RFID-Technologie: Das steckt dahinter

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Datum 07.08.2019
Lesezeit 6 Min.

RFID-Technologie: Das steckt dahinter

Der Begriff RFID steht für „Radio Frequency Identification” und bezeichnet eine Identifikations- und Tracking-Technologie, die kontaktlos Informationen übermittelt. Das Funktionsprinzip basiert auf einem sogenannten RFID-Transponder und entsprechenden RFID-Lese-/Schreibgeräten (beispielsweise ein RFID-fähiges Smartphone). Welche Einsatzmöglichkeiten es gibt, wie die Übertragung funktioniert und wo man RFID schon heute überall findet, lesen Sie hier.

Die RFID-Technologie hat in etliche Bereiche des täglichen Lebens nahezu unsichtbar Einzug gehalten. Wo Magnetkarte und Barcode an ihre Grenzen stoßen, sorgt RFID seit Jahren für kontaktlose Datenübertragung und Objektidentifikation (beispielsweise im Versand- oder Einzelhandel, Stichwort „Supermarkt der Zukunft”). Anstatt Informationen über anfällige Magnetstreifen oder optisch zu übermitteln, basiert das Übertragungsprinzip bei RFID auf elektromagnetischen Wellen. In vielen Bereichen, in denen Digitalisierung und Vernetzung eine Rolle spielen, ist diese drahtlose Übertragungstechnologie ebenfalls auf dem Vormarsch.

 

RFID: Was ist das und wie funktioniert die Technologie?


Elementare Hardware aller RFID-Systeme ist der sogenannte Transponder (das RFID-Tag). Dieser Mikrochip besteht aus einem Datenspeicher und Antenne. In seiner einfachsten Ausführung kann ein Funk-Chip mittels Radiowellen von einem Lesegerät eindeutig und kontaktlos zumindest identifiziert werden. Dies geschieht entweder durch Änderungen im Magnetfeld zwischen Sender und Empfänger oder über Änderungen am Trägersignal. Je nach Bauweise, Funktionsprinzip, Einsatzzweck und verwendeter Übertragungsfrequenz unterscheidet man insgesamt vier Transponderarten:

LF-Transponder (Frequenzbereich: 1 Hertz bis 30 Megahertz, „Close-Coupling-Transponder”): Reichweite 0 – 1 cm

Die Abkürzung „LF” steht hier für „Low Frequency”, also „Niedrigfrequenz”. Die Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger erfolgt bei dieser Übertragungsart mit Hilfe der „induktiven Kopplung”: Dabei erzeugt der RFID-Sender (beispielsweise ein Kartenlesegerät oder ein Smartphone) ein elektromagnetisches Feld, das im RFID-Chip einen winzigen Strom erzeugt („induziert”). Dieser Strom wird nun auf charakteristische Weise im RFID-Chip verändert, was wiederum eine Änderung des Magnetfelds zur Folge hat. Dies wird vom RFID-Sender registriert – und so der Chip eindeutig identifiziert. Diese Art von Datenübertragung eignet sich vor allem für sicherheitskritische Anwendungen wie das Auslesen von Bankdaten aus einer Chipkarte oder Schlüsselsysteme. Eine Manipulation ist nahezu ausgeschlossen, da Sender und Empfänger für die Übertragung sehr dicht beieinander liegen müssen.

HF-Transponder (Frequenzbereich: meist 13,56 Megahertz, „Remote-Coupling-Transponder”): Reichweite bis zu einem Meter

Das Funktionsprinzip des „HF” („High Frequency”, also Hochfrequenz)-Transponders ist ähnlich wie das des LF-Transponders. Ein wesentlicher Unterschied ist jedoch die größere Reichweite von bis zu einem Meter. Hier kommen beispielsweise Türöffner, drahtlose Warenidentifikation oder Diebstahlerkennung in Kaufhäusern ins Spiel.

UHF-Transponder (Frequenzbereich: 860 bis 960 Megahertz): Reichweite bis zu neun Metern  

Bei den ebenfalls erhältlichen UHF-Transpondern (Ultrahochfrequenz-Bereich zwischen 300 MHz und 3GHz) wird hingegen durch den Transponder das Trägersignal verändert („Backscatter-Prinzip”). Der Stromfluss selbst bleibt während der Übertragung gleich. Diese Art von UHF-RFID-Transpondern eignet sich vor allem für die Datenübertragung über größere Entfernungen (bis zu zehn Metern) hinweg.

Mikrowellen-Transponder (Frequenzbereich: 2,45 Gigahertz, demnächst auch 5,8 Gigahertz): Reichweite bis zu 100 Meter

Das Mikrowellen-Übertragungsverfahren funktioniert ähnlich wie bei UHF-Transpondern, ermöglicht jedoch deutlich größere Reichweiten und arbeitet wiederum in einem anderen Frequenzbereich. Bei Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen bleiben jedoch die „Close-Coupling”-Transponder das Mittel der Wahl, da das Signal bei UHF-Anwendungen auf dem Weg verfälscht werden könnte.

Grundsätzlich unterscheidet man außerdem passive, semi-passive und aktive Transponder. Passive RFID-Transponder werden beispielsweise genutzt, um Tiere – etwa Hunde und Katzen – eindeutig zu markieren. Auch der Diebstahlschutz im Einzelhandel basiert meist auf passiven RFID-Chips. Ein Lesegerät sendet elektromagnetische Wellen aus, und ein Teil dieser Energie wird von passiven Transpondern in einem eindeutig zuordenbaren Muster reflektiert. Der Gegenstand wird erkannt und – im Falle eines Ladendiebstahls – Alarm ausgelöst.

Moderne, aktive High-End-Transponder besitzen zusätzlich einen Prozessor und eine eigene Stromquelle. So können sie ihre Daten auch auf Abruf oder automatisch wie oben beschrieben im UHF- oder Mikrowellen-Bereich über größere Entfernungen funken und innerhalb moderner IT-Infrastrukturen interagieren. Derartige Transponder sind normalerweise – auch aufgrund ihres Preises – nicht für den Einmalgebrauch gedacht, sondern wiederverwendbar oder für den längeren Einsatz konzipiert.

 

RFID, NFC, QR- und Barcodes: Die Vor- und Nachteile

Ob als Mitarbeiterausweis, unsichtbarer Diebstahlschutz oder zur Kennzeichnung von Waren in der Supply Chain: Die eindeutige Kennzeichnung von Objekten mit einer berührungslosen Identifikation ist in vielen Bereichen des Lebens und vor allem in Produktionsbetrieben gefordert. Dabei bieten sich verschiedene Methoden an, die nicht alle gleichermaßen für dieselben Einsatzbereiche geeignet sind. Sehr verbreitet sind neben RFID auch NFC, QR- und Barcodes. Hier die Vor- und Nachteile im Überblick: 

  • Bar- oder Strichcode: Die Kennzeichnung mit Barcodes hat sich über Jahrzehnte etabliert. Die Hardware – etwa Etikettendrucker und Lesegeräte – ist in Unternehmen sehr verbreitet. Der speicherbare Informationsumfang ist allerdings begrenzt. Zudem sind Barcodes anfällig gegen Verschmutzung und daher für industrielle Umgebungen nur bedingt geeignet. 
  • QR-Code: Das Lesen der Codes ist einfach und günstig über kostenlose Smartphone-Apps. Eine größere Menge an Informationen kann gespeichert werden, und die Anfälligkeit gegen Verschmutzung ist geringer. Etwa 70 Prozent des QR-Codes reichen, um die Informationen auszulesen. 
  • RFID: Die RFID-Technologie ist für größere Datenmengen geeignet; die Chips können je nach Ausführung sogar mehrfach beschrieben werden. Aktive RFID-Transponder mit eigener Stromversorgung funktionieren über größere Strecken. Die Transponder können geschützt verbaut werden, da kein Sichtkontakt zum Auslesen notwendig ist. Die Mikroelektronik im Inneren der Transponder macht RFID allerdings auch kostspieliger als Alternativen wie QR- und Barcode.
  • NFC: NFC steht für „Near Field Communication” und ist ein Sonderfall der RFID-Technologie. NFC ist auf die Kommunikation auf kurzer Distanz bis zu 10 Zentimetern Entfernung begrenzt. Dies dient der Sicherheit, denn NFC wird vorrangig zum kontaktlosen Bezahlen eingesetzt. 
  • Magnetstreifen: Insbesondere beim Thema Kredit- und EC-Karten sind und bleiben Magnetstreifen weiterhin beliebt. Jedoch sind diese besonders anfällig für Verschmutzungen und Störeinflüsse durch andere magnetische Felder. Daher enthalten viele dieser Karten inzwischen ebenfalls einen RFID-Chip, der dieselben Daten beinhaltet wie die, die auf dem Magnetstreifen hinterlegt sind.

RFID bewährt sich seit Jahrzehnten bei der Identifizierung und Lokalisierung von Objekten. Die guten Eigenschaften dieser Technologie zusammen mit der Tatsache, dass Mikroelektronik immer günstiger eingesetzt werden kann, führen zu wachsender Popularität. 

 

Der Siegeszug der RFID-Transponder ist bereits vorprogrammiert

Moderne, aktive RFID-Transponder können deutlich mehr Daten speichern, schneller verarbeiten und einfacher gelesen werden als andere Kennzeichnungsoptionen: So übertragen die Tags in der Produktion und im Dienstleistungssektor detaillierte Informationen wie den Bearbeitungsstatus oder Produkteigenschaften. Dadurch kann jeder Prozessschritt lückenlos dokumentiert werden. Die Chips selbst verfügen über Speichergrößen von wenigen Bytes bis hin zu durchaus beachtlichen acht Kilobyte. Für die Warensicherung im Kaufhaus reichen sogar Ein-Bit-Speicher aus. 

Dieser durchgängige Informationsfluss sowie die Möglichkeit zur gleichzeitigen Erfassung mehrerer Transponder machen RFID für die automatische Datenbereitstellung im Internet of Things (IoT) interessant. Im Handel, in der Industrie 4.0 und in der Logistik optimiert die Technologie durch höhere Transparenz bereits Abläufe entlang der gesamten Supply Chain bis zum Point-of-Sale (POS) oder dem Endkunden an der Haustür.

 

Logistik-Mitarbeiter prüft im Lagerhaus RFID-Transponder mit Smartphone

RFID Technologie findet in industriellen Produktionsketten ebenso Anwendung wie in der Logistik.

 

Intelligente Maschinen dank RFID-Technologie

Bereits seit Jahren arbeiten RFID-basierte M2M-Systeme (Maschine-zu-Maschine mit automatisiertem Informationsfluss zwischen verschiedenen Maschinen) in Fertigungsanlagen. Über RFID funktioniert auch Materialfluss-Steuerung bei der Fließbandproduktion, beispielsweise in der Automotive-Branche. „Intelligente“ Chips können sogar Montageanleitungen einschließlich individueller Kundenwünsche mitführen, damit eine Maschinenkomponente genau weiß, was mit dem Bauteil passieren soll.

Für Logistik-Unternehmen wird die Technologie beispielsweise durch zusätzliche Sensor-Funktionen bei der Qualitätskontrolle interessant. Damit können Umweltdaten wie Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit erfasst werden. Nützlich ist das etwa beim Transport von temperaturempfindlichen Waren, wie etwa Medikamente oder auch gekühlte Lebensmittel. So kann bei starken Schwankungen unterwegs ein Ersatz-Transportmittel bereitgestellt werden, oder man kann schon vor der Ankunft feststellen, ob die Waren verdorben sein werden.

 

RFID und 5G werden starke Partner sein

Unzählige weitere Anwendungen wie etwa Zugangskontrollen – Unternehmen oder Hotelzimmer gleichermaßen – werden schon lange über RFID-Technologie realisiert. Auch im Handel hat RFID längst Einzug gehalten. Einfachste Transponder werden für die Diebstahlsicherung eingesetzt, mit den komplexeren Transpondern lässt sich der Transportweg von besonders teuren Gütern überwachen. 

Die Tatsache, dass RFID bereits viel Zuspruch in Industrie, Handel und Logistik findet, macht diese Technologie zu einem natürlichen Partner des kommenden 5G-Netzes. Denn die kontaktlosen Datenüberträger machen schon jetzt „die Dinge” intelligent und werden zusammen mit dem 5G-Ausbau die Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) weiter anschieben. 

 

Wo sehen Sie die interessantesten Einsatzmöglichkeiten für RFID-Transponder? Oder arbeiten Sie bereits selbst damit? Wir sind gespannt auf Ihre Anmerkungen in den Kommentaren.

 

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