Ein RFID-(Hochfrequenz-Identifizierungs-)System besteht aus einem Interrogator (der üblicherweise einen Sender und einen Empfänger einschließt), einer Antenne und einem Transponder. Der Sender sendet auf einer bestimmten Frequenz ein Funksignal mit Hilfe einer Antenne ab. Dieses Signal wird durch einen Transponder wahrgenommen, wenn dieser sich innerhalb des Bereichs befindet, in dem das Signal des Senders erkannt werden kann. Der Transponder antwortet darauf mit einem Signal, das durch den Empfänger wahrgenommen wird. Daten in einem Transponder können die Identifizierung eines Gegen-standes bei der Herstellung, von Gütern (Waren) im Verkehr, eines Standorts, der Identität eines Fahrzeugs, eines Tieres, einer Person usw. ermöglichen. Durch die Einbeziehung von zusätzlichen Daten ist es möglich, Anwendungen durch für den Gegenstand spezifische Informationen oder Anweisungen, die unmittelbar durch das Lesen des Transponders verfügbar sind, zu unterstützen. Ein bestimmtes Protokoll nimmt auf die Kommunikation zwischen dem Interrogator und der Basiseinheit (Rechner) Rücksicht.
Zum Verständnis der Fähigkeiten von RFID-Systemen ist es notwendig, die Systemkomponenten und ihre Funktion innerhalb der Kette des Datenflusses zu betrachten. Jedoch ist es nützlich, mit einer kurzen Be-trachtung zu beginnen, auf welche Weise die drahtlose Kommunikation erreicht wird, da die einbezogenen Techniken eine bedeutsamen Einfluss auf den Entwurf der Systemkomponenten haben.
A.3.2 Drahtlose Kommunikation
A.3.2.1 Die Luftschnittstelle
Der Austausch von Daten zwischen Interrogatoren und Transponder wird durch drahtlose Kommunikation bewerkstelligt. Die drei am häufigsten verwendeten Techniken (Verfahren) sind:
a) induktive Kopplung durch magnetische Felder (siehe Bild A.3);
b) Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen (siehe Bild A.4);
c) elektrostatische (kapazitive) Kopplung durch elektrische Felder (siehe Bild A.5).
Bild A.3 – Induktive
Die Einkopplung geschieht mit Hilfe von Antennenstrukturen, die einen integralen Bestandteil sowohl der Interrogatoren als auch der Transponder bilden. Während der Ausdruck „Antenne“ im Allgemeinen als für Ausbreitungssysteme geeigneter angesehen wird, wird er auch lose auf induktive Systeme angewandt.
Die wirksame Übertragung von Daten durch den Raum (Luftschnittstelle), der die beiden kommunizierenden Komponenten trennt, erfordert, dass die Daten einer Trägerwelle überlagert werden. Dieser Vorgang der Überlagerung wird als Modulation bezeichnet. Verschiedene Möglichkeiten (Verfahren) stehen für diesen Zweck zur Verfügung, wobei jede (jedes) besondere Eigenschaften hat, die ihrer (seiner) Verwendung den Vorzug geben. Sie beruhen im Wesentlichen auf der Änderung des Wertes eines der hauptsächlichen Merk-male einer sinusförmigen Wechselgröße, ihrer Amplitude, Frequenz oder Phase in Übereinstimmung mit dem Bitstrom, der die Daten enthält. Auf dieser Grundlage können die Verfahren der Amplitudenverschiebung (en:
Amplitude Shift Keying; ASK), Frequenzverschiebung (en: Frequency Shift Keying; FSK) und Phasenver-schiebung (en: Phase Shift Keying; PSK) voneinander unterschieden werden.
A.3.2.2 Trägerfrequenzen
Der Lösungsansatz, der im Allgemeinen für Hochfrequenz-Kommunikationskanäle gewählt wird, ist die Trennung auf der Grundlage der Frequenzzuteilung. Dies erfordert, dass verschiedene Anteile des elektro-magnetischen Spektrums verschiedenen Zwecken zugeteilt werden, und dies geschieht im Allgemeinen durch administrative Verordnung. Zuteilungen können in Abhängigkeit von den zuständigen administrativen Stellen voneinander abweichen, was erfordert, dass RFID-Anwendungen in verschiedenen Ländern mit Sorgfalt betrachtet werden müssen.
Im Allgemeinen werden für RFID-Systeme drei Frequenzbereiche unterschieden: Nieder-, Mittel- und Hoch-frequenz. Die Tabelle A.1 fasst diese drei Frequenzbereiche zusammen mit den typischen Systemeigen-schaften zusammen.
Durch die Koordination durch die ITU (Internationale Fernmeldeunion) wird ein bestimmter Grad an Einheit-lichkeit für die Verwendung der Trägerfrequenzen erreicht. Die ITU hat die Welt in die drei Regionen, Europa und Afrika (Region 1), Nord- und Südamerika (Region 2) sowie Fernost und den australisch/ asiatischen Raum (Region 3), unterteilt. Jedes Land führt in seinem Territorium die Frequenzzuteilungen im Rahmen der von der ITU veröffentlichten Richtlinien selbst durch.
Tabelle A.1 – Frequenzbänder und typische Systemeigenschaften
Frequenzband Eigenschaften
Vier Trägerfrequenzen, die eine frühe Aufmerksamkeit als repräsentative Bereiche für die Nieder-, Mittel- und Hochfrequenz erfuhren, sind < 135 kHz, 13,56 MHz, verschiedene Bänder im 900-MHz-Bereich und 2,45 GHz. Jedoch ist eine Anzahl von weiteren Frequenzbändern in der Welt für RFID-Anwendungen in Ge-brauch. Beispiele für Anwendungen, die diese Frequenzbänder verwenden, sind in Tabelle A.2 aufgeführt.
Da Länder ihren Bedarf für RFID-Anwendungen überprüfen, kann es sein, dass sich diese Liste ändert oder Punkte zu ihr hinzugefügt werden. Die Tabelle ist nicht erschöpfend und dient nur als allgemeiner Leitfaden.
Tabelle A.2 – Beispielhafte Frequenzbänder und ihre Anwendungen
Frequenzband Eigenschaften
Unterhalb 135 kHz EAS und eine breite Palette von RFID-Produkten, die erhältlich sind, um einen Bereich von Anwendungen einschließlich der Plakettierung von Tieren, Zugangskontrolle und Spurenverfolgung abzudecken
6,78 MHz bis 13,56 MHz EAS- und RFID-Systeme und ISM-(industrielle, wissenschaftliche und medizinische Hochfrequenz-)Geräte
27,12 MHz ISM- und RFID-Anwendungen
433 MHz bis 459 MHz ISM- und RFID-Anwendungen, spezifisch in Region 1
864 MHz bis 956 MHz UHF-RFID- und manche EAS-Anwendungen (die tatsächlich in diesem Bereich verwendeten Frequenzen hängen vom Land und der Region ab, in der der Betrieb stattfindet)
2 400 MHz bis 2 500 MHz RFID und weltweites ISM-Band
5 400 MHz bis 6 800 MHz für zukünftige Anwendungen (einschließlich RFID) reserviertes Band
A.3.2.3 Datenübertragungsrate und Bandbreite
Die Wahl der Frequenz der Trägerwelle ist von erstrangiger Bedeutung bei der Bestimmung der Daten-übertragungsraten. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Frequenz ist, desto höher sind die Datenübertragungs- oder -durchsatzraten, die erreicht werden können. Diese sind direkt mit der Bandbreite (oder dem innerhalb des Frequenzspektrums belegten Raum für den Kommunikationsvorgang) verknüpft.
A.3.2.4 Bereich und Leistungspegel
Der Bereich, der von einem RFID-System erreicht werden kann, wird wesentlich bestimmt durch:
– die für den Interrogator verfügbare Leistung zur Kommunikation mit dem (den) Transponder(n);
– die für den Transponder verfügbare Leistung, um zu antworten;
– die Umgebungsbedingungen und -strukturen.
Obwohl der Bereich hauptsächlich durch den verfügbaren Leistungspegel bestimmt wird, beeinflusst die Art und Weise sowie die Effizienz, mit welcher diese Leistung verbraucht wird, ebenfalls den Bereich. Das Feld oder die Welle, das (die) von einer Antenne geliefert wird, erstreckt sich in den Raum hinein, der sie umgibt, und die Stärke nimmt mit der Entfernung zur Antenne ab. Der Entwurf der Antenne bestimmt die Form des abgestrahlten Feldes oder der sich ausbreitenden Welle, sodass der Bereich auch durch den Winkel zwischen dem Transponder und der Antenne beeinflusst wird.
Die Antwort des Transponders besitzt einen sehr viel kleineren Pegel als das von dem Interrogator erzeugte Feld. Dies kann die Einbeziehung von empfindlichen Detektionsschaltkreisen innerhalb des Interrogators er-forderlich machen, um die empfangenen Signale verarbeiten zu können.
A.3.3 Das RFID-System
A.3.3.1 RFID-Systemkomponenten
Wie vorstehend ausgeführt, besteht ein RFID-System (siehe Bild A.6) aus einem Interrogator (manchmal auch Lesegerät genannt) und einem Transponder (manchmal auch Plakette genannt). In den nachfolgenden Abschnitten werden diese Komponenten im Einzelnen beschrieben.
Bild A.6 – Übersicht über ein RFID-System
A.3.3.2 Der Interrogator
Interrogatoren können hinsichtlich ihrer Komplexität beträchtlich differieren, abhängig von der Art des unter-stützten Transponders und den Funktionen, die zu erfüllen sind. Jedoch besteht die übergreifende Funktion darin, die Mittel zur Kommunikation mit den Transpondern und zur Erleichterung des Datenverkehrs bereit-zustellen. Die vom Interrogator durchzuführenden Funktionen können eine ausgeklügelte Signalkonditio-nierung, die Prüfung und Korrektur von Paritätsfehlern einschließen. Wenn das von einem Transponder kommende Signal korrekt empfangen und dekodiert wurde, können Algorithmen angewendet werden, um zu entscheiden, ob das Signal eine wiederholte Übertragung darstellt. Der Interrogator kann dann den Trans-ponder anweisen, die Übertragung einzustellen.
A.3.3.3 Die Antenne
Antennen für den Frequenzbereich unterhalb 30 MHz sind meistens flache (runde oder rechteckförmige) Spulen und bestehen aus einer oder mehreren metallischen Windungen. Diese Antennen können typischer-weise Abmessungen von im Allgemeinen 20 cm × 20 cm, 1 m × 2 m (Durchgang), vielleicht 2 m × 10 m haben oder sie können vielleicht auch größer sein.
Antennen für Frequenzen oberhalb 400 MHz sind meistens Dipole oder gitterförmige Antennen.
A.3.3.4 Der Transponder
Der Begriff „Transponder“, abgeleitet von dem englischen „TRANSmitter/resPONDER“ (Sender/Empfänger, im Deutschen oft auch als Umsetzer bezeichnet), offenbart die Funktion des Gerätes. Der Transponder antwortet auf eine gesendete oder kommunizierte Aufforderung zur Übertragung seiner Daten. Transponder benötigen Leistung, um arbeiten zu können; allerdings sind die Pegel unveränderlich sehr klein (Mikro- bis Milliwatt).
Transponder können in zwei Kategorien unterteilt werden, je nachdem, ob sie passiv oder aktiv sind.
– Aktive batteriegespeiste Transponder sind typischerweise Lese-/Schreibgeräte, d. h., für den Interrogator ist es möglich, sowohl neue Daten in den Transponder einzuschreiben als auch vorhandene Daten, die im Transponder gespeichert sind, zu lesen. Bei einer langen Lebensdauer der Batterie kann ein versiegelter aktiver Transponder zehn und mehr Jahre lang funktionieren, abhängig von den Betriebs-temperaturen, den Lese-/Schreibzyklen und der Verwendung. Aktive batteriegespeiste Transponder erlauben größere Kommunikationsbereiche, als für passive Geräte erwartet werden können.
– Passive Transponder arbeiten ohne eine interne Batterieversorgung und entnehmen ihre Leistung aus dem Feld, das durch den Interrogator erzeugt wird. Passive Transponder besitzen kleinere Lesebereiche als aktive Transponder. Auch ist ihre Kapazität zur Speicherung von Daten und ihre Fähigkeit, in gestörten elektromagnetischen Umgebungen gut zu funktionieren, eingeschränkt. Zusätzlich ist es im Allgemeinen nur in einem sehr engen Bereich möglich, in einen passiven Transponder (Daten) einzuschreiben.Sie besitzen meistens eine unbegrenzte elektrische Lebensdauer.
RFID-Transponder kommen in einer großen Vielfalt von physikalischen Formen, Größen, Abmessungen und schützenden Gehäusen vor. Transponder zur Verfolgung von Tieren, die dicht unter der Haut untergebracht sind, können bezüglich ihres Durchmessers so klein wie eine Bleistiftmine sein und zehn Millimeter Länge haben. Transponder können schraubenförmig sein, um in Bäume oder hölzerne Gegenstände zum Zweck der Identifikation eingedreht zu werden, oder sie können die Form einer Kreditkarte haben, um bei Zugangs-kontrollen verwendet zu werden. Es gibt schwere, 120 mm × 100 mm × 50 mm große rechteckförmige Transponder, die zur Verfolgung von intermodalen Behältern, schweren Maschinen, Lastkraftwagen und Bahnfahrzeugen für Wartungs- und Verfolgungsanwendungen verwendet werden.
A.3.4 Funktionsweise von RFID A.3.4.1 RFID-System-Kategorien
RFID-Systeme können grob in drei Kategorien zusammengefasst werden.
A.3.4.1.1 Tragbare Datenerfassungssysteme
Tragbare Datenerfassungssysteme werden durch die Verwendung von tragbaren Datenterminals mit eingebautem RFID-Interrogator charakterisiert und in Anwendungen verwendet, bei denen Informationen von etikettierten Gegenständen (die meistens unbeweglich sind), etikettierten Tieren usw. gefordert werden.
Handgehaltene Interrogatoren/tragbare Datenterminals erfassen Daten, die dann entweder direkt an ein Basisinformationsverarbeitungssystem über eine hochfrequente Datenübertragungs-(RFDC-)Verbindung ge-sendet oder zur Lieferung über eine Leitungsverbindung an die Basiseinheit auf einer stapelweisen („Batch“-)Verarbeitungsbasis bereitgehalten werden.
A.3.4.1.2 Netzwerk-basierte Systeme
Netzwerk-basierte Systeme können im Allgemeinen charakterisiert werden durch feste Positionen der Interrogatoren, die innerhalb eines gegebenen Ortes verteilt und direkt mit einem netzwerk-basierten Informationsverarbeitungssystem verbunden sind. Die Transponder sind in Abhängigkeit von ihrer Anwen-dung fest an bewegten oder beweglichen Gegenständen oder Personen angebracht.
A.3.4.1.3 Positionierungssysteme
RFID können als Positionierungssysteme verwendet werden, bei denen Transponder automatisierte Orts- und Navigationshilfe für geführte Fahrzeuge mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern zur Verfügung stellen. Interrogatoren sind an den Fahrzeugen angebracht und über einen Bordrechner und eine RFDC-Verbindung mit dem Basisinformationsverarbeitungssystem verbunden. Die Transponder sind im Boden der Betriebsumgebung eingebettet und mit geeigneten Identifizierungs- und Ortsdaten programmiert. Die Antenne des Interrogators ist üblicherweise unter dem Fahrzeug angeordnet, um näher bei den eingebetteten Transpondern zu sein.
A.3.4.2 Bereiche der Anwendung
Mögliche Anwendungen für RFID können in nahezu jedem Sektor der Industrie, des Handels und der Dienstleistung, in dem Daten gesammelt werden, identifiziert werden. Typische Anwendungen schließen ein:
– Entsorgungsmanagement;
– postalische Verfolgung;
– Wiederauffindung von Luftgepäck;
– kontrollierter Zugang zu Fahrzeugen, Parkplätzen und Treibstoffeinrichtungen – Depoteinrichtungen sind typisch;
– Verwaltung von Straßenbenutzungsgebühren; automatisierter Einzug von Benutzungsgebühren für Straßen und Brücken;
– kontrollierter Zugang von Personal zu gesicherten gefährlichen Orten;
– Zeit und Anwesenheit – um herkömmliche Stechuhren zu ersetzen;
– Etikettierung von Tieren – zur Identifizierung, um individualisierte Fütterungsprogramme zu unterstützen;
– automatische Identifizierung von Werkzeugen in numerisch gesteuerten Maschinen;
– Identifizierung von Produktvarianten und Prozesssteuerung in flexiblen Herstellungssystemen;
– Aufnahme von Zeiten im Sport;
– elektronische Hausüberwachung gegen Eindringlinge;
– Fahrzeug-Diebstahlsicherungssysteme und Wegfahrsperren;
– wissenschaftliche Erforschung des Verhaltens von Tieren, Migrationsstudien;
– Erfassung von Umgebungsbedingungen;
– elektronische Verfolgung von Einzelstücken und Steuerung von Versorgungsketten.
Anhang B (informativ)
Informationen zur numerischen Modellierung
B.1 Einführung
Dieser Anhang stellt Informationen zum Zweck der numerischen Modellierung bereit. Es wurden Vergleiche zwischen verschiedenen Modellen und Verfahren mit unterschiedlichen Graden der Korrelation durchgeführt [13], [14]. Einer der bedeutsamsten Bereiche, die zu den Unterschieden beitragen, ist das verwendete anatomische Körpermodell und seine zugehörigen elektrischen Eigenschaften. IEC 62311 besitzt ebenfalls relevante Informationen zur numerischen Modellierung.
Es gibt eine Reihe von verschiedenen Berechnungsverfahren, einige davon sind in diesem Anhang erwähnt.
Vergleiche der Ergebnisse haben eine gute Korrelation zwischen verschiedenen numerischen Berechnungs-verfahren gezeigt.
Geeignete Software-Modelle sind auf dem Markt erhältlich. Diese ermöglichen oft sowohl die Modellierung der Felder als auch des induzierten Stromes mit dem gleichen Programmpaket. Solche auf dem Markt erhältliche Programme sollten geeignet sein, die Übereinstimmung mit Basisgrenzwerten zu prüfen. Das Paket und sein Verwendungsverfahren können durch Vergleich mit einer analytischen Lösung in einem einfachen Fall, wie z. B. der Exposition einer Scheibe mit gleichförmiger Leitfähigkeit oder einem/einer geschichteten Zylinder oder Kugel mit gleichförmiger Leitfähigkeit für jede der Schichten, mit einem gleich-förmigen magnetischen Feld geprüft werden. Nach der Mittelung über relevante Zellen des Modells sollte die numerisch berechnete Stromdichte mit dem analytisch abgeleiteten Wert innerhalb 20 % übereinstimmen und zu Ergebnissen mit einer merklich höheren Übereinstimmung führen. Dies dient als eine Eignungsprüfung für die Software, die für die rechnergestützten Berechnungen verwendet wird, und kann auch zur Abschätzung von Unsicherheiten benutzt werden.
Die Eignung des Modells muss üblicherweise nur einmal festgestellt werden. Es ist nicht erforderlich, die Eignung des Modells zu jeder Zeit, wenn es verwendet wird, wieder neu festzustellen. Die Grundlage für einen solchen Eignungsnachweis kann durch den Softwarelieferanten geliefert werden.