Identifikations Systeme (RFID)

Radio Frequency Identification

Der englische Begriff Radio Frequency Identification (RFID) bedeutet im Deutschen Identifizierung über Radiowellen. 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.

Prinzipiell umfasst ein RFID-System einen Transponder, der den Gegenstand kennzeichnet, ein Lesegerät zum Auslesen der Transponder-Kennung und eine RFID-Middleware mit Schnittstellen zu weiteren EDV-Systemen und Datenbanken.

Im Gegensatz zu anderen Auto-ID-Technologien ermöglicht RFID berührungslose Lesevorgänge ohne direkten Sichtkontakt. In Abhängigkeit von Frequenzband, Sendeleistung und weiteren Faktoren ergeben sich unterschiedliche RFID-Anwendungen, die sich z. B. in maximaler Lesereichweite oder Bauform unterscheiden. Im Nahfeld um die Antenne eines Lesegerätes werden passive Transponder ohne eigene Energieversorgung durch induktive Kopplung, bzw. kapazitive Kopplung, mit Energie versorgt. Das Auslesen der Daten erfolgt im Nahfeld ebenfalls durch Kopplung. Ab der Grenze zwischen Nah- und Fernfeld strahlt das (elektro-)magnetische Feld als elektromagnetische Welle in den Raum. Sollen Transponder außerhalb des Nahfeldes, also im Fernfeld über z. B. Mikrowellen ausgelesen werden, werden aktive Transponder mit einer eigenen Stromquelle vorausgesetzt.

Entwicklungsgeschichte

Die ersten RFID-Anwendungen wurden Ende des Zweiten Weltkrieges eingesetzt. Dort diente ein Sekundärradar zur Freund-Feind-Erkennung. In den Flugzeugen und Panzern waren Transponder und Leseeinheiten angebracht, um zu erkennen, ob die zu beschießende Stellung oder die anfliegenden Flugzeuge anzugreifen waren oder nicht. Bis heute werden Nachfolgesysteme in den Armeen eingesetzt.

Ende der 1960er Jahre wurde die "Siemens Car Identification", kurz SICARID, entwickelt. Damit war es möglich, zunächst Eisenbahnwagen und später Autoteile in der Lackiererei eindeutig zu identifizieren. Eingesetzt wurde es bis in die 1980er Jahre. Die Identifikationsträger waren Hohlraumresonatoren, die durch das Eindrehen von Schrauben einen Datenraum von 12bit abdecken konnten. Abgefragt wurden sie durch eine lineare Frequenzrampe. Die Hohlraumresonatoren können als erste vollpassive und elektromagnetisch abfragbare Transponder betrachtet werden. Der erste passive Backscatter-Transponder wurde erst 1975 in einem IEEE-Aufsatz vorgestellt.

In den 1970ern wurden die ersten kommerziellen Vorläufer der RFID-Technik auf den Markt gebracht. Es handelte sich dabei um elektronische Warensicherungssysteme (engl. Electronic Article Surveillance, EAS) mit 1 Bit Speicherkapazität. Durch Prüfung der Markierung (vorhanden/fehlt) sollte Diebstahl reduziert werden. Die Systeme basierten auf Mikrowellentechnik oder Induktion.

Das Jahr 1979 brachte zahlreiche neue Entwicklungen und Einsatzmöglichkeiten für die RFID-Technik. Ein Schwerpunkt lag dabei auf Anwendungen für die Landwirtschaft, wie beispielsweise Tierkennzeichnung.

Gefördert wurde die Technologie in den 1980ern besonders durch die Entscheidung mehrerer amerikanischer Bundesstaaten sowie Norwegens, RFID-Transponder im Straßenverkehr für Mautsysteme einzusetzen.

In den 1990ern kam RFID-Technik in den USA verbreitet für Mautsysteme zum Einsatz. Es folgten Systeme für Zutrittskontrollen, bargeldloses Zahlen, Skipässe, Tankkarten, elektronische Wegfahrsperren etc.

1999 wurde mit Gründung des Auto-ID Centers am MIT die Entwicklung eines globalen Standards zur Warenidentifikation eingeläutet. Mit Abschluss der Arbeiten zum Electronic Product Code (EPC) wurde das Auto-ID Center 2003 geschlossen. Gleichzeitig wurden die Ergebnisse an die von Uniform Code Council (UCC) und EAN International (heute GS1 US und GS1) neu gegründete EPCglobal Inc. übergeben.

Technik

Die RFID-Transponder unterscheiden sich teilweise 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 ist 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 empfängt. In der Antennenspule entsteht, sobald sie in die Nähe des elektromagnetischen Feldes kommt, Induktionsstrom. Dieser aktiviert den Mikrochip im RFID-Tag. Durch den induzierten Strom wird bei passiven Tags zudem ein Kondensator aufgeladen, welcher für dauerhafte Stromversorgung des Chips sorgt. Dies übernimmt bei aktiven Tags eine eingebaute Batterie.

Ist der Mikrochip einmal aktiviert, so empfängt er Befehle, die der Reader in sein magnetisches Feld moduliert. Indem der Tag eine Antwort in das vom Lesegerät ausgesendete Feld moduliert, sendet er seine Seriennummer oder andere vom Lesegerät abgefragte Daten.

Dabei sendet der Tag selbst kein Feld aus, sondern verändert nur das elektromagnetische Feld des Readers. Hier unterscheiden sich die HF-Tags auf Kurzwelle 13,56 MHz von den UHF-Tags auf 865 - 869 MHz (Europäische 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 Bindung an das magnetische Wechselfeld funktioniert das Anregen des Tags ausschließlich im Nahfeld. Die Antennen eines Nahfeldtags bilden daher eine Rahmenantenne ab, deren charakteristisches Merkmal auf den ersten Blick eine Resonanz-Spule ist.

UHF-Tags hingegen verwenden das elektromagnetische Fernfeld zum Übermitteln der Antwort, das Verfahren nennt man Backscattering. Hier wird die elektromagnetische Welle entweder absorbiert oder mit möglichst großem Rückstrahlquerschnitt reflektiert. Bei den UHF-Antennen handelt es sich meist um Dipole, der Chip sitzt in der Mitte des RFID-Tags.

Da Wasser diese Strahlung sehr stark absorbiert und Metall diese Strahlung sehr stark reflektiert, erschweren diese Materialien den Lesevorgang. Die UHF-Technik ist aufgrund ihrer Funktionsweise schwerer zu beherrschen als die HF-Technik. Damit ein Tag sowohl horizontal als auch vertikal gelesen werden kann, verwendet man häufig zirkulare Polarisation. Diese dämpft zwar das Signal-Rausch-Verhältnis um 3 dB, dafür ist jedoch beim Bekleben der Ware irrelevant, in welcher Orientierung das Tag aufgeklebt wurde.

Weiterhin 'verstimmen' bestimmte Untergrundmaterialien die Resonanzfrequenz des Tags, daher ist vorgesehen, Tags auf die Materialien abzustimmen. Da die Energieversorgung des Mikrochips bei beiden Verfahren durchgehend gedeckt werden muss (ein handelsüblicher UHF-Tag mit Phillips Chip nach EPC 1.19 Standard benötigt für den Chip etwa 0,35 Mikroampere an Strom), muss der Reader ein dauerhaftes Feld erzeugen. Dieses nennt man im UHF-Bereich "Continuous Wave" (Dauerstrich). 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, hat diese Continuous Wave recht leistungsstark zu sein. Üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 Watt EIRP.

Zum Auslesen der Tags stehen im UHF-Bereich zehn freie Kanäle mit einer Leistung von zwei Watt zur Verfügung, 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 Tag-Antwort erfolgt durch Aufmodulieren des Antwortsignals mit 200 kHz auf die CW. Dadurch entsteht ein Seitenband 200 kHz oberhalb und unterhalb dieser CW, es liegt also genau in einem Nachbarkanal.

Um in einer Umgebung möglichst viele RFID Lesegeräte gleichzeitig verwenden zu können, versucht man, möglichst das gesamte Spektrum der Kanäle auszunutzen. Eine häufig genutzte Variante ist es, den Reader 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 stellt allerdings kein Problem dar, da hier lediglich die Tag-Antwort übertragen wird und keine CW. Für Spezialanwendungen können auch Kryptographiemodule oder externe Sensoren wie z. B. GPS in den RFID-Transponder integriert sein. Auch die RFID-Sende-Empfangseinheiten unterscheiden sich in Funktionsumfang und Aussehen. So ist es möglich, sie direkt in Regale oder Personenschleusen (z. B. bei der Grenzabfertigung) zu integrieren.

Die Vielzahl von unterschiedlichen Geräten und Etiketten ist nur zu einem geringen Teil vollständig kompatibel. Regional unterscheiden sich die verwendeten Frequenzen und bevorzugten Standards.

Zudem kann es zu Problemen kommen, wenn der RFID-Transponder direkt am Produkt sitzt und dieses eine "hohe" Dichte hat. Um dies 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.

Baugröße & Bauformen

Transponder bestehen aus:

• Mikrochip
• Antenne
• Träger oder Gehäuse
• Energiequelle (bei aktiven Transpondern, siehe unten)

Maßgeblich für die Baugröße sind die Antenne und das Gehäuse. Die Form und Größe der Antenne ist abhängig von der Frequenz bzw. Wellenlänge. Je nach geforderter Anwendung werden Transponder in unterschiedlichen Bauformen, Größen und Schutzklassen angeboten.

Das Bild oben zeigt einen RFID-Chip in einer Scheckkarte. Vom Chip links unten führen zwei feine Drähte (grüne Pfeile) zu einer Spule. Sie besteht aus vielen Drahtwicklungen und füllt fast die gesamte Größe der Karte aus.

RFID-Transponder können, je nach Einsatzgebiet, durchaus die Größe von Büchern besitzen (z. B. in der Containerlogistik). Jedoch ist es mit heutiger Technik auch möglich, sehr kleine RFID-Transponder herzustellen, die sich in Geldscheinen oder Papier einsetzen lassen. So gab Hitachi am 16. Februar 2007 bekannt, staubkorngroße Chips mit einer Größe von 0,05 mm x 0,05 mm entwickelt zu haben. Die Reichweite von passiven Transpondern ist neben der Frequenz auch maßgeblich von der Spulengröße (Inlaygröße) abhängig. Die Reichweite sinkt sowohl bei UHF als auch bei HF mit kleineren Antennen rapide ab.

Transponder werden seit Beginn des Einsatzes vorwiegend als LF 125kHz passive produziert und eingesetzt. ISOCARD, CLAMSHELL Card Bauformen aus dem LF 125 kHz Bereich sind die weltweit am häufigsten verwendeten Bauformen im Bereich Zutrittskontrolle und Zeiterfassung. Im Bereich E-PURSE (elektronische Geldbörse und Ticketing) findet die 13,56 MHz Mifare bzw. I-Code Technologie(Philips) Anwendung und wird weltweit in vielen Städten (Seoul, Moskau, London, Warschau etc.) in U-Bahnen, Bussen und als Universitäts- und Studentenausweis genutzt. Transponder in Form von Etiketten, die beispielsweise die Mediensicherung und Verbuchung in Bibliotheken erleichtern, werden erst seit dem Jahr 2000 in großen Stückzahlen hergestellt. Genauso existieren auch Bauformen, die im Autoschlüssel eingebaut sind (Wegfahrsperre), bzw. als Implantate, Pansenboli oder Ohrmarken zur Identifikation von Tieren dienen. Weiterhin gibt es die Möglichkeit zur Integration in Nägel oder PU Disk TAGs zur Palettenidentifikation, in Chipcoins (Abrechnungssysteme z. B. in öffentlichen Bädern) oder in Chipkarten (Zutrittskontrolle).

Energieversorgung

Das deutlichste Unterscheidungs-Merkmal stellt die Art der Energieversorgung der RFID-Transponder dar. Kleine batterielose RFID-Transponder besitzen keine eigene Energieversorgung und müssen ihre Versorgungsspannung durch Induktion aus den Funksignalen der Basisstationen gewinnen. Dies reduziert zwar die Kosten und das Gewicht der Chips, gleichzeitig verringert es aber auch die Reichweite. Diese Art von RFID-Transpondern wird z. B. für Produktauthentifizierung bzw. -auszeichnung, Zahlungssysteme und Dokumentenverfolgung eingesetzt, da die Kosten pro Einheit hier ausschlaggebend sind. RFID-Transponder mit eigener Energieversorgung erzielen eine erheblich höhere Reichweite und besitzen einen größeren Funktionsumfang, verursachen aber auch erheblich höhere Kosten pro Einheit. Deswegen werden sie dort eingesetzt, wo die zu identifizierenden oder zu verfolgenden Objekte eine lange Lebensdauer haben, z. B. bei wieder verwendbaren Behältern in der Containerlogistik oder bei Lastkraftwagen im Zusammenhang mit der Mauterfassung.

Zum Betrieb, insbesondere zur Signalmodulierung, muss der RFID-Mikrochip mit Energie versorgt werden. Hierbei werden zwei Arten von RFID-Transpondern unterschieden:

1. Passive RFID-Transponder beziehen ihre Energie zur Versorgung des Mikrochips aus den empfangenen Funkwellen, oft als "Continuous Wave" bezeichnet. Mit der Antenne als Spule wird durch Induktion ein Kondensator aufgeladen, welcher den Tag mit Energie versorgt. Die Continuous Wave muss aufgrund der geringen Kapazität des Kondensators durchgehend vom Lesegerät gesendet werden, während der Tag sich im Lesebereich befindet. Die Reichweite beträgt hier einige wenige Millimeter bis zu einigen Zentimetern.
2. Antenne
3. Aktive RFID-Transponder sind batteriebetrieben, d.h. sie beziehen die Energie zur Versorgung des Mikrochips aus einer eingebauten Batterie. Normalerweise befinden sie sich im Ruhezustand bzw. senden keine Informationen aus, um die Lebensdauer der Energiequelle zu erhöhen. Nur wenn ein spezielles Aktivierungssignal empfangen wird, aktiviert sich der Sender. Nicht genutzt werden kann die Energie der Batterie für das Erzeugen des modulierten Rücksignals, dennoch erreicht man durch höheren Rückstrahlkoeffizienten beim Backscatteringverfahren aufgrund des geringeren Energieverbrauches an Feldenergie eine deutlich höhere Reichweite, die bis etwa 100 Meter betragen kann.
4. Energiequelle (bei aktiven Transpondern, siehe unten)

Frequenzbereiche

Für den Einsatz werden drei Frequenzbänder vorgeschlagen:

• Niedrige Frequenzen (LF, 30-500 kHz). Diese Systeme weisen eine geringe Reichweite auf, arbeiten in der am häufigsten verwendeten 64 bit Read-Only-Technologie einwandfrei und schnell genug für viele Anwendungen. Bei größeren Datenmengen ergeben sich längere Übertragungszeiten. LF-Transponder sind günstig in der Anschaffung, kommen mit hoher (Luft-)Feuchtigkeit und Metall zurecht und werden in vielfältigen Bauformen angeboten. Diese Eigenschaften begünstigen den Einsatz in rauen Industrieumgebungen, sie werden jedoch auch z. B. für Zugangskontrollen, Wegfahrsperren und Lagerverwaltung (häufig 125 kHz) verwendet. LF-Versionen eignen sich auch für den Einsatzfall in explosionsgefährdeten Bereichen. Hier können ATEX zertifizierte Versionen eingesetzt werden.
• Hohe Frequenzen (HF, 3-30 MHz). Kurze bis mittlere Reichweite, mittlere Übertragungsgeschwindigkeit, mittlere bis günstige Preisklasse. In diesen Frequenzbereich arbeiten die sog. Smart Tags (meist 13,56 MHz).
• Sehr hohe Frequenzen (UHF, 850-950 MHz, 2,4-2,5 GHz, 5,8 GHz). Hohe Reichweite (3-6 Meter für passive Transponder; 30 Meter und mehr für aktive Transponder) und hohe Lesegeschwindigkeit. Niedrige Preise für passive Transponder, tendenziell hohe Preise für aktive Transponder. Einsatz z. B. im Bereich der automatisierten Mautsysteme und Güterwagen-Erkennung und zur Kontrolle von Versand- und Handelseinheiten. Typische Frequenzen sind 433 MHz, 868 MHz (Europa), 915 MHz (USA), 950 MHz (Japan) und in den Microwave 2,45 GHz und 5,8 GHz Bereichen.

Verschlüsselung

Die meisten RFID-Transponder senden ihre Informationen in Klartext, einige Modelle verfügen aber auch über die Möglichkeit, ihre Daten verschlüsselt zu übertragen.

Modulations- und Kodierungsverfahren

Keying/Modulation bezeichnet ein Verfahren um digitale Signale über analoge Leitungen übertragen zu können. Der Begriff Keying kommt aus den Anfangszeiten des Telegraphs. Die meist verwendeten Keying-/Modulationsverfahren sind:

• Amplitude Shift Keying (ASK): verwendet beim "proximity und vicinity coupling"
• Frequency Shift Keying (FSK, 2 FSK): verwendet beim "vicinity coupling"
• Phase Shift Keying (PSK, 2 PSK): verwendet beim "close coupling"

Kodierungsverfahren (encoding) sind eine Vereinbarung zwischen Sender und Empfänger wie die Signale interpretiert werden sollen. Ein typisches Verfahren ist zum Beispiel die Morsekodierung. Die meist verwendeten Kodierungsverfahren im RFID-Bereich sind:

• Biphase Manchester encoding (bi-phase)
• Pulse interval encoding
• Biphase space encoding
• Pulsed RZ encoding
• EPC Miller encoding
• "1 of 256" und "1 of 4"
• FSK subcarrier encoding

Einen Sonderfall stellen SAW-Tags dar, die SAW-Effekte nutzen. Dabei wird die Kennung in der Laufzeit der reflektierten Signals kodiert.

Technische Begrenzungen

Die Schwäche der RFID-Technik ist in der begrenzten Reichweite und in der Unschärfe der zu gewinnenden Information zu erkennen, da RFID-Chips keine direkte Information über die genaue Position und Bewegung liefern, sondern nur zur Identität. Ortsinformationen erhält man über den Umweg über die Kenntnis des Standorts des Lesegerätes. Die meisten Objekte tragen ihre Identität offen zur Schau, dann ist der RFID-Einsatz lediglich ein Verfahren, diese Identität schneller und präziser zu erfassen. Die wenigsten Subjekte tragen ihre Identität offen zur Schau, in der Verwendung von RFID-Tags für Subjekte liegt eine Gefahr, die viele umtreibt (siehe unten).

RFID-Tags oder RFID-Transponder können über eine kurze Distanz sicher erfasst werden. Soll diese Distanz erweitert werden, wird die Erfassung entweder unsicher oder sie erfordert eine höhere Energie zur Übertragung des Abfragetelegramms und des meist reflektierten Lesetelegramms. Gleichzeitig mit der Steigerung der Distanz steigt in dichten Populationen und ohne Beschränkung der Sicht auch die erreichte Menge der vorhandenen Tags. Alle Tags werden nach einander ohne bestimmte Reihenfolge gelesen, dabei steigt die Zeit für das Lesen mindestens linear mit der Anzahl. Die Verweildauer aller Tags im Sichtbereich muss größer sein als die erforderliche Zeit zum Lesen aller Tags. Alle erreichten Tags melden sich ohne Unterschied des Abstands, ein schlichter RFID-Leser misst den Abstand nicht. Soll ein einziges Objekt identifiziert werden, kann durch mehrfaches Lesen eine Filterung begründet werden: Alle Tags, die dauernd sichtbar sind, ruhen. Alle Tags, die kurzzeitig sichtbar sind, bewegen sich vermutlich. Um aus der Vermutung Fakten zu schaffen, sind entweder weitere Sensoren erforderlich, die zusätzliche Aussagen über die identifizierten Objekte liefern oder es sind Beschränkungen erforderlich, die eine Vereinzelung der Objekte bewirken. Jede Lösung muss exakt auf den jeweiligen Prozessablauf zugeschnitten werden.

Was die Richtung angeht, so ruhen Objekte, werden zugestellt oder abgeholt. Für jeden Nutzer der RFID-Daten ist dieser Unterschied von Belang. Nur in einer Minderzahl werden RFID-Tags ausschließlich für ruhende Objekte genutzt. In allen anderen Fällen ist mit heute angebotener RFID-Technik das Erkennen der Bewegung an sich und von deren Richtung nicht zu lösen, sondern es muss durch die ergänzenden Sensoren die Bewegung detektiert werden. Das kann unmittelbar erfolgen, indem das Objekt beobachtet wird oder mittelbar, indem das Instrument beobachtet wird, mit dem das Objekt bewegt wird. Diese Transporthilfsmittel verbleiben in der Regel am Ort des Transports oder zumindest in der Obhut des Transporteurs. Damit erledigt sich meist die Frage, ob die ergänzenden Sensoren wirtschaftlich eingerichtet werden können: Sie werden wiederholt genutzt und sind damit ein klassisch zu bemessendes Investivgut, wie viele andere Hilfsmittel auch. Der Versuch, die RFID-Tags soweit aufzurüsten, dass diese selbst eine ergänzende Sensorik entbehrlich machen, ist bisher allgemein entweder technisch oder wirtschaftlich gescheitert. Für eine Verbindung der RFID-Leser zum Lesen der Identität der Tags mit Sensoren zur Detektion der Bewegung der die Tags tragenden Objekte gibt es keine Standards.

Sobald mit RFID-Transpondern gekennzeichnete Waren Metallfolien oder Flüssigkeiten enthalten oder aus Metall bestehen, kann ein Transponder u.U. nicht mehr gelesen werden. Wenn mehrere solcher Waren auf einer Palette oder in einem Einkaufswagen liegen, wird die Problematik deutlich. Das gewünschte "Bulk Scanning" ist daher anwendungsbedingt zu untersuchen. Für Metallcontainer gibt es Lösungen (in Form von Fähnchen). Flüssigkeiten sind nur bei UHF ein Problem, HF funktioniert mit wenigen Einschnitten. Ungelöst ist derzeit noch das Problem der Entsorgung der Transponder als Elektronikschrott beim Masseneinsatz wie z. B. bei Supermarktartikeln. Unter anderem wird deshalb an neuen Materialien (z. B. auf Polymerbasis) geforscht, aber auch zur weiteren Senkung der Herstellungskosten sowie der Erschließung neuer Einsatzgebiete (z. B. in Geldscheinen und Kleidung eingearbeitete Transponder).

Quelle: Wikipedia

Weitere Produkte aus unserem Angebot