RFID

Entwicklungsgeschichte RFID

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, elektronischen 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.

Im Juli 2006 kündigte Hewlett-Packard an, mit dem Memory Spot eine RFID-ähnliche Technologie geschaffen zu haben. Der zwei bis vier Quadratmillimeter große Chip kann eine Übertragungsrate von bis zu 10MBit/s. erreichen und sendet auf dem Bluetooth-Frequenzspektrum. Der Chip wird vermutlich Ende des Jahrzehnts die Marktreife erreicht haben, zehn bis 50 US-Cent Kosten und soll laut HP nicht in Konkurrenz zu RFID treten. Das Anwendungsgebot umfasst laut HP beispielsweise die Patientendokumentation im Gesundheitswesen

RFID 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 (Transponder), 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 dem 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: Der 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 Reader ausgesendete Feld moduliert, sendet er seine Seriennummer oder andere vom Reader 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 13,56 MHz von den UHF-Tags auf 865 – 869 MHz (Europäische Frequenzen):

HF-Tags verwenden Lastmodulation, das heißt sie verbrauchen durch kurzschließen die Energie des magnetischen Wechselfeldes. Dies kann der Reader detektieren. Durch die Bindung an das magnetische Wechselfeld funktioniert diese Technik ausschließlich im Nahfeld. Die Antennen eines Nahfeldtags bilden daher eine Spule ab.

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 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. Drucker, die heute in der Lage sind, RFID-Etiketten zu bedrucken und gleichzeitig zu beschreiben könnten später einmal abhängig von der Ware Perforierungen in die Antennen schneiden, so dass die Antennen optimal auf die zu beklebenden Materialien abgestimmt sind.

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 Reader zum Tag und zurück – zurückgelegt werden muss, muss diese Continuous Wave recht leistungsstark sein. Üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 Watt EIRP.

Zum Auslesen der Tags stehen im UHF-Bereich 10 freie Kanäle mit einer Leistung von 2 Watt zur Verfügung, oberhalb ein Kanal und unterhalb 3 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 Reader gleichzeitig nutzen 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, was allerdings kein Problem darstellt, 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 sehr geringem 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:

• MicroChip
• Antenne
• Träger oder Gehäuse
• Energiequelle (bei aktiven Transpondern)

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. 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 RFID

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. 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.

Frequenzbereiche RFID

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.
• 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 RFID

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

Betriebsarten

• Full Duplex System (FDX)
• Half Duplex Yystem (HDX)
• Sequential System (SEQ)

Speicherkapazität

• 1-Bit-Transponder
• wenige Bytes bis zu mehreren KBytes

Beschreibbarkeit

1. Der Datensatz des Transponders wird zum Zeitpunkt der Herstellung des Chips auf den Transponder geschrieben.
2. Der Transponder ist Beschreibbar
   2.1 EEPROM (electrically eraseable programmable read only memory) – induktiv gekoppelte RFID
   2.2 FRAM (ferromagnetic random access memory)
   2.3 SRAM (statc random access memory) – benötigt unterbrechungsfreie Stromversorgung

Energieversorgung

1. passive Transponder – Energieversorgung wird dem (elektrischen/magnetischen) Feld entnommen.
2. semi-passive Transponder, (Stütz-) Batterie für die Nutzung von angeschossenen Sensoren, aber nicht für die Datenübertragung.
3. aktive Transponder – Batterie im Normalfall für die Erweiterung des Bereichs des Datentransfers, aber auch für parallele Sensorik.
4. Short Range Radio Device (SRD), bezeichnet als RFID – eigentlich jedoch Telemetriesender bestehend aus aktiven Sender (TX) und hochwertigen Empfänger (RX)

Betriebsfrequenz

Sendefrequenz des Lesegerätes:

• Low Frequency (LF) – 30 kHz … 300 kHz
• High Frequency (HF) / radio frequency (RF) – 3MHz … 30 MHz
• Ultra High Frequency (UHF) – 300MHz … 3GHz
• Microwelle -> 3GHz

Reichweite

• close – coupling – 0 … 1 cm
• remote-coupling – 0 … 1 m
• long-range-coupling – > 1 m

Datenübertragung

• Reflexion / gerichtete bzw. ungerichtete Backscatter (Frequenz der reflektierten Welle entspricht der Sendefrequenz des Lesegerätes – Frequenzverhältnis 1:1)
• Lastmodulation (Feld des Lesegerätes wird durch den Transponder beeinflusste – Frequenzverhältnis 1:1)
• subharmonische Welle (Frequenzverhältnis 1:n)
• Erzeugung von Oberwellen (n-fache) im Transponder

Kopplungsmethoden

• elektrische Felder (kapazitive Kopplung)
• magnetische Felder (induktive Kopplung)
• elektromagnetische Felder