Specificarea și utilizarea RFID pentru urmărirea activelor IIoT

Urmărirea activelor și gestionarea lanțului de aprovizionare sunt activități importante într-o serie de aplicații ale Internetului industrial al lucrurilor (IIoT), inclusiv în fabricile de producție, centrele de logistică și distribuție, centrele de date, spitale și serviciile de sănătate, sectorul agricol, construcții și transporturi. Specificarea unui sistem pasiv de identificare prin radiofrecvență (RFID) pentru urmărirea activelor este complexă. Activele valoroase pot fi expuse la diverse condiții necontrolate, inclusiv șocuri și vibrații, temperaturi ridicate, temperaturi scăzute și medii umede în timpul transportului și depozitării, și trebuie să se țină seama de diverse standarde RFID specifice fiecărei aplicații.

Proiectanții au nevoie de etichete robuste și fiabile, care să reziste la condițiile dure din mediile industriale, de construcții și de producție, disponibile în diferite dimensiuni standard și intervale de citire pentru a se potrivi nevoilor unor tipuri și clase specifice de active. Acest articol prezintă pe scurt tehnologia RFID pasivă și câteva standarde industriale legate de etichetele și datele RFID. Apoi prezintă etichete RFID, cititoare și soluții de sistem de la Molex, Murata Electronics și ThingMagic.

O etichetă RFID pasivă este formată dintr-o antenă și un circuit integrat care include un front-end (F/E) analogic cu un modulator, un demodulator, o unitate de captare a energiei de radiofrecvență, un controler cu un codificator/decodificator, un sistem electronic de control, un ceas și o memorie (Figura 1). Etichetele RFID pasive nu utilizează baterii. În cazul majorității etichetelor RFID pasive, memoria poate fi rescrisă, iar etichetele RFID pot face schimb de cantități mult mai mari de date decât alte alternative, cum ar fi codurile de bare.

Figura 1: o etichetă RFID pasivă este formată dintr-o antenă și un circuit integrat care include un front-end (F/E) analogic, un controler și o memorie. (Sursa imaginii: Murata)

Etichetele RFID pasive de frecvență ultra înaltă (UHF) pot fi citite la distanțe de până la câțiva metri, și pot fi citite mai multe etichete simultan. Spre deosebire de codurile de bare, RFID utilizează comunicații fără fir, iar etichetele pot fi citite din exteriorul cutiilor de ambalaj fără deschiderea cutiei (Figura 2). În plus, etichetele RFID nu sunt sensibile la murdărie, umiditate, vibrații și alți factori de mediu care pot interfera cu utilizarea codurilor de bare. Etichetele RFID sunt disponibile într-o varietate de formate concepute pentru aplicații specifice. Unele etichete sunt concepute pentru urmărirea și localizarea obiectelor metalice și folosesc suprafața metalică pe post de antenă de amplificare pentru a mări raza de acțiune. Pentru etichetele RFID pasive au fost elaborate diverse standarde pentru comunicare și formatul de date.

Figura 2: etichetele RFID pot fi citite la distanțe de până la câțiva metri. În unele modele, mai multe etichete pot fi citite simultan, iar etichetele pot fi citite prin cutii și alte ambalaje. (Sursa imaginii: Murata)

RAIN RFID

Alianța RAIN RFID promovează utilizarea protocolului ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN - Identificarea prin radiofrecvență) este conceput pentru a face legătura între etichetele RFID UHF și cloud. Acesta permite stocarea, gestionarea și partajarea datelor RFID prin intermediul internetului. Un sistem care utilizează o soluție RAIN are o etichetă RFID, un cititor și un software care poate asigura o legătură cu rețeaua locală și, de acolo, cu cloud-ul (Figura 3). Alianța RAIN s-a bazat pe sistemul de numerotare ISO pentru a simplifica codificarea prin utilizarea numerelor de identificare a companiilor (CIN). Sistemul de numerotare bazat pe ISO este conceput pentru a sprijini identificarea fără coliziuni a etichetelor RAIN RFID. Acesta este destinat să ofere o alternativă fără interferențe la formatele de date existente, brevetate sau definite de furnizori.

Figura 3: RAIN RFID este reglementat de un singur standard global numit EPC UHF Gen2v2 sau ISO/IEC 18000-63. (Sursa imaginii: Alianța RAIN)

Codurile electronice ale produselor și RFID

Codul electronic al produsului (EPC) Gen 2v2 utilizat de RAIN este un protocol standard de interfață aeriană pentru etichetele RFID UHF pasive. EPC Gen 2v2 include caracteristici pentru îmbunătățirea securității, pentru descurajarea produselor contrafăcute și pentru sporirea confidențialității, permițând autentificarea etichetelor și a cititoarelor. Memoria unei etichete Gen 2v2 poate fi împărțită în mai multe fișiere, iar etichetele conforme pot fi utilizate pentru supravegherea electronică a articolelor (EAS).

Standardul EPC a fost elaborat de EPCglobal și a fost aprobat și adoptat ca standard ISO 18000-6C. Pe lângă stabilirea unui standard pentru modul de comunicare între etichete și cititoare, o suită de standarde asociate cu EPC stabilește modul în care datele EPC sunt partajate între diverși utilizatori. Un EPC este un identificator universal pentru obiectele fizice. Deoarece este utilizat pe scară largă în etichetele RFID, standardul de date pentru etichete EPC include cerințe pentru datele suplimentare pe lângă EPC care pot fi stocate pe o etichetă RFID Gen 2. Deși există o suprapunere semnificativă între EPC și etichetele RFID, acestea diferă în mod inerent; RFID este tehnologia purtătoare de date, iar EPC este un identificator și un format de date.

Reglementări EAS și UDI pentru dispozitivele medicale

La fel ca EPC-urile, reglementările privind identificarea unică a dispozitivelor (UDI) din multe țări impun ca echipamentele medicale să aibă identificatori individuali pentru a sprijini EAS pentru utilizarea și depozitarea în siguranță a echipamentelor medicale. Sistemele UDI se aplică la multe tipuri de echipamente medicale, dar sunt deosebit de importante în cazul instrumentelor chirurgicale, unde există un risc semnificativ de pregătire a instrumentelor incorecte pentru o procedură.

Sute de instrumente chirurgicale diferite și personalul neexperimentat pot duce la o situație în care se aleg cu ușurință instrumentele incorecte. Utilizarea UDI și a etichetelor RFID poate elimina această problemă. De asemenea, utilizarea etichetelor RFID facilitează colectarea istoricului de utilizare a instrumentelor individuale și a numărului de utilizări în cadrul unei unități medicale.

Etichetă RFID pasivă pentru instrumente chirurgicale și unelte industriale

Proiectanții de sisteme RFID pot utiliza LXTBKZMCMG-010, o etichetă RFID UHF RAIN pe metal de mici dimensiuni de la Murata, pentru urmărirea instrumentelor chirurgicale, a uneltelor industriale și a altor obiecte metalice similare (Figura 4). LXTBKZMCMG-010 utilizează suprafața metalică pentru a crește raza de citire ca o antenă de amplificare. Această etichetă măsoară 6,0 x 2,0 x 2,3 milimetri (mm), funcționează pe întreaga bandă UHF și are o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la +85 grade Celsius (°C), ceea ce o face potrivită pentru urmărirea și localizarea obiectelor metalice în medii industriale, precum și în unitățile medicale.

Figura 4: eticheta UHF RAIN RFID LXTBKZMCMG-010 este optimizată pentru suprafețe metalice, cum ar fi instrumentele chirurgicale și uneltele industriale. (Sursa imaginii: Murata)

Etichete RFID cu profil redus pentru urmărirea activelor

Aplicațiile de urmărire a activelor și a inventarului pot beneficia de utilizarea etichetelor concepute pentru a rezista la vibrații și impacturi puternice, precum și la variațiile mari de temperatură întâlnite în sistemele industriale, agricole, de construcții și de transport. O amprentă redusă înseamnă mai puțin spațiu, mai puține daune și costuri mai mici. De exemplu, eticheta RFID 0133580821 de la Molex are o grosime de 1,8 mm, clasificare IP68, poate fi utilizată în medii umede și funcționează la temperaturi cuprinse între -50 °C și +85 °C (Figura 5). 0133580821 are un interval de citire de 4,5 metri și este proiectat pentru a fi utilizat pe diverse materiale, inclusiv metale și materiale plastice.

Figura 5: această etichetă RFID cu grosimea de 1,8 mm este optimizată pentru urmărirea activelor și a inventarului cu o rază de citire de 4,5 metri și poate fi utilizată pe mai multe suprafețe, inclusiv pe plastic și metale. (Sursă imagine: Molex)

Cititor RAIN RFID Plug and play

Cititorul finit Elara RAIN RFID de la ThingMagic are caracteristici de interfață și operaționale care minimizează eforturile de proiectare și accelerează implementarea RFID în orice aplicație care necesită distanțe de citire de până la 2 metri (Figura 6). Dispozitivul Elara este oferit în două modele, PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, care funcționează în banda de 865 - 868 MegaHertzi (MHz) și PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB, care funcționează în banda de 915 - 928 MHz. Ambele cititoare sunt livrate în carcase fabricate din materiale plastice calificate pentru domeniul medical.

Figura 6: cititorul finit Elara RAIN RFID poate minimiza eforturile de proiectare și poate accelera implementările RFID în orice aplicație care necesită distanțe de citire de până la 2 metri. (Sursa imaginii: ThingMagic)

Folosind Elara, proiectanții pot adăuga cu ușurință capabilități RFID în aplicații care beneficiază de un cititor plug-and-play de birou sau cu montare fixă. Sunt acceptate fluxuri de lucru autonome care permit crearea rapidă de soluții fără ca proiectantul să aibă cunoștințe de specialitate în domeniul RFID sau să aibă nevoie de kituri de dezvoltare software și instrumente de integrare. Printre exemplele de aplicații ale Elara se numără implementarea reglementărilor UDI în unitățile medicale, procesarea și urmărirea retururilor în depozite și centre de distribuție și punerea în funcțiune a etichetelor RFID. Capacitățile Elara includ:

• Integrarea simplificată a sistemului și funcționare fără software, utilizând fluxurile de lucru autonome preîncărcate.
• Compatibilitate pentru standardele tehnologice RAIN și interfața de comunicare RAIN.
• Compatibilitate pentru protocolul EPCglobal Gen 2v2.
• Citirea în masă a seturilor de articole, cum ar fi instrumentele chirurgicale sau un set de componente pentru o linie de asamblare.
• Numărarea și verificarea articolelor pentru procesarea retururilor sau pentru inventariere.
• Punerea în funcțiune a etichetelor RFID
• Actualizarea datelor etichetelor cu informații de utilizare și alte informații.

Cititor RFID Industry 4.0 și dispozitiv de servicii de la marginea rețelei

Pentru aplicațiile cuprinse în Industry 4.0 care au nevoie de mai multe cititoare RFID și de conectare la cloud prin intermediul unui server de la marginea rețelei, proiectanții pot apela la ALR-F800-X de la Molex, care include un cititor de etichete RFID UHF pasive de clasă enterprise cu 4 porturi și un controler de servicii de la marginea rețelei (Figura 7). Utilizarea ALR-F800-X permite ca datele RFID să fie procesate la sursă și evaluate în timp real. ALR-F800 poate fi alimentat fie cu un adaptor de alimentare de curent continuu, fie cu o sursă de alimentare Power-over-Ethernet (PoE), simplificând implementarea sistemelor RFID Industry 4.0 la scară largă.

Figura 7: ALR-F800-X include un cititor de etichete RFID pasive UHF de clasă enterprise cu 4 porturi și un controler de servicii de la marginea rețelei pentru a susține aplicațiile Industry 4.0. (Sursă imagine: Molex)

Tehnologia de autoadaptare dinamică (DSA) din ALR-F800 monitorizează mediul RF în timp real și controlează mai mulți parametri, filtre și valori numerice de reglare pentru a optimiza citirea etichetelor RFID. Memoria poate fi adăugată cu ajutorul cardurilor micro-SD, iar un port USB este disponibil pentru a adăuga conexiuni Wi-Fi și prin modem celular.

Software-ul Emissary încorporat permite acceptarea și configurarea de cititoare și puncte de citire suplimentare fără a fi nevoie de un server dedicat de la marginea rețelei (Figura 8). Software-ul Emissary permite dezvoltarea unor fluxuri de lucru complete utilizând activități pre-proiectate (cum ar fi citirea etichetei, aprinderea luminii, trimiterea de date etc.) care simplifică și accelerează punerea în funcțiune a noilor aplicații. Emissary include:

• Vizualizarea structurată și intuitivă a funcțiilor, dispozitivelor și punctelor de citire.
• Utilizarea unor convenții de denumire practice, cum ar fi „stație de împachetare”, „ușa nr. 1” și așa mai departe.
• Set de instrumente bazate pe Windows pentru crearea de fluxuri de lucru.
• Configurarea, controlul și întreținerea tuturor cititoarelor locale conectate la dispozitiv.
• Utilizarea standardului corect pentru datele de etichetare pentru interpretarea corectă a datelor primite.
• Gestionarea rapoartelor privind datele de citire a etichetelor și consolidarea rapoartelor de la mai multe cititoare în vederea transferului în cloud.

Figura 8: software-ul Emissary încorporat în ALR-F800-X permite configurarea și acceptarea cititoarelor și punctelor de citire suplimentare fără a fi nevoie de un server dedicat de la marginea rețelei. (Sursă imagine: Molex)

Rezumat

Etichetele și cititoarele RFID pasive pot sprijini diverse activități de urmărire a activelor în IIoT, inclusiv în producție, logistică, centrele de date, asistență medicală, agricultură, construcții și transporturi. Atunci când selectează și specifică sistemele RFID, proiectanții trebuie să fie conștienți de o serie de standarde industriale, inclusiv RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 și reglementările UDI. Diferite tipuri de etichete sunt optimizate pentru aplicații specifice, cum ar fi instalările pe metal și modelele cu profil redus pentru aplicații de urmărire a activelor. Pe lângă etichete, sunt disponibile și cititoare RFID, inclusiv modele de birou și cititoare la nivel de întreprindere/controlere de servicii la marginea rețelei care pot accelera implementarea aplicațiilor RFID din Industry 4.0.