Specificare e utilizzare l'RFID per la tracciabilità delle risorse IIoT

La tracciabilità delle risorse e la gestione della supply chain sono attività importanti in una serie di applicazioni dell'Internet delle cose industriale (IIoT), tra cui impianti di produzione, logistica e centri di distribuzione, data center, ospedali e strutture assistenziali, agricoltura, edilizia e trasporti. Specificare un sistema passivo di identificazione in radiofrequenza (RFID) per la tracciabilità delle risorse è complesso. I beni di valore possono essere esposti a varie condizioni incontrollate, tra cui urti e vibrazioni, ambienti caldi, freddi e umidi durante il trasporto e lo stoccaggio, oltre al fatto che esistono vari standard RFID specifici per le applicazioni.

I progettisti hanno bisogno di tag robusti e affidabili che resistano alle condizioni degli ambienti industriali, edilizi e produttivi, disponibili in varie dimensioni standard e intervalli di lettura per soddisfare le esigenze di tipi e classi di beni specifici. Questo articolo esamina brevemente la tecnologia RFID passiva e diversi standard relativi ai tag e ai dati RFID. Presenta poi tag, lettori e soluzioni di sistema RFID di Molex, Murata Electronics e ThingMagic.

Un tag RFID passivo consiste in un'antenna e un circuito integrato che include un front-end analogico (F/E) con un modulatore, un demodulatore, un'unità di energy harvesting RF, un controller con un codificatore/decodificatore, elettronica di controllo, clock e memoria (Figura 1). I tag RFID passivi non usano batterie. Nella maggior parte dei tag RFID passivi, la memoria può essere riscritta e i tag RFID possono scambiare quantità di dati molto maggiori dei dispositivi alternativi come i lettori di codici a barre.

Figura 1: Un tag RFID passivo consiste in un'antenna e un CI che include un front-end analogico (F/E), un controller e una memoria. (Immagine per gentile concessione di Murata)

I tag RFID passivi ad altissima frequenza (UHF) possono essere letti a distanze di diversi metri e possono leggere più tag contemporaneamente. A differenza dei lettori di codici a barre, l'RFID utilizza la comunicazione wireless e i tag possono essere letti dall'esterno delle scatole di imballaggio senza aprirle (Figura 2). Inoltre, i tag RFID non sono sensibili alla sporcizia, all'umidità, alle vibrazioni e ad altri fattori ambientali che possono interferire con l'uso dei codici a barre. I tag RFID sono disponibili in una varietà di formati progettati per applicazioni specifiche. Alcuni sono progettati per tener traccia e inseguire oggetti metallici e utilizzano la superficie metallica come un'antenna booster per aumentare il campo di funzionamento. Sono stati sviluppati vari standard di comunicazione e di formato dei dati per i tag RFID passivi.

Figura 2: I tag RFID possono essere letti a distanze fino a diversi metri. In alcuni progetti, possono essere letti simultaneamente più tag, e questi possono essere letti attraverso scatole e altri imballaggi. (Immagine per gentile concessione di Murata)

RAIN RFID

L'alleanza RAIN RFID promuove l'utilizzo del protocollo ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) è concepito per collegare i tag RFID UHF e il cloud. Permette l'archiviazione, la gestione e la condivisione dei dati RFID tramite Internet. Un sistema che utilizza una soluzione RAIN ha un tag RFID, un lettore e un applicativo software che può fornire un collegamento alla rete locale e da lì al cloud (Figura 3). L'alleanza RAIN ha creato sul sistema di numerazione ISO per semplificare la codifica utilizzando i numeri identificativi delle aziende (CIN). Il sistema di numerazione basato su ISO è progettato per supportare l'identificazione senza collisioni dei tag RAIN RFID. È destinato a fornire un'alternativa senza interferenze ai formati di dati esistenti proprietari o definiti dal fornitore.

Figura 3: RAIN RFID è regolato da un unico standard globale detto EPC UHF Gen2v2 o ISO/IEC 18000-63. (Immagine per gentile concessione di RAIN Alliance)

Codici elettronici dei prodotti e RFID

Il codice elettronico del prodotto (EPC) Gen 2v2 usato da RAIN è uno standard di protocollo di interfaccia aerea per i tag RFID UHF passivi. EPC Gen 2v2 include caratteristiche per migliorare la sicurezza, scoraggiare la contraffazione e potenziare la privacy consentendo l'autenticazione di tag e lettori. La memoria di un tag Gen 2v2 può essere partizionata in più file, e i tag conformi possono essere utilizzati per la sorveglianza elettronica degli articoli (EAS).

Lo standard EPC è stato sviluppato da EPCglobal e approvato e adottato come standard ISO 18000-6C. Oltre a stabilire uno standard per la comunicazione tra tag e lettori, una serie di standard associati a EPC stabilisce la modalità di condivisione dei dati EPC tra gli utenti. Un EPC è un identificativo universale per gli oggetti fisici. Dal momento che è ampiamente utilizzato nei tag RFID, lo standard per i dati del tag EPC include anche requisiti per i dati da memorizzare su un tag RFID Gen 2. Anche se esiste una sovrapposizione significativa tra i tag EPC e RFID, questi sono intrinsecamente diversi: RFID è la tecnologia della portante dei dati, mentre EPC è un identificativo e un formato di dati.

Regolamenti EAS e UDI per i dispositivi medici

Simile agli EPC, le normative sull'identificazione unica dei dispositivi (UDI) in molti paesi richiedono che le apparecchiature medicali abbiano identificativi individuali per supportare EAS per l'uso e la conservazione sicura. I sistemi UDI si applicano a molti tipi di apparecchiature medicali, ma sono particolarmente importanti per gli strumenti chirurgici, per via del rischio significativo di preparare strumenti errati per una procedura.

Centinaia di strumenti chirurgici diversi e personale inesperto possono facilmente comportare errori. L'uso di tag UDI e RFID può eliminare questo problema. L'uso dei tag RFID facilita anche la raccolta dello storico di utilizzo dei singoli strumenti e il numero di utilizzi all'interno di una struttura sanitaria.

Tag RFID passivi per strumenti chirurgici e industriali

I progettisti di sistemi RFID possono usare LXTBKZMCMG-010, un piccolo tag UHF RAIN RFID di Murata, per tener traccia di strumenti chirurgici, strumenti industriali e simili oggetti metallici (Figura 4). LXTBKZMCMG-010 utilizza la superficie metallica come antenna booster per aumentare il campo di lettura. Questo tag misura 6,0 x 2,0 x 2,3 mm, funziona su tutta la banda UHF e ha un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C, che lo rende adatto a tener traccia e inseguire oggetti metallici in ambienti industriali e strutture sanitarie.

Figura 4: Il tag RFID UHF RAIN LXTBKZMCMG-010 è ottimizzato per le superfici metalliche come gli strumenti chirurgici e industriali. (Immagine per gentile concessione di Murata)

Tag RFID a profilo ribassato per la tracciabilità delle risorse

Le applicazioni di tracciabilità delle risorse e di gestione di magazzino possono beneficiare di tag progettati per resistere alle alte vibrazioni e all'impatto e alle ampie escursioni termiche tipiche dei sistemi industriali, agricoli, edili e dei trasporti. Un ingombro a profilo ribassato significa meno spazio occupato, meno danni e costi inferiori. Ad esempio, il tag RFID 0133580821 di Molex è spesso 1,8 mm, ha un grado di protezione IP68, può essere usato in ambienti umidi e funziona da -50a +85 °C(Figura 5). 0133580821 ha un campo di lettura di 4,5 metri ed è progettato per l'uso su una varietà di materiali, compresi metalli e materie plastiche.

Figura 5: Questo tag RFID di 1,8 mm di spessore è ottimizzato per la tracciabilità delle risorse e la gestione di magazzino con un campo di lettura di 4,5 metri e può essere utilizzato su più superfici, tra cui plastica e metalli. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Lettore RAIN RFID plug-and-play

Il lettore finito Elara RAIN RFID di ThingMagic ha caratteristiche di interfaccia e di funzionamento che riducono al minimo la progettazione e velocizzano le implementazioni RFID in qualsiasi applicazione che richiede distanze di lettura fino a 2 metri (Figura 6). Elara è offerto in due modelli, PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB che funziona nella banda da 865 a 868 MHz e PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB per banda da 915 a 928 MHz. Entrambi i lettori sono forniti in involucri in materiale plastico qualificato per il settore sanitario.

Figura 6: Il lettore finito Elara RAIN RFID può ridurre al minimo la progettazione e velocizzare le implementazioni RFID in qualsiasi applicazione che richiede un campo di lettura fino a 2 metri. (Immagine per gentile concessione di ThingMagic)

Con Elara, i progettisti possono aggiungere capacità RFID in applicazioni che beneficiano di un lettore plug-and-play da banco o fisso. Supporta flussi di lavoro autonomi che permettono la creazione rapida di soluzioni senza che il progettista abbia competenze RFID o senza il ricorso a kit di sviluppo software e strumenti di integrazione. Esempi applicativi di Elara includono l'implementazione delle normative UDI nelle strutture sanitarie, l'elaborazione e il monitoraggio dei resi nei magazzini e nei centri di distribuzione e la messa in funzione dei tag RFID. Le capacità di Elara includono:

• Integrazione del sistema semplificata e funzionamento senza software utilizzando i flussi di lavoro autonomi precaricati.
• Supporto degli standard di tecnologia RAIN e dell'interfaccia di comunicazione RAIN.
• Supporto del protocollo EPCglobal Gen 2v2.
• Lettura in massa di set di articoli come strumenti chirurgici o un kit di componenti per una catena di montaggio.
• Conteggio e verifica degli articoli per l'elaborazione dei resi o per inventariare le scorte.
• Messa in funzione di tag RFID
• Aggiornamento dei dati di utilizzo dei tag e di altre informazioni.

Lettore RFID e dispositivo di servizio edge per Impresa 4.0

Per le applicazioni Impresa 4.0 che hanno bisogno di più lettori RFID e di una connessione al cloud attraverso un server edge, i progettisti possono rivolgersi al prodotto ALR-F800-X di Molex che include un lettore di tag RFID UHF passivo a 4 porte di classe enterprise e un controller di servizi edge (Figura 7). L'utilizzo di ALR-F800-X permette di elaborare i dati RFID alla fonte e di valutarli in tempo reale. ALR-F800 può essere alimentato mediante un adattatore c.c. o una fonte di alimentazione Power-over-Ethernet (PoE), semplificando l'implementazione di sistemi RFID di Impresa 4.0 su larga scala.

Figura 7: ALR-F800-X include un lettore di tag RFID UHF passivo a 4 porte di classe enterprise e un controller di servizi edge per supportare le applicazioni Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di Molex)

La tecnologia di auto-adattamento dinamico (DSA) in ALR-F800 monitora l'ambiente RF in tempo reale e controlla diversi parametri, filtri e parametri di misura per ottimizzare la lettura dei tag RFID. La memoria può essere ampliata con schede micro SD ed è disponibile una porta USB per aggiungere connessioni Wi-Fi e modem cellulare.

Il software Emissary integrato permette il supporto e la configurazione di ulteriori lettori e punti di lettura senza la necessità di un server edge dedicato (Figura 8). Il software Emissary permette lo sviluppo di flussi di lavoro completi utilizzando attività predefinite (come leggere tag, accendere la luce, inviare dati, ecc.) che semplificano e velocizzano la messa in servizio di nuove applicazioni. Emissary include:

• Visualizzazione strutturata e intuitiva di funzioni, dispositivi e punti di lettura.
• Uso di convenzioni di denominazione intuitive, come "stazione di imballaggio", "porta 1", e così via.
• Set di strumenti basati su Windows per la creazione di flussi di lavoro.
• Impostazione, controllo e manutenzione di tutti i lettori locali connessi al dispositivo.
• Utilizzo dello standard corretto per i dati dei tag, per un'accurata interpretazione dei dati in entrata.
• Gestione dei rapporti sui dati letti dai tag e consolidamento dei rapporti da più lettori per il trasferimento al cloud.

Figura 8: Il software Emissary integrato in ALR-F800-X permette la configurazione e il supporto di lettori e punti di lettura aggiuntivi senza bisogno di un server dedicato. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Riepilogo

I tag e i lettori RFID passivi possono supportare varie attività di tracciabilità delle risorse nell'IIoT, tra cui produzione, logistica, data center, assistenza sanitaria, agricoltura, edilizia e trasporti. Nella selezione e specifica di sistemi RFID, i progettisti devono essere consapevoli di una serie di standard industriali, tra cui RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 e le normative UDI. Vari tipi di tag sono ottimizzati per applicazioni specifiche come le installazioni su metallo e il profilo ribassato per le applicazioni di tracciabilità delle risorse. Oltre ai tag, sono disponibili lettori RFID, compresi modelli da banco e i lettori/controller di servizio di livello enterprise che possono accelerare l'implementazione delle applicazioni RFID per Impresa 4.0.