Specificering och användning av RFID för spårning av tillgångar inom IIoT

Spårning av tillgångar och hantering av leveranskedjan är viktiga aktiviteter i en rad olika tillämpningar inom IIoT (Industrial Internet of Things), t.ex. tillverkningsanläggningar, logistik- och distributionscentraler, datacenter, sjukhus och hälsovård, jordbruk, byggnadsverksamhet och transport. Det är komplicerat att specificera ett passivt RFID-system (Radio Frequency Identification) för spårning av tillgångar. Värdefulla tillgångar kan utsättas för olika okontrollerade förhållanden, t.ex. stötar och vibrationer, varma, iskalla och våta miljöer under transport och förvaring, och det finns olika tillämpningsspecifika RFID-standarder att ta hänsyn till.

Konstruktörer behöver robusta och tillförlitliga brickor som klarar de hårda förhållandena i industri-, bygg- och tillverkningsmiljöer, och som finns tillgängliga i olika standardstorlekar och avläsningsområden för att passa behoven hos specifika typer och klasser av tillgångar. Artikeln ger en kortfattad översikt över passiv RFID-teknik och flera industristandarder som rör RFID-brickor och data. Därefter presenteras RFID-brickor, läsare och systemlösningar från Molex, Murata Electronics och ThingMagic.

En passiv RFID-bricka består av en antenn och en integrerad krets som innehåller en analog front-end (F/E) med en modulator, en demodulator, en enhet för att samla in RF-energi, en styrenhet med en kodare/dekoder, styrelektronik, en klocka och ett minne (figur 1). Passiva RFID-brickor använder inga batterier. I de flesta passiva RFID-brickor kan minnet skrivas om, och RFID-brickor kan utbyta mycket större mängder data än alternativ som streckkoder.

Figur 1: En passiv RFID-bricka består av en antenn och en integrerad krets som innehåller en analog front-end (F/E), en styrenhet och ett minne. (Bildkälla: Murata)

Passiva RFID-brickor för UHF (ultrahög frekvens) kan läsas på avstånd på upp till flera meter och flera brickor kan läsas samtidigt. Till skillnad från streckkoder använder RFID trådlös kommunikation och brickorna kan läsas från utsidan av kartonger utan att öppna kartongen (figur 2). RFID-brickor är dessutom okänsliga för smuts, fukt, vibrationer och andra miljöfaktorer som kan störa användningen av streckkoder. RFID-brickor finns i en mängd olika format som är utformade för specifika tillämpningar. Vissa brickor är utformade för att spåra metallföremål och använder metallytan som en förstärkningsantenn för att öka räckvidden. Olika standarder för kommunikation och dataformat har utvecklats för passiva RFID-brickor.

Figur 2: RFID-brickor kan läsas på avstånd på upp till flera meter. I vissa konstruktioner kan flera etiketter läsas samtidigt, och etiketterna kan läsas genom kartonger och andra förpackningar. (Bildkälla: Murata)

RAIN RFID

Alliansen RAIN RFID förespråkar användning av protokollet ISO/IEC 18000 eller 63 GS1 UHF Gen2. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) är utformat för att koppla samman RFID-brickor för UHF med molnet. Det gör det möjligt att lagra, hantera och dela RFID-data via internet. Ett system som använder en RAIN-lösning har en RFID-bricka, en läsare och programvara som kan länka till det lokala nätverket och därifrån till molnet (figur 3). Alliansen RAIN har byggt vidare på ISO:s numreringssystem för att förenkla kodning med hjälp av företagsidentifikationsnummer (CIN). Det ISO-baserade numreringssystemet är utformat för att stödja RAIN RFID-brickornas kollisionsfria identifiering. Det är avsett att utgöra ett störningsfritt alternativ till befintliga proprietära eller leverantörsdefinierade dataformat.

Figur 3: RAIN RFID regleras av en enda global standard som kallas EPC UHF Gen2v2 eller ISO/IEC 18000-63. (Bildkälla: RAIN Alliance)

Elektroniska produktkoder och RFID

Den elektroniska produktkod (EPC) Gen 2v2 som används av RAIN är en protokollstandard för radiogränssnittet för passiva RFID-brickor med UHF. EPC Gen 2v2 innehåller funktioner som förbättrar säkerheten, motverkar förfalskningar och ökar integriteten genom att möjliggöra autentisering av brickor och läsare. Minnet i en Gen 2v2-etikett kan delas upp i flera filer, och etiketter som uppfyller kraven kan användas för elektronisk artikelövervakning (EAS).

EPC-standarden utvecklades av EPCglobal och godkändes och antogs som standarden ISO 18000-6C. Förutom att fastställa en standard för hur etiketter och läsare kommunicerar, fastställer en uppsättning standarder som är kopplade till EPC hur EPC-data delas mellan olika användare. En EPC är en universell identifierare för fysiska föremål. Eftersom den används i stor utsträckning i RFID-brickor innehåller EPC-brickans datastandard krav på data utöver EPC som kan lagras på en Gen 2 RFID-bricka. Även om det finns en betydande överlappning mellan EPC:er och RFID-brickor är de i grunden olika; RFID är tekniken för databärare och EPC är en identifierare och ett dataformat.

EAS- och UDI-bestämmelser för medicintekniska produkter

I likhet med EPC:er kräver bestämmelserna om unik identifiering av utrustning (UDI) i många länder att medicinsk utrustning ska ha individuella identifierare för att stödja EAS för säker användning och förvaring av medicinsk utrustning. UDI-system gäller för många typer av medicinsk utrustning, men är särskilt viktiga för kirurgiska instrument där det finns en stor risk för att man förbereder fel instrument för ett ingrepp.

Det finns hundratals olika kirurgiska instrument och oerfaren personal kan lätt välja fel instrument. Användningen av UDI- och RFID-brickor kan undanröja detta problem. Användningen av RFID-brickor underlättar också insamlingen av historik över användningen av enskilda instrument och antalet användningar inom en sjukvårdsinrättning.

Passiv RFID-bricka för kirurgiska instrument och industriella verktyg

Konstruktörer av RFID-system kan använda LXTBKZMCMG-010, en liten UHF RAIN RFID-bricka för metall från Murata, för att spåra kirurgiska instrument, industriverktyg och liknande metallföremål (figur 4). LXTBKZMCMG-010 använder metallytan som en förstärkningsantenn för att öka avläsningsområdet. Brickan har måtten 6 x 2 x 2,3 mm, fungerar i hela UHF-bandet och har ett driftstemperaturområde på -40 till +85 °C, vilket gör den lämplig för spårning av metallföremål i industriella miljöer och sjukvårdsinrättningar.

Figur 4: RAIN RFID-brickan LXTBKZMCMG-010 för UHF är optimerad för metallytor som kirurgiska instrument och industriverktyg. (Bildkälla: Murata)

RFID-brickor med låg profil för spårning av tillgångar

Vid spårning av tillgångar och inventarier kan man dra nytta av brickor som är utformade för att klara de hårda vibrationer och stötar och stora temperaturvariationer som förekommer i industri-, jordbruks-, bygg- och transportsystem. En låg profil tar upp mindre utrymme, ger mindre skador och kostar mindre. RFID-brickan 0133580821 från Molex är exempelvis 1,8 mm tjock, har IP68-klassificering, kan användas i våta miljöer och fungerar från -50 °Ctill +85 °C(figur 5). 0133580821 har ett avläsningsområde på 4,5 meter och är utformad för användning på en mängd olika material, inklusive metaller och plaster.

Figur 5: Denna RFID-bricka med en tjocklek på 1,8 mm är optimerad för spårning av tillgångar och inventarier med ett avläsningsavstånd på 4,5 meter och kan användas på flera olika ytor, inklusive plast och metall. (Bildkälla: Molex)

RAIN RFID-läsare med plug and play

Den färdigt RAIN RFID-läsaren Elara från ThingMagic har gränssnitts- och driftfunktioner som minimerar designarbetet och påskyndar RFID-implementeringar i alla tillämpningar som kräver avläsningsavstånd på upp till 2 m (figur 6). Elara erbjuds i två modeller, PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB och fungerar i bandet 865-868 MHz och PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB som fungerar i bandet 915-928 MHz. Båda läsarna levereras i kapslingar som är tillverkade av hälso- och sjukvårdsklassificerad plast.

Figur 6: Den färdigt RAIN RFID-läsaren Elara kan minimera konstruktionsarbetet och påskynda RFID-implementeringar i alla tillämpningar som kräver läsavstånd på upp till 2 meter. (Bildkälla: ThingMagic)

Med Elara kan konstruktörer enkelt lägga till RFID-funktioner i tillämpningar som drar nytta av en plug-and-play-läsare för skrivbordsmontering eller en fast monterad läsare. Autonoma arbetsflöden stöds vilket gör det möjligt att snabbt skapa lösningar utan RFID-expertis från konstruktörens sida eller behov av mjukvaruutvecklingssatser och integrationsverktyg. Exempel på Elara-tillämpningar är genomförande av UDI-bestämmelser i sjukvårdsinrättningar, hantering och spårning av returer i lager och distributionscentraler samt driftsättning av RFID-brickor. Elara har följande kapacitet:

• Förenklad systemintegration och drift utan programvara med hjälp av förinstallerade autonoma arbetsflöden.
• Stöd för teknikstandarden och kommunikationsgränssnittet RAIN.
• Stöd för protokollet EPCglobal Gen 2v2.
• Massavläsning av artikeluppsättningar, som t.ex. kirurgiska instrument eller en sats med komponenter för ett monteringsband.
• Räkning och kontroll av artiklar för behandling av returer eller inventering.
• Driftsättning av RFID-brickor.
• Uppdatera brickors data med information om användning och annan information.

Industri 4.0 RFID-läsare och gränsenheter

För tillämpningar in om Industry 4.0 som kräver flera RFID-läsare och anslutning till molnet via en gränsenhetsserver kan konstruktörerna vända sig till ALR-F800-X från Molex som innehåller en passiv RFID-läsare för UHD i företagsklass med fyra portar och en styrenhet för gränsenheter (figur 7). Med ALR-F800-X kan RFID-data behandlas vid källan och utvärderas i realtid. ALR-F800 kan försörjas med antingen en likströmsadapter eller en PoE-strömkälla (Power-over-Ethernet), vilket förenklar installationen av storskaliga RFID-system för Industry 4.0.

Figur 7: ALR-F800-X innehåller en UHF-läsare för passiva RFID-brickor i företagsklass med 4 portar och en styrenhet för gränsenheter för att stödja tillämpningar inom Industry 4.0. (Bildkälla: Molex)

DSA-tekniken (Dynamic self-adapting) i ALR-F800 övervakar RF-miljön i realtid och kontrollerar flera parametrar, filter och inställda mätvärden för att optimera avläsningen av RFID-brickor. Du kan lägga till minne med hjälp av microSD-kort, och det finns en USB-port för att lägga till WiFi- och mobilmodemanslutningar.

Det inbyggda programmet Emissary möjliggör stöd och konfiguration av ytterligare läsare och läspunkter utan att det behövs en dedikerad gränsenhetsserver (figur 8). Programmet Emissary gör det möjligt att utveckla kompletta arbetsflöden med hjälp av förkonstruerade aktiviteter (t.ex. läsa bricka, tända ljus, skicka data osv.) som förenklar och påskyndar driftsättningen av nya tillämpningar. Emissary innehåller:

• En strukturerad och intuitiv visualisering av funktioner, enheter och avläsningspunkter.
• Användning av namnkonventioner med sunt förnuft, t.ex. "lindningsstation", "dörr nr. 1" och så vidare.
• Windows-baserad verktygslåda för att skapa arbetsflöden.
• Inställning, kontroll och underhåll av alla lokala läsare som är anslutna till enheten.
• Användning av rätt brickstandard för korrekt tolkning av inkommande data.
• Hantering av datarapporter för brickavläsning och konsolidering av rapporter från flera läsare för överföring till molnet.

Figur 8: Programmet Emissary som är inbyggt i ALR-F800-X gör det möjligt att konfigurera och stödja ytterligare läsare och avläsningspunkter utan att behöva en dedikerad gränsenhetsserver. (Bildkälla: Molex)

Sammanfattning

Passiva RFID-brickor och läsare kan stödja olika spårningsaktiviteter inom IIoT, inklusive tillverkning, logistik, datacenter, hälsovård, jordbruk, byggnation och transport. När de väljer och specificerar RFID-system måste konstruktörer vara medvetna om en rad industristandarder, inklusive RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 och UDI-bestämmelser. Olika typer av brickor är optimerade för specifika tillämpningar, t.ex. installationer på metall och konstruktioner med låg profil för spårning av tillgångar. Förutom brickor finns RFID-läsare tillgängliga, inklusive skrivbordsdesigner och läsare på företagsnivå/styrenheter för gränsenheter som kan påskynda införandet av RFID-tillämpningar för Industry 4.0.