Technologia RFID w śledzeniu zasobów IIoT
| TechnikaŚledzenie zasobów i zarządzanie łańcuchem dostaw to ważne obszary aplikacyjne przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT), które są wykorzystywane w zakładach produkcyjnych, centrach logistycznych i dystrybucyjnych, centrach danych, szpitalach i jednostkach opieki zdrowotnej, rolnictwie, budownictwie i transporcie. O ile zasada działania identyfikacji radiowej jest prosta i dobrze znana, o tyle przygotowanie specyfikacji systemu śledzenia zasobów w oparciu o RFID jest złożone. Cenne aktywa mogą być narażone na różne niekontrolowane warunki pracy, w tym wstrząsy i wibracje, gorąco, mróz i wilgoć podczas transportu i przechowywania. Należy też wziąć pod uwagę różne standardy RFID specyficzne dla danego zastosowania.
Do tworzonych projektów projektanci potrzebują wytrzymałych i niezawodnych tagów, które mogą działać w trudnych warunkach środowiska przemysłowego, budowlanego i transportowego. Z punktu widzenia aplikacji transpondery powinny być dostępne w różnych standardowych rozmiarach i zakresach odległości odczytu, aby spełnić potrzeby określonych typów i klas zasobów. Ten artykuł omawia aspekty charakterystyczne dla pasywnej technologii RFID i kilku powiązanych standardów branżowych. Następnie przedstawia produkty RFID, czytniki i rozwiązania systemowe firm Molex, Murata Electronics i Th ingMagic.
Pasywny tag RFID składa się z anteny i układu scalonego, który zawiera wejściową głowicę analogową z modulatorem, demodulatorem, jednostkę zasilającą wykorzystującą energię pola w.cz., kontroler z koderem/dekoderem danych, elektronikę sterującą, układ zegara i pamię (rys. 1). Pasywne identyfikatory RFID nie korzystają z baterii. W większości produktów tego typu zawartość pamięci można zmienić i można w niej zapisać znacznie większą ilość danych, niż dają alternatywne rozwiązania, takie jak kody kreskowe.
Pasywne tagi RFID pracujące w paśmie UHF można odczytać z odległości do kilku metrów i naraz możliwe jest odczytanie wielu identyfikatorów. Komunikacja bezprzewodowa pozwala na odczyt identyfikatora znajdującego się w pudełku bez otwierania (rys. 2). Bezstykowa komunikacja zapewnia ponadto niewrażliwość na brud, wilgoć, wibracje i inne czynniki środowiskowe, które uniemożliwiają użycie kodów kreskowych. Produkty tego typu wytwarzane są w różnych formatach (obudowach, wielkości) ukierunkowanych na konkretne zastosowania. Niektóre identyfikatory są ukierunkowane do zastosowań u metalowych przedmiotów i wykorzystują metalową powierzchnię jako antenę wzmacniającą sygnał w celu zwiększenia zasięgu działania.
Dla potrzeb standaryzacji tych produktów opracowano kilka różnych protokołów i formatu danych.
Stowarzyszenie RAIN RFID zajmuje się promocją protokołu ISO/IEC 18000- 63 GS1 UHF Gen 2 RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) przeznaczonego do łączenia tagów RFID UHF z chmurą. Umożliwia on przechowywanie, zarządzanie i udostępnianie danych RFID za pośrednictwem Internetu. System wykorzystujący rozwiązanie RAIN zawiera identyfikator, czytnik i oprogramowanie, które może zrealizować połączenie z siecią lokalną, a stamtąd z chmurą (rys. 3). Jest ono opisane przez ISO, dzięki czemu można zrealizować kodowanie produktów przy użyciu firmowych numerów identyfikacyjnych (CIN). RAIN realizuje obsługę bezkolizyjnej identyfi- kacji tagów i jest pozycjonowany na rynku jako alternatywa dla istniejących zastrzeżonych lub własnościowych formatów danych.
Elektroniczne kody produktów a RFID
Elektroniczny kod produktu (EPC) Gen 2v2 wykorzystywany przez RAIN to standard protokołu interfejsu radiowego do obsługi pasywnych tagów RFID UHF. EPC Gen 2v2 zawiera funkcje poprawiające bezpieczeństwo i zapobiegające nadużyciom oraz zwiększające prywatność poprzez realizację procesu uwierzytelniania tagów i czytników. Pamięć identyfikatora Gen 2v2 można podzielić na dużą liczbę plików, a ponadto produkty te nadają się do realizacji elektronicznej kontroli produktów (Electronic Article Surveillance, EAS).
Standard EPC został opracowany przez organizację EPCglobal i przyjęty jako standard ISO 18000-6C. Oprócz ustanowienia metod komunikacji tagów i czytników, powiązane z nim regulacje określają sposób udostępniania danych EPC między różnymi użytkownikami systemu. EPC można też traktować jako uniwersalny identyfikator obiektów wykorzystywany w tagach RFID. Można powiedzieć, że RFID to technologia zapewniająca realizację nośnika danych, a EPC zapewnia ich identyfikację i format.
Regulacje EAS i UDI dotyczące wyrobów medycznych
Podobnie jak w przypadku EPC, w wielu krajach przepisy wymagają, aby sprzęt medyczny miał indywidualny identyfikator (Unique Device Identification, UDI) pozwalający na bezpieczne użytkowanie i używanie. Wprawdzie systemy UDI nadają się do wielu rodzajów sprzętu medycznego, ale szczególnie często używa się ich do oznaczania narzędzi chirurgicznych po to, aby zmniejszyć ryzyko przygotowania niewłaściwego sprzętu do zabiegu. Poza kontrolą ilości i typu zastosowanie znaczników pozwala również na gromadzenie historii użycia poszczególnych przyrządów oraz liczby użyć.
Pasywny tag do narzędzi chirurgicznych i przemysłowych
Projektanci mogą użyć małego taga UHF RAIN Muraty do montażu na powierzchniach metalowych LXTBKZMCMG- 010, pozwalającego na identyfikację narzędzi chirurgicznych, przemysłowych i podobnych metalowych przedmiotów (rys. 4). Znacznik ten wykorzystuje metalową powierzchnię jako antenę do zwiększenia zasięgu i ma wymiary 6×2×2,3 mm. Pracuje w paśmie UHF w zakresie temperatur od –40 do +85°C.
Niskoprofilowe tagi RFID do śledzenia zasobów
Aplikacje do śledzenia zasobów i zapasów wykorzystują tagi zaprojektowane pod kątem odporności na silne wibracje i uderzenia oraz pozwalające na pracę w szerokim zakresie temperatur występujących w systemach przemysłowych, rolnictwie, budownictwie i transporcie. Niski profil (mała wysokość) oznacza mniejszą zajętość miejsca, lepszą niezawodność i niższe koszty. Na przykład 0133580821 firmy Molex ma grubość 1,8 mm, zapewnia stopień ochrony IP68, dzięki czemu może być używany w wilgotnym środowisku i działa w temperaturach od –50 do +85°C (rys. 5). Ma zasięg odczytu 4,5 m i może być montowany na różnych materiałach, w tym metalach i tworzywach sztucznych.
Czytnik RFID RAIN plug and play
Czytnik Elara RAIN RFID firmy Th ingMagic to gotowe do pracy urządzenie z interfejsem USB, które minimalizują wysiłek projektowy i przyspieszają implementację technologii RFID w dowolnej aplikacji. Zapewnia odczyt transponderów z odległości do 2 m (rys. 6). Elara jest dostępna w dwóch wersjach: PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, pracującym w paśmie od 865–868 MHz oraz PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB na zakres 915–928 MHz. Oba umieszczono w obudowach z tworzywa sztucznego dopuszczonego do użytku medycznego.
Korzystając z Elary, projektanci mogą łatwo dodać funkcje RFID do aplikacji i używać go jako komponentu podłączanego na żądanie (jako plug-and-play) lub czytnika montowanego na stałe. Urządzenie zapewnia autonomiczny odczyt, który pozwala na szybkie tworzenie gotowych rozwiązań bez konieczności posiadania wiedzy w zakresie RFID lub użycia oprogramowania narzędziowego i integracji z aplikacją. Przykłady zastosowań Elary obejmują aplikacje UDI w placówkach służby zdrowia, przetwarzanie i śledzenie zwrotów w magazynach i centrach dystrybucyjnych oraz typowe rozwiązania RFID.
Możliwości Elary obejmują:
- uproszczoną integrację systemu i obsługę bez dodatkowego oprogramowania dzięki możliwości pracy autonomicznej,
- wsparcie dla standardu i interfejsu komunikacyjnego RAIN,
- obsługę protokołu EP-Cglobal Gen 2v2,
- masowy odczyt wielu tagów w narzędziach chirurgicznych lub zestawach komponentów do montażu,
- liczenie pozycji i weryfikację stanu pod kątem obsługi zwrotów lub inwentaryzacji,
- przygotowanie tagów RFID do pracy,
- aktualizowanie pamięci tagów.
Czytnik RFID dla Przemysłu 4.0
W przypadku zastosowań w aplikacjach Przemysłu 4.0, które wymagają użycia wielu czytników RFID i połączenia ich z chmurą przez serwer brzegowy, projektanci mogą skorzystać z urządzenia ALR-F800-X firmy Molex, który zawiera 4-portowy pasywny czytnik tagów RFID UHF i kontroler brzegowy (rys. 7). Pozwala on na odczyt i przetwarzanie danych RFID w czasie rzeczywistym. ALR-F800 może być zasilany z zasilacza adapterowego lub jako Power-over-Ethernet (PoE), co upraszcza wdrażanie wielkoskalowych systemów RFID Przemysłu 4.0.
Technologia dynamicznej samoadaptacji (DSA) w ALR-F800 skanuje widmo RF w czasie rzeczywistym i dopasowuje parametry odczytu (filtrację i strojenie) w celu optymalizacji odczytów tagów RFID. Pamięć urządzenia można rozbudować za pomocą kart micro-SD, a za pomocą portu USB dodaje się połączenie z Wi-Fi siecią komórkową.
Wbudowane oprogramowanie Emissary umożliwia obsługę i konfigurację dodatkowych czytników bez konieczności użycia dedykowanego serwera brzegowego (rys. 8). Umożliwia ono opracowywanie kompletnych schematów działania z wykorzystaniem wstępnie predefiniowanych operacji takich jak odczytywanie znaczników, włączanie kontrolek, wysyłanie danych, które upraszczają i przyspieszają uruchamianie nowych aplikacji.
Oprogramowanie Emissary obejmuje:
- intuicyjną wizualizację funkcji, obsługiwanych urządzeń i punktów odczytu tagów,
- łatwe do przyswojenia nazewnictwo dla elementów systemu,
- zestaw oprogramowania narzędziowego dla Windows do tworzenia schematów działania,
- konfigurację, sterowanie i konserwację wszystkich dołączonych czytników,
- obsługę Tag Data Standard w celu dokładnej interpretacji odczytanych danych,
- zarządzanie raportami danych z odczytu tagów i konsolidację wielu raportów w celu przesłania do chmury.
Podsumowanie
Pasywne tagi i czytniki RFID pozwalają na tworzenie rozwiązań związanych ze śledzeniem zasobów w aplikacjach IIoT, w tym w produkcji, logistyce, centrach danych, opiece zdrowotnej, rolnictwie, budownictwie i transporcie. Wybierając takie produkty, projektanci muszą być świadomi istnienia szeregu norm branżowych, jak RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 i UDI oraz tego, że różne typy transponderów są dopasowane pod kątem konkretnych zastosowań. Razem takie produkty pomagają przyspieszyć wdrażanie aplikacji RFID Przemysłu 4.0.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
