指定並使用 RFID 進行 IIoT 資產追蹤

資產追蹤與供應鏈管理是各種工業物聯網 (IIoT) 應用中的重要活動，涉及製造工廠、物流與配送中心、資料中心、醫院與醫療保健、農業、建築與運輸等。指定被動式無線射頻識別 (RFID) 資產追蹤系統非常複雜。有價值的資產可能會暴露在各種不受控制的條件下，包括在運輸和存放過程中的衝擊和振動、高溫、冰冷和潮濕等環境，並且還需要考量各種應用特有的 RFID 標準。

設計人員需要使用牢固耐用且可靠的標籤，這些標籤必須能夠承受工業、建築和製造環境的嚴苛條件，同時還須具備各種標準尺寸和讀取範圍來滿足特定資產類型和類別的需求。本文將簡要介紹被動式 RFID 技術以及多種與 RFID 標籤和資料相關的工業標準。然後介紹 Molex、Murata Electronics 與 ThingMagic 等公司的 RFID 標籤、讀取器及系統解決方案。

被動式 RFID 標籤由天線和積體電路組成，包括含調變器、解調器、射頻能源採集裝置的類比前端 (F/E)；含編碼器／解碼器、控制電子裝置、時脈的控制器；以及記憶體 (圖 1)。被動式 RFID 標籤不使用電池。在大多數被動式 RFID 標籤中，記憶體可以重新寫入，而且 RFID 標籤的資料交換量遠超過條碼等替代產品。

圖 1：被動式 RFID 標籤由天線和積體電路組成，包括類比前端 (F/E)、控制器及記憶體。(圖片來源：Murata)

被動式超高頻 (UHF) RFID 標籤可在長達數公尺的距離內讀取，並可一次讀取多個標籤。與條碼不同的是，RFID 採用無線通訊且可從包裝箱外部讀取標籤，而無須打開箱子 (圖 2)。此外，RFID 標籤不容易受到灰塵、濕氣、振動和其他可能干擾條碼使用的環境因素的影響。RFID 標籤有多種專為特定應用而設計的格式。某些標籤可用於追蹤和追溯金屬物品，並使用金屬表面作為增強天線來增加操作範圍。目前已有各種針對被動式 RFID 標籤開發的通訊與資料格式標準。

圖 2：RFID 標籤可在長達數公尺的距離內讀取。在某些設計中，可以同時讀取多個標籤，並且可以穿過包裝盒和其他包裝讀取標籤。(圖片來源：Murata)

RAIN RFID

RAIN RFID 聯盟負責推動 ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2 通訊協定的使用。RAIN (射頻識別) 可用於連結 UHF RFID 標籤和雲端。它允許 RFID 資料透過網際網路進行儲存、管理和共用。採用 RAIN 解決方案的系統由 RFID 標籤、讀取器以及軟體構成，可提供連結至本機網路，然後再由此連至雲端 (圖 3)。RAIN 聯盟依據 ISO 編號系統來簡化使用公司識別號 (CIN) 進行編碼的作業。此種基於 ISO 的編號系統可支援 RAIN RFID 標籤的無碰撞識別。此系統旨在為現有的專有或供應商定義的資料格式，提供一種無干擾的替代方案。

圖 3：RAIN RFID 由一個稱為 EPC UHF Gen2v2 或 ISO/IEC 18000-63 的全球標準監管。(圖片來源：RAIN 聯盟)

電子產品代碼和 RFID

RAIN 使用的電子產品代碼 (EPC) Gen 2v2 是一種適用於被動式 UHF RFID 標籤的空中介面協定標準。EPC Gen 2v2 提供有標籤和讀取器驗證功能，可提高安全性、防止假冒並增強隱私。Gen 2v2 標籤的記憶體可以分割成多個檔案，相容的標籤可用於電子商品防竊系統 (EAS)。

EPC 標準由 EPCglobal 開發，並經核准後被接納為 ISO 18000-6C 標準。除了對標籤與讀取器的通訊方式設定標準之外，EPC 還有一套相關標準來確定如何在不同使用者之間共享 EPC 資料。EPC 是實體物件的通用識別碼。由於 EPC 廣泛用於 RFID 標籤，因此 EPC 標籤資料標準不僅對可儲存在 Gen 2 RFID 標籤上的 EPC 有所要求之外，還包含相關的資料要求。雖然 EPC 和 RFID 標籤之間有很大的重疊，但它們本質上是不同的；RFID 是資料載體技術，而 EPC 則是識別碼和資料格式。

適用於醫療裝置的 EAS 和 UDI 法規

與 EPC 類似，許多國家的唯一裝置識別碼 (UDI) 法規都要求醫療設備設置單獨的識別碼，以為 EAS 提供支援，實現醫療設備的安全使用和存放。UDI 系統雖然適用於多種類型的醫療設備，但對於手術儀器尤其重要，因為若未能準備正確的儀器進行手術，則可能會帶來重大風險。

數百種手術儀器以及缺乏經驗的人員，都很容易導致選出不正確的儀器。使用 UDI 和 RFID 標籤可以消除這方面的顧慮。此外，使用 RFID 標籤還有助於收集各個儀器的使用記錄及其在醫療機構內的使用次數。

適用於手術儀器和工業工具的被動式 RFID 標籤

RFID 系統設計人員可以使用 Murata 的小型金屬表面 UHF RAIN RFID 標籤 LXTBKZMCMG-010，來追蹤手術儀器、工業工具以及類似的金屬物體 (圖 4)。LXTBKZMCMG-010 使用金屬表面作為增強天線來增加讀取範圍。此標籤的尺寸為 6.0 x 2.0 x 2.3 mm，可工作於整個 UHF 頻段，工作溫度範圍為 -40 至 +85°C，因此適合在工業環境以及醫療設施中進行金屬物件的追蹤和追溯。

圖 4：LXTBKZMCMG-010 UHF RAIN RFID 標籤已針對手術儀器和工業工具等金屬表面進行最佳化處理。(圖片來源：Murata)

適用於資產追蹤的薄型 RFID 標籤

資產與庫存追蹤應用可以受惠於一些專門設計的標籤，這類標籤能夠承受工業、農業、建築與運輸系統的高振動、高撞擊，以及大範圍溫度變化等狀況。薄型覆蓋區意味著空間更小、損壞更少以及成本更低。例如，Molex 的 0133580821 RFID 標籤的厚度為 1.8 mm，防護等級為 IP68，適合在潮濕環境下使用，工作溫度範圍為 -50°C至 +85°C(圖 5)。0133580821 具有 4.5 m 的讀取範圍，可用於各種材料，包括金屬和塑膠。

圖 5：這款 1.8 mm 厚的 RFID 標籤已針對資產和庫存追蹤進行最佳化處理，讀取範圍為 4.5 m，且可用於塑膠和金屬等多種表面。(圖片來源：Molex)

隨插即用 RAIN RFID 讀取器

ThingMagic 的 Elara RAIN RFID 表面塗層讀取器提供介面與操作功能，可最大限度減少設計工作並加速 RFID 實作，適用於任何讀取距離高達 2 m 的應用 (圖 6)。Elara 具有兩種型號：PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB (頻段工作範圍為 865 至 868 MHz) 和 PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB (頻段工作範圍為 915 至 928 MHz)。這兩款讀取器的外殼都是採用符合醫療保健要求的塑膠製成。

圖 6：Elara RAIN RFID 表面塗層讀取器可最大限度減少設計工作並加速 RFID 實作，適用於任何讀取距離高達 2 m 的應用。(圖片來源：ThingMagic)

設計人員可以使用 Elara 輕鬆地將 RFID 功能添加到應用當中，以享受隨插即用桌上型或固定安裝式讀取器提供的便利。讀取器支援自主工作流程，即使設計人員沒有 RFID 專業知識，或者沒有軟體開發套件和整合工具，也可快速建立解決方案。Elara 應用廣泛，包括在醫療保健設施中實作 UDI 法規，在倉儲與配送中心實作退貨處理與追蹤，以及試車 RFID 標籤等。Elara 具有以下能力：

• 使用預先載入的自主工作流程，實現簡化的系統整合和無軟體作業。
• 支援 RAIN 技術標準和 RAIN 通信介面。
• 支援 EPCglobal Gen 2v2 協定。
• 大量讀取成組的品項，例如手術儀器或裝配線使用的元件套件。
• 計數和驗證品項以進行退貨處理或庫存盤點。
• RFID 標籤試車
• 以使用情況和其他資訊更新標籤資料。

工業 4.0 RFID 讀取器和邊緣服務元件

針對需要多個 RFID 讀取器，以及透過邊緣伺服器連至雲端的工業 4.0 應用，設計人員可以採用 Molex 的 ALR-F800-X，此款產品包括一個 4 埠企業級被動式 UHF RFID 標籤讀取器及邊緣服務控制器 (圖 7)。使用 ALR-F800-X 可以在源頭處理 RFID 資料並進行即時評估。ALR-F800 可使用直流電源配接器供電或透過乙太網路供電 (PoE)，進而簡化大規模工業 4.0 RFID 系統的部署。

圖 7：ALR-F800-X 包括一個 4 埠企業級 UHF 被動 RFID 標籤讀取器和邊緣服務控制器，可支援工業 4.0 應用。(圖片來源：Molex)

ALR-F800 的動態自我調適 (DSA) 技術可即時監控 RF 環境，並控制多個參數、濾波器和微調指標，以最佳化 RFID 標籤的讀取。使用者可以使用 micro-SD 卡新增記憶體，也可以使用 USB 連接埠來新增 Wi-Fi 和行動數據機連線。

內建的 Emissary 軟體，無需專用邊緣伺服器即可支援和配置其他讀取器與讀取點 (圖 8)。Emissary 軟體允許透過預先設計的活動 (如讀取標籤、開燈、發送資料等) 來開發完整的工作流程，進而簡化並加快新應用的試車。Emissary 可以：

• 以結構化的方式直觀顯示各種功能、裝置和讀取點。
• 使用常識型的命名慣例，如「wrap station」、「door #1」等等。
• 提供 Windows 式工具集來建立工作流程。
• 設定、控制和維護所有連接到裝置的本機讀取器。
• 使用正確的「標籤資料標準」來準確解讀接收的資料。
• 管理標籤讀取資料報告，並整合多個讀取器的報告，以傳輸至雲端。

圖 8：ALR-F800-X 內建的 Emissary 軟體允許配置和支援其他讀取器與讀取點，而無需專用的邊緣伺服器。(圖片來源：Molex)

總結

被動式 RFID 標籤與讀取器可支援 IIoT 中各種資產追蹤活動，包括製造、物流、資料中心、醫療保健、農業、建築和運輸。在選擇和指定 RFID 系統時，設計人員需要瞭解一系列的工業標準，包括 RAIN、EPC Gen 2v2、ISO/IEC 18000-63 和 UDI 法規。各種類型的標籤均已針對特定應用進行最佳化，例如金屬表面安裝以及將薄型設計用於資產追蹤應用等。除了標籤之外，市面上還有各種 RFID 讀取器可供選擇，包括桌上型設計以及可加快工業 4.0 RFID 應用部署的企業級讀取器／邊緣服務控制器。