RFID Radio Frequency Identification: Grundlagen und Einsatzmöglichkeiten

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Entwicklung, Funktionsweise und Technik
2.1 Geschichtliche Entwicklung
2.2 Komponenten eines RFID-Systems
2.3 Funktionsweise
2.3.1 Passive Transponde
2.3.2 Aktive Transponde
2.3.3 Frequenzbereiche und Reichweiten
2.3.4 Pulkerfassung und Antikollision
2.4 Herstellung
2.5 Wiederverwendbarkeit eines Transponders
2.6 Eindeutige Seriennummern EPC.

3. Kosten und Wirtschaftlichkei
3.1 Chipkosten
3.2 Aufbaukosten eines RFID-Systems
3.3 Wirtschaftlichkeit und Nutzenpotentiale
3.4 Förderung des BMW

4. Vergleich Barcode und RFID.
4.1 Geschichte und Technik des Barcodes
4.2 Aufbau des EAN Barcodes und Einsatzgebiete
4.3 Barcodes im Bereich der Logistik
4.4 Vergleich von Barcode und RFID.
4.5 Ausblick

5. Einsatzmöglichkeiten von RFID in der Logistik
5.1 Behältermanagemen
5.2 Lagerlogistik/Kommissionierung
5.3 Einsatz in einer Sammelgutspedition mit Anschluss an ein Stückgutnetzwerk
5.4 Sendungsverfolgung
5.4.1 Sendungsverfolgung mit Hilfe von RFID.
5.4.2 Sendungsverfolgung mittels GPS
5.5 Überwachung sensibler Güter und Gefahrgüte
5.6 Entsorgungslogistik
5.7 Zutrittskontrollen (Luftsicherheit

6. Weitere Einsatzmöglichkeiten außerhalb der Logistik
6.1 Einsatz zur Diebstahlsicherung
6.1 Einsatz in Ausweisdokumenten sowie Banknotenkennzeichnung
6.2 Einsatz im Einzelhandel am Beispiel Metro Future Store
6.3 Bezahlen per Handy (NFC
6.4 Tierkennzeichnung

7. RFID und der Umweltschutz

8. Sicherheit in RFID-Systemen

9. Rechtliche Aspekte

10 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Bestandteile eines RFID-Systems

Quelle: Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, 4. Auflage, München, Wien, 2006, S. 7

Abbildung 2: RFID-Transponder

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/RFID eingesehen am 04.03.2013

Abbildung 3: RFID-Lesegerät:

Quelle: http://www.rfid-ready.de/200809221862/motorola-stellt-neues-rfid-portfolio-vor.html

Abbildung 4: Prinzip der induktiven Kopplung

Quelle: Finger, Martin: Konzipierung eines Identifikationssystems auf Bluetooth-Basis, Dresden 2008, S 7

in Anlehnung an Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, 3. Auflage, München, Wien 2002

Abbildung 5: Kopplungselemente

Quelle: Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, 4. Auflage, München, Wien, 2006, S. 9

Abbildung 6: RFID-Frequenzbereiche.

Quelle: Overmeyer, Ludger, Vogeler, Stefan: RFID: Grundlagen und Potenziale, o.O., 2005, http://www.logistics-journal.de/not-reviewed/2005/3/rfid

Abbildung 7: Suchbaum zur Verkleinerung des Suchbereichs.

Quelle: Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, 4. Auflage, München, Wien, 2006, S. 231

Abbildung 8: Aufbau des EAN Barcodes

Quelle: Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, 4. Auflage, München, Wien, 2006, S. 3

Abbildung 9: Beispiel eines EAN Barcodes

Quelle: Schoblick, Robert und Gabriele, RFID, Radio Frequency Identification, Poing, 2005

Abbildung 10: Beispiel eines NVE Barcodes

Quelle: Praxisbeispiel aus dem Bestand der Friedrich Zufall GmbH & Co. KG, Göttingen

Abbildung 11: Aufbau eines Glastransponders

Quelle: Schoblick, Robert und Gabriele, RFID, Radio Frequency Identification, Poing, 2005, S. 158

Abbildung 12: Skizze eines RFID-Gates

Quelle: Wohlers, Günter / Breitner, Michael H.: RFID Anwendungen, Einführung, Fallbeispiele und Szenarien in der Praxis, Aachen, 2008, S. 93

Abbildung 13: Ablauf in einer Sammelgutspedition

Quelle: http://www.dhl-discoverlogistics.com/dhl/logistikkurs/img/de/chapter_03/3.1.2_Grundlagen_der_TUL_Logistik/PREVIEW/preview_3_1_2_sammelgut.gif_1484201796.gif

eingesehen am 03.04.2013

Abbildung 14: Prinzip der Satellitenortung

Quelle: Bauer, Manfred: Vermessung und Ortung mit Satelliten, Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) und andere satellitengestützte Navigationssysteme, 6. Auflage, Berlin, 2011, S. 52

Abbildung 15: Teilnehmer und Potentielle Angreifer eines RFID-Systems

Quelle: Auerbach, Mirko: Trusted-RFID, Vertrauenssiegel für RFID-Anwendungen, Aachen, 2009, S 58

1. Einleitung

Der Begriff RFID (Radio Frequency Identification) bezeichnet eine moderne Form der eindeutigen Kennzeichnung von Waren und automatische kontaktlose Identifizierung von Objekten jeder Art, die dadurch ermöglicht wird. Durch eine Betrachtung der Funktionsweise wird ein Grundverständnis geschaffen, was für die weiteren Einsatzmöglichkeiten notwendig ist. Diese Technologie ist ein neuartiges Instrument in der Logistik. In anderen Bereichen ist diese teilweise bereits seit Jahrzehnten im Einsatz, weshalb sich diese Arbeit nicht nur auf die Anwendungen im logistischen Bereich beschränkt, sondern auch auf andere Anwendungsmöglichkeiten weiter eingeht.

Anhand eines Vergleichs zur bisher noch dominierenden Kennzeichnung mittels Barcodes werden die Vor- und Nachteile herausgestellt.

Durch die Anwendung von RFID in verschiedenen Bereichen ergeben sich aber auch verschiedene Probleme oder Fragen, wie die Sicherstellung des Datenschutzes, sei es durch gesetzliche Bestimmungen oder auch zur Wahrung der eigenen Interessen, wie z.B. die Sicherstellung des Betriebsgeheimnisses oder die Abwehr von Wirtschaftsspionage. Ebenfalls werden weitere gesetzliche Bestimmungen, die sich aus der Verwendung der RFID-Technologie ergeben, betrachtet. In dieser Arbeit werden dabei die physikalischen Grundlagen der elektromagnetischen Wellen auf die die RFID-Technologie beruht, nicht betrachtet, auch wird nur kurz auf eine mögliche Verschlüsselung eingegangen. Diese sind für ein Verständnis der Technik sowie für eine Betrachtung im betriebswirtschaftlichen Sinne nicht notwendig.

2. Entwicklung, Funktionsweise und Technik

2.1 Geschichtliche Entwicklung

Die Grundlage für RFID, die drahtlose Übertragung von Informationen wurde von Heinrich Hertz, einem deutschen Physiker des 19. Jahrhunderts gelegt. Hertz entdeckte 1886 in Karlsruhe die Möglichkeit, elektromagnetische Wellen zu übertragen und legte damit den Grundstein für die Funktechnologie.^[1] Mit der Entwicklung des Radar Systems durch Robert Watson-Watt im Jahr 1935 wurde es möglich, mit Hilfe von Radiowellen Objekte zu orten und deren Entfernung zur Station festzustellen.^[2]

Die Entwicklung von RFID selbst reicht in die 40er Jahre des 20. Jahrhunderts zurück. In dieser Zeit wurde diese nur von Großbritannien und den Vereinigten Staaten von Amerika im militärischen Bereich genutzt. Vorausgegangen war die Suche nach einer Möglichkeit, zurückkehrende alliierte Bomber von deutschen Flugzeugen zu unterscheiden. Durch den Einbau von etwa koffergroßen Geräten in Kampfflugzeugen, Schiffen oder zum kleinen Teil auch in Panzern wurde die Möglichkeit geschaffen, in unübersichtlichen Situationen ein feindliches von einem eigenen oder verbündeten Objekt zu unterscheiden.^[3][4]

In den 1960er Jahren wurde RFID erstmals im zivilen Bereich zur Diebstahlsicherung in großen Kaufhäusern genutzt. Eine erste Anwendung im logistischen Bereich erfolgte in den 90er Jahren ebenfalls wieder durch die Armee der Vereinigten Staaten von Amerika, die ihre Materialcontainer damit ausstattete. Vorausgegangen waren schlechte Erfahrungen mit nicht mehr auffindbarem Material während des ersten Golfkrieges.^[5]

Die Basis für die heutigen Anwendungen und Systeme erfolgte in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts. Die Vereinigten Staaten von Amerika und Norwegen entwickelten ein Mautsystem für den Straßenverkehr, was den Durchbruch für RFID bedeutete.^[6]

2.2 Komponenten eines RFID-Systems

Ein System besteht jeweils mindestens aus einem Transponder und einem Lesegerät.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Bestandteile eines RFID-Systems

Ein Transponder, der häufig auch als „Tag“ bezeichnet wird, ist ein Kunstwort, was sich aus „Transmitter“ (dem Sender) und „Responder“ (dem Antwortgeber) zusammensetzt. Das heißt, dieser besteht aus einer Kombination aus Chip und Antenne bzw. Spule. Der Chip enthält mindestens eine eindeutig vergebene Nummer, mit deren Hilfe der Transponder eindeutig identifiziert werden kann. Die Antenne bzw. die Spule ist das Verbindungselement des Chips zum Lesegerät.^[7]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: RFID-Transponder

Abbildung 2 zeigt nur eine mögliche Bauart eines Transponders. Es existiert je nach Einsatzart eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauformen und Größen.

Das Lesegerät besitzt einen Sender und Empfänger und eine Kontrolleinheit.

Dieses erkennt die RFID-Transponder in dessen Reichweite und versucht mit diesen zu kommunizieren. Die Kommunikation dient der Übertragung der Informationen, die auf dem Chip des Transponders gespeichert sind oder in umgekehrter Richtung zum Speichern von Daten. Üblicherweise ist ein Lesegerät mit Hilfe einer zusätzlichen Schnittstelle an ein EDV-System angeschlossen, um Daten, die es empfangen hat, zur weiteren Verarbeitung und Nutzung weiterzuleiten.^[8][9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: RFID-Lesegerät

Auch dieser hier abgebildete Scanner stellt nur ein Beispiel dar. Hier existieren ebenfalls je nach Einsatzart verschiedene Modelle und Ausführungen, wie ein RFID-Gate, welches im weiteren Verlauf beschrieben wird.

Üblicherweise verfügen Lesegeräte zusätzlich über die Möglichkeit, Barcodes zu scannen, was einen möglichen Übergang vom Barcode zur RFID-Technik deutlich erleichtern kann.^[10]

2.3 Funktionsweise

Um die Funktionsweise eines Transponders zu beschreiben, muss man 2 verschiedene Arten unterscheiden, was gleichzeitig eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale darstellt.

2.3.1 Passive Transponder

Ein passiver Transponder hat keine eingebaute Energiequelle. Die benötigte Energie muss durch das Lesegerät bereitgestellt werden, entweder mittels Induktion oder durch das sogenannte Backscatter-Verfahren.^[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Prinzip der induktiven Kopplung

Beim Prinzip der Induktion sendet ein Lesegerät ein magnetisches Feld aus, ein Transponder der sich im Feld befindet, wird durch die eingebaute Spule mit Energie aus dem Feld versorgt und aktiviert. Zu beachten ist, dass beide Komponenten auf eine bestimmte Frequenz, meist bis 13,56 MHz, eingestellt sind. Dies lässt sich durch eine bestimmte Art der Spule erreichen.^[12] Es gilt hier: Je höher die Frequenz ist, desto weniger Windungen in der Spule werden benötigt. Bei 134 kHz sind es 100 bis zu 1000, bei 13,56 MHz nur noch 6-10 Windungen.^[13] In einem solchen System macht man sich die Wechselwirkung der magnetischen Felder zwischen den beiden Spulen zunutze. Durch die Erzeugung eines Feldes im Lesegerät wird im Transponder ebenfalls ein magnetisches Feld erzeugt, was wiederum auf das des Lesegerätes einwirkt, wodurch beide Komponenten durch diesen Effekt der Gegeninduktivität miteinander verkoppelt sind. Dadurch wird die Energie übertragen, die zum Betrieb des Transponders benötigt wird. Gleichzeitig entsteht eine Wirkung auf das ausstrahlende Feld des Lesegerätes, was von diesem erkannt wird.^[14] Durch Schaltung eines Widerstandes wird eine Spannungsänderung erzeugt, die zur Übertragung der auf dem Chip gespeicherten Information genutzt wird.^[15]

Beim Backscatter-Verfahren sendet das Lesegerät elektromagnetische Wellen aus.

Auch hier wird ein Teil der ausgesendeten Welle vom Transponder empfangen und zur Energieversorgung verwendet. Ein anderer wird von der Antenne des Transponders reflektiert. Daten werden übertragen, indem ein Widerstand ein- und ausgeschaltet werden kann, wodurch die Rückstrahlung zum Lesegerät variiert werden kann. Diese Systeme arbeiten meist in einem hohen Frequenzbereich ab 860 MHz.

Ein Vorteil des Backscatter-Prinzips ist, dass das Kopplungselement des Transponders, im Gegensatz zur Induktion, relativ klein gehalten werden kann.^[16]

Das Backscatter-Verfahren beruht auf dem Prinzip der Radartechnologie. Dort wird ebenfalls der Effekt der Reflexion von elektromagnetischen Wellen eines Objektes ausgenutzt.^[17]

Nichtsdestotrotz beruhen 90 % aller eingesetzten Systeme auf dem Prinzip der Induktion.^[18]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Kopplungselemente, links Spule, rechts Antenne (nicht Maßstabsgetreu)

Ein passiver Tag ist im Gegensatz zu aktiven Tags leichter sowie kleiner und hat theoretisch eine unbegrenzte Lebensdauer.^[19]

2.3.2 Aktive Transponder

Aktive Transponder verfügen im Gegensatz zu den passiven Transpondern über eine eigene Energiequelle. Dies ist in den meisten Fällen eine Batterie, es ist aber auch möglich, diesen mit Hilfe einer Solarzelle zu betreiben.^[20] Hierzu sind allerdings bestimmte Voraussetzungen an die Umgebung in der dieser eingesetzt wird, zu erfüllen. Optimaler Weise muss sich das Trägerobjekt im Freien befinden, auch ist zu beachten, dass die Solarzelle durch eine mögliche Verschmutzung durch Staub, Blätter u.a. ihre Leistung sogar komplett einbüßen kann.

Die Batterie wird zur Stromversorgung des Chips und zur Erhaltung der darauf befindlichen Daten benutzt. Das vom Lesegerät ausgesendete elektromagnetische Feld wird nicht zur Versorgung des Chips selbst benötigt.^[21] Dadurch wird nur ein wesentlich schwächeres ausgestrahltes Feld benötigt.^[22] Ein aktiver Transponder verhält sich so lange inaktiv, d.h. im Stand-by Modus, bis dieser in den Bereich des Lesegerätes kommt.^[23]

Die Vorteile dieser Art von Transponder sind vielfältig. Eine gleichmäßige Energieversorgung schafft die Möglichkeit komplexere Anwendungen darzustellen, wie beispielsweise die Verbindung mit Sensoren für Temperatur und Erschütterung.

Auch eine höhere Reichweite ist möglich.

Entscheidende Nachteile sind hier die begrenzte Lebensdauer, die abhängig von der Batterie ist, die höheren Herstellungskosten und die größere Bauform, bedingt durch den Einsatz der Batterie.^[24][25]

Es existiert auch noch eine Zwischenlösung zwischen den beiden Transponderarten.

Diese enthält ebenfalls eine Batterie, die durch das elektromagnetische oder magnetische Feld des Lesegerätes aufgeladen werden kann, um so für eine kurze Zeit eine Übertragung von Informationen zu ermöglichen.^[26]

2.3.3 Frequenzbereiche und Reichweiten

Ein RFID-System strahlt elektromagnetische Wellen ab und ist daher aus rechtlicher Sicht als Funkanlage zu betrachten. Durch den Betrieb darf ein anderes System nicht gestört werden. Gerade auf öffentliche und sicherheitsrelevante Systeme und deren Frequenzen ist hierbei Rücksicht zu nehmen. Dies sind unter anderem Radio- und Fernsehausstrahlungen sowie Mobiltelefone und der sicherheitsrelevante Polizeifunk. Durch die starke Einschränkung und der fehlenden Zuteilung einer Frequenz wurde anfangs auf das international verfügbare ISM Band im Bereich unter 135 kHz zurückgegriffen. Der Begriff steht für „Industrial, Scientific and Medical Band“ und bezeichnet Frequenzbereiche, die in der Industrie, der Wissenschaft, der Medizin sowie im häuslichen Bereich genutzt werden dürfen. Hierbei ist keine spezielle Zulassung eines Gerätes erforderlich. Zur Verdeutlichung sind hier beispielsweise Modellbau Fernsteuerungen bei 27 MHz, Funkthermometer, Lautsprecher bei 433 MHz und WLAN bzw. Bluetooth bei 2,4 und 5 GHz zu nennen. Heute werden 2 ISM Frequenzen (13,56 MHz und 2,45 GHz) weltweit von RFID-Systemen genutzt. Ausschlaggebend war die weltweite Verfügbarkeit dieser Bereiche und die Möglichkeit, Lesegeräte und Transponder ohne landesspezifische Besonderheiten weltweit vertreiben zu können. Mit einer zunehmenden Bedeutung wurde in Europa der Bereich zwischen 865 und 868 MHz zur Benutzung freigegeben.^[27][28] Im Bereich von 5,8 GHz sind Mautsysteme angesiedelt.^[29]

Durch die Umstellung des terrestrischen Fernsehens von analoger auf digitale Ausstrahlung in der Europäischen Union bis Ende 2012 ergeben sich in der Zukunft Möglichkeiten zur Nutzung neuer Frequenzen. Durch die Digitalisierung ist es möglich, ein gleichbleibendes Angebot an Fernsehsendern bei gleicher Qualität anzubieten, welches aber nur noch etwa die Hälfte der bisher benutzten Frequenzen benötigt. Bisher wurden hierfür die Bereiche zwischen 174-230 MHz und 470-862 MHz vorgehalten. Das Freiwerden dieser Frequenzen wird als sogenannte „digitale Dividende“ bezeichnet. Es ist vorstellbar, dass ein Teil für den Einsatz von RFID-Anwendungen in ganz Europa freigegeben wird.^[30]

[...]

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^[1] Vgl. Fölsing, Albrecht: Heinrich Hertz, S. 275-279

^[2] Vgl. Kummer, Sebastian: RFID in der Logistik, S. 12-13

^[3] Vgl. http://www.rfid-journal.de/rfid-geschichte.html

^[4] Vgl. Thoroe, Lars: RFID in Reverse-Logistics-Systemen, S. 22

^[5] Vgl. Thoroe, Lars: RFID in Reverse-Logistics-Systemen, S. 23

^[6] Vgl. Klumpp, Matthias: RFID in der Logistik, S. 9

^[7] Vgl. BMWI: RFID: Potentiale für Deutschland, S. 3

^[8] Vgl. BMWI: RFID: Potentiale für Deutschland, S. 3

^[9] Vgl. Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, S. 7

^[10] Vgl. http://www.rfid-ready.de

^[11] Vgl. Wohlers, Günter: RFID Anwendungen, S. 9-11

^[12] Vgl. Wohlers, Günter: RFID Anwendungen, S. 9-10

^[13] Vgl. Franke, Werner: RFID – Leitfaden für die Logistik, S. 27

^[14] Vgl. Finger, Martin: System auf Bluetooth-Basis, S. 6-8

^[15] Vgl. Thoroe, Lars: RFID in Reverse-Logistics-Systemen, S. 17

^[16] Vgl. Finger, Martin: System auf Bluetooth-Basis, S. 8-10

^[17] Vgl. Schoblick, Robert und Gabriele: RFID, S. 138

^[18] Vgl BMWI; RFID: Potentiale für Deutschland, S. 5

^[19] Vgl. Seifert, Wolfgang: RFID in der Logistik, S. 27

^[20] Vgl. Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, S. 23

^[21] Vgl. Kummer, Sebastian: RFID in der Logistik, S. 21

^[22] Vgl. Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, S. 24

^[23] Vgl. Franke, Werner: RFID – Leitfaden für die Logistik, S. 26

^[24] Vgl. Franke, Werner: RFID – Leitfaden für die Logistik, S. 26

^[25] Vgl. Kummer, Sebastian: RFID in der Logistik, S. 21

^[26] Vgl. Schoblick, Robert und Gabriele: RFID, S. 122

^[27] Vgl. Finkenzeller, Klaus: RFID Handbuch, S. 169-170

^[28] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/ISM-Band

^[29] Vgl. BMWI: RFID: Potentiale für Deutschland, S. 13

^[30] Vgl. BMWI: RFID: Potentiale für Deutschland, S. 15