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RFID标签让老系统不老

2021-11-16 Bill Schweber 阅读:
有时候,想要维持一个老系统正常运转并使其基本管理理念保持有效几乎是不可能的。另一些时候,当一个曾经非常成功的系统跟不上时代的发展时,通过现代技术对该系统进行升级,以适当的成本和付出,就可以使之变得更好,而不用重新创建一个系统。在气动管道输送系统中添加RFID标签就是这样一个例子。

有时候,想要维持一个老系统正常运转并使其基本管理理念保持有效几乎是不可能的。想想十年前您最喜欢的PC、操作系统或应用,要让它们持续工作需要付出多大的努力!另一些时候,当一个曾经非常成功的系统跟不上时代的发展时,通过现代技术对该系统进行升级,以适当的成本和付出,就可以使之变得更好,而不用重新创建一个系统。在气动管道输送系统中添加RFID标签就是这样一个例子。wwVednc

随着电子邮件和网络的发展,现代社会对寄送实体邮件的需求大大减少。但要知道,现实世界中发送有形物品仍是必须的,这是网络无法替代的。例如在医院中,各种患者样本(液体和组织)必须送到不同的实验室,药物也需要从药房送到患者手中。为了解决这个问题,医院通常使用气动管道来接收和输送载物瓶(图1),载物瓶可以从发送站输送到远处的特定接收站。wwVednc

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图1:载物瓶直径通常为6英寸(15厘米),长约13英寸(33厘米),非常坚固,并有一个简单易锁的门闩。较长的载物瓶需要半径更大的弯管,每个成本约125美元。(图片来源:NetBankStore)wwVednc

最早也是最简单的气动管道系统采用物理轴辐式网络拓扑。用户将物品放入载物瓶中,添加地址标签并将其放入气动管道中,然后关上门,再按下“开始”按钮。压缩空气会将载物瓶运送到一个中央分拣处,在那里通过人工查看目的地标签,然后将容器放入合适的输出管中,再发送出去。中央分拣处可能非常繁忙,但从用户的角度来看,这个系统非常有用,是确保医院高效运作的重要组成部分。wwVednc

如果采用人工运送的方式,即使在建筑物内,也很慢且效率低下,走廊可能会阻塞,并且还必须有专门的人员来运送。后来,自动输送分拣中心出现了,它可以读取载物瓶标签并为其导向,使其进入目的地管道。wwVednc

有趣的是,在气动管道输送系统用于医院之前,曾被用于伦敦和纽约等城市的邮政邮件传送。参考资料中有一些饶有趣味的历史信息和令人惊叹的照片。另外还有一种点对点的气动管道输送系统常常用于银行的免下车窗口,在客户车道与银行的服务大厅不相邻时使用。它们采用简单的载物瓶与管道原理,是固定线路的点对点专用系统而非轴辐式拓扑,所以不存在寻址或路由问题。wwVednc

远在电子邮件大幅冲击纸质邮件之前,气动管道运送邮件的方式就因多种原因而被废弃了。然而,气动管道输送系统在医院中的发展却恰恰相反,因为在医院中没有其它可行的替代方案,它的成功也成为其最大的问题。随着医疗和制药技术的进步,患者检验数量激增,需要快速运输的患者样本或药物也大幅增加。wwVednc

随着系统输送需求的增加,管道超出其承载能力,增加更多管道要么成本太高,要么根本不可能,就像在拥挤的老城区扩充高速公路的车道一样困难(图2)。更糟糕的是,如果一个载物瓶不明原因地卡住,就会阻塞管道系统的多条通道;而如果路由错误,后果将会更糟。wwVednc

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图2:这是宾夕法尼亚大学医学院最近升级的气动管道输送系统的一小部分,显示了布局在医院墙壁或路由中心的整体管道的复杂性。(资料来源:宾夕法尼亚大学医院)wwVednc

因此,我们需要现代电子技术来彻底改造气动管道输送系统,在不添加管道的情况下完成更多工作并做得更好。除了指示目的地地址的纸质标签(仅出于个人方便和用于备份)或插入载物瓶的条码卡片之外,最新的系统还使用RFID技术来标记每个载物瓶。发送站的用户在触屏键盘上输入地址代码,管道管理系统则将该地址代码与永久置入载物瓶的RFID标签相关联(图3)。wwVednc

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图3:现代气动管道输送系统堪称功能强大、重点突出、简单明了的用户工作站典范。(图片来源:Swisslog Healthcare)wwVednc

经过这样的改造,气动管道输送系统就变得完全自动化了。当载物瓶以15到20英里/小时(20到30公里/小时)的速度行进时,它们会被持续跟踪,并通过交换节点,路由至通往接收站的最佳空闲路径上。wwVednc

系统管理不仅仅确定每个载物瓶的去向,检查它是否去往该去的地方(也会出现问题,但很少),还可以识别由于载物瓶卡住而造成的拥堵(这种情况也极少发生),并持续监控和管理载物瓶的输送流量、等待和队列长短,甚至可以根据使用模式确保有足够的空载物瓶返回到每个站点。很多系统还可以将血液等重要物品编码为“优先”载物瓶,取代路由计划和传送路径中的其他载物瓶,以便加急运送到手术室。wwVednc

这些系统构成的网络很复杂,与电子通信系统有许多相似之处。斯坦福大学医院的系统中有124个站点(每个护理站都有自己的站点)、141个传输单元(类似于路由器)、99个区域间连接器和29台鼓风机。大多数情况下,即使在运输高峰期,在发送站和接收站之间最长达到数千英尺的情况下,载物瓶的运送时间也不到三分钟。输送流量、等待、队列和其他参数的分析与许多电子网络一样也可以量化(图4)。一个大型系统每小时可以处理数百个载物瓶,这听起来并不多,但平均运送时间和等待时间并不是关键,最大等待时间(延迟)才是最重要的。wwVednc

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图4:气动管道输送系统的输送流量分析与电子通信链路的分析非常相似;这些图表从两个角度显示了系统负载与队列大小的关系。(图片来源:电信气动管道输送系统)wwVednc

即使不利用RFID标签及其带来的好处,这些气动管道输送系统也不会过时,因为它们的功能无可替代,除非真的出现了《星际迷航》中那样的传送器和复制器。因此,通过在载物瓶上添加RFID标签,即便系统负载系数也增加了,仍可构建一个具备更好系统性能、吞吐量、可靠性和其他关键规格的上层结构,这看起来相当有趣。我们甚至可以称其为一个真正的物联网成功故事。wwVednc

以适中的成本增加更多的传感器,从而大大增强系统管理功能及性能,您是否参与过类似的系统设计?说服那些研发项目的投资人,或者实际安装这些传感器是否很困难?最终的好处是超出了期望,还是未能达到预期呢?wwVednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Planet Analog网站,参考链接:RFID upgrade brings an ancient system into 21st century,由Jenny Liao编译。)wwVednc

本文为《电子技术设计》2021年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里wwVednc

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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