Specificeren en gebruiken van RFID voor IIoT-traceren van goederen

Het traceren van goederen en het beheer van de toeleveringsketen zijn belangrijke activiteiten in een reeks toepassingen van het industriële internet der dingen (IIoT), waaronder fabrieken, logistieke centra en distributiecentra, datacentra, ziekenhuizen en gezondheidszorg, de landbouw, de bouw en het vervoer. Het specificeren van een passief radiofrequentie-identificatiesysteem (RFID) voor het volgen van goederen is complex. Waardevolle goederen kunnen tijdens vervoer en opslag worden blootgesteld aan diverse ongecontroleerde omstandigheden, zoals schokken en trillingen, hitte, vrieskou en vochtige omgevingen, en er zijn diverse toepassingsspecifieke RFID-normen die in aanmerking moeten worden genomen.

Ontwerpers hebben behoefte aan robuuste en betrouwbare tags die bestand zijn tegen de zware omstandigheden van industriële, bouw- en productieomgevingen en die verkrijgbaar zijn in diverse standaardmaten en leesbereiken om te voldoen aan de behoeften van specifieke activatypes en -klassen. In dit artikel wordt kort ingegaan op de passieve RFID-technologie en verschillende normen van de industrie met betrekking tot RFID-tags en -gegevens. Vervolgens worden RFID-tags, -lezers en -systeemoplossingen van Molex, Murata Electronics en ThingMagic voorgesteld.

Een passieve RFID-tag bestaat uit een antenne en een geïntegreerde schakeling die een analoog front-end (F/E) omvat met een modulator, demodulator, eenheid voor het oogsten van RF-energie, een controller met een coder/decoder, besturingselektronica, klok, en geheugen (Afbeelding 1). Passieve RFID-tags gebruiken geen batterijen. In de meeste passieve RFID-tags kan het geheugen worden herschreven, en RFID-tags kunnen veel grotere hoeveelheden gegevens uitwisselen dan alternatieven zoals barcodes.

Afbeelding 1: Een passieve RFID-tag bestaat uit een antenne en een IC dat een analoog front-end (F/E), controller en geheugen omvat. (Bron afbeelding: Murata)

Passieve RFID-tags met ultrahoge frequentie (UHF) kunnen op afstanden tot enkele meters worden gelezen, en meerdere tags kunnen tegelijk worden gelezen. In tegenstelling tot barcodes maakt RFID gebruik van draadloze communicatie, en kunnen tags van buiten de verpakkingsdoos worden gelezen zonder de doos te openen (Afbeelding 2). Bovendien zijn RFID-tags ongevoelig voor vuil, vocht, trillingen en andere omgevingsfactoren die het gebruik van barcodes kunnen hinderen. RFID-tags zijn er in verschillende formaten, ontworpen voor specifieke toepassingen. Sommige tags zijn ontworpen voor het opsporen en volgen van metalen voorwerpen en gebruiken het metalen oppervlak als een boosterantenne om het werkbereik te vergroten. Er zijn verschillende communicatie- en gegevensformaatnormen ontwikkeld voor passieve RFID-tags.

Afbeelding 2: RFID-tags kunnen op afstanden tot enkele meters worden gelezen. In sommige ontwerpen kunnen meerdere tags tegelijk worden gelezen, en kunnen de tags door dozen en andere verpakkingen heen worden gelezen. (Bron afbeelding: Murata)

RAIN RFID

De RAIN RFID alliantie pleit voor het gebruik van het ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2-protocol. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) is ontworpen om UHF RFID-tags en de cloud te koppelen. Het maakt het mogelijk RFID-gegevens op te slaan, te beheren en te delen via het internet. Een systeem dat gebruik maakt van een RAIN-oplossing heeft een RFID-tag, een lezer en software die kunnen zorgen voor een verbinding met het lokale netwerk en van daaruit met de cloud (figuur 3). De RAIN-alliantie heeft voortgebouwd op het ISO-nummeringssysteem om de codering te vereenvoudigen door gebruik te maken van bedrijfsidentificatienummers (CIN's). Het op ISO gebaseerde nummeringssysteem is ontworpen om de botsingsvrije identificatie van RAIN RFID-tags te ondersteunen. Het is bedoeld om een storingsvrij alternatief te bieden voor bestaande propriëtaire of door de verkoper gedefinieerde gegevensformaten.

Afbeelding 3: RAIN RFID wordt gereguleerd door één enkele wereldwijde norm, EPC UHF Gen2v2 of ISO/IEC 18000-63. (Bron afbeelding: RAIN Alliance)

Elektronische productcodes en RFID

De door RAIN gebruikte elektronische productcode (EPC) Gen 2v2 is een protocolnorm voor de luchtinterface van passieve UHF RFID-tags. EPC Gen 2v2 bevat kenmerken om de veiligheid te verbeteren, vervalsing tegen te gaan en de privacy te verhogen door authenticatie van tags en lezers mogelijk te maken. Het geheugen van een Gen 2v2-tag kan worden opgedeeld in meerdere bestanden, en tags die aan de eisen voldoen, kunnen worden gebruikt voor elektronische artikelbewaking (EAS).

De EPC-norm werd ontwikkeld door EPCglobal en goedgekeurd en aangenomen als de ISO 18000-6C-norm. Niet alleen wordt een norm vastgesteld voor de wijze waarop tags en lezers communiceren, maar ook wordt in een reeks aan EPC verbonden normen bepaald hoe EPC-gegevens worden gedeeld tussen verschillende gebruikers. Een EPC is een universele identificatiecode voor fysieke voorwerpen. Aangezien deze op grote schaal in RFID-tags wordt gebruikt, bevat de EPC-taggegevensnorm voorschriften voor gegevens naast de EPC die op een Gen 2 RFID-tag mogen worden opgeslagen. Hoewel er een aanzienlijke overlapping is tussen EPC's en RFID-tags, zijn zij inherent verschillend; RFID is de datadragertechnologie, en EPC is een identificator en gegevensformaat.

EAS- en UDI-voorschriften voor medische hulpmiddelen

Net als EPC's schrijft de regelgeving inzake Unieke Apparaatidentificatie (UDI) in veel landen voor dat medische apparatuur individuele identificatoren moet hebben ter ondersteuning van het EAS voor het veilig gebruik en de veilige opslag van medische apparatuur. UDI-systemen zijn van toepassing op vele soorten medische apparatuur, maar zijn vooral belangrijk bij chirurgische instrumenten, waar een aanzienlijk risico bestaat dat verkeerde instrumenten voor een procedure worden klaargemaakt.

Honderden verschillende chirurgische instrumenten en onervaren personeel kan gemakkelijk verkeerde instrumenten kiezen. Het gebruik van UDI en RFID-tags kan die bezorgdheid wegnemen. Het gebruik van RFID-tags vergemakkelijkt ook het verzamelen van de gebruiksgeschiedenis van individuele instrumenten en het aantal toepassingen binnen een zorginstelling.

Passieve RFID-tag voor chirurgische instrumenten en industrieel gereedschap

Ontwerpers van RFID-systemen kunnen de LXTBKZMCMG-010, een kleine op metaal aangebrachte UHF RAIN RFID-tag van Murata, gebruiken voor het volgen van chirurgische instrumenten, industrieel gereedschap en soortgelijke metalen voorwerpen (Afbeelding 4). De LXTBKZMCMG-010 gebruikt het metalen oppervlak om het leesbereik te vergroten als een booster-antenne. Deze tag meet 6,0 x 2,0 x 2,3 millimeter (mm), werkt op de volledige UHF-band en heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +85 graden Celsius (°C), waardoor hij geschikt is voor het traceren en volgen van metalen voorwerpen in industriële omgevingen en in zorginstellingen.

Afbeelding 4: De LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID-tag is geoptimaliseerd voor metalen oppervlakken, zoals chirurgische instrumenten en industriële gereedschappen. (Bron afbeelding: Murata)

RFID-tags met laag profiel voor het volgen van activa

Toepassingen voor het traceren van goederen en voorraden kunnen baat hebben bij tags die ontworpen zijn om bestand te zijn tegen hoge trillingen en schokken en tegen grote temperatuurverschillen die voorkomen in industriële, landbouw-, bouw- en transportsystemen. Een laag profiel betekent minder ruimte, minder schade en lagere kosten. De 0133580821 RFID-tag van Molex is bijvoorbeeld 1,8 mm dik, heeft een IP68-rating, kan worden gebruikt in natte omgevingen en werkt bij -50?C tot +85?C (Afbeelding 5). De 0133580821 heeft een leesbereik van 4,5 meter en is ontworpen voor gebruik op een verscheidenheid van materialen, waaronder metalen en kunststoffen

Afbeelding 5: Deze 1,8 mm dikke RFID-tag is geoptimaliseerd voor het volgen van goederen en voorraden met een leesbereik van 4,5 meter en kan worden gebruikt op diverse oppervlakken, waaronder kunststof en metaal. (Bron afbeelding: Molex)

Plug en play RAIN RFID-lezer

De Elara RAIN RFID-lezer van ThingMagic heeft interface- en operationele kenmerken die de ontwerpinspanningen minimaliseren en RFID-implementaties versnellen in elke toepassing die leesafstanden tot 2 meter vereist (Afbeelding 6). De Elara wordt aangeboden in twee modellen, de PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB die werkt in de 865 tot 868 MegaHertz (MHz) band en de PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB die werkt in de 915 tot 928 MHz band. Beide lezers worden geleverd in behuizingen van voor de gezondheidszorg gekwalificeerde kunststoffen.

Afbeelding 6: De Elara RAIN RFID afgewerkte lezen kan de ontwerpinspanningen minimaliseren en RFID-implementaties versnellen in elke toepassing die leesafstanden tot 2 meter vereist. (Bron afbeelding: ThingMagic)

Met Elara kunnen ontwerpers RFID-mogelijkheden eenvoudig toevoegen aan toepassingen die baat hebben bij een plug-and-play desktop of vast gemonteerde lezer. Autonome workflows worden ondersteund die het mogelijk maken snel oplossingen te creëren zonder RFID-expertise van de kant van de ontwerper of de noodzaak van software development kits en integratie-instrumenten. Voorbeelden van Elara-toepassingen zijn de implementatie van UDI-voorschriften in zorginstellingen, retourenverwerking en -tracering in magazijnen en distributiecentra, en de inbedrijfstelling van RFID-tags. De mogelijkheden van Elara omvatten:

• Vereenvoudigde systeemintegratie en softwareloze werking met behulp van de vooraf geladen autonome workflows.
• Ondersteuning van RAIN-technologiestandaarden en RAIN-communicatie-interface.
• EPCglobal Gen 2v2 protocolondersteuning.
• Bulk lectuur van sets van artikelen zoals chirurgische instrumenten of een kit van onderdelen voor een assemblagelijn.
• Tellen en verifiëren van artikelen voor het verwerken van retouren of inventariseren.
• Ingebruikneming van RFID-tags
• Bijwerken van tag-gegevens met gebruiks- en andere informatie.

RFID-lezer en randapparaat voor industrie 4.0

Voor industrie 4.0 toepassingen die meerdere RFID-lezers en een verbinding met de cloud via een edge server nodig hebben, kunnen ontwerpers zich wenden tot de ALR-F800-X van Molex die een 4-poorts enterprise-class passieve UHF RFID-taglezer en een edge service controller bevat (Afbeeldibg 7). Met de ALR-F800-X kunnen RFID-gegevens aan de bron worden verwerkt en in realtime worden geëvalueerd. De ALR-F800 kan worden gevoed via een gelijkstroomadapter of een Power-over-Ethernet (PoE) stroombron, wat de implementatie van grootschalige RFID-systemen voor de industrie 4.0 vereenvoudigt.

Afbeelding 7: De ALR-F800-X omvat een UHF passieve RFID-taglezer van ondernemingsklasse met 4 poorten en een edge service controller ter ondersteuning van Industrie 4.0-toepassingen. (Bron afbeelding: Molex)

De Dynamic Self-Adaptting (DSA) technologie in de ALR-F800 controleert de RF-omgeving in real-time en regelt verschillende parameters, filters en afstemmingsmetriek om het lezen van RFID-tags te optimaliseren. Geheugen kan worden toegevoegd met behulp van micro-SD-kaarten, en een USB-poort is beschikbaar voor het toevoegen van Wi-Fi en cellulaire modem aansluitingen.

De ingebouwde Emissary-software maakt de ondersteuning en configuratie van extra lezers en leespunten mogelijk zonder dat daarvoor een speciale edge server nodig is (Afbeelding 8). Met de Emissary-software kunnen complete workflows worden ontwikkeld met vooraf ontworpen activiteiten (zoals tag lezen, licht aanzetten, gegevens verzenden, enzovoort) die de inbedrijfstelling van nieuwe toepassingen vereenvoudigen en versnellen. Emissary omvat:

• Gestructureerde en intuïtieve visualisatie van functies, apparaten en afleespunten.
• Gebruik van gezond verstand bij de naamgeving, zoals "wikkelstation", "deur 1", enzovoort.
• Op Windows gebaseerde toolset voor het creëren van workflows.
• Instelling, controle en onderhoud van alle lokale lezers die op het apparaat zijn aangesloten.
• Gebruik van de juiste Tag Data Standard voor nauwkeurige interpretatie van binnenkomende gegevens.
• Beheer van tag-leesgegevensrapporten en consolidatie van rapporten van meerdere lezers voor overdracht naar de cloud.

Afbeelding 8: Met de Emissary-software die in de ALR-F800-X is ingebouwd, kunnen extra lezers en leespunten worden geconfigureerd en ondersteund zonder dat daarvoor een speciale Edge Server nodig is. (Bron afbeelding: Molex)

Samenvatting

Passieve RFID-tags en -lezers kunnen verschillende activiteiten ondersteunen voor het traceren van activa in het IIoT, waaronder productie, logistiek, datacenters, gezondheidszorg, landbouw, bouw en vervoer. Bij het selecteren en specificeren van RFID-systemen moeten ontwerpers rekening houden met een reeks industriële normen, waaronder RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63, en UDI-voorschriften. Verschillende soorten tags zijn geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen, zoals installaties op metaal en low-profile ontwerpen voor het volgen van activa. Naast de tags zijn er ook RFID-lezers beschikbaar, waaronder desktopontwerpen en lezers op ondernemingsniveau/edge service controllers die de invoering van RFID-toepassingen voor Industrie 4.0 kunnen versnellen.