Radio Frequency Identification Device Prof. Jürgen Plate

Radio Frequency Identification Device - RFID

Funktionsweise der RFID-Technik

Die Identifikation eines Transponders ist die Basisfunktion eines RFID-Systems. Die einfachste Form der Identifikation (Transponder befindet sich im Feld oder nicht) wird in der Regel erweitert um das Auslesen im Transponder gespeicherten Datensatzes. In Datenbanken werden alle zu diesem Datensatz (Z. B. Identifikationsnummer) gehörigen Informationen gespeichert und bei Bedarf geändert. Da beschreibbare Transponder erst später auf den Markt kamen, heißen die Geräte auch dann noch "Reader", wenn man mit ihen auch daten auf dem RFID-Tag speichern kann.

Die Stärken von RFID, speziell gegenüber dem Barcode, liegen in der Möglichkeit, mehrerer RFID-Transponder vollautomatisch und gleichzeitigen zu Erkennen, wobei keine Sichtverbindung zwischen Lesegerät und RFID-Transponder nötig ist. Daher lassen sich RFID-Transponder in Objekte einbetten, ohne dass sie äußerlich sichtbar sind, um beispielsweise den Einsatz unter extremen Bedingungen wie Schmutz oder Hitze zu ermöglichen. Gegenüber Barcode-Scannern ist auch eine höhere Lesereichweite möglich; außerdem können Informationen auf einem RFID-Transponder mit Datenspeicher während des Einsatzes verändert werden, was bei einem Barcode nicht möglich ist.

Auf dem Markt befinden sich viele unterschiedliche RFID-Systeme, die sich durch die jeweilige Transponder-Bauform, die Energie- und Datenübertragung, die Übertragungsfrequenz und die Reichweite unterscheiden. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Transponder, Reader und Antennen zum Einsatz. Ob Glasröhrchen, Ohrenmarke, Scheckkarte, Scheibe oder hitzeresistente Modelle für die Automobilindustrie: Für fast jedes Anwendungsgebiet gibt es eine passende Transpondervariante. Deshalb kann nicht von "dem Transponder" gesprochen werden. Klassische Tag-Formen sind z. B. die ID-Karte, die für Zugangskontrollen genutzt wird, oder die im Zündschlüssel integrierte Wegfahrsperre.

Tags gibt es als Label, Knopf, Karte oder in anderen Bauformen (z.B. zum unter die Haut injizieren - siehe Kopfzeile).

In der unterschiedlichen Nutzung liegt der große Vorteil der RFID-Technik. Und die Entwicklung hat das Ende des Machbaren noch nicht erreicht. Der Markt entwickelt neue Tag-Formen, vorhandene Tags werden verbessert. So verbreitet sich RFID in neuen Anwendungsbereichen. Darüber hinaus ermöglichte die fortschreitende Miniaturisierung auch die Entwicklung von "Smart Labels". Diese passiven Transponder werden mit einer Antenne auf Folie aufgebracht. Vorteil: sie sind bedruckbar und lassen sich wie Papier weiterverarbeiten. Die Energie zum Auslesen der Daten liefert das Lesegerät. Transponder in Etiketten-Form sind beispielsweise für den Einsatz in Logistik-Unternehmen interessant. Dort werden Paletten, Pakete und Sendungen direkt mit dem Transponder beklebt; dadurch lassen sich die Waren-Sendungen identifizieren. Die neueste Entwicklung ist die Polymertechnologie, welche die Herstellung preiswerter RFID-Tags für Massenanwendungen ermöglicht.

Transponder können als aktive oder passive Variante auftreten. Während die aktiven Transponder über eine eigene Energieversorgung durch eine eingebaute Batterie verfügen, beziehen passive Transponder die nötige Energie aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegerätes. Beide Transponderarten haben unterschiedliche Eigenschaften und eignen sich deshalb für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Das Fehlen der Batterie bei passiven Tags reduziert Kosten, Gewicht und Größe des Transponders. Nachteil: die geringere Reichweite. Diese Tags werden oft zur Produktidentifizierung- und Auszeichnung bei in hohen Stückzahlen produzierten Produkten verwendet. Passive Etiketten werden oft bei Massenartikeln verwendet. Aktive Transponder funken im Vergleich zu passiven Tags durch ihre eigene Energieversorgung deutlich weiter. Diese Eigenschaften machen sie für Bereiche interessant, bei denen Überwachungs- bzw. Protokollierungsaufgaben übernommen werden.

RFID-Systeme sind prinzipiell in unterschiedlichen Frequenzbereichen verfügbar. Die Betriebsfrequenzen der meisten RFID-Systeme liegen im Bereich der ISM-Bänder, die für Geräte in der Industrie, Wissenschaft und Medizin frei verwendbar sind. Hinzu kommt das LF-Band um 125 kHz:

Typische Reichweiten von RFID-Systemen sind:

Reichweite	Bezeichnung	Spezifiziert	Datenraten	Beispiel
0..1 cm	CICC - Close Coupling	ISO 10536	9600 Bit/s	Legic
0..10 cm	PICC – Proximity Coupling	ISO 14443	106 - 848 kBit/s	Mifare, Legic
0..1 m	VICC - Vicinity Coupling	ISO 15693	53 - 2648 kBit/s	I-Code, Tag-It

Die aufgelisteten Systeme können weniger oder maximal 1 Meter überbrücken und werden deshalb als Remote-Coupling Systeme bezeichnet. Systeme die mehr als 1 Meter Reichweite haben, werden als Long-Range Systeme bezeichnet.

Von der Frequenz hängt auch die Datenübertragungsrate ab. Je höher die Frequenz, desto mehr Trägerfrequenzperioden sind pro Zeiteinheit verfügbar, um eine Information zu tragen. Somit ist die Frequenz mit den abgeleiteten Eigenschaften Reichweite und Datenrate ausschlaggebend für die Anwendungsmöglichkeiten eines RFID-Systems. Bei Anwendungen wie Mautsystemen muss eine Information schnell und über eine Distanz von einigen Metern übertragen werden, wofür eine hohe Frequenz notwendig ist. In einem Zutrittskontrollsystem ist dagegen eine geringe Reichweite gefordert, da nur dies eine Verwendungssicherheit mit sich bringt, bei der ein Tag bewusst an den Leser gehalten werden muss, um zu funktionieren. Je nachdem welcher Frequenzbereich eines RFID-Systems gewählt wird, ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, die die folgende Grafik veranschaulicht.

Die Energieversorgung des Datenträgers, sowie der Datenaustausch zwischen Datenträger und Lesegerät erfolgt durch Verwendung magnetischer oder elektromagnetischer Felder. Die technischen Verfahren wurden hierzu aus der Funk- und Radartechnik übernommen. Der RFID-Transceiver (Leser) versorgt den RFID-Tag kontaktlos mit Energie und dem entsprechenden Takt. Der RFID-Tag reagiert und übermittelt die geforderten Daten.

Zur Datenubertragung zwischen Transceiver und Tag kommen prinzipiell folgende beiden Verfahren zum Einsatz:

Lastmodulations-Verfahren: Bei der Lastmodulation sind die Antennenspulen von Lesegerät und Tag über das Nahfeld gekoppelt. Dabei darf der Abstand der beiden Spulen nicht größer als die Wellenlänge/2π sein. Der sich in Resonanz befindende Tag entzieht dem magnetischen Wechselfeld Energie, die einerseit zum Speisen der internen Elektronik verwendet wird. Andererseits wird durch gezieltes An- und Abschalten eines Lastwiderstands dieser Energieverbrauch variiert und somit ändert sich die Spannung an der Antennenspule. Durch diese Form von Amplitudenmodulation kann der Tag Daten an das Lesegerat senden. Im Lastmodulationsbetrieb kommen Transponder mit Luftspulen zum Einsatz.

Backscatter-Verfahren: In Systemen mit höherer Reichweite, die über das Weitfeld gekoppelt sind, kommt das dieses Verfahren zur Anwendung. Hierbei hat sich das elektromagnetische Feld bereits von der Antenne abgelöst und breitet sich als Welle im Raum aus. Das Verfahren basiert darauf, dass elektromagnetische Wellen vom Transponder reflektiert werden. Die Transponderantenne reflektiert oder absorbiert dabei das Feld und das Lesegerät registriert das Verhältnis der Reflexionsänderung (Backscattering). Bei diesem Verfahren muss ein Transponder mit einer Dipolantenne ausgerüstet sein.

Das Prinzip des Lastmodulations-Verfahrens soll hier mit einem vereinfachten Modell veranschaulicht werden. Der hier vorgestellte RFID-Transponder kann nur 1 Bit Information übermitteln, funktioniert im Übrigen ähnlich wie die richtigen Tags. Insbesondere die Energieversorgung und die Lastmodulation sind dem Original nachempfunden. Als Modell für den Reader wird ein kleiner HF-Sender mit einer Frequenz von 13,56 MHz benötigt, der sich dikret mit zwei Transitoren aufbauen läßt. Die Sende-Luftspule mit vier Windungen erzeugt ein kräftiges HF-Feld, aus dem der Transponder seine Energie gewinnt.

Das HF-Feld des Senders gelangt über eine Spule mit gleichem Aufbau zum Transponder-Eingang. Dort befindet sich ein abgestimmter Schwingkreis, dessen HF-Spannung gleichgerichtet wird. So erhält man bei Annäherung an den Sender eine Betriebsspannung von etwa 3 V, die für die nachfolgende Schaltung gerade noch ausreicht. Die 1-Bit-Information wird über einen Frequenzteiler mit dem Teilerverhältnis 10 erzeugt. Am Ausgang des 4017 liegt eine Rechteckspannung mit einem Zehntel der Eingangsfrequenz (1,356 MHz) und einem Tastverhältnis von 1 zu 10. Die herunter geteilte Frequenz steuert einen Transistor an, der für eine Lastmodulation des Antennensignals zuständig ist. In jeder zehnten Periode des Eingangssignals wird er leitend und entzieht dem Schwingkreis gerade eben soviel Energie, dass der Teiler an seinem Takteingang noch genügend Eingangsspannung erhält.

Am Kollektor des BC547 ergibt sich dann das folgende Signalbild. Durch die zusätzliche Belastung sinkt auch die Betriebsspannung des Systems etwas ab, nach einigen Perioden erholt sie sich aber wieder.

(Quelle der Demo-Schaltungen: AK-MODUL-BUS GmbH)

Vielfachzugriffsverfahren

• Bei den deterministischen Verfahren sucht das Lesegerät alle RFID-Transponder im Lesebereich anhand deren eindeutiger Seriennummer. Das am häufigsten eingesetzte Verfahren ist der Baumtraversierungsalgorithmus, bei dem der Binärbaum aller möglichen binär codierten Seriennummern systematisch durchlaufen wird. Bei jedem Anfrageschritt werden alle RFID-Transponder, deren Seriennummer in einem bestimmten Intervall liegen, aufgefordert, mit ihrer Seriennummer zu antworten. Kommt es zu einer Kollision (mehrere RFID-Transponder antworten), wird das Intervall halbiert. Dies wird solange wiederholt, bis nur noch ein einziger Transponder antwortet. Alle übrigen Intervalle werden dann genauso abgesucht. Deterministische Antikollisionsalgorithmen stellen also sicher, dass nach einer gewissen Zeit alle im Bereich des Lesegeräts befindlichen RFID-Transponder erkannt werden.
• Bei den probabilistischen Verfahren antworten die RFID-Transponder zu einem zufällig gewählten Zeitpunkt. Es wird dabei hauptsächlich eine Variante des ALOHA-Algorithmus angewandt, bei dem das Lesegerät den RFID-Transpondern ein Zeitfenster zum Antworten zur Verfügung stellt. Beim Framed-Slotted- ALOHA-Algorithmus ist dieses Zeitfenster in eine vorgegebene Anzahl sogenannter Zeitslots unterteilt, aus denen jeder Transponder zufällig einen für seine Antwort auswählt. Es kommt zu einer Kollision, wenn mehr als ein Transponder im selben Zeitslot antwortet, worauf die Anfragerunde wiederholt werden muss. Um nun bei mehreren Anfragerunden die Zahl der Kollisionen zu minimieren, können erfolgreich erkannte Transponder für die folgenden Runden stumm geschaltet werden. Bei probabilistischen Antikollisionsalgorithmen ist generell nicht sichergestellt, dass nach einer gewissen Zeit alle im Bereich des Lesegeräts befindlichen Transponder erkannt werden.

Angriffs- bzw. Schutzszenarien

• Verhindern, dass die RFID-Transponder Signale/Energie empfangen: Dazu kann man beispielsweise bei aktiven Tags die Batterie entfernen oder den RFID-Transponder in einen Faradayschen Käfig stecken. Bei 125-kHz-Transpondern verwendet man eine Abschirmung aus magnetisierbaren Materialien wie Eisen oder MU-Metall. Bei höheren Frequenzen genügt das Umwickeln mit Alufolie.
• Die Antenne beschädigen: Bei größeren RFID-Transpondern kann man im Röntgenbild bzw. bei Durchlicht die Antenne erkennen. Durchtrennt man diese, funktioniert der Transponder nicht mehr.
• Transponder zerstören: Ein elektromagnetischer Impuls kann den Transponder oder die Antenne zerstören. Es genügt ein entsprechen starker Hochspannungsimpuls (siehe RFID-Zapper des CCC). Alternativ legt man den Transponder einige Sekunden in die Mikrowelle. Auch mit einem Elektroschocker eignet sich für diesen Zweck.
• Störung der Kommunikation: Ein Störsender höherer Leistung "deckt" das Signal des Readers zu. Auch "Jamming" durch eine große Zahl von Transpondern auf einem gemeinsamen Träger blockiert den Empfang des "richtigen" Transponders.
• Abhören der Kommunikation: Durch einen mobilen Reader können Transponder ausgelesen werden, beispielsweise bei einem elektronischen Zahlungsvorgang. Später können die Daten missbraucht werden. Oder die Daten werden per Funk, Internet etc. zu einem entfernten "Transponder-Simulator" übertragen. Eine Zugangskontrollstation detektiert dann scheinbar den berechtigten Benutzer.

RFID-Einsatzbereiche

• RFID in der Freizeit: Bereits seit vielen Jahren benutzt man RFID in elektronischen Skipässen. Der mit einem Chip ausgestattete Skipass wird an den Skiliften berührungsfrei erfasst. Dabei wird gleichzeitig die Gültigkeit des Ausweises geprüft. EIn weiterer RFID-Einsatzbereich ist die Ausstattung von Marathonläufern. Die an den Schuhen des Sportlers befestigten funkenden Transponder übermitteln die exakte Laufzeit an die Messstationen. Ein möglicher Betrug wird so verhindert.
• Bibliotheken-Systeme: Mit RFID können Bibliothekskunden schneller und effektiver ihre gewünschten Medien ausleihen und den Büchereimitarbeitern wird die Arbeit bei der Medienverwaltung erleichtert. Mit den Tags, die zwischen den Bücherdeckeln kleben werden die Bücher automatisch bei Entleihe und Rückgabe verbucht. Das umständliche und zeitintensive manuelle Handling am Schalter entfällt. So beschleunigt sich die Entleihe und die Wartezeiten werden erheblich verringert. Darüber hinaus wird auch der Diebstahl von Büchern verhindert.
• Luftfahrt: In der Luftfahrt wird RFID beispielsweise beim Gepäckhandling am Flughafen eingesetzt. Damit stellt man sicher, dass die Gepäckstücke ins richtige Flugzeug gelangen und zum gewünschten Zielflughafen weiter befördert werden. Da es im Ersatzteil-Bereich oft zu Produktfälschungen kommt, werden vermehrt auch Flugzeugersatzteile mit RFID-Transpondern ausgestattet. Auch Platinen von Elektronikschaltungen lassen sich mit RFID-Tags bestücken - sogar innerhalb der Platine.
• Produktion: Die Fertigungsindustrie setzt RFID häufig ein, um Produktions-Fortschritte zu dokumentieren oder Montagefehler zu verhindern. Die Automobilindustrie tagt Fahrzeuge während der Produktion, um sie so zu identifizieren. Im Tag ist die PKW-Konfiguration hinterlegt. Die Funksignale verhindern zudem den Einbau falscher Teile oder Komponenten im Fahrzeug.
• Pharma- und Gesundheitsbranche: Die Pharmaindustrie nutzt RFID zum Schutz vor Fälschungen. RFID schützt Patienten vor lebensgefährlichen Plagiaten. Eine negative Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Medikamenten wird als Nebeneffekt verhindert. Selbst Patientendaten lassen sich damit einfacher verwalten. Im Krankenhaus werden Patienten mit RFID-Armbändern ausgerüstet und so vor Falschmedikation und Falschbehandlung geschützt.
• Tieridentifikation: Seit den 70er Jahren werden RFID-Transponder für die Tiererkennung eingesetzt. Vor allem Nutztiere wie Rinder werden mit Ohrmarken oder einem Tag im Halsband gekennzeichnet. Aber auch Haustiere erhalten Implantate. Die im Tag gespeicherten Daten des Lieblings können bei Verlust den Tier-Halter ermitteln und schützen so das Tier beispielsweise vor Diebstahl. Auch die "Elektronische Katzentür" gehört in diese Rubrik.
• Zutritts-Kontrollen: Oft wird RFID bei der Zutrittskontrolle verwendet, bei der die relevanten Daten durch kontaktlose Chipkarten abgefragt werden. Viele Unternehmen geben an ihre Mitarbeiter statt Schlüsseln nun Karten aus, die per RFID den Unternehmenszutritt verwalten die Zeiterfassung übernehmen und gleichzeitig eine Bezahlfunktion übernehmen. Eine ähnliche Funktion hat die RFID-Karte im Hotel.
• Wegfahrsperre: Der Transponder im Fahrzeugschlüssels dient als elektronische Wegfahrsperre. Der Transponder wird dabei im eingesteckten Zustand über eine Lesespule nahe dem Zündschloss ausgelesen und stellt mit seinem Code das ergänzende Schlüsselelement des Fahrzeugschlüssels dar.
• Logistik: Die meisten Anwendungsbereiche für RFID findet man bislang in der Logistik. Die Funk-Technologie ist der stärkste Innovationstreiber in diesem Bereich. Bisher setzten viele Branchen auf den Barcode.
  • Supply Chain: Mit RFID kann die Warenverfolgung in der Supply Chain und der gesicherte Warenübergang verbessert werden. Im Handel steigert sich die Effizienz durch die berührungslose Wareneingangs-, Warenausgangs- und Inventurkontrolle. Kartons oder Paletten werden ohne manuelles Handling und Öffnen der Verpackung ausgelesen.
  • Behältermanagement: Mit RFID werden Mehrwegbehälter und -Ladeeinheiten wie Paletten verwaltet und ihr Durchlauf durch die verschiedenen Stufen der Logistikkette verfolgt. RFID-Tags ermöglichen die Identifizierung jedes Behälters und sind besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren Einwirkungen beim Transport oder der Behälter-Reinigung.
  • Wareneingang/Warenausgang/Inventur: Die Kommissionierung und das Warenmanagement innerhalb eines Lagers lassen sich durch den Einsatz von RFID-Technologie unterstützen. So lassen sich Umverpackungen oder auch Artikel auf einer Palette zügig in nur einem Arbeitsschritt erfassen. Das Scannen der einzelnen Produkte entfällt. Eine softwareseitige Inventur wird somit möglich.
  • Fertigungskontrolle/Materialflussüberwachung: RFID-Tags identifizieren und überwachen Arbeitsprozesse. Durch die Fortschreibung der einzelnen Produktionsfortschritte wird erkannt, bei welchem Arbeitsschritt sich das Produkt befindet. Neben der Produkt-Verfolgung kann mittels Tags auch das während der Produktion verwendete Material verfolgt werden.
  • Sendungsverfolgung: Mit RFID lässt sich der Bearbeitungs- und Sendungsstatus eines Objektes in der Logistikkette beobachten und fortschreiben. RFID kann so Produkte oder Sendungen während des Transports verfolgen sowie Diebstähle und Schwund erschweren. Dadurch vereinfacht sich die Dokumentation des Warenübergangs zwischen den Beteiligten der Logistikkette und Zustellungsfehler werden vermieden.
  • Temperaturüberwachung: Mit entsprechenden Sensoren ausgerüstete Transponder überwachen die Kühlkette von Lebensmitteln oder Medikamenten und zeichnen diese auf. Mit solchen Tags ist es möglich, Temperaturen an gewünschten Zeitpunkten zu messen und sie mit Vorgaben zu vergleichen. Einsatz-Bereiche liegen in der Frischelogistik, dem Transport und der Lagerung von medizinischen Produkten oder temperaturempfindlichen Chemikalien.

RFID-Standards

• Tier-Identifizierung
  • ISO 11784
  • ISO 11785: FDX, HDX, SEQ
  • ISO 14223: advanced transponders
• Kontaktlose Smartcards
  • ISO/IEC 10536: close coupling Smartcards (Reichweite bis 1 cm)
  • ISO/IEC 14443: proximity coupling Smartcards (Reichweite bis 10 cm)
  • ISO/IEC 15693: vicinity Smartcards (Reichweite bis 1 m)
  • ISO/IEC 10373: Testmethoden für Smartcards
• ISO 69873: für den Werkzeugbereich
• Container-Identifizierung (Logistikbereich)
  • ISO 10374: Container-Identifizierung (Logistikbereich)
  • ISO 10374.2: "Freight Container –Automatic Identification"
  • ISO 17363: "Supply Chain application of RFID – Freight Containers"
  • ISO 18185: "Freight Container – Electronic Seals"
• VDI 4470: Diebstahlsicherung für Waren (EAS)
• VDI 4472: Anforderungen an Transpondersysteme zum Einsatz in der Supply Chain
  • Blatt 1: Einsatz der Transpondertechnologie (Allgemeiner Teil)
  • Blatt 2: Einsatz der Transpondertechnologie in der textilen Kette (HF-Systeme)
  • Blatt 5: Einsatz der Transpondertechnologie in der Mehrweglogistik
  • Blatt 8: Leitfaden für das Management von RFID-Projekten
  • Blatt 10: Abnahmeverfahren zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von RFID-Systemen
• Item Management (Verwaltung von Gegenständen) ISO/IEC 18000 Information technology — Radio frequency identification for item management:
  • Part 1: Reference architecture and definition of parameters to be standardized
  • Part 2: Parameters for air interface communications below 135 kHz
  • Part 3: Parameters for air interface communications at 13,56 MHz
  • Part 4: Parameters for air interface communications at 2,45 GHz
  • Part 6: Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz
  • Part 7: Parameters for active air interface communications at 433 MHz
• Datenstrukturen und Reader-Kommunikationsprotokolle
  • EPC global (Electronic Product Code)
  • ISO/IEC 15961 AIDC RFID Data Protocol – Application interface
  • ISO/IEC 15962 AIDC RFID Data Protocol – Encoding Rules

Literatur