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RFID-Technologie

Was ist RFID (Radio-Frequency IDentification)?

RFID (Radio-Frequency Identification)  ist der kontaktlose Datenaustausch zwischen einem RFID-Transponder und einem RFID-Schreib-/Lesegerät. Für die Datenübertragung baut das RFID-Schreib-/Lesegerät ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld auf, welches den passiven RFID-Transponder mit Energie versorgt. Solange sich der RFID-Transponder im elektromagnetischen Feld des RFID-Schreib-/Lesegeräts befindet, ist dieser mit Energie versorgt und es kann ein Datenaustausch erfolgen. Informationen können aus dem Chip des RFID-Transponders gelesen, aber auch neue Daten auf dem Chip hinterlegt werden.

Datenaustausch zwischen RFID-Transponder und RFID-Lesegerät

Aufbau eines RFID-Transponders

Grundsätzlich können RFID-Transponder in fast allen möglichen Formen, Materialien, Größen und Farben angeboten werden. Der konkrete Aufbau hängt vom Anwendungsfall ab. Gleichheit im Innenleben der verschiedenen RFID-Transpondern besteht bei zwei Komponenten. Jeder RFID-Transponder besteht im Inneren zumindest aus einem Mikrochip und einer gedruckten, gelegten oder geätzten Antenne. Der Chip und die Antenne (auch Inlay genannt) sind sehr empfindlich und damit nur bedingt mechanisch, thermisch oder chemisch belastbar. Somit ist eine applikationsspezifische "Verpackung" dieser Elektronikkomponenten notwendig. Die einfachste Form ist die Verpackung als RFID-Etikett. Für viele Applikationen ausreichend. Jedoch ist bei dieser Verpackungsform der Chip nur durch eine einfache Folie oder eine Lage Papier geschützt.

Wenn es etwas stabiler oder robuster sein muss, wird eine Verpackung der RFID-Elektronik in eine laminierte Karte empfohlen. Wenn auch das nicht ausreicht, vor allem im industriellen Umfeld, sollte das empfindliche Inlay (=Chip + Antenne) in ein Kunststoffgehäuse vergossen werden. Dies ist die robusteste, langlebigste und unempfindlichste Verpackungsform.

Innenleben eines Inlays

Der „Single Chip“ RFID-Transponder besteht aus einem Substrat mit Antenne und Chip, kurz Inlay genannt. Ein Transponder-System besteht aus dem RFID-Transponder, einem Reader, der Software sowie dem Anwendungsprozess inklusive Service.

Wie viele Informationen können auf einen RFID-Transponder/Chip gespeichert werden?

Die Speichergröße des Chips richtet sich ebenfalls nach dem Anwendungsfall. Handelsübliche Speichergrößen liegen zwischen 4 Byte und 8 kByte. Im einfachsten Fall, meist in der elektronischen Artikelsicherung können sogar 1 Bit-Speicher verwendet werden. Zur Veranschaulichung kann mit einem 4 Byte Speicher nur eine eineindeutige Nummer (Unique ID=UID) gespeichert werden, wohingegen bei einem 8 kByte Speicher 4 Schreibmaschinenseiten, bestehenden aus 30 Zeilen à 60  Zeichen, Platz finden. Neben der einfachen Speicherung gibt es noch eine Reihe weiterer Chipfunktionalitäten wie zum Beispiel Schreibschutz, PIN-Berechtigungen, Verschlüsselungen des Dateninhaltes, kryptographische Funktionalitäten und viele mehr. Die individuellen Spezifikationen richten sich je nach Anwendung und notwendigem Sicherheitsniveau.

Wie antwortet ein RFID-Transponder?

Prinzip der induktiven Kopplung für LF und HF RFID-Transponder:
Der Sender emittiert ein elektromagnetisches Feld über die Antennenspule, das von dem RFID-Transponder aufgefangen wird. Mittels Induktion wird dann in der Transponderspule ein Strom induziert. Dieser Strom gibt die Energie, mit der der RFID-Transponder betrieben wird. Durch gezielte zeitliche Dämpfung des Stroms über Schaltkreise im Chip kann ein eigenes Signal erzeugt werden. Diese Veränderung des Feldes wird vom Sender registriert und dient der digitalen Kommunikation.

Prinzip von „EM backscatter“ für UHF RFID-Transponder:
Der Sender emittiert ein elektromagnetisches Feld über die Antennen, das von dem RFID-Transponder aufgefangen wird. Das elektromagnetische Feld induziert Strom in der Transponderantenne. Dieser Strom gibt die Energie, mit der der RFID-Transponder betrieben wird. Der RFID-Transponder führt Modulationen des Trägersignals durch, die dann vom Sender für die Kommunikation empfangen werden.

Aktive oder passive RFID-Transponder - eine Grundsatzentscheidung

Es gibt zwei Grundtypen von RFID-Transpondern – aktive und passive. Aktive RFID-Transponder verfügen über eine eigene Energieversorgung, z.B. eine integrierte Batterie und können Daten über eine größere Entfernung übertragen (bis zu 100 m). Passive RFID-Transponder beziehen ihre Energie für die Datenübertragung einzig aus dem elektromagnetischen Feld des RFID-Schreib-Lesegerätes.

Als Zwischentyp gibt es noch semi-aktive bzw. semi-passive RFID-Transponder, welche zwar über eine eigene Stromquelle verfügen, aber nicht vollständig als eigener Sender fungieren. Die Stromversorgung des RFID-Transponders erfolgt über eine Batterie, es muss keine Leistung aus dem elektromagnetischen Feld entnommen, aber die Rückantwort wird über die Modulation des Feldes erzeugt, wodurch das Feld nicht erneut verstärkt wird.

RFID-Transpondertypen
 

Passive RFID-Transponder lassen sich in 3 verschiedene Kategorien einordnen:

  1. Read-Only:
    Read-Only-Transponder können individuell vom Hersteller einmalig beschrieben werden, jedoch ist es nicht möglich, nachträglich Informationen hinzuzufügen, zu löschen oder zu überschreiben.
  2. Write-Once, Read Many (WORM):
    WORM-Transponder können nur einmalig vom Kunden beschrieben werden. Danach können Sie nur noch ausgelesen, jedoch nicht mehr beschrieben werden.
  3. Read and Write:
    Read and Write-Transponder erlauben unbeschränktes Beschriften und Änderungen am Speicherinhalt. Durch setzen eines Schreibschutzes können auch diese RFID-Transponder ab einem gewünschten Punkt sowohl für das Lesen, als auch für das Schreiben gesperrt werden.

LF, HF und UHF-Transponder - Welche Frequenzen stecken dahinter?

Es gibt drei Frequenzbereiche in denen RFID-Systeme eingeteilt werden:

Low Frequency (LF = 125kHz)
Dieser frei zugängliche Frequenzbereich zeichnet sich durch geringe Übertragungsraten und
-abstände aus. Der Aufbau dieser Systeme ist meist kostengünstig und einfach im Handling, sowie anmelde- und gebührenfrei. Die RFID-Transponder machen sich das Nahfeld der elektromagnetischen Wellen zu Nutze und werden durch die induktive Kopplung passiv mit Energie versorgt. Ein Vorteil ist, dass die RFID-Transponder in diesem Frequenzbereich relativ unempfindlichen gegenüber Metall und Flüssigkeiten sind, wodurch Sie z.B. in der Tieridentifikation eingesetzt werden können.

High Frequency (HF 13,56 MHz)
Die HF-Frequenz kann universell eingesetzt werden und zeichnet sich durch hohe Übertragungsraten und hohe Taktfrequenzen aus. RFID-Transponder arbeiten auf der Frequenz HF 13,56 MHz – eine kurze Wellenlänge, für die nur wenigen Antennenwindungen erforderlich sind. Dadurch können die RFID-Transponderantennen kleiner und einfacher ausfallen. Es ist möglich, geätzte oder gedruckte Antenne zu verwenden. D.h. dass die Inlays (=Chip + Antenne) als Endlosfolien produziert werden können, was die Weiterverarbeitung in Richtung große Stückzahlen in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess erheblich vereinfacht.

Ultra High Frequency (UHF 860 – 950 MHz unterteilt in Teilbänder)
Diese Systeme haben sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und Reichweiten. Wegen der kürzeren Wellenlängen genügt als Antenne ein Dipol anstatt einer Spule, die Feldausbreitung genügt der Strahlenoptik, was eine gerichtete Ausbreitung ermöglicht. Auch UHF-Transponder werden überwiegend als eine Folienlage hergestellt, was die Verarbeitung in großer Stückzahl im Rolle-zu-Rolle-Prozess begünstigt. Der Einsatz einer Stützbatterie zur Energieversorgung (semi-passiver Transponder) ist in manchen Anwendungen aufgrund der ohnehin schon hohen Reichweiten sinnvoll, um die Reichweite noch zu erweitern. In diesem Zusammenhang muss auch erwähnt werden, dass gewisse Frequenzbereiche im Mikrowellenbereich noch nicht kostengünstig erschlossen sind aber auch örtlichen Zulassungsbeschränkungen unterliegen können. Beispielsweise ist der FCC UHF-Frequenzbereich um 915 MHz in Europa noch nicht zugelassen. Aktuell finden Diskussionen statt, einen Teil des Frequenzbereichs für RFID nutzbar zu machen. DER ETSI UHF-Frequenzbereich um 868 MHz wird nach wie vor für RFID bestehen bleiben.

Darstellung der Wellenausbreitung (elektrische und magnetische Wellen) im Nahfeld und Fernfeld

Definition des Nah- und Fernfeldbereiches

Lesereichweite von RFID-Transpondern

Close Coupling
Frequenzbereich: 1 Hz - 30 MHz
Reichweiten: 0 - 1 cm

Die RFID-Transponder müssen in ein Lesegerät eingesteckt werden bzw. ihre Position muss beim Lesen genau definiert sein. Durch die enge Kopplung können dem RFID-Transponder größere Energiemengen bereitgestellt werden, wobei zu beachten ist, das die übertragene Energie proportional zur Frequenz ansteigt. Die Datenübertragung zwischen RFID-Transponder und RFID-Lesegerät kann durch induktive oder kapazitive Kopplung erfolgen. Anwendungen, bei denen es auf höchste Sicherheit ankommt, werden durch dieses Verfahren realisiert.

Remote Coupling
Frequenzbereich: zwischen 100 und 135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz und 27,125 MHz
Reichweiten: bis zu 1 Meter

Datenübertragung wird bei allen Remote-Systemen durch induktive Kopplung erreicht. Zum Betrieb  des Chips reicht die übertragene Energie aus dem Magnetfeld des Lesegerätes aus, da die Energie-versorgung des RFID-Transponders passiv erfolgt.

Long Range
Frequenzbereich: Mikrowellenbereich
Reichweiten: 1 m - zu 10 m

Die Datenübertragung erfolgt durch das Backscatterverfahren, die Energieübertragung reicht aber lediglich für die Sendung eines Wake-up- oder Sleepsignal. Zur Versorgung des RFID-Transponderchips mit Energie und der Erhaltung der gespeicherten Daten wird eine Stützbatterie benötigt. Als Anwendungsgebiet wären Mautsysteme denkbar.

Lesereichweite und Kommunikationsmethode der verschiedenen Bereiche

Vorteile in der Anwendung

•    Jeder Chip verfügt über eine eindeutige und weltweit nur einmal vergebene Seriennummer (UID             bzw. TID). Das garantiert eine eindeutige Zuordenbarkeit auf Einzelproduktebene und eine                 vollständige Produktindividualisierung
 
•    Wiederbeschreibbarer Datenspeicher im Chip und dadurch flexibles Datenmanagement direkt           am Produkt. Die Informationen auf dem RFID-Datenträger können jederzeit geändert, gelöscht oder       ergänzt werden. Produkt-, Wartungs-, Produktions- oder Servicedaten sind direkt am Produkt                 verfügbar.

•    Die Sichtkontaktlose Kommunikation zwischen RFID-Transponder und Schreib-Lesesystem bietet             Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen durch die Anbringung an geschützten Stellen,           eine unsichtbare Integration in bestehende Produkte und eine vereinfachte Prozessoptimierung

•    Die hohe Geschwindigkeit  der Kommunikation kommen einer 100%igen Erstleserate bei                   Barcode gleich

•    Das gleichzeitige Lesen mehrerer RFID-Transponder in einem Arbeitsschritt (Pulkerfassung)                   beschleunigt Prozesse

Referenz-Projekte von smart-TEC

Mobile und moderne Schwingungsmessung bei FAG | smart-TEC | © smart-TEC GmbH & Co. KG

FAG

Schwingungsmessung
Dank RFID werden Messstellen auch mit mobilen Geräten eindeutig und schnell identifiziert. Damit wird eine frühzeitge Erkennung von Fehlern auch bei rotierenden Bauteilen wie Wälzlagern möglich.

 Inventarmanagement mit RFID-Transpondern | smart-TEC | © smart-TEC GmbH & Co. KG

Berliner Wasserbetriebe

Inventarisierung
Bei seinem Anlagen- und Inventarmanagement setzt das Unternehmen mit 60.000 Anlagegütern an über 300 Standorten auf RFID-Transponder – Seriennummer visualisiert als Barcode und in Klarschrift.

Vollautomatisierte Entsorgungslogistik mit RFID-Transpondern | smart-TEC | © smart-TEC GmbH & Co. KG

Karl Meyer Umweltdienste

Entsorgungslogistik
Für die vollautomatisierte Identifizierung, Wiegung, Entleerung und Reinigung von Müllboxen setzt das Unternehmen auf RFID-Transponder – gekapselt in einen sehr beständigen Epoxidharzverguss.

Franken Plastik

Servicemanagement
Als Gesamtlösung bietet FAG ein RFID-basiertes Wartungs- und Kontrollsystem an. Der spezielle RFID-Transponder ist zur Integration in neue Hinweisschilder sowie zur Nachrüstung geeignet.

Dokumentation von überwachungsbedürftigen Anlagen bei Daimler | smart-TEC | © smart-TEC GmbH & Co. KG

Daimler

Arbeitsschutz
Die Dokumentation von überwachungsbedürftigen Anlagen, in diesem Fall von Lastenaufnahmemitteln (LAM), im Sinne des Arbeitschutzes wird mit RFID-Technologie erheblich vereinfacht.