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Grundlagen

IoT-Basics: RFID Systeme

| Autor/ Redakteur: Edmund Schiessle / Jürgen Schreier

Radio Frequency Identification (RFID) ist eine Basistechnologie für Industrie-4.0- und IoT-Anwendungen. Der Beitrag erläutert Sensorik und Systeme sowie die praktischen Anwendungsmöglichkeiten.

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Im Bild: RFID Tags für die Zutrittskontrolle
Im Bild: RFID Tags für die Zutrittskontrolle
(Bild: Pixabay / CC0)

Was sind RFID Systeme?

Das Akronym RFID steht für «Radio Frequency Identification» und bedeutet frei übersetzt «Funkerkennung». Ein RFID-System besteht mindestens aus einem RFID-Transponder mit aktiven oder passiven Tags (Schildern, Etiketten) und einem RIFD Reader (Lesegerät). Das Wort Transponder ist ein aus dem Englischen hergeleitetes Kunstwort, bestehend aus dem Wort Transmitter (Sender) und dem Wort respond (antworten). RFID-Systeme können technische Daten berührungslos ohne Sichtkontakt lesen und speichern. Für den Austausch von Informationen zwischen Transponder und Reader gibt es verschiedene Verfahren. Langsame RFID Systeme mit einer kleinen Reichweite (wenige Meter) arbeiten im Frequenzbereich von 120 bis 150 kHz. Sie werden eingesetzt, um z.B. Produktionsdaten zu ermitteln oder Objekte zu identifizieren. Hochgeschwindigkeits-Mikrowellen-RFID-Systeme mit einer großen Reichweite (bis 200 m) arbeiten in einem Frequenzbereich von 3,1 bis 10 GHz.

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Physikalisch bauen alle Verfahren auf dem Resonanz- oder Reflexionsprinzip –kontaktlos mit magnetischer (induktiver) oder elektromagnetischer Kopplung– auf. Das Koppelelement besteht je nach RFID-Frequenz (Nahfeld oder Fernfeld) aus einer Antennenspule oder einer Dipolantenne. Sowohl LF(Low Frequency)- als auch HF(High Frequency)-Systeme können im Nahfeld nach dem Prinzip der induktiven Kopplung arbeiten.

Energietechnisch können die RFID Transponder in drei Gruppen unterteilt werden: in passive, aktive und semi-passive RFID Transponder. Passive RIFD Transponder erhalten ihre benötigte Betriebsenergie vollständig über das Energiefeld des RFID-Readers. Über dieses Feld werden auch Daten bidirektional übertragen. Aktive RFID-Transponder verfügen über eine eigene eingebaute Betriebsenergie-Quelle. Semi-passive RFID Transponder beziehen ihre benötigte Betriebsenergie über das Energiefeld des RFID Readers, jedoch wird zur Erzeugung des HF-Signals eine integrierte Betriebsenergie-Quelle benötigt.

Prinzipaufbau eines einfachen RFID Systems

Das Resonanzprinzip des hier beschriebenen RFID-Systems basiert auf der berührungslosen magnetischen (induktiven) Kopplung. Das RFID-System (Bild 22.1) besteht, durch einen Luftspaltschnittstelle getrennt, aus einem Reader mit Antennenspule L1 und einem Transponder mit Antennenspule L2.

Der Reader ist ein Lesegerät oder «Abfrager» und besteht im einfachsten Fall aus einem HF-Modul, bestehend aus einer Elektronikschaltung mit einer Schwingkreisbeschaltung, wobei Antennenspule L1 (Induktionsspule) außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.

Der Transponder besteht im einfachsten Fall aus einer außen angeordneten Antennenspule L2 und einem elektrischen Eingangsnetzwerk sowie einem elektronischen Mikrochip. Bei einer miniaturisierten Bauform (Coil on chip) ist die Antenne auf dem Mikrochip integriert, wobei die Baufläche nur 3 × 3 mm beträgt.

Es wird nun die physikalische Wirkungsweise eines passiven RFID Systems beschrieben.Der Reader (Lesegerät) arbeitet als Sende- und Empfangseinheit im Nahfeldbereich. Die Elektronik des Readers generiert ein Aufrufsignal, das in seine Antennenspule L1 eingespeist wird. Es entsteht um die Antennenspule L1 ein magnetisches Wechselfeld. Der größere Anteil des magnetischen Feldes durchströmt abstandsabhängig die Transponder-Antennenspule L2. Nach dem elektrodynamischen Induktionsgesetz wird in der Transponder-Antennenspule L2 ein elektrisches Feld erzeugt. Befindet sich der Transponder im Magnetfeld des Readers, entzieht er dem Feld die zum Betrieb notwendige Energie. Mit der Feldenergie wird ein elektrischer Energiespeicher (z.B. Kondensator) geladen und damit der Mikrochip im Transponder aktiviert. Er decodiert das vom Reader empfangene Sendesignal.

Aus dem decodierten Sendesignal generiert der Mikrochip mit den im Transponder gespeicherten Daten ein codiertes magnetisches Wechselfeld als Antwortsignal. Moduliert wird die Magnetfeldschwächung z.B. durch Zu- und Abschalten eines Lastwiderstandes, der parallel zum Schwingkreis des Transponders liegt und diesen dämpft oder entdämpft. Diesen Effekt erkennt der Reader als transformierte Impedanz.

Die energetische Änderung des Magnetfeldes erfolgt also durch Lastmodulation. Dieser Effekt entspricht einer Amplitudenmodulation und diese wiederum einer digitalen Information des Transponder-Signals. Die Information enthält die feste Seriennummer des Transponders und weitere Daten des dort gekennzeichneten Objektes oder andere von Lesegeräten abgefragte Informationen.

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Alle technischen Informationen können nun über geeignete Schnittstellen elektronisch ausgelesen und elektronisch weiterverarbeitet werden. Der Transponder selbst erzeugt also kein eigenes magnetisches Wechselfeld, sondern beeinflusst elektrisch das gesendete magnetische Wechselfeld des Readers. Die Reichweite beträgt induktionsbedingt nur einige Zentimeter bis zu wenigen Metern. Das Wechselmagnetfeld des Antwortsignals kann z.B. auch durch ein geeignetes externes Steuergerät empfangen werden, um weiter gewünschte technische Aktionen an einem weiteren Objekt einzuleiten. Diese vereinfacht beschriebene Funktionsweise bildet die technische Grundlage für allen Varianten von RFID Systemen.

RFID-Tags-Markt: Weltweit lukrative Möglichkeiten

Die RFID Technologie (Radio Frequency Identification) hat die Art und Weise, wie Unternehmen Geschäfte tätigen, stark verändert. Als eine Art drahtloser Kommunikationstechnologie, die Funkwellen zur Verfolgung und Identifizierung von Objekten (traceability) einsetzt, erhöht RFID die Effizienz von Betriebsabläufen, senkt die Kosten und verbessert die Rückverfolgbarkeit und Transparenz von Werkstücken und Gütern.

In den USA werden RFID Tags in verschiedenen betrieblichen Prozessen in der gesamten amerikanischen Industrielandschaft eingesetzt. Außerdem hat der wachsende Bedarf an Zugangsmanagement-Technologien und Materialidentifikationsmanagement hat die Einführung von RFID Tags in den USA stark vorangetrieben. Der von Clean Technology erstellte Bericht bewertet die wichtigsten Markttrends und -chancen und bewertet deren Auswirkungen auf das Wachstum des US-Marktes für RFID Tags für den Zeitraum 2017 bis 2025. Die Hauptgründe für das Wachstum dieses Marktes sowie wichtigsten Wachstumshindernisse wurden ebenfalls untersucht.

Das Segment der passiven Tags hat einen großen Anteil am US-Markt und wird im Laufe des Prognosezeitraums ebenfalls ein starkes Umsatzwachstum verzeichnen. Auch das Segment der aktiven Tags soll bis 2025 kräftig zulegen, wobei Schlüsselanwendungen wie die Überwachung und Verfolgung (traceability) von Paletten und Containern das Wachstum beflügeln.

Zu den wichtigsten Produkttypen gehören kommerzielle Tags, Healthcare-Tags und Korrektur-Tags. Im Jahr 2016 dominierten kommerzielle Tags den US-Markt. Auch die Tags für den Healthcare-Bereich werden dank ihrer Verwendung in medizinischen Geräten für Tracking-Zwecke (tracebility) ein stetiges Wachstum verzeichnen. Immer mehr Krankenhäuser setzen RFID Tags ein, um Prozesse zu rationalisieren sowie die Abrechnung und Berichterstattung zu automatisieren.

Zu den führenden Endverbraucherbranchen am amerikanischen Markt für RFID Tags gehören der Einzelhandel, das Gesundheitswesen, die Automobilindustrie, die Sicherheitsbranche, Logistik und Transport, IT und Viehzucht. Die Logistik- und Transportbranche gehört zu den wichtigsten Endverbraucher von RFID Tags. Dieses Marktsegment wird auch im Prognosezeitraum ein deutliches Wachstum verzeichnen. In diesem Bereich tragen RFID Tags durch Tracking & Tracing (traceability) zur Verbesserung der Transportsicherheit sowie zu einer höheren Effizienz in der Logistik bei.

Der Bericht kann unter diesem Link angefordert werden.

Anwendungsbeispiele (für langsame RFID Systeme):

  • Allgemeine Haupteinsatzgebiete für diese Transpondertechnologie sind z.B. Warenlogistik, Zugangssysteme und Arbeitssicherheit.
  • Computergesteuerter Industriekran (Einsatzgebiet Arbeitssicherheit)

Die Antennenspule des Readers wird am Hauptträger eines beweglichen Industriekrans appliziert, so dass ein «magnetisches Schutzfeld» um den beweglichen Industriekran existiert. Bei einer Arbeitsbewegung bewegt sich das Schutzfeld mit. Wenn nun das Schutzfeld einen mit einem entsprechenden Transponder ausgestatteten Werker mit einem vorgegebenen Sicherheitsabstand erreicht, stoppt die Bewegung des Industriekrans und ein akustisches Warnsignal ertönt. Eine Kollision mit Verletzungsgefahr wird dadurch vermieden.

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