Entwicklung eines eLearning-Bausteins für das Thema "RFID"
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Fallstudienarbeit | |
| Hochschule: | Hochschule für Oekonomie & Management |
| Standort: | Düsseldorf |
| Studiengang: | Bachelor Wirtschaftsinformatik |
| Veranstaltung: | Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten |
| Betreuer: | Prof._Dr._Uwe_Kern |
| Typ: | Fallstudienarbeit |
| Themengebiet: | Entwicklung von eLearning Bausteinen |
| Autor(en): | Martin Steinorth, Martin Cremer |
| Studienzeitmodell: | Abendstudium |
| Semesterbezeichnung: | WS10 |
| Studiensemester: | 4 |
| Bearbeitungsstatus: | begutachtet |
| Prüfungstermin: | |
| Abgabetermin: | |
Inhaltsverzeichnis |
1 Einleitung
RFID steht für Radio Frequency Identification und bedeutet im Deutschen so viel wie die Identifikation von Objekten durch den Empfang von Funkwellen. Hierfür werden ein sogenanntes RFID Tag und ein Scanner benötigt, der die auf dem Tag gespeicherten Daten auslesen kann.
1.1 Abgrenzung zum Barcode
Das System ist am ehesten mit den herkömmlichen Barcodes zu vergleichen, die sich auf fast allen Produkten des Einzelhandels finden. Auch dort benötigt man den Strichcode, der meist auf der Verpackung aufgedruckt ist und einen Scanner, der über den Strichcode die ID des Produktes auslesen und zur Weiterverarbeitung versenden kann. Hierfür ist jedoch immer eine Sichtverbindung zwischen dem Strichcode und dem Scanner notwendig. Zudem erkennt der Scanner lediglich die ID des Produktes, etwa eine EAN (European Article Number) oder UPC (Universal Product Code). Auf einem im RFID Tag enthaltenen Mikrochip können hingegen weitaus mehr Daten hinterlegt und direkt ausgelesen werden. Somit entfällt die Auswertung der Daten durch eine zentrale Stelle. Durch eine mit dem RFID Chip verbundene Antenne können die Daten auch ohne Sichtkontakt aus der Ferne ausgelesen werden.
1.2 Internet der Dinge
Der RFID Ansatz folgt dem Grundgedanken des Internets der Dinge. Dieses Konzept beschreibt die zukünftige Ausstattung von Alltagsgegenständen mit einer eigenen Identität und einer damit verbundenen Intelligenz. So können über eine zusätzliche Sensorik, die mit dem RFID Tag verknüpft wird, etwa die aktuellen GPS Koordinaten oder andere Daten zum Objekt erhoben und verarbeitet werden. Pakete könnten somit Ihren aktuellen Standort an die Zentrale des Logistikpartners weiterleiten, um dem Endkunden eine höhere Servicequalität in der Bestimmung des Auslieferungsstatus geben zu können. Beim Eintreffen von verderblichen Waren könnte automatisiert die Temperaturhistorie der Güter ausgelesen werden um festzustellen, ob die Kühlkette nicht unterbrochen wurde.
2 Technik
Die RFID-Technologie besteht aus Transpondern und Infrastruktur. Je nach Einsatzgebiet gibt es unterschiedliche RFID-Systeme. Sie Unterscheiden sich in Eigenschaften wie dem Empfangsradius, der Möglichkeit zusätzliche Sensorik zu integrieren oder der Pulkerfassung. In diesem Abschnitt wird zunächst das Grundprinzip der Transponder und der Infrastruktur erklärt. Im folgenden Teil wird näher auf die verschiedenen Arten von RFID-Systemen eingegangen, die sich vor allen Dingen durch die eingesetzte Frequenz unterscheiden.
2.1 RFID-Transponder
Der RFID-Transponder identifiziert Objekte im RFID-System. Er ist ein automatischer Antwortsender, der auf ein Signal einer RFID-Leseeinheit reagiert und antwortet. Der Begriff Transponder setzt sich dabei aus den den englischen Begriffen "transmitter" (Sender) und "responder" (Antwortgeber) zusammen.
Im einfachsten Fall besteht ein Transponder aus einem Chip mit angeschlossener Sende- und Empfangsantenne und ist in ein Trägerobjekt (Verpackung) integriert (Vgl. Abbildung 1: passiver RFID-Transponder). Dies kann zum Beispiel eine Plastikkarte oder ein Klebeetikett sein.[1] Vom einfachsten Fall ausgehend, beinhaltet der Chip einen Ein-Bit-Speicher, in dem eine eindeutige Kennung des Transponders gespeichert ist. Transponder können jedoch auch mehr als nur eine Kennung übermitteln: leistungsfähige Transponder besitzen Festspeicher (ROM) mit höherem Speichervermögen oder Schreib-/Lesespeicher (RAM). Über zusätzliche Sensorik können Temperaturfühler oder Lagesensoren angeschlossen sein und die Steuerlogik kann bis zu kompletten Prozessoren reichen.[2]
Damit der Transponder seine Daten übermitteln und erhalten kann, benötigt er Energie. Dabei unterscheidet man zwischen passiven, aktiven und semiaktiven Transpondern.
Im Endkundengeschäft am meisten verbreitet sind die passiven Transponder. Sie beziehen ihre Energie aus dem Energiefeld der Leseeinheit. Ihre Antenne ist ähnlich einer Spule aufgebaut und versorgt durch Induktion einen mit integrierten Kondensator. Ist dieser aufgeladen, reicht die dort gespeicherte Energie aus, um den Chip mit Strom zu versorgen. Über eine Belastungsmodulation übermittelt der Transponder seine Daten an das Lesegerät. Aufgrund der geringen Kapazität kann auch nur ein schwaches Signal gesendet werden, was die Reichweite stark einschränkt. Hinzu kommt die Zeit, in der der Kondensator aufgeladen werden muss. Dies macht den Auslesevorgang im Gegensatz zu aktiven oder semiaktiven Transpondern langsamer und schränkt gleichzeitig das speicherbare Datenvolumen und angeschlossene Sensorik stark ein.[3]
Aktive Transponder besitzen eine eigene Energiequelle, wodurch sie nicht auf die Energie des Lesegerätes angewiesen sind. Bekommen sie vom Lesegerät ein Aktivierungssignal, senden sie ihre Informationen über das sogenannte Backscatter-Verfahren. Dieses Verfahren ist an die Radartechnik angelehnt und basiert auf einem modulierten Reflektionssignals, das an das Lesegerät zurückgesendet wird. Die Batterie erlaubt ihnen eine sehr hohe Sendereichweite bis in den Kilometerbereich. Die eigene Energiequelle hält bist zu einigen Jahren und erlaubt es zusätzliche Sensorik sowie Schreib-/Lesespeicher zu integrieren.
Semiaktive Transponder besitzen zwar wie die aktiven Transponder eine Batterie, nutzen aber das gleiche Übertragungsprinzip wie die passiven Transponder, die Belastungsmodulation. Die Batterie ersetzen den dort vorhandenen Kondensator und somit auch den Ladevorgang. Die eigene Energiequelle erlaubt eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit sowie zusätzliche Sensorik und Speichermöglichkeiten. Hinzu kommt eine hohe Reichweite von bis zu 100 m.[4]
2.2 RFID Infrastruktur
Zu einem RFID-System gehören neben den Transpondern auch mehrere RFID-Lese- und Schreibeinheiten sowie die datenverarbeitungstechnische Infrastruktur für die Verwaltung der Objekte.
Die nebenstehende Abbildung 2: RFID-Infrastruktur zeigt exemplarisch einen die typischerweise notwendigen Komponenten eines RFID-Systems. Es besteht aus einer Basisstation, die über ein drahtgebundenes Netzwerk angeschlossen ist. Die Basisstation stellt die Kommunikation zu einem Transponder her und ruft seine Daten ab. Zu diesem Zweck besitzt die Schreib-/Leseeinheit der Basisstation eine Antenne. Sie sendet kontinuierlich oder durch einen Benutzer ausgelöst ein elektromagnetisches Funksignal, das in Reichweite befindliche Transponder aktiviert. Handelt es sich bei diesen Transpondern um passive, laden sie ihre Kondensatoren und übertragen danach über eine Belastungsmodulation ihre Identifikation. Die Schreib-/Leseeinheit übermittelt die Informationen an einen angeschlossenen PC, wo sie von einer Middleware weiter verarbeitet werden. Ausgehend vom Beispiel eines automatischen Gepäckbeförderungssystems an einem Flughafen, wird die Identifikation eines Gepäckstücks zusammen mit der Identifikation der Basisstation an einen zentralen Server weitergeleitet. Somit kann dort über RFID verfolgt werden, welches Gepäck sich an welchen Orten im System aufhält. Zusätzlich kann mit dieser Information dann auch gesteuert werden, welche Wege das Gepäck nehmen muss, um im richtigen Flugzeug verladen zu werden.
2.3 Frequenzen
RFID-Systeme können auf verschiedenen Frequenzen arbeiten. Von der eingesetzten Frequenz sind auch die Eigenschaften des Systems abhängig, auf die im folgenden näher eingegangen wird. Typischerweise werden bei RFID Frequenzen aus dem ISM-Bereich genutzt. ISM steht für "Industrial-Scientific-Medical" und definiert lizenzfreie Bänder.[5]
2.3.1 Niederfrequente Systeme
Niederfrequente Systeme (LF) arbeiten zwischen 100 und 135 kHz. Ihre Vorteile sind sehr kleine und verschiedenste Bauweisen, eine gute Lesbarkeit auf kritischen Untergründen wie Metall und eine ausgereifte Technik. Der verwendete Frequenzband hat eine gute Durchdringung von nicht-metallischen Gegenständen wie Wasser oder organisches Gewebe. Die niedrige Frequenz erlaubt jedoch nur eine geringe Datenrate, die nur in einem kleinen Radius gesendet werden kann. Durch ihre niedrige Frequenz kann jedoch nur eine geringe Datenrate und eine kurze Reichweite erreicht werden. Durch diese Nachteile gibt es auch Schwierigkeiten bei der Pulkerfassung, also dem gleichzeitigen Erfassen vieler Objekte zum Beispiel auf einer Palette. Anwendung finden sie zum Beispiel bei der Identifikation von Haustieren als Implantat (siehe Abbildung 3: Niederfrequentes RFID-Tag für die Tieridentifikation), Wegfahrsperren oder Zugangskontrollen. [6]
2.3.2 Hochfrequente Systeme
Hochfrequente RFID-Systeme (HF) verwenden meistens 13,56 MHz als Arbeitsfrequenz. Diese Frequenz zeichnet sich durch eine sehr hohe Taktfrequenz aus, die zu eine sehr schnelle Datenübertragungsrate ermöglicht. Zusätzlich kann die Datenübertragung über eine Signalverschlüsselung gesichert werden.[7] Gegenüber den LF-Systemen können HF-Transponder sehr gut im Pulk eingelesen werden. Die Bauweise der Transponder ist sehr kompakt und flach. Diese Vorteile machen Supermärkte und Kaufhäuser zunutze: hier werden sie als Klebeetiketten für die Produktsicherung eingesetzt (siehe Abbildung 4: Hochfrequenter RFID-Transponder in einem Klebeetikett). Neben dem reinen Datenspeicher kann zusätzliche Sensorik, wie Temperaturfühler integriert werden. Diese können dann zum Beispiel die Warentemperatur überwachen und somit die Qualität sichern. Der Sendebereich ist zwar größer als bei LF-Transpondern, jedoch immer noch zu gering für viele Logistikprozesse, die eine höhere Reichweite erfordern. Hinzu kommt, dass sie stark durch Metall, Materialen mit hoher Dichte oder Wasser beeinflusst werden. Die HF-Technik ist geringfügig teurer als die LF-Technik, wird aber dennoch im großen Stil eingesetzt. Verwendung finden sie vor allem als Klebeetiketten, in SmartCards im ÖPNV, Bibliotheken oder dem Gesundheitswesen.
2.3.3 Ultrahochfrequente Systeme
Ultrahochfrequente Systeme (UHF) funken im Bereich von 868 – 917 MHz. Sie überzeugen mit einer kompakten Bauform (siehe Abbildung 5: passiver UHF-Transponder) und gleichzeitig einer schnellen Datenübertragung. Sie haben einen sehr hohen Empfangsradius und eignen sich sehr gut für die Pulkerfassung. Einhergehend mit der großen Reichweite lässt sich der Erfassungsbereich allerdings auch nur schwer eingrenzen. Hinzu kommen unterschiede bei der Frequenzregulierung in Europa (868 MHz) und Amerika (917 MHz), was eine internationale Verwendung erschwert. Gegenüber den Systemen mit geringerer Frequenz sind sie weniger verbreitet und die Komplexität der Chips ist ebenfalls höher. Es ergeben sich deutlich höhere Kosten, was einen Einsatz als Massenprodukt verhindert. Dennoch werden sie wegen ihrer hohen Reichweite und guten Pulkerfassungseigenschaften bei der Ladungsträgeridentifizierung eingesetzt, wo sie mehrfach verwendet werden können. Semiaktive Transponder können mit zusätzlicher Sensorik ausgerüstet werden und finden zum Beispiel Verwendung in der Logistik oder Produktionsabläufen.
2.3.4 Mikrowellenbereich Systeme
Müssen sehr hohe Reichweiten erzielt werden, eigenen sich besonders Systeme im Mikrowellenbereich (SHF). Sie funken auf dem 2,45 GHz-Band. Die Tansponder sind aktiv und können zusätzliche Sensorik enthalten (siehe Abbildung 6: aktiver SHF-Transponder). Sie sind sehr lageunabhängig und können sehr hohe Reichweiten erzielen. Der verwendete Frequenz-Bereich wird jedoch schon von vielen Systemen wie WLAN, Bluetooth oder DECT verwendet und es kann so leicht zu Kommunikationsstörungen kommen. Der Erfassungsbereich lässt sich schwer abgrenzen, hinzu kommt ein hoher Transponderpreis. Angewendet werden sie bei speziellen Ortungssystemen wie der Personenüberwachung oder Diebstalschutz, Fertigungssteuerungen oder der Ortung von Staplern in großen Lagern.
3 Anwendung
Bereits heutzutage werden viele Prozesse in den verschiedensten Branchen mit Hilfe der RFID Technik optimiert.
Bibliotheken
Die Stadtbücherei Stuttgart hat zur Entlastung des Bibliothekpersonals sämtlich Ein- und Ausbuchprozesse von Medien auf RFID gestützte Systeme umgestellt[8]. Im Ausleihprozess kann der Kunde seine Bücher selbstständig im Pulk erfassen und ausbuchen lassen. Durch Scanner an den Ausgängen ist es zudem nicht mehr möglich, die Bücherei mit nicht ausgebuchte Medien zu verlassen.
Verkehrsüberwachung
Im Straßenverkehr werden RFID Tags verwendet um durchfahrende Fahrzeuge zu identifizieren und automatisch Mautgebühren von einem Konto abzurechnen. Dabei hinterlegt der Fahrzeughalter einen Transponder hinter der Windschutzscheibe, der beim Durchfahren einer Scannerbrücke automatisch ausgelesen wird. Solche Systeme werden bereits in einigen Bundesstaaten der USA und in Österreich verwendet[9].
Diebstahlsicherung
In vielen Warenhausketten sind die Produkte mit RFID Diebstahlsicherungen versehen. Beim Bezahlvorgang an der Kasse werden die Sicherungsdaten auf dem Tag verändert, so dass die Lesegeräte am Ausgang keinen Alarm melden.
Track & Trace
DHL erprobt in seinem DHL Innovation Center intelligente RFID Tags[10] die beispielsweise Erschütterungen und Temperaturen aufzeichnen können. Somit können die Pakete bei der Ankunft im Logistikcenter selbständig melden, wenn Sie übermäßigen Erschütterungen ausgesetzt waren, oder die Kühlkette unterbrochen wurde.
4 Kritik
Neben allen Vorteilen die RFID für die Logistik- und Handelsbranche hat, melden sich immer mehr Kritiker die die Gefahren dieser Technik für die Bevölkerung aufzeigen[11]. Durch die preiswerte Herstellung der Tags ist es absehbar, dass in Zukunft viele Produkte ohne Wissen des Kunden mit Tags versehen werden. Kritiker sehen die Bürgerrechte und die damit verbundene Privatsphäre in Gefahr. Beim Kauf von Produkten mit EC- oder Kreditkarte, können die Waren beispielsweise mit dem Käufer verknüpft werden. Diese Verknüpfung könnte auf den Tags gespeichert und an anderen Stellen ohne Wissen des Käufers zu Marktforschungszwecken wieder ausgelesen werden. Auch das unerlaubte Auslesen von privaten Daten, etwa durch einen RFID Chip im Personalausweis, halten Kritiker für denkbar.
Wie jede neue Technik bietet RFID große Potenziale zur Optimierung der Güterwirtschaft, die jedoch gewissenhaft eingesetzt und durch Sicherheitsmechanismen wie die Verschlüsselung von Daten vor Missbrauch geschützt werden muss.
5 Glossar
| Begriff
| Erklärung
|
|---|---|
| aktiver Transponder | Transponder mit eigener Energiequelle |
| Hochfrequente Systeme | Systeme im Frequenzbereich von 13,56 MHz |
| Mikrowellenbereich Systeme | Systeme im Frequenzbereich von 2,45 GHz |
| Niederfrequente Systeme | Systeme im Frequenzbereich von 100 und 135 kHz |
| RFID Transponder | automatischer Antwortsender, auch RFID-Tag genannt |
| passiver Transponder | Transponder, der seine Energie aus elektromagnetischem Feld des RFID-Lesegeräts bezieht |
| Pulkerfassung | Gleichzeitige Erfassung mehrerer RFID-Transponder |
| semiaktiver Transponder | Transponder mit eigener Energieversorgung |
| Tag, RFID Tag | siehe RFID Transponder
|
| Ultrahochfrequente Systeme | Systeme im Frequenzbereich von 868 bis 917 MHz
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6 Abkürzungsverzeichnis
| Abkürzung
| Begriff
|
|---|---|
| DECT | Digital Enhanced Cordless Telecommunications, digitale, verbesserte schnurlose Telekommunikation |
| EAN | European Article Number |
| EC | Electronic Cash, Zahlungssystem |
| GPS | Global Positioning System |
| HF | High Frequency, Hochfrequent |
| ID | Identifizierungsnummer |
| ISM | Industrial-Scientific-Medical, lizenzfreie Frequenzen für Industrie, Wissenschaft und Medizin |
| LF | Low Frequency, Niederfrequent |
| ÖPNV | öffentlicher Personen-Nahverkehr
|
| PC | Personal Computer |
| RAM | Schreib-/Lesespeicher (Random Access Memory) |
| RFID | Radio Frequency Identification |
| ROM | Festspeicher (Read Only Memory) |
| SHF | Super High Frequency, Mikrowellenbereich |
| UHF | Ultra High Frequency, Ultrahochfrequent |
| UPC | Universal Product Code |
| WLAN | Wireless Local Area Network, drahtloses, lokales Netzwerk |
7 Abbildungsverzeichnis
- Abbildung 1: passiver RFID-Transponder
- Abbildung 2: RFID-Infrastruktur
- Abbildung 3: Niederfrequentes RFID-Tag für die Tieridentifikation
- Abbildung 4: Hochfrequenter RFID-Transponder in einem Klebeetikett
- Abbildung 5: passiver UHF-Transponder
- Abbildung 6: aktiver SHF-Transponder
8 Fußnoten
- ↑ Vgl. Basiswissen RFID (2007), S. 2
- ↑ Vgl. Hansen, Neumann (2005), S. 171
- ↑ Vgl. Finke, Kelter (2004), S. 2
- ↑ Vgl. Helmus, Meins-Becker, Laußat, Kelm (2009), S. 262
- ↑ Vgl. BNetzA (2010), S. 1
- ↑ Vgl. rfidready (2011)
- ↑ Vgl. rfidjournal (2011)
- ↑ Vgl. rfidatlas (2011)
- ↑ Vgl. inforfid (2011)
- ↑ Vgl. dpdhl (2011)
- ↑ Vgl. foebud (2011)
9 Literaturverzeichnis
| Basiswissen RFID (2007) | Basiswissen RFID, Hrsg. Informationsforum RFID e.V., Berlin; 2. Auflage, http://www.info-rfid.de/info-rfid/content/e35/e37/e369/e371/download581/basiswissen_rfid_ger.pdf, abgerufen am 09.01.2011, 19:40 Uhr |
| BNetzA (2010) | RFID, das kontaktlose Informationssystem, Artikel der Bundesnetzagentur, http://emf2.bundesnetzagentur.de/pdf/RFID-BNetzA.pdf, 2010, abgerufen am 09.01.2011, 19:40 Uhr |
| Finke, Kelter (2004) | Finke, Thomas; Kelter, Harald (2004): Radio Frequency Identification: Abhörmöglichkeiten der Kommunikation zwischen Lesegerät und Transponder am Beispiel eines ISO14443-Systems, https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/ElekAusweise/RFID/Abh_RFID_pdf.pdf?__blob=publicationFile, 2004, abgerufen am 09.01.2011, 19:40 Uhr |
| Hansen, Neumann (2005) | Hansen, Hans Robert; Neumann, Gustaf (2005): Wirtschaftsinformatik 2 Informationstechnik, 9. Auflage, Lucius & Lucius, Stuttgart |
| Helmus, Meins-Becker, Laußat, Kelm (2009) | Helmus, Manfred; Meins-Becker, Anica; Laußat, Lars; Kelm, Agnes (2009): RFID in der Baulogistik: Forschungsbericht zum Projekt"Integriertes Wertschöpfungsmodell mit RFID in der Bau- und Immobilienwirtschaft", Vieweg + Teubner Wiesbaden, http://books.google.de/books?id=desX1AcyY7UC&lpg=PA262&ots=82gJeIBhVB&dq=reichweite%20semiaktiv%20rfid%20100%20meter&pg=PA262#v=onepage&q&f=false |
| rfidjournal (2011) | Kröner, Tim: RFID-Übertragungsfrequenzen, RFID Journal, Köln, http://www.rfid-journal.de/rfid-uebertragungsfrequenzen.html, abgerufen am 09.01.2011, 19:40 Uhr |
| rfidready (2011) | RFID-Frequenzen, rfid ready Verlag, Isernhagen, http://www.rfid-ready.de/rfid-frequenzen.html, abgerufen am 09.01.2011, 19:40 Uhr |
| rfidatlas (2011) | Webseite RFID Atlas, Fallstudie Stadtbücherei Stuttgart, http://www.rfidatlas.de/index.php?option=com_content&task=view&id=245&Itemid=173, abgerufen am 09.01.2011, 19:13 Uhr |
| inforfid (2011) | Webseite Info RFID, Anwendungsbereich Maut, http://info-rfid.de/anwendungsbereiche/verkehr/index_ger.html, abgerufen am 09.01.2011, 16:52 Uhr |
| dpdhl (2011) | Webseite DHL, RFID - so funktioniert's, http://www.dp-dhl.com/de/logistik_populaer/trends/rfid.html, abgerufen am 09.01.2011, 15:11 Uhr |
| foebud (2011) | Webseite FoeBuD, http://www.foebud.org/rfid/das-problem, abgerufen am 08.01.2011, 18:47 Uhr |
