RFID

RFID steht für „Radio Frequency Identification“ und bezeichnet eine Technologie, die den kontaktlosen und automatisierten Austausch von Informationen mittels elektromagnetischer Radiowellen ermöglicht. RFID-Technologie ermöglicht es, Objekte, Tiere oder Personen mithilfe von kleinen elektronischen Geräten, den sogenannten RFID-Tags oder -Transpondern, eindeutig zu identifizieren. Ein RFID-System besteht aus integrierten Schaltkreisen (RFID-Chips). Diese winzigen elektronischen Schaltkreise sind mit Antennen ausgestattet. Ein RFID-Chip ist das Herzstück eines RFID-Transponders, RFID-Etiketts oder RFID-Sensors.

Jeder RFID-Transponder hat mindestens eine eindeutige Identifikationsnummer. Mit RFID-Lesegeräten oder RFID-Schreib-/Lesegeräten können Informationen auf dem Chip gespeichert und ausgelesen werden. RFID-Systeme bilden die Grundlage für die Digitalisierung von Unternehmen und das Internet der Dinge (IoT).

Die RFID-Technologie basiert auf elektromagnetischen Radiowellen. RFID-Systeme bestehen aus verschiedenen Komponenten. Vereinfacht ausgedrückt sind dies eine Sende- und eine Empfangseinheit.

Konkret besteht ein RFID-System in den meisten Fällen aus passiven RFID-Transpondern (auch passive RFID-Tags oder RFID-Etiketten genannt), die keine eigene Stromversorgung in Form einer Batterie besitzen. Die zweite Komponente ist das RFID Schreib-/Lesegerät. Das RFID-Lesegerät (Wireless RFID Reader) erzeugt ein elektromagnetisches Feld, indem es Funkwellen über seine Antenne aussendet.

Befindet sich der passive RFID-Transponder in der Nähe dieses elektromagnetischen Feldes, induziert das Feld einen Strom in der Antenne des Transponders. Dieser Strom versorgt den Transponder mit Energie. Durch diese Energie wird der Transponder aktiviert und kann auf Anfragen des RFID-Lesegerätes reagieren. Diese einfache RFID-Funktionalität basiert auf dem Resonanzprinzip und der berührungslosen magnetischen (induktiven) Kopplung.

Durch die Kopplung ist der RFID-Tag in der Lage, die im Transponder gespeicherten Daten an das Lesegerät zu senden oder auf Anforderung vom Lesegerät auch neue Daten zu empfangen und zu speichern. Je stärker das elektromagnetische Feld ist, desto größer ist die Lesereichweite zwischen RFID-Transponder und RFID-Lesegerät.

Ein RFID-Lesegerät, auch Reader genannt, kann nur Daten von einem RFID-Tag empfangen. Der Datenaustausch erfolgt in eine Richtung. Meistens wird dieses RFID-System verwendet, wenn der RFID-Tag nur die eindeutige Kennung (ID) des Objekts senden soll. Zum Beispiel zur eindeutigen Identifikation oder Tracebility. Ein RFID Schreib-/Lesegerät hat auch die Möglichkeit, Informationen zurück an den Transponder zu senden und auf diesen zu schreiben. Nützlich in Anwendungen, bei denen die Daten auf den RFID-Tags aktualisiert werden müssen. Dies können zum Beispiel Produktinformationen sein.

Die Lesereichweite von RFID-Systemen hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Art des RFID-Tags (aktiv oder passiv), der Frequenz, mit der das System arbeitet, und der Sendeleistung des Lesegeräts. Da die Lesereichweite für die RFID-Anwendung von großer Bedeutung ist, werden im Folgenden die verschiedenen RFID-Systeme (passiv oder aktiv) und die verfügbaren Frequenzbänder näher erläutert. Die passgenaue Auswahl von RFID-Produkten ermöglicht die Erhöhung der RFID Reichweite.

Neben der Hardware gehört auch eine Middleware (Software) zum RFID-System. Die Middleware oder auch der RFID-Server filtern und analysieren die Informationen und integrieren sie in andere Systeme wie Software zur Lagerverwaltung oder ERP-Systeme.

Ein RFID-Inlay ist die Grundkomponente eines jeden RFID-Tags oder -Transponders. Das Inlay besteht aus zwei Komponenten: dem RFID-Chip und der Antenne.

Das Inlay kann auch mit Sensorik ergänzt werden. Zum Beispiel können Temperatur-, Feuchtigkeits-, Bewegungs- oder Lichtsensoren integriert werden. Einige Tags verfügen über einen zusätzlichen Speicher für benutzerdefinierte Daten oder zu Protokollzwecken. Dieser Speicher kann schreibgeschützt oder beschreibbar sein. Um für Sicherheit des RFID-Systems in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu sorgen, können RFID-Tags kryptografische Module zur Verschlüsselung und zum Schutz der Daten enthalten. Aktive RFID-Tags enthalten Batterien oder andere Energiequellen, die die Reichweite und Funktionalität des Tags erhöhen.

Zusätzlich zu diesen Kernkomponenten ist ein RFID-Inlay auf einem Trägermaterial (in der Regel eine flexible Kunststofffolie) befestigt, das dem Inlay eine gewisse Struktur und Schutz verleiht.

RFID-Inlays werden häufig in Etiketten, Aufkleber oder robuste, wetterfeste Tags integriert. Soll der RFID-Tag in einer rauen Umgebung eingesetzt werden, kann er in ein widerstandsfähiges Gehäuse eingebaut werden. Das Gehäuse bietet physischen Schutz vor Umwelteinflüssen oder mechanischen Beschädigungen, insbesondere in industriellen Anwendungen.

Insgesamt wird Ultra High Frequency Radio Frequency Identification (UHF-RFID) am häufigsten für die Wireless Kommunikation im Industrial Internet of Things (IIoT) eingesetzt, da es höhere Datenübertragungsraten und ein effizientes Gleichgewicht zwischen Reichweite und Signalqualität bietet. Ein Vorteil ist, dass die RFID-Tags aus großer Entfernung und in großen Mengen gleichzeitig gelesen werden können. Welche Frequenzbänder mit welchen Eigenschaften verknüpft sind wird in einem Abschnitt weiter unten geklärt.

Laut einem Bericht des amerikanischen Marktforschungs- und Beratungsunternehmens "Global Market Insights" tragen Anwendungen wie Einzelhandel, Gesundheitswesen, Industrie, Behörden und Finanzdienstleistungen zum Wachstum des RFID-Marktes bei. Das indische Marktforschungs- und Beratungsunternehmen „Mordor Intelligence“ geht davon aus, dass der RFID-Markt bis 2029 um fast 12 Prozent wachsen wird. So wird beispielsweise erwartet, dass der Einsatz von RFID im Einzelhandel zwischen 2024 und 2032 mit einer durchschnittlichen Wachstumsrate von über 12,2 Prozent zunehmen wird. Der RFID-Markt setzt sich nach Komponenten aus Tags, Antennen, Lesegeräten und Middleware zusammen. RFID-Tags hatten 2023 einen Marktanteil von über 40 Prozent.

Der Unterschied zwischen einem passiven und einem aktiven RFID-System liegt hauptsächlich in der Energieversorgung und den sich daraus ergebenden Einsatzmöglichkeiten. Hier die wichtigsten Unterschiede und Einsatzgebiete:

Passive RFID-Systeme

Passive RFID-Tags haben keine eigene Energieversorgung. Sie beziehen ihre Energie aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegeräts. Deshalb senden sie nur Signale aus, wenn sie angesprochen werden. Die Lesereichweite liegt in der Regel zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern, abhängig von der Frequenz und der Größe der Antenne. Im Vergleich zu aktiven Transpondern sind passive Tags kostengünstiger und kommen häufiger zum Einsatz.

Anwendungsbereiche für passive RFID-Systeme Warenverfolgung im Handel | Inventur | Zugangskontrolle | berührungslose Zugangskarten | Bibliotheken und Ausleihsysteme | Verfolgung von Waren oder Paketen über kurze Distanzen

Aktive RFID-Systeme

Aktive RFID-Tags verfügen über eine eigene Energiequelle, in der Regel eine Batterie. Die Batterie ermöglicht es ihnen, stärkere Signale auszusenden. Sie sind nicht allein auf das elektromagnetische Feld des RFID-Lesegeräts angewiesen. Die Lesereichweite kann bis zu 100 Meter oder mehr betragen, da die Tags ihr eigenes Signal aussenden. Aktive RFID-Tags sind teurer als passive Tags, da sie eine Batterie und zusätzliche Elektronik enthalten.

Anwendungsbereiche für aktive RFID-Systeme Verfolgung von Containern oder Waren über größere Entfernungen | IoT-Asset-Management | Überwachung wichtiger oder teurer Geräte und Anlagen | Personenverfolgung | Arbeitssicherheit und Notfallüberwachung in gefährlichen Arbeitsumgebungen | Mautsysteme

Semiaktive RFID-Systeme

Eine dritte Form von RFID-Systemen verwendet semiaktive Transponder. Diese Transponder kombinieren Eigenschaften von passiven und aktiven RFID-Tags. Sie sind im Wesentlichen batteriebetriebene passive RFID-Etiketten.

Semiaktive Transponder verfügen über eine eigene Batterie, die den internen Chip und eventuell weitere Komponenten wie Sensoren mit Strom versorgt. Im Gegensatz zu aktiven Tags wird die Batterie jedoch nicht zum Senden von Signalen an das Lesegerät verwendet. Stattdessen nutzen sie das elektromagnetische Feld, das vom Lesegerät ausgesendet wird, zur Kommunikation. Die Reichweite ist oft höher als bei passiven Tags, da der Chip und die Sensoren immer betriebsbereit sind und das Signal besser erkannt werden kann. Die Reichweite ist jedoch geringer als bei aktiven Tags. Ein Vorteil semiaktiver Tags ist ihre längere Lebensdauer im Vergleich zu aktiven Tags, da die Batterie nur für den Betrieb des Chips und der Sensoren verwendet wird.

Einsatzgebiete semiaktiver Transponder Temperaturüberwachung | Use Cases mit Hitzebeständigkeit | Kühlketten und Medikamententransporte | Inventur | Bewegungserkennung | Überwachung von Umgebungsbedingungen

Low Frequency (LF) bezeichnet ein Frequenzband, das in der RFID-Technologie typischerweise bei etwa 125 kHz bis 134 kHz liegt. Die Reichweite von LF-RFID-Systemen ist im Vergleich zu höheren Frequenzen geringer und liegt normalerweise zwischen einigen Zentimetern und maximal einem Meter. Die niedrigere Frequenz ermöglicht eine bessere Durchdringung von nichtmetallischen Materialien, wodurch LF-Tags in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit, Staub oder anderen nichtmetallischen Hindernissen gut funktionieren. LF-RFID-Tags können auch an metallischen Werkzeugen angebracht werden. LF-RFID eignet sich aufgrund der Robustheit und Materialdurchdringung für Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und geringe Störungen entscheidend sind, auch wenn die Reichweite begrenzt ist. Die Datenübertragungsrate ist geringer als bei RFID-Systemen, die auf höheren Frequenzen basieren.

Einsatzbereiche von LF-RFID-Systemen Tieridentifikation | Zugangskontrolle| Für Wegfahrsperren oder das Starten von Autos | Verwaltung von Werkzeugen oder Maschinen in Werkstätten | Verfolgung von Patienten oder medizinischen Geräten | Authentifizierungslösungen | Instandhaltung

High Frequency (HF) ist ein Frequenzbereich, der in der RFID-Technologie üblicherweise bei 13,56 MHz liegt. Die Reichweite von HF-RFID liegt je nach Antennengröße und Umgebungsbedingungen zwischen wenigen Zentimetern und maximal einem Meter. Die Datenübertragungsrate ist höher als bei LF-Systemen, was eine schnellere Kommunikation ermöglicht.

Im Hinblick auf Störungen sind HF-Systeme weniger anfällig für Störungen durch nichtmetallische Materialien, können aber stärker durch Metall und Wasser beeinträchtigt werden. Der HF-Frequenzbereich wird weltweit genutzt und ist stark standardisiert. ISO/IEC 15693 (Smart Label) und ISO/IEC 14443 (kontaktlose Chipkarten) sind zwei wichtige Normen.

Anwendungsbereiche von HF-RFID Kontaktlose Kreditkarten und Bezahlsysteme wie Near Field Communication (NFC) nutzen häufig HF-RFID | Inventarisierung von Büchern | Zutrittskontrollsysteme | Fahrkarten und Tickets | Bestandsmanagement | Asset Management | Werkzeugverfolgung | Dokumentenverfolgung | Pässe und Ausweise | Textilmanagement

Ultra High Frequency (UHF) RFID-Systeme arbeiten im Frequenzbereich von 860 bis 960 MHz. Die Reichweite kann je nach Lesegerät und Umgebung von einigen Metern bis zu 12 Metern oder mehr reichen. Die Reichweite ist somit sehr viel länger als bei HF- oder LF-Technologie. Die Datenübertragungsrate von UHF-RFID ist ebenfalls höher als bei HF- und LF-RFID, was eine schnelle Kommunikation und effiziente Datenübertragung ermöglicht.

Aufgrund der höheren Frequenz ist UHF-RFID anfälliger für Störungen durch Metall und Flüssigkeiten. Spezielle Tag-Designs und Lesegerät-Konfigurationen können jedoch die Leistung verbessern. UHF-RFID ist durch Standards wie EPC Gen 2 (ISO 18000-6C) international standardisiert und wird weltweit genutzt.

Anwendungsbereiche von UHF-RFID Bestandsmanagement | Tracebility | Asset-Tracking | Fahrzeugidentifikation | Mauterhebung | Supply Chain Management | Diebstahlschutz | Event-Management | Produktionsverfolgung | Qualitätssicherung |Predictive Maintenance | Condition Monitoring | Digitalisierung in der Supply Chain

Der Konzern Rosenbauer hat eine RFID-Zero-Defect-Lösung für den automatisierten Nachschub von C-Teilen umgesetzt. Teil des Nachschubsystems sind über 15.000 RFID-gekennzeichnete KLT-Boxen. Diese werden für die Lagerung der C-Teile und für den Transport zwischen dem C-Teile-Lager und der Produktionsstätte verwendet. Durchschnittlich 200 Boxen können bei der Durchfahrt von Routenzügen durch die RFID-Gates an den Produktionsstandorten erfasst werden. Eingesetzt wurden RFID-Lesegeräte, Antennen und die CrossTalk-Plattform von Kathrein Solutions.

Das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) verarbeitet jährlich über 200.000 Probenkristalle. Diese Proben werden bei fast -200°C gelagert. Roboter automatisieren die Behandlung der Proben. Während der Testreihen wird ein maßgeschneiderter, kryoresistenter HF-RFID-Tag von HID verwendet, um die kontinuierliche Identifizierung jeder Probe zu ermöglichen. Roboter identifizieren einzelne Proben, die in „Pucks“ gelagert werden, um sie in ein Analysegerät einzulegen oder aus diesem zu entnehmen.

Umgebungs-, Produktions-, Material- und Qualitätsdaten werden während der gesamten Batterieproduktion erfasst. Durch den Einsatz von HF- und UHF-RFID-Lösungen von Turck hat ein Batteriehersteller in China die Rückverfolgbarkeit der in der Produktion verwendeten Materialien und Komponenten ermöglicht. HF-RFID wird vor allem an Fördersystemen zur Identifikation von Objekten eingesetzt. UHF-RFID wird in der Logistik und Intralogistik in der Produktion eingesetzt. Die RFID-Lösungen haben sowohl Lese- als auch Schreibfunktionen.

Die fortschreitende Digitalisierung hat in der modernen Unternehmenslandschaft einen tiefgreifenden Einfluss, vor allem durch Konzepte wie Industrie 4.0 und das Internet der Dinge (IoT). Diese Entwicklungen nutzen Künstliche Intelligenz (KI in Unternehmen) und maschinelles Lernen, um intelligente, vernetzte Systeme zu schaffen, die eine präzisere und effizientere Betriebsführung ermöglichen. Ein zentraler Aspekt dabei ist der Digital Twin und die Simulation, eine digitale Repräsentation eines physischen Objekts oder Systems, die es Unternehmen ermöglicht, Prozesse zu simulieren und zu optimieren, bevor sie in der realen Welt implementiert werden.

Die Integration von KI und Maschinellem Lernen in Unternehmen führt nicht nur zu verbesserten Produktionslinien durch die nahtlose Einbindung von Robotik, sondern fördert auch die Nachhaltigkeit von Unternehmen. Durch intelligente Analyse von Daten können Ressourcen effizienter genutzt, Emissionen reduziert und der Energieverbrauch minimiert werden. Dies trägt zur Nachhaltigkeit von Unternehmen bei und unterstützt Firmen dabei, nicht nur ökonomisch, sondern auch ökologisch verantwortungsbewusst zu handeln.

In diesem Kontext spielt das IoT eine entscheidende Rolle, indem es Geräte und Maschinen in einer Weise vernetzt, die zuvor nicht möglich war. Diese Vernetzung erlaubt eine umfassende Datenerfassung und -analyse, die wiederum die Basis für maschinelles Lernen und adaptive Entscheidungsfindung bildet. Durch die Verbindung dieser Technologien entstehen intelligente Fabriken und Betriebsabläufe, die die Grundprinzipien von Industrie 4.0 verkörpern und eine neue Ära der digitalen Wirtschaft einläuten.

Die Marktentwicklung der RFID-Technologie hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, da immer mehr Branchen die zahlreichen Vorteile dieser Technologie erkennen und nutzen. Die Einführung von RFID-Systemen wird häufig von einer detaillierten Kosten-Nutzen-Analyse begleitet, die den Unternehmen hilft, die anfänglichen Kosten gegen den langfristigen Nutzen abzuwägen. Zu diesen Vorteilen gehören die Optimierung von Geschäftsprozessen, eine verbesserte Bestandsgenauigkeit, eine höhere Effizienz in der Lieferkette und eine erhöhte Sicherheit. Darüber hinaus ermöglicht RFID eine genauere Verfolgung von Produkten und Gütern, was zu einer erheblichen Verringerung von Verlusten und Diebstählen führen kann.

Die Kosten für die Einführung von RFID variieren je nach Umfang und Komplexität des Systems. Diese Kosten umfassen Hardware wie Tags und Lesegeräte, Softwarelösungen für die Datenverarbeitung und -integration sowie die Schulung des Personals. Trotz dieser Anfangsinvestitionen zeigen Erfahrungen aus verschiedenen Anwendungsbereichen, dass RFID-Systeme eine hohe Rentabilität bieten können, indem sie betriebliche Abläufe verbessern und langfristig Kosten einsparen.

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von RFID-Herstellern und -Anbietern, die eine breite Palette von Produkten und Lösungen für unterschiedliche Anwendungsbedürfnisse anbieten. Diese reichen von einfachen Systemen für kleine Unternehmen bis hin zu hochkomplexen Lösungen für globale Unternehmensnetzwerke. Die Wahl des richtigen Anbieters ist entscheidend, da sie die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems beeinflusst. Unternehmen, die in RFID investieren, können von dieser Technologie profitieren, indem sie ihre Betriebsabläufe optimieren und mehr Transparenz in ihre Prozesse bringen.

In der modernen Technologiewelt werden immer häufiger verschiedene Funktechnologien kombiniert, um die Vorteile der einzelnen Systeme optimal zu nutzen. Die Integration von RFID mit anderen Funktechnologien wie UWB (Ultra-Wideband), SAW (Surface Acoustic Wave), BLE (Bluetooth Low Energy) und NFC (Near Field Communication) eröffnet in vielen Anwendungsbereichen neue Möglichkeiten. Diese hybriden Lösungen können die Ortungsgenauigkeit verbessern, die Reichweite erhöhen und den Energieverbrauch optimieren.

Der Einsatz von RFID und UWB ermöglicht beispielsweise eine sehr genaue Echtzeitlokalisierung, was vor allem in komplexen industriellen Umgebungen nützlich ist, in denen Objekte schnell und genau verfolgt werden müssen. RFID und SAW wiederum bieten Lösungen, die ohne Batterien auskommen und auch unter extremen Umweltbedingungen stabil funktionieren, was sie ideal für Überwachungs- und Wartungsaufgaben macht.

Durch die Kombination von RFID und BLE kann die Verbindung zu mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Tablets vereinfacht werden, was die Benutzerfreundlichkeit von Verbraucheranwendungen wie persönlichen Ortungssystemen oder intelligenten Zahlungssystemen erhöht. NFC, das häufig in Verbindung mit RFID verwendet wird, ermöglicht eine schnelle und sichere Kommunikation über kurze Entfernungen und wird häufig im Einzelhandel und bei kontaktlosen Zahlungssystemen eingesetzt.

Hybride RFID-Lösungen, die Hochfrequenz- (HF) und Ultrahochfrequenz- (UHF) Technologien kombinieren, bieten eine flexible und effiziente Möglichkeit, die Vorteile beider Frequenzbereiche zu nutzen. Diese Kombination ermöglicht es, sowohl die größere Reichweite und schnellere Datenübertragung von UHF als auch die höhere Sicherheit und weniger störungsanfällig gegenüber Metallen und Flüssigkeiten von HF zu nutzen. Solche Systeme sind besonders vorteilhaft in komplexen Umgebungen wie dem Supply Chain Management, wo Artikel auf verschiedenen Ebenen und mit unterschiedlichen Anforderungen verfolgt werden.

Die Integration mobiler und stationärer RFID-Technologie erweitert die Anwendungsmöglichkeiten weiter. Stationäre RFID-Lösungen integrieren beispielsweise RFID-Tunnel oder RFID-Gates.

Mobile RFID-Lösungen nutzen tragbare Geräte wie Smartphones oder spezielle RFID-Scanner, um die Flexibilität und Zugänglichkeit der Technologie zu erhöhen. Die Nutzer können damit ortsunabhängig in Echtzeit auf Daten zugreifen und diese verarbeiten. Dies ist vor allem für Mitarbeiter im Außendienst, in der Logistik oder im Einzelhandel von Vorteil, da sie Lagerbestände überprüfen, Produkte lokalisieren oder Authentifizierungen durchführen können, ohne an einen festen Arbeitsplatz gebunden zu sein.

Alle Kombinationen können die Datenverfügbarkeit, die Konnektivität, die Produktivität und die Prozessabläufe optimieren. Darüber hinaus ermöglichen diese hybriden Lösungen eine bessere Anpassung an spezifische Anforderungen und Herausforderungen, was sie für viele Branchen zu einer wertvollen Investition macht.