skal have individuelle identifikatorer for at støtte EAS i forbindelse med sikker brug og opbevaring af medicinsk udstyr. UDI-systemer gælder for mange typer medicinsk udstyr, men er især vigtige for kirurgiske instrumenter, hvor der er en betydelig risiko for at forberede forkerte instrumenter til en procedure.

Der findes hundredvis af forskellige kirurgiske instrumenter, og uerfarent personale kan nemt vælge forkerte instrumenter. Brugen af UDI- og RFID-tags kan fjerne denne bekymring. Brugen af RFID-tags gør det også lettere at indsamle oplysninger om de enkelte instrumenters anvendelseshistorik og antallet af anvendelser inden for en sundhedsinstitution.

Passivt RFID-tag til kirurgiske instrumenter og industrielt værktøj

Designere af RFID-systemer kan bruge LXTBKKZMCMCMG-010, et lille UHF RAIN RFID-tag på metal fra Murata, til tracking af kirurgiske instrumenter, industriværktøj og lignende metalgenstande (Figur 4). LXTBKZZMCMG-010 bruger metaloverfladen til at øge læseområdet som en booster-antenne. Denne tag måler 6,0 x 2,0 x 2,3 mm, fungerer over hele UHF-båndet og har et driftstemperaturområde på -40 til +85 °C, hvilket gør det velegnet til tracking og tracking af metalgenstande i industrielle miljøer og sundhedsfaciliteter.

Figur 4: LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID-tag er optimeret til metaloverflader som f.eks. kirurgiske instrumenter og industrielt værktøj. (Billedkilde: Murata)

RFID-tags med lav profil til tracking af aktiver

Applikationer til tracking af aktiver og lagerbeholdning kan drage fordel af tags, der er designet til at overleve høje vibrationer og stød og store temperaturvariationer, som findes i industri-, landbrugs-, bygge- og transportsystemer. Et lavt fodaftryk betyder mindre plads, færre skader og lavere omkostninger. F.eks. er RFID-tag 0133580821 fra Molex 1,8 mm tyk, har en IP68-klassificering, kan bruges i våde miljøer og kan fungere fra -50 °C til +85 °C (figur 5). 0133580821 har et aflæsningsområde på 4,5 meter og er designet til brug på en række forskellige materialer, herunder metaller og plast.

Figur 5: Denne 1,8 mm tykke RFID-tag er optimeret til tracking af aktiver og inventar med en læseafstand på 4,5 meter og kan bruges på mange forskellige overflader, herunder plast og metal. (Billedkilde: Molex)

Plug and play RAIN RFID-læser

Den færdige Elara RAIN RFID-læser fra ThingMagic har interface- og driftsfunktioner, der minimerer designarbejdet og fremskynder RFID-implementeringer i enhver applikation, der kræver læseafstande på op til 2 meter (Figur 6). Elara tilbydes i to modeller, PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, der fungerer i 865 - 868 MegaHertz (MHz)-båndet, og PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB, der fungerer i 915 - 928 MHz-båndet. Begge læsere leveres i kabinetter af sundhedsklassificeret plast.

Figur 6: Færdig Elara RAIN RFID læser kan minimere designarbejdet og fremskynde RFID-implementeringer i enhver applikation, der kræver læseafstande på op til 2 meter. (Billedkilde: ThingMagic)

Ved hjælp af Elara kan designere nemt tilføje RFID-funktioner til applikationer, der har gavn af en plug-and-play-læser til skrivebord eller fastmonteret. Der understøttes autonome arbejdsgange, som gør det muligt at skabe hurtige løsninger uden RFID-ekspertise hos designeren eller behov for softwareudviklingskits og integrationsværktøjer. Eksempler på Elara-applikationer omfatter implementering af UDI-bestemmelser i sundhedsfaciliteter, behandling og tracking af returvarer i lager- og distributionscentre og idriftsættelse af RFID-tags. Elara har bl.a. følgende funktioner:

• Forenklet systemintegration og softwarefri drift ved hjælp af de forudindlæste autonome arbejdsgange.
• Understøttelse af RAIN-teknologistandarder og RAIN-kommunikationsinterface.
• Understøttelse af EPCglobal Gen 2v2-protokollen.
• Bulk læsning af sæt af artikler, f.eks. kirurgiske instrumenter eller et sæt komponenter til et samlebånd.
• Optælling og verifikation af varer i forbindelse med behandling af returvarer eller opgørelse af inventar.
• Idriftsættelse af RFID-tags
• Opdatering af tag-data med oplysninger om brug og andre oplysninger.

Industri 4.0 RFID-læser og Edge service-enhed

Til industri 4.0 applikationer, der har brug for flere RFID-læsere og forbindelse til cloud’en via en Edge-server, kan designere henvende sig til ALR-F800-X fra Molex, der omfatter en passiv UHF RFID-taglæser i virksomhedsklasse med 4 porte og en Edge-servicecontroller (figur 7). Ved at bruge ALR-F800-X kan RFID-data behandles ved kilden og evalueres i realtid. ALR-F800 kan forsynes med strøm ved hjælp af enten en DC-adapter eller en PoE-strømkilde (Power-over-Ethernet), hvilket forenkler implementeringen af store Industry 4.0 RFID-systemer i stor skala.

Figur 7: ALR-F800-X indeholder en 4-ports UHF passiv RFID-taglæser i virksomhedsklasse og en Edge-servicecontroller til understøttelse af industri 4.0-applikationer. (Billedkilde: Molex)

DSA-teknologien (Dynamic Self-Adaptering) i ALR-F800 overvåger RF-miljøet i realtid og styrer flere parametre, filtre og indstillingsmetrikker for at optimere læsningen af RFID-tags. Der kan tilføjes hukommelse ved hjælp af microSD-kort, og der er en USB-port til at tilføje Wi-Fi- og mobil modemforbindelser.

Den indbyggede Emissary software gør det muligt at understøtte og konfigurere yderligere læsere og læsningspunkter uden at have brug for en dedikeret Edge-server (Figur 8). Emissary softwaren gør det muligt at udvikle komplette arbejdsgange ved hjælp af forud definerede aktiviteter (f.eks. læse tag, tænde lys, sende data osv.), som forenkler og fremskynder idriftsættelsen af nye applikationer. Emissary omfatter:

• Struktureret og intuitiv visualisering af funktioner, enheder og aflæsningspunkter.
• Brug af fornuftige navnekonventioner som f.eks. "indpakningsstation", "dør nr. 1" osv.
• Windows-baseret værktøjssæt til oprettelse af workflows.
• Opsætning, kontrol og vedligeholdelse af alle lokale læsere, der er tilsluttet enheden.
• Brug af den korrekte tagdatastandard for at sikre en nøjagtig fortolkning af indgående data.
• Håndtering af rapporter om læste data fra en tag og konsolidering af rapporter fra flere læsere med henblik på overførsel til cloud’en.

Figur 8: Emissary softwaren, der er indbygget i ALR-F800-X, giver mulighed for konfiguration og understøttelse af yderligere læsere og læsepunkter uden behov for en dedikeret Edge-server. (Billedkilde: Molex)

Sammenfatning

Passive RFID-tags og læsere kan understøtte forskellige aktiviteter til tracking af aktiver i IIoT, herunder fremstilling, logistik, datacentre, sundhedspleje, landbrug, byggeri og transport. Når de skal vælge og specificere RFID-systemer, skal designerne være opmærksomme på en række industristandarder, herunder RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 og UDI-regler. Forskellige typer tags er optimeret til specifikke anvendelser, f.eks. installationer på metal og lav profildesigns til tracking af aktiver. Ud over tags er der RFID-læsere til rådighed, herunder desktop-designs og læsere/Edge-servicecontroller på virksomhedsniveau, som kan fremskynde implementeringen af RFID-applikationer til Industri 4.0.