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15.06.2005

Wie RFID funktioniert - und wie nicht

RFID scheint eine einfache Sache zu sein. Anscheinend braucht es nur drei Dinge: ein Lesegerät, einen so genannten RFID-Chip, ein bisschen Backend-Software - das war?s. Leider ist es nicht ganz so einfach.

Die Soreon Research GmbH hat in zwei Studien das Thema Radio Frequency Identification (RFID) unter die Lupe genommen. Der folgende Text entstammt dem Kapitel "Technologiegrundlagen" der Soreon-Untersuchung "Erfolgreicher RFID-Einsatz in der Automobilindustrie" des Autors Steffen Binder vom Februar 2005. Wir geben sie in gekürzter und leicht veränderter Form wieder.

Technische Grundlagen

Grundsätzlich besteht die RFID-Technik aus einem Transponder und einem Lesegerät. Ein Transponder ist ein Mikrochip mit - je nach Eigenschaft - bis zu 2 Mbit Speicherkapazität und einer Antenne (oder auch Spule), die die elektromagnetischen Wellen eines Lesegerätes aufgreift und die Daten weiterleitet. Transponder (auch Tags genannt) nehmen Frequenzen von Wellen auf und strahlen sie auch wieder verstärkt ab. Das Wort setzt sich aus den englischen Begriffen Transmitter und Responder zusammen.

Die auf einem RFID-Chip gespeicherten Daten lassen sich in vier Typen klassifizieren: Fertigungsdaten enthalten Angaben wie etwa Auftragsinformationen, fortlaufende Produktnummern sowie weitere Kennzeichnungsdaten. Produktdaten umfassen Angaben zum Material und zu den Chargennummern aller verbauten Teile. Die Montageinformationen sind wichtig für kommende Produktionsschritte. Die Messdaten schließlich geben Angaben zu Prüfvorgängen wieder.

Die Geschwindigkeit, in der die Daten ausgelesen werden können, hängt unmittelbar von der Menge der Informationen ab, die auf einem Transponder gespeichert sind. Deshalb muss ein Unternehmen vor dem geplanten Einsatz von RFID immer abwägen zwischen schnellen Leseprozessen einerseits und der Befähigung, viele Daten zu erfassen, andererseits. Transponder, die beispielsweise in der Montage zum Einsatz kommen, müssen meist nur Datenvolumen von einigen Kilobyte speichern.

Auch die Art und Weise, wie Dateninhalte auf dem Chip verändert werden können, stellt ein Unterscheidungskriterium dar:

Transponder, deren Informationen nur gelesen werden können (read only), sind nur einmal beschreibbar und speichern meist nur wenige Daten unveränderbar, wie beispielsweise eine Seriennummer. Weitergehende Informationen über das Produkt lassen sich nur mit einer übergeordneten Datenbank zu diesem einfachen Datensatz in Beziehung setzen.

Daneben gibt es RFID-Chips, deren Inhalte gelesen werden können und die sich auch beschreiben lassen (Read/write). Ihr Speicher ist entsprechend größer und kann viele Informationen beinhalten.

WORM-Transponder (Write once/read many) lassen sich einmal verändern, danach aber nur noch auslesen. Sie sind meist für Endanwender gedacht, falls diese beispielsweise ihre Identifikationsnummer ändern möchten.

RFID-Chips lassen sich des Weiteren in passive und aktive Tags unterscheiden. Passive Transponder besitzen keine eigene Energiequelle, sondern beziehen ihre Stromversorgung über Induktionskopplung, die durch ein verändertes Magnetfeld eines Lesegerätes entsteht. Sie sind ziemlich klein und leicht und deshalb kostengünstig in der Herstellung. Zudem ist ihre Lebensdauer nahezu unbeschränkt, da ihnen Energie von außen zugeführt wird und sie selbst keine versiegende Energiequelle integrieren. Der Nachteil der passiven Transponder liegt in der geringen Lesereichweite, weshalb sie nur für bestimmte Anwendungen in Frage kommen.

Reichweite über hunderte Meter

Aktive Transponder hingegen besitzen eine integrierte Batterie, die sie mit Strom versorgt. Sie können somit selbst Signale zur Datenübertragung aussenden. Darüber hinaus lassen sie sich auch als Sensoren nutzen. Ihre Lesereichweite kann sich über einige hundert Meter erstrecken. Wegen der eingebauten Batterie sind sie allerdings teurer als ihre passiven Gegenstücke und meist auch größer. Ihre Funktionstüchtigkeit beschränkt sich je nach ihrer maximalen Lebensdauer auf fünf bis zehn Jahre.

Die RFID-Chips werden in verschiedenen physischen Ausführungen produziert. In eine kleine Glashülle (Glaszylinder) werden Transponder gesteckt, die eine geringe Lesereichweite besitzen und hauptsächlich für Wegfahrsperren und zur Implantierung unter die Haut bei Mensch und Tier eingesetzt werden. Bei dünnen, meist auf Folie oder Papier angebrachten Tags handelt es sich um Smart Labels, die besonders zur Kennzeichnung von Produkten oder Paletten dienen.

Zum Schutz vor Temperatur, Feuchtigkeit und anderen physischen Einwirkungen sind manche Transponder in feste Gehäuse (Kunststoffummantelungen) eingebracht, die es in unterschiedlichen Ausprägungen, etwa in Form einer Chipkarte für Zutrittskontrollen, gibt.

Die Entscheidung, welche RFID-Bausteine für welche Anwendung geeignet sind, richtet sich neben der technologischen Machbarkeit und den Kosten auch nach der Art des Kreislaufes, in dem die Transponder zum Einsatz kommen. Gemeint ist, ob ein RFID-System nur innerhalb eines Unternehmens eingesetzt wird oder über Firmengrenzen hinweg in den Geschäftsabläufen verschiedener Geschäftspartner.

Bei einem geschlossenen Kreislauf sind meist Mehrweg-Transponder, die also sowohl Schreib- als auch Leseeigenschaften besitzen, empfehlenswert, da diese mehrere Zyklen durchlaufen können und damit kostengünstiger sind als Einweg-Chips. Anwendungsbeispiele hierfür finden sich in Fertigungsabläufen oder im Behälter-Management, wo Tragegestelle oder Behälter immer die gleichen Wege zurücklegen.

In offenen Kreisläufen, beispielsweise beim Handel, in denen eine Rückführung der Tags sehr aufwändig wäre, werden meist kostengünstigere, einmal beschriebene Einweg-Chips eingesetzt.

RFID ist nicht gleich RFID

In der Automobilindustrie überwiegt derzeit der RFID-Einsatz in geschlossenen Kreisläufen. Häufig sind auch mehrere geschlossene Kreisläufe entlang einer Produktionslinie in einem Werk zu finden, was daran liegt, dass einzelne Produktionsbereiche unabhängig von anderen sein können und es selten zu einer zeitgleichen Umrüstung in allen Bereichen kommt. Zudem hat jeder Bereich andere Voraussetzungen und Anforderungen an die RFID-Technik, und so kann es sein, dass auch unterschiedliche Lösungsanbieter RFID in ein Unternehmen bringen.

Die berührungslose Übertragung der auf den Transpondern gespeicherten Daten erfolgt über elektromagnetische Wellen, die von einem Empfangsgerät, also dem Lese- beziehungsweise Schreib-Lese-Gerät, produziert werden. Zudem ist das Lesegerät, und noch viel mehr das Schreib-Lese-Gerät, für das Auslesen und Verändern der Daten notwendig. Angeschlossen sind die Empfangsgeräte meist an einen dezidierten PC oder Server, über den die RFID-Software die Ereignisse zwischen Chip und Empfangsgerät steuert. Es gibt aber auch Steuerungseinheiten, die mehrere Lesegeräte über eine Schnittstelle verbinden. In vielen Fällen werden die Daten an übergeordnete Unternehmenssysteme wie etwa Datennetze oder Feldbussysteme übermittelt, die mit einer RFID-Middleware angebunden sind.

Drei verschiedene Empfangsgeräte-Typen ermöglichen einen flexiblen Einsatz: Mobile Lesegeräte (auch Handhelds) sind für den Vor-Ort-Einsatz gedacht. Dies kann im Handel der Point-of-Sale sein oder in der Fertigung oder Logistik ein Areal, das sich außerhalb von Gebäuden befindet und wo keine Verkabelung möglich ist.

Linkslenkung oder Rechtslenkung

Stationäre Lesegeräte sind fest installierte Geräte, die sich an strategischen Punkten in einer Prozesskette befinden, etwa an einem Förderband. Sie können aber auch zur "Ausleuchtung" eines Bereiches dienen, das heißt, ein Bereich wird mit vielen Lesegeräten vollständig erfasst und erkennt somit auch jeden Transponder, der sich darin aufhält. Eine Anwendung dafür findet sich in der Behälterlogistik.

Bei Gates handelt es sich ebenfalls um fest installierte Lesegeräte, die allerdings so groß sind, dass beispielsweise ein LKW oder ein Gabelstapler samt Ladung passieren kann und somit alle Tags erfasst werden. Ein Anwendungsbeispiel hierfür wären die Dockstationen beim Wareneingang.

Die Anzahl von Empfangsgeräten richtet sich danach, wie viele Wegentscheidungen getroffen werden müssen oder wie genau man einen Prozess abbilden möchte. Unter Wegentscheidung versteht man etwa in der Autoproduktion, ob es sich beispielsweise um Fahrzeuge mit drei oder fünf Türen handelt oder um solche mit Links- oder Rechtslenkung.

RFID-Software und Middleware

Damit Empfangsgeräte Transponder auslesen beziehungsweise beschreiben können, benötigen sie eine Software, die bestimmt, welche Daten verarbeitet werden. Auch eventuell anfallende Änderungen der Datenformate oder eine Sortierung erledigt solch eine Software. Hier lässt sich mit Hilfe von intelligenten Filtern das Datenvolumen bereits deutlich reduzieren, da doppelte Datensätze entfernt oder fehlende Teile logisch ergänzt werden können. Die Empfangsgeräte sind mit einem PC verbunden oder mit einem Controller, der mehrere Empfangsgeräte zusammenfasst.

Der Datenstrom wird in den meisten Fällen nicht direkt in übergeordnete Geschäftsprozesse, wie beispielsweise ERP- oder SCM-Systeme, eingespeist, sondern zunächst an einen Server übergeben. An dieser Schnittstelle müssen die Daten entsprechend aufbereitet werden, damit andere IT-Systeme darauf zugreifen und sie zu ihren Zwecken auswerten können. Denn die meisten IT-Systeme sind ursprünglich nicht auf diese Form der Datenzuführung ausgelegt, und auf der Steuerungsebene muss zunächst eine Integration vorgenommen werden. Die Datenübermittlung erfolgt über Industrial-Ethernet oder über Wireless-Netzwerke.

IT-Abteilungen, die RFID nutzen wollen, müssen zuerst einmal umdenken. Bei bisherigen Identifikationssystemen floss der Datenstrom bislang nur in eine Richtung, die Daten wurden lediglich abgerufen. Mit RFID ist es nun aber möglich, einen bidirektionalen Datenverkehr zu nutzen, da nun auch Informationen auf die Transponder geschrieben werden können. Die IT-Abteilung greift mit RFID deutlich stärker in Abläufe ein, als sie es bei der Datenverarbeitung via Barcodesysteme tut. Wichtig ist deshalb vor allem, die Geschäftsabläufe zu kennen, die vom Einsatz der RFID-Technik direkt betroffen sind. Ohne detaillierte Prozesskenntnisse kann die IT die Daten nicht richtig interpretieren.

Interessant für viele Anwendungen

In den letzten Monaten haben immer mehr große Softwarehäuser RFID-Middleware-Produkte in ihr Portfolio aufgenommen. Viele dieser Lösungen sind bereits schlüsselfertig und bieten mit gewissen Anpassungen einen großen Leistungsumfang.

In den vergangenen Jahren setzten Unternehmen RFID hauptsächlich in geschlossenen Kreisläufen ein. Dabei lag bei der Wahl eines RFID-Systems das Augenmerk vor allem auf der Funktionstüchtigkeit, weniger auf den technischen Standards. Bei mit Transpondern ausgestatteten Behältern, die werksintern zirkulieren, besteht auch keine Veranlassung, bestimmte Standards zu berücksichtigen.

Da die Technologiepreise kontinuierlich sinken, wird RFID aber auch für neue Bereiche und Anwendungen interessant. Offene Kreisläufe, an denen mehrere Unternehmensbereiche oder verschiedene Unternehmen beteiligt sind, setzen zum einen voraus, dass die Daten auf den Transpondern kompatibel sind. Zum anderen müssen die Chips von anderen Schreib-Lese-Geräten richtig erkannt werden. Zwar gibt es bereits einige ISO-Normen, die beispielsweise sicherstellen, dass ein Tag von verschiedenen Empfangsgeräten ausgelesen werden kann. Ihr Einfluss ist jedoch eher gering.

Die Electronic Product Code (EPC) Global Inc. verfolgt das Ziel, offene und standardisierte RFID-Systeme zu etablieren. EPC Global ist ein Zusammenschluss verschiedener Unternehmen; er befindet sich unter der Dachgesellschaft der Organisationen European Product Number International (EAN) und Unifying Code Council (UCC), die das gleiche Ziel bereits für den Barcode verfolgt und erreicht haben.

Die Standardisierungsthematik gewinnt insbesondere dann an Bedeutung, wenn mit RFID-Tags versehene Behälter ein Werk verlassen, um firmenübergreifend eingesetzt zu werden. Dann muss sichergestellt sein, dass andere Beteiligte kompatible Systeme nutzen können.

Regulierung der Frequenzen

Die RFID-Systeme können unterschiedliche Arbeitsfrequenzen für ihre Daten- beziehungsweise Energieübermittlung nutzen. Die Wahl der Frequenz ist ausschlaggebend für die erzielte Reichweite, die Durchdringungsrate und die Übertragungsgeschwindigkeiten.

Erste RFID-Systeme nutzten die LF-Frequenzen (Low Frequency). Später verwendeten Smart-Labels die 13,56-Megahertz-Frequenz und lösten die LF-Technik ab. Damit wurde erstmals die so genannte Pulkerfassung möglich. Aber auch die 13,56-Megahertz-Technik stößt in vielen Fällen an ihre Grenzen, besonders aufgrund ihrer Sensibilität gegenüber Metall.

So gibt es inzwischen auch Transponder, die auf UHF-Frequenz (Ultra High Frequency) senden. Sie haben den Vorteil, weniger störanfällig gegenüber Metall zu sein. Sie ermöglichen zudem die Produktion kleinerer und schmalerer und damit auch preiswerterer Chips.

Frequenzen - aber welche?

In der Automobilindustrie ist die UHF-Technik mit 689 Megahertz häufig anzutreffen. Diese Frequenzzuteilung ist allerdings sehr Europa-spezifisch, denn in den USA wird dafür die Frequenz von 915 Megahertz genutzt. Solche Unterschiede entstehen aber nicht nur durch nationale Gesetze zur Verteilung der Frequenzen für verschiedene Zwecke wie zum Beispiel den Mobilfunk, sondern auch durch Bestimmungen über die erlaubte Sendestärke. Im Bereich 915 Megahertz ist etwa in den USA eine Sendeleistung von vier Watt zugelassen, in Europa darf auf 869 Megahertz nur mit 0,5 Watt gesendet werden. Die Sendestärke hat aber eine erhebliche Auswirkung auf die Reichweite der RFID-Systeme. Asien plant ferner, eine dritte UHF-Frequenz für RFID-Transponder zu vergeben, die dann bei 950 bis 960 Megahertz liegt.

Eine neue, international gültige Aufteilung der Frequenzbänder ist eher unwahrscheinlich, da es zu viele nationale Festlegungen gibt. Deshalb müssen Unternehmen, die RFID im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit einsetzen wollen, bei ihrer Entscheidung für eine Frequenz zwischen den Eigenschaften der Frequenzbänder und der Kompatibilität mit im Ausland verwendeten Systemen abwägen. Allerdings wird auch hier die Technologie weiterentwickelt. In Zukunft wird es vermehrt Lösungen geben, die mit Hilfe von Readern, die mehrere Frequenzen lesen können, ein so genanntes Frequenz-Hopping ermöglichen.