RADIO-FREQUENCY IDENTIFICATION

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1 RADIO-FREQUENCY IDENTIFICATION (1) Embedded Systems Sommersemester 2017 Andreas Heinz (1)

2 Themen 1. Einleitung 2. Allgemeines 3. Historie 4. Technik 5. Auswahlkriterien 6. Standards 7. NFC

3 1. Einleitung (1) (1) 1/22

4 2. Allgemeines RFID = Radio-Frequency Identification Kontaktlose, automatische Identifizierung: Identifikation durch Seriennummer in Transponder Lesegerät zum Auslesen Kopplung durch vom Lesegerät erzeugte Felder Vorteile: (1) ggü. Barcode: Sichtverbindung notwendig, Datenmenge gering ggü. Chipkarte: Direkter Kontakt (dadurch: Kratzer / Verschleiß), Richtung, Lesegeschwindigkeit (1) Aus RFID Handbuch, Finkenzeller: Tabelle 1.2 Vergleich verschiedener Identifikationssysteme (S. 8) 2/22

5 3. Historie (1) Vorläufer: System zur Freund/Feind-Erkennung im 2. Weltkrieg Transponder in Panzern und Flugzeugen Angreifen oder nicht? Harry Stockman ( ) gilt als Erfinder Veröffentlichung 1948: Reflected Power Communication (Kommunikation durch rückgestrahlte Trägerwellen) Siemens Car Identification (Ende der 1960er Jahre) Identifikation von Eisenbahnwagen Erste elektromagnetisch abfragbare Transponder 3/22

6 3. Historie (2) Heute: Diebstahlsicherung Tierkennzeichnung Mautsysteme Ski-Pässe Elektronische Schlösser Mein Projekt! (2) (1) RFID Reader RedBear Duo (3) (1) (2) (3) 4/22

7 4. Technik Transponder Reader Funktionsweise Energieversorgung Frequenzbereiche Kopplung Datenübertragung Vielfachzugriffsverfahren Datenstrom

8 4.1 Transponder Transponder = Transmitter und Responder ( Kofferwort ) Sammelbegriff für Datenträger mit Antenne und Speicher (1) (1) (2) Disks, Münzen, Armbänder Tierchips Schlüsselanhänger (1,4 x 8 mm) Geringer Platzbedarf, verschiedene Bauformen möglich, verstecktes Anbringen von Tags, (1) (2) 5/22

9 4.2 Reader Schnittstelle zwischen Anwendung auf Host und Transpondern Aufgaben: Steuerung der Kommunikation mit dem Transponder Kommunikation mit überlagertem Host (1) (2) (3) (1) (2) (3) Eigenes Bild: Hochschule RheinMain, Gebäude C, Raum 305 6/22

10 4.3 Funktionsweise Elektromagnetisches Feld (1) Aus RFID-Handbuch, Finkenzeller: Grundbestandteile jedes RFID-Systems (S. 7, Abb. 1.6) 7/22

11 4.4 Energieversorgung Transponder benötigen Energie Betrieb des Mikrochips Senden von Daten zum Lesegerät Unterscheidung: Passive RFID-Transponder Benutzen nur die Energie des erzeugten Feldes Aktive RFID-Transponder Interne Batterie Semi-aktive RFID-Transponder: Versorgen Mikrochip mit interner Batterie Nutzen Energie des Feldes zur Datenübertragung 8/22

12 Datenübertragungsrate 4.5 Frequenzbereiche Nutzung lizenzfreier ISM-Frequenzbänder (ISM = Industrial, Scientific, Medical) Internationale und EU-Standards Frequenz Bereich ISM-Frequenzband Anwendung Langwelle (LF) Kurzwelle (HF) Dezimeterwellen (UHF) Mikrowellen (SHF) khz 135 khz Tier-Identifizierung, Zugangskontrolle MHz 13,56 MHz Objektidentifikation von Waren 0,3 3 GHz 868 MHz / 915 MHz (Europa / USA) > 3 GHz 2,45 GHz / 5,8 GHz Lager- und Logistikbereich Fahrzeug- Identifizierung (1) 9/22

13 4.6 Kopplung Frequenz Kopplung Übertragung Datenübertragung 135 khz Induktive Kopplung Spule Lastmodulation 13,56 MHz 868 MHz Elektromagnetische Antenne Backscatter 5,8 GHz Kopplung Induktive Kopplung: Qi (Aussprache: [ˈt ʃiː]) chinesisch, zu Deutsch: Energie Drahtlose Energieübertragung Erstmals im Samsung Galaxy S III (2012) 10/22

14 4.7 Datenübertragung 2 Phasen: Erkennung des Empfängers Datenübertragung Lastmodulation Entzieht Energie aus dem Feld Steuern von Spannungsänderungen durch Daten 0 und 1 Backscatter Übertragung durch Rückstrahlung (1) 11/22

15 4.7 Datenübertragung 2 Phasen: Erkennung des Empfängers Datenübertragung Lastmodulation Entzieht Energie aus dem Feld Steuern von Spannungsänderungen durch Daten 0 und 1 Backscatter Übertragung durch Rückstrahlung (1) Beispiel: RADAR (1) 11/22

16 4.8 Vielfachzugriffsverfahren Verfahren für gleichzeitige Erkennung von mehreren Transpondern z.b. bei Erkennung aller Waren in einem Einkaufswagen (Bulk-Arrivals) TDMA (Time Divison Multiple Access) Fester Zeitabschnitt zur Übertragung der Daten 12/22

17 4.9 Datenstrom 3 Möglichkeiten zur Energie- und Datenübertragung: (1) (1) Aus RFID-Handbuch, Finkenzeller: Darstellung der zeitlichen Abläufe bei Voll-, Halbduplex- und sequentiellen Systemen (S. 43, Abb. 3.12) 13/22

18 5. Auswahlkriterien Reichweite 2. Datenübertragungs- und Erkennungsraten 3. Störanfälligkeit 4. Speicherfähigkeit 5. Sicherheit

19 5.1 Reichweite (1) Abhängig von vielen Faktoren: Frequenz des Readers Sendeleistung des Readers Energieverbrauch des Transponders Antenne Frequenz 135 khz < 1m Typische Reichweite 13,56 MHz < 1,5m 868 MHz/915 MHz Europa / USA 2,45 GHz/5,8 GHz Passiv: < 3m Semi-aktiv: < 15m Aktiv: < 100m Vergleich Projekt Reichweite laut Hersteller: max. 7 cm Tatsächliche Erkennung: bis ca. 4 cm 14/22

20 5.1 Reichweite (2) Unterscheidung nach Entfernung Short-Range: einige cm Mid-Range: bis ca. 40 cm Long-Range: ca. 3-9 m Größere Distanzen bis 100 m mit aktiven Systemen Unterscheidung im RFID-Handbuch Close-coupling-Systeme: < 1 cm Remote-coupling-Systeme: < 1 m Long-Range-Systeme: > 1 m 15/22

21 5.2 Datenübertragungs- und Erkennungsraten Datenübertragungsraten wichtig für Übertragung größerer Datenmengen in kurzer Zeit Hohe Erkennungsraten wichtig bei Bulk-Arrivals (z.b. Einkaufswagen) Frequenz Typische Datenübertragungsraten Typische Erkennungsraten 135 khz Niedrig, ca. 5 kbit/s Transponder/s 13,56 MHz Hoch, ca kbit/s 686 MHz/915 MHz Europa / USA 2,45 GHz/5,8 GHz Sehr hoch, ca kbit/s Transponder/s 16/22

22 5.3 Störanfälligkeit Kontaktlose Übertragung Störungen können Daten verändern Überprüfung durch Prüfsummenverfahren, bei RFID häufig eingesetzt: Paritätsprüfung (Paritätsbit, vgl. 2./3. Semester) CRC Cyclic Redundancy Check (z.b. bei Ethernet) LRC Longitudinal Redundancy Check XOR-Operation nacheinander auf alle Datenwerte Wird bei der Übertragung als letzter Wert angehangen Verwendung von LRC im Projekt zur Validierung der Daten Quelle: Kapitel Prüfsummenverfahren, RFID-Handbuch, Finkenzeller (S ) 17/22

23 5.4 Speicherfähigkeit Speicherkapazität: Wenige Bit bis mehrere kbytes Kleinste Transponder: 1-Bit-Transponder (Warensicherungsetiketten) Da oder nicht da Beschreibbarkeit: i.d.r. Read-only Falls Daten auf den Transponder geschrieben werden sollen: EEPROM (hauptsächlich, meist 16 Byte bis 8 kbyte) FRAM/SRAM (nur bei aktiven Transpondern) 18/22

24 5.5 Sicherheit Auslesen ist ohne Wissen und ohne Zustimmung des Besitzers möglich Geringe Reichweiten (Close-coupling-Systeme) bieten Sicherheit Verschlüsselung der Übertragung Angriffsszenarien RFID-Zapper Störsignal Klonen eines Transponders 19/22

25 6. Standards (1) Primäre Gremien: ISO / IEC Tier-Identifizierung ISO ISO 11785: FDX, HDX, SEQ ISO 14223: advanced transponders Contactless Smartcards ISO/IEC 10536: close coupling Smartcards (Reichweite bis 1 cm) ISO/IEC 14443: proximity coupling Smartcards (Reichweite bis 10 cm) ISO/IEC 15693: vicinity Smartcards (Reichweite bis 1 m) ISO/IEC 10373: Testmethoden für Smartcards ISO = International Organization for Standardization IEC = International Electrotechnical Commission 20/22

26 6. Standards (2) Container-Identifizierung (Logistik) ISO 10374: Container-Identifizierung (Logistikbereich) ISO : Freight Container Automatic Identification das sog. licence plate ISO 17363: Supply Chain application of RFID Freight Containers das sog. shipment tag ISO 18185: Freight Container Electronic Seals das sog. eseal (elektronische Siegel) Diebstahlsicherung für Waren (VDI 4470) VDI = Verein deutscher Ingenieure 21/22

27 7. NFC NFC = Near Field Communication Auf RFID-Technik basierender Übertragungsstandard Kontaktloser Austausch von Daten Anwendung bei bargeldlosen Zahlungen Bankkarten Studentenausweise NFC-Varianten: Tag-Reader Card Emulation Peer-to-Peer (1) (1) 22/22

28 Referenzen Master-Lehrveranstaltung Internet der Dinge RFID- und NFC-Technologie (WS 2016/17) RFID Handbuch, Klaus Finkenzeller, 4. Auflage, Hanser Verlag Informationswebseite:

29 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Fragen? (1) (1)

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