RFID-Sensoren für das Internet der Dinge

Bereits seit einigen Jahren beschäftigt das Internet der Dinge Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen gleichermaßen. Der Begriff wurde 2002 durch Kevin Ashton, den damaligen Leiter des Auto-ID Centers am Massachusetts Institute of Technology (MIT) geprägt, das zu dieser Zeit eine firmenübergreifende RFID-Infrastruktur entwarf. Im Forbes Magazine  wurde Ashton folgendermaßen zitiert: „We need an internet for things, a standardized way for computers to understand the real world.“ Der Titel des Beitrags lautete damals „Internet of things“, zu Deutsch: Internet der Dinge.

Lange blieb das Konzept recht abstrakt, doch mit dem verstärktem Einsatz von RFID-Technologien scheint heute auch der technische Grundstein der Vernetzung  von physischen Gegenständen mit der digitalen Welt gelegt zu sein.

Identifikation mittels RFID

Die Abkürzung steht für „Radiofrequenzidentifikation“ und beschreibt eine Methode, um Objekte drahtlos zu identifizieren. Das Auslesen der Daten erfolgt kontaktlos über magnetische Wechselfelder oder hochfrequente Funkwellen.

Die Hardware eines RFID-Systems besteht aus einem Identifikations-Transponder, auch „Tag“ genannt, sowie einem Lesegerät, das auch als Reader bezeichnet wird. Der Begriff Transponder setzt sich aus „Transmitter“ und „Responder“ zusammen und beschreibt damit die Sende- und Empfangsfähigkeit des Tags. Dieser besteht aus einem integrierten Schaltkreis und einer Antenne, die außerdem maßgeblich die Größe und die möglichen Auslesedistanzen des Tags bestimmt. Grundsätzlich gilt: Je größer die Antennenabmessungen, desto größere Reichweiten sind möglich.

Der Reader kann in Abhängigkeit der verwendeten Technologie auch als Lese- und Schreibeinheit verstanden werden. Er besteht im Regelfall aus einer Steuerungseinheit, einem Hochfrequenzmodul und einer Antenne, mit der mittels magnetischer Wechselfelder die Daten und die Energie für den Lesevorgang übertragen werden.

Die Tags lassen sich in aktive, semi-passive und passive Systeme unterscheiden. Während aktive Tags über eine eigene Energiequelle, wie etwa eine Batterie, verfügen, beziehen passive Tags ihre Energie ausschließlich aus dem Feld eines Readers. Semi-passive Tags hingegen verfügen über eine interne Stützbatterie, die für zusätzliche Funktionen eingesetzt werden kann. Außerdem unterscheidet man verschiedene Arbeitsfrequenzen, die einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, insbesondere auf die Reichweiten eines RFID-Systems haben:

• LF – Niederfrequenz (125 kHz)
• HF – Hochfrequenz (13,56 MHz)
• UHF – Ultrahochfrequenz (868 oder 915 MHz)
• Mikrowelle, 2,45 Ghz

Tabelle 1 – Merkmale RFID nach Frequenzbereichen

In der passiven Transpondertechnik wird in den unteren Frequenzbändern (LF, HF) die induktive Kopplung, in den höheren Frequenzbereichen (UHF, Mikrowelle) hingegen die aus der Radartechnik bekannte Strahlungskopplung (Back-Scatter-Verfahren) eingesetzt.

Wellen, die auf ein Objekt treffen, werden in Richtung ihrer Quelle reflektiert. Das Back-Scatter-Verfahren nutzt diese Eigenschaft zwar aus, jedoch können auch unbeabsichtigte Reflektionen im unmittelbaren Umfeld – beispielsweise auf Metall – auftreten. Auch kann die elektromagnetische Strahlung (beispielsweise von Wasser) absorbiert werden. Beide Effekte führen zu einer ungleichmäßigen Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen, was eine exakte Vorhersage des realen Antennenfelds in der Praxis erschwert.

Die Middleware ist das letzte Element eines kompletten RFID-Systems. Diese übernimmt die Kommunikation vom Transponder bis hin zu übergeordneten Systemen. Die Middleware stellt die Verbindung zwischen Readern unterschiedlicher Hersteller her, erkennt welcher Tag welche Daten liefert und liest diese mit passenden Mechanismen aus. Anschließend werden die gewonnenen Datensätze an die bestehende IT-Infrastruktur und Anwendungen übergeben.

Einsatzfelder von RFID-Systemen

RFID-Systeme werden fast überall eingesetzt, wo automatisierte Kennzeichnung, Identifikation, Registration, Lagerung, Überwachung oder auch Transport erforderlich sind. Als Querschnittstechnologie ist sie heute fester Bestandteil vieler Branchen. Vor allem in der Logistik ist die Technologie etabliert. Sie ermöglicht die individuelle Kennzeichnung und Nachverfolgbarkeit von Produkten über die gesamte Supply Chain.

Zudem hat RFID in unseren Alltag Einzug gehalten. So findet man die Chips etwa in Schlüsselkarten, Geldkarten und -scheinen, Ausweispapieren oder als Haustierkennzeichnung.

Das RFID-Sensor-System

Kombiniert man einen und einen RFID-Schaltkreis, können wie bei einem konventionellen Transponder die Identifikationsdaten ausgelesen werden. Außerdem lassen sich zusätzlich, abhängig von der Art des Sensors, physikalische Größen wie Druck, Feuchtigkeit, Temperatur und Erschütterung erfassen. Gegenüber konventioneller Messwerterfassung hat das RFID-Sensor-System einige Vorteile. Bei passiven RFID-Sensoren kann die Energie zur Messung und Datenübertragung vollständig aus dem elektromagnetischen Feld des Readers gewonnen werden. Damit ist keine zusätzliche Energieversorgung nötig, Kabel sind überflüssig und es ist keine Energiequelle  wie beispielsweise Batterien nötig. Das spart Bauraum, erhöht die gesamte Lebensdauer und minimiert Wartungskosten und -aufwand, da die Notwendigkeit eines turnusmäßigen Batteriewechsels entfällt.

Bei der Auswahl der integrierten oder angebundenen Sensoren ist besonderes Augenmerk auf den Energiebedarf zu legen, da die übermittelte Energie des Readers zur Messung und zur Übertragung ausreichen muss. Darüber hinaus nimmt der Energiebedarf des Sensors unmittelbar Einfluss auf die mögliche Distanz zwischen Reader und RFID-Sensor.

Tabelle 2 – Merkmale RFID-Sensoren nach Frequenzbereichen

RFID-Schaltkreise mit Sensorschnittstelle

An klassische RFID-Transponderschaltkreise können keine Sensoren angeschlossen werden. Zur Anbindung von Sensoren sind spezielle Schaltkreise notwendig, die sowohl ein Standard-RFID-Protokoll unterstützen als auch Schnittstellen für verschiedene komplexe oder Sensormodule aufweisen. Geeignet sind einerseits analoge Schnittstellen zur Anbindung von resistiven, induktiven und kapazitiven Sensoren. Für den Nutzer einfacher gestalten sich jedoch zumeist digitale Schnittstellen wie I²C oder SPI. Darüber lassen sich Sensormodule unkompliziert anschließen. Neben dem Generieren von Messwerten können zusätzliche Einstellungen vorgenommen und so beispielsweise der Betriebsmodi des Sensors bei Bedarf variiert werden.

RFID-Sensoren und Auto-ID

Die Kopplung von RIFD-Sensoren und Auto-ID eröffnet neue Anwendungsfelder wie beispielweise die Baubranche. Verbaut man etwa die RFID-Sensoren im Mauerwerk, kann die Feuchtigkeit gemessen werden. So kann man Veränderungen im Mauerwerk rechtzeitig detektieren und größere Gebäudeschäden vermeiden. Batteriebetriebene oder kabelgebundene Sensoren sind in dieser Anwendung ungünstig, da die Lebensdauer der Batterie dem des Gebäudes kaum gleichkommt (Bild 1).

Bild 1: Feuchtemessung im Mauerwerk mit RFID-Sensor des Fraunhofer IPMS Fraunhofer IPMS

Ein weiteres Anwendungsfeld ist das Condition Monitoring von Großanlagen. Stillstandszeiten für die Instandhaltung in Prozessanlagen sind überaus kostenintensiv. Die Instandhaltung muss daher im Vorfeld effizient geplant werden, um den Wartungszeitraum  möglichst kurz zu halten. RFID-Sensoren an den richtigen Stellen, gekoppelt mit einer intelligenten Datenanalyse, können schon im Voraus Hinweise für Beschädigungen oder Verschleiß liefern und so eine bessere Planung gewährleisten. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen in Prozessanlagen sind batteriebetriebene oder kabelgebundene Sensoren dort häufig nicht einsetzbar. Für passive RFID-Sensoren stellt dies hingegen kein Problem dar.

Auch in Bereichen, wo die RFID-Technologie längst Standard ist, lässt sich durch die Einbindung von RFID-Sensoren die Funktionalität erhöhen. Ein gutes Beispiel ist die Überwachung von Kühlketten. In RFID-Tags integrierte Sensoren liefern dabei einen sicheren Nachweis über die Einhaltung von vorgeschriebenen Temperaturwerten über die gesamte Kühlkette hinweg.

Herausforderung Systemintegration

Bild 2: Aufbau Fraunhofer IPMS RFID-Sensor-System. Fraunhofer IPMS

Die Herausforderung in der Vernetzung der Komponenten von RFID-Sensor-Systemen (Bild 2) besteht in der Vielfalt der eingesetzten Technologien. Denn RFID-Sensoren- und ID-Tags sowie Reader unterscheiden sich je nach Hersteller, genutztem Frequenzband, Protokoll und . Das ist ein Problem, das sich auf fast alle IoT-Anwendungen skalieren lässt. Eine Antwort auf diese Problematik liefert der Standard OPC UA, dessen Server-Architektur serviceorientiert ist. Alle Basis-Services sind protokollunabhängige Methodenbeschreibungen, und beschreiben die Grundlage für die herstellerunabhängige Übertragung von Rohdaten und vorverarbeiteten Informationen von der Sensorebene bis hinauf zum Leitsystem sowie in weitere übergeordnete Planungssysteme. Aufgrund der einheitlichen Schnittstelle wird der Standard häufig als Wegbereiter für das Internet of Things beziehungsweise für die Industrie 4.0 bezeichnet.

Bild 3: Systemintegration mit OPC UA. Fraunhofer IPMS

Die RFID-Middleware RFID-OPC-UA-AutoID-Server, kurz ROAD-Server des Fraunhofer IPMS, (Bild 3) hat diesen Standard in die  RFID-Sensor-Systeme implementiert, um die Anbindung an OPC-UA-Infrastrukturen zu erleichtern. Der ROAD-Server wurde insbesondere im Hinblick auf die einfache Anbindung von RFID-Sensorik entwickelt. Die Middleware wählt auf Basis der erkannten Reader- und Transpondertypen die geeignete Ansteuerung aus und ermöglicht den Zugriff  auf die RFID-Sensoren und ihre integrierten Funktionalitäten über die einheitliche OPC-UA-Schnittstelle.

Praxisanforderungen an smarte RFID-Sensorsysteme

Im Kontext des Internets der Dinge nehmen smarte Identifikationsverfahren und Sensoren eine grundlegende Rolle ein. Der zentrale Fortschritt in der vernetzten Welt von morgen liegt in der globalen Verfügbarkeit lokaler, eindeutig identifizierbarer Messergebnisse über Anwendungen und räumliche Grenzen hinweg. Das beginnt bei intuitiv bedienbaren Lösungen zur einfachen Messwerterfassung, über die Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen für mobile Betriebssysteme bis hin zur Integration von Datenerfassung und Steuerung in Industrieumgebungen, sowie professionelle Cloud-Anwendungen.

In der Praxis können die Anforderungen an RFID-Sensorsysteme je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein. Antennenform und Positionierung der RFID-Sensoren, Umgebungsbedingungen und Applikationsmaterialen, sowie die umliegende IT-Infrastruktur können die Leistungsfähigkeit und Funktionalität eines Systems beeinflussen. Es haben sich daher sogenannte Proof of Concepts bewährt, um die die Eignung der Technologie im Vorfeld zu bewerten.

(tm)