| von Costica Dima

Die Auswirkungen des Internet of Things (IoT) werden auf Verbraucherseite oft durch einen erweiterten Komfort und größere Benutzerfreundlichkeit greifbar. So nutzen heutzutage viele Menschen das kontaktlose Bezahlen, ein Verfahren, das durch Kurzstrecken-Funkkommunikation zwischen einem Bezahlterminal und ebenfalls mit dieser Technik ausgestatteten EC- beziehungsweise Kreditkarten, Mobiltelefonen oder Smart Watches möglich ist.

Die dahinter stehende Funktechnologie hat das Potenzial, noch deutlich mehr Bereiche unseres modernen Lebens zu verändern. Eine der etabliertesten Formen der für IoT-Anwendungen genutzten Funkkommunikation ist die RFID-Technologie. Studien prognostizieren, dass der Einsatz dieser Technologie im Einzelhandel durch Anbringung von RFID-Tags an Kleidungsstücken bis zum Ende des Jahrhunderts rasant zunehmen wird.

Produkte mit RFID-Tags werden am Bezahlterminal direkt erkannt. Das macht den Einkauf für Kunden unkomplizierter als bisher.

Die RFID-Technologie ist bereits seit etlichen Jahren auf dem Markt. Ihr Einsatz im Bereich der IoT-Anwendungen zieht zahlreiche Synergieeffekte nach sich. Da jedes RFID-Gerät eine eindeutige und nur einmal vergebene Identifikationsnummer besitzt, eignet es sich zur Identifizierung nahezu jedes beliebigen Objekts. Ist der RFID-Reader Bestandteil eines integrierten Systems, bietet er ein nahezu unbegrenztes Potenzial für neue Anwendungen. Die Markteinführung der UHF-RFID-Technologie für den Ultrahochfrequenzbereich hat dieses Potenzial noch einmal deutlich gesteigert.

Die UHF-RFID-Technologie im Überblick

Die kontaktlose RFID-Technologie arbeitet mit einer Reichweite von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Metern und nutzt dabei folgende Frequenzbereiche: 120 bis 150 kHz (Niedrigfrequenz oder LF), 13,56 MHz (Hochfrequenz oder HF) und 860 bis 960 MHz (Ultrahochfrequenz oder UHF). Bisherige Anwendungen wie Identifizierung, Zutrittskontrolle und Bezahlsysteme greifen mehrheitlich auf passive RFID-Transponder zurück. Dies bedeutet, dass der RFID-Transponder nicht über eine eigene Energiequelle, zum Beispiel eine Primärzelle, verfügt. Dies ist das wesentliche Kennzeichen der RFID-Transponder. Im Allgemeinen beziehen Transponder, die im LF- und HF-Frequenzbereich arbeiten, die benötigte Energie durch induktive Kopplung (Nahfeld), während UHF-Transponder die elektromagnetische Wellenausbreitung im Fernfeld nutzen.

Eck-Daten

Mit fortschreitender Entwicklung des IoT treten die Vorteile intelligenter Tags mit RFID-Technologie weiter in den Vordergrund. Die Technologie eröffnet neue Möglichkeiten zur Erhöhung des Komforts und der Benutzerfreundlichkeit für den Kunden und zur Verbesserung der Sicherheit. Gleichzeitig bietet sie Herstellern die Chance, sich mit ihren Produkten vom Wettbewerb abzuheben und ihre betriebliche Effizienz zu steigern.

Normungsorganisationen wie ISO, IEC sowie EPC Global arbeiten an der Festlegung von Standards, um einen breiteren Einsatz der RFID-Technologie zu ermöglichen. So wurde 2009 seitens ISO/IEC das von EPC Global für den UHF-Bereich definierte Schnittstellenprotokoll UHF EPC Gen 2 in die Norm ISO 18000-6 als Betriebsart Typ C aufgenommen. UHF-RFID-Frequenzbänder variieren in den einzelnen Ländern und erstrecken sich über Frequenzen zwischen 860 und 960 MHz (EPC-Global-Standard).

Das ausschlaggebende Merkmal für die Leistung eines RFID-Systems ist die Reichweite, das heißt der maximale Abstand, über den ein RFID-Reader entweder Informationen des RFID-Tags lesen oder aber den Tag mit Daten beschreiben kann. Die Tag-Reichweite des RFID-Readers wird als Lese-/Schreibrate, ausgedrückt als Prozentsatz erfolgreich gelesener und beschriebener Tags, definiert. Die Lese-/Schreibrate variiert je nach Entfernung, hängt jedoch auch von der Beschaffenheit des RFID-Readers und von der Beeinflussung der Signalweiterleitung durch die Einsatzumgebung ab.

Im Allgemeinen sind die Reichweiten für Lese- und Schreibvorgänge unterschiedlich, da der Transponderchip unterschiedlich viel Energie für die beiden Aktionen benötigt.

Die größten Herausforderungen in der Entwicklung und im Einsatz eines UHF-RFID-Systems liegen, wie nachfolgend erläutert, in der Ausführung des Readers und des passiven Tags.

Limitierende Faktoren des Tags:

  • Die entscheidende limitierende Größe des Tags ist die Empfindlichkeitsschwelle des Chips. Dabei handelt es sich um die Mindestmenge empfangener RF-Energie, die für die Funktion des RFID-Chips benötigt wird.
  • Antennenverstärkung
  • Antennenpolarisierung: Zur Erzielung einer maximalen Reichweite müssen die Tag-Antenne und Reader-Antenne hinsichtlich ihrer Polarisierung aufeinander abgestimmt werden.
  • Abstimmung der Impedanz zwischen Antenne und RFID-Chip

Limitierende Faktoren des Readers:

  • EIRP (äquivalente isotrope Strahlungsleistung): Diese bestimmt die Stärke des vom Reader in Richtung Tag ausgesandten Signals.
  • Reader-Empfindlichkeit: Diese wird in der Regel mit Bezug auf einen bestimmten Signal-Rausch-Abstand oder eine Fehlerwahrscheinlichkeit des Empfängers definiert.

Im Allgemeinen ist die Reichweite passiver UHF-RFID-Systeme durch Faktoren wie Tag-Merkmale, Umgebungsbedingungen für die Signalweiterleitung und die Parameter des RFID-Readers eingeschränkt. Bei hoher Reader-Empfindlichkeit überwiegen in der Regel die limitierenden Faktoren des Tags. Jedoch kann die Tag-Reichweite des Readers durch Konzipierung einer Antenne mit hoher Verstärkung, die gut auf die Chipimpedanz abgestimmt ist, maximiert werden.

 

Auf der nächsten Seite geht es um darum, wie UHF-RFID die Mauterfassung vereinfachen kann.

UHF-RFID in IoT-Anwendungen

Im Jahr 2014 schlossen die Unternehmen Google, Intel, Impinj, Smartrac und AIM (der Industrieverband für automatische Identifizierung) eine internationale Allianz mit dem Ziel, den Einsatz von UHF-RFID-Systemen als IoT-Lösung voranzutreiben. Die Allianz zählt heute über 160 Mitglieder, darunter auch NXP Semiconductors. Die unter dem Namen Rain RFID agierende Allianz verwendet den EPC-Gen-2-Standard gemäß ISO/IEC 18000-63. Eine als Rain RFID bezeichnete Lösung verwendet UHF-RFID-Technologie, die der genannten Norm entspricht und mit den Zielen der Allianz im Einklang steht.

Ucode DNA vereinfacht Mauterfassung

Die Anzahl mautpflichtiger Straßen nimmt weltweit stetig zu. Durch Mautgebühren, die eine Ausweitung und Instandhaltung der Straßeninfrastruktur ermöglichen, lassen sich Verkehrsstaus vermeiden. Häufig müssen Verkehrsteilnehmer an Mautstellen anhalten. Nicht so beim Einsatz der UHF-RFID-Technologie, die die Mauterhebung transparent gestaltet.

In enger Zusammenarbeit haben der Distributor Avnet Silica, der Systemintegrator Kathrein Solutions und der Spezialist für Fahrzeugidentifikation Tönnjes erfolgreich ein System entwickelt, das in der Lage ist, einzelne Fahrzeuge auf einer Autobahn mit einer Reichweite von 20 Metern bei Geschwindigkeiten bis zu 250 km/h zu erfassen. Das System kann an Mautbrücken über der Autobahn montiert werden und erfasst Daten ohne jeglichen Eingriff in das Verkehrsgeschehen. Diese Lösung verbessert die Zuverlässigkeit und senkt die Total Cost of Ownership (TCO) im Vergleich zu einem bildbasierenden Ansatz unter Verwendung von Kameras und Algorithmen zur Fahrzeugregistrierung und -erkennung.

Das neu entwickelte System ist eine Kombination aus dem RRU 4500 UHF Rain-RFID-Reader von Kathrein sowie dem Ideplate-Kennzeichen und Idestix-Label von Tönnjes. Die Technologie entspricht dem Rain-RFID-Standard und beinhaltet die von NXP entwickelte UHF-RFID-Systemlösung Ucode DNA. Bei dem Ideplate handelt es sich um ein Kfz-Kennzeichen, das das bisherige Kennzeichen ersetzt und bereits den passiven UHF-RFID-Chip enthält. Das Idestix-Label ist eine ebenfalls mit dieser Technologie ausgestattete simple Vignette, die von innen auf die Windschutzscheibe aufgeklebt wird.

Schneller Autos vermieten mit RFID

Der Einsatz der RFID-Technologie zur Ortung von Objekten kann Prozesse rationalisieren. Dies gilt auch für die Autovermietung. Indem es seine Mietwagen mit RFID-Technologie ausstattete, konnte Anbieter Sixt den Zeitaufwand zur Bereitstellung der Fahrzeugschlüssel für Mietwagenkunden senken. Außerdem lassen sich nun genauere Zeitstempel für die Rückgabe der Mietwagen erstellen, abgegebene Fahrzeuge einfacher im Sixt-Buchungssystem lokalisieren und Mietwagen schneller dem jeweiligen Kunden zur Verfügung stellen.

Die Einführung der RFID-Technologie hat die Arbeitsweise bei Sixt mit seinen 2200 Mietstationen und einer Fahrzeugflotte von über 144.000 Mietwagen verändert. So warten Kunden, die ihren Mietwagen bei Sixt abholen möchten, heute statt drei Minuten nur noch 20 Sekunden auf ihre Schlüssel. Da sich viele der Mietstationen an Flughäfen befinden und dort über 600 Fahrzeuge pro Tag vermietet werden, verbessert diese Zeitersparnis signifikant das Kundenerlebnis.

RFID und Sicherheit

Jede Diskussion zum Thema IoT muss auch dem Sicherheitsbedürfnis in einer durch gesteigerte Konnektivität geprägten Welt Rechnung tragen. Die RFID-Technologie ist hierbei keine Ausnahme. Bereits in der Entwicklungsphase wurden höhere Sicherheitslevels hinsichtlich Authentifizierung und Verschlüsselung eingeführt. Das betrifft auch den von Avnet vertriebenen Transponder Ucode DNA mit UHF-RFID-Technologie aus dem Hause NXP.

Der Ucode DNA erweitert die Sicherheitsfunktionen des bestehenden Ucode-UHF-RFID-Langstrecken-Portfolios auf signifikante Weise und vereint alle Funktionalitäten und Sicherheitsmerkmale in einem einzigen Chip. Der Transponder umfasst zwei 128-Bit-AES-Schlüssel, die sicher auf dem Chip gespeichert sind und sich vom chipintegrierten AES-Beschleuniger zur verschlüsselten Authentifizierung verwenden lassen. Die Schlüssel sind in einem Speicherbereich abgelegt, der bei der Fertigung gesperrt wird. Sie können von NXP oder kundenseitig generiert werden und kommen in der Regel zur Tag-Authentifizierung und Taggruppen-Authentifizierung zum Einsatz.

Costica Dima

(Bild: Avnet)
Technical Marketing Manager - RFID, Avnet Silica

(tm)

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