Informationen zu RFID

RFID (engl. radio-frequency identification) „Identifizierung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen“ ermöglicht die automatische Identifizierung und Lokalisierung von Gegenständen und Lebewesen und erleichtert damit erheblich die Erfassung von Daten (umgangssprachlich auch Funketiketten genannt).
Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, der sich am oder im Gegenstand bzw. Lebewesen befindet und einen kennzeichnenden Code enthält, sowie einem Lesegerät zum Auslesen dieser Kennung.

RFID-Transponder können so klein wie ein Reiskorn sein und implantiert werden, etwa bei Menschen oder Haustieren. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit RFID-Transponder über ein spezielles Druckverfahren stabiler Schaltungen aus Polymerenherzustellen. Die Vorteile dieser Technik ergeben sich aus der Kombination der geringen Größe, der unauffälligen Auslesemöglichkeit (z. B. bei dem am 1. November 2010 neu eingeführten Personalausweis in Deutschland) und dem geringen Preis der Transponder (teilweise im Cent-Bereich). Diese neue Technik kann den heute noch weit verbreiteten Barcode ersetzen.

Kopplung mit Lesegerät

Die Kopplung geschieht durch vom Lesegerät erzeugte magnetische Wechselfelder geringer Reichweite oder durch hochfrequente Radiowellen. Damit werden nicht nur Daten übertragen, sondern auch der Transponder mit Energie versorgt. Nur wenn größere Reichweiten erzielt werden sollen und die Kosten der Transponder nicht sehr kritisch sind, werden aktive Transponder mit eigener Stromversorgung eingesetzt.
Das Lesegerät enthält eine Software (ein Mikroprogramm), das den eigentlichen Leseprozess steuert, und eine RFID-Middleware mit Schnittstellen zu weiteren EDV-Systemen und Datenbanken.

RFID Geschichte

Die ersten RFID-Anwendungen wurden Ende des Zweiten Weltkrieges eingesetzt. Dort diente ein Sekundärradar zur Freund-Feind-Erkennung. In den Flugzeugen und Panzern waren Transponder und Leseeinheiten angebracht, um zu erkennen, ob die zu beschießende Stellung oder die anfliegenden Flugzeuge anzugreifen waren oder nicht. Bis heute werden Nachfolgesysteme in den Armeen eingesetzt. Harry Stockman gilt als die Person, der die Grundlagen von RFID mit seiner Veröffentlichung „Communication by Means of Reflected Power“ im Oktober 1948 gelegt hat.

Ende der 1960er-Jahre wurde als eine von vielen proprietären Lösungen die „Siemens Car Identification“, kurz SICARID, entwickelt. Damit war es möglich, zunächst Eisenbahnwagen und später Autoteile in der Lackiererei eindeutig zu identifizieren. Eingesetzt wurde es bis in die 1980er-Jahre. Die Identifikationsträger waren Hohlraumresonatoren, die durch das Eindrehen von Schrauben einen Datenraum von 12 bit abdecken konnten. Abgefragt wurden sie durch eine lineare Frequenzrampe. Diese Hohlraumresonatoren können als erste rein passive und elektromagnetisch abfragbare Transponder betrachtet werden. Der erste passive Backscatter-Transponder der heute noch verwendeten Bauart mit eigener digitaler Logikschaltung wurde erst 1975 in einem IEEE-Aufsatz vorgestellt.

In den 1970er-Jahren wurden die ersten primitiven kommerziellen Vorläufer der RFID-Technik auf den Markt gebracht. Es handelte sich dabei um elektronische Warensicherungssysteme (engl. Electronic Article Surveillance, EAS). Durch Prüfung auf Vorhandensein der Markierung kann bei Diebstahl ein Alarm ausgelöst werden. Die Systeme basierten auf Hochfrequenztechnik bzw. niedrig- oder mittelfrequenter Induktionsübertragung.
Das Jahr 1979 brachte zahlreiche neue Entwicklungen und Einsatzmöglichkeiten für die RFID-Technik. Ein Schwerpunkt lag dabei auf Anwendungen für die Landwirtschaft, wie beispielsweise Tierkennzeichnung, z. B. für Brieftauben, Nutzvieh und andere Haustiere.

Gefördert wurde die Anwendung der RFID-Technik seit den 1980er-Jahren besonders durch die Entscheidung mehrerer amerikanischer Bundesstaaten sowie Norwegens, RFID-Transponder im Straßenverkehr für Mautsysteme einzusetzen. In den 1990ern kam RFID-Technik in den USA verbreitet für Mautsysteme zum Einsatz.
Es folgten neue Systeme für elektronische Schlösser, Zutrittskontrollen, bargeldloses Zahlen, Skipässe, Tankkarten, elektronische Wegfahrsperren und so weiter.
1999 wurde mit Gründung des Auto-ID-Centers am MIT die Entwicklung eines globalen Standards zur Warenidentifikation eingeläutet. Mit Abschluss der Arbeiten zum Electronic Product Code (EPC) wurde das Auto-ID Center[5] 2003 geschlossen. Gleichzeitig wurden die Ergebnisse an die von Uniform Code Council (UCC) und EAN International (heute GS1 US und GS1) neu gegründete EPCglobal Inc. übergeben.

2006 ist es Forschern des Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen erstmals gelungen, temperaturunempfindliche RFID-Transponder in metallische Bauteile aus Leichtmetall einzugießen. Durch diese Verfahrensentwicklung ist es möglich, die herkömmlichen Methoden zur Produktkennzeichnung von Gussbauteilen durch die RFID-Technologie zu ersetzen und die RFID-Transponder direkt während der Bauteilherstellung im Druckgussverfahren in dem Bauteil zu integrieren.

RFID Technik und Funktionsweise

Die RFID-Transponder unterscheiden sich zunächst je nach Übertragungsfrequenz, Hersteller und Verwendungszweck voneinander. Der Aufbau eines RFID-Transponders sieht prinzipiell eine Antenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und Senden (Transceiver) sowie einendigitalen Schaltkreis und einen permanenten Speicher vor. Der digitale Schaltkreis ist bei komplexeren Modellen ein kleiner Mikrocontroller. RFID-Transponder verfügen über einen mindestens einmal beschreibbaren Speicher, der ihre unveränderliche Identität enthält. Werden mehrfach beschreibbare Speicher eingesetzt, können während der Lebensdauer weitere Informationen abgelegt werden.

Nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich auch die sonstigen Kennzahlen, wie z. B. Taktfrequenz, Übertragungsrate, Lebensdauer, Kosten pro Einheit, Speicherplatz, Lesereichweite und Funktionsumfang. Die Übertragung der Identinformation erfolgt bei Systemen, die nach ISO 18000-1 ff. genormt sind, folgendermaßen: Das Lesegerät (Reader), das je nach Typ ggf. auch Daten schreiben kann, erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, dem der RFID-Transponder (RFID-Tag) ausgesetzt wird. Die von ihm über die Antenne aufgenommene Hochfrequenzenergie dient während des Kommunikationsvorganges als Stromversorgung für seinen Chip. Bei aktiven Tags kann die Energieversorgung auch durch eine eingebaute Batterie erfolgen. Bei halb-aktiven Tags übernimmt die Batterie lediglich die Versorgung des Mikrochips.

Der so aktivierte Mikrochip im RFID-Tag decodiert die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Die Antwort codiert und moduliert das RFID-Tag in das eingestrahlte elektromagnetische Feld durch Feldschwächung im kontaktfreien Kurzschluss oder gegenphasige Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes. Damit überträgt das Tag seine eigene unveränderliche Seriennummer, weitere Daten des gekennzeichneten Objekts oder andere vom Lesegerät abgefragte Information. Das Tag erzeugt selbst also kein Feld, sondern beeinflusst das elektromagnetische Sendefeld des Readers.

Die RFID-Tags arbeiten je nach Typ im Bereich der Langwelle bei 125–134 kHz, der Kurzwelle bei 13,56 MHz, der UHF bei 865–869 MHz (Europäische Frequenzen) bzw. 950 MHz (US-amerikanische und Asiatische Frequenzbänder) oder der SHF bei 2,45 GHz und 5,8 GHz. Die freigegebenen Frequenzen für LF-und UHF-Tags unterscheiden sich regional für Asien, Europa und Amerika und sind von der ITU koordiniert.

HF-Tags verwenden Lastmodulation, das heißt, sie verbrauchen durch Kurzschließen einen Teil der Energie des magnetischen Wechselfeldes. Dies kann das Lesegerät, theoretisch aber auch ein weiter entfernter Empfänger, detektieren. Die Antennen eines HF-Tags bilden eineInduktionsspule mit mehreren Windungen.
UHF-Tags hingegen arbeiten im elektromagnetischen Fernfeld zum Übermitteln der Antwort; das Verfahren nennt man modulierte Rückstreuung. Die Antennen sind meist lineare, gefaltete oder spiralige Dipole, der Chip sitzt in der Mitte zwischen den linearen oder mehrfach gewinkelten Dipolarmen des RFID-Tags. Es gibt auch UHF-Tags ohne solche Antennen, deren Reichweite ist extrem kurz. Damit ein Tag sowohl horizontal als auch vertikal gelesen werden kann, verwendet man häufig zirkulare Polarisation. Diese reduziert zwar das Signal-Rausch-Verhältnis, dafür ist irrelevant, in welcher Orientierung das Tag auf die Ware geklebt wird. Da Wasser die UHF-Energie sehr stark absorbiert und Metall diese elektromagnetischen Wellen sehr stark reflektiert, beeinflussen diese Materialien die Ausbreitung der Antennenfelder. Weiterhin ‚verstimmen‘ dielektrische Untergrundmaterialien die Resonanzfrequenz der Antennen, daher ist es notwendig, UHF-Tags möglichst genau auf die Materialien der gekennzeichneten Objekte abzustimmen oder die Tags mit einer vom Untergrund abschirmenden Metallfolie auszustatten.

Die UHF- oder SHF-Technik sind wesentlich komplexer ausgelegt als die LF- oder HF-Technik. Aufgrund ihrer Schnelligkeit können UHF- und SHF-Tags bei einer Passage erheblich längere Datensätze übertragen. Ein handelsüblicher passiver UHF-Tag mit NXP-Chip nach ISO/IEC 18000–6C benötigt für den Chip etwa 0,35 Mikroampere an Strom. Die Energie dafür liefert das Strahlungsfeld des Readers. Da die Intensität quadratisch mit der Entfernung abnimmt, muss der Reader entsprechend stark senden, üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 Watt EIRP Sendeleistung. Semi-aktive Tags kommen für gleiche Reichweite mit einem Hundertstel dieser Sendeleistung aus. Für komplexere Anwendungen können auch Kryptographiemodule oder externe Sensoren wie z. B. GPS in den RFID-Transponder integriert sein. Die RFID-Sende-Empfangseinheiten unterscheiden sich in Reichweite, Funktionsumfang der Kontrollfunktionen und im Aussehen. So ist es möglich, sie direkt in Regale oder Personenschleusen (z. B. bei der Zugangssicherung und in Toreinfahrten) zu integrieren.
Die Vielzahl von unterschiedlichen Geräten und Etiketten ist im Rahmen der verschiedenen Normen (ISO/IEC-Standards ISO/IEC 18000-x) vollständig kompatibel. Es werden jedoch laufend neue proprietäre Lösungen vorgestellt, die von diesen Standards abweichen und zum Teil auch nicht gleichzeitig in einer Nachbarschaft verwendet werden können. Auf verschiedenste Art kann es zu Problemen kommen, weil der RFID-Transponder direkt am Erzeugnis sitzt und dieses elektromagnetisch schlecht mit dem ausgewählten Tag verträglich ist. Um elektromagnetische Anpassungsprobleme zu umgehen, werden in der Logistik u. a. so genannte Flap- oder Flag-Tags eingesetzt, welche im rechten Winkel vom Produkt abstehen und so einen großen Abstand zum Produkt haben.
Der Leseerfolg (Lesequote) einer RFID-Lösung kann von einer Vielzahl von Fehlerfällen gemindert werden (Tag defekt, Leser defekt, Tag fehlt, Leser off-line, Bewegung in der falschen Richtung, zu schnell oder zu dicht nacheinander usw.).

 

Anmerkung:
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Bild: Ekkasit Chaingam, Tim/Flickr.