RFID-rendszer kialakítása és használata IIoT-eszközkövetéshez

Az eszközkövetés és az ellátási lánc felügyelete egyaránt fontos tevékenység az ipari dolgok internetének (IIoT) számos felhasználási területén, beleértve a gyártóüzemeket, a logisztikai és elosztóközpontokat, az adatközpontokat, a kórházakat és az egészségügyet, a mezőgazdaságot, az építőipart és a közlekedést. A passzív rádiófrekvenciás azonosítós (RFID) eszközkövető rendszerek kialakítása összetett feladat. Az értékes eszközök a szállítás és tárolás során különböző ellenőrizetlen körülményeknek lehetnek kitéve, beleértve az ütéseket és a rezgéseket, a forró, a fagyosan hideg és a nedves környezetet. Emellett léteznek különböző felhasználásfüggő RFID-szabványok is, amelyeket figyelembe kell venni.

A tervezőknek olyan strapabíró és megbízható címkékre van szükségük, amelyek ellenállnak az ipari, építőipari és gyártási környezetek zord körülményeinek, és amelyek az egyes eszköztípusok és osztályok igényeinek megfelelő különböző szabványos méretekben és olvasási tartományokban állnak rendelkezésre. Ez a cikk röviden áttekinti a passzív RFID technikát, valamint az RFID-címkékkel és -adatokkal kapcsolatos néhány iparági szabványt. Ezt követően bemutat a Molex, a Murata Electronics és a ThingMagic által készített RFID-címkéket, RFID-olvasókat és -rendszermegoldásokat.

A passzív RFID-címke egy antennából és egy integrált áramkörből áll, amely egy modulátorral, demodulátorral és rádiófrekvenciás (RF) energiagyűjtő egységgel ellátott analóg bemeneti egységet (F/E, front end), egy kódolóval/dekódolóval ellátott vezérlőegységet, vezérlőelektronikát, órát és valamennyi memóriát tartalmaz (1. ábra). A passzív RFID-címkék nem használnak elemeket vagy akkumulátorokat. A legtöbb passzív RFID-címkén a memória újraírható, és az RFID-címkék sokkal nagyobb mennyiségű adat cseréjére alkalmasak, mint a helyettük használható egyéb megoldások, például a vonalkódok.

1. ábra: A passzív RFID-címke egy antennából és egy integrált áramkörből (IC) áll, utóbbi egy analóg bemeneti egységet (F/E), egy vezérlőegységet és valamekkora memóriát tartalmaz (kép: Murata)

A passzív ultra nagy frekvenciás (UHF) RFID-címkék akár több méteres távolságból is leolvashatók, és egyszerre több címke is leolvasható. A vonalkódokkal ellentétben az RFID vezeték nélküli kommunikációt használ, és a címkék a dobozok felnyitása nélkül, kívülről is leolvashatóak (2. ábra). Az RFID-címkék ráadásul nem érzékenyek a szennyeződésre, a nedvességre, a rezgésekre és egyéb környezeti tényezőkre, amelyek a vonalkódok használatát megzavarhatják. Az RFID-címkék különböző kialakításokban kaphatóak, az adott felhasználási területhez tervezett formában. Egyes címkéket fémtárgyak nyomon követésére terveztek, és a fémfelületet antennaerősítőként használják a működési tartomány növelése érdekében. A passzív RFID-címkékhez különböző kommunikációs és adatformátum-szabványokat dolgoztak ki.

2. ábra: Az RFID-címkék akár több méteres távolságból is leolvashatóak. Egyes konstrukciókban egyszerre több címke is leolvasható, és a címkék a dobozokon és egyéb csomagolásokon keresztül is leolvashatóak (kép: Murata)

A RAIN RFID

A RAIN RFID szövetség az ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 protokoll használatát támogatja. A RAIN (RAdio frequency IdentificatioN, rádiófrekvenciás azonosítás) az UHF RFID-címkék és a felhő összekapcsolására szolgál. Lehetővé teszi az RFID-adatok tárolását, kezelését és interneten keresztül történő megosztását. A RAIN-megoldást használó rendszer RFID-címkével és -olvasóval, valamint olyan szoftverrel, amely kapcsolatot teremt a helyi hálózattal, majd azon keresztül a felhővel (3. ábra). A RAIN szövetség az ISO számozási rendszerre épít, hogy cégazonosító számok (CIN) használatával egyszerűsítse a kódolást. Az ISO-alapú számozási rendszert úgy tervezték, hogy támogassa a RAIN RFID-címkék ütközésmentes azonosítását. A célja, hogy zavarmentes alternatívát nyújtson a meglévő saját vagy a gyártó által meghatározott adatformátumok helyett.

3. ábra: A RAIN RFID-t egyetlen, az EPC UHF Gen2v2, illetve ISO/IEC 18000-63 néven ismert globális szabvány szabályozza (kép: RAIN Alliance)

Elektronikus termékkódok és az RFID

A RAIN által használt EPC Gen 2v2 (elektronikus termékkód, 2v2 generáció) a passzív UHF RFID-címkék levegőn keresztül történő kapcsolódási protokollszabványa. Az EPC Gen 2v2 olyan funkciókat tartalmaz, amelyek a címkék és a címkeolvasók hitelesítésének lehetővé tételével javítják a biztonságot, megakadályozzák a hamisítást, és javítják az adatvédelmet. A Gen 2v2-es címkék memóriája több fájlra osztható, és a megfelelő címkék elektronikus árucikk-ellenőrzésre (EAS) (vagy lopásészlelésre) is használhatók.

Az EPC-szabványt az EPCglobal dolgozta ki, és ISO 18000-6C szabvány néven lett jóváhagyva és elfogadva. A címkék és a címkeolvasók közötti kommunikáció szabványosítása mellett az elektronikus termékkódokhoz kapcsolódó szabványok egész sora határozza meg, hogy az elektronikus termékkódok adatai hogyan oszthatók meg a különböző felhasználók között. Az EPC a fizikai tárgyak univerzális azonosítója. Mivel széles körben használják az RFID-címkékben, az EPC-címkeadatszabvány az elektronikus termékkódon kívül a Gen 2 RFID-címkén tárolható adatokra vonatkozó követelményeket is tartalmaz. Bár az elektronikus termékkódok és az RFID-címkék között jelentős átfedés van, alapvetően különböznek egymástól. Az RFID maga az adathordozó technika, az elektronikus termékkód (EPC) pedig egy azonosító és adatformátum.

Az orvostechnikai eszközökre vonatkozó EAS- és UDI-előírások

Számos országban az elektronikus termékkódhoz hasonló egyedi eszközazonosítókra (UDI) vonatkozó előírások követelik meg, hogy az orvosi berendezések egyedi azonosítókkal legyenek ellátva, és az orvosi berendezések biztonságos használata és tárolása érdekében így támogassák az elektronikus árucikk-ellenőrzést (EAS). Az orvosi berendezések számos típusához használnak UDI-rendszereket, de különösen fontosak ezek a sebészeti eszközök esetében, ahol jelentős a kockázata annak, ha nem a megfelelő eszközöket készítik elő a beavatkozáshoz.

Mivel több száz különböző sebészeti eszköz létezik, a még nem kellően tapasztalt személyzet könnyen választhat nem a beavatkozáshoz megfelelő eszközöket. Az UDI- és RFID-címkék használatával ez az aggály megszüntethető. Az RFID-címkék használata megkönnyíti az egyes eszközök használati előzményeinek és az egészségügyi intézményen belüli használatok számának nyilvántartását is.

Passzív RFID-címkék sebészeti eszközökhöz és ipari szerszámokhoz

Az RFID-rendszerek tervezői sebészeti eszközök, ipari szerszámok és hasonló fémtárgyak nyomon követésére használhatják a Murata cég LXTBKZMCMG-010 jelű, kis méretű, fémen elhelyezett UHF RAIN RFID-címkéjét (4. ábra). Az LXTBKZMCMG-010 a fémfelületet antennaerősítőként használja a leolvasási hatótávolság növelésére. Ez a címke 6,0 mm × 2,0 mm × 2,3 mm méretű, a teljes UHF-sávban működik, és –40 °C és +85 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban használható, így alkalmas fémtárgyak nyomon követésére ipari környezetben, valamint egészségügyi létesítményekben.

4. ábra: Az LXTBKZMCMG-010 jelű UHF RAIN RFID-címke fémfelületekhez, például sebészeti eszközökhöz és ipari szerszámokhoz van optimalizálva (kép: Murata)

Lapos RFID-címkék eszközök nyomon követéséhez

Az eszköz- és leltárkövető rendszerekhez előnyösek lehetnek az ipari, mezőgazdasági, építőipari és szállítási rendszerekben előforduló erős rezgések és ütközések, valamint a nagy hőmérséklet-ingadozások elviselésére tervezett címkék. A kis helyigény a kisebb hely mellett kevesebb károsodást és alacsonyabb költségeket jelent. Például a Molex cég 0133580821 jelű RFID-címkéje 1,8 mm vastag, IP68 minősítésű, és –50 °C és +85 °C között használható, nedves környezetben is (5. ábra). A 0133580821 leolvasási hatótávolsága 4,5 m, és úgy tervezték, hogy számos anyagon, többek között fémeken és műanyagokon is használni lehessen.

5. ábra: Ez az 1,8 mm vastag RFID-címke 4,5 m-es leolvasási hatótávolságával eszköz- és leltárkövetésre van optimalizálva, és számos felületen használható, beleértve a műanyagokat és a fémeket is (kép: Molex)

Plug and Play típusú RAIN RFID-olvasó

A ThingMagic cég önálló Elara RAIN RFID-címkeolvasója olyan csatlakozóval és működési jellemzőkkel rendelkezik, amelyek minimálisra csökkentik a tervezési erőfeszítéseket, és minden olyan felhasználási területen felgyorsítják az RFID-rendszerek megvalósítását, ahol legfeljebb 2 m-es olvasási távolságra van szükség (6. ábra). Az Elara két változatban kapható, a PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB jelű a 865–868 MHz-es sávban, míg a PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB jelű a 915–928 MHz-es sávban működik működik. Mindkét címkeolvasó egészségügyi szempontból minősített műanyagból készült házban kapható.

6. ábra: Az önálló Elara RAIN RFID-címkeolvasó minimálisra tudja csökkenteni a tervezési erőfeszítéseket, és minden olyan felhasználási területen felgyorsíthatja az RFID-rendszerek megvalósítását, ahol legfeljebb 2 m-es olvasási távolságra van szükség (kép: ThingMagic)

Az Elara segítségével a tervezők könnyen ruházhatják fel RFID-képességekkel az asztali vagy állandó helyre szerelt Plug and Play olvasót használó rendszereket. Az eszköz segíti az önálló munkafolyamatokat, így lehetővé teszi a megoldások gyors létrehozását anélkül, hogy a tervezőnek RFID-szakértelemre vagy szoftverfejlesztő készletekre és beépítőeszközökre lenne szüksége. Az Elara felhasználási módjai közé tartozik például az UDI-előírásoknak való megfelelés elősegítése az egészségügyi intézményekben, a visszáru feldolgozása és nyomon követése a raktárakban és elosztóközpontokban, valamint az RFID-címkék használatának lehetővé tétele. Az Elara képességei a következők:

• Egyszerűsített beépítés a rendszerbe és szoftvermentes működés a gyárilag betöltött önálló munkafolyamatok segítségével.
• A RAIN műszaki szabványok és a RAIN kommunikációs illesztőfelület támogatása.
• Az EPCglobal Gen 2v2 protokoll támogatása.
• Eszközkészletek, például sebészeti eszközök vagy szerelőszalagra kerülő alkatrészkészletek tömeges leolvasása.
• Tételszámlálás és -ellenőrzés a visszáru feldolgozásához vagy leltározáshoz.
• RFID-címkék használatának lehetővé tétele.
• A címkék adatainak frissítése használati és egyéb adatokkal.

Ipar 4.0-s RFID-olvasó és peremszolgáltatást nyújtó eszköz

Az olyan Ipar 4.0-s felhasználási területek esetében, ahol több RFID-olvasóra van szükség, és a felhőhöz peremkiszolgálón keresztül kell csatlakozni, a tervezők használhatják a Molex cég ALR-F800-X jelű eszközét, amely egy 4 portos, vállalati kategóriájú passzív UHF RFID-címkeolvasót és egy peremszolgáltatás-vezérlőt tartalmaz (7. ábra). Az ALR-F800-X használata lehetővé teszi az RFID-adatoknak a forrásnál történő feldolgozását és valós idejű kiértékelését. Az ALR-F800 áramellátása történhet egyenáramú hálózati adapterrel vagy Ethernet-csatlakozón át (Power-over-Ethernet, PoE), ami egyszerűsíti a nagy méretű Ipar 4.0-s RFID-rendszerek kialakítását.

7. ábra: Az ALR-F800-X egy 4 portos, vállalati kategóriájú passzív UHF RFID-címkeolvasót és egy peremszolgáltatás-vezérlőt tartalmaz, hogy támogassa az Ipar 4.0-s felhasználási területeket (kép: Molex)

Az ALR-F800 dinamikus önillesztő (DSA, dynamic self-adapting) technikája valós időben figyeli a rádiófrekvenciás (RF) környezetet, és számos paramétert, szűrőt és hangolási jellemzőt vezérel az RFID-címkék olvasásának optimalizálása érdekében. A memória mikro-SD-kártyák segítségével bővíthető, és egy USB-port is rendelkezésre áll a wifi- és mobiltelefon-modemes kapcsolatok hozzáadásához.

A beépített Emissary szoftver lehetővé teszi további címkeolvasók és olvasási pontok támogatását és beállítását anélkül, hogy külön erre szentelt peremkiszolgálóra lenne szükség (8. ábra). Az Emissary szoftver lehetővé teszi teljes munkafolyamatok kialakítását előre megtervezett tevékenységek (pl. címkeolvasás, a világítás bekapcsolása, adatküldés stb.) segítségével, ami egyszerűsíti és felgyorsítja az új rendszerek üzembe helyezését. Az Emissary a következőket tartalmazza:

• A funkciók, eszközök és olvasási pontok jól felépített és logikus képi megjelenítése.
• Észszerű elnevezési rendszer használata, például „csomagolóállomás”, „1. ajtó” stb.
• Windows-alapú eszközkészlet munkafolyamatok létrehozásához.
• A készülékhez csatlakoztatott összes helyi címkeolvasó beállítása, vezérlése és karbantartása.
• A megfelelő címkeadatszabvány használata a bejövő adatok pontos értelmezéséhez.
• A címkeolvasási adatkimutatások kezelése és a több olvasóból származó kimutatások összevonása a felhőbe történő továbbítás céljából.

8. ábra: Az ALR-F800-X címkeolvasóba épített Emissary szoftver lehetővé teszi további címkeolvasók és olvasási pontok külön erre szentelt peremkiszolgáló nélkül történő beállítását és támogatását (kép: Molex)

Összegzés

A passzív RFID-címkék és -címkeolvasók támogathatják az ipari dolgok internetének (IIoT) különböző eszközkövetési tevékenységeit, beleértve a gyártást, a logisztikát, az adatközpontokat, az egészségügyet, a mezőgazdaságot, az építőipart és a szállítást. Az RFID rendszerek kiválasztásakor és kialakításakor a tervezőknek tisztában kell lenniük számos iparági szabvánnyal, köztük a RAIN, az EPC Gen 2v2, az ISO/IEC 18000-63 és az UDI szabvány előírásaival. A különböző típusú címkék sajátságos felhasználási területekhez vannak optimalizálva, amilyen például a fémre szerelés és a lapos kialakítás az eszközkövető rendszerek esetén. A címkék mellett RFID-olvasók is kaphatóak, beleértve az asztali kivitelű és a vállalati kategóriájú címkeolvasókat és peremszolgáltatás-vezérlőket, amelyek felgyorsíthatják az Ipar 4.0-s RFID-rendszerek kialakítását.