RFID - Radio Frequency Identification: Technologie mit RFID-Chips einfach erklärt
Veröffentlicht: 31.08.2022 | Lesedauer: 9 Minuten
Eine schnelle und einfache Identifizierung ist heutzutage in vielen Bereichen ein extrem wichtiges Thema. Somit wird sichergestellt, dass lediglich berechtigte Personen bestimmte Büroräume oder Produktionsstätten betreten können. Für die zuverlässige Kontrolle und Freigabe der Zugangsberechtigung werden u.a. sogenannte RFID-Chips eingesetzt.
Aber die RFID-Technologie kann noch weit mehr. Denn es können auch Gegenstände oder Produkte damit ausgestattet werden. Dadurch ist es möglich, dass unbezahlte Waren nicht unbemerkt aus einem Ladengeschäft getragen werden können. Aber auch in der Automobilindustrie wird die RFID-Technik gerne genutzt, um zum Beispiel eine effiziente Wegfahrsperre zu ermöglichen oder Produktionsabläufe zu optimieren. Sogar bei Tieren werden RFID-Systeme eingesetzt. Bei aufgefundenen Hunden oder Katzen lassen sich so die Besitzer sehr schnell ermitteln. Gerne erklären wir Ihnen, welche Technik hinter RFID steckt und wie sie genau funktioniert.
Die Bezeichnung RFID stammt aus dem englischen Sprachgebrauch und ist die Abkürzung für Radio-Frequency-Identification. Frei übersetzt bedeutet der Begriff so viel wie „Funk-Identifikation“. Also eine Erkennung, die mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen arbeitet.
Da bei diesem Verfahren die relevanten Daten drahtlos übertragen werden, ist eine direkte Kontaktierung, so wie beispielsweise beim Auslesen einer Speicherkarte, nicht erforderlich.
So lassen sich mit dieser berührungslosen Technologie viele Prozesse in der Industrie, im Handel oder auch im Logistikbereich deutlich einfach und kostengünstiger verwirklichen.
Für den effizienten Einsatz der RFID-Technologie werden unterschiedliche Hardware-Komponenten benötigt.
RFID-Lesegerät
Das Herzstück eines RFID-Systems ist der RFID-Leser bzw. RFID-Reader, an dem ein oder mehrere RFID-Transponder betrieben werden. Der Leser kann stationär montiert sein, um zum Beispiel Schaltfunktionen an einem elektrischen Türöffner oder an einem Drehkreuz durchzuführen.
Die erfassten Zugangsdaten inkl. Datum und Uhrzeit können bei Bedarf auch über eine interne Datenbank oder ein extern angeschlossenes System (PC) abgespeichert, protokolliert und weiterverarbeitet werden. Es gibt aber auch mobile RFID-Reader, welche die ausgelesenen Informationen des Transponders in einem Display anzeigen. Zum Teil werden RFID-Lesegeräte auch verwendet, um die erforderlichen Daten auf die RFID-Transponder zu übertragen.
RFID-Transponder
Die Bezeichnung Transponder ist eine Mischung aus „Transmit“ für Übermitteln und „Responses“ für Antworten. Und genau das machen RFID-Transponder auch: Sie übermitteln die in ihnen abgelegten Informationen als Antwort.
Der Transponder stellt somit einen mobilen Datenträger dar. Er wird auch als „RFID-Tag“ oder umgangssprachlich als „RFID-Chip“ bzw. einfach nur „Chip“ bezeichnet. Die Speicherkapazität des Transponders ist vom Verwendungszweck abhängig. Bei einfachen Systemen sind einige wenige Bytes vollkommen ausreichend. Bei komplexeren Systemen hingegen kann der Transponderspeicher bis 100 kB oder mehr betragen.
Ebenso wie die Speicherkapazität ist auch die Bauform vom Verwendungszweck abhängig. So gibt es RFID-Tags bzw. Transponder als Speicherkarten, EC-Karten, Schlüsselanhänger, Kabelbinder, Anbauteile, selbstklebende RFID-Etiketten (Smart Label bzw. RFID-Label) oder auch als reiskorngroße Exemplare. Wobei die zuletzt genannten RFID-Tags Hunden, Katzen oder auch Zootieren zur Tieridentifikation unter die Haut implantiert werden können.
Um die Arbeitsweise von RFID-Systemen zu verstehen, müssen zunächst die Funktionen der unterschiedlichen Komponenten bzw. die einzelnen Schritte beim Auslesen genauer betrachtet werden.
RFID-Lesegerätefunktion
Das Lesegerät erzeugt mithilfe eines Hochfrequenzmoduls und einer RFID-Antenne (Spule) ein elektromagnetisches Wechselfeld. Die dazu verwendeten Frequenzen sind national, als auch international, unterschiedlich.
Im europäischen Raum werden vorzugsweise im Langwellenbereich (Low Frequency) die Frequenzen 125 kHz und 135 kHz genutzt.
Wird der Kurzwellenbereich (High Frequency) verwendet, arbeiten RFID-Systeme mit 13,56 MHz.
Im UHF-Bereich (Ultra High Frequency) stehen Frequenzen von 868 MHz zur Verfügung.
Für unterschiedliche Mautsysteme werden noch höhere Frequenzen im SHF-Bereich (Super High Frequency) von 2,45 GHz und 5,8 GHz genutzt.
Mit zunehmender Frequenz steigen die Auslesegeschwindigkeiten und somit auch das auslesbare Datenvolumen. Aber auch auf die möglichen Reichweiten können in Abhängigkeit der unterschiedlichen RFID-Frequenzen und den Betriebsarten variieren und liegen zwischen 1 cm und 30 m oder mehr.
RFID-Transponderfunktion
Ein passiver Transponder (siehe Skizze) ist im Prinzip ein Speicher-Chip (1), der mit einer Spule (2) und einem Kondensator (3) ausgestattet ist. Fachkräfte sprechen bei einer Kombination aus Spule und Kondensator immer von einem Schwingkreis. Die Induktivität der Spule, sowie die Kapazität der Kondensatoren bestimmen die Resonanzfrequenz, auf der ein Schwingkreis arbeitet bzw. schwingt. Über die Transponderspule erfolgen die Energieversorgung und der Datenaustausch mit der Spule im RFID-Reader.
Im Gegensatz zum passiven Transponder, der keine eigene Energiequelle besitzt, hat ein aktiver Transponder eine eigene Energiequelle in Form einer Batterie. Diese wird nur während des Auslesevorgangs aktiviert.
Semi-passive Transponder haben ebenfalls eine Energiequelle, die aber lediglich zur Stromversorgung des Micro-Chips dient. Zum Senden der gespeicherten Daten wird, ebenso wie beim passiven Transponder, die vom Lesegerät übertragene Energie verwendet.
RFID-Transpondererkennung
Wird ein Transponder dem elektromagnetischen Feld eines RFID-Readers ausgesetzt, beginnt der Schwingkreis im Transponder auf seiner Resonanzfrequenz zu schwingen. Dabei entzieht der Transponder durch induktive Kopplung dem magnetischen Wechselfeld Energie. Diese Energie nutzt ein passiver RFID-Transponder zur Stromversorgung.
Gleichzeitig führt der Energierückgang im Wechselfeld dazu, dass das Lesegerät den Transponder erkennt und die Daten des Transponders abfragt. Dieser Vorgang dauert lediglich ein paar Sekundenbruchteile.
Da passive Transponder weit mehr Energie vom Lesegerät fordern als aktive Transponder, muss die Feldstärke entsprechend hoch bzw. die Distanz zur Lesegerätespule entsprechend gering sein.
RFID-Resonanzfrequenz
Damit der RFID-Reader einen Transponder erkennt, muss das Wechselmagnetfeld den Schwingkreis im Transponder aktiv zum Schwingen anregen. Das geht nur, wenn beide Systeme auf der gleichen Frequenz arbeiten. Durch Fertigungstoleranzen haben Transponder aber zwangsläufig leicht unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Deshalb ist die Sendefrequenz der Lesegeräte nicht fest vorgegeben. Stattdessen wird mit einem Frequenzbereich gearbeitet, den die Sendefrequenz stetig durchwandert. So werden alle zum System gehörenden Transponder zuverlässig erkannt.
RFID-Datenübertagung
Bei 1 Bit-Transpondern, die beispielsweise zur Warensicherung verwendet werden, ist die Datenübertragung kein Thema. Denn es wird lediglich eine Ja/Nein-Aussage übermittelt. Müssen mehrere Daten übertragen werden, kommen drei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz:
Vollduplexverfahren (FDX):
Daten können gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden. Dabei sorgt das Lesegerät für eine kontinuierliche Energieübertragung zum Transponder. Diese Datenübertragung ist mit der Telefonie vergleichbar, wo gesprochen und gleichzeitig gehört werden kann.
Halbduplexverfahren (HDX):
Die Daten in beide Richtungen werden wechselseitig übertragen. Auch bei diesem Verfahren sorgt das Lesegerät für eine kontinuierliche Energieübertragung. Dieses Verfahren gleicht Wechselsprechanlagen oder Funkgeräten, wo entweder gesprochen oder gehört werden kann.
Sequenzielles Verfahren (SEQ):
Im Gegensatz zum Vollduplex- und Halbduplexverfahren, wird beim sequenziellen Verfahren die Energieübertragung im schnellen Rhythmus ein- und ausgeschaltet (Pulsbetrieb). Die Datenübertragung vom HF-Transponder zum Lesegerät erfolgt dann immer in den Pulspausen.
Die Datenübertragung vom Lesegerät zum Transponder wurde als "Downlink" bezeichnet. Die Datenübertragung vom Transponder zum Lesegerät wurde als "Uplink" definiert.
RFID-Reichweiten
Wie bereits erwähnt, werden mit einem RFID-System zum Teil recht große Reichweiten von 30 m erreicht, wobei theoretisch noch höhere Werte möglich wären. Die unterschiedlichen Reichweiten sind neben der Feldstärke und dem Transpondertyp (passiv, semi-passiv oder aktiv) auch vom Kopplungsverfahren abhängig.
Close Coupling
Bei diesem Verfahren werden im Frequenzbereich von bis zu 30 MHz Reichweiten von rund 1 - 2 cm erreicht. Durch die enge Kopplung zwischen Transponder und Lesegerät kann mit geringen Feldstärken gearbeitet werden. Zudem ist die geringere Reichweite von Vorteil, wenn sicherheitsrelevante Daten, wie z.B. Zutrittsberechtigungen, abgefragt werden. Die Kopplung kann entweder induktiv oder kapazitiv erfolgen.
Remote Coupling
Remote Coupling-Systeme sind die mit am meisten eingesetzten RFID-Anwendungen. Die passiven Transponder arbeiten mit einer induktiven Kopplung zum Lesegerät. Die erzielten Reichweiten sind von den maximal zulässigen Sendeleistungen der Lesegeräte abhängig und betragen rund 1 - 3 m. Die bei Remote Coupling verwendeten Frequenzen liegen vorzugsweise im unteren Frequenzbereich bei 100 - 135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz sowie 27,125 MHz.
Long Range Coupling
Long Ranges Systeme ermöglichen mit passiven Transpondern eine Reichweite von 3 m. Mit aktiven Transpondern beträgt die Reichweite ca. 30 m oder mehr. Dazu werden hohe Frequenzen im Bereich von 434 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz oder 5,8 GHz genutzt. Aufgrund der hohen Reichweite und der verhältnismäßig schnellen Datenübertragungsrate eigen sich diese Systeme u.a. ideal zur elektronischen Mauterfassung.
Hinweis:
Manche aktiven Transponder arbeiten beim Auslesevorgang mit unterschiedlichen Frequenzen. Während für die Anmeldung am Lesegerät 135 kHz verwendet wird, erfolgt die anschließende Datenübertragung auf 2,4 GHz. Allerdings muss diese Funktion auch vom Lesegerät unterstützt werden.
Der Grund, warum sich RFID-Lösungen und RFID-Projekte in der Industrie 4.0 immer weiter verbreiten, ist letztendlich die Kombination einzelner grundlegender Vorteile:
Funkverbindung
Durch die Funkverbindung ist ein direkter Sichtkontakt nicht erforderlich. Die Erfassung kann durch Verpackungsmaterial oder LKW-Planen hindurch erfolgen. Selbst mehrere einzelne Produkte auf einer Palette mit jeweils einem eigenen RFID-Transponder können bei einem einzigen Scanvorgang im Pulk erfasst werden.
Robuste und zuverlässige Transponder
Da passive Transponder ohne eigene Stromversorgung auskommen, muss man sich keine Gedanken bezüglich Akkus oder Batterien machen. Dadurch sind jahrelange, um nicht zu sagen jahrzehntelange, Betriebszeiten möglich. Zudem sind diese Transponder konkurrenzlos kostengünstig.
Hohe Systemflexibilität
RFID-Systeme lassen perfekt an die jeweilige Aufgabenstellung und den erforderlichen Einsatzort anpassen. Die Verwendung von verschiedenen Frequenzen und die unterschiedlichen Bauausführungen bei den Lesegeräten und den Transpondern bieten diesbezüglich fast grenzenlose Möglichkeiten.
Gesteigerte Sicherheit
Da sicherheitsrelevante Daten und Informationen mittlerweile verschlüsselt übertragen werden, sind RFID-Chips nicht mehr so leicht abhör- oder kopierbar.
Enormes Datenvolumen
Im Vergleich zu einem Barcode können Transponder weitaus größere Datenmengen für einen weltweit individuellen elektronischen Produktcode (EPC) zur Verfügung stellen. Ein weiterer Vorteil: Über nachgeschaltete IT-Systeme können die Daten ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
Mittlerweile gibt es fast keinen Bereich mehr, bei dem RFID-Systeme nicht zum Einsatz kommen. Doch unabhängig davon wollen wir einige Hauptbereiche herausstellen, in denen sich die Funktransponder bereits bestens bewährt haben.
Warensicherung
Ladenbetreiber haben ein enormes Problem. Denn nicht alle Kunden bezahlen die Ware, die sie mit nach Hause nehmen wollen. Um die Waren zu sichern und den Ladendiebstahl zu erschweren, werden sogenannte 1Bit-Transponder verwendet. Diese verhältnismäßig preiswerten Transponder sind relativ einfach aufgebaut und lassen sich aufgrund ihrer Bauform sehr leicht verdeckt an der Ware platzieren. Lesespulen im Ausgangsbereich erkennen dann sofort, ob der Transponder beim Bezahlvorgang deaktiviert wurde. Ansonsten wird beim Verlassen des Ladengeschäftes ein Alarm ausgelöst.
Zutrittskontrolle
Besonders im Bereich der Zutrittskontrolle bietet die RFID-Technologie individuelle Möglichkeiten. Dabei können einzelne Räume oder auch komplette Gebäude überprüft und verwaltet werden. Bei Online-Systemen sind die Lesegeräte mit einem zentralen Rechner verbunden, der über eine Datenbank mit den erforderlichen Informationen verfügt. Innerhalb dieser Datenbank können dann die Zutrittsberechtigungen unabhängig vom Transponder vergeben werden. Bei Offline-Systemen werden die Daten zur Zugangsberechtigung direkt im Transponder abgelegt. Die Programmierung des Transponders erfolgt im Vorfeld über eine zentrale Station.
Logistik
Das wohl größte Potenzial der RFID-Technologie kann in der Logistik-Branche und Lagerhaltung genutzt werden. Auch wenn in diesem Bereich Barcode-Scanner noch weit verbreitet sind, setzt sich RFID immer stärker durch. Denn die kontaktlose Datenerfassung ermöglicht selbst komplette Warenlieferungen ohne großen Aufwand zur erfassen.
Dies ist speziell für Lebensmittelhersteller, die laut EU-Verordnung zur Rückverfolgbarkeit ihrer Produkte verpflichtet sind, eine deutliche Arbeitserleichterung.
Allerdings ist die weltweite Warenverfolgung trotz einheitlichem Electronic Product Code (EPC) noch eine richtige Herausforderung, da in den unterschiedlichen Ländern die verwendeten Systeme und Frequenzen sehr stark voneinander abweichen und nicht kompatibel zueinander sind.
Nah- und Fernverkehr
Speziell im öffentlichen Nahverkehr bietet RFID außergewöhnliche Vorteile. Wenn der Bezahlvorgang per Transponder geschieht, muss kein Kleingeld bereitgehalten werden und der richtige Betrag wird automatisch gebucht. Unternehmen müssen keine Fahrscheine drucken und die Abrechnung geht schneller und einfacher. Selbst an Flughäfen sorgen RFID-Tags dafür, dass die Gepäckstücke richtig zugeordnet werden.
Veranstaltungen
Bei Veranstaltungen werden RFID-Systeme oft mehrfach genutzt. Bei sportlichen Großereignissen, wie beispielsweise einer Fußballweltmeisterschaft, werden die Eintrittskarten mit einem RFID-Transponder ausgestattet, auf dem die laufende Seriennummer gespeichert ist.
Aber auch die Zeitmessung der Akteure ist mit RFID möglich. Man sieht das immer sehr schön, wenn beispielsweise Biathleten kurz vor dem Ziel einen Ausfallschritt machen, damit der Transponder am Fuß so schnell wie möglich die Ziellinie (Lesegeräteantenne) erreicht.
Und bei Autorennen helfen RFID-Transponder die Anzahl der Runden, als auch die Runden- und Sektorzeiten exakt zu erfassen. Selbst Modellbauer nutzen diese clevere Technik.
Medizintechnik
Auch in der Humanmedizin hält RFID immer stärkeren Einzug. Der Anwendungsbereich spannt sich dabei von der Unterscheidung von originalen und gefälschten Medikamenten, über das Bettenmanagement in Krankenhäusern bis hin zu Patientenarmbändern und RFID-Chips mit Glukosesensoren zur komfortablen Messung des Blutzuckerspiegels. Übrigens, mit Chips ausgestattete OP-Bestecke und andere chirurgische Instrumente verhindern, dass diese Teile bei Operationen unbeabsichtigt im Körper zurückbleiben. Ein Scan vor dem Verschließen des OP-Feldes schafft da schnell Klarheit.
Dokumentenmanagement
Auch im digitalen Zeitalter sind in Arztpraxen, Kanzleien, Behörden oder Büros nach wie vor noch Dokumente, Unterlagen und Akten in Papierform vorhanden.
Mithilfe von selbstklebenden RFID-Etiketten kann die Verwaltung, als auch die Ablage und Archivierung dieser Dokumente bzw. aller anderen materiellen Medien übersichtlich gestaltet werden.
Besonders dann, wenn die Lesegeräte direkt ins Mobiliar integriert sind. Selbst der Zeitaufwand beim Prüfen, Beurteilen und Bearbeiten der jeweiligen Unterlagen kann dank cleverer RFID-technik exakt erfasst und abgerechnet werden.
Das waren nur einige wenige Beispiele für die stetig wachsende Anwendungsvielfalt von RFID-Systemen.
RFID und NFC (Near Field Communication) werden oft im gleichen Zusammenhang erwähnt. Das liegt daran, dass bei NFC die Sender-Empfänger-Systeme ebenfalls mit RFID-Protokollen arbeiten und einen Datenaustausch im Nahbereich von wenigen Zentimetern ermöglichen. Sogar die Frequenzen sind mit 13,56 MHz identisch. Allerdings gibt es einen deutlichen Unterschied: RFID stellt im Wesentlichen ein Frage/Antwort-System dar. Bei NFC hingegen können nicht nur NFC-Tags gelesen werden. Es handelt sich um eine Koppelungsmethode, bei dem zwei Systeme miteinander kommunizieren und Daten oder Bilder austauschen. Für die bargeldlose Bezahlfunktion sind mittlerweile viele Smartphones mit der NFC-Funktion ausgestattet.