RFID - Allgemein

Technologie

Bei RFID-Systemen (Radio Frequency Identification) handelt es sich um Sender-Empfänger-Systeme.
Sie bestehen aus einem Transponder (Tag) und einem Lesegerät (Reader).
Der Transponder ("transmit" + "response") ist ein elektronischer Datenspeicher. Er liefert im einfachsten Fall 1-Bit Informationen. Hier besteht der Transponder aus einer Spule, die als Antenne dient und einem Kondensator. Dieser Schwingkreis ist auf die Resonanzfrequenz des Lesegeräts abgeglichen. Befindet sich der Transponder im elektromagnetischen Feld des Detektors, wird in der Spule eine Spannung induziert, was im Lesegerät einen Energieverlust verursacht und als 1-Bit Information registriert wird.
Mit Hilfe eines Speichers kann ein Transponder auch komplexere Daten aufnehmen und speziellere Informationen übermitteln. In diesem Fall wird der Kondensator durch einen Mikrochip ersetzt und die Spule dient als Kopplungselement.
Das Lesegerät besteht aus einem Hochfrequenzmodul (Sender und Empfänger), einem Controller, einer Schnittstelle zur Middleware und erneut einem Kopplungselement (Spule). Es kann den Transponder lesen und beschreiben.

Einsatzgebiete

Die RFID-Technologie ist zum Beispiel in folgenden Einsatzgebieten zu finden:

• Türzugangskarten
• Diebstahlsicherung
• Bezahlkarten
• Autoschlüssel als Wegfahrsperre
• Erkennung von Waren (Industrie und Logistik)
• Echtheitszertifikat (Dokumente)
• Anwesenheitskontrolle (Tierhaltung, Waren)
• Krankenhäuser (Identifizierung, Überwachung, Lokalisierung von Patienten)

Lesegeräte

Reichweite und Frequenz

Die Frequenz wird für Transponder und Lesegerät festgelegt (verschiedene verwendete Frequenzen s.u.), die Reichweite ist abhängig von der Kopplung und Art des Transponders (Backscatter Verfahren und aktiver Transponder i.d.R. größere Reichweite). 

Middleware

Middleware allgemein kann man als Vermittler zwischen zwei eigentlich entkoppelten Softwarekomponenten sehen. Bei RFID im Speziellen ist die Middleware eine Schnittstelle von Lesegerät und anderen EDV-Systemen bzw. Datenbanken, d.h. dass die Informationen des Lesegeräts in eine für Datenbanken bzw.  EDV-Systeme verständliche Sprache übersetzt werden.

Neben der Middleware gibt es in einem RFID-System Firm- und Hardware. Unter Firmware versteht man die Software, also die Programme und Daten, die zu einem bestimmten elektronischen Bauteil gehören und darin eingebettet sind. Firmware ist auch in RFID Readern zu finden. Hardware bezeichnet die physischen Bauteile des Systems.

Baugröße der Transponder

Vergleich der verschiedenen Transponder

RFID-Transponder kann man im Wesentlichen in zwei Gruppen unterteilen: Aktive und passive Transponder.

Passive Transponder

Energieversorgung

Passive Transponder werden über das Funksignal des Lesegeräts mit Energie versorgt. Hier wird in der Antennenspule eine Spannung induziert, durch die meist ein Kondensator aufgeladen wird und als Spannungsquelle dient.

Reichweite/Frequenz

Die Reichweite von Transpondern ist allgemein abhängig von der genutzten Frequenz, Energieversorgung, Bauform, Umgebung und der Art der Datenübertragung.

Passive Transponder haben in der Regel geringere Reichweiten als aktive. Diese bewegen sich im Bereich von wenigen Millimetern (kapazitive Kopplung) über einen Meter (induktive Kopplung; 6,75 MHz bis 13,56 MHz) bis hin zu ca. sieben Meter  (UHF, Backscatter Verfahren).   

Art der Datenübertragung

Die Art der Datenübertragung, die man bei RFID nutzt, hängt davon ab, ob das System im Nah- oder Fernfeld operieren soll.

Hier unterscheidet man im Wesentlichen zwischen  drei Kopplungsarten:

• Induktive Kopplung (Nahfeld)
• Kapazitive Kopplung (Nahfeld)
• Backscatter Verfahren (Fernfeld)

Für passive Transponder können unter den richtigen Umständen alle drei Verfahren genutzt werden.

Die induktive Kopplung arbeitet mit niedrigen Frequenzen. Hier besitzen Lesegerät und Transponder je eine Antennenspule und das Lesegerät erzeugt ein elektromagnetisches Feld mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, auf die der Transponder reagiert. Wie unter „Technologie“ beschrieben wird in der Spule eine Spannung induziert und der Mikrochip mit Strom versorgt.

Die zwei wichtigsten Verfahren, über die bei der induktiven Kopplung Daten übertragen werden sind das Voll- und Halbduplexverfahren.

Vollduplexverfahren

Halbduplexverfahren

Beim Vollduplexverfahren findet die Energie- und Datenübertragung vom Lesegerät zum Tag und andersherum gleichzeitig statt. Hierbei wird in der Regel das Lastmodulationsverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren wird, wenn der Transponder in die Nähe des Lesegerätes gebracht wird, dem vom Reader erzeugten Magnetfeld durch den Tag Energie entzogen. Da der Reader das Magnetfeld aufrecht erhalten möchte, können diese Energieverluste "registriert" werden und von einer Middleware interpretiert werden, sodass herkömmliche Programme diese Daten verarbeiten können. Der Energieverlust kann aber nur bemerkt werden, wenn der Tag und der Reader aufeinander abgestimmt sind.

Das Halbduplexverfahren beschreibt einen Vorgang, in dem die Datenübertragung und die Energieübertragung getrennt voneinander ablaufen. Um diese Möglichkeit der Datenübertragung zu realisieren, braucht der Transponder einen eingebauten Energiespeicher wie z.B. einen Kondensator. Befindet sich der Tag im Funkbereich des Lesegeräts, wird der Energiespeicher aufgeladen. Ist der Kondensator dann vollständig geladen, kann der Mikrochip ein Datensignal erzeugen, das dann an den Reader gesendet werden kann und von der Middleware interpretiert wird. Ist die Datenübertragung beendet, wird der Energiespeicher geleert und das Lesegerät kann wieder Daten senden.

 

Das Vollduplexverfahren ist zwar kosteneffizienter als das Halbduplexverfahren, allerdings ist es auch unflexibler und damit schwerer zu modellieren. Außerdem funktioniert das Halbduplexverfahren über größere Entfernungen. Des Weiteren kann man sowohl Sender als auch Empfänger getrennt voneinander erweitern bzw. modulieren, ohne dass die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird.

Die kapazitive Kopplung wir vor allem für Distanzen im Millimeter-Bereich genutzt. Die Signalübertragung erfolgt über zwei voneinander isolierte Leitern, die parallel angeordnet sind. Bei einer Ladungsveränderung auf einem Leiter wird diese Änderung über das elektrische Feld auf den zweiten Leiter übertragen. Die Energieversorgung des Transponders erfolgt wie bei der induktiven Kopplung zusätzlich über das Magnetfeld.

Da beim Backscatter Verfahren durch die hohen Distanzen nicht genügend Spannung im Transponder erzeugt wird, muss vom der Lesegerätantenne eine bestimmte Sendeleistung abgestrahlt werden. Diese Leistung steht als Hochfrequenzspannung am Transponder zur Verfügung und kann (gleichgerichtet) für die Energieversorgung genutzt werden.

Aktive Transponder

Energieversorgung

Bei der Energieversorgung von aktiven Transpondern unterscheidet man zwischen aktiven und semi-aktiven Transpondern. Die semi-aktiven Transponder speisen nur den Mikrochip über eine interne Energieversorgung, während aktive Transponder auch das Rücksignal über die Batterie mit Energie versorgen.

Reichweite/Frequenz

Die Reichweite von aktiven Transpondern reichen von 15-30 Metern bei UHF.

Art der Datenübertragung

Da aktive Transponder vor allem für Fernfelder genutzt werden, wird für die Datenübertragung vor allem das Backscatter Verfahren genutzt.

Dieses Verfahren basiert auf dem Radartechnikprinzip: das Lesegerät sendet elektromagnetische Wellen aus, die vom Transponder reflektiert werden. Die Reflexionsstärke wird durch einen Lastwiderstand am Transponder reguliert. Der Transponder erkennt über die Reflexion der Wellen ob ein Lesegerät in der Nähe ist und schaltet in den Power up/down-Modus (Stromsparen).

Einbindung von RFID in die Industrie4.0-Anlage der BBS2 Wolfsburg

In diesem Video wird an einem Beispiel gezeigt, wie man die RFID-Technologie in eine Industrie4.0-Anlage einbinden kann und welche Funktion sie übernehmen kann.