RFID-Technologie: Das steckt dahinter

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Datum 20.10.2021
Lesezeit 7 Min.

RFID-Technologie: Das steckt dahinter

RFID steht für 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. Außerdem erklären wir, welche Vorteile sich aus dem Einsatz von RFID-Technologie ergeben.

 

Was versteht man unter RFID?

Die Abkürzung RFID steht für den englischen Ausdruck „Radio Frequency Identification“. Übersetzt bedeutet dies eine Identifikation mit Hilfe von Funkfrequenzen: Beim RFID-Verfahren werden Daten mittels elektromagnetischer Wellen kontaktlos gelesen und gespeichert. In sogenannten RFID-Systemen werden diese technischen Komponenten miteinander verknüpft, um beispielsweise in der Logistik eine lückenlose Überwachung von Lagerung und Versand zu ermöglichen.

 

Wie funktionieren RFID-Systeme?

Anstatt Informationen über anfällige Magnetstreifen oder optisch zu übermitteln, basiert das Übertragungsprinzip bei RFID auf elektromagnetischen Wellen. Der Aufbau besteht immer aus einem Transponder („Tag”, Etikett) sowie einem RFID-Lesegerät.

RFID-Lesegeräte sind mit einem Hochfrequenzmodul, einem Controller sowie mit einer Antenne ausgestattet. Die Antenne erzeugt ein Magnetfeld mit einer RFID-Frequenz, die den entsprechenden Transponder identifizieren und seine Daten auslesen kann. Trotz ihrer Bezeichnung können Lesegeräte häufig auch Daten übermitteln und auf den Transponder „schreiben“. RFID-Lesegeräte existieren in unterschiedlichen Bauweisen. Es gibt mobile RFID-Leser sowie Handheld-Systeme und auch fest installierte RFID-Reader.

Der Austausch zwischen Transponder und Lesegerät erfolgt zwischen diesen beiden Elementen. Die Kommunikation zwischen diesen beiden Elementen wird von einer Middleware „geschaltet“.

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”).

 

Ausklappbare Informationsgrafik

RFID-Systeme bestehen immer aus einem Lesegerät, einem Transponder und der koordinierenden Middleware.

 

Aufbau eines RFID-Transponders

Wie wir es oben bereits erklärt haben, können RFID-Transponder in fast allen möglichen Formen, Materialien, Größen und Farben vorkommen. Die Art der Konstruktion entspricht immer dem Anspruch des jeweiligen Anwendungsgebiets.

Im Inneren der RFID-Transponder befinden sich ein Mikrochip sowie eine Antenne. Diese kann geätzt oder gedruckt sein. Beide Komponenten zusammen bezeichnen Experten auch als Inlay. Das Inlay ist sehr empfindlich und muss daher vor Druck, Hitze oder Verschmutzungen geschützt sein. Kommt RFID-Technologie beispielsweise in einer sehr schmutzigen Umgebung zum Einsatz, reichen einfach produzierte und vor äußeren Einflüssen kaum geschützte RFID-Etiketten häufig nicht. Hier empfiehlt sich ein hartes Gehäuse aus Kunststoff.

 

Welche Transponder-Typen gibt es?

Wir haben es bereits oben beschrieben: Elementare Hardware aller RFID-Systeme ist der sogenannte Transponder (das RFID-Tag). 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: meist 125 Kilohertz, „Close-Coupling-Transponder”): Reichweite 0 – 1 cm

Die Abkürzung „LF” steht hier für „Low Frequency”, also „Niedrigfrequenz” oder „Langwelle”. 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 zehn Metern

Bei den ebenfalls erhältlichen UHF-Transpondern (Ultrahochfrequenz-Bereich zwischen 300 MHz und drei Gigahertz) wird hingegen durch den Transponder das Trägersignal verändert. 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.

 

Was sind aktive und passive Transponder?

Grundsätzlich unterscheidet man außerdem zwischen passiven, semi-passiven und aktiven Transpondern. 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.

Es gibt drei Arten passiver RFID-Transponder:

Read-Only: Diese Transponder werden vom Hersteller einmalig beschrieben. Ein nachträgliches Hinzufügen oder Löschen von Informationen ist nicht möglich.

Write-Once, Read Many (WORM): Kund:innen können diese Transponder nur einmal beschreiben. Danach dienen sie nur noch ausgelesen werden.

Read and Write: Anwender:innen können diese Transponder nach Bedarf beschriften und den gespeicherten Inhalt ändern.

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.

 

Erweiterung von RFID Systemen mit RFID-Sensoren 

RFID Sensorsysteme (englisch: Radio Frequency Identification Sensors) nutzen die RFID-Technik und integrieren externen Sensoren für die drahtlose Übertragung von Messwerten im Hochfrequenz-Bereich.

RFID Sensoren können Messwerte auf RFID-Schreib- und Lesegeräte speichern, ändern und kontaktlos auslesen. Im Gegensatz zu „normalen“ RFID-Systemen müssen RFID-Sensorsysteme einen zusätzlichen Arbeitsschritt durchführen: Der Ladestatus der Transponder-Batterien sowie die Konfigurationen des Sensors müssen ohne Unterbrechung überwacht werden.

 

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Narrowband-IoT und LTE-M: Konnektivität im IoT-Umfeld

Narrowband-IoT und LTE-M: Konnektivität im IoT-Umfeld

Ganz gleich, wo Sie sich aufhalten: Mit Narrowband-IoT und LTE-M gelingt Maschinenkommunikation auch unter schwierigen Bedingungen. Und das bei besonders geringem Stromverbrauch und somit langen Akkulaufzeiten.

  • Narrowband-IoT sorgt für beste M2M-Netzabdeckung
  • Über LTE-M lassen sich auch Sprachdaten übertragen
  • Auch in Kellern oder entlegenen Gebieten einsetzbar

 

Vor- und Nachteile der RFID-Technologie

Ob als Mitarbeiter:innenausweis, 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:

  • 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.
  • 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. QR-Codes müssen jedoch immer optisch erkennbar sein und dürfen nicht verschmutzen oder beschädigt werden.
  • 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 wohl weiterhin beliebt. Jedoch zeigen sich 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.

 

Einsatzgebiete von 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.

Logistik: 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 Medikamenten oder auch gekühlten Lebensmitteln. 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.

Medizinsektor: Im Gesundheitswesen können RFID-Systeme dabei helfen, fehlerhafte Übermittlungen von Patient:innendaten zu verhindern. Ärzt:innen und Pfleger:innen können Daten, die beispielsweise auf Armbändern der Patient:innen hinterlegt sind, schnell auslesen. Diese Daten können bereits bei der Einlieferung der jeweiligen Person auf den RFID-Chip gespeichert werden.

Entsorgung/Recycling: Im Bereich der Müllentsorgung können mit RFID-Chips ausgestattete Mülltonnen beispielsweise das Gewicht der Tonne während der Entleerung feststellen. Daraus ergibt sich für Entsorgungsunternehmen die Möglichkeit, das tatsächliche Müllaufkommen bei den Kund:innen zu ermitteln und dementsprechend exakt die jeweiligen Entsorgungsgebühren abzurechnen.

 

 

Eine RFID-Etikett klebt auf einem Paket.

In der Lager- und Versandlogistik ist die RFID-Technologie mittlerweile unverzichtbar.

 

Kombination von RFID und 5G: Wie könnte eine sinnvolle Ergänzung aussehen?

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.

In der Smart Factory kann das Zusammenspiel von 5G und RFID eine leichtere, schnellere, flexiblere und sicherere Nachverfolgung von Produkten ermöglichen. RFID-technologie benötigt immer auch den Einsatz von Lesegeräten. 5G-fähige Lesegeräte können als mobile Lesepunkte an allen Punkten der Produktionskette genauere Daten erheben und unter Umständen den Produktionsprozess optimieren.

Fertigungs- und Logistikroboter können in der smarten Fabrik mit RFID-Lesegeräten ausgestattet werden und damit Informationen zum Produkt ablesen und dann Kommandos über den weiteren Fertigungsprozess erhalten.

 

RFID-Technologie im Jahr 2022 und darüber hinaus

Der Siegeszug der RFID-Transponder ist bereits vorprogrammiert. Die flexible und zuverlässige Technik kann Produktion und Logistik auch in Ihrem Unternehmen enorm bereichern. Moderne, aktive RFID-Transponder können deutlich mehr Daten speichern, diese schneller verarbeiten und einfacher ausgelesen werden als andere Kennzeichnungsoptionen. So übertragen die Tags in der Produktion und im Dienstleistungssektor detaillierte Informationen wie den Bearbeitungsstatus oder Produkteigenschaften.

Jeder Prozessschritt in Ihrem Unternehmen kann lückenlos dokumentiert werden. 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.

 

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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