RFID

Was ist RFID?

RFID steht im Englischen für “Radio-Frequency Identification”, was im Deutschen so viel bedeutet wie eine kontaktlose Kommunikation zwischen einem RFID-Tag und einem RFID-Lesegerät. Das RFID-Lesegerät erzeugt ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld, das den passiven RFID-Tag mit Energie versorgt. Solange der Tag sich in diesem Feld befindet, kann er diese Energie nutzen, um Daten zu senden und zu empfangen. Das Lesegerät kann sowohl Informationen vom Chip des RFID-Tags auslesen als auch neue Daten darauf speichern.

Aufbau eines RFID-Tags

Hersteller produzieren Tags in nahezu allen erdenklichen Formen, Materialien, Größen und Farben. Der spezifische Aufbau richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsbereich. Im Inneren der verschiedenen RFID-Tags gibt es jedoch zwei gemeinsame Komponenten: Jeder Transpoder zeichnet ein Mikrochip sowie eine gedruckte, gelegte oder geätzte Antenne aus. Diese beiden Bauteile, auch als Inlay bezeichnet, sind sehr empfindlich und können nur begrenzt mechanischen, thermischen oder chemischen Einflüssen ausgesetzt werden. Daher ist es notwendig, die Elektronikkomponenten je nach Anwendung mit einer geeigneten “Verpackung” zu versehen. Die einfachste Variante hierfür ist ein RFID-Etikett, das für viele Anwendungen ausreichend ist. In dieser Form ist der Tag allerdings lediglich durch eine dünne Folie oder eine Schicht Papier geschützt.

Benötigt man eine stabilere oder robustere Lösung, empfiehlt sich die Einbettung der RFID-Elektronik in eine laminierte Karte. Wenn auch das nicht genügt, insbesondere im industriellen Bereich, sollte das empfindliche Inlay (bestehend aus Chip und Antenne) in ein Kunststoffgehäuse eingebettet werden. Dies stellt die widerstandsfähigste und langlebigste Verpackungsart dar.

Ein “Implify Connect Tag” ist:

• Hauchdünn wie ein Papierlabel
• Rückstandslos von Produktverpackungen entfernbar 
• mit einer einzigartigen Seriennummer versehen

Wie viele Daten lassen sich auf einem RFID-Tag speichern?

• Speicherkapazität abhängig vom Verwendungszweck: 4 Byte bis 8 kByte
• Kleinster Speicher: 1 Bit (z.B. für die elektronische Warensicherung)
• 4 Byte: Speicherung einer eindeutigen Kennung (Unique ID)
• 8 kByte: Speicherkapazität für etwa 4 Seiten Text (30 Zeilen à 60 Zeichen)
• Zusätzliche Funktionen: Schreibschutz, PIN-Zugriff, Datenverschlüsselung, kryptografische Features
• Spezifikationen variieren je nach Anwendung und erforderlichem Sicherheitslevel

Wie reagiert ein RFID-Tag? 

Funktionsweise der induktiven Kopplung bei LF- und HF-RFID-Tags:
Der Sender erzeugt ein elektromagnetisches Feld über die Antennenspule, das vom RFID-Tag empfangen wird. Durch Induktion entsteht in der Spule des Tags ein Strom, der diesen mit der notwendigen Energie versorgt. Mithilfe von Schaltkreisen im Tag kann durch gezieltes zeitliches Absenken des Stroms ein eigenes Signal erzeugt werden. Der Sender erkennt die Veränderung im Feld und ermöglicht so die digitale Kommunikation.

Funktionsweise von “EM Backscatter” bei UHF-RFID-Tags:
Der Sender erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das von der Antenne aufgenommen wird. Dieses Feld erzeugt einen Strom in der Transponderantenne, der den Tag mit der nötigen Energie versorgt. Anstatt selbst ein Signal auszusenden, verändert der Chip das eingehende Signal durch Modulation. Diese Modulationen, also kleine Änderungen im zurückgeworfenen Signal, werden vom Sender registriert und zur Kommunikation verwendet.

Aktive vs passive RFID-Tags: Welche Technologie passt am besten?

Bei der Wahl eines RFID-Tags stehen zwei Haupttypen zur Verfügung: aktive und passive Tags. Aktive RFID-Tags besitzen eine eigene Energiequelle, wie zum Beispiel eine eingebaute Batterie, und können dadurch Daten über größere Entfernungen hinweg übertragen (bis zu 100 Meter). Im Gegensatz dazu beziehen passive RFID-Tags ihre Energie ausschließlich aus dem elektromagnetischen Feld des RFID-Lesegeräts, um die Datenübertragung zu ermöglichen.

Zusätzlich gibt es semi-aktive oder semi-passive RFID-Tags, die zwar über eine eigene Batterie verfügen, jedoch nicht vollständig als eigenständiger Sender agieren. Diese Tags nutzen die Energie aus der Batterie, sodass sie nicht auf das elektromagnetische Feld angewiesen sind. Dennoch übertragen sie die Daten, indem sie das empfangene Feld modulieren, ohne es aktiv zu verstärken.

Kategorien des passiven RFID-Tags:

Read-Only

• vom Hersteller einmalig beschreibbar 
• keine nachträglichen Änderungen möglich (kein Hinzufügen, Löschen oder Überschreiben von Daten)

Write-Once, Read Many (WORM)

• einmalige Beschreibbarkeit durch den Nutzer
• Nach der ersten Programmierung nur noch lesbar, keine weiteren Änderungen möglich

Read and Write

• Wiederholtes Beschreiben und Ändern der Daten möglich
• Man kann den Schreibschutz aktivieren, um sowohl das Lesen als auch das Schreiben zu sperren.

Frequenzbereiche von LF-, HF- und UHF-Transpondern: Was steckt dahinter?

RFID-Systeme werden in drei Frequenzbereiche eingeteilt, da jede dieser Frequenzen unterschiedliche Eigenschaften besitzen, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Die Unterschiede liegen vor allem in der Reichweite, der Geschwindigkeit der Datenübertragung, der Fähigkeit zur Durchdringung von Materialien und der Störanfälligkeit.

Low Frequency (LF = 125 kHz):

• Geringe Übertragungsraten und Reichweiten: Dieser Frequenzbereich hat niedrige Datenraten und kurze Distanzen.
• Kostengünstig: Systeme sind preiswert und einfach zu handhaben.
• Anmelde- und gebührenfrei: Nutzung ist ohne Registrierung oder Gebühren möglich.
• Energieversorgung: RFID-Transponder nutzen das Nahfeld elektromagnetischer Wellen und werden passiv über induktive Kopplung mit Energie versorgt.
• Unempfindlich gegenüber Metall und Flüssigkeiten: Transponder funktionieren gut in Umgebungen mit Metall und Flüssigkeiten.
• Einsatzbereiche: EC Karten und Zugangskarten

High Frequency (HF = 13,56 MHz):

• Universeller Einsatz: HF-Frequenz ist vielseitig nutzbar.
• Hohe Übertragungsraten: Bietet schnelle Datenübertragung und hohe Taktfrequenzen.
• Arbeitsfrequenz: RFID-Transponder arbeiten bei 13,56 MHz.
• Kurze Wellenlänge: Benötigt nur wenige Antennenwindungen, was kleinere und einfachere Antennen ermöglicht.
• Antenne: Geätzte oder gedruckte Antennen sind möglich.
• Produktion: Inlays (Tag + Antenne) können als Endlosfolien hergestellt werden.
• Effiziente Weiterverarbeitung: Rolle-zu-Rolle-Verfahren ermöglichen die Massenproduktion großer Stückzahlen.

Ultra High Frequency (UHF = 860-950 MHz):

• Hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und Reichweiten: UHF-Systeme bieten sehr schnelle Datenübertragung und weite Reichweiten.
• Antenne: Aufgrund der kürzeren Wellenlänge wird ein Dipol als Antenne verwendet, der eine gerichtete Ausbreitung ermöglicht (Strahlenoptik), anstelle einer Spule.
• Produktion: UHF-Transponder werden meist als Folienlage gefertigt, was die Massenproduktion im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erleichtert.
• Einsatz von Stützbatterien: In bestimmten Anwendungen kann eine Batterie (semi-passive Transponder) die ohnehin große Reichweite noch weiter erhöhen.
• Mikrowellen-Frequenzbereiche: Einige Frequenzbereiche im Mikrowellenbereich sind noch nicht kostengünstig verfügbar und unterliegen regionalen Zulassungsbeschränkungen.
• Regulierung: Der FCC UHF-Frequenzbereich um 915 MHz ist in Europa derzeit nicht zugelassen, es gibt jedoch Diskussionen zur möglichen Freigabe eines Teils für RFID.
• Aktueller Status: Der ETSI UHF-Frequenzbereich um 868 MHz bleibt in Europa weiterhin für RFID-Anwendungen bestehen.

Reichweite von RFID-Chips

Close Coupling:

Frequenzbereich: 1 Hz – 30 MHz
Reichweite: 0-1 cm 

Die RFID-Tags müssen direkt in ein Lesegerät eingeführt oder genau positioniert werden, damit das Auslesen korrekt funktioniert. Diese enge Kopplung ermöglicht es, dem Tag eine größere Menge an Energie zuzuführen, wobei zu beachten ist, dass die übertragene Energie mit steigender Frequenz zunimmt. Der Datenaustausch zwischen Tag und Lesegerät erfolgt entweder durch induktive oder kapazitive Kopplung. Diese Methode wird besonders bei Anwendungen eingesetzt, die höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen.

Remote Coupling:

Frequenzbereich: zwischen 100 und 135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz und 27,125 MHz
Reichweite: bis zu 1 Meter

Bei allen Remote-Systemen erfolgt die Datenübertragung durch induktive Kopplung. Der RFID-Tag bezieht die notwendige Energie aus dem Magnetfeld des Lesegeräts, was für den Betrieb des Chips ausreicht. Da der Tag passiv ist, benötigt er keine eigene Energiequelle.

Long Range:

Frequenzbereich: Mikrowellenbereich
Reichweite: 1m – 10m

Die Datenübertragung erfolgt über das Backscatter-Verfahren, wobei die vom Lesegerät bereitgestellte Energie nur ausreicht, um ein Wake-up- oder Sleep-Signal zu senden. Um den RFID-Tag mit ausreichender Energie zu versorgen und die gespeicherten Daten zu erhalten, ist eine zusätzliche Stützbatterie erforderlich. Ein mögliches Einsatzgebiet für diese Technologie sind Mautsysteme.

Praktische Vorteile des RFID-Tags

• Eindeutige Identifikation: Jeder RFID-Tag hat eine weltweit einzigartige Seriennummer (UID oder TID), die eine klare Zuordnung bis auf die Einzelproduktebene ermöglicht und die vollständige Individualisierung von Produkten gewährleistet.
• Flexibles Datenmanagement: Der wiederbeschreibbare Speicher auf dem Chip erlaubt es, Daten direkt am Produkt zu verwalten. Informationen wie Produktdetails, Chargeninformationen oder Ablaufinformtionen können jederzeit aktualisiert, ergänzt oder gelöscht werden.
• Robuste Kommunikation: Die kontaktlose Datenübertragung zwischen Transponder und Lesegerät funktioniert auch ohne Sichtverbindung. RFID-Tags können an geschützten, unsichtbaren Stellen angebracht werden, was sie unempfindlich gegenüber Verschmutzungen macht und die Prozessoptimierung erleichtert.
• Hohe Lesegeschwindigkeit: Die schnelle Kommunikation sorgt für eine nahezu fehlerfreie Erfassung der Daten, vergleichbar mit einer 100%igen Erstleserate bei Barcodes.
• Effiziente Datenerfassung: Mehrere RFID-Tags lassen sich gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsschritt auslesen, was die Arbeitsabläufe deutlich beschleunigt und die Effizienz erheblich steigert.

Einsatz von RFID in der Gesundheitsbranche

Der Einsatz von RFID-Tags im Gesundheitswesen bringt zahlreiche Vorteile mit sich, die sowohl die Effizienz als auch die Sicherheit in medizinischen Einrichtungen verbessern. Diese Technologie ermöglicht eine präzise Überwachung und Verwaltung von Ressourcen, was zu optimierten Abläufen und einer verbesserten Patientenversorgung führt. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile: 

• Automatische Nachbestellung 
• Kein manueller Dokumentations- & Bestellaufwand
• Mehr Effizienz und Zeit im Praxisalltag
• Nie wieder scannen, faxen & Co.
• 100% Produktverfügbarkeit
• Transparente Bestandseinsicht in Echtzeit 
• Steigerung der Personalproduktivität

Die Implify Connect Lösung

Imlify Connect ist das erste vollautomatische und modulare Bestandsmanagement System für Zahnärzte und Konsignationslager auf RFID Basis

• Es werden spezielle RFID-Tags auf die Außenverpackung angebracht
• Es wird ein Hardewaresetup in der Zahnarztpraxis installiert bestehend aus:
  • RFID-Antenne
  • RFID-Reader
  • Raspberry Pi (Mini-Computer)

Mit Hilfe des Tags und unserer Hardware können Bestandsbewegungen automatisch erfasst und durch Beschaffungsprozesse in Gang gesetzt werden.
Implify Connect bietet verschiedene Hardwareoptionen: Rollcontainer, Connect Box und Connect Platin Flex.
Für weitere Informationen zu den einzelnen Connect Lösungen können Sie in unserer Broschüre vorbeischauen.