Theoretische Grundlagen der RFID-Technologie

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1 Theoretische Grundlagen der RFID-Technologie

2 Agenda Allgemeine Einführung Motivation für den Einsatz Historie Woher kommt die Technologie Wesentliche Entwicklungen Das RFID System Allgemein Transponder Reader Luftschnittstelle / Backend M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 2

3 Agenda Arbeitsweise Frequenzen Physik Standards Beispiele Bauformen Anschauungsobjekte Anwendungen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 3

4 Allgemeine Einführung Warum RFID? Einsatzmöglichkeiten vielfältig ermöglicht es Prozesse zu optimieren Einsparungen durch erreichte Automatismen Wettbewerbsvorteile erhöhte Prozesstransparenz Was macht RFID? automatische Identifikation von Objekten oder auch Personen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 4

5 Allgemeine Einführung: Identifikation Prinzipien mechanisch magnetisch elektronisch/ elektro-magnetisch optoelektronisch akustisch Nocke Blechfahne Kontakte Maße Magnetkarte Magnetband Transponder Chipkarte programmier-barer Speicher fester Speicher (PROM) Barcode OCR Reflexe Formen Farben Symbole Sprache Ultraschall M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 5

6 Allgemeine Einführung: AutoID Barcode OCR Biometrische Verfahren Auto-ID Chipkarte RFID M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 6

7 Allgemeine Einführung: AutoID Barcode Binärcode aus einem Feld von parallel angeordneten Strichen (engl. bars) und Trennlücken Optical Character Recognition Texterkennung oder auch optische Zeichenerkennung von einer gedruckten Vorlage Biometrische Verfahren Alle Verfahren, die Personen durch den Vergleich von unverwechselbaren und individuellen Körpermerkmalen identifizieren (z.b. Finger- und Handabdruckverfahren, Stimmenerkennung, Augen- und Netzhaut- Scan Chipkarten (Smartcards) Spezielle Kunststoffkarten mit integriertem Chip, der eine Hardware-Logik, einen Speicher oder auch einen Mikroprozessor enthält M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 7

8 Allgemeine Einführung: RFID R F ID Radio Frequency Identification M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 8

9 Historie Erste Ansätze Freund-/Feinderkennung im 2. Weltkrieg 60er Jahre erste Vorläufer von heutigen RFID Systemen, die sogenannte EAS (elektronische Artikelüberwachung) 70er Jahre Entwicklung von Transpondern im khz-bereich zur Kennzeichnung von Nutztieren, Kühen im Besonderen 80er Jahre Weiterentwicklung zu Systemen im MHz-Bereich Nutzung für Mautsysteme 90er Jahre Entwicklung von UHF-Systemen gegen ende der 90er Etablierung des EPC (elektronischer Produktcode) M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 9

10 Das RFID System M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 10

11 Das RFID System Besteht aus: Transponder Reader (Schreib- / Lesegerät) Luftschnittstelle Backend (Anwendungen / Datenbanken) Datenübertragung erfordert keinen direkten Kontakt oder Sichtkontakt Ermöglicht mehrere Dinge gleichzeitig zu erkennen Arbeitet in bestimmten Frequenzbereichen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 11

12 Das RFID System: Transponder Der Begriff Transponder ist eine Mischung aus Transmitter und Responder Alternative Begriffe sind Tag oder Label Ein Transponder besteht aus: Mikrochip Antenne Schutzhülle Enthält mindestens eindeutige Nummer zur Identifikation Kann zudem verschiedene Speichergrößen enthalten (je nach Art bis zu mehrere Kilobyte) Kann eine zusätzliche Energieversorgung besitzen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 12

13 Das RFID System: Transponder Ein Transponder kann dabei verschiedene Antennenformen besitzen. Zwei mögliche Varianten sind hier abgebildet. Quelle: Quelle: selbsterstellt Antenne in Spulenform Antenne als Dipol M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 13

14 Das RFID System: Transponder Sicherheitsmerkmale: Sperrung von Bereichen Passwort Verschlüsselung nach Initialisierung nur noch lesbar und nicht mehr zu beschreiben (WORM: write once read many) M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 14

15 Das RFID System: Transponder Mögliche Betriebsarten Passiv Ohne eigene Energieversorgung Energie zur Verarbeitung und Datenübertragung wird aus dem erzeugten Feld entnommen Semi aktiv Mit eigener Energieversorgung Energie für Verarbeitung über interne Versorgung Energie für Datenübertragung wird aus erzeugtem Feld entnommen Aktiv Mit eigener Energieversorgung Energie für Verarbeitung und Datenübertragung wird komplett aus interner Versorgung entnommen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 15

16 Das RFID System: Transponder Transponder arbeiten nach internationalen Standards Dadurch Anbieter unabhängig und übergreifend verwendbar HF ISO ISO UHF ISO C EPC Class 1 Generation 2 M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 16

17 Das RFID System: Reader Mit Reader wird im allgemeinen ein Schreib- / Lesegerät bezeichnet erzeugt ein elektromagnetisches Feld Notwendig um mit dem Transponder zu kommunizieren Arbeitet wie Transponder nach verschiedenen Standards Ist in der Regel an weiterverarbeitende Systeme angeschlossen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 17

18 Das RFID System: Reader Quelle: Quelle: Quelle: M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 18

19 Das RFID System: Luftschnittstelle Die sogenannte Luftschnittstelle bezeichnet den Zwischenraum zwischen Reader und Transponder Dabei bedeutet Luftschnittstelle nur, dass zwischen den Komponenten kein direkter Kontakt bestehen muss Raum zwischen Transponder und Reader kann mit anderen Materialien gefüllt sein. (Papier, Holz, Kleidung, Kunststoff, usw.) Material kann die Reichweite der Übertragung beeinflussen M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 19

20 Das RFID System: Backend Als Backend werden die Systeme und Anwendungen bezeichnet, die für die Verarbeitung der Daten zuständig sind Häufiger Einsatz von Datenbanken Darauf aufbauend verschiedene Client-Anwendungen Zur Überwachung Zur Rechtevergabe Zum Monitoring Zum Bestandsabgleich M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 20

21 Das RFID System: kurze Demonstration M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 21

22 RFID Frequenzen: Übersicht Quelle: Finkenzeller, Klaus: Das RFID Handbuch, Hanser Verlag M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 22

23 RFID Frequenzen: induktive Kopplung Reader sowie Transponder besitzen als Antenne eine Spule Reader erzeugt über Spule ein magnetisches Feld Feld regt in Transponder eine Induktion an Darüber wird Chip mit Energie versorgt RFID- Lesegerät E IC Datenübertragung: durch Lastwiderstand wird im Transponder die Leistungsaufnahme verändert Veränderung wird im Reader registriert und in Informationen umgewandelt M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 23

24 RFID Frequenzen: Low Frequency Low Frequency steht für niedrige Frequenz Systeme arbeiten häufig im Bereich von kHz Transponder sind passiv Reichweiten liegen bei wenigen Zentimetern Störeinflüsse bei diesen Frequenzen gering M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 24

25 RFID Frequenzen: High Frequency High Frequency steht für Hochfrequenz Arbeitsfrequenz 13,56MHz Transponder sind passiv Reichweiten sind je nach System bis zu 70cm bzw. im Gate bis 1,30m Störeinflüsse: Metall hat großen Einfluss andere Materialien beeinflussen unterschiedlich stark Ausrichtung der Spulen 90 zu einander M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 25

26 RFID Frequenzen: Elektromagnetische Wellen Im Unterschied zu induktiver Kopplung werden hier keine Magnetfelder, sondern elektromagnetische Wellen verwendet Reader und Transponder besitzen Dipol-Antennen Reader sendet Welle, die sich im Raum ausbreitet Transponder nimmt Energie der Welle über Antenne auf um Chip zu versorgen Datenübertragung: Sogenanntes Back-Scatter-Verfahren Transponder reflektiert Welle des Readers in unterschiedlicher Stärke Reader empfängt die zurückgestrahlte Energie und wandelt diese in Informationen um M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 26

27 RFID Frequenzen: UHF Ultra High Frequency steht für Ultrahochfrequenz Arbeitsfrequenz bei 868MHz in Europa (USA 915MHz / Japan MHz) Transponder können passiv oder aktiv sein Reichweiten: passiv mehrere Meter aktiv bis 100m Störeinflüsse Metalle und Flüssigkeiten beeinträchtigen stark Ausrichtung des Transponders zum Reader M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 27

28 RFID Frequenzen: Mikrowelle Frequenzen im GHz Bereich häufig 2,45GHz 5,8GHz werden bisher selten genutzt Transponder aktiv Reichweiten ähnlich aktiven UHF-Systemen Störeinflüsse ebenfalls wie UHF Metalle / Flüssigkeiten andere Funksysteme wie WLAN könnten Auswirkungen haben M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 28

29 Das RFID System: Transponder Zusammenfassung Passiv Aktiv Energieversorgung Elektromagnetisches Feld Batterie Nutzungsdauer theoretisch unbegrenzt Abhängig von der Lebensdauer der Batterie Preis niedrig hoch Speicherplatz gering bis mittel hoch Beschreibbarkeit einmalig oder mehrmals mehrmals Reichweite wenige Zentimeter bis um 1m bis zu 100m Lesegeschwindigkeit gering bis mittel mittel bis hoch M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 29

30 Bauformen: Anforderungen Schlagbeständigkeit Mechanisches Stabilität Hitzebeständigkeit Anwendung in metallischen Umgebungen Konkrete Größenvorgaben Elastizität Befestigungsart Sicherheitsanspruch usw. M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 30

31 Bauformen: Label / Folien Chipkarten Glasgehäuse Kunststoffgehäuse Münzen Uhren Schlüssel und Schlüsselanhänger Nägel Coil-on-Chip M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 31

32 Anwendungen Lagermanagement Echtzeitlokalisation Zugangskontrolle Zeiterfassung Wegfahrsperren Ticketing Automatische Ausleihe Werkzeugkontrolle M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 32

33 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit M.Eng. Sebastian Krautz Technische Hochschule Wildau Haus 16 Raum 1060 Tel.: M.Eng. Sebastian Krautz / sebastian.krautz@th-wildau.de 33