Internet der Dinge RFID - maschinenlesbare Identität

RFID-Ediketten - machen eine individuelle Identität, Lokalisierung und Richtungserkennung möglich
RFID-Ediketten - machen eine individuelle Identität, Lokalisierung und Richtungserkennung möglich

Mittels RFID-Etiketten erhalten Massenwaren eine individuelle Identität. So können nicht nur Chargen, sondern einzelne Produkte nachverfolgt werden. Im industriellen Umfeld sind die Anforderungen aber wesentlich härter als im Supermarkt. Und RFID macht auch Lokalisierung und Richtungserkennung möglich. Ein Überblick über Technik und Anwendungen.

RFID (Radio-Frequency Identification) ist die elektronische Alternative zu den optischen Barcodes. In industriellen Prozessen ist die RFID-Technik für viele Prozessabläufe von großer Bedeutung. In der Industrie werden sehr viel höhere Ansprüche in Bezug auf Funktionsumfang und Umweltverträglichkeit gestellt als beispielsweise am Produkt im Supermarkt. Während im Handel nur ein elektronisches Preisschild gebraucht wird, wird das RFID-Etikett in der Industrie zum Produktbegleiter bei der Herstellung von Produkten, zum Produktausweis (Identifikation) und zum Aufenthaltsnachweis (Lokalisierung) während der gesamten Produktlebensdauer genutzt. RFID ist in allen derzeit aktuellen Bereichen, wie Internet of Things (IoT), Industrie 4.0, Machine-to-Machine Communication (M2M), Prozessautomation oder Smart Factory ein wesentliches Element.

Die Elektronik im RFID arbeitet passiv – ohne Batterie. Daher ist ein sehr sparsamer Umgang mit der über Funk eingespeisten Energie wichtig. Das begrenzt auch die Reichweite und die Reaktionsgeschwindigkeit. Über die technischen Gegebenheiten und die derzeit üblichen Anwendungen wird nachfolgend berichtet. Schwerpunkt sind in diesem Bericht die Transponder (RFID Tags, Funketiketten). Transceiver (Lesegeräte) können stationär oder mobil (Hand-Lesegerät) sein.

Seit etwa 1948 dienen aktive Transponder beispielsweise zur Unterscheidung von „Freund oder Feind“ in der militärischen Luftfahrt. Nach weiteren einfachen Anwendungen gab es in den 1970er Jahren die ersten elektronischen Warensicherungssysteme mit 1 bit Speicherkapazität. Um 1980 wurde RFID zur Tieridentifizierung von Brieftauben und Nutzvieh eingesetzt. Ungefähr ab dieser Zeit wurde die RFID-Technik auch für Mautsysteme auf amerikanischen und norwegischen Straßen eingesetzt. Am MIT in Boston (USA) wurde um die Jahrtausendwende der „elektronische Produkt-Code“ (EPC) entwickelt. Daraus entstanden dann universelle Produkt-Codes, die von der EAN (European Article Number), heute GS1 Global Standards One) und anderen Organisationen standardisiert wurden. EAN-13-Barcodes für ISBN (Buchcode) und ISSN (Zeitschriftencode) werden im Kern als GS1-Presse­code genutzt. Besondere Codes gibt es in Deutschland für preisgebundene Zeitschriften sowie für Software und Multimediaprodukte.

Diffiziles Zusammenspiel von Sender und Empfänger

Ein RFID-System besteht aus zwei Elementen zur automatischen Identifikation und Lokalisation eines Objektes. Der Transponder („RFID tag“ oder Funketikett) ist die passive Elektronik am oder im Objekt, das identifiziert oder lokalisiert werden soll. Das Lesegerät besteht aus einem Sender/Empfänger (Transceiver) mit Antenne zum Senden von elektromagnetischer Hochfrequenz über eine geringe Reichweite zur Versorgung des Transponders mit Energie und zur Auswertung der empfangenen Daten. Die Transponder können sehr klein gebaut sein, wie ein Reiskorn. So ist es möglich, sie in Haustiere zu implantieren, im Reisepass einzuschweißen oder auf die Verpackung von Waren aufzukleben. Die Kosten für einen passiven Transponder liegen im Cent-Bereich.

Im Transponder sind eine Antenne mit einem analogen Schaltkreis für Empfangen/Senden und eine digitale Schaltung mit einem mindestens einmal beschreibbaren und mehrfach lesbaren Speicher integriert. Das Lesegerät (Transceiver) sendet ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld zur Antenne des RFID Tag. Der dadurch erzeugte Induktionsstrom lädt einen Kondensator als Kurzspeicher auf. Das dauert typischerweise etwa 10 bis 15 ms lang. Damit ist genügend Energie vorhanden, um seine Identität und möglicherweise weitere Datenbits zurückgeben zu können. Ein passiver RFID-Tag betreibt also auch Energy Harvesting. Er bezieht seine Energie aus elektromagnetischen Veränderungen in der nahen Umgebung, ohne Batterie oder Akkumulator. Deshalb gilt passives RFID als wartungsfrei.

Es gibt auch aktive Transponder mit eigener Stromversorgung, wenn größere Reichweiten benötigt werden und die Kosten keine so große Rolle spielen. Bei aktiven RFID Tags kann auch eine eingebaute Batterie die Stromversorgung übernehmen. Der Mikrocontroller im RFID Tag dekodiert die gesendeten Befehle. Die kodierte Antwort moduliert das eingestrahlte elektromagnetische Feld. Es wird also vom RFID Tag nicht aktiv gesendet, sondern nur das gesendete Feld durch Feldschwächung und gegenphasige Reflexion oder durch Rückstreuung (Backscattering) seine unveränderliche Seriennummer und je nach Anwendung weitere Nummern oder Daten. Oft wird zirkulare Polarisation verwendet, damit das Funketikett sowohl vertikal als auch horizontal auslesbar ist.

Die Antennen, insbesondere in der Lesestation (Transceiver), sind ein besonders kritisches Bauelement. Sie müssen zielgerichtet in 3D, oft mit schwenkbarer Funkkeule, in kürzester Zeit den Transponder mit Energie versorgen und fehlerfrei dessen Antwortsignale aufnehmen, in einem Umfeld, in dem oft Dutzende Transponder innerhalb der Antennenreichweite antworten. Experten im Fraunhofer-Institut IIS in Nürnberg oder bei Kathrein in Rosenheim, dem weltweit größten Hersteller von Antennen, können in Theorie und Praxis unterstützen.

RFID Tags werden auch Funketikett, Anhänger, Kennzeichen genannt. UHF-Energie wird von Wasser stark absorbiert und von Metall stark reflektiert. Dielektrische Untergrundmaterialien verstimmen die Resonanzfrequenz der Antennen. Deshalb ist die genaue Position des Tag über dem richtigen Untergrundmaterial sehr wichtig. Tabelle 1 zeigt die üblichen Frequenzbereiche, innerhalb derer die regional erlaubten Frequenzbänder nutzbar sind.

Es gibt Tags für unterschiedliche Frequenzbänder. Üblich sind beispielsweise 128 kHz (LW), 13,56 MHz (KW), UHF bei 865 bis 869 MHz (Europa), 865 bis 950 MHz (USA, Asien) sowie SHF bei 2,45 GHz und 5,8 GHz oder höher. Bei größerer Reichweite sinkt die Trennschärfe (genaue Ortsbestimmung). Daher ist die Reichweite passend zur benötigten Trennschärfe einzurichten.

Einen Überblick über die Eigenschaften der Frequenzbereiche von Transpondern gibt Tabelle 2. Die RFID-Kodierung von Waren wird beispielsweise von der Organisation EPCglobal standardisiert. Der Standard EPC Gen 2 ist auch als ISO 18000-6 Teil C genormt. RFID-Chips können mehrere Kilobytes speichern. Vereinzelt gibt es schon Transponder (Tags) mit angeschlossenen Sensoren. Dazu wird aber oft eine Batterie oder ein Akku benötigt.

Besondere Vorteile von RFID Tags beispielsweise gegenüber Barcodes oder Aufklebern sind:

  • Lesezeit typisch weniger als 100 ms
  • Das RFID-Etikett muss nicht auf einer Oberfläche angebracht sein, also keine Verschmutzung, kein Verschleiß
  • Position gegenüber dem Lesegerät unkritisch
  • Betrieb bidirektional möglich
  • Speicher im Tag veränderbar
  • Muss nicht in ein Lesegerät eingesteckt werden
  • Große Stückzahlen von RFID Tags können gleichzeitig ausgelesen werden

Probleme, die mit RFID Tags auftreten können:

  • Mehr als ein aktives Lesegerät in Reichweite
  • Zuviele RFID Tags in einem engen Bereich
  • Störungen durch andere elektromagnetische Quellen im Umfeld
  • Störungen bei diagnostischen Messungen in Medizinanwendungen
  • Stofftrennung beim Recycling

Bei Bedarf werden auch Kryptografiemodule oder GPS-Module im Transponder eingebaut. Bei der Abfrage von vielen Transpondern gleichzeitig (Pulk-Erkennung, Singulation, Antikollision) dürfen nicht alle gleichzeitig und nur einmal innerhalb eines Durchlaufs der Lesezone antworten.