指定并使用 IIoT 资产追踪 RFID

作者：Jeff Shepard

资产跟踪和供应链管理是众多工业物联网 (IIoT) 应用中的重要活动，具体应用领域包括制造工厂、物流和配送中心、数据中心、医院和医疗保健、农业、建筑和运输。指定一个无源射频识别 (RFID) 资产追踪系统是复杂的。贵重资产在运输和储存过程中可能会暴露在各种不受控制的条件下，包括冲击和振动、高温、低温和潮湿的环境，而且有各种应用特定的 RFID 标准需要考虑。

设计人员需要采用坚固可靠的标签，以承受工业、建筑和制造环境的恶劣条件。这些标签要有各种标准尺寸和读取范围选择，以满足特定资产类型和类别的需要。本文简要回顾了无源 RFID 技术以及与 RFID 标签和数据有关的几个行业标准。然后介绍了 Molex、Murata Electronics 和 ThingMagic 的 RFID 标签、RFID 读取器和系统解决方案。

无源 RFID 标签由天线和集成电路组成，包括一个带有调制器、解调器、射频能量收集单元的模拟前端 (F/E)、一个带有编码/解码器的控制器、控制电子装置、时钟和存储器（图 1）。无源 RFID 标签不使用电池。在大多数无源 RFID 标签中，存储器可以被重新写入，而且 RFID 标签可以交换的数据量比条形码等替代品大得多。

图 1：无源 RFID 标签由一个天线和一个包括模拟前端 (F/E) 、控制器和存储器的 IC 组成。（图片来源：Murata）

无源超高频 (UHF) RFID 标签的读取距离可达数米，而且可以同时读取多个标签。与条形码相比，RFID 使用无线通信，标签可以从包装箱外读取，无需开箱（图 2）。此外，RFID 标签对灰尘、湿气、振动和其他可能干扰条形码使用的环境因素不敏感。RFID 标签有各种为特定应用设计的形式。有些标签是为追溯和跟踪金属物品而设计的，利用金属表面作为增益天线来增加工作范围。业内已经为无源 RFID 标签制定了各种通信和数据格式标准。

图 2：RFID 标签可以在几米开外进行读取。在有些设计中，可以同时读取多个标签，并且可以通过盒子和其他包装读取标签。（图片来源：Murata）

RAIN RFID

RAIN RFID 联盟提倡使用 ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 协议。RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) 旨在链接 UHF RFID 标签和云。它能够让 RFID 数据可以利用互联网进行存储、管理和共享。系统要利用 RAIN 解决方案，就需要有 RFID 标签、读取器和软件，以提供与本地网络的链接，并通过这个链接连接到云（图 3）。RAIN 联盟在 ISO 编号系统的基础上，利用公司识别号 (CIN) 简化了编码。基于 ISO 的编号系统的设计就是为了支持 RAIN RFID 标签的无碰撞识别，旨在为现有的专有或厂商定义数据格式提供一个无干扰的替代选择。

图 3：RAIN RFID 受一个名为 EPC UHF Gen2v2 或 ISO/IEC 18000-63的单一全球标准监管。（图片来源：RAIN 联盟）

电子产品代码和 RFID

RAIN 使用的电子产品代码 (EPC) Gen 2v2 是针对无源 UHF RFID 标签的无线接口协议标准。EPC Gen 2v2 还包括提高安全性、防止假冒和增强隐私的功能，方法通过对标签和读取器进行认证。Gen 2v2 标签的存储器可被分割成多个文件，符合要求的标签可用于电子物品监控 (EAS)。

EPC 标准由 EPCglobal 制定，并为 ISO 18000-6C 标准所认可和采纳。除了为标签和读取器的通信方式制定标准外，与 EPC 相关的一套标准还确定了 EPC 数据在不同用户之间的共享方式。EPC 是物理对象的通用标识符。由于它广泛用于 RFID 标签，EPC 标签数据标准包括了对第二代 RFID 标签上可能存储的除 EPC 以外的数据的要求。虽然 EPC 和 RFID 标签之间有很大的重叠，但它们在本质上是不同的；RFID 是数据载体技术，而 EPC 是一种标识符和数据式。

针对医疗设备的 EAS 和 UDI 法规

与 EPC 类似，许多国家的唯一设备识别 (UDI) 法规要求医疗设备有独立的识别器，以支持 EAS 实现医疗设备的安全使用和储存。UDI 系统适用于许多类型的医疗设备，但对手术器械尤其重要，因为在手术中器械准备不当的风险很大。

数百种不同的手术器械，没有经验的人员很容易选择错误的器械。使用 UDI 和 RFID 标签可以消除这种担忧。RFID 标签的使用也有利于收集个别仪器的使用历史和医疗机构内的使用次数。

用于手术器械和工业工具的无源 RFID 标签

RFID 系统设计者可以使用 Murata 的小型金属上 UHF RAIN RFID 标签 LXTBKZMCMG-010，用于追踪手术器械、工业工具和类似的金属物体（图 4）。LXTBKZMCMG-010 利用金属表面作为增益天线来增加读取范围。该标签尺寸为 6.0 x 2.0 x 2.3 毫米 (mm)，在工作频率覆盖整个 UHF 频段，工作温度范围为 -40 至 +85 摄氏度 (℃)，因此适合在工业环境以及医疗机构中用于追溯和跟踪金属物体。

图 4：LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID 标签旨在用于诸如手术器械和工业工具之类具有金属表面的设备。（图片来源：Murata）

用于资产追踪的扁平 RFID 标签

资产和库存跟踪应用可以受益于这些标签，因为这些标签可以经受住工业、农业、建筑和运输系统中的高振动和高冲击以及大的温度变化。扁平的封装意味着更少的空间、更少的损坏以及更低的成本。例如，Molex 的 0133580821 RFID 标签厚度为 1.8 mm，具有 IP68 防护等级，可用于潮湿环境，工作温度范围为 -50℃至 +85℃（图 5）。0133580821 具有 4.5 米的读取范围，适合用于各种材料，包括金属和塑料。

图 5：这种 1.8 mm 厚 RFID 标签针对资产和库存跟踪进行了优化，读取范围为 4.5 米，可用于多种表面，包括塑料和金属。（图片来源：Molex）

即插即用 RAIN RFID 读取器

ThingMagic 的 Elara RAIN RFID 成品读取器具有对接和操作功能，在任何需要读取距离达 2 米的应用中，可以最大限度地减少设计工作并加快 RFID 的实现（图 6）。Elara 有两种型号，PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB 工作在 865 至 868 兆赫 (MHz) 频段；PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB 工作在 915 至 928 MHz 频段。这两款读取器的外壳均采用符合医疗保健要求的塑料制造。

图 6：Elara RAIN RFID 成品读取器可以在任何需要读取距离达 2 米的应用中最大限度地减少设计工作并加快 RFID 的实现。（图片来源：ThingMagic）

使用 Elara，设计者可以轻松地将 RFID 功能添加到受益于即插即用桌面或固定安装读取器的应用中。对自主工作流程的支持，能够快速创建解决方案，而不需要设计者的 RFID 专业知识，也不需要软件开发工具包和集成工具。Elara 应用实例包括在医疗机构实施 UDI 法规，在仓库和配送中心进行退货处理和跟踪，以及调试 RFID 标签。Elara 的能力包括：

· 使用预装的自主工作流程，简化系统集成和免软件操作。
· 支持 RAIN 技术标准和 RAIN 通信接口。
· 支持 EPCglobal Gen 2v2 协议。
· 批量读取成套物品，如手术器械或装配线套件。
· 退货处理或盘点时用于物品清点和核实。
· 调试 RFID 标签
· 用使用情况和其他信息更新标签数据。

工业 4.0 RFID 读取器和边缘服务设备

对于需要多个 RFID 读取器并通过边缘服务器连接到云端的工业 4.0 应用来说，设计人员可以寻求采用 Molex 的 ALR-F800-X，它包括一个 4 端口企业级无源 UHF RFID 标签读取器和一个边缘服务控制器（图 7）。使用 ALR-F800-X 可以在源头处理 RFID 数据，并进行实时评估。ALR-F800 可使用直流电源适配器或以太网供电 (PoE) 电源供电，简化了大规模工业 4.0 RFID 系统的部署。

图 7：ALR-F800-X 包括一个 4 端口企业级 UHF 无源 RFID 标签读取器和一个边缘服务控制器，支持工业 4.0 应用。（图片来源：Molex）

ALR-F800 中的动态自适应 (DSA) 技术可实时监测射频环境，并控制若干参数、滤波器和调整指标，以优化 RFID 标签的读取。可以使用微型 SD 卡可扩展存储空间，并有一个 USB 端口可用于添加 Wi-Fi 和蜂窝调制解调器连接。

内置的 Emissary 软件能够实现对额外读取器和读取点的支持和配置，而不需要专门的边缘服务器（图 8）。Emissary 软件允许使用预先设计好的活动（如读取标签、开灯、发送数据等）开发完整的工作流程，从而简化并加快新应用的调试。Emissary 特性包括：

· 规整、直观的功能、设备和读取点可视化。
· 使用常识性命名惯例，如“打包台”、“1号门”等等。
· 基于 Windows 的工具集，用于创建工作流程。
· 设置、控制和维护所有连接到设备的本地读取器。
· 使用正确的标签数据标准对传入的数据进行准确解释。
· 管理标签读取的数据报告，并合并来自多个读取器的报告，以传输到云端。

图 8：ALR-F800-X 内置的 Emissary 软件可以配置并支持额外的读取器和读取点，而不需要专门的边缘服务器。（图片来源：Molex）

结语

无源 RFID 标签和读取器可以支持各种资产跟踪活动，适合的 IIoT 应用包括制造、物流、数据中心、医疗保健、农业、建筑和运输等。在选择和指定 RFID 系统时，设计人员需要了解一系列行业标准，包括 RAIN、EPC Gen 2v2、ISO/IEC 18000-63 和 UDI 法规。业内针对特定应用推出了各种不同的标签，如适合资产跟踪应用的专门安装在金属表面上的扁平设计标签。除了标签，还有 RFID 读取器，包括桌面设计和企业级读取器/边缘服务控制器，可以加速工业 4.0 RFID 应用的部署。