Was ist RFID Technologie?
RFID ist eine Technologie, die den kontaktlosen Austausch von Daten und Informationen auf kurze oder mittlere Distanz zwischen einem Sender und einem Empfänger ermöglicht. Die Datenübertragung erfolgt im Nahbereich über ein magnetisches oder elektromagnetisches System, das vom Empfänger aufgebaut und mit Energie versorgt wird. Im mittleren Distanzbereich erfolgt die Datenübertragung im HF– oder UHF-Frequenzband. Die Industrie 4.0 setzt schon lange auf RFID Technologie.
Das Thema kurz und kompakt
- RFID ermöglicht den kontaktlosen Datenaustausch zwischen einem Sender (Transponder) und einem Empfänger (Lesegerät).
- Der zentrale Vorteil von RFID ist die eindeutige Identifizierung von Transponderchips mittels einer Identifikationsnummer, die weltweit jeweils nur einmal vergeben wird. Das macht die direkte Ansprache einzelner Produkte möglich.
- Die bidirektionale Auslegung der RFID-Datenübertragung erlaubt die Aktualisierung spezifischer Informationen über die Produkteigenschaften direkt am Produkt.
Wie funktioniert die RFID Datenübertragung?
Befindet sich der Sender – auch RFID-Transponder oder RFID-Tag genannt – innerhalb der Reichweite des Feldes, lassen sich von ihm Daten auf den Empfänger – auch RFID-Lesegerät oder RFID-Scanner genannt – übertragen und dort weiterverarbeiten. Zu diesem Zweck verfügen Transponder und Lesegerät über Antennen, die die eigentliche Datenübertragung abwickeln.
Vielfach ist das Lesegerät zusätzlich über eine Schreibfunktion ausgestattet. Damit lassen sich nachträglich Daten auf den Transponder übertragen, die ab diesem Augenblick zur Nutzung durch alle Lesegeräte zur Verfügung stehen. Dieses Verfahren ist vor allem bei RFID-NFC-Lesegeräten zu finden.
Die RFID Technologie zeichnet sich durch zwei Besonderheiten aus, die sie zu einem der universellsten Verfahren der Gerätekommunikation machen: Zum einen verfügt jeder RFID-Transponder über ein weltweit einzigartiges Identifikationsmerkmal: die EPC-Nummer. Damit lässt sich jeder Transponder eindeutig lokalisieren.
Zum anderen wird der Transponder im Nahbereich über das vom Lesegerät aufgebaute Magnetfeld mit der Energie versorgt, die er für seinen Betrieb benötigt. Der Transponder benötigt demnach keine eigene Stromversorgung, was flexible Anwendungen in bisher nicht gekannter Konsequenz möglich macht.
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Das RFID-Lesegerät
Lesegeräte bzw. RFID Reader für das RFID Verfahren sind in zahlreichen unterschiedlichen Ausführungen und Bautypen erhältlich. Die Wahl des geeigneten Geräts hängt im Wesentlichen von den Verhältnissen vor Ort ab. Die Kriterien, die hier eine Rolle spielen, sind neben dem Einsatzort und den Gegebenheiten bei der Stromversorgung vor allem die gewünschte Lesereichweite und der gewünschte Frequenzbereich für die Datenübertragung.
Grundsätzlich lassen sich die Geräteklassen in mobile und stationäre RFID-Chip-Lesegeräte einteilen. Eine zusätzliche hybride Form, die semistationären Lesegeräte, eignet sich für spezielle Anwendungsfälle.
Mobile RFID-Lesegeräte
Lesegeräte für den manuellen Einsatz eignen sich insbesondere für mobile Aufgabenstellungen, beispielsweise in der Logistik, dem Lagermanagement, der Omni-Channel-Bestellabwicklung oder der Kommissionierung.
Der vom Transponder übernommen RFID-Code verbleibt nur kurz in einem mobilen RFID-Leser. In der Regel erfolgt der unmittelbare Weitertransport der erfassten Daten an ein Host-System – entweder ebenfalls drahtlos über WLAN oder nach dem Andocken des Lesegeräts an seine Übertragungs- und Ladeeinheit.
Stationäre RFID-Lesegeräte
Stationäre Lesegeräte, auch RFID Gate Reader genannt, kommen zum Einsatz, wenn es das Ziel ist, Daten von mobilen Transpondern zu übernehmen. In diesem Fall durchquert der Transponder das Magnetfeld des Lesegeräts und gibt dabei seine Daten ab. Ein typisches Beispiel dafür sind RFID-Preisetiketten im Supermarkt.
Typische Einsatzgebiete stationärer RFID-Lesegeräte sind neben dem Einzel- und Großhandel Bibliotheken und Fertigungsbetriebe. Auch bei der Zeiterfassung im Sportbereich, bei der Diebstahlsicherung und bei der Identifizierung von Besuchern bei Veranstaltungen kommen häufig stationäre Lesegeräte zum Einsatz.
Semi-stationäre RFID-Lesegeräte
Diese Klasse beschreibt Lesegeräte, die zwar stationär zum Einsatz kommen, wobei sich der Einsatzort aber durch einfaches Ein- und Ausstecken verändern lässt. Ein typisches Beispiel sind Lesegeräte, die sich per USB oder eine serielle Schnittstelle an einen Computer anschließen lassen.
Verbreitete Anwendungsgebiete sind temporäre Kassenstationen, beispielsweise auf Messen und in Empfangsbereichen. Auch bei der Zugangskontrolle und bei intelligenten Regal– und Displaysystemen kommen vielfach semi-stationäre Lesegeräte zum Einsatz, ebenso wie bei mobilen Systemen zur Transponder-Programmierung. Weitere Einsatzgebiete sind die Internetsicherheit, das E-Banking und die Telekommunikation.
Zu den semi-stationären RFID-Lesegeräten lassen sich in gewisser Hinsicht auch Mobilfunkgeräte zählen. Smartphones und Tablets, die über eine RFID-App mit einer Lesefunktion ausgerüstet sind, lassen sich in einer unübersehbar großen Zahl von Anwendungsfällen einsetzen – von mobilen Zahlungslösungen über Smarthome-Funktionalitäten bis hin zum Internet of Things. In diesem Fall übernimmt das Smartphone oder Tablet die Funktion eines mobilen RFID-Readers, das, in die Nähe eines Transponders gebracht, diesen mit Strom versorgt, seine Informationen ausliest und an die im Gerät installierte Anwendung weitergibt.
Der RFID-Transponder
Die Erscheinungsformen von RFID-Tags sind quasi unbegrenzt. Sie können in Gestalt des bereits erwähnten Preisetiketts daherkommen, oder als unauffällig gestaltete Elemente, die an geeigneter Stelle angebracht sind. Allen Transpondern gemeinsam sind zwei Elemente: der Datenchip und die Antenne zur Übertragung der gespeicherten Daten.
Weit verbreitet sind RFID-Tags in Plastikkarten, beispielsweise in Bank- oder Kreditkarten. Sie ermöglichen unter anderem die kontaktlose Zahlungsabwicklung an der Supermarktkasse. Auch zahlreiche andere Anwendungsarten von RFID-Plastikkarten haben sich mittlerweile eingebürgert, beispielsweise die kontaktlose Chipkarte zur Einlasskontrolle.
Speicherkapazität eines RFID-Transponders
Transponder sind mit unterschiedlichen Speicherumfängen erhältlich. Die Kapazität hängt dabei im Wesentlichen vom Anwendungsfall ab. In der Regel liegt der Speicherumfang zwischen 4 Byte und 8 Kilobyte.
Geringe Kapazitäten genügen, wenn lediglich eine eindeutige Identifikationsnummer übertragen werden soll. Geht es um komplexe Datenbestände, sind höhere Speicherkapazitäten erforderlich. Auf einem Acht-Kilobyte-Chip beispielsweise lassen sich immerhin vier Standard-Schreibmaschinenseiten unterbringen.
Ein Teil des vorhandenen Speicherplatzes auf dem Chip eines RFID-Transponders muss für spezielle Funktionalitäten zur Verfügung stehen. Dazu gehören beispielsweise PIN-Berechtigungen oder Verschlüsselung und Schreibschutz.
Aktive und passive Transponder
Neben dem bisher erwähnten passiven Transponder sind für spezielle Anwendungsfälle auch aktive RFID Transponder mit eigener Stromversorgung durch Batterie oder Akku erhältlich. Sie kommen insbesondere zum Einsatz, wenn es um höhere Reichweiten geht. Aktive Transponder können ihre Daten auf Entfernungen bis zu 100 Metern übermitteln.
Transpondertypen
Passive RFID-Transponder sind in diese drei Kategorien eingeteilt:
| Read-Only | Hier handelt es sich um Transponder, die vom Hersteller bei der Produktion beschrieben wurden. Ihr Inhalt ist endgültig – sie lassen sich nicht nachträglich überschreiben, löschen oder verändern. |
| Write-Once, Read Many (WORM) | Dieser Transpondertyp wird vom Hersteller unbeschrieben geliefert. Der Käufer kann den Chip dann ein einziges Mal beschreiben. Nachträgliche Änderungen sind nicht möglich. |
| Read and Write | Dieser Transpondertyp enthält einen Chip, der sich beliebig oft neu beschreiben und auslesen lässt. Durch eine spezielle Schutzfunktion lässt sich das Beschreiben und Auslesen nach eigenen Wünschen begrenzen. |
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Transponder-Frequenzbereiche
RFID-Transponder gibt es in drei Frequenzbereichen:
Low Frequency (LF)
Der allgemein nutzbare Frequenzbereich liegt bei 125 Kilohertz. Übertragungsraten und Sendereichweiten sind im LF-Band relativ niedrig. Dieses Frequenzband ist nicht anmeldepflichtig und gebührenfrei. LF-Transponder nutzen das Nahfeld magnetischer oder elektromagnetischer Wellen zur Informationsübertragung. Auf dem gleichen Weg erfolgt auch die Energieversorgung der Transponder.
Neben den niedrigen Kosten für Lesegeräte gehört auch die geringe Störungsanfälligkeit zu den Vorteilen der LF-Übertragung. LF-Systeme sind relativ unempfindlich gegenüber metallischen Bauteilen und Flüssigkeiten. Dadurch sind LF-Systeme besonders gut für den Einsatz in robusten Umgebungen geeignet, beispielsweise bei der Einlasskontrolle unter freiem Himmel oder bei der Tieridentifikation.
High Frequency (HF)
HF-Transponder arbeiten auf der Frequenz 13,56 Megahertz. Damit erreichen sie erheblich höhere Übertragungsraten und Taktfrequenzen als LF-Systeme. Da die HF-Wellenamplitude sehr kurz ist, genügen für RFID sehr kompakte Antennenspulen mit nur wenigen Drahtwindungen. Das macht sehr kleine und handliche Bauteile möglich. Auch gedruckte oder geätzte Antennen sind bei HF-Systemen möglich. Das wirkt sich positiv auf den Herstellungsprozess und damit auf den Preis aus: Das komplette System aus Chip und Antenne lässt sich hier als Endlosfolie herstellen – die ideale Voraussetzung für hohe Stückzahlen und eine rationelle Weiterverarbeitung.
Ultra High Frequency (UHF)
Die nochmals gesteigerte Übertragungsgeschwindigkeit und Reichweite zwischen 860 und 950 Megahertz macht besonders leistungsfähige RFID-Systeme möglich. Da die Wellenamplitude bei UHF noch wesentlich kürzer ist als bei HF-Systemen, sind hier Antennen möglich, die lediglich aus einem Dipol bestehen. Ein Spule ist bei UHF-Antennen nicht erforderlich. Eine Besonderheit ist die Charakteristik der Feldausbreitung, die der Strahlenoptik folgt. Das erlaubt RFID-Systeme mit fokussierter Wirkrichtung, was Sicherheit und Betriebsstabilität weiter steigert.
Nachteilig bei UHF-Systemen können sich die regulatorischen Bedingungen bei der Nutzung des UHF-Frequenzbands auswirken. Bestimmte Frequenzbänder unterliegen nicht unerheblichen Nutzungsgebühren oder sind gemäß örtlicher Zulassungsbestimmungen überhaupt nicht verwendbar. Dazu gehört beispielsweise der FCC UHF-Frequenzbereich um 915 Megahertz, der in Europa für kommerzielle Anwendungen gesperrt ist. Vorläufig ist nur die ETSI UHF-Frequenz bei 868 Megahertz für RFID-Anwendungen reserviert. Derzeit finden Gespräche darüber statt, weitere Frequenzbereiche im UHF-Band für RFID zugänglich zu machen.
Reichweiten bei RFID-Systemen
Die Funktionsdistanzen, also die Entfernungen, die höchstens zwischen Transponder und Lesegerät liegen dürfen, sind bei RFID in drei Klassen eingeteilt:
Close Coupling
Diese Transponder arbeiten mit Frequenzen zwischen 1 Hertz und 30 Megahertz. Die Reichweite beträgt zwischen 0 und 1 Zentimeter. RFID-Transponder nach dem Close Coupling-Verfahren benötigen in der Regel den direkten Kontakt mit dem Lesegerät, beispielsweise, indem sie eingesteckt oder aufgelegt werden. Das erlaubt die optimale Energieversorgung des Transponders durch das Lesegerät. Die Datenübertragung erfolgt auf kapazitivem oder induktivem Weg. Da der Signalweg zwischen Transponder und Lesegerät durch den direkten Kontakt quasi unstörbar ist, eignen sich Close Coupling-Systeme insbesondere für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen.
Remote Coupling
Für dieses Kopplungsverfahren stehen die Frequenzbereiche zwischen 100 und 135 Kilohertz sowie bei 6,75 Megahertz, 13,56 Megahertz und 27,125 Megahertz zur Verfügung. Die Reichweite kann hier bis zu ein Meter betragen. Auch hier erfolgt die Datenübertragung über induktive Kopplung, wobei allerdings der direkte Kontakt von Transponder und Lesegerät nicht erforderlich ist. Ebenfalls gleich ist die Stromversorgung des Transponders über das vom Lesegerät erzeugte Magnetfeld, wobei der Wirkungsgrad der Energieübertragung geringer ist als beim Close Coupling.
Long Range
Dieses Kopplungsverfahren nutzt das UHF-Frequenzband. Die Reichweite liegt zwischen 1 und 10 Metern. Die Datenübertragung erfolgt bei Long Range über das Prinzip der Rückstreuung (Backscattering). Dabei sendet das Lesegerät Wellen aus, die vom Transponder mit Informationen durchsetzt und an das Lesegerät zurückgeworfen werden. Diese zusätzliche Aufgabe des Transponders macht eine Energieversorgung erforderlich, die vom Lesegerät alleine nicht gemeistert werden kann, besonders nicht über die hohe Reichweite hinweg. Außer Aktivierungs– und Deaktivierungssignalen kann das Lesegerät keine weiteren Versorgungsleistungen abdecken. Daher muss bei Long Range der Transponder in der Regel mit einer eigenen Stromversorgung ausgerüstet sein.
Vorteile und Risiken von RFID auf einen Blick
Je nach Bauart und Anwendungsbereich kann RFID bestimmte Vorteile gegenüber anderen Übertragungstechniken vorweisen:
- Eindeutige Identifizierung: Jeder RFID-Chip verfügt über eine Seriennummer, die weltweit nur einmal vergeben wird. Damit lassen sich nicht nur Produktgruppen, sondern jedes einzelne Produkt eindeutig identifizieren und ansprechen.
- Flexibilität: Bei Systemen mit wiederbeschreibbaren Speicherchips lässt sich das Datenmanagement direkt am Produkt realisieren. Die Informationen am Transponder sind jederzeit aktualisierbar. Das hält die Produkteigenschaften bis hin zu Informationen zu Wartung und Service immer auf dem letzten Stand.
- Kein Sichtkontakt nötig: RFID-Systeme bleiben auch dann funktionsfähig, wenn zwischen Transponder und Lesegerät keine Sichtverbindung besteht. Auch Verschmutzung schränkt die Funktionalität in der Regel nicht ein, solange sich der Transponder im Wirkbereich des Lesegeräts befindet.
- Hohe Geschwindigkeit: Die hohe operative Sicherheit, verbunden mit den Übertragungsraten zwischen LF- und UHF-Bereich, macht sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten möglich.
Im Grund beinhaltet die RFID Technologie nur ein Risiko: die datenschutzrechtlichen Bedenken. Kommt RFID flächendeckend zum Einsatz, ist die Datenintegrität einzelner Personen nicht in vollem Umfang gewährleistet, insbesondere wegen der unauffälligen Art, wie mit RFID Daten erhoben werden können.
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RFID, NFC, Barcode: Das sind die Unterschiede
RFID und NFC (Near Field Communication) entstammen im Grund dem gleichen funktionalen Konzept. Genau genommen ist NFC eine Unterkategorie von RFID, die sich speziell mit der Nahfeldkommunikation befasst. Der wesentliche Unterschied ist die Eigenschaft von NFC, Daten nicht nur auszulesen, sondern auch die im Transponder gespeicherten Informationen ergänzen, löschen oder überschreiben zu können.
Deutlicher auszumachen sind die Unterschiede zwischen RFID, beziehungsweise NFC, und dem Barcode. Auch dieser hat die Aufgabe, Informationen an ein Lesegerät abzugeben, das allerdings nur in einem begrenztem Umfang, beispielsweise Artikelnummer, Preis, Haltbarkeitsdatum, etc. Dem stehen vor allem zwei wesentliche Nachteile des Barcodes gegenüber: Zum einen lassen sich Daten, die via Barcode zum Scannen bereitgehalten werden, nicht mehr nachträglich aktualisieren. Zum anderen lassen sich per Barcode zwar Artikelgruppen und Artikelnummern übernehmen, nicht aber das Einzelprodukt. Durch die weltweit eindeutige Identifizierung von Chips eröffnet das RFID-Verfahren eine Informationstiefe, wie sie beim Barcode undenkbar wäre.
Fazit
Die RFID Technologie stellt die unmittelbare Verbindung der physischen Produktwelt mit der virtuellen Datenwelt dar. Sie erlaubt die schnelle Erfassung von Produktdaten bis hin zum Einzelprodukt und eignet sich für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete – von der Lagerhaltung bis zum kontaktlosen Bezahlen. Insbesondere die technische Evolution hin zum bidirektionalen Datenverkehr macht RFID gegenüber dem Barcode zur Zukunftstechnologie in der Warenwirtschaft. Dass das Produkt selbst jederzeit die aktuellsten Informationen zu sich selbst bereitstellt, war mit bisherigen Methoden nicht darstellbar.
RFID steht trotz seiner hohen Verbreitung noch am Anfang seiner Möglichkeiten. Im Laufe der Zeit werden sich neue Anwendungsszenarien entwickeln, die heute noch undenkbar sind. Insbesondere in den Bereichen des herstellerunabhängigen Maschinenmanagements, der Digitalisierung von Geräteprozessen und den damit einhergehenden Einsparungs- und Rationalisierungsprozessen durch RFID Technologie eröffnen sich Anwendern ungeahnte Optimierungspotentiale.
ToolSense verfügt auf dem Gebiet der direkten Verbindung zwischen Maschine, Betreiber und Hersteller über jahrelange Erfahrung und bietet eine IoT Softwarelösung für Maschinen- und Betriebsmittelmanagement an.
FAQ
RFID ist eine Technologie zum kontaktlosen Austausch von Daten und Informationen auf kurze oder mittlere Distanz zwischen einem Sender (Transponder) und einem Empfänger (Lesegerät). Auf kurze Distanz erfolgt die Datenübertragung über ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld, das auch für die Stromversorgung des Transponders zuständig ist. Bei größerem Abstand erfolgt die Datenübertragung meist im Mikrowellenbereich des UHF-Frequenzbands.
Unter einem RFID-System ist eine Konfiguration zu verstehen, die aus einem Transponder und einem Lesegerät besteht. Darüber hinaus gehört zu einem RFID-System je nach Leistungsstärke und Reichweite entweder ein Datenübertragungsprotokoll, das auf dem Datenaustausch über ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld beruht, oder ein Protokoll auf der Basis eines HF- oder UHF-Frequenzbands.
Die flexible Auslegung der RFID Technologie erlaubt ein sehr großes Anwendungsspektrum. RFID lässt sich im Einzelhandel und Großhandel ebenso einsetzen wie in Fertigungsbetrieben, Bibliotheken, bei der Zeiterfassung – beispielsweise im Sportbereich – oder zur Besucheridentifizierung bei Veranstaltungen.
Je nach Auslegung des RFID-Systems ist ein in einem Transponder untergebrachter RFID-Chip entweder ausschließlich für die Übergabe gespeicherter Daten an das Lesegerät zuständig, oder er verfügt auch über Schreibeigenschaften. In diesem Fall können neue Informationen über das Lesegerät an den Transponder übergeben und in ihm zur weiteren Nutzung gespeichert werden.
