IoT-Basics Was sind RFID Systeme? Definition, Aufbau und Anwendung

Radio Frequency Identification (RFID) ist eine Basistechnologie für Industrie-4.0- und IoT-Anwendungen. Ob bewusst oder unbewusst, RFID begegnet den meisten Menschen mehrmals täglich. Was RFID bedeutet, wie es funktioniert und wo es eingesetzt wird, erläutern wir wir in diesem Artikel.

Die Entwicklung von RFID begann bereits in den 60er Jahren. Durch hohe Chippreise und eine noch nicht ausgereifte Technologie wurden jedoch kaum wirtschaftlicher Erfolg erzielt.

Dies hat sich in den letzten Jahren jedoch grundlegend verändert. Viele Unternehmen investieren stark in die RFID-Technologie und treiben die Entwicklung voran. Gleichzeitig sind die Preise für RFID-Transponder stark gefallen und in den kommenden Jahren wird mit weiteren Preissenkungen gerechnet. Das führt dazu, dass die RFID-Technik immer häufiger eingesetzt wird, sowohl bei Gegenständen und Tieren, ja sogar bei Menschen.

Definition - Was sind RFID Systeme?

Das Akronym RFID steht für «Radio Frequency Identification», bedeutet frei übersetzt «Funkerkennung» und dient einer drahtlosen Übertragung von sensorgenerierten Messwerten.

Ein RFID-System besteht aus:

• mindestens 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.

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:.

• 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: Aktive RFID-Transponder verfügen über eine eigene eingebaute Betriebsenergie-Quelle.

• Semi-passive-RFID-Transponder: 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.

Aufbau 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.

RFID

Draht- und batterieloser RFID-Sensor überwacht Temperatur in Schaltanlagen

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.

Erweiterungen von RFID-Systemen

Eine Weiterentwicklung der RFID Systeme sind RFIDS Systeme oder RFID Sensorsysteme mit externen oder integrierten Sensoren für die drahtlose Übertragung von sensorgenerierten Messwerten im Hochfrequenz-Bereich (Fernfeld). Das Kürzel RFIDS oder RFID Sensoren steht für «Radio Frequency Identification Sensors».

RFID Sensoren nutzen die Möglichkeit, ihre Konfigurationsdaten und Messwerte auf RFID-Schreib- und Lesegeräte zu speichern, zu ändern und berührungslos auszulesen. Die Erweiterung eines RFID Systems um einen Sensor heißt RFID Sensor, die Erweiterung eines RFID Systems um einen RFID Sensor heißt RFID Sensorsystem.

Das RFIDS System ist gegenüber einem RFID-System um eine geeignete sensorspezifische Signalverarbeitungselektronik mit Schreib-/Lesefunktion erweitert. Im Unterschied zu einem RFID-System ohne RFID-Sensoren werden im Schreib-/Lesegerät des RFIDS Systems zusätzliche Prozessverarbeitungsschritte z.B. zur Überprüfung der Transponderbatterie, der Sensor-Konfiguration und Verarbeitung von weiteren Sensordaten benötigt. Ein Vorteil gegenüber kabelgebundenen Sensoren ist der Wegfall einer Verkabelung mit den oft fehleranfälligen elektromechanischen Kontakten. Ein weiterer Vorteil ist die gemeinsame Übertragung der Betriebsenergie und der Datenübertragung über das Energiefeld.

Vorteile von RFID

Der größte Pluspunkt von RFID ist der Tatsache zu verdanken, dass es nicht mehr notwendig ist, einen direkten Kontakt zwischen dem Sender und dem Empfänger herzustellen. Daraus lassen sich viele weitere Vorteile ableiten, die wir Ihnen im Folgenden vorstellen:

• Berührungsloses Erfassen von Daten und Informationen ohne direkten Sichtkontakt

• Elektronisches Programmieren und Speichern von Daten möglich

• Widerstandsfähigkeit der Transponder

• Durchdringt verschiedenste Materialarten

• Erfassung 20 mal schneller als mittels Barcode

• Pulkerfassung möglich

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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.

Tracking

Die Lagerauslastung effizient steigern

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.

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.

Funkbasierte Identifikationstechnologie

Warum RFID ein mächtiges Werkzeug für smarte Produktionsprozesse ist

RFID Systeme mit hohen Frequenzen

Bei UHF(Ultra High Frequency)-Tags werden andere Lese- und Übertragungsverfahren eingesetzt. Aktive Systeme können so konfiguriert werden, dass sie verschiedene «Empfänger» und «Sender» einbeziehen. Sie müssen nicht unbedingt auf die Signalfrequenz des Signals des RFID Lesegeräts reagieren. Fernfeld-Systeme arbeiten oft nach dem sog. Backscatter-Verfahren. Von Readern gesendete elektromagnetische Wellen werden nicht moduliert zurück gesendet, sondern nur reflektiert. Reader und Transponder sind jeweils mit Dipolantennen ausgerüstet. Die vom Reader-Dipol abgestrahlte HF-Spannung wird vom Transponder-Dipol aufgenommen.

Die HF-Spannung wird gleichgerichtet und ein Teil zur Versorgung mit Betriebsenergie verwendet, der andere Teil wird reflektiert. Für die Datenübertragung wird das reflektierte Signal durch das Zu- und Abschalten eines Lastwiderstandes moduliert. Analog zur induktiven Kopplung wird das amplitudenmodulierte Signal vom Reader aufgenommen und interpretiert.

Elektrophysikalische Wirkungsweise

Es können Messwerte von einem Sensor oder mehreren ganz verschiedenen Sensoren mit ganz unterschiedlichen technischen Daten verarbeitet werden. Über eine chipintegrierte Ausleseelektronik können externe Sensoren ausgelesen werden. Die Messwerte werden von einem chipintegrierten Prozessor codiert und über den chipintegrierten Modulator drahtlos übertragen. Der Datenaustausch zwischen Schreib-/Lesegerät und RIFD-Sensor erfolgt über ein um sensorspezifische Funktionen erweitertes Luftschnittstellen-Protokoll (z.B. Netz-EPCglobal). Es wurde entwickelt, um die Weiterverarbeitung von Produkten und Komponenten in Produktion, Warenwirtschaft und Logistik kontrollieren und steuern zu können.

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Für das Auslesen der Daten erzeugt das Schreib-/Lesegerät ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld (Fernfeld) mit einer entsprechenden Frequenz. Befindet sich z.B. ein passiver oder semi-passiver Transponder in der Umgebung eines HF-Feldes, empfängt er sein Trägersignal und kann daraus eine elektrische Spannung erzeugen, um seinen Akkumulator zu laden. Die Akku-Spannung ist die Versorgungsspannung für die gesamte Elektronik. Die Signalübertragung erfolgt durch eine Lastmodulation des HF-Feldes, indem der Mikroprozessor verschiedene Bauelemente zu- und abschaltet und damit das HF-Feld beeinflusst.

Messtechnische Eigenschaften

Um elektromagnetische Störungen zu vermeiden, müssen spezielle Übertragungsmethoden und/oder spezielle Codierungen eingesetzt werden. Aus der elektrischen Nachrichtentechnik sind verschiedene analoge und digitale Übertragungsmethoden bekannt- Der übertragene Frequenzbereich und die verfügbare Frequenz-Bandbreite sind ebenso zu beachten wie der Energiebedarf der Elektronikschaltungen, da die Energie drahtloser übertragen wird. Für eine hohe Zuverlässigkeit sind kleine Baueinheiten mit einem kleinen Energieverbrauch notwendig, d.h., das System ist auf Basis einer Siliziumtechnologie aufgebaut. Sensoren sind technischen Schnittstellen zur analogen Außenwelt und immer das technische Bauteil mit der größten Messunsicherheit. Um diese zu minimieren, werden Elektronik und Sensorik hochintegriert aufgebaut.

Die monolithische Integration von Systemen in Siliziumtechnologie lässt die geforderte Präzision bei der Sensorherstellung erreichen. RFIDS Sensorsysteme empfangen Messwerte, die direkt in einen Speicher geschrieben, gewandelt und so verstärkt werden, dass sie über größere Distanzen auch bei teilweise gestörter Übertragung fehlerarm sind. Die Messdatenspeicherung ist jedoch nur sinnvoll, solange der Speicher permanent mit Energie versorgt wird. Es können daher nur Systeme sinnvoll eingesetzt werden, die den Zeitraum zwischen zwei Ausleseperioden mit genügend Energie überbrücken können.

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Technologische Grundlagen und Beispiele

Gute technologische Grundlagen bieten moderne siliziumbasierte Integrationsprozesse. Physikalische und chemische Eigenschaften (z.B. piezoresistive, thermodynamische und ionenselektive) können sehr effektiv als Sensoreffekte genutzt werden. Bei chemischen Sensoren und bei Gassensoren wird ein Siliziumchip als Trägersubstanz (Bulk) mit einer geeigneten dünnen Schicht versehen. Diese ist abhängig von den zu messenden chemischen und physikalischen Parametern, um sichere auswertbare elektrische und elektrochemische Effekte (konduktometrische, potentiometrische und amperometrische Effekte) zu generieren.

Es werden beispielhaft einige in CMOS-Technologie integrierbare Sensoren für RFIDS Systeme beschrieben:

• Drucksensoren: Kapazitive Sensoren eignen sich grundsätzlich hervorragend für RFIDS Systeme, da sie bei Messungen mit extrem kleinen Energiemengen auskommen. Es lassen sich Drucksensoren in Substratmikromechanik mit Hilfe der sogenannten Opferschichttechnik einfach realisieren.

• Beschleunigungssensor: Ein weiterer Sensor ist der integrierbare mikromechanische Beschleunigungssensor. Die Elemente des Sensorchips werden in Silizium-Oberflächenmikromechanik hergestellt und arbeiten nach einem kapazitiven Messprinzip. Dabei ist eine bewegliche seismische Masse an Federn so aufgehängt, dass die Masse bei einer Beschleunigung in eine Koordinatenrichtung ausgelenkt werden kann. Eine externe Beschleunigung in Richtung der sensitiven Achse hat eine Auslenkung der Masse gegen die Rückstellkraft der Federn zur Folge, die kapazitiv an den gegensinnig verstimmten Kapazitäten C1und C2 gemessen werden kann.

• Thermoelektrische Temperatursensoren: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Temperatursensoren CMOS-kompatibel aufzubauen. Zu den aufwendigsten gehören sicher die Thermosäulen. Eine Thermosäule besteht aus einer Reihenschaltung von Thermoelementen, die je aus einem Kontakt zweier verschiedener Materialien besteht. Aus dem SEEBECK-Effekt ergibt sich die Temperaturempfindlichkeit eines Thermoelementes.

• Thermoresistive Temperatursensoren Platin-Widerstandsthermometer, Pt10000 (Fraunhofer-Institut, Phys. Messtechnik). Die Temperaturmessung erfolgt über die thermische Widerstandsänderung von Platin. Dünnschicht-Technologie auf Al2O3-Substraten mit Pt 10000 auf 5 mm². Variationen von Strukturbreite, Strukturierung, Schichtdicke, Passivierung sind technologisch möglich.

• Kapazitive Feuchtesensoren (Fraunhofer-Institut, Phys. Messtechnik): Die Feuchtemessung erfolgt mit Hilfe der feuchteabhängigen Kapazitätsänderung der Elementarsensorstruktur, bestehend aus feuchtesensitiven Polymeren, wie z.B. aus CA, CAB, PMMA, PUR oder PVP. Die Kondensator-Elektroden des Feuchtesensors bestehen aus dem Antennenmaterial, d.h., die Elektrodenstruktur dient gleichzeitig als Antennenstruktur auf einem flexiblen RFID Substrat.

• Photovoltaische Lichtsensoren (Fraunhofer-Institut, Phys. Messtechnik): Der Lichtsensor beruht auf dem physikalischen Prinzip einer Farbstoff-Solarzelle. Der Lichtsensor besteht aus dem Trägermaterial Teonex mit Polymerelektrolyt und dem sensorisch wirkenden Farbstoff TiO2, aus Al-Grundkontakten und LiFÜbergangskontakten. Die maximale photovoltaische Spannung bei voller Sonneneinstrahlung beträgt ca. 500 mV.

RFDI Sensoren kommen häufig zur Steuerung von Maschinen oder Produktionsprozessen zum Einsatz, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik:

• ABS RFID Sensor: ABS-Sensoren (Antiblockiersystem) überwachen in Kraftfahrzeugen während der Fahrt die Drehgeschwindigkeit aller Räder. Mit Hilfe dieser Daten kann das ABS-Steuergerät einen Radstillstand erkennen und so ein Schleudern durch kurzes Lösen von Bremsen verhindern. Oft werden ABS-Sensoren eingesetzt, die nicht auf RFID Technologie basieren. Diese haben den Nachteil, dass die Sensoren über Kabel mit dem Auswertegerät verbunden sind. Kabel sind jedoch i.Allg. teuer, verschleiß- und störanfällig. Es werden daher immer öfter Sensoren mit RFID Technologie zur drahtlosen Übermittlung der technischen Daten eingesetzt.

• Reifendruck RFID Sensor: Es werden Transponder in den Reifen verbaut, die den Luftdruck und den Verschleiß des Reifens erfassen und die technischen Daten an eine Reader-Antenne im Radkasten übertragen.

• Taupunkt RFID Sensor: Diese Sensoren werden an der Windschutzscheibe angebracht, um deren Beschlagen zu erfassen technische Gegenmaßnamen einzuleiten.

• Temperatur RFID Sensor: In der chemischen Verfahrenstechnik für Temperaturmessungen in ätzenden Chemikalien.

• Feuchte RFID Sensor: Diese Sensoren können zur Feuchtigkeitserfassung in Gebäuderäumen oder in gekapselten technischen Systemen eingesetzt werden, wenn die Kapselhülle aus einem nichtmetallischen Material besteht.

Bei RFID- und RFIDS-Systemen bestehen aufgrund der drahtlosen Kommunikation durch HF-Abstrahlung, Frequenzinterferenz und Eingabesystemen immer Missbrauchsgefahren. Durch eine umfangreiche Architektur mit hohen Qualitätsanforderungen können diese Gefahren minimiert werden, jedoch werden die Vorteile einer kostengünstigen Realisierung dadurch gemindert. Es muss wie immer ein Kompromiss zwischen Wirtschaftlichkeit und Sicherheit zu vertretbaren Kosten erreicht werden.

Mikrowellen-Transponder

Hochgeschwindigkeits-Mikrowellen RFID Systeme mit einer großen Reichweite (bis 200 m) arbeiten mit elektromagnetischen Wellen in einem Frequenzbereich von 3,1 bis 10 GHz. Mikrowellentransponder, die zu Entfernungsmessungen über die Auswertung von den Signallaufzeiten eingesetzt werden, arbeiten mit elektromagnetischen Wellen bei einer Frequenz von z.B. 2,45 GHz.

Unter Nutzung des DOPPLER-Effektes können die Geschwindigkeiten von bewegten Objekten erfasst werden. Der DOPPLER-Effekt tritt bei allen elektromagnetischen und allen akustischen Wellen auf. Bei akustischen Wellen ist der Effekt jedoch wegen der sehr kleinen Ausbreitungsgeschwindigkeit (ca. 343 m/s) gegenüber den elektromagnetischen Wellen (ca. 3 · 108 m/s) vernachlässigbar.

IoT-Basics

Internet of Things (IoT) – Definition, Technologie und Anwendung

Der Artikel ist dem Buch "Industrie-Sensorik - Sensortechnik und Messwertaufnahme", 2., aktualisierte und erweiterte Auflage, entnommen.

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