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RFID

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Grundeigenschaften

RFID (Radio-Frequency Identification) ist eine Technologie, die zur Kennzeichnung von Gegenständen, Tieren und Personen verwendet wird.
Ein zu identifizierendes Objekt muss zum Scannen/Einlesen nicht mehr in eine bestimmte Position (Sichtkontakt) zu einem Laserstrahl gebracht werden oder aus einer Kiste ausgepackt werden, wie dies bei der optischen Identifikation der Fall ist. Die Radiowellen können Verpackungen durchleuchten, dabei mehrere Objekte gleichzeitig erkennen und zusätzlich auf dem Chip am Objekt weitere Daten ablegen.

Bauformen

Lesegeräte
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.

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Bildquelle: www.wikipedia.org

Transponder
Der Transponder wird normalerweise durch das elektromagnetische Feld des Lesegeräts 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.

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Bildquelle: www.wikipedia.org

Aufbau und Funktionsweise

Ein RFID-System besteht aus einem Lesegerät und einem Transponder. Beide enthalten eine integrierte Schaltung (Chip) und eine Antenne, über die sie durch Radiowellen miteinander kommunizieren. Dabei wird der Transponder am oder im Gegenstand bzw. Lebewesen angebracht, um diese zu kennzeichnen. Mit dem Lesegerät können Daten vom Transponder gelesen/geschrieben werden.

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Bildquelle: Skript Mechatronik

Ansteuerung

Für den Einsatz wurden bisher verschiedene ISM-Frequenzbänder vorgeschlagen und zum Teil europaweit oder international freigegeben. Dabei gilt für niedrige Frequenzen:

  • Langsame Schwingung
  • Niedrige Datenübertragungsrate

Und für hohe Frequenzen:

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

Datenkapazität:
Die Datenkapazität eines RFID-Speichers kann je nach Anwendung von wenigen Bits bis zu mehreren kBytes gehen.

Datensicherheit:
Ältere RFID-Systeme sendeten ihre Daten unverschlüsselt. Die neueren RFID-System benutzen jedoch ein Codierverfahren, um die Datensicherheit zu gewährleisten. Die Codierung kann auf verschiedene Arten erfolgen wie z.B. Biphase Manchester encoding (bi-phase) oder Pulse interval encoding.

Fehlerkorrektur:
Zur Erzeugung von Prüfcodes werden verschiedene Methoden eingesetzt wie z.B. Querparität(VRC), Längsparität(LRC) und Zyklische Blocksicherung.

Anwendungsgebiete

RFID-Systeme werden in verschiedensten Bereichen Angewendet um Produkte oder auch Lebewesen zu erkennen. Die RFID-Technologie wird vor allem dort eingesetzt, wo keine direkte Sichtverbindung zum Objekt besteht. Eine Auswahl von Einsatzgebieten:

  • Zutrittskontrolle
  • Produktidentifikation
  • Logistik
  • Positionsbestimmung
  • Diebstahlsicherung

Je nach Anwendungsbereich werden verschiedene Frequenzbänder vorgezogen:

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
Ultrahochfrequenzen (UHF) 3-15 m Lager und Logistikbereich (Paletten)
Mikrowellen > 10 m Fahrzeug-Identifizierung

Vergleich Barcode-RFID

Barcode RFID
Vorteile Sehr geringe Investitionskosten, Weit verbreitete Technologie, Standards Abfrage ohne Sichtkontakt, Lesen und Schreiben möglich, Resistenz gegen Schmutz, Hohe Speicherkapazität
Nachteile Geringe Speicherkapazität, Sichtverbindung notwendig, Daten nicht veränderbar, Nicht resistent gegen Schmutz / Beschädigung Hohe Investitionskosten, Einfluss von Metall und Wasser auf die Lesbarkeit, Fehlende Standards

Ausblick
Heute übernimmt RFID häufig noch die Funktion des Barcodes zur einfachen Identifikation von Gegenständen in Prozessen, morgen bietet RFID jedoch die Möglichkeit, die Gegenstände intelligent werden und sie direkt untereinander kommunizieren zu lassen. Bekannt ist das Beispiel des intelligenten Kühlschranks: er kommuniziert über RFID mit den Lebensmitteln, weiss welche ihm entnommen wurde und kann, wenn eines aufgebraucht ist, genau dieses online nachbestellen. Oder das Beispiel des intelligenten Einkaufswagens: er weiss genau, welche Lebensmittel sich im Einkaufswagen befinden. So kann das Bezahlen an der Kasse vereinfacht und optimiert werden.

Verbindungsmöglichkeiten RFID

Sensortyp Bemerkung zur Kombination
Kapazitiv Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Induktiv Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Magnetostriktiv Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Piezo Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Potentiometrisch Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
DMS Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Fotoelektrisch Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Ultraschall Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.
Magnetisch Es gibt Ansätze für RFID-Tags, die über einen Sensoreingang Sensorwerte speichern können. Somit werden bei einem Identifikationsvorgang auch Attribute übertragen.

Bemerkung:

In der Praxis werden die Kombinationen jedoch auch indirekt Angewendet. So kann z.B. ein RFID-System die Objekteigenschaften z.B. Inhalt eines Pakets bestimmen, während ein anderer Sensor das Gewicht des Pakets misst.

Verbindungsmöglichkeiten RFID

Aktortyp Bemerkung zur Kombination
Magnetostriktiv Zurzeit keine Kombination bekannt
Piezo Zurzeit keine Kombination bekannt
Synchronmotor Zurzeit keine Kombination bekannt
Asynchronmotor Zurzeit keine Kombination bekannt
Schrittmotor Zurzeit keine Kombination bekannt
Linearmotor Zurzeit keine Kombination bekannt
Tauchspulenmotor Zurzeit keine Kombination bekannt
Smart-Materials Zurzeit keine Kombination bekannt

Bemerkung:

Zurzeit keine direkte Kombination bekannt. In der Praxis werden die Kombinationen jedoch indirekt sehr wohl angewendet. So kann ein Rechner (z.B. SPS) mit einem RFID-Empfänger die RFID-Daten einlesen und je nach Objekteigenschaften die entsprechenden Aktoren ansteuern. Beispielsweise kann eine Schranke mit einem Aktor angesteuert werden. Befindet sich ein Auto, das mit einem RFID-System ausgestattet ist, in der Einfahrt, so kann der RFID-Code eingelesen werden und je nach Zutrittsberechtigung die Schranke geöffnet werden.

Verbindungsmöglichkeiten RFID

Controllertyp Bemerkung zur Kombination
ASIC Als Funktion integrierbar
SPS Über Funktionsmodul ansteuerbar
Prozessrechner Durch entsprechende Erweiterungsmodule kann eine RFID-Identifikation ausgeführt werden.
Microcontroller Wenn die Protokolle bekannt sind, kann diese Identifikation implementiert werden.
Industrie-PC Kann über Funktionsbaugruppe angesteuert werden.

Verbindungsmöglichkeiten RFID

Kommunikationstyp Bemerkung zur Kombination
ASI Das AS-Interface wurde für die Sensor-/Aktorebene entwickelt und ist deshalb für das Einlesen von RFID-Daten nicht geeignet.
CAN Auf dem Markt existieren Funktionsmodule, um RFID zu lesen.
Profibus Wird ein entsprechendes Module für das Einlesen der Daten von einem RFID auf dem Markt angeboten, ist eine Datenverarbeitung mittels Profibus gut vorstellbar.
Industrial Ethernet / Profinet Die Datentverarbeitung von RFID-Daten mittels Industrial-Ethernet wird auf dem Markt angeboten.
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