Radio Frequency Identification Device

Prof. Jürgen Plate

Radio Frequency Identification Device - RFID

Die Geschichte der Funk-Technologie RFID begann bereits im zweiten Weltkrieg. Anfang der 40er Jahre setzte das US-Militär Vorläufer der heutigen Technik zur Freund-Feind-Erkennung von Flugzeugen und Kriegsschiffen ein. Danach fristete die Technologie lange ein Nischendasein und wurde hauptsächlich für die Tieridentifikation verwendet ("gechipt"). Erst in den 80ern erweiterte sich das Anwendungsfeld von RFID und die Technik wurde biespielsweise bei Zugangskontrollen oder Skipässen eingesetzt. Erst später erkannte man aber das Potenzial von RFID in neuen Einsatzfeldern. Bislang komplexe und fehleranfällige Prozesse lassen sich damit vereinfachen. So kann RFID beispielsweise zur Identifikation von Produkten und zur Steuerung von logistischen Prozessen eingesetzt werden und an die Stelle aufwendiger manueller Datenerfassung treten.

Funktionsweise der RFID-Technik

Ein RFID-System ist ein automatisches Identifikationssystem, es dient der Identifikation von Objekten und Personen sowie der Informationsbereitstellung. Die RFID-Technik bietet die Möglichkeit der berührungslosen Datenübertragung auf der Basis elektromagnetischer Wechselfelder. Auf diesem Wege können Daten automatisch, ohne manuelles Zutun, ausgelesen oder gespeichert werden. So lassen sich Objekte identifizieren, auch wenn sie in Bewegung sind. Zum Datenaustausch und zur Speicherung von Informationen dienen "Transponder" oder "Tags", die sich an der Ware anbringen lassen. Manche Tags können nur gelesen werde, andere lassen sich auch mit neuen Daten beschreiben. Ein Tag oder Transponder besteht aus einem Mikrochip mit Kupfer- oder Aluminium-Antenne. Der Transponders kommuniziert über seine Antenne mit dem Lesegerät (Reader), das den Inhalt des integrierten Transponderchips ausliest. Der Begriff "Transponder" ist ein Kunstwort zusammengesetzt aus "Transmitter" (der Sender) und "Responder" (der Antwortende).

Die Identifikation eines Transponders ist die Basisfunktion eines RFID-Systems. Die einfachste Form der Identifikation (Transponder befindet sich im Feld oder nicht) wird in der Regel erweitert um das Auslesen im Transponder gespeicherten Datensatzes. In Datenbanken werden alle zu diesem Datensatz (Z. B. Identifikationsnummer) gehörigen Informationen gespeichert und bei Bedarf geändert. Da beschreibbare Transponder erst später auf den Markt kamen, heißen die Geräte auch dann noch "Reader", wenn man mit ihen auch daten auf dem RFID-Tag speichern kann.

Die Stärken von RFID, speziell gegenüber dem Barcode, liegen in der Möglichkeit, mehrerer RFID-Transponder vollautomatisch und gleichzeitigen zu Erkennen, wobei keine Sichtverbindung zwischen Lesegerät und RFID-Transponder nötig ist. Daher lassen sich RFID-Transponder in Objekte einbetten, ohne dass sie äußerlich sichtbar sind, um beispielsweise den Einsatz unter extremen Bedingungen wie Schmutz oder Hitze zu ermöglichen. Gegenüber Barcode-Scannern ist auch eine höhere Lesereichweite möglich; außerdem können Informationen auf einem RFID-Transponder mit Datenspeicher während des Einsatzes verändert werden, was bei einem Barcode nicht möglich ist.

Auf dem Markt befinden sich viele unterschiedliche RFID-Systeme, die sich durch die jeweilige Transponder-Bauform, die Energie- und Datenübertragung, die Übertragungsfrequenz und die Reichweite unterscheiden. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Transponder, Reader und Antennen zum Einsatz. Ob Glasröhrchen, Ohrenmarke, Scheckkarte, Scheibe oder hitzeresistente Modelle für die Automobilindustrie: Für fast jedes Anwendungsgebiet gibt es eine passende Transpondervariante. Deshalb kann nicht von "dem Transponder" gesprochen werden. Klassische Tag-Formen sind z. B. die ID-Karte, die für Zugangskontrollen genutzt wird, oder die im Zündschlüssel integrierte Wegfahrsperre.

Tags gibt es als Label, Knopf, Karte oder in anderen Bauformen (z.B. zum unter die Haut injizieren - siehe Kopfzeile).

In der unterschiedlichen Nutzung liegt der große Vorteil der RFID-Technik. Und die Entwicklung hat das Ende des Machbaren noch nicht erreicht. Der Markt entwickelt neue Tag-Formen, vorhandene Tags werden verbessert. So verbreitet sich RFID in neuen Anwendungsbereichen. Darüber hinaus ermöglichte die fortschreitende Miniaturisierung auch die Entwicklung von "Smart Labels". Diese passiven Transponder werden mit einer Antenne auf Folie aufgebracht. Vorteil: sie sind bedruckbar und lassen sich wie Papier weiterverarbeiten. Die Energie zum Auslesen der Daten liefert das Lesegerät. Transponder in Etiketten-Form sind beispielsweise für den Einsatz in Logistik-Unternehmen interessant. Dort werden Paletten, Pakete und Sendungen direkt mit dem Transponder beklebt; dadurch lassen sich die Waren-Sendungen identifizieren. Die neueste Entwicklung ist die Polymertechnologie, welche die Herstellung preiswerter RFID-Tags für Massenanwendungen ermöglicht.

Transponder können als aktive oder passive Variante auftreten. Während die aktiven Transponder über eine eigene Energieversorgung durch eine eingebaute Batterie verfügen, beziehen passive Transponder die nötige Energie aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegerätes. Beide Transponderarten haben unterschiedliche Eigenschaften und eignen sich deshalb für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Das Fehlen der Batterie bei passiven Tags reduziert Kosten, Gewicht und Größe des Transponders. Nachteil: die geringere Reichweite. Diese Tags werden oft zur Produktidentifizierung- und Auszeichnung bei in hohen Stückzahlen produzierten Produkten verwendet. Passive Etiketten werden oft bei Massenartikeln verwendet. Aktive Transponder funken im Vergleich zu passiven Tags durch ihre eigene Energieversorgung deutlich weiter. Diese Eigenschaften machen sie für Bereiche interessant, bei denen Überwachungs- bzw. Protokollierungsaufgaben übernommen werden.

RFID-Systeme sind prinzipiell in unterschiedlichen Frequenzbereichen verfügbar. Die Betriebsfrequenzen der meisten RFID-Systeme liegen im Bereich der ISM-Bänder, die für Geräte in der Industrie, Wissenschaft und Medizin frei verwendbar sind. Hinzu kommt das LF-Band um 125 kHz:

Typische Reichweiten von RFID-Systemen sind:

ReichweiteBezeichnungSpezifiziertDatenratenBeispiel
0..1 cmCICC - Close CouplingISO 105369600 Bit/sLegic
0..10 cmPICC – Proximity CouplingISO 14443106 - 848 kBit/sMifare, Legic
0..1 mVICC - Vicinity CouplingISO 1569353 - 2648 kBit/sI-Code, Tag-It

Die aufgelisteten Systeme können weniger oder maximal 1 Meter überbrücken und werden deshalb als Remote-Coupling Systeme bezeichnet. Systeme die mehr als 1 Meter Reichweite haben, werden als Long-Range Systeme bezeichnet.

Von der Frequenz hängt auch die Datenübertragungsrate ab. Je höher die Frequenz, desto mehr Trägerfrequenzperioden sind pro Zeiteinheit verfügbar, um eine Information zu tragen. Somit ist die Frequenz mit den abgeleiteten Eigenschaften Reichweite und Datenrate ausschlaggebend für die Anwendungsmöglichkeiten eines RFID-Systems. Bei Anwendungen wie Mautsystemen muss eine Information schnell und über eine Distanz von einigen Metern übertragen werden, wofür eine hohe Frequenz notwendig ist. In einem Zutrittskontrollsystem ist dagegen eine geringe Reichweite gefordert, da nur dies eine Verwendungssicherheit mit sich bringt, bei der ein Tag bewusst an den Leser gehalten werden muss, um zu funktionieren. Je nachdem welcher Frequenzbereich eines RFID-Systems gewählt wird, ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, die die folgende Grafik veranschaulicht.

Die Energieversorgung des Datenträgers, sowie der Datenaustausch zwischen Datenträger und Lesegerät erfolgt durch Verwendung magnetischer oder elektromagnetischer Felder. Die technischen Verfahren wurden hierzu aus der Funk- und Radartechnik übernommen. Der RFID-Transceiver (Leser) versorgt den RFID-Tag kontaktlos mit Energie und dem entsprechenden Takt. Der RFID-Tag reagiert und übermittelt die geforderten Daten.

Zur Datenubertragung zwischen Transceiver und Tag kommen prinzipiell folgende beiden Verfahren zum Einsatz:

Lastmodulations-Verfahren: Bei der Lastmodulation sind die Antennenspulen von Lesegerät und Tag über das Nahfeld gekoppelt. Dabei darf der Abstand der beiden Spulen nicht größer als die Wellenlänge/2π sein. Der sich in Resonanz befindende Tag entzieht dem magnetischen Wechselfeld Energie, die einerseit zum Speisen der internen Elektronik verwendet wird. Andererseits wird durch gezieltes An- und Abschalten eines Lastwiderstands dieser Energieverbrauch variiert und somit ändert sich die Spannung an der Antennenspule. Durch diese Form von Amplitudenmodulation kann der Tag Daten an das Lesegerat senden. Im Lastmodulationsbetrieb kommen Transponder mit Luftspulen zum Einsatz.

Backscatter-Verfahren: In Systemen mit höherer Reichweite, die über das Weitfeld gekoppelt sind, kommt das dieses Verfahren zur Anwendung. Hierbei hat sich das elektromagnetische Feld bereits von der Antenne abgelöst und breitet sich als Welle im Raum aus. Das Verfahren basiert darauf, dass elektromagnetische Wellen vom Transponder reflektiert werden. Die Transponderantenne reflektiert oder absorbiert dabei das Feld und das Lesegerät registriert das Verhältnis der Reflexionsänderung (Backscattering). Bei diesem Verfahren muss ein Transponder mit einer Dipolantenne ausgerüstet sein.

Das Prinzip des Lastmodulations-Verfahrens soll hier mit einem vereinfachten Modell veranschaulicht werden. Der hier vorgestellte RFID-Transponder kann nur 1 Bit Information übermitteln, funktioniert im Übrigen ähnlich wie die richtigen Tags. Insbesondere die Energieversorgung und die Lastmodulation sind dem Original nachempfunden. Als Modell für den Reader wird ein kleiner HF-Sender mit einer Frequenz von 13,56 MHz benötigt, der sich dikret mit zwei Transitoren aufbauen läßt. Die Sende-Luftspule mit vier Windungen erzeugt ein kräftiges HF-Feld, aus dem der Transponder seine Energie gewinnt.

Das HF-Feld des Senders gelangt über eine Spule mit gleichem Aufbau zum Transponder-Eingang. Dort befindet sich ein abgestimmter Schwingkreis, dessen HF-Spannung gleichgerichtet wird. So erhält man bei Annäherung an den Sender eine Betriebsspannung von etwa 3 V, die für die nachfolgende Schaltung gerade noch ausreicht. Die 1-Bit-Information wird über einen Frequenzteiler mit dem Teilerverhältnis 10 erzeugt. Am Ausgang des 4017 liegt eine Rechteckspannung mit einem Zehntel der Eingangsfrequenz (1,356 MHz) und einem Tastverhältnis von 1 zu 10. Die herunter geteilte Frequenz steuert einen Transistor an, der für eine Lastmodulation des Antennensignals zuständig ist. In jeder zehnten Periode des Eingangssignals wird er leitend und entzieht dem Schwingkreis gerade eben soviel Energie, dass der Teiler an seinem Takteingang noch genügend Eingangsspannung erhält.

Am Kollektor des BC547 ergibt sich dann das folgende Signalbild. Durch die zusätzliche Belastung sinkt auch die Betriebsspannung des Systems etwas ab, nach einigen Perioden erholt sie sich aber wieder.

(Quelle der Demo-Schaltungen: AK-MODUL-BUS GmbH)

Vielfachzugriffsverfahren

Viele Anwendungen fordern von RFID-Systemen, dass eine größere Anzahl von Objekten gleichzeitig erkannt wird, z. B. alle Waren in einem Einkaufswagen. Verglichen mit RFID-Systemen, bei denen sich immer nur ein einziger RFID-Transponder im Lesebereich befindet (z.B. Zugangskontrolle), wird hier ein komplexeres Kommunikationsverfahren benötigt. Verfahren, die es gestatten, mehrere RFID-Transponder gleichzeitig auszulesen, nennt man "Vielfachzugriffsverfahren". In der Funktechnik sind Raummultiplex (SDMA), Zeitmultiplex (TDMA), Frequenzmultiplex (FDMA) und Codemultiplex (CDMA) als Vielfachzugriffsverfahren bekannt. Bei RFID-Transpondern wird hauptsächlich ein Zeitmultiplex-Verfahren (TDMA), selten auch ein Frequenzmultiplex-Verfahren (FDMA) oder eine Mischung aus beiden verwendet. Es handelt sich bei RFIS um ein Antikollisionsverfahren (ähnlich wie bei Computernetzen), das sich in zwei Klassen unterteilen läßt:

Angriffs- bzw. Schutzszenarien

RFID-Einsatzbereiche

Die Nutzung von RFID beschränkt sich nicht auf eine bestimmte Branche oder einen speziellen Einsatzbereich. Wegen der Vielfältigkeit kann sie überall dort eingesetzt werden, wo Produkte oder Objekte automatisch identifiziert bzw. verwaltet werden. RFID wird daher auch als Querschnittstechnologie bezeichnet. Einige RFID-Anwendungsbereiche werden nachfolgend kurz dargestellt:

RFID-Standards

Literatur

H. Bhatt, B. Glover: RFID Essentials, O'Reilly, ISBN 0-596-00944-5
Klaus Finkenzeller: RFID-Handbuch, Hanser, ISBN 978-3-446-42992-5
Patrick Sweeney: RFID für Dummies. ISBN 3-527-70263-6
G. Tamm, C. Tribowski: RFID, Springer. ISBN 978-3-642-11459-5