RFID-järjestelmän määrittäminen ja käyttö IIoT-omaisuudenseurannassa

Omaisuudenseuranta ja toimitusketjun hallinta ovat tärkeitä toimintoja monissa teollisen esineiden internetin (IIoT) sovelluksissa, esimerkkinä tuotantolaitokset, logistiikka- ja jakelukeskukset, datakeskukset, sairaalat ja terveydenhuolto, maatalous, rakentaminen ja kuljetus. Omaisuudenseurantaan käytettävän passiivisen radiotaajuuksiin perustuvan tunnistusjärjestelmän (RFID) määrittäminen on kompleksista. Arvokas omaisuus voi altistua kuljetuksen ja varastoinnin aikana muuttuville olosuhteille, esimerkkinä iskut ja tärinä, kuumuus, jäätävä kylmyys ja märät ympäristöt. Lisäksi on otettava huomioon erilaisia sovelluskohtaisia RFID-standardeja.

Suunnittelijat tarvitsevat lujatekoiset ja luotettavat tunnisteet, jotka kestävät teollisuus-, rakennus- ja valmistusympäristöjen ankaria olosuhteita. Tunnisteiden tulee olla saatavilla erilaisina peruskokoina ja eri lukuetäisyyksillä erityisten omaisuustyyppien ja -luokkien tarpeita varten. Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti passiivista RFID-tekniikkaa sekä useita RFID-tunnisteisiin ja -tietoihin liittyviä alan standardeja. Siinä esitellään sen jälkeen valmistajien Molex, Murata Electronics ja ThingMagic RFID-tunnisteet, -lukijat ja -järjestelmäratkaisut.

Passiivinen RFID-tunniste koostuu antennista ja integroidusta piiristä, johon kuuluu analoginen etuaste (F/E) sisältäen modulaattorin, demodulaattorin, RF-energian talteenottoyksikön, ohjaimen kooderilla/dekooderilla, ohjauselektroniikan, kellon ja muistin (kuva 1). Passiiviset RFID-tunnisteet eivät käytä paristoa. Useimmissa passiivisissa RFID-tunnisteissa muisti voidaan uudelleenkirjoittaa. Tällaiset RFID-tunnisteet voivat myös vaihtaa paljon suurempia datamääriä verrattuna vaihtoehtoisiin tunnisteisiin, kuten viivakoodeihin.

Kuva 1: Passiivinen RFID-tunniste koostuu antennista ja integroidusta piiristä, joka sisältää analogisen etuasteen (F/E), ohjaimen ja muistin. (Kuvan lähde: Murata)

Passiiviset ultrakorkean taajuuden (UHF) RFID-tunnisteet voidaan lukea jopa useiden metrien etäisyydeltä, ja useita tunnisteita voi lukea kerralla. Toisin kuin viivakoodit, RFID käyttää langatonta viestintää, ja tunnisteet voidaan lukea pakkauslaatikoiden ulkopuolelta avaamatta laatikkoa (kuva 2). Lisäksi RFID-tunnisteet eivät ole herkkiä lialle, kosteudelle, tärinälle eivätkä muille ympäristötekijöille, jotka voivat vaikeuttaa viivakoodien käyttöä. RFID-tunnisteita on saatavana lukuisina tiettyyn sovellukseen tarkoitetuissa muodossa. Jotkin tunnisteet on suunniteltu metalliesineiden jäljittämiseen ja seurantaan, ja ne käyttävät metallipintaa antennivahvistimena toimintasäteen pidentämiseksi. Passiivisille RFID-tunnisteille on kehitetty erilaisia viestintä- ja datamuotostandardeja.

Kuva 2: RFID-tunnisteet voidaan lukea jopa useiden metrien etäisyydeltä. Joissakin ratkaisuissa useita tunnisteita voidaan lukea samanaikaisesti, ja lisäksi tunnisteet voidaan lukea laatikoiden ja muiden pakkausten läpi. (Kuvan lähde: Murata)

RAIN RFID

RAIN RFID -allianssi edistää ISO/IEC 18000-63 -standardin mukaisen GS1 UHF Gen2 -protokollan käyttöä. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) on suunniteltu yhdistämään UHF RFID -tunnisteet ja pilvi. Sen avulla RFID-tietoja voidaan tallentaa, hallita ja jakaa internetin välityksellä. RAIN-ratkaisua käyttävään järjestelmään kuuluvat RFID-tunniste, lukija ja ohjelmisto, joka voi tarjota yhteyden paikalliseen verkkoon ja verkosta pilveen (kuva 3). RAIN-allianssi käyttää ISO-numerojärjestelmää ja se yksinkertaistaa koodausta käyttämällä yritysten tunnistenumeroita (CIN). ISO-pohjainen numerojärjestelmä on suunniteltu tukemaan RAIN RFID -tunnisteiden törmäysvapaata tunnistusta. Sen tarkoituksena on tarjota häiriövapaa vaihtoehto nykyisille valmistaja- tai toimittajakohtaisille tietomuodoille.

Kuva 3: RAIN RFID -teknologiaa ohjataan yhdellä maailmanlaajuisella standardilla, jota kutsutaan nimillä EPC UHF Gen2v2 ja ISO/IEC 18000-63. (Kuvan lähde: RAIN Alliance)

Sähköiset tuotekoodit ja RFID

RAIN-allianssin käyttämä sähköinen tuotekoodi (EPC) Gen 2v2 on passiivisten UHF RFID -tunnisteiden ilmarajapintaprotokollan standardi. EPC Gen 2v2 tarjoaa ominaisuuksia, jotka parantavat turvallisuutta, estävät väärentämistä ja parantavat tietosuojaa mahdollistamalla tunnisteiden ja lukijoiden todentamisen. Gen 2v2 -tunnisteen muisti voidaan jakaa useisiin tiedostoihin, ja yhteensopivia tunnisteita voidaan käyttää elektroniseen tuotesuojaukseen (EAS).

EPC-standardin on kehittänyt EPCglobal, ja se on hyväksytty ja otettu käyttöön ISO 18000-6C -standardissa. EPC luo standardin tunnisteiden ja lukijoiden väliselle viestinnälle. Lisäksi EPC-koodiin liittyvät standardit määrittelevät, miten EPC-dataa jaetaan eri käyttäjien kesken. EPC on fyysisten esineiden yleistunniste. Koska EPC-tunnistetta käytetään laajalti RFID-tunnisteissa, EPC-tunnisteiden tietostandardi asettaa vaatimuksia EPC-tunnisteen ohella myös tiedoille, jotka voidaan tallentaa Gen 2 RFID-tunnisteeseen. Vaikka EPC- ja RFID-tunnisteiden välillä on huomattavaa päällekkäisyyttä, ne ovat luonteeltaan erilaisia: RFID on tiedonsiirtotekniikka, ja EPC on tunniste- ja tietomuoto.

Lääketieteellisiä laitteita koskevat EAS- ja UDI-säännökset

EPC-tunnisteiden tapaan monien maiden UDI (Unique Device Identification) -säännöksissä edellytetään, että lääketieteellisissä laitteissa täytyy olla yksilölliset tunnisteet EAS-koodin tukemiseksi, jotta lääketieteellisiä laitteita voidaan käyttää ja varastoida turvallisesti. UDI-järjestelmiä käytetään monenlaisissa lääketieteellisissä laitteissa, mutta ne ovat erityisen tärkeitä kirurgisissa instrumenteissa, sillä riski valmistella väärät instrumentit toimenpidettä varten on suuri.

Kirurgisia instrumentteja on satoja erilaisia, ja kokematon henkilökunta voi helposti valita väärät instrumentit. UDI- ja RFID-tunnisteiden käyttö voi poistaa tämän vaaran. RFID-tunnisteiden käyttö helpottaa myös yksittäisten instrumenttien käyttöhistorian ja käyttökertojen määrän keräämistä terveydenhuoltolaitoksissa.

Passiivinen RFID-tunniste kirurgisiin instrumentteihin ja teollisuustyökaluihin

RFID-järjestelmien suunnittelijat voivat käyttää kirurgisten instrumenttien, teollisuustyökalujen ja vastaavien metalliesineiden seurantaan Muratan LXTBKZMCMG-010-tunnistetta. Se on pieni metallipinnoille sijoitettava UHF RAIN RFID -tunniste (kuva 4). LXTBKZMCMG-010 käyttää metallipintaa antennivahvistimena lukuetäisyyden kasvattamiseksi. Tunnisteen mitat ovat 6,0 x 2,0 x 2,3 millimetriä (mm), se käyttää koko UHF-taajuusaluetta ja sen käyttölämpötila-alue on -40 ... +85 celsiusastetta (°C). Näin se soveltuu metalliesineiden jäljittämiseen ja seurantaan sekä teollisuusympäristöissä että terveydenhuoltolaitoksissa.

Kuva 4: LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID -tunniste on optimoitu metallipinnoille, esimerkkinä kirurgiset instrumentit ja teollisuustyökalut. (Kuvan lähde: Murata)

Matalaprofiiliset RFID-tunnisteet omaisuudenseurantaan

Omaisuuden ja varaston seurantasovelluksissa voidaan hyödyntää tunnisteita, jotka on suunniteltu kestämään voimakasta tärinää ja iskuja sekä laajoja lämpötilavaihteluita, joita esiintyy teollisuus-, maatalous-, rakentamis- ja kuljetusjärjestelmissä. Matala laiteprofiili tarkoittaa pienempää tilantarvetta, vähemmän vaurioita ja vähemmän kustannuksia. Esimerkiksi Molexin RFID-tunniste 0133580821 on 1,8 mm paksu, sillä on IP68-luokitus, sitä voidaan käyttää kosteissa ympäristöissä ja se toimii lämpötila-alueella -50... +85 °C (kuva 5). Tunnisteen 0133580821 lukuetäisyys on 4,5 metriä, ja sitä voidaan käyttää erilaisissa materiaaleissa, kuten metalleissa ja muoveissa.

Kuva 5: Tämä 1,8 mm:n paksuinen RFID-tunniste on optimoitu omaisuuden ja varastojen seurantaan. Sen lukuetäisyys on 4,5 metriä, ja sitä voidaan käyttää monenlaisilla pinnoilla, kuten muoveissa ja metalleissa. (Kuvan lähde: Molex)

Plug-and-play RAIN RFID -lukija

ThingMagicin Elara RAIN RFID -valmislukija tarjoaa käyttöliittymä- ja toimintaominaisuudet, jotka minimoivat suunnittelutyömäärän ja nopeuttavat RFID-toteutuksia kaikissa sovelluksissa, joissa tarvitaan enintään 2 metrin lukuetäisyys (kuva 6). Elaraa on saatavilla kahtena mallina: PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, joka toimii 865–868 megahertsin (MHz) taajuusalueella, ja PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB, joka toimii 915–928 MHz:n taajuusalueella. Molemmat lukijat toimitetaan terveydenhuoltosovelluksiin sopivasta muovista valmistetuissa koteloissa.

Kuva 6: Elara RAIN RFID -valmislukijalla voidaan minimoida suunnittelutyömäärä ja nopeuttaa RFID-toteutuksia kaikissa sovelluksissa, joissa tarvitaan enintään 2 metrin lukuetäisyys. (Kuvan lähde: ThingMagic)

Elaran avulla suunnittelijat voivat lisätä helposti RFID-ominaisuuksia sovelluksiin, joissa käytetään pöytämallista tai kiinteästi asennettavaa lukijaa plug-and-play-tuella. Tuetut autonomiset työnkulut mahdollistavat ratkaisujen nopean luonnin, eikä suunnittelija tarvitse RFID-asiantuntemusta tai ohjelmistokehityspaketteja ja integrointityökaluja. Esimerkkejä Elara-sovelluksista ovat UDI-määräysten toteuttaminen terveydenhuoltolaitoksissa, palautusten käsittely ja seuranta varastoissa ja jakelukeskuksissa sekä RFID-tunnisteiden käyttöönotto. Elaran ominaisuuksiin kuuluvat mm:

• yksinkertaistettu järjestelmäintegraatio ja käyttö ilman ohjelmistoja valmiiksi ladattujen autonomisten työnkulkujen avulla
• RAIN-teknologiastandardien ja RAIN-viestintärajapinnan tuki
• EPCglobal Gen 2v2 -protokollan tuki
• tavarasarjojen, kuten kirurgisten instrumenttien tai kokoonpanolinjan komponenttisarjan lukeminen kerralla
• tuotteiden laskenta ja tarkistus palautusten käsittelyä tai omaisuudenseurantaa varten
• RFID-tunnisteiden käyttöönotto
• tunnistetietojen päivittäminen käyttö- ja muilla tiedoilla.

Teollisuus 4.0 -sovelluksiin tarkoitettu RFID-lukija ja reunapalvelulaite

Suunnittelijat voivat käyttää Molexin ALR-F800-X-lukijamoduulia Teollisuus 4.0 -sovelluksissa, joissa tarvitaan useita RFID-lukijoita ja yhteys pilveen reunapalvelimen kautta. Se sisältää 4-porttisen yritysluokan passiivisen UHF RFID -tunnistelukijan ja reunapalveluohjaimen (kuva 7). ALR-F800-X mahdollistaa sekä RFID-tietojen käsittelyn lukukohdassa että niiden reaaliaikaisen evaluoinnin. ALR-F800-X-lukijamoduulin virtalähteenä voidaan käyttää joko tasavirta-adapteria tai Power-over-Ethernet (PoE) -virtalähdettä, mikä yksinkertaistaa laajamittaisten Teollisuus 4.0 RFID -järjestelmien käyttöönottoa.

Kuva 7: Lukijamoduuli ALR-F800-X sisältää 4-porttisen yritysluokan passiivisen UHF RFID -tunnistelukijan ja reunapalveluohjaimen, joten se sopii Teollisuus 4.0 -sovelluksiin. (Kuvan lähde: Molex)

ALR-F800-lukijamoduulin DSA (Dynamic Self-Adapting) -tekniikka monitoroi RF-ympäristöä reaaliaikaisesti ja ohjaa useita parametreja, suodattimia ja viritysmittareita optimoiden näin RFID-tunnisteiden luvun. Muistia voidaan laajentaa micro-SD-korttien avulla, ja Wi-Fi- ja matkapuhelinmodeemiyhteyksiä voidaan lisätä USB-portin kautta.

Integroitu Emissary-ohjelmisto tarjoaa lisälukijoiden ja -lukupisteiden tuen ja konfiguroinnin ilman dedikoidun reunapalvelimen tarvetta (kuva 8). Emissary-ohjelmisto mahdollistaa kokonaisten työnkulkujen kehittämisen valmiiden toimintojen (kuten tunnisteiden luku, valojen sytytys, tietojen lähetys jne.) avulla, jotka yksinkertaistavat ja nopeuttavat uusien sovellusten käyttöönottoa. Emissaryn ominaisuuksiin kuuluu:

• toimintojen, laitteiden ja lukupisteiden jäsennelty ja intuitiivinen visualisointi
• järkevät nimeämiskäytännöt, kuten ”käärintäasema”, ”ovi #1” jne.
• Windows-pohjainen työkaluvalikoima työnkulkujen luomista varten
• kaikkien laitteeseen liitettävien paikallisten lukijoiden asennus, valvonta ja ylläpito
• oikean tunnistetietostandardin käyttö vastaanotettavien tietojen tarkkaa tulkintaa varten
• tunnisteiden lukutietoraporttien hallinta ja useista lukijoista saatujen raporttien yhdistäminen pilvipalveluun siirtoa varten.

Kuva 8: ALR-F800-X-laitteeseen integroitu Emissary-ohjelmisto mahdollistaa lisälukijoiden ja -lukupisteiden konfiguroinnin ja tuen ilman erillisen reunapalvelimen tarvetta. (Kuvan lähde: Molex)

Yhteenveto

Passiivisia RFID-tunnisteita ja -lukijoita voidaan käyttää erilaisissa IIoT-teknologiaa käyttävissä omaisuudenseurantatoiminnoissa, esimerkkeinä valmistus, logistiikka, datakeskukset, terveydenhoito, maatalous, rakentaminen ja kuljetus. RFID-järjestelmiä valitsevien ja määrittävien suunnittelijoiden täytyy tuntea monia alan standardeja, kuten RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 ja UDI-säännökset. Eri tunnistetyypit on optimoitu tiettyihin sovelluksiin, kuten asennettavaksi metallipinnoille tai matalaprofiilisiin koteloihin omaisuuden seurantasovelluksia varten. Tunnisteiden lisäksi saatavilla on RFID-lukijoita, joihin kuuluu työpöytämalleja ja yritystason lukijoita/reunapalveluohjaimia, jotka voivat nopeuttaa Teollisuus 4.0 RFID -sovellusten käyttöönottoa.