RFID und deren Anwendung bei technischen Investitionsgütern

Inhaltsverzeichnis

1 Entwicklung und Klassifizierung von RFID-Systemen

2 Anwendung von RFID

3 RFID vs. IEEE 1902.1 - RuBee

4 Schlussfolgerung und Ausblick

5 Anhang

Glossar

Tabellenverzeichnis

1.1 RFID-Klassifizierung nach Frequenzen

1.2 RFID-Klassifizierung nach Abstand zum Leser

1.3 RFID-Transpondern (Tags, Marker, Aufkleber) Klassifizierung

5.1 RFID Unterteilung

5.2 RFID-Katalog [teils aus:[¹ ]

Abbildungsverzeichnis

1.1 Elektromagnetische Welle.

1.2 Eigenschaften der Frequenz von RFID-Systemen (KERN, 2006)

1.3 RFID-Tags Grundfunktionen [vgl.(MORELOS-ZARAGOZA, Fall 2007)]

1.4 Funktionsweise Mikrowellensystem (FINKENZELLER, 2002)...

1.5 Elektrische Kopplung bei geschlossenen Systemen (FINKENZELLER, 2002)

1.6 Systemarchitektur für RFID-Anwendungen (PREIS, 2006).

2.1 RFID-Umsatz weltweit, geschätzt bis 2016 [aus (HENG, 2008)].

2.2 Ziele der RFID-Projekte, die tatsächlich erreicht wurden; % der befrag- ten Unternehmen, [angelehnt an (HENG, 2008)]

5.1 Entwicklung von RFID-Systemen aufgeteilt nach: Standard, Technik und Anwendung (vgl.(KERN, 2006)

5.2 RFID-Transponder an Blumenwagen (eigene Aufnahme)

5.3 Regal mit seitlicher Rutsche für die Rückführung von eKanban-Karten [aus² ]

5.4 Praxistest verschiedener RFID-on-Metall-Tranponder an verschiedenen Metallen³

5.5 Röntgenaufnahme der funktionsintegrierten Tretkurbel⁴

5.6 Druckgussbauteil mit eingegossenem RFID-Transponder zur Bauteilkenn- zeichnung und zum Plagiatschutz⁵

5.7 Fahrzeug im Kontrollraum⁶

5.8 Fahrzeug im Kontrollraum mit Antennen für Fahrzeugabtastung und Passierfahrt⁷

5.9 Beispiel für Hochsicherheitstore⁸

Einleitung

RFID - Radio Frequency Idenfication - ist eine Technologie zur Kennzeichnung von verschieden Gütern, Waren, Tieren und Menschen. Man kann die RFID-Systeme als eine Weiterentwicklung des klassischen Bar-Codes sehen. Auch für ein RFID-System wird ein Lesegerät und ein Transponder benötigt. Die Kommunikation findet über Radiowellen statt, deswegen erhalten Lesegerät und Transponder eine Antenne und für die Datenspeicherung noch einen zusätzlichen Chip.

Bar-Code- und RFID-Systeme gliedern sich in die Gruppe der Auto-ID-Systeme ein, das heißt Objekte können automatisch und dadurch maschinell lesbar gemacht wer- den. Ein großes Nutzpotential weisen die RFID-System dadurch auf, dass bei dieser Technologie kein menschliches Eingreifen erforderlich ist. Dieser Vorteil entsteht durch den Einsatz von Radiowellen. Diese benötigen zum Einlesen und Schreiben von Daten keinen direkten Sichtkontakt. Des weiteren ist es möglich mehrere Objekte gleichzeitig zu erkennen und Daten auf den Chips der Objekte zu verändern bzw. abzulegen⁹.

Aber jede Technologie hat auch ihre Schattenseite, bei RFID zeigen sich Probleme in Umgebungen mit viel Metall und Wasser. Da aber Industrieanlagen dies sehr oft aufweisen, wurde in den letzten Jahren eine neue Technologie entwickelt. Es handelt sich dabei um RuBee (IEEE 1902.1), die es ermöglicht den Einsatz von Transponder in Metallischer Umgebung und unter Wasser zu nützen.

Abstract

RFID is a Technology which is used for marking good, animals, wares and at least peoples. We can see RFID as the next generation of the classical barcode system. For the usage of RFID, a reader and a tag is needed. The communication between those devices goes over radiowaves, that means, the tag and reader needs antenna-systems and for saving data an extra microchip, too.

Barcode and RFID-Systems are grouped in auto-id-systems, so objects could be read automalicy by scanning and that means machines can do that. A big plus for RFID against barcode is, that no human is needed to read it and another advantage is that data can be read and written without seeing the target-tag, so no line of sight is needed. At least you can read many objects at the same time, and that’s impossible by using a barcode system.

But every technology have some bad attitudes, on RFID its the difficult of usage in industrial environment. Steel, water and peoples are bad objects for radio-frequencies. So a new standard has been developed. Is RuBee (IEEE 1902.1) - this technology could be used in such environments and works perfect. So under water it is working very well and at least steal improves the signals-strength

Entwicklung und Klassifizierung von RFID-Systemen

Kapitel Entwicklung und Klassifizierung von RFID-Systemen

Kapitelinhalt:

1.1 Geschichte der Radio-Frequenz-Technologie

Geschichtlich gesehen hat die Radio-Technologie ihren Anfang in den Wirren des 2. Weltkriegs. Dort wurde die Radioübertragung und auch die Radartechnologie entdeckt. Durch den Druck des Krieges wurden die Entwicklungen dieser Technologien forciert. Über die gewonnenen Erkenntnisse auf den Gebieten der elektromagnetischen Wellen wurde die nächste Entwicklungsstufe erreicht.

Diese Stufe wurde mit der Erfindung und Entwicklung der Freund-Feind-Erkennung begonnen. Der Zusammenschluss von Radioübertragung und Radartechnologie er- möglichte nun eine eindeutige Erkennung von Land- und Luftfahrtzeugen. Dafür wur- de ein Transponder und ein Lesegerät in jedem Fahrzeug untergebracht. [vgl.¹ ]

1948 wurde von Harry Stockmann der Grundstock in seinem Werk „communications by means of reflected power“ veröffentlicht. In den 60er und 70er Jahren erfolgten die ersten, grundlegenden Patentanmeldungen, auch wurde von Siemens ein System zur eindeutigen Identifizierung entwickelt. Es wurde Anfangs in Eisenbahnwagons und später auch an Autoteilen für die Lackierei eingesetzt.

Die erste kommerzielle Nutzung der RFID-Technologie taucht in den 1970 Jahren auf dem Massenmarkt auf. Hierbei handelte es sich um die einfache Warensicherung in der ein einziges Bit darüber entscheidet, ob der Alarm ausgelöst wird oder nicht.

In den 80iger Jahren geht die Entwicklung der Technologie weiter - Mautsysteme, Transportsysteme, Zugriffsberechtigungen und Tieridentifikationen werden durch den RFID-Einsatz aufgewertet. Die dabei verwendeten Systeme basieren meist auf dem Grundprinzip der induktiven Kopplung von Transponder und Lesegerät. Dies hat den Nachteil, dass es nur im Nahbereich gut funktioniert.

Durch die stetige Verbesserung und auch Miniaturiarisierung von IC’s in den 90er Jahren wurden die Baugrößen von RFID-Applikationen immer kleiner. Auch der Einsatz von CMOS-Technologie erhöhte den Speicherplatz. So hatte z.B. ein Hohlraumresonator (Siemens 1970) etwa eine Kapazität von 12Bit [vgl.² und³ ].

In der Abbildung 5.1 (siehe Anhang, Kapitel 5.2) sind in 3 Ebenen, Standards, Techno- logieentwicklung und Anwendungen, die Entwicklungsschritte der RFID-Technologie aufgezeigt.

1.2 Physik eines RFID-System

RFID basiert, wie der Name schon sagt, auf Radio-Frequenzen. Die Existenz von Radiowellen wurden theoretisch von Maxwell 1864 nachgewiesen (siehe auch: Kapitel 5.1) und konnten durch Herz 24 Jahre später durch Experimente bestätigt werden.

Als Radiowellen wird der Frequenzbereich von 10⁴ Hz bis 10¹¹ Hz des elektromagneti- schen Wellenspektrums bezeichnet. Diese Wellen benötigen zur Ausbreitung kein Me- dium im Gegensatz zu Schallwellen. Das heißt, Radiowellen bewegen sich auch durch Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit und zwar unabhängig von ihrer Frequenz.

1.3 Definition

Eine elektro-magnetische Welle

wird nach Abbildung 1.1 dar- gestellt - dabei entspricht die blaue Sinuskurve dem elektri- schen Feld (E -Feld) und die rote Sinuskurve dem magnetischen Feld (H -Feld). Die dabei trans- portierte Energie wird in beiden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Elektromagnetische Welle

Feldern gespeichert. Durch diese Verkettung der einzelnen Wellen entsteht ein fester Zusammenhang. Die aufgespannte Fläche zwischen E -Feld un]d H -Feld bildet eine Wellenfront, welche senkrecht zur Ausbreitungsrichung steht. Somit entsteht die Strahlungsdichte S, welche als Poynting-Vektor bezeichnet wird. In der Abbildung 1.1 zeigt der Poynting-Vektor also in y-Richtung.

1.4 Eigenschaften und Besonderheiten

Elektromagnetische Strahlung besitzt unter anderem die Eigenschaft, dass sie polarisiert werden kann. Es wird zwischen Linearpolarisation und Zirkularpolarisation unterschieden. Für die Funktechnik gilt dabei, dass die Energieübertragung zwischen zwei Antennen optimal ist, wenn deren Polarisationsrichtung gleich ist.

Wenn die Antennen um 90 ◦ bzw. 270 ◦ zueinander verdreht sind, kann hierbei eine zusätzliche Polarisationdämpfung von 20 dB eintreten.

1.5 Auswirkungen auf RFID-Systeme

Da meist bei RFID-Systemen die Lage von Transponder und Lesegerät unbekannt ist, spielt eine mögliche unerwünschte Polarisationsdämpfung eine wesentliche Rolle. Um dieses Problem zu kompensieren, sollte eine Zirkularpolarisation in der Antenne des Lesegeräts (auch Reader genannt) verwendet werden.

Eine weitere Eigenschaft bei Funksystemen ist die Reflexion von Wellen. Wird von einem Sender eine elektromagnetische Welle abgestrahlt, trifft sie auf unterschiedliche Objekte. Dabei wird die Hochfrequenzenergie zu einem gewissen Anteil absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der restliche Anteil wird mit unterschiedlicher Stär- ke von den getroffenen Objekten in viele Richtungen zurückgestreut. Dabei gelangt auch wieder ein Teil zur Senderantenne zurück. Dieses Verfahren wird in der RADAR- Technik (Radio Detection and Ranging) zur Lage- und Entfernungsbestimmung einge- setzt [vgl.⁴ ].

Dieser Effekt der Reflexion von elektromagnetischen Wellen wird auch in der RFIDTechnologie verwendet. Bei Backscatter-Systemen erfolgt die Datenübertragung von dem Transponder zum Lesegerät über das Zurückstrahlen der ausgesendeten Radiowelle. Dabei ist aber zu beachten, das mit steigendender Frequenz die Strahlungsreflexion an Objekten zunimmt. Deswegen werden diese Systeme oft bei Frequenzbereichen zwischen 868 MHz, 2.45 GHz und höher eingesetzt.

1.6 Klassifizierung von Transponder-Systemen

RFID-Systeme lassen sich unterschiedlich klassifizieren. Die Klassen können etwa nach der Funkfrequenz, Reichweite oder eingesetzte Technologie gebildet werden. Dies ist oft hilfreich, da bei bestimmten Einsatzzwecken nur bestimmte Systeme ihre Funktion erfüllen. Somit sind die verschiedenen Einteilungen immer Entscheidungshilfen bei der Auswahl des richtigen Systems, da es je nach Einsatzzweck und Einsatzort zum Teil gewisse Einschränkungen oder Besonderheiten zu beachten gibt.

1.6.1 Klassifizierung nach Funkfrequenz

Klassifiziert man die Technologie nach der eingesetzten Übertragungsfrequenz, so ergeben sich wesentliche Unterteilungen:

LF (Low Frequency) Dieser Bereich ist kleiner gleich einer Frequenz von 135kHz.

HF (High Frequency) Hierunter fallen alle Sender- und Transmittertechnologien, die einen Frequenzbereich von größer als 135 kHz bis zu einer Obergrenze von 13.56 MHz aufweisen.

UHF (Ultra High Frequency) Der nächste Funkbereich deckt hierbei das Spektrum mit einer Untergrenze von 860MHz und der Obergrenze von 930MHz ab.

μ F (Microwave Frequency) Die höchstfrequenten Technologien befinden sich in die- sem Bereich, hier werden Frequenzen von 2.45GHz erreicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.1: RFID-Klassifizierung nach Frequenzen

Die Frequenzen können im nationalen Bereich bestimmten Einschränkungen unter- liegen. Diese Einschränkungen können sich auf die Sendeleistung oder/und weitere Frequenzbereiche auswirken. Zum Beispiel sind in den Vereinigten Staaten zusätz- liche Frequenzen in bestimmten Bereichen erlaubt, ebenso wie zum Teil auch höhe- re Sendeleistungen. Zur Zeit laufen Bestrebungen, die eingesetzten RFID-Frequenzen global zu standardisieren. Denn durch den immer globaleren Markt können Ausfälle aufgrund von nichtlesbaren RFID gekennzeichneten Gegenständen hohe Kosten ver- ursachen (z.B. Versand).

Aus der Abbildung 1.2 ist der Zusammenhang von Eigenschaften und Frequenzzunahme aufgezeigt. Dabei sind bei den niederfrequenten Systemen die Eigenschaften von z.B. Durchdringen von Wasser und Feststoffen viel besser, aber dafür ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit schlechter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Eigenschaften der Frequenz von RFID-Systemen ( KERN , 2006)

1.6.2 Klassifizierung nach Reichweite

Die Entfernung bei der RFID-Informationen noch sicher lesbar sind, hängt direkt mit der verwendeten Übertragungsfrequenz zusammen. Niederfrequente Systeme fordern einen kleinen Abstand zwischen Transponder und Lesegerät. Je höher der geforderte Abstand, desto größer muss auch die Übertragungsfrequenz der eingesetzten Techno- logie ausgewählt werden. Hierbei lässt sich die Tabelle 1.1 mit den Abständen erwei- tern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.2: RFID-Klassifizierung nach Abstand zum Leser

1.6.3 Klassifizierung nach Speicherkapazität von RFID-Transpondern

Ein weiterer Gesichtspunkt neben der Reichweite von RFID-Systemen ist die Auswahl der benötigten Speicherfähigkeit von Transpondern (auch Tag, Aufkleber, Markern genannt). Die Klasseneinteilung wird in der Tabelle 1.3 aufgezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.3: RFID-Transpondern (Tags, Marker, Aufkleber) Klassifizierung

1.6.4 Klassifizierung nach Technologie

Die Grundfunktionen von RFID-Tags zeigt die Abbildung 1.3. Dabei werden die Systeme nach ihrer Speicherkapazität und der Übertragungstechnologie unterteilt. Viele Funktionen von RFID-Technologien lassen sich mit 1-Bit-Technologie (gesetzt - nicht gesetzt) bewerkstelligen.

1-Bit-Transponder

1-Bit-Transponder geben lediglich Auskunft, ob vorhanden oder nicht. Zum Beispiel bei der Diebstahlsicherung per Etikett mit Transponder. Hier registriert der Detektor nur die Passage eines Transponders.

Radiofrequenz-Verfahren Mit dem Radiofrequenz-Verfahren wird ein elektrischer Schwingkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator, in das System ein- gebracht. Dieser besitzt eine Resonanzfrequenz die vom Lesegerät gemessen und aus- gewertet werden kann. Die Funktion besteht darin: das Lesegerät erzeugt ein Wech- selfeld, nähert sich der Schwingkreis eines Transponders so entsteht in ihm eine Reso- nanzschwingung. Diese Schwingung erzeugt einen Induktionsstrom in der Spule und dadurch entsteht wiederum ein magnetisches Wechselfeld. Dieses entstehende Wech- selfeld trägt nun zu einer messbaren Abschwächung der magnetischen Feldstärke im Transmitter bei.

Der Nachteil der Radiofrequenz-Technik liegt darin, dass meist nur ein Abstand von etwa 2 Metern zwischen den Antennen des Lesegeräts möglich ist (Kaufhauseinsatz). Damit ergibt sich auch eine geringe Detektionsrate von etwa 70%, dies zeigt, dass ein relativ hoher Einfluss von Produktmerkmalen eine wesentliche Rolle spielt. Hier zei- gen vor allem Metalle negative Einflüsse (z.B. Konserven). Diese verändern die Reso-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3: RFID-Tags Grundfunktionen [vgl.( MORELOS-ZARAGOZA , Fall 2007)]

nanzfrequenz der meist aufgeklebten Etiketten und führen zu einer Neutralisation der gewünschten Funktion. Um diesen negativen Effekt zu kompensieren müssen meist Aufkleber vom Format 50 x 50mm zum Einsatz kommen.

Mikrowellen Mikrowellensysteme bei 1-Bit-Sicherungssystemen nutzen das Prinzip der Fourier-Reihe. Durch den Einsatz von nichtlinearen Bauelementen, wie z.B. Diode, erzeugt jeder Zweipol eine harmonische Schwingung zur Grundwelle. Die Grundwelle entspricht dabei der angeregten Sinus-Frequenz. Am Ausgang entstehen somit immer Vielfache dieser Grundanregung. Aus der Abbildung 1.4 ist dies ersichtlich; die Anregung des Senders mit 2.45 GHz erzeugt über den 1-Bit-Transponder eine 1. Oberwelle mit (= 2. Harmonische) mit 4.90 GHz.

Eine Besonderheit dieser Tech- nologie zeigt sich darin, dass bei nichtlinearen Widerständen sehr viel Energie verbraucht wird. Dies kann unter ungünstigen Bedingungen zur Folge haben, dass der Wirkungsgrad η mit

1/ n 2abnimmt. Wobei n für die n-te Anzahl an Oberschwingun-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.4: Funktionsweise Mikrowellensystem ( FIN- KENZELLER , 2002)

gen steht. Aber durch die Wahl von nichtlinearen Energiespeichern (meist Kapazitätsdioden) können die Verluste wiederum sehr gut kompensiert werden.

Frequenzteiler Die Frequenzteiler-Systeme sind für langwellige Frequenzbereiche interessant. Sie besitzen eine Schwingkreisspule und außerdem noch einen Mikrochip. Durch die Spule und den zusätzlich angebrachten Kondensator entsteht ein Schwing- kreis. Bei Resonanz wird die vom Sender emittierte Frequenz durch den passiven Transponder halbiert. Die halbierte Frequenz wird nun zum Empfänger reflektiert und kann somit erfasst werden.

Zur Zeit werden diese Art von Transponder in Hartetiketten aus Kunststoff eingesetzt und werden beim Kauf einer Ware entfernt.

Elektro-Magnetisch Auch die elektro-magnetischen Verfahren basieren auf sehr nie- derfrequenten Bereichen und arbeiten mit starken magnetischen Feldern. Dabei wird meist eine Übertragungsfrequenz von etwa 10 Hz bis 20 kHz eingesetzt. Durch das pe- riodische Ummagnetisieren der weichmagnetischen amorphen Metallstreifen bis zur Sättigung ergibt sich ein stark nichtlineares Verhältnis zwischen der Feldstärke H und der magnetischen Flussdichte B. Dies und der sprunghafte Wechsel der Flussdichte B im Nulldurchgang erzeugen harmonische Frequenzen zur Anregungsfrequenz. Diese lassen sich nun ähnlich wie bei Mikrowellensystemen detektieren und auswerten.

Für das Deaktivieren sind die Etiketten mit einer hartmagnetischen Metallschicht um- geben, oder besitzen abschnittsweise hartmagnetische Plättchen. Die hartmagnetischen Schichten können an der Kasse durch einen sehr starken Permanentmagneten magne- tisiert werden. Sind diese magnetisiert, ist die Remanenzfeldstärke so groß, dass die weichenmagnetischen Teile nicht mehr durch das Wechselfeld ummagnetisiert wer- den können. So wird eine Erkennung der Sicherungsanlage nicht mehr wirksam.

n-Bit-Transponder

Weit interessanter als Transponder mit 1-Bit sind die mit n-Bit. Auf diesen können weit mehr Daten gespeichert werden. Dafür wird aber auch eine weit komplexere Technologie benötigt. Bedienen sich die 1-Bit-Verfahren meist an einfachen physikalischen Effekten benötigen n-Bit-Tags immer einen elektronischen Mikrochip als Datenträger. Die Kapazität kann dabei bis zu einigen Kilo-Byte gehen.

Voll- und Halbduplexverfahren Um eine Datenübertragung zwischen dem Reader und dem Tag durchführen zu können, gibt es verschiedene Verfahren, zum einen die Voll- und Halbduplexsysteme, zum anderen das sequenzielle Übertragen.

Ein Halbduplexsystem zeichnet sich durch eine getrennte Kommunikation aus. So ist die Datenübertragung vom Lesegerät zum Transponder zeitversetzt mit der Rückantwort vom Transponder zum Lesegerät. Diese Technik ist besonders leicht bei Frequenzen unter 30 MHz zu realisieren.

Eine Verbesserung der Übertragung wird dabei in einem Fullduplexsystem erreicht - hier findet eine zeitgleiche bidirektionale Datenübertragung statt. Technisch wird dies dadurch realisiert, dass die Daten des Transponders auf Teilfrequenzen des Readers übertragen werden.

Induktive Kopplung Die Induktive Kopplung von Tags an einem Reader ist fast ausschließlich bei passiven Systemen zu finden. Der Tag (Transponder) besitzt oft nur einen einzelnen Mikrochip und eine großflächige Spule (Antenne).

Durch diesen Aufbau wird vom Lesegerät die benötigte Energie für den Betrieb des Mikrochips geliefert. Dies geschieht über ein starkes und hochfrequentes EM-Feld wel- ches in der Spule des Transponders eine Spannung induziert. Zu beachten ist dabei die eingesetzt Übertragungsfrequenz und deren Wellenlänge. Ist die Wellenlänge λ um ein vielfaches Größer als der Abstand zwischen Leser und Transponder kann dies als einfaches magnetisches Wechselfeld behandelt werden. Wird aber die Bedingung λ 2 ·π erfüllt, beginnt sich das elektromagnetische Feld von der Antenne zu lösen und wan- dert in den Raum ab. Dies ist der Übergang vom Nahfeld zum Fernfeld.

Somit gilt als Richtwert für eine funktionierende Übertragung von induktivgekoppelten, passiven Systemen der RadiusrFals Grenze.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Backscatter Wird bei der Induktiven Kopplung nur im Nahfeld gearbeitet, ist die elektromagnetische Backscatter-Kopplung für Abstände über (deutlich) 1 m konzipiert. Diese Long-Range-Systeme benutzen dabei sehr hohe Frequenzen, meist im Megaund Gigaherzbereich.

Bei der Backscatter-Technologie werden nur die ausgesendeten Wellen des Leser zurückgesandt. Im Vergleich zu anderen Technologien werden hier keine Wellen erzeugt. Somit basiert die Datenübertragung zwischen Transponder und Leser auf dem Prinzip der RADAR-Technologie.

Werden sehr große Reichweiten gefordert (ca. 15 m), wird eine Stützbatterie in den Transponder eingebaut. Durch den geschickten Einsatz eines Stand-by-Mode wird ei- ne sehr lange Lebensdauer erreicht. Auch im Betrieb ist die maximale Stromstärke nur im μ A -Bereich, des weiteren wird diese Stützbatterie nur zum Betrieb des IC’s genutzt - die Datenübertragung zwischen Reader und Tag geschieht weiterhin durch die Energie des EM-Feldes.

Geschlossene Kopplung Durch die geschlossene Kopplung zeichnen sich Systeme aus, die für sehr kleine Reichweiten ausgelegt sind. So ist eine Kommunikation nur von einem Bereich von 0.1 cm bis 1 cm möglich.

Die Funktion des Systems zwischen Transponder und Leser basiert auf dem Transformatorprinzip. Meist ist die Transponder-Spule (Antenne) in einer Chipkarte eingelassen. Wird diese gezielt im Luftspalt eines Ringkern- oder U-Kern-Transformators im Lesegerät platziert kann eine Daten- und Energieübertragung stattfinden.

Die Datenübertragung vom Transponder zum Leser kann einerseits mit magnetischer Kopplung erfolgen, andererseits über eine kapazitive (= elektrische) Kopplung. Die magnetische Kopplung basiert auf dem Prinzip der geschlossenen Kopplung (close coupling) und ist in der ISO 10536 festgelegt. Die kapazitive Kopplung kann auch auf Grund der geringen Entfernung zu Datenübertragung verwendet werden.

Elektrische Kopplung In dieser Art von Kopplung wird das Prinzip des Plattenkondensators verwendet. Da- bei werden die Platten aufgeklappt und bilden dann mit den Platten im Transponder und dem IC einen Stromkreis. Dies wird in der Abbil- dung 1.5 dargestellt. Abbildung 1.5: Elektrische Kopplung bei geschlossenen

Systemen ( FINKENZELLER , 2002)

Sequenzielle Systeme Bei Voll- und Halbduplex-Systemen findet eine dau- erhafte Energieübertragung vom Lesegerät zum Transponder statt, unabhängig von der Datenübertragungsrichtung. Bei sequenziellen Systemen wird die Energieüber- tragung nur für eine bestimmte Zeit und Richtung (von Transponder zu Lesegerät) durchgeführt.

Induktive Kopplung Systeme mit dieser Konfiguration (sequenzielle und induktive Kopplung) arbeiten ausschliesslich unter einer Frequenz von 135 kHz und sind trans- formatorisch gekoppelt. Dabei wird die über das Lesegerät induzierte Wechselspan- nung im Transponder gleichgerichtet und kann somit zur Spannungsversorgung des IC’s genutzt werden. Da es bei sequenziellen Systemen keinen dauerhaften Energie- fluss gibt, befindet sich im Tag ein zusätzlicher Ladekondensator als Energiespeicher.

OFW OFW steht für Oberflächenwellen-Bauelemente welche auf der Piezoelektronik und der oberflächengebundenen Ausbreitung akustischer Wellen basieren. Der Betrieb findet hierbei oft im ISM-Bereich bei 2.45 GHz statt.

Durch den strukturbedingten Aufbau der Chips kann ein elektrischer Impuls einen piezoelektrischen Effekt erzeugen. Dieser hat zur Folge, dass sich nun eine Oberflächenwelle (Rayleigh-Welle) ausbreiten kann. Das gleich Prinzip lässt sich auch umkehren und somit kann eine eintreffende Oberflächenwelle über den piezoelektrischen Effekt wieder in ein elektrisches Signal gewandelt werden.

Da sich die Oberflächenwellen mit nur etwa 3000 m s bewegen,trifftderersteAntwort- impuls etwa nach einer Zeit von1.5 ms nach dem Start des Anfrageimpulses ein. Durch diesen Effekt ergeben sich Vorteile für den Empfang: Würde der vom Leser ausge- sendet Impuls an einer Metalloberfläche reflektiert werden, würde dieser mit Licht- geschwindigkeit zur Antenne des Leser zurücklaufen. Bei einer Entfernung von 100 m würde dies nach 0.6 ms geschehen und dabei wäre das Signal um mehr als 160 dB geschwächt. Somit ist bis zum Eintreffen des richtigen Antwortsignal des Transponders nach 1.5 ms genügend Zeit, damit alle Störsignale abgeklungen sind und keine Verfälschung der Pulsfolge auftreten kann.

Weitere Eckdaten der Technologie sind ausserdem eine in der Praxis übliche Speicher- menge von 16 bis 32 Bit und eine Datenrate von etwa 500 kbit. Die Reichweite für die s

Frequenz von 2.45 GHz wird von der zugelassenen Sendeleistung begrenzt und liegt bei etwa 1 bis 2 Meter. [vgl.⁵,⁶,⁷ ]

1.7 Einteilungskriterien für RFID-Systeme [vgl.( KERN , 2006) ]

Eine Zusammenstellung von wichtigen Kriterien, anhand derer RFID-Systeme unterschieden werden können sind im Anhang Kapitel 5.3 in der Abbildung 5.1 dargestellt. Sie kann nicht als vollständig angesehen werden, da es sehr viele Varianten der RFIDSysteme gibt. Sie kann jedoch als gute Übersicht und Orientierungshilfe bei einer Auswahl eines Systems dienen.

1.8 Architektur von RFID-Systemen [ vgl.(BITKOM , 2005) ]

Für die Unterbringung eines RFID-Systems ist eine umfassenden IT-Architektur notwendig, denn dadurch wird ein stabiler und zuverlässiger Betrieb gewährleistet.

In der Abbildung 1.6 ist der Informationsfluss in einer RFID-Architektur schematisch dargestellt. So wird als Erstes die erfasste Transponderinformation über den RFID-Le- ser an einen (Daten) Server übermittelt. Diese kann, je nach Transponder-Art, von der einfachen Seriennummer bis zu bestimmten Sensordaten variieren. Durch diese Spei- cherung ist somit ein Tracking und Tracing möglich, denn die Daten aus dem Trans- ponder werden immer sofort nach dem Auslesen gespeichert. Das heißt, sobald an einer Leseantenne ein Transponder erkannt wird, ist dieser erfasst und im Datenspei- cher festgehalten.

Das Internet der Dinge

Nachdem diese Infor- mationen auf dem Ser- ver gespeichert sind, kön- nen hierauf wiederum andere IT-Systeme zu- greifen. So können zum Beispiel über Datenbank- systeme die gewonne- nen Daten aufbereitet

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.6: Systemarchitektur für RFID-Anwendungen ( PREIS , werden und zur wei- 2006) teren Verarbeitung für Logistik, Produktionsplanung und Qualitätsmanagement verwendet werden.

1.9 Das Internet der Dinge [ vgl.( BITKOM , 2005) ]

Wie später beschrieben, löst die RFID-Technologie den Strichcode ab. Deshalb ist auch eine Weiterentwicklung des EAN-Code auf Barcode-Etiketten notwendig. So wird bei RFID der Electronic Product Code (EPC) verwendet. Dieser besteht aus einem Num- mernschema, das alle Objekte weltweit eindeutig identifizieren kann. EPCglobal Inc. (in New Jersey (USA) und Brüssel (Belgien) geben diese EPC-Codes heraus.

EPCglobal betreibt das EPCglobal Network. Es stellt die standardisierten Mittel für den Einsatz der RFID-Technologie in der globalen Wertschöpfungskette besonders im Handel, zur Verfügung. Das EPCglobal-Szenario geht davon aus, dass zukünftig jedes individuelle Objekt seine eigene Homepage hat und dass diese über das EPCglobalNetzwerk erreicht werden kann. Sie wird irgendwo im Internet liegen und typischer Weise vom Produzenten des Objektes betrieben. Diese Homepage stellt u.a. folgende Angaben zum gewünschten Produkt zur Verfügung:

- Daten über Konstruktion, Produktion, Versand, Verkauf, Wartungs- bzw. Verfallsdaten
- Echtheitszertifikat, Gebrauchsanweisung
- Auslieferung des Objektes auf bestimmten Paletten sowie der Verbleib in der Lie- ferkette

In konstruktiven Bereich wird damit auch das Product Lifecycle Management (PLM) unterstützt. Die Summe dieser Homepages ergibt das häufig zitierte und auch in die Literatur eingegangene ”Internet der Dinge”. Als Dinge werden dabei Artikel, Kartons, Palette, Ersatzteile und andere Objekte verstanden.

Kapitel 2 Anwendung von RFID

Kapitelinhalt:

RFID findet in immer mehr Gebieten einen sinnvollen Anwendungszweck. Durch die verschiedensten technologischen Gegebenheiten bietet diese Technologie für viele Be- reiche einen interessanten Ansatzpunkt. Dabei kann es sich zum Beispiel von der ein- fachsten Diebstahlsicherung bis zur Überwachung von Umweltdaten bei Behältern handeln.

Somit liegen die Anwendungsbereiche bei dieser Technologie in allen Wirtschafts- und Lebensbereichen. Das heisst, dass es sich hierbei um eine Querschnittstechnologie handelt. Sie ist theoretisch unbegrenzt einsetzbar, dabei ist der funktionellen Einsatzzweck meist die Identifizierung von Objekten.

Dabei lässt sie sich in die folgenden Anwendungsgebiete aufteilen[vgl.[1]]:

- Kennzeichnung von Objekten
- Echtheitsprüfung von Dokumenten
- Instandhaltung und Reparatur, Rückrufaktionen
- Diebstahlsicherung und Reduktion von Verlustmengen
- Zutritts- und Routenkontrollen
- Umweltmonitoring und -sensorik
- Supply-Chain-Management: Automatisierung, Steuerung und Prozessoptimie- rung

2.1 Grundsätzliche Bedingungen

Entscheidend für die Funktion von RFID-Systemen in verschiedenen Einsatzumgebungen ist einerseits die eingesetzte Technologie (maßgebend die Frequenz); andererseits aber auch die Verpackung des Transponders und dessen Platzierung.

Viele Transponder können über längere Zeit (bis über 10 Jahre) in Bauteilen bzw. an ihrem Einsatzort verweilen. Bei aktiven Systemen ist die Lebensdauer durch die im Transponder verbaute interne Spannungsversorgung oft zeitlich begrenzt. Hierfür muß im Vorfeld abgeschätzt werden, wie oft ein Lese- und Schreibzyklus abläuft um eine ungefähre Lebensdauer zu berechnen.

Ein weiterer Punkt ist die Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Meist ist die Lesege- schwindigkeit schneller als die Schreibgeschwindigkeit. Dies ist durch die zusätzlich notwendige Energie bedingt und damit verbunden sinkt auch die Reichweite. Für den Einsatz in schnellen Prozessen (Massenproduktion, Fließband etc.) sollte im Vorfeld genau überprüft werden, ob die eingesetzte RFID-Technologie für diesen Zweck ge- eignet ist.

2.1.1 Störgrößen für RFID-Tags

Für die elektromagnetische Welle und ihre vorgesehen Einsatzzwecke und -techniken sind Metall, Wasser und Störfrequenzen eine große Problematik. Das größtes Problem ist dabei die metallische Umgebung. Einerseits bilden sich Interferenzen und uner- wünschte Reflexionen, andererseits entstehen durch die Induktion Magnetfelder die einen Energieverlust des Signals mit sich bringen. Dieser Effekt tritt bei erhöhten Fre- quenzen noch stärker auf! Dadurch wird eine Lesbarkeit der Funksignale schwieriger und ein sinnvoller Einsatz von RFID kann oft nur noch bedingt oder gekoppelt mit an- deren Technologien oder Systemen erfolgen. (siehe Beispiel im Anhang, Kapitel 5.15)

2.1.2 Umgang mit Störgrößen

Viele Störgrößen treten auch in der industriellen Umgebung auf, zum Beispiel durch metallische Komponenten wie Werkstücke, Rohteile, Anlagenteile usw., Flüssigkeiten (Kühlschmierstoffe, Säuren, Laugen usw.) aber auch der durch den Menschen selbst. Um einen Einsatz von RFID in dieser schwierigen Umgebung zu gewährleisten wurden On-Metal-Transponder entwickelt. Diese verbessern die Lesbarkeit von RFID-Tran- spondern, die auf metallischen Gegenständen aufgebracht sind.

2.1.3 On-Metal-Transponder

Werden herkömmliche Transponder auf Metallplatten oder -gehäusen aufgebracht, geht die Lesbarkeit rapide zurück. Ein erster Lösungsansatz ist den Transponder durch eine Isolationsschicht von der Metallumgebung abzuheben. Hierbei können die folgenden Transponderarten eingesetzt werden:

[...]

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¹ KERN: Anwendung von RFID-Systemen. Springer Berlin Heidelberg, 2006, VDI-Buch 〈 URL: http:// www.springerlink.com/content/p1j624/ 〉, ISBN 978-3-540-27725-5 (Print) 978-3-540-27729-3 (On- line).

² PROF. DIPL.-ING. WOLFGANG BODE.

³ PELZL.

⁴ BUSSE, Matthias: Giessereitechnologie. In: Fraunhofer IFAM 〈 URL: http://www.ifam. fraunhofer.de/2801/fachinfo/spektrum/Broschuere-2801-DE-Giessereitechnik.pdf 〉.

⁵ BUSSE.

⁶ SPACECODE LTD: GateGuard - Technology Demo Summery. In: www.rubee.com 2009.

⁷ SPACECODE LTD.

⁸ SPACECODE LTD.

⁹ vgl. KERN (2006)

¹ WIKIPEDIA (2010).

² WITSCHNIG (2006).

³ WIKIPEDIA (2010).

⁴ FINKENZELLER (2002).

⁵ FINKENZELLER (2002).

⁶ SCHUSTER (2007).

⁷ KERN (2006).

¹ BUNDESAMT FÜR SICHERHEIT IN DER INFORMATIONSTECHNIK (2005).