RFID Technologie: Überblick und Anwendung bei Transportsystemen

Einleitung RFID Technologie: Überblick und Anwendung bei Transportsystemen Wissenschaftliche Arbeit im Fach Technik an der BBS Lingen Technik & Gestaltung Technisches Gymnasium Eingereicht von: Malte Talle & Tom Brüning Lingen 2017

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I 1 Einleitung...1 2 Entwicklungsgeschichte der RFID...2 3 Aufbau von RFID Systemen...3 3.1 Allgemeiner Aufbau...3 3.2 Passive und aktive Tags...4 3.3 Reichweite und Kopplung...5 3.4 Frequenzbereiche...6 3.5 Bauformen...6 4 Vor- und Nachteile bei dem Einsatz von RFID...7 4.1 Vorteile...7 4.2 Nachteile...7 5 Fahrerlose Transportsysteme...8 5.1 Probleme der RFID in Bezug auf FTS...9 6 Fazit... 10 Anhang... 11 Literaturverzeichnis... 13 Ⅰ

1 Einleitung 1 Einleitung In der heutigen Zeit, in der Online Handel und Globalisierung eine wichtige Rolle spielen, werden vielfach Systeme gefordert, die Gegenstände automatisch von einem Ort zu einem anderen bewegen. Beispielsweise nutzt der Internetriese Amazon in seinen Logistikzentren eines dieser sogenannten Fahrerlosen Transportsysteme (FTS). Bei Amazon bringen fahrerlose Roboter die bestellten Waren mitsamt passender Verpackung selbstständig zu einem Lagermitarbeiter. Fahrerlose Transportsysteme können heutzutage für fast jegliche Transportaufgaben in der Industrie eingesetzt werden. Das Schwierigste für ein automatisches Transportsystem ist die Bestimmung der momentanen Position sowie die Ermittlung des Weges. Fahrerlose Systeme sind, im Gegensatz zu Menschen, auf Hilfsmittel angewiesen (Wikipedia II). Automatische Identifikationssysteme (im folgenden auch Auto-ID) sind solche Hilfsmittel. Sie versuchen, physikalisch vorhandene Gegenstände in Informationen umzuwandeln, mit denen ein Informationssystem umgehen kann. Ein weit verbreitetes Identifikationssystem ist der Barcode. Es gibt aber noch eine weitere Technologie, die es ermöglicht, Objekte ohne Sichtverbindung zu identifizieren: Der Transponder. Eines dieser Transpondersysteme ist Radio Frequency Identification (RFID). Da die Preise der elektronischen RFID-Etiketten (im Folgenden Tags ), durch größere Nachfrage immer weiter sinken, ergeben sich neue Einsatzszenarien für RFID. Es stellt sich die Frage, inwiefern sich RFID als Orientierung für Fahrerlose Transport Systeme einsetzen lässt. 1

2 Entwicklungsgeschichte der RFID 2 Entwicklungsgeschichte der RFID RFID Systeme wurden erstmals gegen Ende des Zweiten Weltkrieges eingesetzt. Sie dienten der Unterscheidung zwischen feindlichen und freundlichen Einheiten. Es wurden Transponder und Leseeinheiten in Flugzeugen und Panzern angebracht, um diese zu identifizieren. In den 1970er Jahren wurde bereits begonnen die RFID-Chips zur Warensicherung und zur Zutritts- und Berechtigungskontrolle zu verwenden. Ab den 1980er Jahren folgten viele neue Systeme, wie z.b. elektronische Schlösser, bargeldloses Bezahlen und elektronische Wegfahrsperren. Seit 2003 wird bei der EPCglobal Inc. für einen Globalen Standard bei der Warenidentifikation geforscht. (Franke 2006: S.10 und Wikipedia I) 2

3 Aufbau von RFID Systeme 3 Aufbau von RFID Systemen Die RFID Technologie basiert auf einer kontaktlosen Übertragung von Informationen, mittels magnetischer oder elektromagnetischer Felder. Im folgenden Kapitel werden die Technik und der Aufbau der RFID näher erläutert. 3.1 Allgemeiner Aufbau Ein RFID System besteht immer aus einem Transponder und einem Lesegerät. In den meisten Fällen übermittelt das Lesegerät die erhaltenen Daten an eine Auswerteeinheit weiter (siehe Abbildung 1). Lesegerät In der Regel besteht ein RFID-Lesegerät aus einem Hochfrequenzmodul (Sender und Empfänger), einer Kontrolleinheit sowie einem Koppelelement (Spule, Antenne) zum Transponder. Oft sind Lesegeräte gar keine reinen Lesegeräte, sondern eine Kombination aus Schreib- und Lesegerät (Finkenzeller, S.7). Die Größe des Lesegeräts kann stark variieren und hängt vom jeweiligen Verwendungszweck ab. Es gibt zum einen sehr kleine Lesegeräte, in Form von Handgeräten, aber auch sehr große stationäre Lesegeräte, durch die das getaggte (mit einem Tag versehene) Objekt geschoben werden muss. Laut Hunt et al. (2007, S.9) hat das Lesegerät folgende Aufgaben: Energielieferant des Tags Daten aus dem Tag auslesen (evtl.) Daten auf den Tag schreiben Kommunizieren mit einer Auswerteeinheit (Computer) Die Hauptaufgabe eines Lesegerätes ist das Auslesen, der auf den Tags gespeicherten Daten. Diese Daten müssen, wenn gewünscht, anschließend zuverlässig auf eine Auswerteeinheit übertragen werden. 3

3 Aufbau von RFID Systeme Transponder Der Transponder (Tag) ist das Gegenstück zum Lesegerät. Er besteht ebenfalls aus einem Koppelelement (Spule, Antenne) sowie aus einem elektronischen Mikrochip. Die Hauptaufgabe eines Tags ist das Speichern und Übertragen der Daten. Jedes RFID-Tag besitzt einen Read-only Speicher, der die nur einmal vorkommende, unveränderbare Identifikation enthält. Des Weiteren besitzen die meisten neueren Tags einen Read and Write Speicher auf den zusätzliche Informationen abgelegt werden können. RFID-Tags werden nach ihren wichtigsten Eigenschaften unterschieden: die Energieversorgung, die Reichweite, die Sendefrequenz, die Speichergröße, die Bauform und die Programmierbarkeit (Finkenzeller 2010: S.11-22). 3.2 Passive und aktive Tags Die wohl wichtigste Eigenschaft nach der unterschieden wird, ist die Energieversorgung. Es gibt aktive, semiaktive/semipassive und passive Tags. Im Fall von passiven Tags wird die Energie, die der Tag zum Senden benötigt, vom Lesegerät, mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes, auf den Tag übertragen. Da auf eine Batterie verzichtet wird, sind die Tags verhältnismäßig günstig, aber die Reichweite ist im Gegensatz zu aktiven und semipassiven/semiaktiven Tags gering. Die passiven Tags stellen zudem die mit Abstand am weitesten verbreitete Variante von RFID Tags dar. Im Gegensatz dazu besitzen aktive Tags eine eigene Energiequelle in Form einer Batterie. Durch die eigene Energieversorgung sind mit aktiven Tags größere Operationsradien, höhere Genauigkeiten und häufig größere Mengen an Information, die ausgetauscht werden möglich. Aktive Tags haben allerdings eine geringere Lebensdauer, einen höheren Preis und sind, aufgrund der eigenen Energieversorgung, größer als die anderen Tags. Semiaktive bzw. semipassive Tags beziehen ihre Energie aus einer integrierten Batterie, um sich auf den Informationsaustausch mit dem Lesegerät vorzubereiten. Sie werden aber erst aktiviert, wenn sie sich in dem -elektromagnetischen Feldes eines Lesegerätes befinden. Die Energie zum Senden der Information beziehen sie, wie passive Tags, aus dem elektromagnetischen Wechselfeld des Lesegeräts. (Finkenzeller, S.23ff.) 4

3 Aufbau von RFID Systeme 3.3 Reichweite und Kopplung Neben der Energieversorgung werden RFID-Tags zudem nach ihrer Reichweite und ihrer Kopplungsart unterschieden. Unter Kopplung ist zu verstehen, wie der Tag und der Reader miteinander kommunizieren. Es gibt drei verschieden Arten von Kopplung, die induktive, die kapazitive und die Backscatter Kopplung. Die am weitesten verbreitete Kopplungsart ist die induktiven Kopplung, dabei kommunizieren Tag und Lesegerät über ein magnetisches Wechselfeld welches das Lesegerät aussendet. Bei der Kommunikation verändert der Transponder, je nach vorliegenden Daten, das Feld. Das Lesegerät nimmt diese Feldänderung wahr und wandelt die Veränderung wieder in Informationen um. Auf die anderen Kopplungsarten wird nicht näher eingegangen, da es den Rahmen dieser Ausarbeitung sprengen würde. Je nach Einsatzbereich können unterschiedliche Reichweiten, in der das Lesegerät und die Tags kommunizieren, gewünscht sein. Die Reichweite ist vom Tag Typ (aktiv/passiv) und der Frequenz abhängig. Umgebungseinflüsse können die Reichweite verkürzen. (Franke 2006: S.24). Die Systeme können in folgenden Bereiche unterschieden werden: Close-Coupling-Systeme sind Systeme die für Reichweiten von 0,1cm bis 1 cm konzipiert sind und die Kopplung entweder mit induktiv oder mit kapazitiv erfolgt. In diesen Systemen müssen die Transponder zum Auslesen sehr nah an das Lesegerät gebracht werden. Meistens werden die Tags entweder in ein Lesegerät gesteckt oder auf einer dafür vorgesehenen Fläche platziert. (Finkenzeller 2010: S.53) Remote-Coupling-Systeme sind für Reichweiten bis etwa einen Meter vorgesehen. Remote-Coupling-Systeme sind heutzutage die am meisten verwendetsten RFID- Systeme. Ca. 90% der Systeme nutzt die induktive Kopplung. (Finkenzeller 2010: S.22) 5

3 Aufbau von RFID Systeme Long-Range-Systeme: Mit diesen Systemen lassen sich Kommunikationsdistanzen von deutlich über einem Meter erreichen. Mit Tags ohne eigene Energieversorgung lassen sich Reichweiten von ca. 3m erreichen, mit aktiven (batteriegestützten) Transpondern lassen sich sogar Reichweiten von bis zu 15m erreichen. Bei diesen Systemen wir meistens auf die Backscatter Kopplung gesetzt. (Finkenzeller 2010: S. 23/S. 53) 3.4 Frequenzbereiche Ein weiteres wichtiges Unterscheidungskriterium von RFID Systemen ist die Frequenz, auf der das Lesegerät und der Tag miteinander kommunizieren. RFID-Systeme nutzen: Niederfrequenzbereich (LF) 30 khz. 300 khz Hochfrequenzbereich (HF) 3 MHz. 300 MHz Ultrahochfrequenzbereich (UHF) 300 MHz. 3 GHz Mikrowellenbereich (SHF) > 3 GHz Eine höhere Frequenz bedeutet für gewöhnlich eine kleinere Antenne, da die Antennenlänge mit der Wellenlänge zusammenhängt, einen kleineren Tag sowie eine höhere Reichweite. (Finkenzeller 2010: S.50) 3.5 Bauformen Es gibt viele verschiedene Bauformen und Größen von RFID-Tags, für viele verschiedene Einsatzbereiche. Am häufigsten werden Tags in Form von sogenannten Disks verwendet. Eine andere Tag-Form sind Glastransponder. Dies sind Tags in einem kleinen Glasröhrchen. Sie werden Haustieren injiziert um sie eindeutig identifizieren zu können. Eine weitere Bauform sind Transponder im Plastikgehäuse die z. B. für Autoschlüssel mit elektronischer Wegfahrsperre verwendet werden. Smart Tags (siehe Abbildung 4), eine weitere Bauform, sind ultraflache, elastische, passive RFID Transponder, bei denen alle Komponenten auf eine Folie aufgebracht werden. 6

4 Vor- und Nachteile bei dem Einsatz von RFID 4 Vor- und Nachteile bei dem Einsatz von RFID In diesem Kapitel werden die Vorteile und die Nachteile der RFID näher erläutert. 4.1 Vorteile RFID-Tags können verwendet werden, um viele verschiedene Daten zu empfangen und zu speichern. Sie können zum Beispiel Herkunfts- und Zielorte von Waren enthalten, um die Warenerfassung zu erleichtern und um bei der Rückverfolgung zu helfen. RFID-Tags werden immer günstiger und kleiner, wodurch die Verbraucherpreise sinken und sie immer relevanter im Logistikbereich werden. Sie werden zudem immer anwenderfreundlicher, so dass diese auch für Einzelanwender immer attraktiver werden. RFID-Systeme nehmen immer mehr Platz im alltäglichen Leben ein. RFID wird zum Beispiel im Auto, als elektronische Wegfahrsperre eingesetzt. Mittels RFID wird überprüft ob der Schlüssel eindeutig der ist, der zu dem Fahrzeug gehört. Der größte Vorteil von RFID ist generell die drahtlose Kommunikation, welche es ermöglicht Daten, ohne eine direkte Verbindung zwischen RFID-Tag und Lesegerät, auszutauschen. (Dickert 2010) 4.2 Nachteile Trotz der vielen Einsatzmöglichkeiten und Verschlüsselungen ist die RFID-Technik noch noch nicht vollständig ausgereift. Trotz der immer weiter sinkenden Preise der RFID-Tags, sind die Lesegeräte in der Masse immer noch zu teuer. Außerdem ist die Technik lückenhaft. Beispielsweise kommen viele Signale nicht durch Metalle und Flüssigkeiten. Ein weiteres Problem besteht durch noch mangelnde Standardisierung, bzw. durch eine Vielzahl verschiedener Standards, wodurch es zum Beispiel bei länderübergreifenden RFID- Projekten zu Kompatibilitätsproblemen kommen kann. Es gibt auch weiterhin Sicherheitsbedenken beim Datenschutz, da die Daten, die sich auf dem RFID-Tag befinden, oft leicht ausgelesen werden können. (Dickert 2010) 7

5 Fahrerlose Transportsysteme 5 Fahrerlose Transportsysteme RFID wird heutzutage gerne in der Logistik verwendet, um Pakete, Container und sonstige Gegenstände aller Art zu identifizieren und automatisch handzuhaben (Wikipedia I). Die Entwicklung geht dahin, dass Transponder nicht mehr ausschließlich genutzt werden, um mobile Objekte automatisch identifizierbar zu machen. Sie werden stationär eingesetzt, um unbewegliche Gegenstände oder Positionen zu kennzeichnen. Somit kann RFID auch für Navigationszwecke eingesetzt werden. Im Falle von fahrerlosen Transportsystemen kann durch den Aufbau dezentraler Datenstrukturen eine Fahrzeugsteuerung aufgebaut werden, dessen Navigationssystem auf RFID beruht. Dabei dient der Fahrweg als zentraler Informationsspeicher, wodurch der Einsatz eines fahrerlosen Fahrzeuges auch ohne Kenntnis der Fahrstrecke möglich wird. Die notwendigen Informationen werden dabei in RFID-Tags auf dem Fahrweg hinterlegt. Bekommt ein Fahrzeug z. B. die Information in welcher Richtung sich das nächste Tag befindet, kann es dieses mit Hilfe eines Kompasses ansteuern. Auf den Tags können auch weitere Informationen abgelegt werden, Beispielsweise Daten über den Ort von Lagerplätzen, die maximale Geschwindigkeiten, um eine sichere Datenübertragungsrate zu gewährleisten, maximales zulässiges Gewicht für einen Streckenabschnitt, oder Routeninformationen. Durch die Beschreibbarkeit der meisten RFID-Tags sind auch Informationen wie Lagerplatz belegt mit Ware x im Fahrweg speicherbar. Dadurch bekommt ein FTS mit RFID-Technologie eine extreme Flexibilität. Die übertragbaren Daten sind begrenzt durch die Geschwindigkeit, die das Fahrzeug beim Überfahren des Tags hat. Je höher die Geschwindigkeit, desto weniger Zeit bleibt für die Datenübertragung. Zur Anpassung können die Größe der Leseantenne am Fahrzeug variiert oder Transponder mit einer höheren Kommunikationsgeschwindigkeit eingesetzt werden, wodurch die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht wird und zusätzlich die Fehlerrate bei der Übertragung gesenkt wird. In der Verwendung von RFID-Tags als ortsbezogene Datenträger ergeben sich auch einige Problematiken. Dazu zählen zum einen die mechanische Festigkeit und die Witterungsbeständigkeit der Transponder. Zum anderen ist die Verweildauer eines Tags im Feld einer Leseantenne nur begrenzt. Deswegen sind die Datenübertragungsrate und Reichweite des eingesetzten Systems von zentraler Bedeutung. 8

5.1 Probleme der RFID in Bezug auf FTS 5 Fahrerlose Transportsysteme Wie bereits in Abschnitt 4.1 erläutert, ist einer der großen Vorteile von RFID die drahtlose Kommunikation. Aber gerade diese macht RFID auch anfällig gegenüber Störeinflüssen. Diese können durch verschiede Materialien und Umgebungsbedingungen, wie z. B. reflektierende Oberflächen oder Störfrequenzen (z. B. WLAN), hervorgerufen werden. (Günthner 2011: S.19) Um RFID-Tags effektiv als Wegmarkierung und gleichzeitig als Informationsspeicher einsetzten zu können, wird eine schnelle Datenübertragung oder eine große Reichweite benötigt. Es sollten aber auch keine Transponder gewählt werden, die im ober MHz Bereich und im GHz Bereich agieren. Bei diesen Transpondern kann es, durch Reflektion, zu einer Fehldetektion kommen. Damit ist gemeint, dass das Fahrzeug mit einem Tag kommuniziert welches sich nicht in Wirklichkeit nicht im Aktionsradius des Lesegerätes befindet. Es besteht eine direkte Abhängigkeit zwischen der Lesereichweite, der Übertragungsgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Aus der Geschwindigkeit und der Reichweite lässt sich die Zeit berechnen, die für die Übertragung zur Verfügung steht. Diese Abhängigkeit muss bei der Auswahl von RFID-Tags beachtet werden. Denn wenn ein Tag eine große Reichweite hat, wird die Bestimmung der Position ungenau. Ist die Übertragungsgeschwindigkeit sehr gering, die Reichweite gering und die Fahrzeuggeschwindigkeit hoch, kann es sein das nicht alle Daten zwischen Lesegerät und Tag ausgetauscht werden können. (Overmeyer 2006: S.7) Bei der Tagauswahl sollte zu dem auf eine passende Bauform geachtet werden, denn nicht alle Bauformen sind für den Einsatz in einem FTS geeignet. Smart Tags sind z. B. nicht geeignet. Sie haben kein Gehäuse und sind daher schwer in der Fahrbahn zu befestigen und sie sind anfällig gegen Druck. Wenn ein Fahrzeug über diesen Tag fährt kann es zu Rissen in der Antenne kommen, was zu einem Totalausfall des RFID-Tags führen würde. (Overmeyer 2006: S.10) Geeignete Tags sind z. B. die, die nach der DIN/ISO 69873 gefertigt wurden Diese wurden speziell für die Werkzeug- und Gasflaschenindustrie entwickelt, weshalb sie eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen. (Finkenzeller 2010: S.16) 9

6 Fazit 6 Fazit Zweck dieser Arbeit war es, zu zeigen inwiefern sich RFID als Navigationssystem in einem FTS nutzen lässt. Es hat sich herausgestellt, dass RFID gesteuerte FTS möglich sind. Durch das verbauen von RFID-Tags im Fahrweg, kann die RFID-Technik dem FTS als Informationsspeicher und, in Verbindung mit einem Kompass, als Wegweiser dienen. Ein FTS welches mit Hilfe von RFI navigiert, kann Indoor und Outdoor verwendet werden, wobei der Einfluss von Temperatur, Regen und Feuchtigkeit beachtet werden muss. Die passende Auswahl des RFID-Tags ist mit das wichtigste. Der Tag sollte je nach notwendiger Datenmenge und Fahrgeschwindigkeit gewählt werden, um die besten Voraussetzungen für das jeweilige Lagersystem zu erzielen. Es gibt noch andere Ansätze von RFID basierten Navigationslösungen für fahrerlose Transportsysteme, die in dieser Arbeit nicht weiter behandelt wurden, da dies den Rahmen dieser Ausarbeitung gesprengt hätte. 10

Anhang Anhang Abbildung 1 (Quelle: In Anlehnung an Finkenzeller (2010: S. 7 / S.9)) Abbildung 2 (Quelle: http://vignette1.wikia.nocookie.net/itlaw/images/a/a5/rfid_tag.jpg/revision/latest?cb=2010 0914063122 ) Abbildung 3 (Quelle: http://vignette2.wikia.nocookie.net/itlaw/images/d/d7/rfid_reader.jpg/revision/latest?cb%5 Cx3d20100914063251 ) 11

Anhang Abbildung 4 (Quelle: https://logistikknowhow.com/rfid-smart-label/) 12

Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis Dickert, Dr. Thomas (2010): Chancen und Risiken durch Funkwellenidentifikation (RFID); http://www.vis.bayern.de/daten_medien/datenschutz/rfid.html (Stand: 12.05.17): Bayerisches Staatsministerium der Justiz und für Verbraucherschutz Finkenzeller, Klaus (2006): RFID -RFID-Handbuch: Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten; 4. Auflage. München: Hanser Franke, Werner et al. (2006): RFID- Leitfaden für die Logistik - Anwendungsgebiete, Einsatzmöglichkeiten, Integration, Praxisbeispiele. Günthner, Willibald A. / Fruth, Andreas / Waang Kai (2011): Technikleitfaden für RFID- Projekte; München: Bayerischer Unternehmensverband Metall und Elektro e. V. und Verband der Bayerischen Metall- und Elektro-Industrie e. V. Hunt, V. Daniel / Puglia, Albert / Puglia, Mike (2007): RFID - A GUIDE TO RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION; Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. ITWissen (Hrsg.) (2015): Chancen und Risiken durch Funkwellenidentifikation (RFID); http://www.itwissen.info/antenne-antenna.html (Stand: 14.05.17) Ministerium für Umwelt, Forsten und Verbraucherschutz (Hrsg.) (2010): RFID - Radiofrequenz - Identifikation: Was ist das?; https://www.datenschutz.rlp.de/fileadmin/lfdi/dokumente/publikationen/info_rfid.pdf (Stand: 12.05.17) Overmeyer, Ludger / Niemann, Björn / Baum, Mathias (2006): Aufbau von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) durch eine dezentrale Datenstruktur; Leibniz Universität Hannover: Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) Sweeney, Patrick J. / Übersetzt von Werner Niemeyer-Stein(2006): RFID Für Dummies; 1. Auflage, WILEY-VCH Verlag, Weinheim Wikipedia I (Hrsg.) (2017): RFID; https://de.wikipedia.org/wiki/rfid (Stand: 14.05.17) Wikipedia II (Hrsg.) (2017): Fahrerloses Transportfahrzeug; https://de.wikipedia.org/wiki/fahrerloses_transportfahrzeug (Stand: 14.05.17) 13

Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit erklären wir an Eides Statt, dass wir die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Zuhilfenahme der ausgewiesenen Hilfsmittel angefertigt haben. Sämtliche Stellen der Arbeit, die im Wortlaut oder dem Sinn nach anderen gedruckten oder im Internet verfügbaren Werken entnommen sind, haben wir durch genaue Quellenangaben kenntlich gemacht. Lingen, den Tom Brüning Malte Talle 14