XXXV. Seminar ASR '2010 Instruments and Control 2010, VŠB-TUO, Ostrava, ISBN 978-80-248-2191-7 RFID Tag Readability on the Cargo Pallet Truck with Goods Čitelnost RFID tagu umístěného na nákladu paletového vozíku PALEČEK, Adam 1 1 Ing., Institute of Economics and Control Systems, Faculty of Mining and Geology, VŠB-Technical Univerzity of Ostrava, 17. Listopadu, Ostrava-Poruba, 708 33 adam.palecek@vsb.cz, hgf.vsb.cz Abstrakt: Tento článek popisuje laboratorní test, který byl proveden v mezinárodní laboratoři ILAB RFID (International RFID Laboratory). Laboratoř se zabývá využitím technologie radio-frekvenční identifikace objektů (RFID). Tento test je zaměřen na ověření čitelnosti RFID tagu umístěného na nákladu paletového vozíku, při průjezdu RFID branou. V laboratorních podmínkách byl simulován proces naskladnění a vyskladnění zboží (papírové krabice s obsahem celokovových tiskáren) v prostoru expedice velkého nebo středně velkého skladu při průjezdu nákladu na paletovém vozíku kontrolní RFID branou. Naměřené základní výkonové charakteristiky RFID systému byly podrobeny metodám statistické indukce. Výsledky laboratorních testů přinesly hodnověrné informace, ověřené statistickým šetřením, o vhodnosti nasazení RFID systému, doporučení pro správnou konfiguraci technologie pro účely podpory řízení skladu. Klíčová slova: testing, tag, RFID, statistic, readability 1 Úvod Tento článek popisuje laboratorní test, který byl proveden v mezinárodní laboratoři ILAB RFID (International RFID Laboratory). Laboratoř se zabývá využitím technologie radiofrekvenční identifikace objektů (RFID). Cílem testování je ověřit spolehlivost čtení RFID tagu při průjezdu logistickým oknem, vybaveným RFID technologií, při procesu vyskladnění a naskladnění zboží ve skladu firmy za použití paletového vozíku s nákladem. Veškeré parametry a konfigurace vycházejí z požadavků průmyslového partnera laboratoře. Výsledky získané zpracováním naměřených dat, mají napomoci s řešením problematiky nevhodnějšího umístění RFID tagu na nákladu a konfigurace celého RFID systému. Z pohledu bližších analýz naměřených dat, bychom mohli klást otázky např., které faktory mají významný vliv na čtení tagu při průjezdu čtecí brannou (orientace tagu, rychlost průjezdu měřeným úsekem resp. doba v měřeném úseku, doba čteni)? Největší problémy s výkonnosti celého systému nastávají v okamžiku, kdy dochází ke stínění radio-frekvenčního signálu kovy nebo kapalinami v blízkosti čtecí oblasti RFID systému. Tyto nepříznivé podmínky byly simulovány celokovovým obsahem papírových krabic nákladu paletového vozíku. 2 Technologie RFID RFID (Radio Frekvenční IDentfikace) je technologie využívající rádiové vlny k bezkontaktnímu přenosu dat. RFID převážně slouží k přenosu a uchovávání takových dat, které umožňují jednoznačnou identifikaci libovolného objektu, který je touto technologií 291
vybaven. Její největší rozšíření je zejména v oblasti logistiky, značení produktů, real-time sledování pohybu osob, přístupové systémy atd. Informace jsou v elektronické podobě ukládány do malých nosičů, ze kterých je lze následně načítat a opakovaně přepisovat pomocí rádiových vln. Současná čtecí zařízení dokáží najednou načíst až několik set tagů za minutu. Technologie RFID je považována za přímého nástupce čárových kódů. RFID systém se skládá ze základních komponent, kterými jsou: anténa čtecí jednotka middleware tag Antény a čtecí jednotka tvoří základní výkonnou část (viz. Obrázek 1) její úlohou je vysílání elektromagnetické energie do okolí (toto okolí nazýváme čtecí pole nebo také oblast čtení) skrz připojené antény. Druhou zásadní součástí RFID systému je transpondér označován jako tag. Jedná se o speciální značku, která se umisťuje na sledovaný objekt. Tag je tvořen anténou, mikročipem s pamětí a podložkou, na které je tag vyroben (viz. Obrázek 2). Obrázek 1 RFID čtečka (RFID čtecí jednotka + RFID antény), ilustrace Obrázek 2 Pasivní RFID tag (ilustrace) Dnešní RFID systémy se dělí do mnoha skupin dle pracovních frekvencí, kterými jsou (v následujícím výčtu jsou uvedeny pouze nejčastěji používané frekvence): LF (Low Frequency) 125 khz HF (High Frequency) 13,56 MHz UHF (Ultra High Frequency) 865 960 MHz MW (Micro Waves) 2,4 GHz V oblasti logistiky je nejrozšířenější UHF pásmo a světově prosazovaný standard značení tzv. elektronický kód produktu EPC (Electronic Product Code). EPC je způsob logického uspořádání paměti tagu a forma jeho obsahu proto, aby mohl být datový obsah používán na celém světě a aby byl vzájemně kompatibilní (stejně jako čárové kódy). RFID systém (viz. Obrázek 3) realizuje svou činnost následujícím způsobem. Čtecí jednotka, prostřednictvím antény, vysílá periodicky na svém nosném kmitočtu elektromagnetickou vlnu do okolí. Objeví-li se v dosahu antény tag, který je naladěn na stejnou frekvenci, je elektromagnetická vlna přijata anténou tagu. Indukované napětí v anténě tagu vyvolá elektrický proud, který je usměrněn a nabíjí tag. Uložená energie v tagu je použita pro napájení logických a rádiových obvodů. Když napětí dosáhne minimální potřebné úrovně, spustí se řídící obvody uvnitř tagu a ten začne odesílat modulovanou odpověď čtecímu zařízení, které ji následně zpracovává a zasílá nadřazenému informačnímu systému prostřednictvím komunikačního rozhraní (např. RS 232, Ethernet), popř. aktivuje signalizační zařízení.[lahari, S.] 292
Obrázek 3 RFID systém (hardwarový pohled) 3 Hlavní cíle testu Provedené měření má za cíl ověřit spolehlivost čtení RFID tagu při průjezdu čtecí branou. Pasivní UHF tag, zobrazen na Obrázku 2, (pro měření je použit vždy pouze jeden tag) je umístěn na papírových krabicích s obsahem a převážen ručním paletovým vozíkem. Čtecí RFID branou projíždí celý paletový vozík s paletou naloženou papírovými krabicemi s obsahem celokovových tiskáren, které představují nepříznivé podmínky pro šíření rádiových vlny, které působí na výsledný výkon čtení tagu v čtecím poli brány. Průjezd branou byl uvažován oběma směry, přičemž každá jízda se považuje za samostatný průjezd čtecí branou. Byly provedeny tři měření s různým umístěním tagu: Tag umístěn na horní ploše nákladu (Měření č. 1) Tag umístěn na pravé straně nákladu (Měření č. 2) Tag umístěn na čele nákladu (Měření č. 3) U všech měření byly zaznamenány důležité parametry průjezdu: Počet identifikovaných tagů Počet načtení tagu během průjezdu Doba čtení Počet snímajících antén Doba v měřeném úseku Rychlost průjezdu měřeným úsekem Parametry měření a použitá technika (Tabulka 1) byla stanovena následovně. Čtecí brána je složena ze čtyř antén (viz. Obrázek 4) a čtecí jednotky značky Imping. 293
Tabulka 1 - Použitá RFID technika Čtecí jednotka RFID Reader Impinj Speedway Interface protokol: EPCglobal UHF Class 1 Gen 2 Operační frekvence: 865 956 MHz Výkon: 32,5 dbm (max.) Anténa Alien UHF CrushCraft S8658 Operační frekvence: 850 875 MHz Zisk antény: 6dBi Polarizace: cirkulární Tag Metra UHF RFA01 Operační frekvence: 865 870 MHz Zisk antény: 7dBi Polarizace: cirkulární Avery Dennison AD-223 Forma: Smart Label Operační frekvence: 860 960 MHz Integrovaný obvod: Impinj Monza 3 RF komunikační protokol: ISO/IEC 18000-6C & EPCglobal Class 1 Gen 2 Paměť: 96 bit EPC Antény pracují v páru a jsou umístěny vždy na samostatném laboratorním stojanu RFID komponent (Obrázek 4). Oba páry antén jsou orientovány směrem k vnitřní části expedičního okna a namířeny vzájemně proti sobě. Šířka expedičního okna byla stanovena na 3,5 m (v praxi je tato šířka dostatečná) a délka měřeného úseku průjezdu čtecí branou je 6,15 m (3,075 m oběma směry od středu expedičního okna). Obrázek 4 Laboratorní RFID expediční okno Obrázek 5 Paletový vozík s nákladem Při orientaci antén na stojanu horizontálně (vedle sebe), byl tag na nákladu výrazně pod horizontální úroveň antén, což vedlo k jeho částečné nebo úplné nečitelnosti. Proto byly antény umístěny vertikálně (pod sebe, Obrázek 6), přičemž tato konfigurace je nejčastěji v praxi používána. Spodní anténa byla umístěna ve výšce 55 cm nad zemí a horní anténa páru ve výšce 120 cm nad zemí (všechny konfigurace a sestavení vycházejí z požadavků průmyslového partnera laboratoře). 294
Obrázek 6 Konfigurace měření Načtená data byla získána ze čtečky sériovým komunikačním rozhraním a specializovaným softwarovým nástrojem, distribuovaným se čtecí jednotkou Impinj. 4 Obecné závěry z měření V každém měření byl použit vždy jeden tag (Obrázek 5) umístěný v různých polohách na nákladu paletového vozíku. Počet průjezdu čtecí branou v každém měření byl stanoven na 30 průjezdů. Z předběžných výsledků měření lze odvodit základní závěry. V laboratorním prostředí bylo čtení tagu průjezdem RFID čtecí branou 100% úspěšné (expediční okno je vybaveno 4 anténami, vždy alespoň jedna identifikovala tag při průjezdu). Tento výsledek může být dán vhodným prostředím bez významných radio-frekvenčně rušivých elementů a nastavením maximálního výkonu RFID čtečky. Toto nastavení však není příliš vhodné do reálného prostředí, protože je nutné zohlednit prostorovou konfiguraci a jeho vybavenosti technologiemi z různých materiálů (tento faktor má zásadní vliv na výkon celého RFID systému). Protože v každém měření došlo k přečtení tagu umístěného na nákladu při průjezdu branou, není pro nás z pohledu další analýzy naměřených dat proměnná Počet identifikovaných tagů podstatná, a proto ji dále vynecháme (přijímáme předpoklad, že čitelnost tagu v těchto konfiguracích je vždy stoprocentní). Předpokládejme také, že se paletový vozík při průjezdu branou pohyboval po nejkratší možné trajektorii. Lze tedy přijmout tvrzení, že Rychlosti průjezdu měřeným úsekem je přímo úměrná poměru Délky měřeného úseku (6.15 m) a Doby v měřeném úseku. Naměřená data byla podrobena základnímu statistickému šetření (explanatorní analýza). Byly získány základní statistické charakteristiky, identifikovány odlehlá pozorování a ověřena normalita dat. Explanatorní analýza potvrdila vhodnost dalšího zpracování dat pomocí metod statistické indukce. Abychom mohli ověřit hypotézy o vlivu umístění tagu na nákladu paletového vozíku, musíme nejprve zjistit, zdali byly v jednotlivých měřeních dodrženy stejné podmínky testování. V tomto směru je velice důležité odpovědět na otázku, zda mezi proměnnými neexistují závislosti a zdali nejsou výsledky ovlivněny vstupy (proměnna Rychlost průjezdu měřeným úsekem) než samotným umístěním tagu na nákladu, tedy zda naměřené hodnoty jsou opravdu náhodné nebo zda jsou výsledkem ovlivněným vstupem. Pro posouzení vzájemných závislostí jednotlivých proměnných byla provedena regresní analýza nad souborem dat získaných z Měření č. 3, které vykazuje nejvyrovnanější základní statistické charakteristiky. 295
Obrázek 7 - Regresní model (Počet načtení tagu a Rychlost průjezdu měřeným úsekem) Obrázek 8 - Graf reziduí pro Počet načtení tagu a Rychlost průjezdu měřeným úsekem Ze získaných výsledků regresní analýzy vybraných proměnných z Měření č. 3, můžeme s jistotou konstatovat, že mezi vstupní proměnnou (Rychlost průjezdu měřeným úsekem) a výstupními proměnnými (Počet načtení tagu a Doba čtení) není žádná významná statistická závislost. Rychlost průjezdu měřeným úsekem nemá významný vliv na naměřené výsledky testu u dvou výše uvedených proměnných. Toto zjištění je zobrazeno na Obrázek 7, Obrázek 8, kdy v regresním modelu jsou hodnoty výrazně rozptýleny i mimo hladinu citlivosti (Obrázek 7) a rezidua jsou minimálně korelované (Obrázek 8). Díky tomuto zjištění, pokládáme naměřené hodnoty proměnné Počet načtení tagu za náhodný jev s určitým statistickým rozdělením. Posuzovat závislost mezi Dobou čtení a Počtem načtení tagu není nezbytné, protože nezmění-li se podmínky měření během průjezdu měřeným úsekem (zakrytí tagu na nákladu, pohyb osob, změna polohy čtecích antén) doba čtení odpovídá časovému rozdílu mezi prvním a posledním načtením tagu. Závěr statistické indukce zní, že rozdíly v počtu načtení, tedy i doby čtení způsobuje různé umístění tagu na nákladu paletového vozíku. 5 Závěr Na základě předešlého statistického zpracování naměřených dat můžeme zkonstruovat tyto závěry o vhodnosti různých umístění tagu na nákladu paletového vozíku. Po odstranění odlehlých pozorování byla získána tato srovnání Obrázek 9, 10, 11, 12, 13, 14. Dle hodnot znárodněných v Obrázku 9 dosahuje největších průměrných výkonů při průjezdu laboratorní RFID branou konfigurace tagu na horní ploše nákladu (viz. Obrázek 5), při vertikální konfiguraci RFID antén a při maximálním výkonu RFID čtecího zařízení firmy Impinj (Obrázek 6). Z Obrázku 11, 13 můžeme vyčíst, že toto umístění tagu dosahuje největších odchylek naměřených hodnot. Tato skutečnost poukazuje na to, že výkon tohoto řešení není vyrovnaný a v reálných podmínkách, kde působí mnoho rušivých vlivů a kde výkon zařízení nemůže být nastaven na maximum, může způsobit řadu problémů, které v laboratorním prostředí nejsou na první pohled zřejmé. Proto se zdá být nejvhodnějším řešením umístění tagu na jednu z bočních stran nákladu (nikoliv čelní strana), kdy tato konfigurace vykazuje ve výsledcích nejvyrovnanější parametry. Umístění tagu na čelní stranu nákladu, skončilo výkonnostně na posledním místě. Pokud se zamyslíme nad touto konfigurací a způsobu provedení testu, pak výsledky odpovídají naměřeným hodnotám. Průjezd branou tam i zpět proběhl v lichém a sudém průjezdu, kdy lichý průjezd branou byl vykonán tažením nákladu (při umístění tagu na čelo nákladu, je tag stíněn samotným nákladem paletového vozíku až do doby kdy se vertikální roviny čelní plochy a páru RFID antén protknout). Při sudém průjezdu je vozík tlačen. Čelo nákladu je již od začátku průjezdu v přímé viditelnosti s RFID branou (ke stínění tagu nákladem dojde při projetí branou, kdy čelo vytvoří rovinu stínění). 296
Obrázek 9 Průměrné hodnoty počtu načtení tagu Obrázek 10 Průměrné hodnoty počtu snímajících antén Obrázek 11 Směrodatná odchylka hodnot počtu načtených tagů Obrázek 12 Směrodatná odchylka hodnot počtu snímajících antén Obrázek 13 Rozptyl hodnot počtu načtených tagů Obrázek 14 Rozptyl hodnot počtu snímajících antén Při pohledu na Obrázky 10, 12, 14 zjistíme, že výše uvedené porovnání průměrných výkonů počtu načtení tagu (Obrázek 9, 11, 13), potvrzují i výsledky porovnání počtu snímajících antén během průjezdu (počet antén, které zaznamenaly tag při průjezdu branou). V případě umístění tagu na horní ploše nákladu, byl tento tag načten všemi anténami během průjezdu. Nejslabších hodnot dosáhlo umístění tagu na čele nákladu, průměrné hodnoty jsou nejnižší a současně mají největší odchylku a rozptyl naměřených hodnot. Tento výsledek potvrzuje skutečnost lichých a sudých průjezdů měření a nevhodnosti umístění tagu na čelo nákladu, při použití průmyslového ručního paletového vozíku a vertikálního umístění dvou párů RFID antén tvořící čtecí bránu. Výsledky prezentované práce byly předány průmyslovému partneru k dalšímu užití. Samotná práce byla využita pro vykonání doktorské zkoušky z předmětu Matematika II. (Pravděpodobnost a statistika) v rámci ISP a úspěšně v roce 2009 obhájena. Pro statistické zpracování dat, byl použit software STATGRAPHIC. 6 Poděkování Výzkum byl prováděn za podpory GAČR 105/09/1366 a RP VŠB-TUO CV 5450021 (19/34). 297
7 Použitá literatura LAHIRI, S. RFID Sourcebook. United States : Pretice Hall PTR, 2005. 304 s. ISBN 0-13- 185137-3. BANKS, J, et al. RFID Applied. New Jersey : Willey, 2007. 509 s. ISBN 978-0-471-79365-6. JANUROVÁ, K. Simulační model abrazivního kapalinového paprsku. Ostrava, 2008. 69 s. Bakalářská práce. VŠB-Technická univerzita Ostrava. Dostupné z WWW: http://www.am.vsb.cz/theses/bakalari/2008/pdfs/jan939.pdf BISKUP, R. Zemědělská fakulta Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích [online]. 2009 [cit. 2009-08-24]. Vyhodnocování výsledků testování hypotéz na základě p-value. Dostupné z WWW: <http://home.zf.jcu.cz/~biskup/stat/cviceni/09/p_value.pdf>. LITSCHMANNOVÁ, M. Statistika I. : Pro kombinované a distanční studium [online]. Ostrava : 2009, 30.4.2010 [cit. 2009-08-24]. Katedra aplikované matematiky. Dostupné z WWW: <http://www.am.vsb.cz/~lit40/sta1/statistika.html?butt1=statistika+i>. BRIŠ, R; LITSCHMANNOVÁ, M. Katedra aplikované matematiky [online]. 2004. Ostrava : 2004 [cit. 2010-05-03]. Index of /bris/teaching. Dostupné z WWW: <http://www.am.vsb.cz/bris/teaching/statistika%201.rar>. 298