Identifikace stropních dílců pomocí RFID technologie

1. Úvod

Technologie RFID čipů (vhodněji označovaných jako RFID tagy), získává stále větší využití ve stavební výrobě a montáži nosných prvků, kdy je třeba nejen sledovat konkrétní prvky a dílce nosných systémů při montáži, ale i po jejím skončení monitorovat vlastnosti těchto prvků při provozu a zatížení.

Za tímto účelem byl proveden výzkum s cílem nalézt ty nejvhodnější RFID tagy a zařízení pro jejich čtení v často konstrukčně složitých a méně dostupných prostorách. Současně s odzkoušením technologií se připravuje softwarové zázemí pro sběr informací z instalovaných tagů, jejich ukládání do cloudových úložišť a následně vyhodnocení předem definovaných parametrů konkrétního nosníku nebo stavební konstrukce.

Výsledkem byl výběr tagů RFID s ohledem na frekvenci a možnost provádět čtení čipů v konstrukcích na větší vzdálenosti, obvykle mezi 5–15 metry.

2. Hlavní cíle snímání dat z nosníků

Mezi hlavní cíle snímání dat patří:

• Přesná identifikace konkrétního nosníku jak při stavbě, tak při následném provozu staveb
• Inventura použitých prvků na realizované stavbě

3. Hybridní dřevobetonové nosné konstrukční systémy – HDNKS

Obr. 1: Dřevěné hranoly před zalisováním (vlevo), lisovací zařízení (vpravo)

Obr. 2: Dřevěné nosníky po zalisování

Hybridní dřevobetonové nosné konstrukční systémy spojují vlastnosti všech tří nejpoužívanějších stavebních materiálů – dřeva, betonu a kovu – pro vytvoření moderní kompozitní stropní konstrukce. Tyto nové stropní prvky byly vyvinuty s cílem dosažení nižší hmotnosti, při zajištění požadovaných vlastností takového nosníku, pevnosti, únosnosti a požární odolnosti.

Základním nosným prvkem kompozitní konstrukce jsou spřažené dřevěné nosníky. Tyto nosníky jsou sestaveny z dřevěných hranolů v počtu dvou nebo tří podle požadovaného rozpětí konstrukce. Dřevěné hranoly jsou spřaženy kovovými prvky, kdy výsledný spřažený nosník vznikne stlačením hranolů pod specifickým tlakem, kdy se kovové části zatlačí do dřeva a vytvoří polotovar pro další fázi výroby stropních prvků. Dřevěné hranoly před zalisováním jsou zobrazeny na obr. 1 vlevo. Lisovací zařízení je zobrazeno na obr. 1 vpravo.

Nosníky mohou být v délkách od dvou do šesti metrů a podle délky jsou tvořeny dvěma nebo třemi dřevěnými prvky. Dřevěné nosníky po zalisování jsou zobrazeny na obr. 2.

4. Postup RFID řešení a jeho výhody

V rámci výzkumu byla provedena řada měření s cílem nalézt odolné stabilní řešení. RFID tagy doporučené v projektu jsou vyrobeny jako ultra tenké ve folii zalisované prvky o tloušťce cca 0,5 mm. Každý tag obsahuje jednoznačný identifikátor (ID) a tagy měřící teplotu a vlhkost mají navíc i integrované senzory a software pro tato měření.

Tagy se vkládají přímo mezi dřevěné nosné prvky a na danou pozici se připevní jednoduše lepením. Poté je nosník slisován ve speciálním, v rámci České republiky ojedinělém lisu, kde dojde ke spojení nosníků pomocí kovových vazebních ježků.

Při správně zvolené technologii přináší tato metoda jasnou identifikaci každého nosníku kdekoliv ve stavebních konstrukcích, tagy jsou odolné jak spojovacímu tlaku, tak vlhkostem a teplotám. Samy tagy nejsou aktivní, nepotřebují napájení. Až v okamžiku jejich čtení dochází k přenosu energie indukcí, tag se aktivuje a čtecímu zařízení odpoví svým identifikátorem.

U tagů se senzory je potřeba napájení vyšší, neboť je třeba aktivovat i senzory a provést požadované měření. U těchto typů tagů je tím pádem maximální čtecí vzdálenost do 5 metrů.

5. Výběr vhodných RFID tagů

Pro maximální dosah RFID tagů je zásadní velikost antény tagu a jeho orientace. Dosah také zásadně ovlivňuje kov a voda. Při výběru hardware (RFID čtečky a tagy) bylo vybráno řešení, které odolá použití ve stavebním průmyslu a umožní robustní nasazení při sériové výrobě.

6. Aktivní odpověď je budoucnost

RFID je metoda automatické identifikace založená na rádiové komunikaci mezi čtečkou a identifikačním prvkem – tagem RFID. Čtečka vysílá rádiový signál, tag odpovídá vysíláním svého identifikačního čísla (unikátní identifikátor daného čipu RFID), popř. odesláním obsahu své datové paměti.

Vzhledem k náročnosti napájení aktivních čipů se tato technologie nejeví pro daný účel smysluplná, ale je to otázkou blízké budoucnosti, kdy se i otázka napájení vyřeší, a bude pak možné obdržet údaje z čipu bez nutnosti aktivního snímání obsluhou.

RFID tagy se vyrábí v různých provedeních. Základní je inlay tag, kdy je RFID čip a anténa na průhledné fólii. Dle použité technologie se může jednat o více vrstev této fólie. Tyto tagy jsou cenově nejdostupnější. Další varianty jsou již většinou RFID tagy, které jsou nějakým způsobem zapouzdřené tak, aby odolávaly hrubému zacházení, nebo povětrnostním vlivům. Tyto tagy se často nelepí, ale připevňují se mechanicky (šrouby, nýty apod.)

Kritéria pro výběr RFID tagů:

• Hlavním kritériem byl dosah, na jaký je možné tag číst
• Odolnost RFID tagu
• Cena

7. Umístění RFID tagu

Kromě konkrétní technologie RFID tagu bylo předmětem vývoje i optimální umístění tagů v konstrukci nosníku. Čipy jsou umístěny uvnitř zalisovaného nosníku a jsou proto zvoleny typy, které odolávají vysokému tlaku při výrobě nosníku a prokazují tak trvanlivost a funkčnost uvnitř nosníku při zatížení a extrémních stavech. Dalším parametrem je i dobrá odezva při čtení čipů při použití čtecích zařízení.

Kvalita čtení, tedy vzdálenost, odkud lze tagy bez problémů číst, byla testována s různým umístěním tagů v konstrukci a jejich orientace (poloha antény tagu vůči čtecímu zařízení). Současně se posuzovalo i případné snížení dosahu čtení způsobené interferencí / stíněním kovových ježků.

Nejlepších výsledků při testech dosáhl RFID tag, který je orientován čelně k anténě. Naopak, snížení kvality čtení je evidováno v případě, kdy je tag vůči čtecímu zařízení orientován hranou.

Podle způsobu použití vychází nejlépe umístění RFID tagu do prostoru pod ježky mezi dřevěné hranoly. Zkoumané umístění RFID tagů mezi dřevěnými hranoly je zobrazeno na obr. 3.

Obr. 3: Umístění RFID tagů

Dřevo se na snížení dosahu podílí velmi málo. Je také jedno, z jaké strany se tag čte, zda zepředu nebo zezadu.

8. Čtecí zařízení, pořízení dat

Pro čtení RFID tagů byla použita čtečka stavěná jako „Long-Range“ zařízení pro načítání RFID tagů ale i 1D a 2D čárových kódů na větší vzdálenosti.

Technické vlastnosti testovaného RFID tagu jsou uvedeny v tab. 1.

SW výbava: ve čtečce je operační systém Android 8.1.0. Čtečka obsahuje demo software „123RFID Mobil“, který umožňuje čtení RFID tagů v různých režimech. Pro testování byl zvolen režim „Inventory“, kdy po stisku tlačítka na držáku zařízení se aktivuje RFID anténa a načítají se tagy v dosahu.

Po celou dobu stisku tlačítka dochází k opakovanému čtení tagů. Na obrazovce zařízení je vidět počet čtení, počet unikátních tagů a seznam jedinečných tagů. U každého tagu v seznamu je ID tagu, počet čtení tagu a síla přijatého signálu (RSSI – Received Signal Strength Indicator).

9. Digitalizace s RFID dává smysl

Celý proces, kdy je nosný prvek osazen RFID tagy již ve výrobě, přináší přesnou evidenci nosníků v celém průběhu výrobního a montážního procesu. Manipulace s prvky, sledování nakládky, dodávky, příjmu na stavbu a následně montáže přináší přehled i technický dohled nad použitými nosníky.

V zázemí je robustní portál, který tvoří datovou a funkční základnu celého systému (digitální archiv) a poskytuje uživatelům komfort při online práci s daty, ať už se jedná o řízení procesů, nebo vyhodnocení nasbíraných dat.

Použitá technologie je navíc v poměru k celkovému nákladu na stropní prvky zanedbatelná, čtečky jsou využitelné opakovaně, a nejen pro tento konkrétní účel, lze jimi řešit skladovou evidenci a pohyb nejen materiálů, ale i strojů a nástrojů v procesu výstavby. Výborný poměr cena / výkon umožňují zvolené pasívní RFID tagy i vysoce kvalitní čtecí zařízení.

Využití RFID technologie tak přináší další krok v digitalizaci stavebnictví a obslužných procesů, která při důsledném použití slibuje nejen přesnou evidenci, ale zejména snížení nákladů při realizaci staveb.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci programu Trio 4, projektu č. FV40148 „Hybridní dřevobetonové nosné konstrukční systémy“ a grantu Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS22/143/OHK1/3T/11 „Dřevěné konstrukce vícepodlažních budov“.

Autor dále děkuje firmě Elixeum s.r.o. za podporu při vývoji systému stropních dílců s RFID technologií.