אפיון ושימוש ב-RFID עבור מעקב נכסים IIoT

מעקב נכסים וניהול שרשרת אספקה הם פעילויות חשובות במגוון יישומי אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏), כולל מפעלי ייצור, לוגיסטיקה ומרכזי חלוקה, מרכזי נתונים, בתי-חולים וטיפול בריאותי, חקלאות, בניה ותובלה. אפיון מערכת מעקב נכסים פסיבית זיהוי תדר רדיו (RFID) הוא דבר מורכב. נכסים רבי-ערך יכולים להיות חשופים לתנאים בלתי-מבוקרים שונים, כולל זעזועים ורעידות, חום, קור מקפיא ותנאי סביבה רטובים במהלך הובלה ואחסון, ויש לשקול תקני RFID יחודיים-ליישום שונים.

מתכננים צריכים תגים אמינים וקשיחים העומדים בתנאים הקשים של סביבות תעשייה, בניה וייצור הקיימים בגדלים סטנדרטיים וטווחי קריאה שונים כדי להתאים לצרכים של סוגים וקטגוריות נכסים מסוימים. מאמר זה סוקר בקצרה טכנולוגיית RFID פסיבית ומספר תקני תעשייה הקשורים לתגי ונתוני RFID. אחר כך, המאמר מציג תגי RFID, קוראים ופתרונות מערכת מבית Molex‏, Murata Electronics ו-ThingMagic.

תג RFID‏‏ פסיבי‏ מורכב‏ מאנטנה ומעגל-משולב הכולל קצה-קדמי (F/E) אנלוגי עם מודולטור, דה-מודולטור, יחידה של קצירת אנרגיה RF, בקר עם מקודד/מפענח, אלקטרוניקת בקרה, שעון וזיכרון (איור 1‏). תגי RFID פסיביים אינם משתמשים בסוללות. במרבית תגי RFID פסיביים, הזיכרון יכול להיכתב מחדש, ותגי RFID יכולים להעביר בתקשורת כמות נתונים הרבה יותר גדולה מחלופות כמו ברקודים.

איור 1: תג RFID פסיבי‏ מורכב מאנטנה ומעגל-משולב (IC) הכולל קצה-קדמי (F/E) אנלוגי, בקר וזיכרון. (מקור תמונה: Murata‏)

תגי RFID פסיביים תדר אולטרה-גבוה (UHF) ניתנים לקריאה ממרחקים של עד מספר מטרים, וניתן לקרוא בו-זמנית תגים מרובים. בניגוד לברקודים, RFID משתמש בתקשורת אלחוטית, ותגים ניתנים לקריאה מחוץ לקופסאות אריזה מבלי לפתוח את הקופסה (איור 2‏). נוסף לכך, תגי RFID אינם רגישים ללכלוך, לחות, רעידות וגורמים סביבתיים אחרים שיכולים להפריע לשימוש בברקודים. תגי RFID באים בפורמטים מגוונים המתוכננים עבור יישומים מסוימים. תגים מסוימים מתוכננים עבור מעקב אחר פריטי‏ מתכת ומשתמשים במשטח המתכת כמגבר אנטנה כדי להגדיל את טווח הפעולה. פותחו תקני תקשורת ופורמט נתונים שונים עבור תגי RFID פסיביים.

איור 2: תגי RFID ניתנים לקריאה ממרחקים של עד מספר מטרים. בתכנים מסוימים, ניתן לקרוא בו-זמנית תגים מרובים, והתגים ניתנים לקריאה דרך קופסאות ומארזים אחרים. (מקור תמונה: Murata‏)

RAIN RFID

ברית ה-RAIN RFID מעודדת שימוש בפרוטוקול ה-ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2. ה-RAIN (זיהוי תדר רדיו) מתוכנן לקשר בין תגי UHF RFID‏ והענן. הוא מאפשר לאחסן, לנהל ולחלוק נתוני RFID תוך שימוש באינטרנט. מערכת המשתמשת בפתרון RAIN כוללת‏ תג RFID‏, קורא ותוכנה שיכולים לספק קישור לרשת המקומית וממנה לענן (איור 3‏). ברית ה-RAIN מתבססת על מערכת מספור ה-ISO‏ כדי לפשט קידוד תוך שימוש במספרי זיהוי חברה (CINs). מערכת המספור המבוססת ISO‏ מתוכננת לתמוך בזיהוי ללא-התנגשות של תגי RAIN RFID. היא מיועדת לספק חלופה ללא-הפרעות לפורמטים של נתונים קנייניים או מוגדרי-ספק קיימים.

איור 3: RAIN RFID מוסדר על ידי תקן גלובלי יחיד הנקרא EPC UHF Gen2v2 או ISO/IEC 18000-63. (מקור תמונה: ברית RAIN)

קודים של מוצר אלקטרוני ו-RFID

קוד המוצר האלקטרוני (EPC)‏ Gen 2v2‏ בשימוש RAIN הוא תקן פרוטוקול ממשק-אוויר עבור תגי UHF RFID פסיביים. EPC Gen 2v2 כולל מאפיינים לשיפור אבטחה, להרתיע זיוף ולשפר פרטיות על ידי אפשור אימות תגים וקוראים. הזיכרון של תג‏ Gen 2v2 ניתן לחלוקה לקבצים מרובים, ותגים הולמים ניתנים לשימוש עבור מעקב אחר פריט אלקטרוני (EAS).

תקן ה-EPC פותח על ידי EPCglobal ואושר ואומץ כתקן ה-ISO 18000-6C. בנוסף לקביעת תקן עבור תקשורת בין תגים וקוראים, סט של תקנים הקשורים ל-EPC קובעים כיצד משתמשים שונים חולקים נתוני EPC. ה-EPC הוא מזהה אוניברסלי עבור אובייקטים פיזיים. מאחר והוא משמש באופן נרחב בתגי RFID, תקן נתוני התג EPC כולל דרישות מנתונים בנוסף לדרישות מה-EPC שניתן לשמור בתג Gen 2 RFID‏. בעוד קיימת חפיפה‏ משמעותית בין קודים EPC ותגי RFID, הם מטבעם שונים; RFID היא טכנולוגיית נושא הנתונים ו-EPC הוא מזהה ופורמט נתונים.

תקנות EAS ו-UDI עבור התקנים רפואיים

בדומה לקודים EPC, תקנות זיהוי התקן פרטני (UDI) דורשות במדינות רבות שציוד רפואי יהיה בעל מזהה פרטני לתמיכה ב-EAS עבור השימוש והאחסון הבטוח של ציוד רפואי. מערכות UDI חלות על סוגים רבים של ציוד רפואי אך הן חשובות במיוחד בנוגע למכשירים כירורגיים היכן שיש סיכון משמעותי בהכנת מכשירים לא נכונים עבור פרוצדורה.

מאות מכשירים כירורגיים שונים וכוח אדם בלתי מנוסה יכולים לגרום בקלות לבחירת מכשירים לא נכונים. השימוש ב-UDI ותגי RFID יכול למנוע דאגה זו. השימוש בתגי RFID מסייע גם באיסוף היסטוריית השימושים של מכשירים אינדיבידואליים ומספר הפעמים שנעשה בהם שימוש במתקן טיפול רפואי.

תג RFID פסיבי‏ עבור מכשיריים כירורגיים וכלים תעשייתיים

מתכנני מערכת RFID יכולים להשתמש ב-LXTBKZMCMG-010, ‏תג UHF RAIN RFID על-מתכת קטן מבית Murata‏, עבור עקיבה אחר מכשירים כירורגיים, כלים תעשייתיים ואובייקטים דומים עשויים מתכת (איור 4‏). ה-LXTBKZMCMG-010 משתמש במשטח המתכת כמגבר אנטנה כדי להגדיל את טווח הקריאה. תג זה מידותיו הן ‎6.0 x 2.0 x 2.3 מ"מ (mm), עובד בכל פס ה-UHF ובעל תחום טמפרטורות עבודה של 40- עד 85+ מעלות צלסיוס (°C), תכונות שעושות אותו מתאים עבור עקיבה אחרי ושחזור הימצאות אובייקט מתכת בסביבות תעשייתיות כמו גם במתקני טיפול בריאותי.

איור 4‏: תג ה-LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID ממוטב במיוחד עבור משטחי מתכת כגון מכשירים כירורגיים וכלים תעשייתיים. (מקור תמונה: Murata‏)

תגי RFID פרופיל-נמוך עבור מעקב נכסים

יישומי מעקב נכסים ומלאי יכולים להפיק תועלת מתגים המתוכננים לעמוד ברעידות וזעזועים חזקים ושינויי טמפרטורה גדולים, שנמצאים במערכות תעשייתיות, חקלאיות, בניה ותובלה. ‏חתימת-שטח פרופיל-נמוך משמעותה פחות מקום, פחות נזק ועלויות נמוכות יותר. לדוגמה, תג ה-RFID‏ 0133580821 מבית Molex הוא בעובי של ‏1.8 מ"מ, בעל דרוג IP68, ניתן להשתמש בו בסביבות רטובות ועובד מ-‎50°C-עד 85°C+(איור 5). טווח הקריאה של ה-0133580821 הוא‏ 4.5 מטר ומתוכנן לשימוש על מגוון חומרים, כולל מתכות וחומרי פלסטיק.

איור 5‏: תג RFID זה בעובי 1.8 מ"מ ממוטב במיוחד עבור מעקב נכסים ומלאי עם טווח קריאה של ‏ 4.5 מטר וניתן לשימוש על משטחים מרובים, כולל חומרי פלסטיק ומתכות. (מקור התמונה: Molex)

קורא RAIN RFID חבר-והפעל

הקורא המוגמר Elara RAIN RFID מבית ThingMagic הוא בעל ממשק ומאפייני עבודה שמקטינים למינימום מאמצי תכנון ומאיצים מימושי RFID בכל יישום הדורש מרחקי קריאה של עד 2 מטר (איור 6‏). ה-Elara מוצע בשני דגמים, ה-PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB העובד בפס התדרים 865 עד 868 מגה-הרץ (MHz‏) וה-PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB העובד בפס התדרים 915 עד ‎928 MHz‏. שני הקוראים באים במעטפת עשויה מפלסטיק מאושר טיפול בריאותי.

איור 6: הקורא המוגמר Elara RAIN RFID יכול להקטין למינימום מאמצי תכנון ולהאיץ מימושי RFID בכל יישום הדורש מרחקי קריאה של עד 2 מטר. (מקור תמונה: ThingMagic)

תוך שימוש ב-Elara, מתכננים יכולים בקלות להוסיף יכולות RFID ליישומים המפיקים תועלת ממערכת שולחנית חבר-והפעל או קורא מורכב קבוע. מהלכי עבודה אוטונומיים הנתמכים מאפשרים יצירת פתרונות מהירה ללא מומחיות RFID מצד המתכנן או הצורך בערכות פיתוח תוכנה וכלי אינטגרציה. דוגמאות של יישומי Elara כוללות מימוש תקנות UDI במתקני טיפול בריאותי, עיבוד החזרות ומעקב במחסנים ומרכזי הפצה, והקצאת תגי RFID. יכולות Elara כוללות:

• אינטגרציית מערכת מפושטת ועבודה ללא תוכנה תוך שימוש בתזרימי עבודה אוטונומיים טעונים-מראש.
• תמיכה בתקני טכנולוגיית RAIN וממשק תקשורת RAIN.
• תמיכה בפרוטוקול EPCglobal Gen 2v2.
• קריאה בהיקף גדול של סדרות פריטים כגון מכשירים כירורגיים או ערכת רכיבים עבור‏ פס הרכבה.
• ספירות פריטים ואימות עבור עיבוד החזרות או ספירת מלאי.
• הקצאת תגי RFID.
• עדכון נתוני תג במידע על שימוש ומידע אחר.

קורא Industry 4.0 RFID והתקן שירות קצה (edge service device)

עבור יישומי Industry 4.0 הדורשים קוראי RFID מרובים וחיבור לענן דרך שרת קצה (edge server), מתכננים יכולים לפנות אל ה-ALR-F800-X מבית Molex הכולל קורא תג UHF RFID פסיבי ברמת enterprise-class‏ עם 4 נקודות חיבור ובקר שירות קצה (edge service controller) (איור 7). שימוש ב-ALR-F800-X מאפשר עיבוד נתוני RFID במקור והערכה בזמן-אמת. ה-ALR-F800 יכול להיות מוזן תוך שימוש במתאם כוח DC או מקור אספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE), דבר המפשט פריסת מערכות Industry 4.0 RFID רחבות היקף.

איור 7: ה-ALR-F800-X כולל קורא תג UHF RFID פסיבי ברמת enterprise-class‏ עם 4 נקודות חיבור ובקר שירות קצה (edge service controller) לתמיכה שיישומי Industry 4.0. (מקור תמונה: Molex)

טכנולוגיית התאמה-עצמית דינמית (‎Dynamic self-adapting‏ (DSA)) ב-ALR-F800 מנטרת את סביבת ה-RF בזמן-אמת ומבקרת מספר פרמטרים, מסננים ומדדי כוונון כדי למטב קריאות תג RFID. ניתן להוסיף זיכרון תוך שימוש בכרטיסי מיקרו-SD, ונקודת חיבור USB זמינה עבור הוספת חיבורי Wi-Fi ומודם סלולרי.

תוכנת ה-Emissary המובנית מאפשרת תמיכה והגדרת תצורה של קוראים ונקודות קריאה נוספים ללא צורך בשרת קצה (edge server) ייעודי (איור 8‏). תוכנת Emissary מאפשרת את הפיתוח של מהלכי עבודה שלמים תוך שימוש בפעילויות מהונדסות-מראש (כגון קרא תג, הדלק אור, שלח נתונים, וכו') המפשטות ומזרזות את ההפעלה של יישומים חדשים. תוכנת ה-Emissary כוללת:

• ויזואליזציה מובנית ואינטואיטיבית של פונקציות, התקנים ונקודות קריאה.
• שימוש במוסכמות מתן שם הגיוניות כגון 'תחנת אריזה', 'דלת #1', וכו'.
• סט כלים מבוססי Windows עבור יצירת תזרימי עבודה.
• כינון, בקרה ותחזוקה של כל הקוראים המקומיים המחוברים להתקן.
• שימוש בתקן נתוני התג (Tag Data Standard) הנכונים עבור פרשנות מדויקת של נתונים מתקבלים.
• ניהול דוחות של נתוני קריאת תג ומיזוג של דוחות מקוראים מרובים עבור העברה לענן.

איור 8: תוכנת ה-Emissary המובנית ב-ALR-F800-X מאפשרת הגדרת תצורה ותמיכה בקוראים ונקודות קריאה נוספים ללא צורך בשרת קצה (edge server) יעודי. (מקור תמונה: Molex)

סיכום

תגי RFID פסיביים וקוראים יכולים לתמוך בפעילויות מעקב נכסים מגוונות ב-IIoT‏, כולל ייצור, לוגיסטיקה, מרכזי נתונים, טיפול בריאותי, חקלאות, בנייה ותובלה. כשבוחרים ומאפינים מערכות RFID, מתכננים חייבים להיות ערים למגוון תקני תעשייה, כולל תקנות RAIN,‏ EPC Gen 2v2,‏ ISO/IEC 18000-63 ו-UDI. סוגים שונים של תגים ממוטבים במיוחד עבור יישומים ספציפיים כגון התקנות על-מתכת ותכני פרופיל-נמוך עבור יישומי מעקב נכסים. בנוסף לתגים, קיימים קוראי RFID, כולל תכנים שולחניים וקוראים ברמת הארגון (enterprise-level)/בקרי שירות קצה (edge service controllers)‏ שיכולים לזרז את הפריסה של יישומי Industry 4.0 RFID.