Theoretische Grundlagen der RFID-Technologie · Barcode . RFID . M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th- wildau.de 6 . Allgemeine Einführung: AutoID . ... • Die sogenannte

Theoretische Grundlagen der RFID-Technologie

Agenda • Allgemeine Einführung

– Motivation für den Einsatz

• Historie

– Woher kommt die Technologie

– Wesentliche Entwicklungen

• Das RFID System

– Allgemein

– Transponder

– Reader

– Luftschnittstelle / Backend M.Eng. Sebastian Krautz / [email protected] 2

Agenda • Arbeitsweise

– Frequenzen

– Physik

– Standards

• Beispiele

– Bauformen

– Anschauungsobjekte

– Anwendungen

M.Eng. Sebastian Krautz / [email protected] 3

Allgemeine Einführung • Warum RFID?

– Einsatzmöglichkeiten vielfältig

– ermöglicht es Prozesse zu optimieren

– Einsparungen durch erreichte Automatismen

– Wettbewerbsvorteile

– erhöhte Prozesstransparenz

• Was macht RFID?

– automatische Identifikation von Objekten oder auch Personen


Allgemeine Einführung: Identifikation

magnetisch

•Magnetkarte •Magnetband

elektronisch/ elektro-magnetisch

•Transponder •Chipkarte •programmier-barer Speicher •fester Speicher (PROM)

opto-elektronisch

•Barcode •OCR •Reflexe •Formen •Farben •Symbole

akustisch

•Sprache •Ultraschall

Prinzipien

mechanisch

• Nocke • Blechfahne • Kontakte • Maße


Allgemeine Einführung: AutoID

Biometrische Verfahren

Auto-ID

OCR

Chipkarte

Barcode

RFID


Allgemeine Einführung: AutoID Barcode Biometrische Verfahren

Binärcode aus einem Feld von parallel angeordneten Strichen (engl. bars) und Trennlücken

Alle Verfahren, die Personen durch den Vergleich von unverwechselbaren und individuellen Körpermerkmalen identifizieren (z.B. Finger- und Handabdruckverfahren, Stimmenerkennung, Augen- und Netzhaut-Scan

Optical Character Recognition Chipkarten (Smartcards)

Texterkennung oder auch optische Zeichenerkennung von einer gedruckten Vorlage

Spezielle Kunststoffkarten mit integriertem Chip, der eine Hardware-Logik, einen Speicher oder auch einen Mikroprozessor enthält


Allgemeine Einführung: RFID

• R – Radio

• F – Frequency

• ID – Identification


Historie • Erste Ansätze – Freund-/Feinderkennung im 2. Weltkrieg • 60er Jahre – erste Vorläufer von heutigen RFID Systemen, die sogenannte EAS

(elektronische Artikelüberwachung)

• 70er Jahre – Entwicklung von Transpondern im kHZ-Bereich zur Kennzeichnung von Nutztieren, Kühen im Besonderen

• 80er Jahre – Weiterentwicklung zu Systemen im MHz-Bereich Nutzung für Mautsysteme

• 90er Jahre – Entwicklung von UHF-Systemen gegen ende der 90er Etablierung des EPC (elektronischer Produktcode)


Das RFID System


Das RFID System

• Besteht aus:

– Transponder

– Reader (Schreib- / Lesegerät)

– Luftschnittstelle

– Backend (Anwendungen / Datenbanken)

• Datenübertragung erfordert keinen direkten Kontakt oder Sichtkontakt

• Ermöglicht mehrere Dinge gleichzeitig zu erkennen

• Arbeitet in bestimmten Frequenzbereichen


Das RFID System: Transponder • Der Begriff Transponder ist eine Mischung aus Transmitter und Responder • Alternative Begriffe sind Tag oder Label • Ein Transponder besteht aus:

– Mikrochip – Antenne – Schutzhülle

• Enthält mindestens eindeutige Nummer zur Identifikation • Kann zudem verschiedene Speichergrößen enthalten

(je nach Art bis zu mehrere Kilobyte) • Kann eine zusätzliche Energieversorgung besitzen


Das RFID System: Transponder • Ein Transponder kann dabei verschiedene Antennenformen besitzen. • Zwei mögliche Varianten sind hier abgebildet.

Antenne in Spulenform Antenne als Dipol


Quelle: www.eas-deutschland.com

Quelle: selbsterstellt

Das RFID System: Transponder • Sicherheitsmerkmale:

– Sperrung von Bereichen

– Passwort

– Verschlüsselung

– nach Initialisierung nur noch lesbar und nicht mehr zu beschreiben (WORM: write once – read many)


Das RFID System: Transponder • Mögliche Betriebsarten

– Passiv • Ohne eigene Energieversorgung • Energie zur Verarbeitung und Datenübertragung wird aus dem erzeugten

Feld entnommen

– Semi aktiv • Mit eigener Energieversorgung • Energie für Verarbeitung über interne Versorgung • Energie für Datenübertragung wird aus erzeugtem Feld entnommen

– Aktiv • Mit eigener Energieversorgung • Energie für Verarbeitung und Datenübertragung wird komplett aus

interner Versorgung entnommen


Das RFID System: Transponder • Transponder arbeiten nach internationalen Standards • Dadurch Anbieter unabhängig und übergreifend verwendbar

• HF

– ISO 14443 – ISO 15693

• UHF

– ISO 18000-6C – EPC Class 1 Generation 2


Das RFID System: Reader • Mit Reader wird im allgemeinen ein Schreib- / Lesegerät bezeichnet

• erzeugt ein elektromagnetisches Feld

• Notwendig um mit dem Transponder zu kommunizieren

• Arbeitet wie Transponder nach verschiedenen Standards

• Ist in der Regel an weiterverarbeitende Systeme angeschlossen


Das RFID System: Reader


Quelle: www.deister.com

Quelle: www.motorolasolutions.com

Quelle: www.mk-sorting-systems.com

Das RFID System: Luftschnittstelle • Die sogenannte Luftschnittstelle bezeichnet den Zwischenraum zwischen Reader

und Transponder

• Dabei bedeutet Luftschnittstelle nur, dass zwischen den Komponenten kein direkter Kontakt bestehen muss

• Raum zwischen Transponder und Reader kann mit anderen Materialien gefüllt sein. (Papier, Holz, Kleidung, Kunststoff, usw.)

• Material kann die Reichweite der Übertragung beeinflussen


Das RFID System: Backend • Als Backend werden die Systeme und Anwendungen bezeichnet, die für die

Verarbeitung der Daten zuständig sind

• Häufiger Einsatz von Datenbanken

• Darauf aufbauend verschiedene Client-Anwendungen – Zur Überwachung – Zur Rechtevergabe – Zum Monitoring – Zum Bestandsabgleich – …


Das RFID System: kurze Demonstration


RFID Frequenzen: Übersicht


Quelle: Finkenzeller, Klaus: Das RFID Handbuch, Hanser Verlag

RFID Frequenzen: induktive Kopplung • Reader sowie Transponder besitzen als Antenne eine Spule

• Reader erzeugt über Spule ein magnetisches Feld

• Feld regt in Transponder eine Induktion an

• Darüber wird Chip mit Energie versorgt

– Datenübertragung:

• durch Lastwiderstand wird im Transponder die Leistungsaufnahme verändert

• Veränderung wird im Reader registriert und in Informationen umgewandelt


IC RFID-Lesegerät E

RFID Frequenzen: Low Frequency • Low Frequency steht für niedrige Frequenz

• Systeme arbeiten häufig im Bereich von 125-135kHz

• Transponder sind passiv

• Reichweiten liegen bei wenigen Zentimetern

• Störeinflüsse bei diesen Frequenzen gering


RFID Frequenzen: High Frequency • High Frequency steht für Hochfrequenz

• Arbeitsfrequenz 13,56MHz

• Transponder sind passiv

• Reichweiten sind je nach System bis zu 70cm bzw. im Gate bis 1,30m

• Störeinflüsse:

– Metall hat großen Einfluss

– andere Materialien beeinflussen unterschiedlich stark

– Ausrichtung der Spulen 90 zu einander


RFID Frequenzen: Elektromagnetische Wellen • Im Unterschied zu induktiver Kopplung werden hier keine Magnetfelder, sondern

elektromagnetische Wellen verwendet

• Reader und Transponder besitzen Dipol-Antennen

• Reader sendet Welle, die sich im Raum ausbreitet

• Transponder nimmt Energie der Welle über Antenne auf um Chip zu versorgen

• Datenübertragung:

– Sogenanntes Back-Scatter-Verfahren

– Transponder reflektiert Welle des Readers in unterschiedlicher Stärke

– Reader empfängt die zurückgestrahlte Energie und wandelt diese in Informationen um


RFID Frequenzen: UHF • Ultra High Frequency steht für Ultrahochfrequenz

• Arbeitsfrequenz bei 868MHz in Europa (USA 915MHz / Japan 950-960MHz)

• Transponder können passiv oder aktiv sein

• Reichweiten:

– passiv mehrere Meter

– aktiv bis 100m

• Störeinflüsse

– Metalle und Flüssigkeiten beeinträchtigen stark

– Ausrichtung des Transponders zum Reader


RFID Frequenzen: Mikrowelle • Frequenzen im GHz Bereich häufig 2,45GHz

• 5,8GHz werden bisher selten genutzt

• Transponder aktiv

• Reichweiten ähnlich aktiven UHF-Systemen

• Störeinflüsse

– ebenfalls wie UHF Metalle / Flüssigkeiten

– andere Funksysteme wie WLAN könnten Auswirkungen haben


Das RFID System: Transponder Zusammenfassung

Passiv Aktiv

Energieversorgung Elektromagnetisches Feld Batterie

Nutzungsdauer theoretisch unbegrenzt Abhängig von der Lebensdauer der Batterie

Preis niedrig hoch

Speicherplatz gering bis mittel hoch

Beschreibbarkeit einmalig oder mehrmals mehrmals

Reichweite wenige Zentimeter bis um 1m bis zu 100m

Lesegeschwindigkeit gering bis mittel mittel bis hoch


Bauformen: Anforderungen • Schlagbeständigkeit • Mechanisches Stabilität • Hitzebeständigkeit • Anwendung in metallischen Umgebungen • Konkrete Größenvorgaben • Elastizität • Befestigungsart • Sicherheitsanspruch • usw.


Bauformen: • Label / Folien • Chipkarten • Glasgehäuse • Kunststoffgehäuse • Münzen • Uhren • Schlüssel und Schlüsselanhänger • Nägel • Coil-on-Chip


Anwendungen • Lagermanagement • Echtzeitlokalisation • Zugangskontrolle • Zeiterfassung • Wegfahrsperren • Ticketing • Automatische Ausleihe • Werkzeugkontrolle


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit


M.Eng. Sebastian Krautz Technische Hochschule Wildau Haus 16 Raum 1060 Tel.: +49 3375 508 649 E-Mail: [email protected]

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