UHF RFID為IIoT自供電感測技術指明方向
2021-12-17
作者
Frédéric Maricourt，Asygn銷售總監
物聯網應用的急劇擴張已經引發了一些與物聯網裝置中電池相關的問題。因此，工業4.0開發人員開始尋求無電池的解決方案，這正是UHF RFID技術發揮作用之處…
根據Prudour研究人員在2020年發表的一份報告表示，到2025年，消費和工業物聯網(IIoT)市場總共預計將達到11.1兆美元。物聯網應用的急劇擴張已經引發了一些與物聯網設備中電池相關的問題——不僅表現在可持續性和環境保護方面，而且表現在可預測性和成本方面。因此，工業4.0開發人員開始尋求無電池的解決方案，這正是UHF RFID技術(如RAIN RFID聯盟採用的方法)發揮作用之處。
RAIN既是一個產業聯盟，類似藍牙SIG和Wi-Fi聯盟，也是一項技術。正如該聯盟網站上所寫的那樣，首字母縮寫詞RAIN (全稱Radio-frequency Identification)「旨在表示UHF RFID與雲端之間的連結，在那裡可以透過網際網路儲存、管理和共用基於RFID的資料。RAIN RFID解決方案使用讀取器讀取和寫入打過標籤的物品、管理那些資料並執行動作。」該聯盟的成員資格開放給對任何有志於被動UHF RFID的組織。
今天的製造系統使用儲存在RFID標籤中的資料來實現更靈活、更高效的客製產品。RFID技術在工廠車間的應用則促成了更高水準的自動化和標準化，並為現代供應鏈的「精益生產」流程做出了廣泛貢獻。與現有的主動標籤、條碼等辨識技術相比，被動RFID標籤不需要自己供電，也不要求視覺化操作。
由於它是一項新興技術，至今仍很少有利益相關者能夠提供相應的解決方案將被動RFID晶片轉變為RAIN RFID所需的智慧感測元件。這些IC系列元件可以完全被動地測量溫度、濕度、運動、環境光、電氣連續性和材料延展性等參數，無需額外的元件，並且可以將採集到的資料傳輸到5~10公尺範圍內的傳統RAIN RFID讀取器。
不需專門的硬體/軟體
從晶片到讀取器的資料傳輸時間僅需幾毫秒，並且完全符合當前的EPC Gen2協議。對使用者來說，優勢在於無需專門的硬體或軟體即可獲取和處理測量值。目前市場上已有的讀取器就可以讀取和解釋來自晶片的資料並將其轉發到更高等級的系統。舉例來說，當將基於晶片的標籤整合到物流應用中時，資產ID和EPC編號可以與感測器資料一起被讀取。
Inlays可轉換成從靈活的標籤到硬標籤的多種轉發器格式。具備一體化感測器IC的QFN等經典封裝版本甚至適用於惡劣的環境。
表1：工業4.0通訊技術的比較。
(來源：Asygn)
預測性維護應用
由於無電池技術的進步，以及對研發活動的更加重視，全球無電池RFID感測器市場預計將以13.3%的年複合成長率(CAGR)成長，至2030年將達到20.99億美元，Prudour表示。
感測器晶片已經應用於許多工業案例中，例如檢測管道變形，以前這種情景需要基於應變計的傳統感測器解決方案，或者根本沒有合適的解決方案。
通常，一個標準的應變計需要訊號調節電路、類比數位轉換器(ADC)和通訊元件來傳輸資料或提供給PC。現在，所有必要的元件都可以整合進一個晶片中，並且可以透過UHF RFID進行通訊，既不需要電池也不需要外部感測器。
預測性維護則是一個廣泛且通用的案例，它可以預測磨損或故障，使維護技術人員能夠專注在關鍵問題，並透過生成大量資料來建構預測性模型。諸如橋樑和大型建築物等金屬上層建築是此類技術的絕佳選擇；工作人員可以在發生災難性故障之前就進行維修，不然這些故障會導致經濟處罰或昂貴的維修費用，甚至在最壞的情況下會導致人員受傷。在製造時將無需供電的感測器嵌入混凝土砌塊中可以即時獲取溫度或濕度等關鍵參數，從而使建築商、建築經理和建築用戶能夠隨著時間的推移連續監控結構，讓那些可能會受到影響的人得以高枕無憂。
重工業設備製造商也熱衷於將該技術用於諸如檢測水力或風能設備中渦輪葉片過熱等應用。壓力感測器還可用於檢測工業氣瓶以防止爆炸或火災，另一個新興案例是將晶片整合進彈性體中，例如透過嵌入在輪胎內的壓力感測器測量車輛重量或負載。
圖2：將無需供電的感測器嵌入混凝土中可實現關鍵參數的即時訪問，以便長時間連續監測結構的變化。
(來源：Asygn)
除了工業應用之外，開發人員還瞄準了農業和醫療保健領域的應用。嵌入讀取器的無人機可以監測溫室和露天場地的溫度、濕度和光照條件，可以現場追蹤裝有耳標的牲畜，並利用監測它們的體溫來檢測疾病。將RFID感測器整合到義肢裝置後，透過測量應變或溫度偏差就能揭示醫療元件故障，以便技術人員在故障義肢引起問題之前，透過修理或更換有缺陷的義肢來幫助患者。
業界已經完全接受物聯網。現在的任務是使工業4.0解決方案更精簡、更高效，以最大限度地提高投資回報率，而無電池UHF RFID技術為我們指出了正確的方向。
(參考原文：Self-Powered Sensing Technology in Industrial IoT: UHF RFID Shows the Way，by Frédéric Maricourt)
本文原刊登於EE Times China 12月號雜誌
