Neue Eigenschaften, neue Möglichkeiten

Schreiner LogiData, München

Die physikalischen und konstruktionsbezogenen Eigenschaften von RFID-Systemen werden im Wesentlichen durch den Frequenzbereich bestimmt, in dem die jeweiligen Applikationen arbeiten. Dabei haben sich weltweit bislang zwei Standards durchgesetzt, die durch ISO-Normen technologisch vereinheitlicht sind, und somit eine länderübergreifende Verwendung der RFID-Tags ermöglichen: das niederfrequente 125 KHz-Band (LF-Bereich) und das hochfrequente 13,56 MHz-Band (HF-Bereich). Für beide Bereiche wurden seit ihrer Einführung eine Vielzahl spezifischer Einsatzgebiete erschlossen. Allerdings gibt es im LF- und HF-Bereich auch einige Einschränkungen, die den breiten Einsatz der RFID-Technologie in einigen industriellen und logistischen Anwendungen erschweren. Mit der Entwicklung von RFID-Applikationen im Ultrahoch-Frequenzbereich (UHF) – wie sie auch von Schreiner LogiData forciert verfolgt wird – werden sich die Anwendungsmöglichkeiten erweitern. Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei das in Europa freigegebene 868-MHz-Frequenzband.

Prinzipiell unterscheidet sich die RFID-UHF-Technologie in den benötigten Komponenten nicht von der 13,56 MHz-Technik. Ein elektronischer Transponder, bestehend aus mindestens einem Speicherchip und einer angeschlossenen Mini- antenne, empfängt über eine Luftschnittstelle Impulse von einer Lese-/Schreibeinheit (Reader), und gibt umgekehrt seine gespeicherten Informationen an den Reader zurück. Sofern es sich dabei um passive Transponder ohne eigene Energieversorgung und ohne weitere Bauteile handelt, werden mit den Impulsen sowohl die Daten, als auch die Energie für den Chip übertragen. Anders als bei den LF- und HF-Anwendungen erfolgt im 868-MHz-Bereich die Koppelung zwischen Transponder und der Lese-/Schreibeinheit nicht induktiv durch ein Magnetfeld, sondern über elektromagnetische Wellen, d.h. als Strahlung. Die Kommunikation zwischen Transponder und Lesegerät erfolgt durch die Modulation der Reflexion des ausgestrahlten Feldes („Backscatter-Technik“).

Die elektromagnetische Koppelung erfordert keine spulenförmigen Antenne, sondern eine einfache Dipol- oder Flachantenne. Die Lesereichweiten für passive UHF-Transponder betragen bei guten Bedingungen und einer effektiven Sendeleistung von 0,5 Watt ERP (effectiv radiated power) maximal 4 Meter. Seit Anfang 2005 gilt eine erhöhte Obergrenze der Reader-Sendeleistung von 2 Watt ERP im Frequenzbereich zwischen 865,6 und 867,6 MHz. Dies ermöglicht es, künftig noch höhere Reichweiten von theoretisch bis zu 8 Meter zu realisieren. Wie HF-Systeme, sind auch UHF-Systeme pulklesefähig, d.h. sie sind der Lage, bis zu 600 RFID-Tags gleichzeitig zu erkennen und individuell zu unterscheiden, wobei Datentransfer-Raten von bis zu 160 KBit/s erzielt werden. Die 868-MHz-Technologie ist daher sehr gut für Applikationen geeignet, die erhöhte Anforderungen an die Schnelligkeit der Objekterkennung stellen.

Ausnutzen kann man bei UHF den Effekt, dass Wellen reflektiert werden. So können sich durch Reflexion an den Wänden in größerer Entfernung Feldstärken einstellen, die für eine Transponder-Erkennung ausreichen, obwohl dies in direkter Sicht nicht möglich erscheint. Allerdings ergeben sich durch Reflexion und Interferenz mit der direkt ausgestrahlten Welle auch Leselöcher, und dies je nach Umgebungskonfiguration bereits in kleineren Abständen. Geeignete Systemintegration nutzt die Vorteile, und umgeht die Nachteile der Leselöcher durch Mehrfach-Antennen und bewegte Güter.

Gegenüber 13,56 MHz-Anwendungen zeigt die neue Transponder-Technologie allerdings auch Schwächen. So sind UHF-Systeme sehr sensibel gegenüber Wasser bzw. wasserhaltigen Stoffen. Da Wasser Strahlung absorbiert, können eine feuchte Umgebung oder Personen, die sich im Strahlungsfeld des Systems befinden, die Lesereichweite deutlich einschränken. Auch die Durchdringung nicht-metallischer Stoffe ist generell stärker vom jeweiligen Material abhängig, als bei induktiver Kopplung. Das erfordert eine deutlich präzisere Abstimmung des RFID-System auf den jeweiligen Untergrund und eine exaktere Justierung der Position von Transponder und Reader zueinander. Die Lesbarkeit auf Metalloberflächen ist bei der UHF-Technologie zwar prinzipiell besser als bei der HF-Technologie, doch die angebotenen RFID-Inlays benötigen trotzdem einen Mindestabstand zum Metall, um arbeiten zu können. Daher sind UHF-Labels nicht als generelles Allheilmittel für metallische Umgebungen anzusehen.

Ein zentraler Einflussfaktor bei der Entwicklung von RFID-Lösungen sind gesetzliche Vorschriften. Da RFID-Systeme in verschiedenen Frequenzbereichen und Reichweiten arbeiten, müssen die Funkvorschriften der jeweiligen Regionen und Länder berücksichtigt werden. Hier existieren für den UHF-Bereich bedauerlicherweise weltweit unterschiedliche gesetzliche Regelungen. Da in Europa und den USA der jeweils andere Frequenzbereich vom Mobilfunk blockiert wird, ist mit einer weltweiten Vereinheitlichung, wie sie im LF- und HF-Bereich realisiert ist, nicht zu rechnen.

Anders sieht es bei den Daten- und Anwendungsstandards aus. Mit der Norm ISO 18000–6 existiert bereits ein internationales Regelwerk für den Datenaustausch im UHF-Bereich, was eine problemlose Kommunikation zwischen verschiedenen Chip-Fabrikaten und Readern ermöglicht. In Bezug auf eine einheitliche, eindeutige Produkt- identifikation wurden mit den Standardisierungsrichtlinien von EPCglobal ebenfalls Vorgaben für eine Luftschnittstelle formuliert, die es RFID-Systemen ermöglicht, Produkthersteller, Produkt, Version und Seriennummer zu identifizieren. Dieser so genannte Electronic Product Code (EPC) wird auf den im Handel eingesetzten Mikro-Schaltkreisen als einzigartige, fest gespeicherte Information vorhanden sein. Dieser Trend zum elektronischen Barcode wird von etlichen großen RFID-Chipherstellern unterstützt, und erzeugt große Erwartungen im Bereich der Optimierung von Prozessabläufen in der Warenlogistik.

EPP 421