Spesifisere og bruke RFID til å spore eiendeler via IIoT

Sporing av eiendeler og leveransestyring er viktige aktiviteter på tvers av en rekke industrielle tingenes Internett (IIoT)-konstruksjoner, for eksempel produksjonsanlegg, logistikk- og distribusjonssentre, datasentre, sykehus og helsevesen, landbruk, bygg og transport. Å spesifisere et system for sporing av eiendeler med passiv radiofrekvensidentifikasjon (RFID) er en kompleks affære. Verdifulle eiendeler kan utsettes for ulike ukontrollerte forhold, for eksempel støt og vibrasjoner, varme, iskalde og våte miljøer under transport og lagring, og det er ulike anvendelsesspesifikke RFID-standarder som må tas hensyn til.

Konstruktører har behov for robuste og pålitelige brikker (tag) som tåler de tøffe forholdene i industri-, bygge- og produksjonsmiljøer. Disse brikkene er tilgjengelige i forskjellige standardstørrelser og avlesningsområder for å være egnet for behovene til spesifikke eiendelstyper og -klasser. Denne artikkelen går kort gjennom passiv RFID-teknologi og flere bransjestandarder knyttet til RFID-brikker og -data. Deretter presenterer den RFID-brikker, -lesere og -systemløsninger fra Molex, Murata Electronics og ThingMagic.

En passiv RFID-brikke består av en antenne og en IC (integrert krets) som inkluderer en analog inngang (F/E – front-end) med en modulator, demodulator, RF-energihøstingsenhet, en styring med en koder/dekoder, styringselektronikk, klokke og minne (figur 1). Passive RFID-brikker bruker ikke batterier. Minnet kan omskrives i de fleste passive RFID-brikker, og RFID-brikker kan utveksle mye større mengder data enn andre alternativer, for eksempel strekkoder.

Figur 1: En passiv RFID-brikke består av en antenne og en IC som inkluderer en analog inngang (F/E), styring og minne. (Bildekilde: Murata)

Passive ultrahøyfrekvente (UHF – ultra-high frequency) RFID-brikker kan avleses fra avstander på opptil flere meter, og flere brikker kan avleses samtidig. I motsetning til strekkoder, bruker RFID trådløs kommunikasjon, og brikker kan avleses fra utsiden av pakkbokser uten å åpne boksen (figur 2). I tillegg er ikke RFID-brikker følsomme for smuss, fuktighet, vibrasjoner og andre miljøfaktorer som kan være en hindring under bruk av strekkoder. RFID-brikker kommer i en rekke formater som er utviklet for bestemte bruksområder. Noen brikker er konstruert for å spore metallgjenstander og bruke metalloverflaten som en forsterkerantenne for å øke rekkevidden. Det er utviklet ulike standarder for kommunikasjon og dataformat for passive RFID-brikker.

Figur 2: RFID-brikker kan avleses fra avstander på opptil flere meter. I noen konstruksjoner kan flere brikker avleses samtidig, og brikkene kan avleses gjennom bokser og annen emballasje. (Bildekilde: Murata)

RAIN RFID

RAIN RFID-alliansen understøtter ved å bruke ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2-protokollen. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) er konstruert for å forbinde UHF RFID-brikker med skyen. Dette gjør det mulig å lagre, administrere og dele RFID-data ved hjelp av Internett. Et system som bruker en RAIN-løsning har en RFID-brikke, -leser og -programvare som kan gi en forbindelse til det lokale nettverket og derfra til skyen (figur 3). RAIN-alliansen har bygget på ISO-nummereringssystemet for å forenkle koding ved hjelp av bedriftsidentifikasjonsnumre (CIN – company identification number). Det ISO-baserte nummereringssystemet er utviklet for å støtte RAIN RFID-brikkenes kollisjonsfrie identifikasjon. Det er ment å gi et interferensfritt alternativ til eksisterende proprietære eller leverandørdefinerte dataformater.

Figur 3: RAIN RFID er regulert av en enkel global standard kalt EPC UHF Gen2v2 eller ISO/IEC 18000-63. (Bildekilde: RAIN Alliance)

Elektroniske produktkoder og RFID

Den elektroniske produktkoden (EPC – electronic product code) Gen 2v2 som brukes av RAIN er en protokollstandard for luftgrensesnitt for passive UHF RFID-brikker. EPC Gen 2v2 inkluderer funksjoner for å forbedre sikkerheten, hindre forfalskninger og forsterke personvernet ved å muliggjøre autentisering av brikker og lesere. Minnet til en Gen 2v2-brikke kan partisjoneres i flere filer, og kompatible brikker kan brukes for elektronisk vareovervåking (EAS – electronic article surveillance).

EPC-standarden ble utviklet av EPCglobal og godkjent og innført som ISO 18000-6C-standarden. I tillegg til å sette en standard for hvordan koder og lesere kommuniserer, er det en rekke standarder knyttet til EPC som etablerer hvordan EPC-data deles mellom ulike brukere. En EPC er en universell identifikator for fysiske objekter. Siden den er mye brukt i RFID-brikker, inkluderer datastandarden for EPC-brikker krav til data i tillegg til EPC-en som kan lagres på en Gen 2 RFID-brikke. Selv om det er en betydelig overlapping mellom EPC-er og RFID-brikker, har de iboende forskjeller. RFID er databærerteknologien og EPC er en identifikator og et dataformat.

EAS- og UDI-forskrifter for medisinsk utstyr

I likhet med EPC-er, krever UDI-forskrifter (UDI – Unique Device Identification) i mange land at medisinsk utstyr har individuelle identifikatorer for å overholde EAS for sikker bruk og lagring av medisinsk utstyr. UDI-systemer gjelder for mange typer medisinsk utstyr, men de er spesielt viktige med kirurgiske instrumenter der det er en betydelig risiko relatert til å forberede feil instrumenter for en prosedyre.

Hundrevis av forskjellige kirurgiske instrumenter og uerfarent personell kan fort velge feil instrumenter. Bruken av UDI og RFID-brikker kan eliminere denne bekymringen. Bruken av RFID-brikker gjør det også lettere å samle inn historikken over bruken av individuelle instrumenter og antall bruksområder innenfor et helseinstitutt.

Passiv RFID-brikke for kirurgiske instrumenter og industriverktøy

RFID-systemkonstruktører kan bruke LXTBKZMCMG-010, en liten UHF RAIN RFID-brikke for bruk på metall fra Murata, for sporing av kirurgiske instrumenter, industriverktøy og lignende metallgjenstander (figur 4). LXTBKZMCMG-010 bruker metalloverflaten til å øke avlesningsområdet som en forsterkerantenne. Denne brikken måler 6,0 x 2,0 x 2,3 millimeter (mm), opererer over hele UHF-båndet og har et driftstemperaturområde på –40 til +85 grader Celsius (°C), noe som gjør den egnet for sporing av metallobjekter i industrimiljøer og helseinstitutter.

Figur 4: LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID-brikken er optimalisert for metalloverflater som kirurgiske instrumenter og industriverktøy. (Bildekilde: Murata)

RFID-brikker med lav profil for sporing av eiendeler

Konstruksjoner for sporing av eiendeler og lagerbeholdning kan dra nytte av brikker som er konstruert for å tåle de kraftige vibrasjonene og støtene og de store temperaturvariasjonene som finnes i industri-, landbruks-, bygge- og transportsystemer. Et lavprofilert format betyr mindre plass, færre skader og lavere kostnader. For eksempel er 0133580821 RFID-brikken fra Molex 1,8 mm tykk, har en IP68-klassifisering, kan brukes i våte omgivelser og opererer fra –50til +85 grader Celsius(Figur 5). 0133580821 har et avlesningsområde på 4,5 meter og er konstruert for å brukes på en rekke ulike materialer, for eksempel diverse metall- og plasttyper.

Figur 5: Denne 1,8 mm tykke RFID-brikken er optimalisert for sporing av eiendeler og lagerbeholdninger, og har et avlesningsområde på 4,5 meter og kan brukes på en rekke ulike overflater, for eksempel diverse plast- og metalltyper. (Bildekilde: Molex)

Plug-and-play RAIN RFID-leser

Elara RAIN RFID-ferdigleseren fra ThingMagic har grensesnitt- og driftsfunksjoner som minimerer tiden det tar å utvikle og implementere RFID i alle konstruksjoner som krever avlesningsavstander på opptil 2 meter (figur 6). Elara tilbys i to modeller, PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, som opererer i 865–868 MegaHertz (MHz)-båndet, og PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB, som opererer i 915–928 MHz-båndet. Begge leserne kommer i kapslinger som er laget av plast godkjent for helsetjenester.

Figur 6: Elara RAIN RFID-ferdigleseren kan minimere tiden det tar å utvikle og implementere RFID i alle konstruksjoner som krever avlesningsavstander på opptil 2 meter. (Bildekilde: ThingMagic)

Ved å bruke Elara kan konstruktører enkelt legge til RFID-funksjoner i konstruksjoner som drar nytte av en plug-and-play stasjonær datamaskin eller fastmontert leser. Det er støtte for autonome arbeidsflyter som muliggjør rask opprettelse av løsninger uten at konstruktøren trenger noen form for RFID-kompetanse, og det er ikke noe behov for programvareutviklingssett eller integrasjonsverktøy. Eksempler på Elara-konstruksjoner omfatter implementering av UDI-forskrifter i helseinstitusjoner, returbehandling og sporing i lager- og distribusjonssentre og igangsetting av RFID-brikker. Elaras muligheter omfatter:

• Forenklet systemintegrasjon og programvarefri drift ved bruk av forhåndsinnlastede autonome arbeidsflyter.
• Støtte for RAIN-teknologistandarder og RAIN-kommunikasjonsgrensesnitt.
• EPCglobal Gen 2v2-protokollstøtte.
• Masseavlesning av sett med gjenstander, for eksempel kirurgiske instrumenter eller et sett med komponenter for en produksjonslinje.
• Varetelling og verifisering for returbehandling eller opptelling av lagerbeholdning.
• Igangsetting av RFID-brikker
• Oppdatering av brikkedata med bruk og annen informasjon.

Industri 4.0 RFID-leser og kanttjenesteenhet

For Industri 4.0-konstruksjoner som trenger flere RFID-lesere og tilkobling til skyen gjennom en kantserver, kan konstruktører bruke ALR-F800-X fra Molex som inkluderer en passiv UHF RFID-brikkeleser i bedriftsklassen med fire porter og en kanttjenestestyring (figur 7). Ved å bruke ALR-F800-X, er det mulig å behandle RFID-data ved kilden og evaluere dataene i sanntid. ALR-F800 kan drives ved hjelp av enten en DC-strømadapter (DC – likestrøm) eller en PoE-strømkilde (PoE - Power over Ethernet), noe som forenkler distribusjonen av Industri 4.0 RFID-systemer i stor skala.

Figur 7: ALR-F800-X inkluderer en passiv UHF RFID-brikkeleser i bedriftsklassen med fire porter og en kanttjenestestyring som støtter Industri 4.0-konstruksjoner. (Bildekilde: Molex)

Dynamisk selvtilpassende (DSA – dynamic self-adapting) teknologi i ALR-F800 overvåker RF-miljøet i sanntid og styrer flere parametere, filtre og innstillingsmålinger for å optimalisere RFID-brikkeavlesninger. Minne kan legges til ved hjelp av micro-SD-kort, og en USB-port er tilgjengelig for å legge til Wi-Fi-tilkoblinger og mobilmodemtilkoblinger.

Den innebygde Emissary-programvaren muliggjør støtte og konfigurasjon av ytterligere lesere, og den avleser punkter uten å trenge noen dedikert kantserver (figur 8). Emissary-programvare gjør det mulig å utvikle komplette arbeidsflyter ved hjelp av forhåndsutviklede aktiviteter (for eksempel å lese brikker, slå på lys, sende data og så videre) som forenkler og fremskynder igangsettingen av nye konstruksjoner. Emissary omfatter:

• Strukturert og intuitiv visualisering av funksjoner, enheter og avlesningspunkter.
• Bruk av fornuftige navnekonvensjoner som «pakkestasjon», «dør 1» og så videre.
• Windows-baserte verktøysett for oppretting av arbeidsflyter.
• Oppsett, styring og vedlikehold av alle lokale lesere som er koblet til enheten.
• Bruk av riktig brikkedatastandard for å gi nøyaktig tolkning av innkommende data.
• Håndtering av brikkeavleste datarapporter og sammenslåing av rapporter fra flere lesere for å overføre til skyen.

Figur 8: Emissary-programvaren som er innebygd i ALR-F800-X muliggjør konfigurering og støtte av ytterligere lesere og avlesningspunkter, uten at det er behov for noen dedikert kantserver. (Bildekilde: Molex)

Sammendrag

Passive RFID-brikker og -lesere kan støtte ulike aktiviteter for sporing av eiendeler i IIoT, for eksempel innen produksjon, logistikk, datasentre, helsevesen, landbruk, bygg og transport. Når du velger og spesifiserer RFID-systemer, må konstruktører være oppmerksomme på en rekke industristandarder, deriblant RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 og UDI-forskrifter. Forskjellige typer brikker er optimalisert for bestemte bruksområder, for eksempel installasjoner på metall og lavprofile utforminger for konstruksjoner relatert til sporing av eiendeler. I tillegg til brikkene, er RFID-lesere tilgjengelige, som inkluderer skrivebordsutforminger og lesere/kanttjenestestyringer på bedriftsnivå som kan fremskynde distribusjonen av Industri 4.0 RFID-konstruksjoner.