Die prinzipielle Funktionsweise des kontaktlosen Chips (RFID) und dessen Anwendung im Waren- und Logistikbereich

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Das RFID-Prinzip
2.1 Transponder
2.2 Lesegerät
2.3 Stromversorgung
2.3.1 Resonanzfrequenz / Schwingkreis
2.3.2 induktive Kopplung
2.3.3 kapazitive Kopplung
2.4 Datenübertragung
2.4.1 1-Bit-Transponder Seite 12
2.4.2 Lastmodulation
2.4.3 Modulierter Rückstrahlquerschnitt
2.5 Reichweiten
2.6 Das Prinzip zusammengefasst

3. Anwendung im Waren und Logistikbereich

4. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Ihnen ist es bestimmt auch schon einmal passiert, dass Sie im Geschäft ein Kleidungsstück gekauft haben und beim Verlassen des Geschäftes der Diebstahlschutz Alarm schlägt, obwohl Sie es doch an der Kasse bezahlt haben. Die Sicherung des Produktes wurde wieder einmal nicht deaktiviert oder vom Produkt entfernt. Sie gehen zurück lassen die Sicherung entfernen und beim Verlassen des Geschäfts piepst es nicht mehr.

Doch wie funktioniert dieser Diebstahlschutz? Wie merkt ein System, welches ohne Kameras oder menschliche Beobachtung arbeitet, dass soeben ein Produkt mit einem Diebstahlschutz den Laden verlässt? Es ist doch meistens in der Tasche und kann nicht erkannt werden.

Das Geheimnis liegt in der RFID-Technik.

„Der englische Begriff Radio Frequency Identification (...) (RFID) bedeutet im Deutschen Identifizierung mit Hilfe von Hochfrequenz. RFID ist ein Verfahren zur automatischen Identifizierung von Gegenständen und Lebewesen. Neben der berührungslosen Identifizierung und der Lokalisierung von Gegenständen steht RFID auch für die automatische Erfassung und Speicherung von Daten.“^[1]

„Die technischen Verfahren hierzu wurden aus der Funk- und Radartechnik übernommen.“^[2]

Aber nicht nur im Diebstahlschutz wird diese weiterentwickelte Technik eingesetzt. Ihre Einsatzgebiete und die Ausführungen der Systeme scheinen unbegrenzt. RFID bietet eine kontaktlose Identifikation von Gegenständen und Lebewesen. So kommt diese Technik vor allem in der Logistik zum Einsatz und hat dort die verbreitetste Form der Identifikation, den Barcode, bald verdrängt.

„Der Barcode ist ein numerischer Code, er besteht aus parallelen Strichen unterschiedlicher Breite. [...] Die Information ist entweder nur in der Strichbreite enthalten oder in der Strichbreite und der Breite der Lücke.“^[3]

Im folgenden Text wird zunächst die Funktionsweise dieser Technik mit den dazugehörigen physikalischen Grundlagen geschildert. Im Anschluss daran werden weitere Einsatz-Beispiele der Logistik aufgeführt.

2. Das RFID-Prinzip

In diesem Kapitel werden die zwei Komponenten der RFID-Technik vorgestellt, nämlich der Transponder und das Lesegerät. Des Weiteren wird geschildert wie diese beiden Geräte oder System-Bauteile in Verbindung stehen. Es werden nicht nur die auf dem Transponder bzw. Chip enthaltenen Daten gesendet, sondern auch die Energie, die dafür zur Verfügung stehen muss, wird vom Lesegerät an den Transponder übermittelt. Deshalb wird die Energieversorgung und die Datenübertragung zwischen diesen Bauteilen unter Zuhilfenahme der physikalischen Grundlagen erklärt. Es kann in dieser Arbeit jedoch – wie im Vorwort geschildert – nur auf die weit verbreitetsten Möglichkeiten eingegangen werden.

2.1 Der Transponder

„Transponder: Übertragungseinheit aus Empfänger und Sender (transmitter), die nach Aufforderung antwortend (respond) Informationen zurücksendet.“^[4]

Der Transponder ist der „eigentliche Datenträger“, der „in der Regel keine eigene Spannungsversorgung [...] besitzt“. Diesen Typ nennt man daher auch passiven Transponder, da er nur in der Nähe der anderen System-Komponente aktiv wird. Er „besteht üblicherweise aus einem Koppelelement sowie einem elektronischen Mikrochip“.^[5] Das Koppelelement ist meist eine Spule oder Antenne, welche zum Energie- und Datenaustausch genutzt wird.

In den meisten Fällen ist der Transponder mit einem festen Datensatz beschrieben, diese Form heißt „Read-Only-Transponder“. Die zweite Form heißt „Read-Write -Transponder“, diese Transponder sind wiederbeschreibbar, enthalten „Computerfunktionalität“ und sind in manchen Fällen sogar mit einem Sensor bestückt.^[6]

2.2 Das Lesegerät

Die andere Komponente ist das Lesegerät, welches die Energie für den Transponder zur Verfügung stellt und die Daten vom Transponder empfängt. Es besteht aus einem Hochfrequenzmodul, einer Kontrolleinheit und wiederum aus einem Koppelelement^[7], welches auch hier wieder aus einer Spule und einem Kondensator, welche parallel geschaltet sind, besteht.

Auch wenn es Geräte gibt mit denen die Transponder beschrieben werden können, wurde in dieser Arbeit auf Grund des häufigeren Gebrauchs die Formulierung Lesegerät gewählt.

2.3 Stromversorgung

Wenn der Transponder wie in den meisten Fällen passiv ist, muss die Energie wie erwähnt vom Lesegerät bereitgestellt werden. Hierfür stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung, nämlich die induktive und kapazitive Kopplung.

Bei den passiven Transpondern müssen große Energiemengen zum Transponder übertragen werden, damit der Chip arbeiten kann. Bei aktiven Transpondern, welche eine eigene Stromversorgung besitzen, muss nur eine kleine Energie induziert werden. Aktive Transponder sind außerhalb des Ansprechbereiches im Standby Zustand und werden durch eine geringe Energie 'geweckt', wobei die passive Variante außerhalb des Ansprechbereiches völlig inaktiv ist.

Bei der induktiven Kopplung „erzeugt das Lesegerät [...] ein hochfrequentes Magnetfeld“, welches in die Spule oder Antenne des Transponders induziert wird. Im Transponder befindet sich neben der Spule noch eine Kapazität, welche üblicherweise parallel geschaltet ist. „So entsteht ein Parallelschwingkreis. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht der Sendefrequenz“^[8].

2.3.1 Resonanzfrequenz / Schwingkreis

Jedes schwingungsfähige System besitzt eine Frequenz, „mit der das System nach einmaliger Anregung schwingen kann“. Wenn ein System mit einer Frequenz, welche seiner Eigenfrequenz entspricht, in Schwingung gebracht wird, „reagiert das System mit besonders großen Amplituden“^[9]. Da man diesen Vorgang als Resonanz bezeichnet, nennt man diese Frequenz auch Resonanzfrequenz. Wird das System nun durch periodisches Anregen mit eben dieser bestimmten Frequenz zum Schwingen gebracht, erfährt die Schwingungsamplitude eine Aufschaukelung. „In Resonanz kann die Amplitude des schwingungsfähigen Systems im Vergleich zur Amplitude der anregenden Schwingung immer größer werden [...].“^[10] Den Aufbau und Ablauf einer Schwingung kann man der Abbildung 1 entnehmen. „Als Beispiele für solche Schwingungssysteme seien [...], elektromagnetische Schwingkreise usw.“^[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbb. 1

„Die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ergibt sich aus der Thomson-Gleichung:“^[12]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

C ist die Kapazität und L die Induktivität einer Spule, welche sich ebenfalls mit folgender Gleichung berechnen lässt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (^[13] )

Elektromagnetische Schwingkreise (siehe Abbildung 2), wie sie auch in den beiden RFID-System Komponenten zum Einsatz kommen, bestehen meist aus einer Spule mit der Induktivität L und einem Kondensator mit der Kapazität C. Wird in die Spule Strom induziert oder der Kondensator aufgeladen „findet eine periodische Energieumwandlung zwischen elektrischer und magnetischer Energieform statt“^[14].

2.3.2 induktive Kopplung

Die induktive Kopplung beim RFID-System kann auch als „transformatorische Kopplung“^[15] bezeichnet werden. Da das Lesegerät und der Transponder ähnlich wie bei einem Transformator angeordnet sind.

[...]

^[1] http://de.wikipedia.org/wiki/RFID (11.01.2008)

^[2] Finkenzeller K. (2006), RFID Handbuch - Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten, 4.Auflage, Hanser-Verlag, S.6f.

^[3] http://www.eda.fh-aalen.de/Projekte/identsyst/Dokumente/rfid.pdf (25.11.2008, S.2)

^[4] Bäumer, Klaus, http://www.fgf.de/fup/themen/inhalte-themenforum/NL_01-05/RFID_Redselige_Plaettchen_01-05d.pdf (25.11.2008, S.5)

^[5] Finkenzeller, a.a.O., S.8f.

^[6] Bäumer, Klaus, a.a.O., S.2

^[7] vgl. Finkenzeller, a.a.O., S.7

^[8] Finkenzeller, Klaus, http://www.rfid-handbook.de/downloads/fs9819040.pdf (25.11.2007, S.1)

^[9] http://de.wikipedia.org/wiki/Eigenfrequenz (18.12.2007)

^[10] http://de.wikipedia.org/wiki/Resonanz_(Physik) (18.12.2007)

^[11] http://de.wikipedia.org/wiki/Resonanzfrequenz (18.12.2007)

^[12] Finkenzeller, a.a.O., S.78

^[13] Finkenzeller, a.a.O., S.72

^[14] Metzler Physik, Joachim Grehn (Hg.), 1998, 2. Auflage, Schrödel Schulbuchverlag, S.270

^[15] Finkenzeller, a.a.O., S.46