Wie RFID, NFC und Sensoren Herausforderungen in der Industrie lösen

Jede Branche stellt einzigartige Herausforderungen, die maßgeschneiderte Technologielösungen erfordern. Drahtlose IoT-Technologien wie UHF-RFID, NFC und Sensorik werden häufig eingesetzt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wobei Dualfrequenzlösungen – die UHF mit HF oder NFC kombinieren – zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Der Industriesektor bietet erhebliche Chancen für diese Technologien, stellt aber auch Herausforderungen dar, insbesondere aufgrund seiner Kapitalintensität. Die Entwicklung langlebiger, langfristiger IoT-Lösungen erfordert erhebliche Investitionen in Forschung, Entwicklung und Infrastruktur. Wie Pierre Muller, RFID Business Unit Manager bei EM Microelectronic, betont, liegt der Erfolg nicht darin, Trends zu verfolgen, sondern ausgereifte, zuverlässige und langlebige Technologien einzusetzen – RFID ist dafür ein hervorragendes Beispiel.

Dieser Artikel untersucht die neuesten Entwicklungen und Anwendungen von UHF-RFID, Dualfrequenz- und Sensortechnologien in verschiedenen Branchen.

UHF-RFID

Im Laufe der Jahre haben sich RFID-Systeme von ihren Anfängen zu ausgereiften Lösungen entwickelt. Die heutigen RFID-Chips bieten eine verbesserte Leistung, größere Funktionalität und sind kostengünstiger geworden.

Laut dem Bericht „Global Markets & Applications for RAIN Solutions” der RAIN Alliance vom Juni 2024 wird erwartet, dass die Auslieferungen von UHF-RFID-Chips bis 2028 115 Milliarden Einheiten erreichen werden. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der Auslieferungen von UHF-RFID-Chips beträgt 20,4 Prozent. Ein weiterer Bericht von Gartner prognostiziert, dass RFID der nächsten Generation ein grundlegender Bestandteil von 20 Prozent aller Supply-Chain-Technologielösungen sein wird.

Zu den jüngsten Entwicklungen im UHF-RFID-Sektor gehören die Veröffentlichung des Gen2v3-Luftschnittstellenprotokolls für die UHF-RFID-Technologie im Jahr 2024 und die kürzliche Einführung von Gen2X durch Impinj im Januar 2025. UHF-RFID wird voraussichtlich auch eine Schlüsseltechnologie zur Unterstützung der Initiative „Digital Product Passport” sein. Die obligatorische Einführung des Digital Product Passport (DPP) in der EU wird für 2027/2028 erwartet.

Diese Fortschritte haben zu einer breiten Akzeptanz geführt und treiben diese weiter voran, wobei sich die Anwendungen über den Einzelhandel hinaus auf Branchen wie die Reifenherstellung und die Industrielogistik ausweiten, wo die Akzeptanz in den letzten Jahren stark zugenommen hat. Tatsächlich werden allein im Jahr 2024 mehr als zwei Milliarden RFID-Tags in der Reifenindustrie verkauft werden.

Eine weitere Herausforderung bei Industrieprojekten ist die Komplexität der Umgebung. Von der Vielfalt der Maschinen über das Vorhandensein von Metallen und Flüssigkeiten bis hin zu strengen Anforderungen an die Nachverfolgung von Geräten und Verbrauchsmaterialien gibt es viele Variablen zu berücksichtigen. Einige Herausforderungen lassen sich auf der Ebene der Tags und Inlays mindern, beispielsweise durch die Entwicklung von On-Metal-Tags. Andere erfordern jedoch fortschrittliche oder maßgeschneiderte integrierte Schaltkreise (ICs), um den vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden.

Maßgeschneiderte ICs für spezielle Anwendungen

Die Anpassung eines RFID-ICs an spezifische Kundenanforderungen oder -bedürfnisse ermöglicht innovative und hochspezialisierte Lösungen. Der Halbleiterhersteller EM Microelectronic hat beispielsweise die weltweit kleinsten und dünnsten RFID-Tags entwickelt, die 1,6 mm x 1,6 mm groß und 150 µm dick sind.

Dies wurde durch die Integration eines IC-Kerns auf Siliziumwafern in Kombination mit einer Coil-on-Chip-Antenne erreicht. Das Ergebnis ist eine komplette Tag-Lösung auf einem Wafer mit einer Nahfeldkommunikationsreichweite von etwa einem Zentimeter. Ein derart kompakter Formfaktor ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die nur wenig Platz benötigen und dennoch eine zuverlässige Nahfeldleistung bieten müssen.

Eine Booster-Antenne kann integriert werden, um die Reichweite des Tags auf bis zu vier Meter zu erweitern und damit seine Funktionalität für Anwendungsfälle wie die Verfolgung von Leiterplatten in Industrie-, Automobil- und Luftfahrtanwendungen zu verbessern. Dies ist ein Beispiel für eine Anwendung, bei der ein extrem kompakter Formfaktor unerlässlich ist. In diesem Szenario kann die Booster-Antenne direkt auf die Leiterplatte gedruckt werden, wobei der RFID-IC auf derselben Platine montiert wird. Dieses Design maximiert die Reichweite und ermöglicht Identifizierungs- und Verfolgungsfunktionen bei gleichzeitig extrem kompaktem Profil.

Solche Konfigurationen zeigen, wie kundenspezifische RFID-IC-Lösungen für hochspezialisierte Anwendungsfälle in verschiedenen Branchen eingesetzt werden können.

Doppelte Frequenz

Da industrielle Projekte mit hohen Infrastrukturinvestitionen und langen Lebensdauern verbunden sind, führt dies oft zu einer gemischten Supply-Chain-Management-Infrastruktur, in der UHF-RFID im 860- bis 960-MHz-Band für bestimmte Prozesse eingesetzt wird, während HF-RFID-Tags spezifische Anforderungen in anderen Bereichen erfüllen.

In diesem Zusammenhang sind unterschiedliche Technologien entscheidend, um den besonderen Anforderungen verschiedener Branchen gerecht zu werden. Die Dualfrequenz-Technologie hat sich als transformative Lösung herausgestellt, die die Lücke zwischen verschiedenen Systemen schließt und es Unternehmen ermöglicht, ihre Abläufe in unterschiedlichen Umgebungen zu optimieren.

EM Microelectronic war das erste Unternehmen, das mit der RAINFC-Chipkombination Dualfrequenz-Chips auf den Markt brachte. Der em|echo wurde 2016 eingeführt und 2020 durch die zweite Chipgeneration ersetzt: den em|echo-V.

Unabhängig davon, ob eine bestehende Infrastruktur auf HF-Technologie oder auf UHF-RFID basiert, können Dualfrequenz-Lösungen eine nahtlose Integration gewährleisten. Sie können UHF-RFID dort implementieren, wo es Ihren Geschäftszielen entspricht, und gleichzeitig HF- oder NFC-Technologie nutzen, um eine verbesserte Produktinteraktion zu ermöglichen.

Pierre Muller – RFID Business Unit Manager

Die Anwendung dieser Technologien in verschiedenen Anwendungsfällen ist jedoch nicht ohne Hindernisse. Technologien, die für bestimmte Anwendungen wie den Einzelhandel entwickelt wurden, erfüllen oft nicht die besonderen und anspruchsvollen Anforderungen industrieller Anwendungsfälle.

Aufgrund längerer Entscheidungszyklen, geringerer Produktionsmengen und hochspezifischer Anforderungen stehen Industriezweige oft vor Herausforderungen, wenn sie versuchen, handelsübliche RFID-Lösungen anzupassen. Dies unterstreicht die Bedeutung maßgeschneiderter Ansätze, um die effektive Implementierung von Technologien in industriellen Anwendungen sicherzustellen.

Der nächste Abschnitt dieses Artikels konzentriert sich auf spezifische Anwendungsfälle für UHF-RFID- und Dualfrequenz-Technologien.

RFID- und NFC-Technologie im Einsatz bei der SBB

Die Bahnindustrie stellt RFID-Implementierungen vor besondere Herausforderungen, insbesondere in Szenarien mit langen Lebenszyklen und Änderungen der Eigentumsverhältnisse von Vermögenswerten wie Eisenbahnwaggons. Im Gegensatz zu Konsumgütern erfordern Schienenfahrzeuge rekonfigurierbare elektronische Produktcodes (EPCs), um sich an neue Eigentumsverhältnisse oder betriebliche Anforderungen in verschiedenen Ländern anzupassen. Diese Herausforderung wurde in einer Zusammenarbeit zwischen dem Halbleiterhersteller EM Microelectronic und den Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) angegangen.

Die SBB setzt seit mehr als einem Jahrzehnt UHF-RFID ein. Das Eisenbahnunternehmen baut schrittweise ein effizientes System rund um diese Technologie auf, um eine kontinuierliche Zustandsüberwachung und Wartungsplanung seiner Schienenfahrzeuge zu ermöglichen.

UHF-RFID wird für die Hochgeschwindigkeits- (250 km/h) und Langstrecken-Fahrzeugidentifikation eingesetzt, während die NFC-Technologie nun für Wartungsarbeiten verwendet wird.

Typische Anwendungsfälle für UHF-RFID in der Schienenwartung, -reparatur und im Betrieb (MRO) sind die Erfassung von Radlasten und Heißläufern, akustische Messsysteme für Achsen- und Traktionsmotorlager, Messsysteme für Radsätze am Gleisrand sowie die Bestätigung und Abrechnung der automatisierten Außenreinigung von Fahrzeugen.

Auf der anderen Seite nutzt die SBB die NFC-Technologie für Unterflur-Drehmaschinen und ähnliche Produktionsmaschinen, tragbare Radsatzmesssysteme in der Werkstatt, die Bestätigung von technischen Kontrollen und Innenreinigungen in Rangierbahnhöfen sowie die Erfassung von Korrekturaufträgen im Betrieb und in der Instandhaltung.

Eine wichtige Anforderung ist die genaue Identifizierung einzelner Komponenten wie Drehgestelle oder Räder, die bei Wartungsarbeiten häufig zwischen Fahrzeugen ausgetauscht werden.

Wartungsaufzeichnungen müssen mit diesen Komponenten und nicht mit dem Zug selbst verknüpft werden, um ein effektives Lebenszyklusmanagement zu unterstützen. Eine Kombination aus UHF-RFID- und NFC-Technologie wird für die Fahrzeug- und Komponentenidentifizierung in der Wartung und in der Lieferkette eingesetzt. Das Ergebnis: Echtzeit-Diagnose von Schienenfahrzeugen und 100 %ige Fahrzeugidentifizierung.

Digitaler Zwilling für vorausschauende Wartung

In der Praxis unterhält die SBB in ihrem ERP-System einen digitalen Zwilling jedes Zuges, der für die vorausschauende Wartung von entscheidender Bedeutung ist. Derzeit setzt die SBB UHF-RFID- und QR-Code-Technologie ein. QR-Codes werden derzeit zur Identifizierung von Komponenten während der Wartung verwendet. Allerdings verschmutzen QR-Codes oft und sind dann schwer zu lesen. Dies veranlasste die SBB, NFC als alternative Lösung zu untersuchen.

Einer der Hauptvorteile dieses Anwendungsfalls ist die Datenkonsistenz mit der Shared-Memory-Architektur und der nahtlose Zugriff über UHF-RFID- und NFC-Schnittstellen. Dadurch entfällt die doppelte Programmierung während der Wartungsarbeiten.

Die SBB war auch auf der Suche nach einer Lösung, mit der sich das Tag über die NFC-Schnittstelle besser identifizieren lässt. Außerdem wollte sie gemeinsame Passwörter für beide Schnittstellen ermöglichen, um die Infrastruktur und die Verwaltung der Zugriffsrechte zu vereinfachen. Daher haben wir unsere neueste Generation von Dualfrequenz-Chips em|echo-V an die spezifischen betrieblichen Anforderungen der SBB angepasst. Unser neuestes Produkt, das em|echo-I, wurde bereits erfolgreich getestet, und wir freuen uns darauf, dieses Produkt ab dem ersten Quartal 2025 in der Schweizer Eisenbahn im Einsatz zu sehen.

Pierre Muller – RFID Business Unit Manager

Der neue em|echo-I-Chip von EM Microelectronic verfügt über einen größeren Tag-Speicher, der häufig erforderlich ist, wenn in der Anwendung keine nahtlose Netzwerkverbindung verfügbar ist. Mit einem größeren Speicher geht die Herausforderung einher, effizient auf Daten zuzugreifen. Als Lösung bietet der aktuelle Gen2v3-Standard auf der UHF-Seite neue Funktionen wie eine dynamische Leistungsanpassung für eine verbesserte Tag-Identifizierung und Systemeffizienz.

Außerdem ist er vollständig abwärtskompatibel mit bestehenden Lesegeräten. Mit der Einführung des em|echo-I als vollständiges Gen2v3-Produkt treibt EM Microelectronic die Einführung des neuen Standards voran und hat der SBB zukunftssichere Lösungen für langfristige Zuverlässigkeit und Leistung bereitgestellt.

Kombination von UHF-RFID und HF-RFID im Gesundheitswesen

Ähnlich wie im industriellen Bereich stellt auch das Gesundheitswesen aufgrund der Komplexität seiner Lieferkette und der kritischen Betriebsumgebungen besondere Herausforderungen an die Bestandsverwaltung und Prozessautomatisierung. Diese Herausforderungen können mit Hilfe der Dualfrequenz-Technologie bewältigt werden.

So hat beispielsweise WaveMark, ein Geschäftsbereich von Cardinal Health, sowohl UHF- als auch HF-RFID-Lösungen in der gesamten Lieferkette des Gesundheitswesens eingesetzt, von der groß angelegten Bestandsverfolgung bis hin zu Anwendungen am Einsatzort.

UHF-RFID wird in erster Linie für die Lieferketten- und Bestandsverwaltung eingesetzt und bietet Lesefunktionen mit großer Reichweite und hohem Volumen. HF-RFID wird hingegen in intelligenten Schränken und Operationssälen verwendet. Im chirurgischen Umfeld ermöglicht HF-RFID die automatisierte Dokumentation der Gerätenutzung, die Überprüfung von Verfallsdaten und die Identifizierung von zurückgerufenen Artikeln. Dies minimiert nicht nur medizinische Fehler, sondern kann auch Leben retten. Die gesammelten Daten werden gleichzeitig in die Patientenakten eingetragen, was eine genaue Dokumentation gewährleistet und den Verwaltungsaufwand reduziert.

Kombination von RFID mit Sensortechnologie

Die Integration von Sensorfunktionen in die RFID-Technologie hat die Anwendungsmöglichkeiten vollständig passiver RFID-Systeme verändert. Denken Sie an Szenarien wie die Feuchtigkeitserkennung in der Automobilfertigung, die Steuerung der Umgebungsbedingungen in großen Gewächshäusern oder die Überwachung von Industriemaschinen auf Überhitzung. All diese Anwendungsfälle können mit standardmäßiger passiver RFID-Technologie in Kombination mit Sensoren gelöst werden.

Durch die Kombination von UHF-RFID-Infrastruktur und fortschrittlichen Sensorfunktionen können Unternehmen kapazitive Sensorik einsetzen. Dies eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, darunter Feuchtigkeitserkennung, Überwachung der Lichtintensität und Näherungssensorik. em|aura-sense von EM Microelectronic ist ein Beispiel dafür, wie ein herkömmlicher passiver RFID-Chip zu einem voll funktionsfähigen Sensorgerät aufgerüstet wurde.

em|aura-sense

• EPC- und UHF-RFID-IC von EM Microelectronic

• Ein Chip, der kapazitive Sensorik mit UHF-RFID-Technologie kombiniert

• Anwendungen: Intelligente Fertigung, Industrie 4.0, vorausschauende Wartung, IoT-Anwendungen, industrielle Sensorik, Hausautomation

• Konform mit ISO/IEC 18000-63 und EPC Gen2v2

Wir arbeiten auf Standardebene, um sicherzustellen, dass alle Daten über standardisierte Schnittstellen zugänglich und nicht bündelspezifisch sind. Aus diesem Grund haben wir das Snapshot-Sensor-Konzept in den Gen2v2-Standard integriert. Durch die vollständige Entkopplung der Sensor- und HF-Elemente gewährleistet der Chip zudem hochwertige, zuverlässige Daten, die sich nahtlos in bestehende Systeme integrieren lassen.

Pierre Muller – Leiter des Geschäftsbereichs RFID

Kapazitive Sensorik in Automobilanwendungen

RFID- und Sensortechnologien werden in der Automobilfertigung häufig eingesetzt, insbesondere zur Überwachung kritischer Umgebungs- und Betriebsparameter. Die kapazitive Sensorik, eine Schlüsseltechnologie in diesem Bereich, kann zur Erkennung potenzieller Wasserlecks während des Produktionsprozesses eingesetzt werden. Außerdem ermöglicht sie die Echtzeitüberwachung der Maschinen- oder Motorleistung durch die Erkennung von Überhitzungsereignissen.

Ein Beispiel aus der Praxis ist die von dem thailändischen Elektronikunternehmen Cleantech and Beyond entwickelte digitale Mehrfach-Temperaturanzeige, in die der em|aura-sense-Chip integriert ist. Diese Technologie wird zur Erkennung von Überhitzungen in Motoren eingesetzt. Kapazitive Sensoren, in die fortschrittliche RFID-Chips eingebettet sind, können Temperaturänderungen genau messen.

Dies wird durch die Verwendung von Materialien erreicht, die als Reaktion auf Umgebungsparameter wie Temperaturschwankungen Kapazitätsänderungen aufweisen. Dadurch kann der Tag Temperaturänderungen durch kapazitive Sensorik erkennen. Der Tag ist auch in einer NFC- oder QR-Code-Variante erhältlich.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Systems ist die Irreversibilität der Materialveränderungen bei Einwirkung extremer Temperaturen. Dadurch wird sichergestellt, dass jede Temperaturabweichung aufgezeichnet wird, auch wenn der RFID-Tag nicht aktiv mit Strom versorgt wird. Dieses batterielose Design ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung. Darüber hinaus bietet das System sowohl visuelles Feedback – durch eine Farbänderung des Materials für Personalinspektionen – als auch digitale Daten, die bei routinemäßigen Inventurscans effizient ausgelesen werden können. Die erfassten Sensordaten können dann in Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP) integriert werden.

Bodenfeuchtigkeitsüberwachung mit kapazitiven Sensoren

Eine weitere Anwendung für kapazitive Sensorik mit RFID ist die Umweltüberwachung in der Landwirtschaft. Hier werden Gewächshäuser intelligent.

In der Praxis eignet sich die kapazitive Sensortechnologie ideal zur Erfassung des Bodenfeuchtigkeitsgehalts, was eine präzise Bewässerungssteuerung ermöglicht. Der Halbleiterhersteller EM Microelectronic hat sich beispielsweise mit Microsensys zusammengetan, um einen innovativen Tag für die Bodenfeuchtigkeitsmessung zu entwickeln. Der em|aura-sense-Tag wird mit jeder Pflanze gepflanzt. Der Tag ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung des Bodenfeuchtigkeitsgehalts in Echtzeit.

Dank dieser Funktion können automatisierte Bewässerungssysteme die Wasserzufuhr für jede einzelne Pflanze entsprechend ihren spezifischen Bedürfnissen optimieren, wodurch Ressourcenverschwendung reduziert und optimale Wachstumsbedingungen gewährleistet werden.

Studien haben auch gezeigt, dass UHF-RFID-Tags mit kapazitiven Sensoren zur Überwachung von Erdrutschen eingesetzt werden. Der Sensor-Tag wird in der Nähe der Bodenoberfläche platziert. Durch die Überwachung des Wassergehalts des Bodens in gefährdeten Gebieten kann die Wahrscheinlichkeit eines Erdrutsches vorhergesagt und im Voraus geeignete Evakuierungs- oder Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um Katastrophen zu verhindern.

Pick-by-Light-Anwendungen

In Verbindung mit sensorbasierten Lösungen kann die RFID-Technologie auch zur Bewältigung komplexer betrieblicher Herausforderungen eingesetzt werden, beispielsweise für Pick-by-Light-Anwendungen in Rechenzentren und ähnlichen Umgebungen. Die Identifizierung bestimmter Komponenten, wie z. B. eines von einem IT-System gemeldeten defekten Kabels, kann oft eine Herausforderung darstellen, insbesondere in dichten oder unübersichtlichen Umgebungen. Um diese Aufgabe zu vereinfachen, kann die RFID-Technologie so angepasst werden, dass visuelle Indikatoren direkt in das System integriert werden.

Standard-RFID-ICs können neu konfiguriert werden, um anwendungsspezifische Anforderungen zu integrieren. Beispielsweise können LEDs bestimmten Kabeln oder Komponenten zugeordnet werden.

Sobald die eindeutige Kennung (UID) des gewünschten Elements angegeben ist, aktiviert das System die entsprechende LED und zeigt so visuell dessen Position an. Dieser Ansatz vereinfacht den Abrufprozess erheblich und reduziert den Zeitaufwand für Wartungs- oder Fehlerbehebungsarbeiten.

Sicherheit ist in jeder Branche entscheidend

Vertrauen ist die Grundlage jedes Geschäfts, und sichere Lösungen sind für den Aufbau von Vertrauen unerlässlich. Sicherheit ist in jeder Branche von entscheidender Bedeutung, und die RFID-Technologie spielt eine wichtige Rolle beim Schutz von Anwendungen vor Fälschungen und unbefugtem Zugriff.

Vom Einzelhandel über die Pharmaindustrie bis hin zur Automobil- und Industriebranche können gefälschte und nicht autorisierte Teile schwerwiegende Folgen haben und sowohl die Qualität als auch die Sicherheit beeinträchtigen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden RFID-IC-Lösungen häufig individuell angepasst, um fortschrittliche Sicherheitsfunktionen und Kommunikationsprotokolle zu integrieren, die auf die spezifischen Kundenanforderungen zugeschnitten sind.

Die Einbettung kryptografischer Funktionen in UHF-RFID-Tags ist ein komplexer Prozess, der eine Kombination aus Fachwissen in den Bereichen Sicherheit und energiesparender Betrieb erfordert. Diese Tags enthalten häufig Algorithmen wie den AES Crypto Core und andere spezielle Protokolle, wie z. B. den Einmalpasswort-Algorithmus, der für einzigartige Anwendungen wie Web-Authentifizierung und sichere Zugriffskontrolle entwickelt wurde.

Sicherheit sollte nicht auf die leichte Schulter genommen werden, da Fehler leicht gemacht werden und kostspielig sein können. Bei EM Microelectronic passen wir unsere IC-Lösungen an, um spezifische Protokolle wie Artefato, P63 und Siniav in Brasilien einzubetten. Unsere aura-C-Krypto-verstärkten UHF-RFID-ICs sind ISO29167-konform und verfügen über bis zu sechs Kryptoschlüssel. Wir liefern auch Sicherheitslösungen für HF-Produkte, wie wir es mit dem EM4237 NFC/HF-IC getan haben. Dadurch eignet sich der IC für Closed-Loop- und Zugangskontrollanwendungen. Der Schutz von Marken ist einer unserer Schwerpunkte.

Pierre Muller – Leiter des Geschäftsbereichs RFID