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RFID: Erste Schritte mit Radio-Frequency-Identification

Wenn Sie jemals einen auf dem Armaturenbrett montierten Pass verwendet haben, um eine Maut zu bezahlen, werden Sie wissen, dass RFID (Radio-Frequency Identification) immer häufiger zum Einsatz kommt. Doch welche Möglichkeiten gibt es, diese Technik in die eigenen Anwendungen einzubinden? Da gibt es verschiedene Ansätze.

Angesichts der relativen Reife der RFID-Technologie gibt es viele Möglichkeiten, wie Entwickler sie in ihren Systemen einsetzen können. Wer in Eile ist und die Funktionen schnell implementiert haben muss, kann fertige Transponder und Module kaufen und dann sein System um diese herum entwickeln - mit all den Einschränkungen, die eine Verwendung dieser Allzweckbausteine mit sich bringt.

Für anspruchsvollere Anwendungen mit längeren Vorlaufzeiten stehen Entwicklungssysteme und Evaluierungsboards zur Verfügung, mit deren Hilfe die Designer Probleme bei der Entwicklung ihrer eigenen RFID-Systeme erkunden und mögliche Lösungen finden können. Diejenigen, welche die ultimative Flexibilität wünschen, können aus einer Reihe von grundlegenden Komponenten wie RFID-ICs, Tags und Antennen wählen und die Systeme ausbauen, bis alle Bedürfnisse erfüllt sind.

Die RFID-Technologie unterteilt sich in zwei Hauptkategorien: Entweder ist das Tag aktiv und wird durch eine Batterie oder eine andere Quelle versorgt, oder es ist passiv, also auf Induktion durch ein elektromagnetisches Feld angewiesen. Letzteres erhält seine Betriebsenergie über eine Aufnahmeschleife, um ein kleines Paket der für die Identifizierung notwendigen Daten zu senden (einige Tags, die im Mikrowellenbereich arbeiten, setzen stattdessen auf Rückstreuung).

Die jeweiligen Vorteile liegen auf der Hand - einfache passive Tags sind kostengünstiger und benötigen keine Wartung, während aktive Tags mehr Daten übertragen können und, in der Regel, über eine größere Entfernung. Normalerweise enthält das RFID-Tag eine integrierte Schaltung, verbunden mit einer Antenne, manchmal nur eine auf ein Substrat gedruckte leitfähige Tinte oder eine Leiterbahn auf einer Platine.

Der RFID-Leser ist in der Regel ein kleiner, durch einen Mikrocontroller gesteuerter Funktransceiver, der das Tag durch Senden eines HF-Feldes abfragt. Das Feld induziert dabei einen Strom in der Tag-Antenne, um so das Tag zu aktivieren und zu versorgen und sendet dann einen Befehl, um das Tag zur Übertragung seiner Informationen an das Lesegerät aufzufordern.

Die Daten im Tag enthalten in der Regel eine eindeutige Kennung, die nicht geändert werden kann, und einen Speicher für den Benutzer, der gelesen und beschrieben werden kann und manchmal auch gesperrt werden kann, sodass sein Inhalt unveränderbar wird. Die RFID-Technologie ist auch durch ihre Betriebsfrequenz kategorisiert, die in der Regel in einem der ISM-Bänder (Industrial Scientific Medical) liegt und sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene definiert ist.

Diese Bänder sind unlizenziert, definieren aber dennoch Betriebsleistungsgrenzen. Dies ist ein wichtiger Aspekt, wenn Designer ein System entwickeln sollen, das über längere Strecken übertragen soll, und wo sie Faktoren wie das Design der Antenne, den Stromverbrauch des Transponders und die Empfindlichkeit des Empfängers berücksichtigen müssen.

Da jedes Bit an Information Energie für die Übertragung benötigt, müssen die Entwickler auch die Menge an Daten im Tag mit der zur Verfügung stehenden Energie für die Übertragung abgleichen. Große Mengen von Daten erhöhen den Speicherbedarf der Tags und machen diese somit teurer. Ferner benötigen viele Tags eine Art von Sicherheitsfunktion, sodass unbe-fugte Dritte die Daten, die sie tragen, bei der Übertragung nicht abfangen oder ersetzen können, um einen Datensatz zu fälschen.

Der Baukastenansatz

Wenn Entwickler einen Großteil der Arbeit für die Implementierung von RFID in ihr Design vermeiden wollen, können sie die bereits zur Verfügung stehenden Module und Transponder verwenden. DLP Design bietet das »DLP-RFID1« an, ein einkanaliges 13,56-MHz-Lese- und -Schreibmodul, das mit Tags funktioniert, die die RFID-Kommunikationsprotokolle »Tag-it« (von Texas Instruments), ISO 18000-3 und ISO 15693 verwenden.

Angetrieben von einem USB-Anschluss umfasst das Modul eine Antenne mit einer Reichweite von bis zu 10 cm und einen Signaltongeber für nicht gelungene Übertragungen. Um zu demonstrieren, wie allgemein die Technologie bereits geworden ist, ist das Modul sowohl als offene Platine für OEMs, als auch als verpacktes Modul für den Verkauf an Endverbraucher erhältlich, das zusätzlich ein USB-Kabel und eine Reihe von fünf abziehbaren und aufklebbaren (Peel-and-Stick) RFID-Tags enthält.

Das Modul wird mit Entwicklungssoftware und Treibern für Windows XP, 2000, 98 und ME geliefert. Laut DLP Design ist es am besten geeignet für Anwendungen wie das Tagging von Bibliotheksbüchern, Inventar-Tracking in Apotheken, persönliche Identifizierung, Gepäck-Tagging und Timing bei Sportveranstaltungen. Es funktioniert sogar mit einigen Wäsche-Tags.

Der Anbieter SkyeTek hat RFID mit seinem »SkyeModule M7« noch einen Schritt weiter gebracht. Das Modul ist ein RFID-Lesegerät auf einer Leiterplatte, die kleiner ist als ein Streichholzbriefchen. Die Kom-ponente arbeitet mit Tags im Bereich von 862 MHz bis 955 MHz und hat einen effektiven Lesebereich von bis zu 2 m mit einer externen, linear polarisierten Antenne, die über einen 50-Ω-Anschluss verbunden wird.

Versionen des Moduls sind mit TTL- oder USB-Host-Schnittstellen verfügbar. Die Betriebsspannung beträgt 5 V und hat laut SkyeTek eine Stromaufnahme im Sleep-Modus von 10 mA. Bei dieser Größe, so das Unternehmen, eignet sich der Leser beim Drucken und Verschlüsseln, Handheld-Lesen/-Kodierung, in der Lagerverwaltung, Patronen-Management, Zutrittskontrolle und Anlagenverwaltung.

Ein Entwicklungskit ist ebenfalls verfügbar, um Nutzern den Einstieg mit dem Modul zu erleichtern. Es umfasst Lesermodule, Probe-Tags, eine externe Antenne, Stecker und Kabel, Demo-Software, Gerätetreiber, Designleitfäden und Anwendungshinweise. Die Anwendungen für RFID sind so vielfältig, das viele Hersteller umfassende Entwicklungssysteme und Evaluierungskarten anbieten, um Konstrukteure bei der Erkundung ihrer Nischenanwendungen zu unterstützen.

Auf der Ebene der einzelnen ICs bieten Unternehmen wie STMicroelectronics Evaluierungs-karten an, die ihre Transceiver-ICs und genug unterstützende Schaltungen tragen, damit Benutzer mit den Geräten arbeiten und den benötigten Code für deren Steuerung entwickeln können. Die »Demo-CR95HF-A-ND« ist eine Demonstrationskarte für den »CR95HF« von STMicroelectronics, einen 13,56-MHz-Transceiver-IC.

Die Karte beinhaltet den Multiprotokoll-Transceiver-IC, einen 32-Bit-Mikrocontroller »STM32F103Cb« und eine 47 mm x 34 mm große Antenne als Leiterbahn auf der Platine und die damit verbundenen Tuning-Komponenten. Ein USB-Port dient der Stromversorgung und der Kommunikation mit einem Host-Computer. Es gibt auch eine Reset-Taste für den Mikrocontroller, eine LED, welche die Initialisierung der Karte anzeigt, und einen JTAG-Port zum Aktualisieren der Firmware des Mikrocontrollers und zur Fehlerhandhabung.

Das Board kommt mit zwei verschiedenen Arten von Tags, eines montiert auf einer 45 mm x 75 mm großen Antenne und das andere auf einer 15 mm x 15 mm großen, zweiseitig geätzten Antenne. Demonstrations-Firmware auf dem Mikrocontroller ermöglicht die Kommunikation mit dem Host-PC über den USB-Anschluss, während die Software für den PC grundlegende Kommunikation mit ISO-15693- und Dual-Interface-EEPROM-Tags erlaubt.

Die Komponentenebene

Bild 1: Der RFID-Transceiver MLX90109EDC von Melexis verwendet eine externe Induktionsspule und einen externen Kondensator, um sowohl Trägerfrequenz als auch Oszillatorfrequenz einzustellen
Bild 1: Der RFID-Transceiver MLX90109EDC von Melexis verwendet eine externe Induktionsspule und einen externen Kondensator, um sowohl Trägerfrequenz als auch Oszillatorfrequenz einzustellen

Auf der Komponentenebene bieten Firmen wie Melexis Bauteile wie zum Beispiel den »MLX90109EDC« an, einen integrierten RFID-Trans-ceiver, der über einen Bereich von 100 kHz bis 150 kHz arbeitet. Er eignet sich laut Hersteller für den Einsatz in Anwendungen wie elek-tronische Wegfahrsperren, tragbare Lesegeräte, Zutrittskontrollen und Haushaltsgeräte. Der Baustein verwendet eine externe Induktionsspule und einen externen Kondensator, die einen Parallelschwingkreis bilden, mit dem sowohl die Trägerfrequenz als auch die Oszillatorfrequenz des Trans-ceivers eingestellt wird (Bild 1).

Dies bedeutet, dass kein externer Quarzoszillator als Referenz benötigt wird. Auch ist die Antenne immer perfekt auf Resonanz abgestimmt, da die Komponente die Trägerfrequenz definiert und damit keine »Nullmodulations«-Probleme auftreten, wie bei anderen Komponenten. Diese Probleme treten auf, wenn das Tag korrekt schwingt, aber keine Amplitudenmodulation an der Leserspule erkannt wird.

Es gibt einen einfachen Abschaltmodus (Power down), und die Komponente kann so eingerichtet werden, dass die das Transpondersignal selbst dekodiert, um die Verbindung mit einem externen Mikro-controller über einen seriellen Zweidrahtbus so einfach wie möglich zu gestalten. Für wirklich kostengünstige Anwendungen kann das Transpondersignal undekodiert bleiben und wird dann auf einer Einzeldraht-Schnittstelle bereitgestellt. Der Nutzen von RFID hat zur Entstehung von Standards für bestimmte Anwendungsbereiche geführt, zum Beispiel für das »MIFARE«-System von NXP, das bei kontaktlosen Zahlungskartensystemen weit verbreitet ist.

Bild 2: Die grundlegenden Einstellungen des MIFARE-Chips MFRC523 von NXP
Bild 2: Die grundlegenden Einstellungen des MIFARE-Chips MFRC523 von NXP

Der »MFRC523« von NXP ist ein integrierter Lesegeräte-/Schreibgeräte-Chip, der bei 13,56 MHz alle Varianten des MIFARE-Protokolls unterstützt (Bild 2). Seine interne Senderschaltung kann eine Antenne direkt treiben, ohne zusätzliche aktive Schaltung. Das Empfängermodul kann Signale von MIFARE-kompatiblen Karten und Transpondern erfassen, demodulieren und dekodieren und unterstützt auch die komplexeren Funktionen des Standards wie die Anti-Kollisionsfunktion, die greift, wenn das Lesegerät Signale von zwei Tags auf einmal aufnimmt.

Die Komponente unterstützt auch die höhere bidirektionale Datenrate von bis zu 848 kBit/s, die im MIFARE-Protokoll definiert ist. Wie bei solchen Geräten üblich, hat die Komponente eine serielle SPI-Host-Schnittstelle, eine serielle UART-, und eine I²C-Schnittstelle. Viele RFID-Systeme sind so diskret wie möglich konzipiert: Fahrausweise werden in Geldbörsen gesteckt, eine Straßenvignette ist im Sichtfeld und wird daher auf das Armaturenbrett gelegt.

Bei solchen unaufdringlichen Anwendungen besteht die Herausforderung darin, die Signale von den RFID-Tags sicher zu detektieren. Hier kommen externe Antennen ins Spiel, entweder um die Empfindlichkeit des Transceivers zu steigern oder um die Antenne und das von ihr getriebene Modul separat voneinander unterzubringen. Zum Beispiel kann das oben beschriebene DLP-RFID1 von DLP Design die eindeutigen ID-Codes von bis zu fünfzehn Tags auf einmal lesen.

Bild 3: Die  Ferrit-Antenne von DLP Design ist für den Einsatz bei beengten Verhältnissen vorgesehen
Bild 3: Die Ferrit-Antenne von DLP Design ist für den Einsatz bei beengten Verhältnissen vorgesehen

Es wird per USB mit Strom versorgt und bietet eine einfache Schnittstelle zu PCs mit verschiedenen Versionen von Windows oder Linux. Das Modul hat eine eingebaute Antenne mit einem Lesebereich von bis zu 10 cm. Ähnliche Module bieten Verbindungen für mehrere Antennen, wie die »DLP-FANT«, eine zylindrisch geformte Ferrit-Antenne, an deren Ende ein Koaxialverbinder angebracht ist (Bild 3).

Bild 4: Die Patch-Antenne von  DLP Design wird mit einem 4,5 m langen Koaxkabel geliefert
Bild 4: Die Patch-Antenne von DLP Design wird mit einem 4,5 m langen Koaxkabel geliefert

Sie ist für den Einsatz in sehr beengten Verhältnissen gedacht und bietet eine Lesereichweite von bis zu 3 cm. Sie benötigt ein Koaxialkabel mit einem SMA-Stecker umgekehrter Polarität an einem Ende, um an das Lesegerät »DLP-RFID-LP8C« angeschlossen werden zu können. (DLP Design bietet ein geeignetes 3 m langes Kabel unter der Bezeichnung »DLP-COAX1«.) Die zweite Antenne, die »DLP-RFID ANT«, ist eine Patch-Antenne an einem 4,5 m langen Koaxkabel mit dem SMA-Anschluss umgekehrter Polarität. Sie bietet ebenfalls eine Lesereichweite von bis zu 10 cm (Bild 4).

Die Tags

Kosten sind der Schlüssel, wenn es um Tags geht, und die RFID-Branche arbeitet seit Jahren daran, die Kosten für Tags zu reduzieren und sie so für weitere Märkte verfügbar zu machen. Der Wunsch nach mehr Märkten hat auch zur Entwicklung einer Vielzahl unterschiedlicher Designs geführt, von kreditkartenförmigen Transportpässen bis hin zu flexiblen und wasserdichten Tags zum Einnähen in Stoffe.

Bild 5: Texas Instruments produziert ein breites Spektrum von Tags, darunter auch diese Version für Laminierung in Papieretiketten und Einlegekarten
Bild 5: Texas Instruments produziert ein breites Spektrum von Tags, darunter auch diese Version für Laminierung in Papieretiketten und Einlegekarten

Beispielsweise produziert Texas Ins-truments ein Schlüsselanhänger-Tag, das »RI-TRP-WFOB-30«, das bei 134,2 kHz arbeitet und innerhalb von 60 cm gelesen werden kann und für Anwendungen wie zum Beispiel Fahrzeugkennung, Containerverfolgung und Abfall-Management vorgesehen ist. Sogenannte »Glasstab«-Tags wie das »RI-TRP-WEHP-30« von Texas Instruments kapseln die RFID-Technologie vollständig in einem verschlossenen Glasrohr ein, das quasi unempfindlich gegenüber fast allen nicht-magnetischen Materialien sein soll.

Einige Tags werden für sehr spezifische Anwendungen entwickelt: Texas Instruments bietet hier das »RI-I17-112A-03« an, ein 13,56-MHz-Tag, das in Papier, PVC oder andere Materialien laminiert wird, beispielsweise für eine CD-Einlegekarte (Bild 5). Die Komponente kommt in sechs unterschiedlichen Antennenformen und hat einen Frequenz-Offset, der die Wirkung der umgebenden Laminiermaterialien auf die HF-Leistung kompensiert.