Radio Frequency Identification (RFID)

Was steckt hinter RFID?

Bei RFID handelt es sich um eine kontaktlose Kommunikationstechnik, die Informationen zur Identifikation von Personen, Tieren, Waren sowie Gütern überträgt. Der Einsatz von RFID ermöglicht viele Anwendungen, die mit herkömmlichen Identifikationssystemen nicht realsierbar sind. Es kann in gewisser Weise als Konzept einer Barcoding-Technologie in einem neuen digitalen Format gesehen werden.

RFID-Systeme zählen zu den Funkanlagen. Die Abgrenzung zu den anderen IoT-Funktechnologien wie Mobilfunk, WLAN oder Bluetooth besteht in der elektronischen Identifikation sowie der Eigenschaft, dass RFID-Transponder nur auf Abruf Daten übermitteln.

Woraus besteht ein RFID-System?

Ein RFID System besteht auf der einen Seite aus einem elektronischen Datenträger (RFID-Transponder) und auf der anderen Seite einem Schreib/Lesegerät mit Antenne (RFID-Reader). Der Begriff RFID-Transponder ist eine Verbindung der beiden Worte Transmitter und Responder. Weitere gängige Begriffe für einen RFID-Transponder sind RFID-Tag, RFID-Label oder RFID-Etikett. RFID arbeitet mit schwachen elektromagnetischen Wellen, die von einem Lesegerät abgestrahlt werden. Bring man einen Transponder in die Reichweite der Antenne, kann man Informationen berührungslos vom Speicher des Transponders lesen oder auch Daten darauf abspeichern.

RFID-Systeme werden hinsichtlich ihrer Reichweite in drei Bereiche unterteilt:

• Close-Coupling-System: RFID-System mit einer Reichweite von 0,1 cm bis 1cm. Diese Systeme arbeiten meistens mit Frequenzen unter 10 MHz.
• Remote-Coupling-System
• Long-Range-System

Transponder

Der RFID-Transponder hat die Aufgabe, Objekte mithilfe der auf ihm abgespeicherten Informationen eindeutig zu kennzeichnen. Transponder werden "aufgeweckt", wenn sie ein Signal von einem RFIF-Reader empfangen und antworten, indem sie ein Signal zurücksenden, das vom RFID-Reader empfangen wird. Die Transponder senden erst dann aktiv Funkwellen aus, wenn sie vom Lesegerät ein Signal empfangen, wodurch sie Akkulaufzeit sparen. RFID-Transponder sind robust, lageunabhängig und störungsfrei bei Verschmutzungen. Das optische Erscheinungsbild kann in Form und Grösse beliebig variieren. Ebenfalls können sich die Kennzahlen wie z.B. Funkfrequenz, Übertragungsgeschwindigkeit, Lebensdauer, Kosten pro Einheit, Speicherplatz, Funktionsumfang etc. unterscheiden. Der Transponder bestehen aus:

• Mikrochip von der Grösse um einen Millimeter im Durchmesser
• Antenne, meist in Form einer Spule (sonst Dipol)
• einem Träger oder Gehäuse (schütz die Transponderelektronik vor der Umgebung)
• Bei aktiven Transpondern: eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie.

Bei RFID unterscheidet man zwischen drei Arten von Transpondertechniken:

1. Passive Transponder: Diese haben keine eigenen Spannungsversorgung und beziehen Ihre Energie direkt aus dem Energiefeld des Lesegeräts. Dadurch sind passive Transponder vollkommen wartungsfrei. Die Lesereichweiten sind jedoch stark von der Grösse des Transponders, der Frequenz sowie der Antenne abhängig. RFID-Transponder können so klein wie ein Reiskorn sein und implantiert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, RFID-Transponder über ein spezielles Druckverfahren herzustellen. Die Vorteile dieser Technik ergeben sich aus der Kombination der geringen Grösse, der unauffälligen Auslesemöglichkeit und dem geringen Preis der Transponder. Die Nachteile dieser Technik liegen in der geringeren Reichweite der Transponder, darin, dass sie besonders leistungsstarke Lesegeräte benötigen. Zudem können auf ihnen deutlich weniger Informationen als bei aktiven Tags gespeichert werden.
2. Aktive Transponder: Diese sind im Vergleich zu passiven wesentlich komplexer aufgebaut und haben eine eigene Energiequelle (Batterie oder Akku), die es ermöglicht viel grössere Lesereichweiten, geringere Latenzen und einen grösseren Funktionsumfang zu erzielen. Sie befinden sich solange im Ruhezustand bis sie von einem Lesegerät ein Aktivierungssignal empfangen. Durch die Spannungsversorgung einer Batterie oder eines Akkus ist die Lebensdauer dieser Transponder begrenzt. Zusätzlich sind die Produktionskosten ein Vielfaches höher als bei passiven Transpondern. Aktive RFID-Transponder können je nach Einsatzgebiet, durchaus die Grösse von Büchern besitzen (z.B. in der Containerlogistik). Sie werden hauptsächlich für das Tracking von hochwertigen Gütern verwendet. Sie finden Verwendung als:
   • Radartransponder
   • Diebstahlsicherungen
   • digitale Schliesssysteme
   • Funkschlüssel im KFZ
   • Eisenbahntransponder
   • Automatische Identifizierung von Personen: z.B. innerhalb der Zeitmessung bei Sportveranstaltungen
   • Lagerhaltung
3. Semi-aktive / Semi-passive Transponder: Sie verfügen über eine interne Stützbatterie, die der Stromversorgung des Mikrochips dient. Zum Senden der gespeicherten Daten nutzen sie die Energie des vom Lesegerät generierten Feldes. Dadurch sind sie einerseits sparsamer aber ihre Reichweite ist abhängig von Leistung des Senders auf maximal 100 begrenzt. Die anderen Vorteile gegenüber passiven Transpondern bleiben erhalten.

Transpondertypen

• 1-Bit-Transponder (EAS-System): Dient ausschliesslich dem Erkennen, ob sich ein Transponder im Empfangsbereich des RFID-Readers befindet und wird hauptsächlich in der Diebstahlsicherung von Waren eingesetzt.
• Read-only-Transponder: Ist mit einem Mikrochip versehen, auf dem eine eindeutige Seriennummer gespeichert ist. Befindet sich ein Read-only-Transponder im Empfangsbereich eines RFID-Readers, beginnt dieser permanent seine Seriennummer zu senden. Verwendung findet dieser RFID-Transponder überall dort, wo ein Objekt eindeutig identifiziert werden muss.
• Read-write-Transponder: In einem solchen RFID-Transponder können leistungsfähige Sicherheitsmechanismen implementiert und auch variable Informationen auf dem Transponder durch das Anwendungssystem neu gespeichert werden. Diese Art von Transponder führen in einer fest codierten State-Machine einfache Kommandos des Erfassungsgerätes aus.
  • Eletrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM, passiver Transponder): Wird zur Speicherung kleiner Datenmengen benutzt.
  • SRAM (aktiver, batteriegestützter Transponder)
• RFID-Transponder, die als kontaktlose Chipkarten mit Betriebssystem fungieren: Aufgrund des Einsatzes eines eigenen Betriebssystems (Smart-Card-OS) und eines Mikroprozessors sind komplexe Algorithmen zu Chiffrierung und Authentifizierung möglich.

Viele Tags unterstützen auch eine oder mehrere untenstehende Zusatzfunktionen:

• Die Tags können über einen sogenannten "kill code" oder z.B. durch ein Magnetfeld permanent deaktiviert werden (engl. kill, disable)
• Die Tags erlauben ein einmaliges Schreiben von Daten (engl. write once)
• Die Tags können mehrmals mit Daten beschrieben werden (engl. wirte many)
• Antikollision: Die Tags wissen, wann sie warten oder anfragen beantworten müssen.
• Sicherheit: Die Tags können (auch verschlüsselt) ein geheimes Passwort verlangen, bevor sie kommunizieren.

RFID-Reader

Ein RFID-Reader ist ein Lesegerät, welches zum Lesen und/oder Beschreiben von RFID-Transpondern verwendet wird und die Aufgabe hat verschiedene Objektinformationen, wie z.B. von Aufträgen, Werkstücken, Behälter, Material und Werkzeugen auszulesen. Der RFID-Reader wirkt las Interface zwischen Applikation und RFID-Tag. Das Lesegerät besteht aus einem Hochfrequenzinterface, einem Controller und einer Antenne. 

Die Hauptaufgabe des Readers ist die Generierung des Sendesignals (Signal-Modulation etc.), die Filterung des Antwortsignals und die Aufbereitung der Daten. Anschliessend werden die aufbereiteten Daten in einer definierten Form für die Auswertung vom RFID-Reader in ein übergelagertes Hostsystem übertragen (z.B. Lagerverwaltungs-, Produktionsplanungs-, Warenwirtschafts- oder ERP-System).

Der RFID-Reader sendet Radiowellen in Reichweiten von 2,5 cm bis 30 m oder mehr. Dies ist abhängig von der jeweiligen Leistung und der verwendeten Radiofrequenz. Die Klassifizierung der RFID-Reader findet anhand der Reichweite, Frequenz, Datenübertragungsprotokolle und Leistung statt.

Das RFID-Lesegerät kann entweder als mobiles Handgerät oder festinstalliertes stationäres Gerät konfiguriert werden.

RFID-Gate

Der Begriff RFID-Gate beschreibt die Anordnung mehrerer RFID-Antennen, die mit einem RFID-Reader kommunizieren. Gegenüberliegende Antennenpaare werden während der Erfassung der Daten des RFID-Transponders angeschaltet. Die Anzahl der RFID-Antennen ist von der Lesereichweite und Grösse des RFID-Gates abhängig.

Allgemein kann man sagen, dass RFID-Gates immer dann zum Einsatz kommen, wenn die Objekterfassung automatisiert stattfinden soll. RFID-Gates können an allen wichtigen Prozessstellen installiert werden und erfassen mithilfe von RFID-Readern alle Objekte und Objektbewegungen vollautomatisch und mit vollständiger Genauigkeit.

Funktionsweise eines RFID-Systems

Das RFID Schreib/Lesegerät (RFID-Reader) erzeugt über eine Antenne ein schwaches elektromagnetisches Feld. Kommt ein Transponder in dieses Magnetfeld, wird der Mikrochip des Transponders mit Energie versorgt und kann nun kontaktlos Daten an das Lesegerät senden bzw. neue Informationen auf den Chip speichern.

Verlässt der Transponder das Lesefeld, bricht die Verbindung zum Lesegerät ab und der Transponderchip ist wieder vollkommen inaktiv. Die gespeicherten Daten bleiben aber dennoch im Speicher enthalten.

Komplexe Schreib/Lesegeräte können durch ein "Antikollisionsverfahren" viele Transponder zeitgleich bearbeiten. Die elektromagnetischen Wellen können viele Materialien durchdringen und ermöglichen es den Transponder auch durch eine Verpackung hindurch zu erkennen.

Ein großer Vorteil von RFID (gerade von UHF) ist die Pulk-Lesung, so ist es möglich innerhalb kürzester Zeit etliche Transponder (bis zu ein paar Hundert, je nach Reader) zu erfassen. So kann man beispielsweise alle auf einer Palette befindlichen Objekte erfassen, wenn der Stapler ein RFID-Gate passiert. Unter dem Begriff "Bulk-Erkennung" versteht man eine Nutzung bekannter Protokolle, in dem einzelnen RFID-Tags unmittelbar nacheinander gelesen werden, wobei sich dieser Prozess selbst organisiert. Das heisst, dass

• sich nicht alle Tags gleichzeitig bei dem gleichen Reader melden, und
• jeder Tag möglichst lediglich einmal gelesen wird, und
• ein einmal gelesener Tag nach dem ersten erfolgreichen Lesen schweigt, bis er das Lesefeld verlässt oder das Lesefeld abgeschaltet wird, 
• oder der einzelne dort bereits bekannte Tag vom Leser direkt erneut aktiviert wird.

RFID-Lösungen für jede Branche

Der Einsatz von RFID ist vielfältig und geht von der automatischen Verfolgung der Waren bis hin zur Zugangs- und Zutrittsberechtigung in Ihrem Unternehmensgebäude. Jede diese Anwendungen hat unterschiedliche Anforderungen an die Ausgestaltung des RFID-Tags hinsichtlich Frequenz, Grösse, Belastbarkeit etc.

Verwendete Frequenzbereiche

Für den Einsatz wurden bisher verschiedene ISM-Frequenzbänder vorgeschlagen und zum Teil europaweit oder international freigegeben. Frequenz bezieht sich dabei auf die Grösse der Funkwellen, die für die Kommunikation zwischen den Systemkomponenten verwendet werden. RFID-Systeme funktionieren in niedrigen Frequenzbereichen (LF), in hohen Frequenzbereichen (HF) und in ultrahohen Frequenzbereichen (UHF).

Funkwellen verhalten sich in jedem der genannten Frequenzbereiche recht unterschiedlich, wobei die Verwendung jedes einzelnen Frequenzbereichs mit Vor- und Nachteilen verbunden ist.

• Eine niedrigere Frequenz führt zu einer niedrigeren Lesereichweite und zu einer langsameren Datenleserate, jedoch gleichzeitig zu erweiterten Fähigkeiten in Bezug auf das Auslesen im Nahfeldbereich oder auf metallischen oder flüssigen Oberflächen.
• Systeme, die in höheren Frequenzbereichen arbeiten, haben im Allgemeinen schnellere Datenübertragungsraten und längere Lesereichweiten als Systeme, die in niedrigeren Frequenzbereichen arbeiten. Sie reagieren jedoch empfindlicher auf Funkwellen-Interferenzen, die durch Flüssigkeiten und Metalle in der Umgebung verursacht werden.

Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Merkmalen und die typischen Anwendungsbereiche der einzelnen Frequenzbereiche: