Especificação e uso de RFID para rastreamento de ativos IIoT

O rastreamento de ativos e o gerenciamento da cadeia de suprimentos são atividades importantes em uma gama de aplicações da Internet Industrial das Coisas (IIoT), incluindo fábricas, centros de logística e distribuição, centros de processamento de dados, hospitais e assistência médica, agricultura, construção e transporte. A especificação de um sistema passivo de identificação por radiofrequência (RFID) de rastreamento de ativos é complexa. Bens valiosos podem ser expostos a várias condições não controladas, incluindo choque e vibração, ambientes quentes, de frio congelante e úmidos durante o transporte e armazenamento, e há várias normas RFID de aplicações específicas a serem consideradas.

Os projetistas precisam de etiquetas robustas e confiáveis que resistam às duras condições dos ambientes industriais, de construção e de fabricação, disponíveis em vários tamanhos padrões e faixas de leitura para atender às necessidades de tipos e classes de ativos específicos. Este artigo analisa brevemente a tecnologia RFID passiva e várias normas da indústria relacionadas a etiquetas e dados RFID. Em seguida, apresenta etiquetas RFID, leitores e soluções de sistema da Molex, Murata Electronics e ThingMagic.

Uma etiqueta RFID passiva consiste em uma antena e um circuito integrado que inclui um front-end analógico (F/E) com um modulador, demodulador, unidade de coleta de energia de RF, um controlador com um codificador/decodificador, eletrônica de controle, clock e memória (Figura 1). As etiquetas RFID passivas não utilizam baterias. Na maioria das etiquetas RFID passivas, a memória pode ser reescrita e as etiquetas RFID podem trocar quantidades muito maiores de dados do que as alternativas como códigos de barras.

Figura 1: Uma etiqueta RFID passiva consiste de uma antena e um CI que inclui um front-end (F/E) analógico, controlador e memória. (Fonte da imagem: Murata)

As etiquetas RFID passivas de ultra-alta frequência (UHF) podem ser lidas a distâncias de até vários metros, e várias etiquetas podem ser lidas de uma só vez. Em contraste com os códigos de barras, o RFID usa comunicação sem fio, e as etiquetas podem ser lidas de fora das caixas de embalagem sem abrir a caixa (Figura 2). Além disso, as etiquetas RFID são insensíveis à sujeira, umidade, vibração e outros fatores ambientais que podem interferir com o uso dos códigos de barras. As etiquetas RFID vêm em uma variedade de formatos projetados para aplicações específicas. Algumas etiquetas são projetadas para acompanhar e rastrear itens metálicos e usar a superfície metálica como uma antena de reforço para aumentar o alcance operacional. Várias normas de comunicação e formato de dados foram desenvolvidas para etiquetas RFID passivas.

Figura 2: As etiquetas RFID podem ser lidas a distâncias de até vários metros. Em alguns projetos, várias etiquetas podem ser lidas simultaneamente, e as etiquetas podem ser lidas através de caixas e outras embalagens. (Fonte da imagem: Murata)

RAIN RFID

A aliança RAIN RFID promove o uso do protocolo ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF ger. 2. A RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) foi projetada para vincular as etiquetas RFID UHF e a nuvem. Permite que os dados RFID sejam armazenados, gerenciados e compartilhados usando a Internet. Um sistema que utiliza uma solução RAIN tem uma etiqueta RFID, um leitor e um software que pode fornecer uma conexão para a rede local e de lá para a nuvem (Figura 3). A aliança RAIN foi criada no sistema de numeração ISO para simplificar a codificação usando números de identificação da empresa (CINs). O sistema de numeração baseado em ISO foi projetado para dar suporte a identificação sem colisão das etiquetas RAIN RFID. O objetivo é fornecer uma alternativa livre de interferências aos formatos de dados existentes, proprietários ou definidos pelo fornecedor.

Figura 3: A RAIN RFID é regulada por uma única norma global chamada EPC UHF Gen2v2 ou ISO/IEC 18000-63. (Fonte da imagem: RAIN Alliance)

Códigos eletrônicos de produtos e RFID

O código eletrônico de produto (EPC) Gen 2v2 usado pela RAIN é uma norma de protocolo de interface aérea para etiquetas RFID UHF passivas. O EPC Gen 2v2 inclui recursos para melhorar a segurança, impedir a falsificação e aumentar a privacidade, permitindo a autenticação de etiquetas e leitores. A memória de uma etiqueta Gen 2v2 pode ser particionada em vários arquivos, e etiquetas compatíveis podem ser usadas para a vigilância eletrônica de artigos (EAS).

A norma EPC foi desenvolvida pela EPCglobal e aprovada e adotada como a norma ISO 18000-6C. Além de estabelecer um padrão de como as etiquetas e os leitores se comunicam, um conjunto de normas associadas ao EPC estabelece como os dados do EPC são compartilhados entre vários usuários. Um EPC é um identificador universal para objetos físicos. Como é amplamente utilizado em etiquetas RFID, o padrão de dados da etiqueta EPC inclui requisitos para dados além do EPC, que podem ser armazenados em uma etiqueta RFID ger. 2. Embora haja uma sobreposição significativa entre etiquetas EPCs e RFID, elas são inerentemente diferentes; RFID é a tecnologia portadora de dados, e EPC é um identificador e formato de dados.

Regulamentos EAS e UDI para dispositivos médicos

Semelhante aos EPCs, os regulamentos de Identificação Única de Dispositivos (UDI), em muitos países, exigem que os equipamentos médicos tenham identificadores individuais para dar suporte a EAS para o uso e armazenamento seguro de equipamentos médicos. Os sistemas UDI se aplicam a muitos tipos de equipamentos médicos, mas são especialmente importantes com instrumentos cirúrgicos onde há um risco significativo de preparar instrumentos incorretos para um procedimento.

Centenas de diferentes instrumentos cirúrgicos e pessoal inexperiente podem facilmente selecionar instrumentos incorretos. O uso de etiquetas UDI e RFID pode eliminar essa preocupação. O uso de etiquetas RFID também facilita a coleta do histórico de usos de instrumentos individuais e o número de usos dentro de uma unidade de saúde.

Etiqueta RFID passiva para instrumentos cirúrgicos e ferramentas industriais

Os projetistas de sistemas RFID podem usar a LXTBKZMCMG-010, uma pequena etiqueta RAIN RFID de UHF em metal da Murata, para rastrear instrumentos cirúrgicos, ferramentas industriais e objetos metálicos similares (Figura 4). LXTBKZMCMG-010 utiliza a superfície metálica para aumentar o alcance de leitura como uma antena de reforço. Esta etiqueta mede 6,0 x 2,0 x 2,3 milímetros (mm), opera em toda a faixa UHF, e tem uma faixa de temperatura operacional de -40 a +85 graus Celsius (°C), tornando-a adequada para acompanhar e rastrear objetos metálicos em ambientes industriais, bem como unidades de saúde.

Figura 4: A etiqueta RAIN RFID de UHF LXTBKZMCMG-010 é otimizada para superfícies metálicas, tais como instrumentos cirúrgicos e ferramentas industriais. (Fonte da imagem: Murata)

Etiquetas RFID de perfil baixo para rastreamento de ativos

Asaplicações de rastreamento de ativos e inventários podem se beneficiar de etiquetas projetadas para sobreviver a altas vibrações e impactos e amplas variações de temperatura encontradas em sistemas industriais, agrícolas, de construção e de transporte. Uma pegada de perfil baixo significa menos espaço, menos danos e menores custos. Por exemplo, a etiqueta RFID 0133580821 da Molex tem 1,8 mm de espessura, tem uma classificação IP68, pode ser usada em ambientes úmidos, e funciona a partir de -50°C a +85°C (Figura 5). O 0133580821 tem um alcance de leitura de 4,5 metros e foi projetado para uso em uma variedade de materiais, incluindo metais e plásticos.

Figura 5: Esta etiqueta RFID de 1,8 mm de espessura é otimizada para rastreamento de ativos e inventário com um alcance de leitura de 4,5 metros e pode ser usada em várias superfícies, incluindo plásticos e metais. (Fonte da imagem: Molex)

Leitor RAIN RFID plug-and-play

O leitor acabado Elara RAIN RFID da ThingMagic tem interface e características operacionais que minimizam os esforços de projeto e aceleram as implementações RFID em qualquer aplicação que exige distâncias de leitura de até 2 metros (Figura 6). O Elara é oferecido em dois modelos, o PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB que funciona na faixa de 865 a 868 MegaHertz (MHz) e o PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB que funciona na faixa de 915 a 928 MHz. Ambos os leitores vêm em gabinetes feitos de plásticos qualificados para o setor de saúde.

Figura 6: O leitor acabado Elara RAIN RFID pode minimizar os esforços de projeto e acelerar as implementações RFID em qualquer aplicação que exige distâncias de leitura de até 2 metros. (Fonte da imagem: ThingMagic)

Usando Elara, os projetistas podem facilmente adicionar recursos RFID em aplicações que se beneficiam de um leitor de mesa plug-and-play ou de montagem fixa. São suportados fluxos de trabalho autônomos que permitem a rápida criação de soluções sem o conhecimento de RFID por parte do projetista ou a necessidade de kits de desenvolvimento de software e ferramentas de integração. Exemplos de aplicações Elara incluem a implementação de regulamentos UDI em unidades de saúde, processamento e rastreamento de devoluções em armazéns e centros de distribuição, e o comissionamento de etiquetas RFID. As capacidades do Elara incluem:

• Integração simplificada do sistema e operação isenta de software, utilizando os fluxos de trabalho autônomos pré-carregados.
• Suporte aos padrões de tecnologia RAIN e interface de comunicação RAIN.
• Suporte ao protocolo EPCglobal Gen 2v2.
• Leitura em massa de conjuntos de itens como instrumentos cirúrgicos ou um kit de componentes para uma linha de montagem.
• Contagem de itens e verificação para o processamento de devoluções ou para fazer o inventário.
• Comissionamento de etiquetas RFID
• Atualização dos dados da etiqueta com o uso e outras informações.

Leitor RFID da indústria 4.0 e dispositivo de serviço de borda

Para aplicações industriais 4.0 que necessitam de vários leitores RFID e conexão com a nuvem através de um servidor de borda, os projetistas podem recorrer ao ALR-F800-X da Molex que inclui um leitor de etiquetas RFID UHF passivas de 4 portas de classe empresarial e um controlador de serviço de borda (Figura 7). O uso do ALR-F800-X permite que os dados RFID sejam processados na fonte e avaliados em tempo real. O ALR-F800 pode ser alimentado usando um adaptador de energia cc ou uma fonte de alimentação PoE (Power-over-Ethernet), simplificando a implantação de sistemas RFID em larga escala na indústria 4.0.

Figura 7: O ALR-F800-X inclui um leitor de etiquetas RFID UHF passivas de 4 portas de classe empresarial e um controlador de serviço de borda para dar suporte às aplicações da indústria 4.0. (Fonte da imagem: Molex)

A tecnologia de auto-adaptação dinâmica (DSA) no ALR-F800 monitora o ambiente RF em tempo real e controla vários parâmetros, filtros e métricas de ajuste para otimizar as leituras das etiquetas RFID. A memória pode ser adicionada usando cartões micro-SD, e uma porta USB está disponível para adicionar conexões Wi-Fi e modem celular.

O software Emissary incorporado permite suporte e configuração de leitores adicionais e leitura de pontos sem a necessidade de um servidor de borda dedicado (Figura 8). O software Emissary permite o desenvolvimento de fluxos de trabalho completos utilizando atividades pré-elaboradas (como ler a etiqueta, acender a luz, enviar dados, etc.) que simplificam e aceleram o comissionamento de novas aplicações. Emissary inclui:

• Visualização estruturada e intuitiva das funções, dos dispositivos e dos pontos de leitura.
• Uso de convenções de nomenclatura de senso comum, tais como 'estação de embrulho', 'porta nº 1', e assim por diante.
• Conjunto de ferramentas baseadas em Windows para a criação de fluxos de trabalho.
• Configuração, controle e manutenção de todos os leitores locais conectados ao dispositivo.
• Uso do padrão correto de dados da etiqueta para uma interpretação precisa dos dados recebidos.
• Gerenciamento de relatórios de dados de leitura das etiquetas e consolidação de relatórios de vários leitores para transferência à nuvem.

Figura 8: O software integrado Emissary no ALR-F800-X permite a configuração e suporte de leitores adicionais e pontos de leitura sem a necessidade de um servidor de borda dedicado. (Fonte da imagem: Molex)

Resumo

As etiquetas passivas e leitores RFID podem dar suporte a várias atividades de rastreamento de ativos no IIoT, incluindo fabricação, logística, centros de dados, assistência médica, agricultura, construção e transporte. Ao selecionar e especificar sistemas RFID, os projetistas precisam estar cientes de uma série de normas da indústria, incluindo RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63, e regulamentos UDI. Vários tipos de etiquetas são otimizados para aplicações específicas como instalações em metal e projetos de perfil baixo para aplicações de rastreamento de ativos. Além das etiquetas, estão disponíveis leitores RFID, incluindo projetos de mesa e leitores/controladores de serviço de borda em nível empresarial, que podem acelerar a implantação de aplicações RFID da indústria 4.0.