7. August 2018

Radio Frequency Identification (RFID)

Radio Frequency Identification (RFID) ist eine Technologie zur eindeutigen und kontaktlosen Identifizierung von Objekten (Waren, Lebewesen, auch Zustände) jeglicher Art. Sie ermöglicht mit Hilfe von Sender- und Empfängereinheiten eine schnelle und automatische Datenerfassung mittels elektromagnetischer Wellen. Die Technik erschließt im Bereich Logistik, Intralogistik, Materialverwaltung (siehe Bestandsverwaltung), Industrieautomaten, Service und Identifikation neue praktische Anwendungsgebiete. Stehen genügend Informationen auf dem Speicher zur Verfügen, spricht man auch von einer eineindeutigen Identifikation.

Radio Frequency Identification ersetzt zunehmend altbekannte Eigenschaften des Barcodes (siehe Vor- und Nachteile Barcode und RFID) oder der optischen Erkennung von Objekten. Dabei wird die berührungslose Technologie als Oberbegriff für die komplette technische Infrastruktur verwendet und schließt folgende Elemente mit ein:

RFID – die Geschichte

In den 1960er-Jahren wurden die ersten kommerziellen Vorläufer der RFID-Technologie auf den Markt gebracht. Es handelte sich dabei um elektronische Warensicherungssysteme (engl. Electronic Article Surveillance, kurz EAS) um Diebstähle zu unterbinden. Damals war es lediglich möglich, ein Bit an Informationen zu übertragen. Es konnte also nur das Vorhandensein oder das Fehlen der Markierung geprüft werden. Die Systeme basierten zudem auf Mikrowellentechnik oder Induktion. Erst die 1970er-Jahre brachten zahlreiche neue Entwicklungen, die den Einsatz von RFID-Technologie in verschiedenen Bereichen erleichtern sollten. Die Arbeit konzentrierte sich dabei primär auf die Kennzeichnung von Tieren, den Einsatz in der Automatisierung sowie der automatischen Identifikation von Fahrzeugen im Verkehr. Gefördert wurde die Technologie in den 1980ern besonders durch die Entscheidung mehrerer amerikanischer Bundesstaaten sowie Norwegens, RFID-Transponder im Straßenverkehr für Mautsysteme einzusetzen. In den 1990er-Jahren setzte sich die Technologie für Mautsysteme weiter durch; außerdem wurden neue Einsatzgebiete erschlossen, indem man Systeme für Zugangskontrollen, bargeldloses Zahlen, Skipässe und Tankkarten entwickelte.

Die Jahrtausendwende brachte einen starken Preisverfall der Technik durch Massenproduktion mit sich, der den Einsatz von Transpondern auch in Verbrauchsgegenständen ermöglichte. Die Technologie hatte sich aber so rasant entwickelt, dass es letztlich versäumt worden war, Industriestandards zu definieren. Aktuell wird von diversen Institutionen und Interessenverbänden verstärkt an Erweiterungen, Normierungen und Standards für die Technik gearbeitet.

RFID – die Technologie

Es gibt verschiedene Transponder, die sich teilweise stark voneinander unterscheiden. Der Aufbau eines RFID-Transponders sieht prinzipiell eine Antenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und gegebenenfalls Senden sowie einen digitalen Schaltkreis und einen permanenten Speicher vor. RFID-Transponder können über einen mehrfach beschreibbaren Speicher verfügen, auf dem während der Lebensdauer Informationen gespeichert werden können.

Je nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich auch die Spezifikationen des jeweiligen Chips:

  • Funkfrequenz
  • Übertragungsrate
  • Lebensdauer
  • Kosten pro Einheit
  • Speicherplatz
  • Funktionsumfang

Für Spezialanwendungen können auch Kryptografie-Module oder externe Sensoren wie etwa GPS und Temperaturmesser in den RFID-Transponder integriert sein (siehe dazu auch Umweltvermessung). Zudem findet die RFID-Technologie ihren Einsatz innerhalb von Personenschleusen. In der Intralogistik werden die Tags vornehmlich als Führungseinheit für ein Staplerleitsystem oder Fahrerloses Transportsystem genutzt. Dabei sind die Transponder Routen-spezifisch in den Boden eingelassen. Ebenfalls zum Standard gehört die Pulkerfassung, bei der mehrere Tags/Artikel parallel identifiziert werden.

Radio Frequency Identification – die Systeme

RFID-Systeme sind grundsätzlich mit Chipkarten verwandt. Die Daten werden wie bei Chipkarten auf einem elektronischen Datenträger gespeichert. Im Vergleich zur Chipkarte erfolgt die Energieversorgung des Datenträgers und der Datenaustausch zwischen Datenträger und Lesegerät durch magnetische oder elektromagnetische Felder – nicht mittels Kontaktfeld.

Radio Frequency Identification enthält in der Regel zwei Grundbestandteile:

1. Einen Transponder, der an das Objekt angebracht wird, das identifiziert werden soll.
2. Ein Lesegerät, das den Transponder auslesen und gegebenenfalls beschreiben kann.

Der Transponder

Ein Transponder gehört als Grundbestandteil zu einem RFID-System. Er besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:

  • Speicher
  • Koppelelement, beispielsweise eine Spule oder eine Antenne
  • Elektronischer Mikrochip

Auf dem Transponder sind folgende Daten gespeichert:

  • Ein eindeutiges Identifizierungsmerkmal, beispielsweise die Seriennummer des Mikrochips
  • Gegebenenfalls Informationen (Produzent oder Artikelnummer)

Vorteile der RFID-Technologie sind die Möglichkeit des Überschreibens von Daten und die Möglichkeit des Ergänzens von bestehenden Informationen. Zudem können in RFID-Transpondern Sensoren integriert werden; sogenannte RFID-Sensor-Transponder. Entscheidende Faktoren für die Baugröße eines RFID-Transponders sind bestimmte Anforderungen an die Antenne, die Sendeleistung und an das Gehäuse. Je nach Frequenz beziehungsweise Wellenlänge wird die Form und Größe der Antenne bestimmt.

Das Lesegerät

Das Lesegerät eines solchen Systems besteht aus einer Lese- beziehungsweise Schreibeinheit und einer Antenne. Durch das Senden von elektromagnetischen Wellen wird ein elektromagnetisches Energiefeld erzeugt und die Kommunikation zwischen Lesegerät und Transponder realisieren Radiowellen. Während einer Kommunikation ist der Transponder erst aktiv, sobald er in den Empfangsbereich des Lesegerätes hineingerät, wobei die eigentliche Aktivierung durch eine Koppeleinheit erfolgt – ähnlich dem Handshake-Verfahren innerhalb eines Modems.

Transponder: passiv und aktiv

Passive RFID-Transponder

Sie beziehen ihre Energie zur Übertragung der Informationen induktiv aus den empfangenen Funkwellen. Die Menge der gespeicherten Daten ist wesentlich geringer als bei aktiven RFID-Transpondern. In ihrem Speicher wird üblicherweise eine eindeutige Identifikationsnummer (GUID = Globally Unique Identifier) hinterlegt. Manche passiven Transponder sind mit einem wieder beschreibbaren Speicher ausgerüstet.
Passive RFID-Transponder sind im Vergleich zu aktiven RFID-Transpondern kleiner und leichter, haben eine geringe Reichweite, eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer und sind vergleichsweise günstig.

Merkmale eines passiven Transponders im Überblick:

  • Induktive Energieversorgung aus den empfangenen Funkwellen
  • Transponder können nur gelesen werden
  • Geringe Speicherkapazität
  • Speicher für eindeutige Identifikationsnummer GUID = Globally Unique Identifier (global eindeutige Kennziffer)
  • Kleiner und leichter als aktive RFID-Transponder
  • Geringe Sendereichweite
  • Nahezu unbegrenzte Lebensdauer
  • Günstig

Beispiel für einen passiven Transponder: Smart Label:

Zu den passiven RFID-Transpondern gehören beispielsweise die Smart Labels, die vom Formfaktor sehr dünn sind und auf einer Folie aufgebracht werden. Auf diese Weise können sie ähnlich einem Klebeetikett verwendet und direkt auf Produkte aufgeklebt werden. Die Kommunikation geschieht dort über eine induktive Kopplung mit dem Lesegerät, wobei meist eine Frequenz von 13,56 MHz verwendet wird. Der Sender wird induktiv über das Lesegerät mit Energie versorgt.
Smart Labels lassen sich in drei Kategorien einordnen: Read-Only-Transponder, Write-Once/Read Many und Read and Write.

Read-Only-Transponder

Read-Only-Transponder können nur einmal, in der Regel vom Hersteller, mit Informationen bestückt werden. Ein Überschreiben der Daten ist nachträglich nicht mehr möglich. Ihre Lebensdauer ist meist kurz und prozessorientiert.

Write-Once/Read Many (WORM)

WORM-Transponder können vom Kunden nur einmal beschrieben werden. Nach dem Speichern von Informationen, können die Daten zwar nur noch ausgelesen werden; wobei das Auslesen mehrmals vonstattengehen darf.

Read and Write

Read-and Write-Transponder erlauben uneingeschränktes Beschriften und Änderungen am Speicherinhalt. Viele Read-and Write-Transponder verfügen zudem über einen Schreibschutz, sodass bei Bedarf die gespeicherten Informationen vor Löschen beziehungsweise Überschreiben geschützt sind.

Aktive RFID-Transponder

Sie verfügen über eine eigene Stromversorgung und können typischerweise sowohl gelesen, als auch beschrieben werden.

Aktive RFID-Transponder befinden sich normalerweise im Ruhezustand, das heißt, sie senden keine Informationen aus. Nur wenn ein spezielles Aktivierungssignal empfangen wird, aktiviert sich der Sender. Der interne Speicher kann, je nach Modell, bis zu einer Million Bytes aufnehmen. Aktive Transponder sind im Vergleich zu passiven RFID-Transpondern meist größer, besitzen eine höhere Sendereichweite, haben eine geringere Lebensdauer und sind deutlich teurer.

Merkmale eines aktiven Transponders im Überblick:

  • Batteriebetrieben
  • Transponder können sowohl gelesen als auch beschrieben werden
  • Senden im Ruhezustand keine Informationen aus – Sender aktiviert sich bei Signal
  • Der Speicher kann je nach Modell bis zu einer Million Bytes aufnehmen
  • Verhältnismäßig groß
  • Hohe Sendereichweite
  • Geringere Lebensdauer
  • Signifikant teurer

Sonderfall: semi-passive RFID-Transponder

Im Gegensatz zu passiven Transpondern verfügen semi-passive Transponder über eine eigene Energieversorgung, etwa in Form einer Batterie oder einer Solarzelle.
Diese Energie dient nur als Energieversorgung für den RFID-Chip, nicht für die Datenübertragung. Die für die Datenübertragung erforderliche Energie und Sendefrequenz beziehen semi-passive Transponder, wie die passiven Transponder, über die Radiowellen des Lesegerätes. Da das Feld des Lesegerätes zur Energieversorgung des RFID-Chips nicht mehr benötigt wird, kann ein schwächeres Feld als zum Betrieb eines passiven Transponders eingesetzt werden. Dies kann zu einer deutlichen Erhöhung der Kommunikationsreichweite führen, falls es für den Transponder möglich ist, die entsprechenden Signale zu empfangen.

Transponder durch Polymerdruck

Mittels Polymerdruck oder alternativen Druckverfahren können mittlerweile flexible und kostengünstige (Preis liegt bei weniger als ein Cent pro Stück) RFID-Transponder hergestellt werden – auch außerhalb von industriellen Umgebungen. Zudem gibt es bereits Beispiele, bei denen die RFID-Technologie direkt in Einwegprodukten verarbeitet wird. Die Herstellung von RFID-Tags entfällt somit.

Frequenzen und Einflussfaktoren

Funktionalität: RFID steht grundsätzlich in spezifischen Abhängigkeiten - beispielsweise hinsichtlich der Frequenzen.

Kommunikationsprobleme

Die Vielzahl von unterschiedlichen Geräten und Etiketten ist nur selten vollständig zueinander kompatibel. Die verwendeten Frequenzen und bevorzugten Standards unterscheiden sich regional sehr stark. Kommunikationsprobleme kann es auch bei Produkten mit hohem Wasseranteil (Joghurt, Mineralwasser) und beim Einsatz an Gegenständen mit Metallteilen (Einkaufswagen, Autoteile, Förderbänder) geben. Diese können die ohnehin schwachen Abstrahlungen von etwa passiven RFID-Transpondern noch weiter mindern. Eine ähnliche Beeinträchtigung kann auftreten, wenn der RFID-Transponder direkt an Produkten mit hoher Dichte angebracht ist.

Zusammenfassung RFID

RFID (Radio Frequency Identification) bezeichnet sowohl die entsprechende Technologie als auch die technische Infrastruktur, die eine schnelle, automatische Datenerfassung via elektromagnetischer Wellen ermöglicht. Dadurch können Waren, Lebewesen und Zustände eindeutig identifiziert werden; und zwar kontaktlos. Bestehend aus Sender- und Empfängereinheiten unterscheiden sich die Systeme in ihren Ausformungen, Funktionen und Eigenschaften. Ziel ist es, internationale Standards zu etablieren, wie man sie beispielsweise bei EPAL-Ladungsträgern findet.

Teaserbild: Maschinenjunge / CC BY-SA 3.0

Tags:

Über TUP - Redaktion

TUP - Redaktion

Die Redaktion der DR. THOMAS + PARTNER GmbH & Co. KG hat die Plattform Logistik KNOWHOW ins Leben gerufen, administriert und koordiniert die Beiträge und erstellt selbst Inhalte zu verschiedenen Kategorien. Die Software-Manufaktur DR. THOMAS + PARTNER aus dem Raum Karlsruhe realisiert seit über 35 Jahren maßgeschneiderte Intralogistik-IT-Systeme, mit speziellem Fokus auf die Bereiche Lagerverwaltung und Materialfluss. Zu den namhaften Kunden zählen nationale und internationale Unternehmen unterschiedlicher Größe und Branche.

  • Website
  • Email

Fügen Sie einen Kommentar hinzu

Bitte füllen Sie alle Eingabefelder aus. Die mit Stern markierten Felder sind Pflichtfelder. *