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Radio Frequency Identification

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Der englische Begriff Radio Frequency Identification [ˈɹeɪdɪəʊ ˈfɹiːkwənsi aɪˌdɛntɪfɪˈkeɪʃn̩] (RFID) bedeutet im Deutschen Identifizierung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen. RFID ist ein Verfahren zur automatischen Identifizierung von Gegenständen und Lebewesen. Neben der berührungslosen Identifizierung und der Lokalisierung von Gegenständen steht RFID auch für die automatische Erfassung und Speicherung von Daten.

Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, der sich am oder im Gegenstand bzw. Lebewesen befindet und diese kennzeichnet sowie einem Lesegerät zum Auslesen der Transponder-Kennung.
Das Lesegerät enthält eine Software (ein Mikroprogramm), das den eigentlichen Leseprozess steuert und eine RFID-Middleware mit Schnittstellen zu weiteren EDV-Systemen und Datenbanken.

In der Regel erzeugt das Lesegerät ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld geringer Reichweite, vorzugsweise mit Induktionsspulen. Damit werden nicht nur Daten übertragen, sondern auch der Transponder mit Energie versorgt. Nur wenn größere Reichweiten erzielt werden sollen und die Kosten der Transponder nicht sehr kritisch sind, werden aktive Transponder mit eigener Stromversorgung eingesetzt. Meist wird die Frequenz 13,56 MHz benutzt, auf die auch Warnsysteme vor RFID-Einsatz ansprechen.

RFID-Transponder können so klein wie ein Reiskorn sein und implantiert werden, etwa bei Haustieren. Die schnelle Verbreitung dieser Technik ergibt sich aus der Kombination von Kleinheit der Transponder, unauffälligen Auslesemöglichkeiten (z. B. neuer Pass) und geringem Preis der Transponder (teilweise im Cent-Bereich). Diese neue Technik verdrängt zunehmend den heute noch weit verbreiteten Barcode.

Inhaltsverzeichnis

Entwicklungsgeschichte

Die ersten RFID-Anwendungen wurden Ende des Zweiten Weltkrieges eingesetzt. Dort diente ein Sekundärradar zur Freund-Feind-Erkennung. In den Flugzeugen und Panzern waren Transponder und Leseeinheiten angebracht, um zu erkennen, ob die zu beschießende Stellung oder die anfliegenden Flugzeuge anzugreifen waren oder nicht. Bis heute werden Nachfolgesysteme in den Armeen eingesetzt. Harry Stockman gilt als die Person, der die Grundlagen von RFID mit seiner Veröffentlichung „Communication by Means of Reflected Power“ im Oktober 1948 gelegt hat.[1]

Ende der 1960er Jahre wurde als eine von vielen proprietären Lösungen die „Siemens Car Identification“, kurz SICARID, entwickelt. Damit war es möglich, zunächst Eisenbahnwagen und später Autoteile in der Lackiererei eindeutig zu identifizieren. Eingesetzt wurde es bis in die 1980er Jahre. Die Identifikationsträger waren Hohlraumresonatoren, die durch das Eindrehen von Schrauben einen Datenraum von 12 bit abdecken konnten. Abgefragt wurden sie durch eine lineare Frequenzrampe. Diese Hohlraumresonatoren können als erste rein passive und elektromagnetisch abfragbare Transponder betrachtet werden. Der erste passive Backscatter-Transponder der heute noch verwendeten Bauart mit eigener digitaler Logikschaltung wurde erst 1975 in einem IEEE-Aufsatz vorgestellt.

In den 1970ern wurden die ersten primitiven kommerziellen Vorläufer der RFID-Technik auf den Markt gebracht. Es handelte sich dabei um elektronische Warensicherungssysteme (engl. Electronic Article Surveillance, EAS) mit 1 Bit Speicherkapazität. Durch Prüfung der Markierung (vorhanden/fehlt) kann bei Diebstahl ein Alarm ausgelöst werden. Die Systeme basierten auf Hochfrequenztechnik bzw. niedrig- oder mittelfrequenter Induktionsübertragung.

Das Jahr 1979 brachte zahlreiche neue Entwicklungen und Einsatzmöglichkeiten für die RFID-Technik. Ein Schwerpunkt lag dabei auf Anwendungen für die Landwirtschaft, wie beispielsweise Tierkennzeichnung, z. B. für Brieftauben, Nutzvieh und andere Haustiere.

Gefördert wurde die Anwendung der RFID-Technik seit den 1980ern besonders durch die Entscheidung mehrerer amerikanischer Bundesstaaten sowie Norwegens, RFID-Transponder im Straßenverkehr für Mautsysteme einzusetzen. In den 1990ern kam RFID-Technik in den USA verbreitet für Mautsysteme zum Einsatz.

Es folgten neue Systeme für elektronische Schlösser, Zutrittskontrollen, bargeldloses Zahlen, Skipässe, Tankkarten, elektronische Wegfahrsperren etc. [2] [3]

1999 wurde mit Gründung des Auto-ID-Centers am MIT die Entwicklung eines globalen Standards zur Warenidentifikation eingeläutet. Mit Abschluss der Arbeiten zum Electronic Product Code (EPC) wurde das Auto-ID Center 2003 geschlossen. Gleichzeitig wurden die Ergebnisse an die von Uniform Code Council (UCC) und EAN International (heute GS1 US und GS1) neu gegründete EPCglobal Inc. übergeben.

2008 ist es Forschern des Frauenhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen erstmals gelungen hitzeunempfindliche RFID-Chips zu entwickeln, die in Gussteile aus Leichtmetall eingegossen werden können, was eine Kennzeichnung von z.B. Maschinen möglich macht[4].

Technik

Die RFID-Transponder unterscheiden sich stark voneinander. Der Aufbau eines RFID-Transponders sieht prinzipiell eine Antenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und Senden (Transceiver), sowie einen digitalen Schaltkreis und einen permanenten Speicher vor. Der digitale Schaltkreis besitzt bei komplexeren Modellen eine Von-Neumann-Architektur.

RFID-Transponder können über einen mehrfach beschreibbaren Speicher verfügen, in den während der Lebensdauer Informationen abgelegt werden können.

Nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich auch die sonstigen Kennzahlen, wie z. B. Funkfrequenz, Übertragungsrate, Lebensdauer, Kosten pro Einheit, Speicherplatz, Lesereichweite und Funktionsumfang.

Prinzipiell funktioniert die RFID-Kommunikation folgendermaßen: Das Lesegerät (Reader) erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, welches die Antenne des RFID-Transponders beleuchtet. In der Antennenspule entsteht, sobald sie in das elektromagnetische Feld kommt, ein Induktionsstrom. Dieser Strom wird gleichgerichtet und damit ein Kondensator als Kurzzeitspeicher aufgeladen, welcher für den Lesevorgang die Stromversorgung des Chips besorgt. Diese Versorgung übernimmt bei aktiven Tags eine eingebaute Batterie. Bei halb-aktiven Tags übernimmt die Batterie lediglich die Versorgung des Mikrochips.

Der so aktivierte Mikrochip im RFID-Tag empfängt Befehle vom Lesegerät, die dieser „Reader“ in sein elektromagnetisches Feld moduliert. Der Mikrochip erzeugt eine Antwort und moduliert durch Feldschwächung im kontaktfreien Kurzschluss oder per Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes. Damit sendet das Tag seine eigene unveränderliche Seriennummer, weitere Nummern des gekennzeichneten Objekts oder andere vom Lesegerät abgefragte Daten.

So sendet das Tag selbst kein Feld aus, sondern verändert nur das elektromagnetische Sendefeld des Readers. In der Betriebsfrequenz unterscheiden sich die HF-Tags mit Langwelle bei 128 kHz, mit Kurzwelle 13,56 MHz oder mit UHF-Tags bei 865–869 MHz (Europäische Frequenzen) bis 950 MHz (US-Amerikanische und Asiatische Frequenzbänder): Regional unterscheiden sich die verwendeten Frequenzen. HF-Tags verwenden Lastmodulation, das heißt, sie verbrauchen durch Kurzschließen einen Teil der Energie des magnetischen Wechselfeldes. Dies kann das Lesegerät, theoretisch aber auch ein weiter entfernter Empfänger, detektieren. Durch die induktive Kopplung im elektromagnetischen Nahfeld funktioniert das Anregen des Tags ausschließlich im Nahbereich. Die Antennen eines HF-Tags bilden daher eine Induktionsspule, deren charakteristisches Merkmal auf den ersten Blick eine Resonanzspule mit mehreren Windungen ist.

UHF-Tags hingegen arbeiten im elektromagnetischen Fernfeld zum Übermitteln der Antwort, das Verfahren nennt man Rückstreuung (engl. backscattering). Hier wird die elektromagnetische Welle entweder absorbiert (Kurzschluss) oder mit möglichst großem Rückstrahlquerschnitt reflektiert (Spiegel). Bei den UHF-Antennen handelt es sich meist um lineare, gefaltete oder spiralige Dipole, der Chip sitzt in der Mitte zwischen zwei linearen oder mehrfach gewinkelten Dipolarmen des RFID-Tags. Es gibt auch UHF-Tags ohne solche Antennen, deren Reichweite ist extrem kurz.

Damit ein Tag sowohl horizontal als auch vertikal gelesen werden kann, verwendet man häufig zirkulare Polarisation. Diese reduziert zwar das Signal-Rausch-Verhältnis, dafür ist jedoch beim Bekleben der Ware irrelevant, in welcher Orientierung das Tag aufgeklebt wurde. Da Wasser die UHF-Energie sehr stark absorbiert und Metall diese elektromagnetischen Wellen sehr stark reflektiert, beeinflussen diese Materialien die Ausbreitung der Antennenfelder. Weiterhin ‚verstimmen‘ bestimmte Untergrundmaterialien die Resonanzfrequenz der Antennen, daher ist es notwendig, UHF-Tags möglichst genau auf die Materialien der gekennzeichneten Objekte abzustimmen.

Die UHF-Technik ist aufgrund ihrer Schnelligkeit erheblich komplexer ausgelegt als die HF-Technik. Daher können UHF-Tags bei einer Passage erheblich längere Datensätze übertragen. Diese komplexen Funktionen werden noch wenig genutzt.

Da die Energieversorgung des Mikrochips bei beiden Verfahren durchgehend gedeckt werden muss (ein handelsüblicher UHF-Tag mit Philips Chip nach ISO/IEC 18000–6C benötigt für den Chip etwa 0,35 Mikroampere an Strom), muss der Reader während des Lesevorganges ein dauerhaftes Feld erzeugen. Diese Betriebsweise der Trägerwelle nennt man in der Hochfrequenztechnik Dauerstrich (engl. continuous wave = Dauerwelle). Aufgrund der Tatsache, dass die Feldstärke quadratisch mit der Entfernung abnimmt und diese Entfernung in beide Richtungen – vom Lesegerät zum Tag und retour – zurückgelegt werden muss, wird diese Dauerwelle hinreichend leistungsstark gesendet. Üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 Watt EIRP Sendeleistung.

Zum Auslesen der Tags stehen im UHF-Bereich zehn freie Kanäle zur Verfügung, zusätzlich oberhalb ein Kanal und unterhalb drei Kanäle, welche lediglich mit geringerer Leistung betrieben werden können. Alle Kanäle erstrecken sich über eine Breite von 200 kHz. Die Funk-Antwort des UHF-Tags erfolgt durch Aufmodulieren des Antwortsignals mit 200 kHz auf die Grundwelle. Dadurch entsteht ein Seitenband 200 kHz oberhalb und unterhalb dieser CW, es belegt also außer dem Sendekanal auch einen Nachbarkanal.

Um in einer Nachbarschaft möglichst viele RFID-Lesegeräte gleichzeitig verwenden zu können, versucht man, möglichst das gesamte Spektrum der Kanäle auszunutzen. Eine häufig genutzte Variante ist es, den Readern die Kanäle 1, 4, 7 und 10 zuzuteilen. Für die Seitenbänder stünden dann Kanal 0, 2, 3, 5, 6, 8, 9 und 11 zur Verfügung, wobei Kanal 0 und 11 lediglich mit geringerer Leistung betrieben werden dürfen. Dies ist ein Problem, da hier lediglich die Tag-Antwort übertragen wird und keine Trägerwelle. Zusätzlich werden Anti-Kollisionsverfahren eingesetzt, damit die Tags nicht gleichzeitig senden (listen before talk etc.).

Für intelligente Anwendungen können auch Kryptographiemodule oder externe Sensoren wie z. B. GPS in den RFID-Transponder integriert sein. Die RFID-Sende-Empfangseinheiten unterscheiden sich in Reichweite, Funktionsumfang der Kontrollfunktionen und Aussehen. So ist es möglich, sie direkt in Regale oder Personenschleusen (z. B. bei der Zugangssicherung und in Toreinfahrten) zu integrieren.

Die Vielzahl von unterschiedlichen Geräten und Etiketten ist im Rahmen der verschiedenen Normen (ISO/IEC-Standards ISO 18000-x) vollständig kompatibel. Es werden jedoch laufend neue proprietäre Lösungen vorgestellt, die von diesen Standards abweichen und zum Teil auch nicht gleichzeitig in einer Nachbarschaft verwendet werden können. Die Anwendung von standardisierten Tags empfiehlt sich, meist wird der Vorteil einer proprietären Lösung mit einem anderen Nachteil erkauft, und sei es auch nur der Stückpreis des in kleiner Stückzahl produzierten Tags oder die Einschränkung auf einen Hersteller der Lesegeräte.

Auf verschiedenste Art kann es zu Problemen kommen, weil der RFID-Transponder direkt am Produkt sitzt und dieses elektromagnetisch schlecht mit dem ausgewählten Tag verträglich ist. Um elektromagnetische Anpassungsprobleme zu umgehen, werden in der Logistik u. a. so genannte Flap- oder Flag-Tags eingesetzt, welche im rechten Winkel vom Produkt abstehen und so einen großen Abstand zum Produkt haben. Deren Verbreitung ist bisher nicht groß, jeder Anwender muss sich kritisch prüfen, ob er Liebhaberpreise für Tags durch kompetente Systemauslegung vermeiden kann.

Alleiniges Erfolgskriterium für eine RFID-Lösung ist schließlich der Leseerfolg im Betriebsablauf. Darin zeigt sich das Können des beauftragten Systemanbieters. Wie bei jeder technischen Lösung muss auch bedacht werden, was im Fehlerfall passiert: Tag defekt, Leser defekt, Tag fehlt, Leser off-line, Bewegung in der falschen Richtung, zu schnell oder zu dicht nacheinander usw. Es gibt keine 100 %-Lösungen ohne Sicherungskonzept.

Baugröße & Bauformen

Transponder bestehen aus:

Maßgeblich für die Baugröße sind die Antenne und das Gehäuse. Die Form und Größe der Antenne ist abhängig von der Frequenz bzw. Wellenlänge. Je nach geforderter Anwendung werden Transponder in unterschiedlichen Bauformen, Größen und Schutzklassen angeboten.

Das Bild oben zeigt einen RFID-Chip in einer Scheckkarte. Vom Chip links unten führen zwei feine Drähte (grüne Pfeile) zu einer Spule. Sie besteht aus vielen Drahtwicklungen und füllt fast die gesamte Größe der Karte aus.

RFID-Transponder können, je nach Einsatzgebiet, durchaus die Größe von Büchern besitzen (z. B. in der Containerlogistik). Jedoch ist es mit heutiger Technik auch möglich, sehr kleine RFID-Transponder herzustellen, die sich in Geldscheinen oder Papier einsetzen lassen. So gab Hitachi am 16. Februar 2007 bekannt, staubkorngroße Chips mit einer Größe von 0,05 mm × 0,05 mm entwickelt zu haben[5]. Die Reichweite von passiven Transpondern ist neben der Frequenz auch maßgeblich von der Spulengröße (Inlaygröße) abhängig. Die Reichweite sinkt sowohl bei UHF als auch bei HF mit kleineren Antennen rapide ab.

Transponder werden seit Beginn des Einsatzes vorwiegend als LF 125 kHz passive produziert und eingesetzt. ISOCARD, CLAMSHELL Card-Bauformen aus dem LF-125-kHz-Bereich sind die weltweit am häufigsten verwendeten Bauformen im Bereich Zutrittskontrolle und Zeiterfassung. Im Bereich E-PURSE (elektronische Geldbörse und Ticketing) findet die 13,56-MHz-Mifare- bzw. I-Code-Technologie (Philips) Anwendung und wird weltweit in vielen Städten (Seoul, Moskau, London, Warschau etc.) in U-Bahnen, Bussen und als Universitäts- und Studentenausweis genutzt. Transponder in Form von Etiketten, die beispielsweise die Mediensicherung und Verbuchung in Bibliotheken erleichtern, werden erst seit dem Jahr 2000 in großen Stückzahlen hergestellt. Genauso existieren auch Bauformen, die im Autoschlüssel eingebaut sind (Wegfahrsperre), bzw. als Implantate, Pansenboli oder Ohrmarken zur Identifikation von Tieren dienen. Weiterhin gibt es die Möglichkeit zur Integration in Nägel oder PU-Disk- TAGs zur Palettenidentifikation, in Chipcoins (Abrechnungssysteme z. B. in öffentlichen Bädern) oder in Chipkarten (Zutrittskontrolle).

Energieversorgung

Das deutlichste Unterscheidungsmerkmal stellt die Art der Energieversorgung der RFID-Transponder dar. Kleine batterielose RFID-Transponder besitzen keine eigene Energieversorgung und müssen ihre Versorgungsspannung durch Induktion aus den Funksignalen der Basisstationen gewinnen. Dies reduziert zwar die Kosten und das Gewicht der Chips, gleichzeitig verringert es aber auch die Reichweite. Diese Art von RFID-Transpondern wird z. B. für Produktauthentifizierung bzw. -auszeichnung, Zahlungssysteme und Dokumentenverfolgung eingesetzt, da die Kosten pro Einheit hier ausschlaggebend sind. RFID-Transponder mit eigener Energieversorgung erzielen eine erheblich höhere Reichweite und besitzen einen größeren Funktionsumfang, verursachen aber auch erheblich höhere Kosten pro Einheit. Deswegen werden sie dort eingesetzt, wo die zu identifizierenden oder zu verfolgenden Objekte eine lange Lebensdauer haben, z. B. bei wieder verwendbaren Behältern in der Containerlogistik (für See-Container bisher nur vereinzelte Einführung, noch keine weltweit wirksame Übereinkunft) oder bei Lastkraftwagen im Zusammenhang mit der Mauterfassung.

Zum Betrieb, insbesondere zur Signalmodulierung, muss der RFID-Mikrochip mit Energie versorgt werden. Hierbei werden zwei Arten von RFID-Transpondern unterschieden:

  1. Passive RFID-Transponder beziehen ihre Energie zur Versorgung des Mikrochips aus den empfangenen Funkwellen, oft als „Continuous Wave“ bezeichnet. Mit einer Spule als Empfangsantenne wird durch Induktion ähnlich wie in einem Transformator ein Kondensator aufgeladen, welcher den Tag mit Energie versorgt. Die Continuous Wave muss aufgrund der geringen Kapazität des Kondensators durchgehend vom Lesegerät gesendet werden, während der Tag sich im Lesebereich befindet. Die Reichweite beträgt hier einige wenige Millimeter bis zu einigen Zentimetern.
  2. Aktive RFID-Transponder sind batteriebetrieben, d. h. sie beziehen die Energie zur Versorgung des Mikrochips aus einer eingebauten Batterie. Normalerweise befinden sie sich im Ruhezustand bzw. senden keine Informationen aus, um die Lebensdauer der Energiequelle zu erhöhen. Nur wenn ein spezielles Aktivierungssignal empfangen wird, aktiviert sich der Sender. Nicht genutzt werden kann die Energie der Batterie für das Erzeugen des modulierten Rücksignals, dennoch erreicht man durch höheren Rückstrahlkoeffizienten beim Backscatteringverfahren aufgrund des geringeren Energieverbrauches an Feldenergie eine deutlich höhere Reichweite, die bis etwa 100 Meter betragen kann.

Frequenzbereiche

Für den Einsatz wurden bisher verschiedene ISM-Frequenzbänder vorgeschlagen und zum Teil europaweit oder international freigegeben:

Verschlüsselung

Die älteren Typen der RFID-Transponder senden ihre Informationen, wie in der Norm ISO 18000 vorgesehen, in Klartext. Neuere Modelle verfügen zusätzlich über die Möglichkeit, ihre Daten verschlüsselt zu übertragen oder Teile des Datenspeichers nicht jedem Zugriff zu öffnen.

Modulations- und Kodierungsverfahren

Keying/Modulation bezeichnet ein Verfahren um digitale Signale über analoge Leitungen übertragen zu können. Der Begriff Keying kommt aus den Anfangszeiten des Telegraphen. Die meist verwendeten Keying-/Modulationsverfahren sind:

Kodierungsverfahren (encoding) sind eine Vereinbarung zwischen Sender und Empfänger wie die Signale interpretiert werden sollen. Ein typisches Verfahren ist zum Beispiel die Morsekodierung. Die meist verwendeten Kodierungsverfahren im RFID-Bereich sind:

Einen Sonderfall stellen SAW-Tags dar, die SAW-Effekte nutzen. Dabei wird die Kennung in der Laufzeit der reflektierten Signals kodiert.

Pulk-Erkennung

Unter dem obigen Begriff versteht man ein Protokoll-Verfahren, in dem einzelne RFID-Tags nacheinander gelesen werden können, aber dieser Prozess sich selbst organisiert. Das heißt, dass

Viele Anwendungen dieser auch „Singulation“ genannten funktechnischen Vereinzelung soll es dem Empfänger ermöglichen, die verschiedenen Identitäten der vorhandenen Tags streng nacheinander zu erkennen. Das Konzept ist in der Norm in verschiedener Ausprägung vorgesehen, aber bisher erkennbar nicht verbreitet. Weitere proprietäre Ausprägungen finden sich bei den verschiedenen Herstellern. An technischen Problemen mit passiven Tags ändert nichts, dass aktive Tags sich willkürlich bei einem Empfänger melden können.

Folgendes Problem wird allein durch RFID-Tags nicht gelöst: Zu erkennen,

einen guten Leseerfolg ausmachen. Wenn kein Anti-Kollisionsverfahren und keine Stummschaltung wirken, ist Vereinzelung im Lesebereich die sicher funktionierende Verfahrensweise.

Antikollisions- oder Multi-Zugangsverfahren (Anti-collision)

Diese Funktion beschreibt eine Menge von Prozeduren, die Tags bei der Kommunikation ermöglichen sich nicht zu unterbrechen bzw. aneinander vorbei zu kommunizieren. Während Singulation sich mit Identifizierung einzelner Tags beschäftigt, beschäftigt sich das Antikollisionsverfahren sowohl mit Einhaltung der Reihenfolge bzw. Zeiten der Responses, als auch mit dem Auffinden verschiedener Möglichkeiten zur zufälligen Bearbeitung dieser Responses, so dass der Empfänger jedes Tag aus allen Responses auswählen kann. Die Qualität der Antikollisionsverfahren wird in der Einheit „Tags/s“ gemessen. Es gibt vier Grundarten für Antikollisions- oder Multi-Zugangsverfahren:

Typische Antikollisionsverfahren im RFID-Bereich sind:

Identität (Identity)

Alle Tags müssen eindeutig sein, damit der Empfänger Responses/Requests aller Tags erkennen kann.

Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen

Mindestmerkmale eines RFID-Systems sind

Zusatzfunktionen

Viele Tags unterstützen auch eine oder mehrere der folgenden Operationen:

Datenstrom-Betriebsarten

RFID kann im Duplexbetrieb oder sequentiell Daten mit dem Lesegerät austauschen. Man unterscheidet:

Speicherkapazität

Die Speicherkapazität eines RFID-Chips reicht von 1 Bit (Transponder oder passives Tag, z. B. in Warensicherungsetiketten) bis zu mehreren KBytes.

Der Datensatz des Transponders kann bei dessen Herstellung fest in ihm als laufende (eindeutige) Zahl oder nicht einmalige Daten (z. B. Chargennummer) abgelegt werden. Manche Tags können auch später geändert oder mit weiteren Daten beschrieben werden.

Beschreibbarkeit

Beschreibbare Transponder verwenden derzeit meist folgende Speichertechnologien:

Energieversorgung

Passive Transponder entnehmen ihre Betriebsspannung dem (elektrischen/magnetischen) Feld.

Semi-passive Transponder besitzen eine (Stütz-)Batterie für den volatilen (flüchtigen) Speicher oder zum Betrieb angeschlossener Sensoren, nicht jedoch für die Datenübertragung.

Aktive Transponder nutzen Batterien auch für den Datentransfer und erreichen so eine höhere Reichweite.

Auch Telemetrie-SRD (Funkverbindungen über kurze Entfernungen, z. B. von Sensoren) werden teilweise als RFID bezeichnet, sie benutzen einen aktiven Sender, der z. B. mit Solarzellen oder der Bewegung des Gegenstandes (z. B. Reifendrucksensor) mit Energie versorgt wird. Bei warmblütigen Lebewesen ist auch die Versorgung aus einer Temperaturdifferenz in Entwicklung[6].

Betriebsfrequenz

Frequenz Bereich Erlaubte Frequenzen (ISM-Band)
Langwellen-Frequenzen (LF) 30…300 kHz 9 kHz [sic]…135 kHz
Kurzwellen-Frequenzen (RF) 3…30 MHz 6,78 MHz, 13,56 MHz, 27,125 MHz, 40,680 MHz [sic]
Dezimeterwellen (UHF) 300…3 GHz 433,920 MHz, 869 MHz, 915 MHz, 2,45 GHz [sic]
Mikrowellen > 3 GHz 5,8 GHz, 24,125 GHz

Reichweiten und typische Anwendungen

Nach dem Englischen haben sich folgende Unterscheidungen im Sprachgebrauch etabliert:

Frequenz Typische max. Reichweite für passive Tags Typische Anwendungen
Langwellen-Frequenzen (LF) 50 cm Tier-Identifizierung und Lesen von Gegenständen mit hohem Wasseranteil
Kurzwellen-Frequenzen (HF/RF) 1 m (sic) Zugangskontrolle
Dezimeterwellen (UHF) 3-10 m Lager und Logistikbereich (Paletten)
Mikrowellen > 10 m Fahrzeug-Identifizierung

Frequenzbeeinflussung

Kopplungsmethoden

Einsatz

Generell ist die Logistik die Hauptüberschrift für das Einsatzgebiet. Logistische Problemstellungen gehen quer durch alle Branchen. Hier gibt es ein riesiges Rationalisierungspotential auszuschöpfen.

Manche Institutionen erhoffen sich darüber hinaus eine verbesserte Überwachung im Personen- und Warenverkehr. Der technische Aufwand und die Kosten auf der RFID-Seite sind überschaubar. Die zu erwartenden riesigen Datenmengen begrenzen die praktische Ausführung.

Der Begriff „fälschungssicher“ in diesem Zusammenhang wird sich nach kurzer Zeit relativieren.

Die folgende Aufzählung enthält nur einige, derzeit (2006) wichtige Gebiete:

Die e-Plate-Nummernschilder identifizieren sich automatisch an Lesegeräten. Dadurch sind Zugangskontrollen, Innenstadtmautsysteme und auch Section-Control-Geschwindigkeitsmessungen möglich. Bei entsprechend dichtem Sensorennetz lassen sich auch Wegeprofile erstellen. In einem Großversuch hat das britische Verkehrsministerium im April/Mai 2006 ca. 50.000 Nummernschilder mit RFID-Funkchips ausstatten lassen. Ziel ist die Informationssammlung über die Fälschungsrate sowie die Gültigkeit von Zulassung und Versicherungsschutz. Bei erfolgreicher Erprobung ist eine flächendeckende Einführung geplant. Die Erfassung erfolgt im Abstand von weniger als zehn Metern. Eine Verwertung der Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe dieser Technik ist durch die britische Rechtsprechung derzeit stark eingeschränkt.
Bereits im Jahr 2003 wurde bekannt, dass die Europäische Zentralbank mit dem japanischen Elektronikkonzern Hitachi über eine Integration von RFID-Transpondern in Euro-Banknoten verhandle.[7] Auf dem sogenannten μ-Chip (0,4 mm × 0,4 mm) ist eine eindeutige 38-stellige Zahlenfolge (128 Bit) gespeichert.[8] Mit einem solchen RFID-Chip gekennzeichnete Banknoten sollen besser gegen Geldfälscherei geschützt sein. Vorstellbar wäre aber auch eine lückenlose Dokumentation des Umlaufs. Aufgrund der mit der Implementierung verbundenen Kosten sowie datenschutzrechtlicher Probleme ist die Einführung bislang nicht vorgesehen.
RFID-Chips sind in allen seit dem 1. November 2005 ausgestellten deutschen Reisepässen enthalten.
Im November 2004 genehmigte die US-amerikanische Gesundheitsbehörde (FDA) den Einsatz des „VeriChip“ am Menschen.[9] Der Transponder der US-amerikanischen Firma Applied Digital Solutions wird unter der Haut eingepflanzt. Geworben wird mit einfacher Verfügbarkeit lebenswichtiger Informationen im Notfall. Andere Lösungen arbeiten dagegen mit Patientenarmbändern und koppeln diese Daten über den PDA des medizinischen Personals mit dem Patienteninformationssystem im Krankenhaus.[10]
Die US-Arzneimittelbehörde FDA empfiehlt den Einsatz von RFID-Technik im Kampf gegen gefälschte Medikamente. Bisher werden jedoch überwiegend optische Verfahren eingesetzt, da deren materieller Aufwand wirtschaftlich vertretbar ist. Für den Transport temperaturempfindlicher Medizinprodukte werden vielfach RFID-Tags mit Sensorfunktionen an den Transportbehältern eingesetzt. Die Aufzeichnung dokumentiert eine Verletzung von Transportbedingungen und unterstützt den Schutz der Patienten durch qualifiziertes Verwerfen eines falsch transportierten Gutes.
In der Bekleidungsindustrie ist der Einsatz von RFID aufgrund der Verwendung von Hängeversandformen von besonderem Interesse. Als weltweit erstes Unternehmen hat Lemmi Fashion (Kindermode) die komplette Logistikkette auf RFID umgerüstet und eine weitreichende Integration mit der Warenwirtschaft (Microsoft Business Solutions) umgesetzt. Lemmi setzt hier Einwegtransponder mit 13,56 MHz ein (Philips ICode). Die Firma Levi Strauss & Co. hat vor kurzem ebenfalls begonnen ihre Jeans mit RFID-Etiketten auszustatten[11].
Für See-Container sind spezielle mechanische Siegel mit zusätzlichen RFID-Tags entworfen worden, die in Einzelfällen bereits benutzt werden. Sie werden entweder wiederholt genutzt (semi-aktive RFID-Tags nach ISO/IEC 17363, ab 2007) oder einmalig eingesetzt (passive RFID-Tags nach ISO/IEC 18185, ab 2007). Bisher gibt es keine Verpflichtung zur Verwendung solcher elektronischen Siegel.
Seit den 1970er Jahren kommen RFID-Transponder bei Nutztieren zum Einsatz. Außer der Kennzeichnung von Nutztieren mit Halsbändern, Ohrmarken und Boli werden Implantate bei Haustieren (EU-Heimtierausweis, ISO/IEC 11784 und ISO/IEC 11785) verwendet. Auch die Tiere im Zoo erhalten solche Implantate.
* 125 kHz International Zootierhaltung, Nutztieridentifikation, Meeresschildkröten Erfassung, Forschung.
* ISO 134,2 kHz (ursprünglich Europäischer) Internationaler Standard in der Nutztieridentifikation, Implantate bei Haustieren.[12]
Als Bestandteil des Fahrzeugschlüssels bilden Transponder das Rückgrat der elektronischen Wegfahrsperren. Der Transponder wird dabei im eingesteckten Zustand über eine Zündschloss-Lesespule ausgelesen und stellt mit seinem abgespeicherten Code das ergänzende Schlüsselelement des Fahrzeugschlüssels dar. Für diesen Zweck werden üblicherweise Crypto-Transponder eingesetzt, deren Inhalt nicht ohne deren Zerstörung manipuliert werden kann.
In Asien sowie größeren Städten weit verbreitet sind berührungslose, wiederaufladbare Fahrkarten. Weltweiter Marktführer für das sogenannte Ticketing ist Philips mit seinem Mifare-System. In den USA und in Europa werden Systeme zur Zutrittskontrolle und Zeiterfassung bereits häufig mit RFID-Technik realisiert. Hier werden weltweit meist Mifare oder HiD bzw. iClass5 und in Europa hauptsächlich Legic, Mifare und teilweise unterschiedliche 125 kHz-Verfahren (Hitag, Miro etc.) eingesetzt. Manche Kreditkarten-Anbieter setzten RFID-Chips bereits als Nachfolger von Magnetstreifen bzw. Kontakt-Chips ein. Bei der FIFA Fußball-Weltmeisterschaft 2006 in Deutschland kam die RFID-Technik in den Eintrittskarten zum Einsatz. Ziel ist es, den Ticketschwarzhandel durch Bindung der Karte an den Käufer zu reduzieren. Beim VfL Wolfsburg kommt diese Technologie bereits bei Bundesliga-Spielen zum Einsatz.
In Bibliotheken jeder Größe und Typs wird RFID zur Medienverbuchung und Sicherung verwendet. Prominente Installationen sind die Münchner Stadtbibliothek, die großen Hamburger Stadtbibliotheken, die Wiener Hauptbücherei, die Stadtbücherei Stuttgart und die Hauptbibliothek der Technischen Universität Graz und der Universität Karlsruhe (TH). Die RFID-Lesegeräte sind in der Lage, spezielle RFID-Transponder stapelweise und berührungslos zu lesen. Dieses Leistungsmerkmal bezeichnet man mit Pulklesung. Das bedeutet bei der Entleihe und Rückgabe, dass die Bücher, Zeitschriften und audiovisuellen Medien nicht einzeln aufgelegt und gescannt werden müssen. Der Bibliotheksbenutzer kann auf diese Weise an RFID-Selbstverbuchungsterminals alle Medien selbständig ausleihen. Auch die Medienrückgabe kann automatisiert werden: Eigens entwickelte RFID-Rückgabeautomaten ermöglichen eine Rückgabe außerhalb der Öffnungszeiten. An den Türen und Aufgängen befinden sich Lesegeräte, die wie Sicherheitsschranken in den Kaufhäusern aussehen. Sie kontrollieren die korrekte Entleihe. Mit speziellen RFID-Lesegeräten wird die Inventarisierung des Bestandes und das Auffinden vermisster Medien spürbar einfacher und schneller.
Große Einzelhandelsketten wie Metro, Rewe, Tesco und Wal-Mart sind an der Verwendung von RFID bei der Kontrolle des Warenflusses im Verkaufsraum interessiert. Dieser Einsatz hat in letzter Zeit zu Diskussionen geführt. Der Vereinfachung für den Kunden (z. B. Automatisierung des Bezahlvorganges) stehen Datenschutzbedenken gegenüber.
Im industriellen Einsatz in geschlossenen Arealen sind fahrerlose Transportsysteme (AGV), bei der die Position mit Hilfe von in geringen Abstand zueinander im Boden eingelassenen Transpondern bestimmt wird. Solche Systeme sind davon abhängig, dass lediglich zuvor bestimmte festgelegte Trassen und Routen befahren werden. Sobald ein Fahrzeug die Trasse verlässt, ist das System unwirksam.
Transponder dienen am Schuh oder in der Startnummer eines Läufers bzw. im Rahmen eines Rennrades als digitales Identifikationsmerkmal in Sportwettkämpfen (Produktbeispiele: ChampionChip, Bibchip).
An Terminals werden die Zeiten des Kommens und Gehens, evtl. auch der Pausenzeiten erfasst, wenn der Nutzer sein RFID-Medium (meist Chipkarte oder Schlüsselanhänger) in Lesereichweite bringt.
In den Österreichischen Bezirken Kufstein und Kitzbühel wurde bereits im Jahr 1993 ein RFID basierendes („Veridat“) Müllmesssystem nach Liter entwickelt und flächendeckend eingeführt, sämtliche Transponder der Erstausgabe (AEGID Trovan ID200 125kHz) aus dem Jahr 1993 sind dort trotz erneuerter Abfuhrfahrzeuge (und Reader-Einheiten) bis heute in der Orginalbestückung unverändert im Einsatz. Eine Müll Vorschreibung erfolgt bei diesem System nach tatsächlich gemessenen Litern (Laufende Abrechnung je Quartal). Das System verknüpft über die Adress Elemente: Straße Hausnummer Türe Top, automatisiert eine Personenanzahl (Datenabfrage aus dem zentralen Melderegister Österreichs) mit jedem Müllgefäß, und summiert unabhängig einer tatsächlich abgeführten Müllmenge diese virtuell errechnete Mindestmüllmenge auf die Müllgefäßkonten. Zur Vermeidung eines sonst unweigerlichen Missbrauchs einer aufkommensgerechten Abfallvergebührung durch Littering vergleicht das System am Jahresende eine tatsächlich abgeführte Jahresmüllmenge je Gefäß mit einer virtuell aus der Personenanzahl errechneten Mindestmüllmenge (je Gemeinde 2-3 Liter je Woche und Person), und schreibt bei einer Unterschreitung der bemessenen Müllmenge eine Differenz am Jahresabschluss jedenfalls vor. Das beschriebene System befindet sich seit mehr als 14 Jahre ohne technisch bedingten Datenverlust, zudem konfliktfrei im Einsatz. Datenschutzrechliche Abläufe finden ausnahmslos innerhalb der kommunalen Gemeindeverwaltung statt, jeder Bürger kann auf Verlangen in seine Müllmessdaten in seiner Heimatgemeinde Einsicht nehmen.[13]
In den deutschen Städten Bremen und Dresden werden Mülltonnen ebenfalls mit RFID-Transpondern versehen. Bei der Leerung erfassen die Abfuhrfahrzeuge mittels geeichter Waagen das Gewicht jeder einzelnen Tonne. Über RFID ist die Zuordnung des Abholgewichts jeder Tonne zu einem individuellen Haushalt möglich, die Bürger erhalten eine Abrechnung, die auf dem tatsächlich geleerten Gewicht (und nicht, wie sonst üblich, auf einer Volumenpauschale) basiert, bzw. in Bremen über die Anzahl der tatsächlichen Leerungen. Jeder Nutzer einer Mülltonne ist über diesen Sachverhalt informiert und kann die eingesetzten RFID-Transponder leicht erkennen.
In Großbritannien wurden mehrere hunderttausend Mülltonnen ohne Wissen der Bürger mit RFID-Transpondern versehen [14]. Hintergrund soll die Absicht der britischen Kommunen sein, das Recyclingverhalten der Bürger zu erfassen.[15]
Transponder am oder im Schlüssel dienen zur Zutrittskontrolle, wenn die Türen mit entsprechenden Lesegeräten oder mit entsprechenden Schließzylindern mit Leseoption ausgestattet sind.

Verbreitung und Kosten

Kumuliert wurden in den Jahren von 1944 bis 2005 insgesamt 2,397 Milliarden RFID-Chips verkauft [16]. Die genaue Verbreitung nach Anwendung sieht wie folgt aus:

Branche Kum. Anz. (in Mio.)
Transport/Automotive 1000
Finanzen/Sicherheit 670
Handel/Konsumgüter 230
Freizeit 100
Wäschereien 75
Bibliotheken 70
Fertigung 50
Tiere/Landwirtschaft 45
Gesundheitswesen 40
Flugverkehr 25
Logistik/Post 10
Militär 2
Sonstige 80
Total 2397

Allein im Jahr 2005 wurden 565 Millionen Hochfrequenz-RFID-Tags (nach ISO/IEC 14443) abgesetzt, was insbesondere auf die erhöhte Nachfrage im Logistik-Bereich zurückzuführen ist [17]. Für das Jahr 2006 erwartet man einen weltweiten Absatz von 1,3 Milliarden RFID-Tags [18]. U.a. wegen der zunehmenden Vereinheitlichung von RFID-Lösungen sowie dem gewachsenen Austausch der Interessenten untereinander, mussten Marktforscher ihre Prognose für das Marktwachstum im Jahr 2007 um 15 % senken. So wird erwartet, dass im Jahr 2007 mit rund 3,7 Milliarden US-Dollar für RFID-Services und -Lösungen weniger Umsatz gemacht wird [19].

Standards

Bedenken und Kritik

Technische Begrenzungen

Die Schwäche der RFID-Technik ist in der begrenzten Reichweite und in der Unschärfe der zu gewinnenden Information zu erkennen, da RFID-Chips keine direkte Information über die genaue Position und Bewegung liefern, sondern nur zur Identität. Ortsinformationen erhält man über den Umweg über die Kenntnis des Standorts des Lesegerätes. An Objekten angebrachte und von Personen mit sich geführte RFIDs könnten somit zu einer Gefahr für die Privatsphäre werden, da die unmerkbar gesendeten Daten potentiell personenbeziehbar sind (siehe unten). In dieser Hinsicht gleichen RFID einem eingeschalteten Mobiltelefon, dessen Standort anhand der nächstgelegenen Basisstation ermittelt werden kann.

Ungelöst ist derzeit noch das Problem der Entsorgung der Transponder als Elektronikschrott beim Masseneinsatz wie z. B. bei Supermarktartikeln. Unter anderem wird deshalb an neuen Materialien (z. B. auf Polymerbasis) geforscht, aber auch zur weiteren Senkung der Herstellungskosten sowie der Erschließung neuer Einsatzgebiete (z. B. in Geldscheinen und Kleidung eingearbeitete Transponder) [21].

Gefahren des Verlustes der informationellen Selbstbestimmung

Die Gefahr der RFID-Technik liegt zum Beispiel im Verlust der informationellen Selbstbestimmung, d. h. die einzelne Person hat durch die „versteckten“ Sender keinen Einfluss mehr darauf, welche Informationen preisgegeben werden. Deshalb ist der bevorstehende massenhafte Einsatz von RFID-Transpondern unter Datenschutz-Gesichtspunkten problematisch. Um dem zu entgehen, schlagen manche Kritiker die Zerstörung der RFID-Transponder nach dem Kauf vor. Dies könnte (ähnlich wie bei der Deaktivierung der Diebstahlsicherung) an der Kasse geschehen.Ein Nachweis, dass ein Transponder wirklich zerstört bzw. sein Speicher wirklich gelöscht wurde, ist für den Verbraucher in der Regel nicht möglich. [22].

Weiterhin ist die Integration zusätzlicher, nicht dokumentierter Speicherzellen oder Transponder denkbar. Für den Verbraucher wird ein RFID-Transponder so zur Black Box, weshalb manche eine lückenlose Überwachung des gesamten Produktionsprozesses fordern.

2003 hatte der Metro-Konzern einen Teil seiner Kundenkarten mit RFID-Transpondern ausgestattet ohne seine Kundinnen und Kunden darauf hinzuweisen. Der Konzern wurde daraufhin mit der Negativ-Auszeichnung Big Brother Award bedacht. Metro setzt seine RFID-Versuche in seinem Future Store zwar fort, tauschte die betreffenden Kundenkarten jedoch um. Dies bewerten Datenschutz-Aktivisten als Folge ihrer Proteste. Generell kann sich ein Kunde gegen solche Praktiken erfolgreich wehren, wenn sie nicht heimlich geschehen. 2007 erhält die Deutsche Bahn AG den genannten Big Brother Award, weil sie weiterhin – ohne die Kunden zu informieren – die Bahncard 100 mit RFID-Chips ausstattet.

Angriffs- bzw. Schutzszenarien

Umwelt und Recycling

Auf Umverpackungen aufgebrachte RFID-Tags können nach derzeitigem Kenntnissstand nicht so gut recyclet werden wie Umverpackungen ohne RFID-Tags. Sortenreines Verpackungsmaterial wie Altglas, Altpapier oder Kunststoff kann durch die schwierig abzutrennenden RFID-Chips aus Kupfer und weiteren Metallen verunreinigt werden. Mögliche Risiken von Verunreinigungen des Recylingmaterials durch RFID-Chips können aufwendigeres Reycycling oder mindere Qualität der entstehenden Rohstoffe bedeuten.[25] [26]

Störung der Medizintechnik durch RFID

Im Journal of the American Medical Association wurde im Juni 2008 eine Studie[27] veröffentlicht, die nachweist, dass zahlreiche diagnostische Messungen durch RFID verfälscht werden (JAMA 2008; 299: 2884-2890). Geräte der Medizintechnik, die in jeder gut ausgestattenen Intensivmedizin-Station vorhanden sind, reagierten unterschiedlich empfindlich mit Messwert-Verzerrungen. „In einer Entfernung von einem Zentimeter bis sechs Metern kam es bei 34 von 123 Tests zu einer Fehlfunktion der medizinischen Geräte. In 22 Fällen wurden diese Störungen als gefährlich beurteilt, weil Beatmungsgeräte ausfielen oder selbsttätig die Atemfrequenz veränderten, weil Infusionspumpen stoppten oder externe Schrittmacher den Dienst versagten, weil ein Dialysegerät ausfiel oder der EKG-Monitor eine nicht vorhandene Rhythmusstörung anzeigte.“[28]

Siehe auch

Literatur

Quellen

  1. Rosol, Christoph: RFID. Vom Ursprung einer (all)gegenwärtigen Kulturtechnologie.
  2. Bundestag: Funkchips – Die Radio Frequency Identification (RFID) , 24. Mai 2007
  3. AIM Global: AIM Shrouds of Time – The History of RFID
  4. WirtschaftsWoche Nr.21 vom 19.05.2008
  5. heise online: Hitachi treibt Miniaturisierung von RFID-Tags voran , 16. Februar 2007
  6. „Forschung aktuell“, Deutschlandfunk
  7. tecCHANNEL.de: RFID-Chip soll Euro-Blüten verhindern, 23. Mai 2003
  8. Hitachi: μ-Chip – The World’s Smallest RFID IC, Stand: August 2006
  9. heise online: Patientenidentifikation mit RFID-Chips , 27. August 2006
  10. RFID-Einsatz im Gesundheitswesen (PDF; 634KB)
  11. heise online: Erste RFID-Markierungen auf Levi’s Jeans, 28. April 2006
  12. http://www.banfield.net/about/article.asp?id=34 ISO 134,2 und der Proprietäre historische 125 kHz RFID Standard (en:)
  13. http://www.veridat.de Fa. Veridat
  14. Spiegel Online: Briten empört: 500.000 Mülltonnen heimlich verwanzt, 26. August 2006
  15. Mail on Sunday: Germans plant bugs in our wheelie bins, 26. August 2006
  16. IDTechEx: RFID tag sales in 2005 – how many and where, 21. Dezember 2005
  17. CIO Online: SCM – Es funkt im RFID-Markt, 25. September 2006
  18. Computerwoche: Der RFID-Boom hat gerade erst begonnen, 24. Juli 2006
  19. silicon.de: Marktforscher sieht 2007 weniger RFID-Wachstum, 11. August 2006
  20. http://www.bde-berlin.de/01seiten/x4sitemap_set.htm BDE Transponder
  21. ZDNet.de: Übersehene Gefahr: RFID-Chips verseuchen das Trinkwasser, 5. Dezember 2005
  22. Kritik aus Sicht der Verbraucher: Die StopRFID-Seiten des FoeBuD e. V.
  23. Is Your Cat Infected with a Computer Virus? (Paper), Website des RFID-Virus
  24. Roaming charges: Pet-embedded RFID chips bring down Las Vegas!, Larry Loeb, 18. April 2006
  25. Problem-Müll Funkchip, wissenschaft.de, 05.02.2008
  26. Studie: Massenhafter RFID-Einsatz könnte Recycling verschlechtern, heise.de, 09.11.2007
  27. Abstract der JAMA-Studie
  28. Deutsches Ärzteblatt vom 25. Juni 2008: Studie: RFID-Etikette können medizinische Geräte empfindlich stören
 Wikibooks: RFID-Technologie – Lern- und Lehrmaterialien