RAN Leitfaden AP4. RFID Equipment, Aufbau und Betrieb

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1 RAN Leitfaden AP4 RFID Equipment, Aufbau und Betrieb

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung Aufbau des Leitfadens Motivation Definition der Erfassungsklassen DeFInition der Objektklassen 17 2 Technik RFID Grundlagen Komponenten UHF Reader UHF Antennen Energieübertragung auf den passiven Transponder Maximale Eingangsleistung und Antennengewinn (ETSI) Funknormen (ETSI, FCC (Federal Communications Commission)) Regelungen für UHF Frequenzbereiche in Europa Regelungen für Frequenzbereiche nach EN (Short Range Device) Regelungen für UHF Frequenzbereiche in den USA Verhalten von elektromagnetischen Wellen im UHF Bereich Einfluss von Reflexionen und Interferenzen Reflexionen und Interferenzen Verbesserungsmöglichkeiten der Transponder Erkennung Einfluss von Metallen Einfluss von Flüssigkeiten und nichtmetallischen Stoffen Einfluss von FremdFunkkomponenten Transponder Technischer Aufbau RFID Transponder 27 RAN Leitfaden AP4 Seite 2 von 166

3 2.2.2 Speicheraufbau EPC Gen2 Transponder Daten Standards und Normen Kodierung nach EPCglobal Kodierung nach ISO Auswahlkriterien Bauform und Material Montageort Montageart Umgebungseigenschaften Schreib /Leseeigenschaften Software Phasen der RFID Datenverarbeitung Datenerfassung Datenfilterung Filterung aufgrund der Datenstruktur Filterung von durch Reflexionen verursachten Falschlesungen Datenaggregation Datenweitergabe Zentraler Controller Dezentraler Controller Optionale Datenpufferung 57 3 Objektklassen Objektklasse Frachtträger Objektklasse Ladungsträger (Fracht) Container Großladungsträger (GLT) 61 RAN Leitfaden AP4 Seite 3 von 166

4 3.2.3 Kleinladungsträger (KLT) Sonderladungsträger (SLT) Objektklasse Produkt Fahrzeuge Zulieferobjekt (Teile, Module, Komponenten) 64 4 Erfassungsklassen Erfassungsklasse 1 RFID Gate Definition Bestandteile Mechanischer Aufbau (optional) Linke/Rechte Seitenwange Überbau Zusätzlicher Schaltkasten Anfahrschutz Durchfahrtserkennung Lichtschranken Radar Sensoren Doppler Radarsensoren Infrarotsensoren Kamera Sensoren Varianten der Durchfahrtserkennung Anzeige Elemente Status Anzeige des Gates Akustische Signalmelder Anzeigen von ergänzenden Informationen Anzeige von Informationen im/am Flurfördezeug 83 RAN Leitfaden AP4 Seite 4 von 166

5 Sensoren zur Plausibilitäsprüfung Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 2 Single Readpoint Definition Einsatzbereich Aufbau Readpoint Lesebereiche Physikalische Abgrenzung Anzeige Trigger Lesen/Schreiben Daten Schreiben Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 3 Gabelstapler Definition Aufbau Komponenten Trigger Anforderungen RFID Hardware Allgemeine Anforderungen Vorgaben für RFID Antennen Staplerterminal Triggerung des Lesevorgangs Zu beachtende Normen und Standards IEC bzw. DIN EN Test Fc: Vibration (sinusoidal) IEC bzw. DIN EN Test Ea and guidance: Shock IEC bzw. DIN EN Test Eb and guidance: Bump 96 RAN Leitfaden AP4 Seite 5 von 166

6 4.3.5 Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 4 JIS RFID Gate Definition Praktische Umsetzung: Typischer Anwendungsfälle Prozessschritt Start of Line Schwingsitz /Starrsitz und Lehnenline Prozessschritt Hochzeit an Starrsitz und Schwingsitzline Prozessschritt Verpackungsplätze Komponenten Hardware und Umsetzbarkeit bei verschiedenen Ortungsmethoden Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 5 Mobile Ortung Definition Grundlagen Umsetzung Voraussetzungen Identifikationstechnik Lokalisierungstechnik Kommunikationstechnik Weitere Sensortechnik Signalverarbeitung Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 6 Permanente Ortung Definition Grundlagen Logische Architektur Ebenen Umsetzung Hardware 114 RAN Leitfaden AP4 Seite 6 von 166

7 Software Lokalisierungssoftware Schnittstelle Datenweitergabe Capturing Application Vorgehen IM Projekt Analyse der Situation Konzeption Implementierung Durchführung von Lokalisierungstests Zielstellung Durchführungsbeschreibung Ergebnis Erfassungsklasse 7 RFID Drucker Definition Grundlagen Eigenschaften von RFID Drucker Komponenten eines RFID Druckers Der Aufbau von druckbaren Transpondern Funktionsweise eines RFID Druckers Auswahl des DruckverfahrenS Thermotransfer Druckverfahren Thermodirekt Druckverfahren Druckkopf Nach dem Druck Schnittstellen Druckersysteme 128 RAN Leitfaden AP4 Seite 7 von 166

8 Bestandteile Druckerclient Druckerserver Drucker Druckersystem Architektur Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 8 Handerfassungsgerät Definition Gruppierungen Hardware Software Online offline Online Varianten Online Variante 1a Online Variante 1b Online Variante 1c Online Variante 2a Online Variante 2b Offline Praktische Anforderungen in Form einer Checkliste Bedienung Praktische Anforderungen an die Software Geräteeigenschaften Datenweitergabe Capturing Application Erfassungsklasse 9 Regal Definition 140 RAN Leitfaden AP4 Seite 8 von 166

9 4.9.2 Hardware Datenweitergabe Capturing Application Anhang Abkürzungsverzeichnis Grundlagen: Methoden zur Ortung per Funk Eigenschaften von Ortungssystemen Algorithmen zur Ortung per Funk Methoden zur Ortung Distanzbestimmung Signallaufzeit Winkelbestimung Technologien zur Ortung per Funk Methoden und Technologien zur Ortung ohne Funk Capturing Application Uhrzeitsynchronisation und Zeitstempelung Literaturverzeichnis 165 RAN Leitfaden AP4 Seite 9 von 166

10 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 1: Zirkulare Polarisation Abbildung 2: Exemplarische Feldabstrahlung einer RFID Antenne Abbildung 3: Beispielhafte Verwendung der verschiedenen Komponenten bei einer LKW Ausfahrt. Bulk Lesen der Fahrzeug Transponder (Opel/BIBA) Abbildung 4: UHF Frequenzen in den unterschiedlichen Weltregionen (vgl. Gillert, S.109) Abbildung 5: Kanalbelegung ETSI Abbildung 6: Kanalbelegung FCC Abbildung 7: RFID Transponder Aufbau Abbildung 8: Aufbau Speicherbänke eines EPC Gen2 Transponders (siehe 28 Abbildung 9: Aufbau der Speicherbank 01 eines EPC Gen2 Transponders (siehe 29 Abbildung 10: GS1 Primäridente (siehe 30 Abbildung 11: Aufbau des EPC am Beispiel der Artikelnummer (siehe 31 Abbildung 12: DUNS Codierschema für RTIs (vgl. Verband der Automobilindustrie e.v. (VDA) 2008a) Abbildung 13: Unterscheidungsmerkmale Abbildung 14: Integrierter Transponder Abbildung 15: Transponderdifferenzierung Abbildung 16: Prototypisches Befestigen des Transponders am Aufprallbegrenzer mittels eines doppelseitigen Klebebandes (Opel) Abbildung 17: Übersicht der Montagearten Abbildung 18: Geklebter Transponder (BMW) Abbildung 19: Genieteter Transponder (BMW) Abbildung 20: Ex Schutz Logo Abbildung 21: Umwelteinflüsse Abbildung 22: Unterscheidung ob Speicher notwendig ist (ja/nein) Abbildung 23: Kommunikationsschnittstellen der Erfassungsklasse (InfoBroker) RAN Leitfaden AP4 Seite 10 von 166

11 Abbildung 24: Prozess der RFID Datenverarbeitung Abbildung 25: Beispiel für Filterung von Fremd RFID Transpondern Abbildung 26: Zentraler Controller im Anlagen Netzwerk Abbildung 27: Zentraler Controller mit eigenem internen Netzwerk Abbildung 28: Dezentraler Controller Abbildung 29: Lokale Datenpufferung bei einem dezentralen Controller Abbildung 30: Flussdiagramm zur lokalen Datenpufferung Abbildung 31: Anordnung der Objektklassen Abbildung 32: Container nach ISO 668 (siehe Wikipedia) Abbildung 33: Metall Gitterbox Abbildung 34: Europalette mit Transponder Abbildung 35: Kunststoff Palette Abbildung 36: KLT ohne Deckel Abbildung 37: Falt KLT Abbildung 38: KLT mit Deckel Abbildung 39: Voll Metall Behälter Komponenten für 3er BMW Abbildung 40: Ladungsträger für Motoren bei BMW Abbildung 41: Sonderladungsträger im CKD Versand (siehe BLG Logistics) Abbildung 42: Gate Aufbau mit einfachem Überbau Abbildung 43: Gate Aufbau mit abschirmenden Überbau Abbildung 44: Aufbau eines RFID Gates mit Seitenwangen (Draufsicht) Abbildung 45: Seitenwange mit Tür zum schnellen Austausch von Komponenten Abbildung 46: Einfacher Überbau ohne HF Abschirmmaßnahmen Abbildung 47: Überbau mit zwei C Profilen und HF Abschirmmaßnahmen Abbildung 48: Schrammboard RAN Leitfaden AP4 Seite 11 von 166

12 Abbildung 49: Beispielhafter Schutz für alle vier Ecken Abbildung 50: Beispielhafter Schutz für zwei Ecken Abbildung 51: Funktionsweise einer Lichtschranke Abbildung 52: Sensoreigenschaften einer Lichtschranke Abbildung 53: Funktionsweise eines Radarsensors Abbildung 54: Funktionsweise eines Infrarotsensors Abbildung 55: Infrarotsensoreigenschaften Abbildung 56: Funktionsweise eines Kamerasensors Abbildung 57: Ungerichtete Durchfahrtserkennung Abbildung 58: Gerichtete Durchfahrtserkennung Abbildung 59: Flussdiagramm einer ungerichteten Durchfahrtserkennung Abbildung 60: Standard Anzeige Abbildung 61: Beispielhafte Anbringungsorte der Antennen Abbildung 62: Draufsicht (in Fahrtrichtung linke Hälfte) Abbildung 63: Staplerterminal Abbildung 64: Staplerterminal als zentrale Verarbeitungseinheit Abbildung 65: Staplerterminal als reine Anzeige Abbildung 66: Beispiel eines Sitzunterbaugestells und eines Lehnengestells Abbildung 67: Beispiel eines Verpackungsgestells Abbildung 68: Beispielausführung des JIS Gates unter Verwendung von UHF Nahfeldantennen Abbildung 69: Beispielausführung der Datenweitergabe Abbildung 70: Phasen der Datenverarbeitung Abbildung 71: Ebenen der logischen Architektur Abbildung 72: Prozess der RFID Ortungs Datenverarbeitung Abbildung 73: Versuchsaufbau RAN Leitfaden AP4 Seite 12 von 166

13 Abbildung 74: RFID Transponder mit zusätzlichem DataMatrix Code Abbildung 75: RFID Etikettendrucker Aufbau (vgl. EPO European Publication Server, o.j.) Abbildung 76: Querschnitt eines RFID Transponders (vgl. Schreiner LogiData, o.j.) Abbildung 77: Thermotransfer Druckermodell (vgl. B&M, o.j.) Abbildung 78: Funktionsweise Thermotransferdrucker (vgl GSK, o.j.) Abbildung 79: Thermodirekt Druckermodell Abbildung 80: Funktionsweise Thermodirektdrucker Abbildung 81: Mögliche Druckerarchitektur Abbildung 82: Komponentenverteilung bei Online Variante 1a Abbildung 83: Komponentenübersicht Online Variante 1b Abbildung 84: Komponentenkonfiguration Online Variante 1c Abbildung 85: Komponentenkonfiguration Online Variante 2a Abbildung 86: Komponentenkonfiguration Online Variante 2b Abbildung 87: Komponentenkonfiguration Offline Abbildung 88: Beispielausführung eines CoO basierten RFID Regals Abbildung 89: Beispielausführung eines AoA basierten RFID Regals Abbildung 90: Beispielausführung eines ToA basierten RFID Regals Abbildung 91: Trilateration Abbildung 92: Radio Map durch Messung des RSSI Abbildung 93: Strahlungsausbreitung im freien Raum Abbildung 94: Time of Arrival (ToA) Abbildung 95: Time Difference of Arrival (TDoA) Abbildung 96: Round Trip Time of Flight (RToF) Abbildung 97: Segmentantenne zur Winkelbestimmung Abbildung 98: Erforderliche Schritte zur Anreicherung von RFID Rohdaten RAN Leitfaden AP4 Seite 13 von 166

14 TABELLENVERZEICHNIS Tabelle 1: Vor und Nachteile der Montagearten Tabelle 2: Umgebungseinflüsse und Belastungen (siehe Gillert, S.163) Tabelle 3: Speicherbank 00 (Kill und Access Passwort) Tabelle 4: Speicherbänke 01 (UII) und 11 (Anwendungsspeicher) Tabelle 5: Farbanordnung gemäß IEC Tabelle 6: Beispiele für den Gabelstapler Triggerprozess Tabelle 7: Objekteigenschaften (Gross & Thiesse 2005) RAN Leitfaden AP4 Seite 14 von 166

15 1 EINLEITUNG Der vorliegende Leitfaden ist im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Konsortialprojekts RFID based Automotive Network (RAN) entwickelt worden. Ziel dieses Leitfadens ist die Vermittlung grundlegender Kenntnisse im Bereich der Radio Frequency Identification (RFID) Technik sowie Empfehlungen zu deren Einsatz im Rahmen einer Teilnahme am RAN Netzwerk. Inhaltlich basiert der Leitfaden zum einen auf der allgemeinen Fachliteratur, welche im Text als Quellenangabe angegeben ist. Zum anderen basiert der Inhalt auf den Praxiserfahrungen der RAN Partner im Bereich der RFID Technik. Entsprechend der Ausrichtung des RAN Projekts betrachtet dieser Leitfaden die RFID Technik im Ultra High Frequency (UHF) Frequenzbereich unter Verwendung von passiven Transpondern (vgl. GS1 EPC Global 2008). Grund für die Fokussierung des RAN Projekts auf den UHF Frequenzbereich ist, dass sich dieser für die Anwendung in allen Szenarien in den globalen automobilen Supply Chains eignet. Dies liegt vor allem an der variablen Lesereichweite, von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Darüber hinaus sind die Standards für UHF RFID weltweit gültig. Auch hinsichtlich der Codestrukturen gibt es bereits weltweite Standards, wie Electronic Product Code (EPC) oder International Standardization Organisation (ISO). 1.1 AUFBAU DES LEITFADENS Im Folgenden wird der grobe Aufbau des vorliegenden Leitfadens beschrieben. Zu Beginn wird in Kapitel 1.2 die Motivation für die Erstellung dieses Leitfadens geschildert. Im anschließenden Kapitel 1.3 wird der Kern des Leitfadens, die in RAN erarbeiteten Erfassungsklassen, definiert. Nach der Einleitung werden im Kapitel 2 die Grundlagen der RFID Technik erläutert. Hierbei wird in Kapitel 2.1 auf die allgemeinen RFID Grundlagen eingegangen. Diesem Kapitel schließen sich in Kapitel 2.2 die Ausführungen zur Transponder Technik an. Die Anbindung der RFID Systeme an die Informationstechnik (IT) Infrastruktur der Unternehmen wird in Kapitel 2.3 beschrieben. In Kapitel 3 werden die verschiedenen Objektklassen erläutert, welche mit RFID identifiziert werden können. Eine einleitende Definition des Begriffs Objektklassen ist zudem in Kapitel 1.4 zu finden. Die im Kapitel 4 beschriebenen Erfassungsklassen bilden den Kern dieses Dokuments. Zur Einführung in die Erfassungsklassen werden diese in Kapitel 1.3 kurz vorgestellt. Weitergehende Informationen zu Ortungsmethoden, der Anbindung an den im RAN Projekt entwickelten InfoBroker mittels Capturing Application und zur Uhrzeitsynchronisation werden im Kapitel 5.4 erläutert. 1.2 MOTIVATION Mit Hilfe des Leitfadens soll der Leser in die Grundlagen der RFID Technik eingeführt werden. Hierdurch kann er die für ein erfolgreiches Projektmanagement bei der RAN Integration notwendigen Kenntnisse erlangen. Für Personen, welche mit der RFID Implementierung betraut sind, empfiehlt sich darüber hinaus eine tiefergehende Studie der angegebenen Fachliteratur. RAN Leitfaden AP4 Seite 15 von 166

16 Eine weitere Aufgabe des Leitfadens ist es, Hilfestellung bei der Auswahl der richtigen RFID Technik zu geben. Dies wird über die dargestellten RAN Erfassungsklassen ermöglicht, welche aufbauend auf den Erfahrungen der Projektpartner im RAN Projekt generiert wurden und Möglichkeiten der RFID Implementierung für die verschiedenen Anwendungsbereiche aufzeigen. Zur Unterstützung bei der Auswahl des richtigen Transponders und dessen Anbringungsort dienen die ausgearbeiteten Objektklassen. 1.3 DEFINITION DER ERFASSUNGSKLASSEN In diesem Kapitel werden die RAN Erfassungsklassen kurz vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Strukturierung von RFID Anwendungen, welche über reine Geräteklassen (RFID Reader) hinausgehend sich an den RFID spezifischen Bedürfnissen der in RAN zugrunde liegenden Use Cases und damit auch weitmöglich an den Bedürfnissen der Automobilbranche orientiert Die verschiedenen Erfassungsklassen können als Entscheidungsgrundlage dienen, um die für den konkreten Anwendungsfall passende RFID Anwendung auszuwählen. Die einzelnen Erfassungsklassen geben auch dem fachfremden Leser die Möglichkeit, die dargestellten RFID Anwendungen zu verstehen und dienen als Informationsgrundlage bei der Umsetzung und dem Einsatz der RFID Anwendung. Nachfolgend ist ein kurzer Überblick über die einzelnen Erfassungsklassen gegeben, sodass auf Basis der individuellen Prozesskenntnis abgeleitet werden kann, welche Erfassungsklassen in Kapitel 4 intensiver betrachtet werden sollten. Folgende Erfassungsklassen stehen zur Verfügung: Erfassungsklasse 1: RFID Gate (Kapitel 4.1) Erfassung von Objekten, welche durch einen abgegrenzten Bereich bewegt werden (z.b. Verladetor) Erfassungsklasse 2: Single Readpoint (Kapitel 4.2) Erfassung genau eines Objektes (z.b. Motorenfertigung) Erfassungsklasse 3: Gabelstapler (Kapitel 4.3) RFID Applikation auf Gabelstapler montiert Erfassungsklasse 4: JIS Gate (Kapitel 4.4) Erfassung von Objekten in einem abgegrenzten Bereich, wobei auch die Position eines einzelnen Objektes ermittelt wird (vgl. RFID Gate) Erfassungsklasse 5: Mobile Ortung (Kapitel 4.5) Erfassung eines Objektes per RFID inkl. Positionsermittlung; die Erfassung findet nur temporär statt Erfassungsklasse 6: Permanente Ortung (Kapitel 4.6) Erfassung eines Objektes per RFID inkl. Positionsermittlung; die Erfassung findet permanent statt Erfassungsklasse 7: RFID Drucker (Kapitel 4.7) Kombination von Drucker und RFID Schreib /Lese Einheit Erfassungsklasse 8: Handerfassungsgerät (Kapitel 4.8) Erfassung eines Objektes per RFID mit einem manuell zu führenden mobilen RFID Erfassungsgerät Erfassungsklasse 9: Regal (Kapitel 4.9) Erfassung von Einlager bzw. Auslagervorgängen an einem mit RFID Technik ausgestatteten Regal Darüber hinaus wird eine Strukturierung möglicher Objektklassen in Kapitel 3 beschrieben. RAN Leitfaden AP4 Seite 16 von 166

17 1.4 DEFINITION DER OBJEKTKLASSEN Unter Objektklassen wird eine Strukturierung von Objekten verstanden, welche zum einen mit RFID Transpondern ausgestattet, mittels der Erfassungsklassen gelesen bzw. beschrieben werden können, und zum anderen im Umfeld von RAN, z.b. für den RAN InfoBroker, von Bedeutung sind. RAN Leitfaden AP4 Seite 17 von 166

18 2 TECHNIK Im folgenden Kapitel wird auf die grundlegenden technischen Grundlagen genauer eingegangen. Ziel ist es vor allem, dem weniger Erfahrenen in komprimierter Weise das Thema RFID näher zu bringen. 2.1 RFID GRUNDLAGEN RFID steht für Radio Frequency Identification, also der Erfassung von Objektdaten mittels der Funktechnologie. Der RFID Reader erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, dem der RFID Transponder ausgesetzt wird. Die von ihm über die Antenne aufgenommene Hochfrequenzenergie wird zum Betreiben des Chips und zum Senden von Daten verwendet. Aktive Transponder verfügen über eine interne Batterie für die Energieversorgung. Halb aktive Transponder hingegen besitzen eine interne Batterie für die Versorgung des Mikrochips. Die Energie für die Kommunikation wird vom Feld entnommen. Der aktivierte Mikrochip im RFID Transponder decodiert die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Der Datenaustausch findet durch Lastmodulation des eingestrahlten elektromagnetischen Feldes oder durch gegenphasige Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes statt. High Frequency (HF) Transponder arbeiten im elektromagnetischen Nahfeld, in dem das Magnetfeld die Energie trägt. UHF Transponder arbeiten zum Übermitteln der Antwort hauptsächlich im elektromagnetischen Fernfeld. Dieses Verfahren nennt man modulierte Rückstreuung (Backscattering). Die Antennen sind meist lineare, gefaltete oder spiralige Dipole. Anmerkung: Man spricht im Allgemeinen vom RFID Reader bzw. RFID Lesegerät. Diese können jedoch in den meisten Fällen auch Daten schreiben KOMPONENTEN UHF READER UHF Reader haben die folgenden Aufgaben: Auslesen bzw. beschreiben des Transponders Deaktivieren des RFID Transponders mit Hilfe eines Kill Befehls Herstellung der Kommunikation zu den angeschlossenen Informationssystemen Ausführen der an das Gerät gesendeten Steuerbefehle UHF Reader gibt es in mobiler und in stationärer Ausführung. Die Entscheidung für eine dieser Varianten wird von mehreren Kriterien beeinflusst. Diese sind, neben dem Bedarf des mobilen ( Leser kommt zum Objekt ) oder stationären Einsatzes ( Objekt kommt zum Leser ), auch Dinge wie die Lesedistanz, die Anzahl der RFID Transponder im Feld, etc. All diese Kriterien haben einen direkten Einfluss auf den zu wählenden Gerätetyp. Um mit dem Lesegerät zu kommunizieren wird eine der zahlreichen Schnittstellen wie z.b. RS 232, RS 422, Local Area Network (LAN) oder USB (Universal Serial Bus) verwendet. RAN Leitfaden AP4 Seite 18 von 166

19 Der UHF Reader muss den länderspezifischen Regularien genügen (vgl. Kapitel 2.1.4), da er sonst nicht eingesetzt werden darf. Die Schutzklasse der auf dem Markt erhältlichen Reader ist sehr unterschiedlich. Es ist daher darauf zu achten, dass er die für den jeweiligen Einsatzzweck geforderte Schutzklasse erfüllt (wichtig vor allem für den Einsatz im Außenbereich). Das gleiche gilt für den Temperaturbereich. Die Sendeleistung des RFID Readers sollte auf ein Minimum beschränkt werden (ohne dass das Leseergebnis negativ beeinflusst wird), um sowohl die Reflexionen als auch die elektromagnetische Strahlung zu minimieren UHF ANTENNEN Bei den UHF Antennen ist darauf zu achten, dass sie für die eingesetzten länderspezifischen Frequenzbereiche geeignet sind. Der Einsatzfrequenzbereich ist im Datenblatt hinterlegt. Es ist weiterhin darauf zu achten, dass diese die für den jeweiligen Einsatzzweck geforderte Schutzklasse besitzen (wichtig vor allem für den Einsatz im Außenbereich). Das gleiche gilt für den Temperaturbereich. Antennen können entweder linear oder zirkular polarisiert aufgebaut sein. Zirkular polarisierte Antennen werden dann eingesetzt, wenn die RFID Transponder in allen Ausrichtungen erfasst werden müssen. Im Gegensatz dazu werden linear polarisierte Antennen eingesetzt, wenn alle zu erfassenden Transponder gleich ausgerichtet sind. Diese haben den Vorteil, dass sie gegenüber den zirkular polarisierten Antennen deutlich weniger anfällig gegenüber Reflexionen sind. Desweitern ist bei optimaler Ausrichtung eine größere Reichweite möglich. In folgender Abbildung ist die zirkulare Polarisation veranschaulicht. Abbildung 1: Zirkulare Polarisation Die Feldabstrahlung einer marktüblichen RFID Antenne zeigt, dass nicht nur in der Vorzugsrichtung Hauptfeld (nach vorne und begrenztem Abstrahlwinkel) Energie abgestrahlt wird. Es wird auch nach hinten und außerhalb des Abstrahlwinkels Nebenfeld Energie abgestrahlt, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist. RAN Leitfaden AP4 Seite 19 von 166

20 Abbildung 2: Exemplarische Feldabstrahlung einer RFID Antenne Dieses Feld ermöglicht das Lesen von RFID Transpondern im hinteren und seitlichen Bereich der Antenne. Dieser Effekt muss bei der praktischen Verwendung berücksichtigt werden, da auch Transponder außerhalb des Hauptfeldes erfasst werden können. Dieses ist aber nicht immer erwünscht. Abbildung 3: Beispielhafte Verwendung der verschiedenen Komponenten bei einer LKW Ausfahrt. Bulk Lesen der Fahrzeug Transponder (Opel/BIBA) RAN Leitfaden AP4 Seite 20 von 166

21 2.1.2 ENERGIEÜBERTRAGUNG AUF DEN PASSIVEN TRANSPONDER Die Aufnahme der Energie durch den Transponder bzw. die Kommunikation erfolgt üblicherweise mit Hilfe von Dipol Antennen (Far Field). Es kann aber auch mittels Loop Antenne (Near Field) in Form induktiver Kopplung Energie übertragen werden. Bei UHF Transpondern ist häufig eine Kombination vorzufinden, welche beide Technologien ermöglicht. Hierzu sind folgende Unterscheidungsmerkmale zu nennen. Far Field Technologie Zur Unterscheidung von der Near Field Technologie arbeitet die Far Field Technlogie in einem Entfernungsbereich, der größer als die abgestrahlte Wellenlänge des Lesegeräts ist, mittels Dipolantennen. Near Field Technologie Als Near Field Technologie bezeichnet man eine RFID Technologie, die auf induktiver Kopplung beruht und mit einem Leseabstand im Bereich von Zentimetern wirkt. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung von Transponder zum Objekt (beispielsweise bei der Initialisierung von Transpondern). Die Transponderantennen Bauform kann entsprechend klein ausfallen MAXIMALE EINGANGSLEISTUNG UND ANTENNENGEWINN (ETSI) Antennen fallen (in Verbindung mit RFID Readern und anderen funkenden Geräten) unter die Radio & Telekommunikationendeinrichtungs Richtlinie (R&TTE Directive) der EU (1999/5/EG). Eine Folge dieser Tatsache ist, dass verschiedene Normen zur maximalen Ausgangsleistung von Funksystemen (wie z.b. RFID Systeme) eingehalten werden müssen. Für den UHF Bereich ist hier die europäische Norm (EN) ETSI (European Telecommunications Standards Institute) in der jeweils gültigen Fassung von besonderer Bedeutung. Diese sieht je nach Antennen Typ für UHF Systeme unterschiedliche Leistungsgrenzen abhängig vom Antennen Öffnungswinkel vor. Die angegebenen Leistungswerte beziehen sich dabei auf die abgestrahlte Leistung des RFID Systems (Effective Radiated Power (ERP)). Diese ist zum einen abhängig von der abgegebenen Leistung des RFID Readers, von den Verlusten im Kabel sowie vom Antennen Gewinn, da dieser ein Maß dafür ist, wie stark die Antenne die Energie bündelt. RAN Leitfaden AP4 Seite 21 von 166

22 2.1.4 FUNKNORMEN (ETSI, FCC (FEDERAL COMMUNICATIONS COMMISSION)) Der Frequenzbereich ist weltweit nicht einheitlich geregelt. Je nach Region und Land sind verschiedene UHF RFID Frequenzbänder freigegeben. In folgender Abbildung sind freigegebene UHF Frequenzen unterschiedlicher Weltregionen dargestellt. Abbildung 4: UHF Frequenzen in den unterschiedlichen Weltregionen (vgl. Gillert, S.109) Bei der regionsübergreifenden Verwendung von RFID Transpondern muss darauf geachtet werden, dass diese entsprechend dem spezifizierten Einsatz in allen erforderlichen Regionen ausreichend sicher erfasst und soweit erforderlich auch ausreichend beschrieben werden können. Grundsätzlich können aber alle RFID Transponder in allen Regionen erfasst werden. Weltweit agierende Unternehmen müssen die regionalen Funkstandards beachten. Die Nutzung von Radiowellen wird jedoch auf nationaler Ebene geregelt, d.h. Frequenzen, die in einer Region oder einem Land verfügbar sind, stehen unter Umständen in einer anderen Region oder einem Land nicht mehr zur Verfügung. Nicht alle Länder verwenden dieselben Frequenzen. Einzelne nationale Regierungen regulieren zudem die Leistungsgrenzen. RAN Leitfaden AP4 Seite 22 von 166

23 REGELUNGEN FÜR UHF FREQUENZBEREICHE IN EUROPA Im Folgenden werden die wichtigsten Regelungen für das Betreiben von UHF RFID Readern in Europa aufgelistet. Innerhalb des für Europa definierten Frequenzspektrums sind vier exklusive RFID Kanäle definiert. Das Verfahren "Listen Before Talk" muss nicht mehr angewendet werden. Das hat den Vorteil, dass viele RFID Reader zeitgleich betrieben werden können. REGELUNGEN FÜR FREQUENZBEREICHE NACH EN V1.2.1 Festlegungen nach der europäischen Norm EN UHF Band: Megahertz (MHz) Strahlungsleistung: max. 2 Watt (ERP) Kanalbandbreite: 200 khz, Kanalabstand 600 khz Anzahl Kanäle: 4 o 865,7 o 866,3 o 866,9 o 867,5 Abbildung 5: Kanalbelegung ETSI Hinweis: Diese Regelung kann sich ändern, daher wurde hier explizit die ETSI Norm V1.2.1 beschrieben REGELUNGEN FÜR FREQUENZBEREICHE NACH EN (SHORT RANGE DEVICE) EN (SHORT RANGE DEVICE) Frequenzband, zugewiesen: 869,4 869,65 MHz Benutzte Frequenz: 869,50 MHz Sendeleistung max.: 0,5 Watt ERP Duty Cycle (Frequenzbelegungsdauer): 10% (6 min pro Stunde) Für Länder, in denen die RFID Verordnung nach EN noch nicht umgesetzt ist (z.b. afrikanischen Länder), existiert diese Alternative basierend auf der älteren Short Range Device Verordnung. RAN Leitfaden AP4 Seite 23 von 166

24 REGELUNGEN FÜR UHF FREQUENZBEREICHE IN DEN USA FCC UHF Band: MHz Strahlungsleistung: max. 4 Watt (EIRP) Anzahl Kanäle: 50 Frequenzhopping Abbildung 6: Kanalbelegung FCC FREQUENZHOPPING Dieses Verfahren soll verhindern, dass sich Reader gegenseitig beeinflussen. Der Reader wechselt dazu in einer zufälligen oder programmierten Sequenz seinen Sendekanal (FHSS). Bei 50 vorhandenen Kanälen ist die Wahrscheinlichkeit niedrig, dass zwei Reader auf derselben Frequenz arbeiten VERHALTEN VON ELEKTROMAGNETISCHEN WELLEN IM UHF BEREICH EINFLUSS VON REFLEXIONEN UND INTERFERENZEN REFLEXIONEN UND INTERFERENZEN Elektromagnetische Wellen im UHF Bereich verhalten und verbreiten sich ähnlich wie Lichtwellen, d.h. je größer die Entfernung, desto kleiner wird die verbleibende Feldenergie (Freiraumdämpfung). Objekte aus leitfähigen Materialien wie Betondecken, Wände sowie Metallschränke reflektieren elektromagnetische Wellen. Dadurch interferieren hinlaufende und reflektierte Welle miteinander. Aufgrund der Überlagerung von elektromagnetischen Wellen können Interferenzen zu Wellen Verstärkungen führen, was eine erhöhte Lesereichweite zur Folge haben kann. Im ungünstigen Fall können Interferenzen auch zu Wellen Auslöschungen und damit zu Leselöchern führen. Reflexionen können unter Umständen auch vorteilhaft sein, wenn sie bewirken, dass die elektromagnetischen Wellen gewissermaßen um Objekte herumgeführt werden. RAN Leitfaden AP4 Seite 24 von 166

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