IoT-Technologien wie RFID erleichtern uns heute schon den Alltag. RFID steht für "radio-frequency identification" (deutsch: "Identifizierung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen") und beschreibt eine Technologie für Sender-Empfänger-Systeme, mit deren Hilfe automatisches und berührungsloses Identifizieren und Lokalisieren von Objekten per Radiowellen möglich wird. (Bild: absent84 – Adobe Stock)
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.
RFID-Technologie im IoT
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.
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.
RFID, UHD, UHF-RFID – was vebirgt sich hinter den Begriffen?
-
RFID
RFID (Radio Frequency Identification) ist eine Technologie, die Radiowellen nutzt, um Objekte zu identifizieren und zu verfolgen. Sie besteht in der Regel aus einem Etikett, das eine kleine Antenne und einen Mikrochip enthält, und einem Lesegerät oder Scanner, der ein Funksignal aussendet, um das Etikett zu aktivieren und dessen Daten zu empfangen. Wenn das Lesegerät ein Signal sendet, empfängt das Etikett dieses Signal und sendet eine eindeutige Kennung und möglicherweise zusätzliche Informationen, die im Speicher des Etiketts programmiert sind, zurück. Das Lesegerät erfasst dann die Antwort des Etiketts und kann die Informationen zur Identifizierung und Verfolgung des Objekts verarbeiten.Die RFID-Technologie wird in vielen Bereichen eingesetzt, u. a. in der Bestandsverwaltung, im Lieferkettenmanagement, bei der Anlagenverfolgung, der Zugangskontrolle und bei kontaktlosen Zahlungssystemen. Auch im Transportbereich, im Gesundheitswesen und in anderen Bereichen, in denen die Verfolgung und das Management von Gegenständen oder Gütern von Bedeutung sind, kommt sie zum Einsatz.
-
UHf
UHF steht für Ultra High Frequency und ist ein Funkfrequenzband im elektromagnetischen Spektrum mit Frequenzen zwischen 300 MHz und 3 GHz. Dieser Frequenzbereich wird für viele verschiedene Arten der Kommunikation genutzt, darunter Fernsehübertragungen, Zwei-Wege-Funkkommunikation, Mobilfunknetze und Satellitenkommunikation. UHF-Frequenzen haben gegenüber niedrigeren Frequenzbändern mehrere Vorteile. Sie können mehr Daten über kürzere Entfernungen übertragen und sind weniger anfällig für Störungen durch andere elektronische Geräte. Allerdings haben UHF-Signale eine geringere Reichweite und werden leichter durch Hindernisse wie Gebäude und Bäume blockiert.
-
UHF-RFID
UHF-RFID (Radio Frequency Identification) ist eine Art von RFID-System, das im Ultrahochfrequenzband (UHF) arbeitet, in der Regel zwischen 860 MHz und 960 MHz.UHF-RFID-Etiketten und -Lesegeräte verwenden Funkwellen, um Informationen zwischen dem Etikett und dem Lesegerät zu übertragen. Bei den Tags handelt es sich in der Regel um kleine, passive Geräte, die keine Batterie benötigen und zu Verfolgungs- und Identifizierungszwecken in Objekte eingebettet oder an ihnen angebracht werden können. Das UHF-Lesegerät sendet ein Funksignal an den Tag, der daraufhin mit seiner eindeutigen Identifikationsnummer und anderen relevanten Daten, die auf dem Tag gespeichert sind, antwortet. Die UHF-RFID-Technologie wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Bestandsverwaltung, im Lieferkettenmanagement, bei der Verfolgung von Vermögenswerten und bei der Zugangskontrolle. Sie wird häufig in Umgebungen eingesetzt, in denen eine große Lesereichweite erforderlich ist, z. B. in Lagerhäusern oder großen Einzelhandelsgeschäften. UHF-RFID-Systeme können auch für die Verfolgung und Verwaltung von Viehbeständen, die Überwachung der Lieferkettenlogistik und die Automatisierung der Mauterhebung auf Autobahnen eingesetzt werden. Insgesamt bietet UHF-RFID eine bequeme und zuverlässige Möglichkeit zur Verfolgung und Identifizierung von Objekten und Vermögenswerten und wird aufgrund der größeren Lesereichweite und der schnelleren Lesegeschwindigkeit häufig anderen Arten von RFID-Systemen vorgezogen.
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 RFID-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.
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.
Wie RFID funktioniert
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.
Was ist das IoT?
Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist ein Begriff, der sich auf ein Netzwerk physischer Objekte oder "Dinge" bezieht, die miteinander und mit dem Internet verbunden sind. Zu diesen Dingen können Geräte wie intelligente Haushaltsgeräte, tragbare Geräte und Industrieanlagen gehören, aber auch Sensoren und andere Objekte, die Daten sammeln und übertragen.
IoT-Geräte sind in der Regel mit Sensoren und Software ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, mit anderen Geräten und dem Internet zu kommunizieren. Sie können Daten sammeln, Informationen verarbeiten und auf Befehle oder Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren. IoT-Netzwerke können zentralisiert oder verteilt sein und über verschiedene Schnittstellen wie mobile Anwendungen oder webbasierte Dashboards zugänglich und steuerbar sein. Die potenziellen Anwendungen der IoT-Technologie sind vielfältig und reichen von der Fernüberwachung und -steuerung von Haushaltsgeräten und Sicherheitssystemen bis hin zu intelligenten Verkehrssystemen und fortschrittlichen Überwachungssystemen im Gesundheitswesen. Zu den wichtigsten Vorteilen der IoT-Technologie gehören höhere Effizienz, niedrigere Kosten, verbesserte Sicherheit und Datenerfassung sowie bessere Analysemöglichkeiten.
IoT-Systeme können auf verschiedene Weise implementiert werden, z. B. über drahtlose Netzwerke wie WLAN oder Mobilfunknetze, aber auch über drahtgebundene Verbindungen wie Ethernet. Es gibt auch verschiedene Standards und Protokolle für die Interaktion zwischen IoT-Geräten, z. B. MQTT, CoAP und LoRaWAN. Die Implementierung von IoT-Systemen erfordert die Integration von Hardware- und Softwarekomponenten sowie die Entwicklung von Anwendungen, die das Potenzial von IoT-Geräten ausschöpfen. Außerdem müssen Datenschutz und Datensicherheit gewährleistet werden, um sicherzustellen, dass die von IoT-Geräten erfassten Daten sicher und vertraulich bleiben.
Während die IoT-Technologie über ein enormes Potenzial verfügt, ist sie auch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden, wie z. B. der Komplexität der Systemintegration, Fragen der Sicherheit und des Datenschutzes und der Abhängigkeit von einer zuverlässigen Konnektivität.
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.
Sicherheit: Verbesserte Authentifizierung und Verschlüsselung für RFID
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
(tm)
