RFID Radio Frequency Identification

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.

Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, der sich am oder im Gegenstand bzw. Lebewesen befindet und diese kennzeichnet und einem Lesegerät zum Auslesen der Transponder-Kennung.
Das Lesegerät enthält eine Software (ein Mikroprogramm, rfid freeware), das den eigentlichen Leseprozess steuert und eine RFID-Middleware mit Schnittstellen zu weiteren EDV-Systemen und Datenbanken.

In der Regel erzeugt das Lesegerät ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld geringer Reichweite, vorzugsweise mit Induktionsspulen. 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. Meist wird die Frequenz 13,56 MHz benutzt, auf die auch Warnsysteme vor RFID-Einsatz ansprechen.

RFID-Transponder können so klein wie ein Reiskorn sein und implantiert werden, etwa bei Haustieren. Die schnelle Verbreitung dieser Technik ergibt sich aus der Kombination von Kleinheit der Transponder, unauffälligen Auslesemöglichkeiten (z.B. neuer Pass) und geringem Preis der Transponder (teilweise im Cent-Bereich). Diese neue Technik verdrängt zunehmend den heute noch weit verbreiteten Barcode.

LogisVoice integriert RFID and vocollect
{youtube}XEBdtoLcsds{/youtube}
RFID im Retailumfeld, Metro Future Store
{youtube}fMGSs7KJHek{/youtube}

RFID BEI DER KOMMISSIONIERUNG

Automatische Erstellung von Kommissionierlisten, erleichterte Zusammenstellung und lückenloses Tracking and Tracing der Sendung.

RFID IM LAGERMANAGEMENT

Automatisierte Verbuchung und Verräumung aller Ein- und Auslagerungen über Handlesegeräte und Displays.
Technik RFID

Die RFID-Transponder unterscheiden sich stark voneinander. Der Aufbau eines RFID-Transponders sieht prinzipiell eine Antenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und Senden (Transceiver), sowie einen digitalen Schaltkreis und einen permanenten Speicher vor. Der digitale Schaltkreis besitzt bei komplexeren Modellen eine Von-Neumann-Architektur.

RFID-Transponder können über einen mehrfach beschreibbaren Speicher verfügen, in den während der Lebensdauer Informationen abgelegt werden können.

Nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich auch die sonstigen Kennzahlen, wie z. B. Funkfrequenz, Übertragungsrate, Lebensdauer, Kosten pro Einheit, Speicherplatz, Lesereichweite und Funktionsumfang.

Prinzipiell funktioniert die RFID-Kommunikation folgendermaßen: Das Lesegerät (Reader) erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, welches die Antenne des RFID-Transponders beleuchtet. In der Antennenspule entsteht, sobald sie in das elektromagnetische Feld kommt, ein Induktionsstrom. Dieser Strom wird gleichgerichtet und damit ein Kondensator als Kurzzeitspeicher aufgeladen, welcher für den Lesevorgang die Stromversorgung des Chips besorgt. Diese Versorgung übernimmt bei aktiven Tags eine eingebaute Batterie. Bei halb-aktiven Tags übernimmt die Batterie lediglich die Versorgung des Mikrochips.

Der so aktivierte Mikrochip im RFID-Tag empfängt Befehle vom Lesegerät, die dieser “Reader” in sein elektromagnetisches Feld moduliert. Der Mikrochip erzeugt eine Antwort und moduliert durch Feldschwächung im kontaktfreien Kurzschluss oder per Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes. Damit sendet das Tag seine eigene unveränderliche Seriennummer, weitere Nummern des gekennzeichneten Objekts oder andere vom Lesegerät abgefragte Daten.

So sendet das Tag selbst kein Feld aus, sondern verändert nur das elektromagnetische Sendefeld des Readers. In der Betriebsfrequenz unterscheiden sich die HF-Tags mit Mittelwelle bei 128 kHz, mit Kurzwelle 13,56 MHz oder mit UHF-Tags bei 865 ? 869 MHz (Europäische Frequenzen) bis 950 MHz (US-Amerikanische und Asiatische Frequenzbänder): Regional unterscheiden sich die verwendeten Frequenzen. 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. Durch die induktive Kopplung im elektromagnetische Nahfeld funktioniert das Anregen des Tags ausschließlich im Nahbereich. Die Antennen eines HF-Tags bilden daher eine Induktionsspule, deren charakteristisches Merkmal auf den ersten Blick eine Resonanzspule mit mehreren Windungen ist.

UHF-Tags hingegen arbeiten im elektromagnetischen Fernfeld zum Übermitteln der Antwort, das Verfahren nennt man Rückstreuung (engl. backscattering). Hier wird die elektromagnetische Welle entweder absorbiert (Kurzschluss) oder mit möglichst großem Rückstrahlquerschnitt reflektiert (Spiegel). Bei den UHF-Antennen handelt es sich meist um lineare, gefaltete oder spiralige Dipole, der Chip sitzt in der Mitte zwischen zwei 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 jedoch beim Bekleben der Ware irrelevant, in welcher Orientierung das Tag aufgeklebt wurde. 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’ bestimmte Untergrundmaterialien die Resonanzfrequenz der Antennen, daher ist es notwendig, UHF-Tags möglichst genau auf die Materialien der gekennzeichneten Objekte abzustimmen.

Die UHF-Technik ist aufgrund ihrer Schnelligkeit erheblich komplexer ausgelegt als die HF-Technik. Daher können UHF-Tags bei einer Passage erheblich längere Datensätze übertragen. Diese komplexen Funktionen werden noch wenig genutzt.

Da die Energieversorgung des Mikrochips bei beiden Verfahren durchgehend gedeckt werden muss (ein handelsüblicher UHF-Tag mit Philips Chip nach ISO/IEC 18000-6C benötigt für den Chip etwa 0,35 Mikroampere an Strom), muss der Reader während des Lesevorganges ein dauerhaftes Feld erzeugen. Diese Betriebsweise der Trägerwelle nennt man in der Hochfrequenztechnik Dauerstrich (engl. continuous wave = Dauerwelle). Aufgrund der Tatsache, dass die Feldstärke quadratisch mit der Entfernung abnimmt und diese Entfernung in beide Richtungen – vom Lesegerät zum Tag und retour – zurückgelegt werden muss, wird diese Dauerwelle hinreichend leistungsstark gesendet. Üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 Watt EIRP Sendeleistung.

Zum Auslesen der Tags stehen im UHF-Bereich zehn freie Kanäle zur Verfügung, zusätzlich oberhalb ein Kanal und unterhalb drei Kanäle, welche lediglich mit geringerer Leistung betrieben werden können. Alle Kanäle erstrecken sich über eine Breite von 200 kHz. Die Funk-Antwort des UHF-Tags erfolgt durch Aufmodulieren des Antwortsignals mit 200 kHz auf die Grundwelle. Dadurch entsteht ein Seitenband 200 kHz oberhalb und unterhalb dieser CW, es belegt also außer dem Sendekanal auch einen Nachbarkanal.

Um in einer Nachbarschaft möglichst viele RFID Lesegeräte gleichzeitig verwenden zu können, versucht man, möglichst das gesamte Spektrum der Kanäle auszunutzen. Eine häufig genutzte Variante ist es, den Readern die Kanäle 1, 4, 7 und 10 zuzuteilen. Für die Seitenbänder stünden dann Kanal 0, 2, 3, 5, 6, 8, 9 und 11 zur Verfügung, wobei Kanal 0 und 11 lediglich mit geringerer Leistung betrieben werden dürfen. Dies ist ein Problem, da hier lediglich die Tag-Antwort übertragen wird und keine Trägerwelle. Zusätzlich werden Anti-Kollisionsverfahren eingesetzt, damit die Tags nicht gleichzeitig senden (listen before talk etc.).

Für intelligente 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 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 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. Die Anwendung von standardisierten Tags empfiehlt sich, meist wird der Vorteil einer proprietären Lösung mit einem anderen Nachteil erkauft, und sei es auch nur der Stückpreis des in kleiner Stückzahl produzierten Tags oder die Einschränkung auf einen Hersteller der Lesegeräte.

Auf verschiedenste Art kann es zu Problemen kommen, weil der RFID-Transponder direkt am Produkt 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. Deren Verbreitung ist bisher nicht groß, jeder Anwender muss sich kritisch prüfen, ob er Liebhaberpreise für Tags durch kompetente Systemauslegung vermeiden kann.

Alleiniges Erfolgskriterium für eine RFID-Lösung ist schließlich der Leseerfolg im Betriebsablauf. Darin zeigt sich das Können des beauftragten Systemanbieters. Wie bei jeder technischen Lösung muss auch bedacht werden, was im Fehlerfall passiert: Tag defekt, Leser defekt, Tag fehlt, Leser off-line, Bewegung in der falschen Richtung, zu schnell oder zu dicht nacheinander usw. Es gibt keine 100%-Lösungen ohne Sicherungskonzept.