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劳工即时定位侦测三阶段概念验证


作者:文/台RFID公领域应用推动办公室 李明兴 来源:RFID世界网 2007-01-19 10:18:28

摘要:以无线网路为基础之定位技术,可大致分为室外定位与室内定位,而室内定位因为室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,所以三角定位法不适用于室内环境。「劳工即时定位侦测」环境属于室内空间,因此将在此次测试过程,测试主动式RFID使用于室内空间时定位技术与环境干扰的结果。

关键词:劳工[0篇]  即时定位[0篇]  RFID[1246篇]  有源[63篇]  

以无线网路为基础之定位技术,可大致分为室外定位与室内定位,而室内定位因为室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,所以三角定位法不适用于室内环境。「劳工即时定位侦测」环境属于室内空间,因此将在此次测试过程,测试主动式RFID使用于室内空间时定位技术与环境干扰的结果。 

本概念验证测试分三阶段如下: 

表1 : 「劳工即时定位侦测」概念验证各阶段测试内容 


第一阶段、基本性能验测(A) 

以下就验测标的物进行一系列的基本性能验测,其验测内容如下:  

1. 最大读取距离之量测 
此测试项目为测试RF code Mantis II Active RFID Reader & Antenna、Wavetrend RFID Reader & Antenna与SYRIS Xtive RFID Reader & Antenna,在最大发射功率下所能达到之最远读取距离,其验测目的为测试该读取器与天线于工厂等空旷厂区之应用时,其读取距离是否可以满足所需,本次POC现场导入场地:正隆板桥厂厂区,读取器之读取距离须涵盖15公尺以上。 

表2、静止状态下最大读取距离量测结果



以上之测试地点选择室外空旷处(北市木栅动物园停车场),以便进行各项速度与方向性的测试,标签以吊带方式系挂且以远离身体50cm以上之位置悬挂并进行读取测试,所用之天线皆为全向性天线,人员到达定点之后,人员保持静止不动,由读取器进行读取测试。本次读取距离之验测结果,三套主动式RFID的最大读取距离皆大于15公尺以上,符合未来现场导入测试读取距离之最低要求。 

2. 贴附位置与读取距离之量测 
使用三种读取器在最大发射功率下,于四种不同标签佩带位置:胸前、背后、臀部、裤子口袋,测试所能达到之最远读取距离,其验测目的为测试不同标签贴附位置对于整体读取效能之影响,并藉此找到最佳佩带位置。
 

图1、佩带位置-胸前、背后、臀部 

由上列之实验数据可发现,当标签佩带于胸前时,其有效读取距离最远;当标签佩带于臀部时,其有效读取距离最短。造成此现象之原因,乃是因为身体中含有70%以上的水分,故身体中的体液亦会对RF讯号产生影响。本次验测的设备中共有433MHz与2.45GHz两种的操作频率,由上表之数据可发现,操作频率为2.45GHz的RFID设备,其读取效能受到身体水分的影响层面较大,故在使用此一频率的RFID设备时,需多加考虑其配戴位置,以免其读取效能受到影响。 

3. 高速移动下之读取效能测试 


图2:量测移动速度仪器-测速枪

假设劳工作业环境须高速移动,例如骑乘机车,因此以人员骑乘机车在高速移动下,使用三种RFID 主动式读取器以最大发射功率操作,并搭配不同佩带位置,测试不同读取器之读取距离。测试方法为,于读取器之有效读取范围内,测试其最高允许移动速度;标签配带位置为胸前、背后、裤子口袋与臀部,将标签佩带于测试人员身上,量测读取距离并量测移动速度。由上列实验数据可以得知,当RFID标签于有效读取范围内进行读取测试时,其标签移动速度并不会对整体的读取效能造成太大的影响,其最大允许速度最少都为70km/hr以上,在第三阶段现场导入测试时,将采用堆高机承载人员,堆高机速度不高,一般厂区内驾驶都在20Km/hr 以下,因此以上的测试,对于速度移动下3种主动式RFID之读取效能都属可接受范围。

4. 读取器高温环境测试 
使用3种主动式RFID在高温环境下测试读取效能。劳工常遇有高温环境下作业,使用主动式RFID可进行停留时间的监测与预警。第三阶段现场导入测试将使用正隆板桥厂厂区内部生产线,该厂区内有锅炉等产生高温之设备,所以现场环境之温度大约为40° C左右,因此测试3种读取器在40℃高温下是否功能正常,藉此确定系统的稳定性。 


图3 读取器高温稳定度测试安装位置

本测试方法为,将RF code Mantis II Active RFID Reader & Antenna、Wavetrend RFID Reader & Antenna与SYRIS Xtive RFID Reader & Antenna等读取器设备实际架设于正隆纸厂板桥厂,架设位置为该厂区之日光灯架上,并连续开启机器一个星期以上,再以 RFID标签进行读取测试,以测试温度对读取器之影响。 


表3、读取器高温稳定度测试 

由上述之实验数据得知,当环境温度在40° C左右系统运作正常,唯本次温度测试受限于环境因素并无法对更高的温度进行测试,未来若要应用至更高温的环境下,硬体设计须加强散热效果:例如读取器外壳加上散热装置,以确保整体读取效能之稳定性。
 
5. 效能评估 
本次验证所选用的3种主动式RFID 于最大读取距离、最大允许移动速度与最高工作环境温度测试项目结果良好。唯当标签佩带于背后读取距离较短,影响读取效能。故于实际系统建置时,建议将标签佩带于胸前或其他较不易受身体影响之处,以确保其工作效能。 

第二阶段、情境模拟测试及验证系统测试 

为配合劳工作业情境以及第三阶段现场导入测试需求,验证系统大致分为 
1. 工厂作业厂区 
2. 系统监控中心 
3. 远端EPC IS (厂外)监控作业中心  


图 4、 验证系统架构图 

为提供第二阶段模拟情境测试以及第三阶段现场导入测试所需,验证系统应进行测试并分析是否符合需求,「推动办公室」测试团队与业者共同合作,共同进行: 
1. 人员进入区域权限介面与资料库设计 
2. 管制区域属性介面及资料库设计 
3. 人员定位逻辑运算功能开发 
4. 警报讯息及暴露时间计算应用开发 


图5、「劳工即时定位侦测」验证系统画面

测试人员进入监控区域,系统是否能正常判别其停留区域、测试人员进入监控区域、系统是否能统计其停留时间,且当超过设定之允许停留时间时,系统是否会自动产生警示讯息,并测试系统是否能纪录人员行进路径并显示于验证系统萤幕。模拟情境测试场地位于台北市敦化南路二段333号四楼,该场地范围长、宽、高分别为28.5公尺、12.5公尺、2.5公尺。于此场地中,将布置4个RFID读取器,其分别对应A、B、C、D四个监控区域。测试中,标签的佩带方式,将以挂在胸前的方式进行测试。受限于场地的因素,此一阶段将不考虑移动速度对系统效能的影响。

1.人员进入监控区域,系统是否能正常判别其停留区域 
此一测试目的,为当测试人员进入监控区域时,系统是否可侦测出人员的所在位置,并藉由此一测试,找出适当读取器发射强度设定值。 


表 4、劳工定位系统之测试结果 

在测试过程发现,系统应用于较小且周遭环境较为空旷之场地时,其读取器功率宜调整至较小之发射功率。否则相邻较近之两发射器,其发射电波,十分容易产生溢波(Overlapping)之现象,此现象极易造成系统的误判。 

所选用的三种RFID读取器,于最小发射功率之条件下,其有效读取半径约为8至10公尺。于该模拟环境下似乎还是略嫌过大,导致系统误判情况的产生。但实际用于现场导入时,判断届时现场之有效读取半径应足够所需。 

2.人员进入监控区域,系统是否能统计其停留时间 
本阶段之测试,乃是为了验证系统是否可自动纪录人员于某一区域的停留时间,且当超过设定之允许停留时间时,系统是否会自动产生警示讯息。 测试区域为区域A,测试结果: 
3种主动式RFID皆能正确纪录停留时间且当发生停留时间逾时之情形,系统亦会自动产生警讯通知管理者。
 
3.系统是否能记录人员行进路径并显示于显示萤幕 
测试系统是否能记录人员行进路径,测试的行径路径为A→B→D,系统会显示出人员曾出现过的位置,并于进入位置D时,产生警示讯号。测试结果: 
系统能显示出所有在后端资料库里的资料,并以动态的方式显示。 

第一阶段、基本性能验测(B) 

系统建置场地之讯号强度量测 

本次POC之现场布建场地为正隆纸厂板桥厂,该场地为一实际有进行作业之工作场所,故于场地内有许多运行中之机械与堆放的工作所需原物料。这些干扰源对于RF讯号会产生大小不一的干扰。此一测试之目的,正是希望找出其干扰程度,并藉此找出最合适的RFID设备,以利真正建置时之所需。其检验项目为,于不同之发射强度下,读取器所能读取到的最远距离,标签的佩带位置则吊挂于人员胸前,且于静止状态下进行测试。 
 

图 6、RFID读取器架设于纸材存放区后方 


表 5、读取器于现场架设时之读取效能 

由于现场所堆放的原物料、运作中的机器与金属物质会对于读取器所发出的讯号造成干扰,造成整体可读取距离的缩减,而SYRIS Xtive RFID Reader的操作频率为2.45GHz,此一操作频段受干扰的程度更是明显。其读取距离,明显无法满足实际应用所需。若应用场合需要更远的读取距离时,建议使用RF code Mantis II Active RFID Reader或Wavetrend RFID Reader并搭配高增益天线,其读取距离应可有效的提升。

读取器效能分析与建议 

劳工定位系统实际布置场地之长(Y轴)、宽(X轴)、高(Z轴)尺寸分别为120m、30m、7m。当以最大发射功率之条件下进行RF讯号的发送,于X轴上的讯号会产生溢波之现象。若不加以衰减发射讯号之强度,会造成后端系统之定位误判。而本次所拟选用的两套设备中,仅有RF code Mantis II Active RFID Reader具调整发射讯号强度之功能。在防止溢波现象之条件下,可将发射功率调至较小的发射功率,而在需要较长的读取距离之条件下,可调至较高的发射功率或搭配高增益天线,其较具应用上之弹性。本次实地验证将架设5套RFID读取器,若以整体系统之需求与架设方便性为考量,建议以RF code Mantis II Active RFID Reader为发射器选择考量较佳。 

第三阶段、现场导入测试 

获正隆(股)公司的协助,「劳工即时定位监测」验证测试之第三阶段现场导入测试,得以采用该公司位于板桥之生产线现场,如前章节所述,「劳工即时定位侦测」概念验证测试,希望藉由现行RFID系统结合即时定位技术,测试主动式RFID系统于厂区劳工定位、危险场所暴露时间监控之关键技术,概念验证内容如下表:

 
表6、现场导入测试内容 

因测试现场范围大,依据测量系统应涵盖读取距离至少15M,为测试3种主动式RFID系统在现场有效读取距离,于现场以堆高机行驶速度:20Km/hr. 量测各系统之有效读取距离,测试结果如下表:

 
表7、现场有效读取距离测试结果 

如前所述,现场导入测试使用正隆(股)公司生产线厂区内,由现场拍摄照片可看出(如下图),该厂区正进行工业用纸箱的生产,厂内机器的运作对于主动式RFID是否造成影响?另,厂区内堆放许多杂物,包括库存纸卷、堆高机充电站以及维修零件等,都希望在现场导入测试时验证环境对无线射频传输之干扰。 


图7、现场导入测试现场实景(正隆板桥厂)


图8、测试流程与现场平面图


表8、现场导入测试之KPI 比较 

测试调校 

在不同的环境因素干扰之下,Reader的读取效能也会有所差异。主动式RFID系统功率过大时,因布建后涵盖范围易造成overlapping,使得定位系统易产生误判,因为室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,所以三角定位法不适用于室内环境。「劳工即时定位侦测」之第三阶段测试现场摆放许多生产设备,测试时设备为运作中,现场作业环境中的水分、金属、电波及温度等,会影响RF的传递,因此RFcode 系统之功率与读取距离经过多次调校后,定位系统的判定才稳定。  
测试结果分析 

实验室的功能性量测、模拟情境的测试以及现场实境测试,三种所提供的环境参数不同,因此所获得的测试结果也不同: 

(一) RF code 
以RF code前端设备之读取效能,在第一阶段于空旷场地(干扰小)、电子标签佩带在胸前,量测出之最大读取距离达150M,第二阶段模拟测试现场架设的讯号强度量测,则约35公尺,在第三阶段现场导入测试时,RFcode的有效读取距离大约15M。 

(二)Wavetrend 
以Wavetrend 在三个阶段的读取效能也因环境不同,所测试的结果也不同,在第一阶段基本性能测试于空旷场地(干扰小)、电子标签佩带在胸前,量测出之最大读取距离达35M,第二阶段模拟测试现场架设的讯号强度量测,则约20M,在第三阶段现场导入测试时,由于厂商提供设备套数不足(场地布建需要5套),因此现场导入未使用Wavetrend。 

(三)SYRIX 
SYRIX操作频率为2.45GHz,其读取效能在第一阶段于空旷场地(干扰小)、电子标签佩带在胸前,量测出之最大读取距离达55M,第二阶段模拟测试现场架设的讯号强度量测,则仅达7M,因有效读取距离过短,在第三阶段现场导入测试时,并未使用。
 
未来导入议题 

即时定位侦测(Real Time Location)常采用主动式RFID,目前以433MHz、2.45GHz为应用之两大主流, RF讯号物理特性关系, 433MHz相较于2.45GHz频段讯号不易被环境所干扰,对于应用情境较为复杂时,须考量该频段的取舍。另因主动式电子标签本身藉由内附之电池发射讯号,因此该电力之持久性亦为导入时应考量之议题,目前业界提供之主动式电子标签电力可持续发射时间为一个月至一年不等,且亦有加入移动感应器,于电子标签静置时以增大其讯号发射频率(次/sec),以节省该电子标签之电量,避免在实际应用导入时发生须时常更新电池或是因电力不足造成讯号发射功率下降等问题。关于主动式读取器相关议题,除了依使用情境需求选择不同频段,亦以在功能性上可予以探讨,因在实际布置读取器时,将考虑其目的及场地大小,因此若读取器在使用者需求上可调整成不同之读取功率,将读取器设定成不同读取距离,则在使用上更加具有弹性。 

于现场实际布建阶段,因主动式RFID读取器布建方式多以「面」的涵盖范围为主要需求,不论是在大楼或是工厂内部建置,其布建数量皆远高于被动式读取器,且因此如何将该读取资料回传至主机端进行运算辨别人员位址,皆须先行规划该网路架构,因导入环环大多为工地或是工厂,环境上较难以和一般大楼环境布线,且时常有所变动,因此如何回传该读取器资料成为一大议题。 
未来导入建议 

(一)主动式RFID读取器布建环境 
主动式读取器读取范围可较远,最远可达200公尺,所以在布建时为了让二个相邻的读取器,可以明确的辨识人员配带的电子标签在那个读取器感应的区域中,以避免两者读取器相互溢波(Overlap)产生辨识在何区域的困难,甚至发生系统画面出现欲定位的人员在两个相邻区域瞬间跳动的情形。因此,在两个相邻的读取器布建时,须考量决择(trade off )两侦测区域中间有讯号间隙(gap)的缺点,以避免溢波问题。 

(二)无线电讯讯号侦测与定位运算 
无线电讯号中属于短距离传输方式者,除了无线射频辨识系统(RFID)外,尚包括如:红外线(Infrared)、IEEE 802.11无线区域网路系列(Wireless Local Area Network),藉由行动端装置回报测量到之各基地台之讯号强度值(RSSI)以比对资料库判断该行动端所在区域或位置。然而,室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,由这次的测试亦有现场测试讯号重叠无法判读的情形。未来无线定位相关技术的需继续演进,才得以克服上述情形。
 
总结 
为保障劳工工作安全,劳委会近年特别公布:工作安全灾害归零方案,希望有效保障劳动能力,增进企业生产效能,促进产业的升级,并结合政府劳工企业与学术界等共同努力全面参与企业推动劳工安全卫生,提高企业预知危险及自护、互护与监护的能力,逐年降低国内职业灾害率,并逐步达成零灾害目标。 

主动式RFID前端设备的技术发展成熟,常应用在贵重仪器追踪、货柜追踪以及人员追踪等,由『RFID公领域应用推动办公室』主办、与业者厂商、主责部会共同携手合作,完成「劳工即时定位侦测」概念验证测试,希望藉由现行RFID系统结合即时定位技术,测试主动式RFID系统于厂区劳工定位、危险场所暴露时间监控之关键技术,经过实证测试时程规划、验证方法建立,并详实纪录验测过程与关键技术解决方案,协助业者累积经验,资料内容未来亦可作为业者产品发展以及公部门先导计画实施之参考。 

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