Applications using RFID Technology

Anwendungen, die die RFID Technologie benutzen, gehören zu den automatisierten Identifikationssystemen.
Automatisierte Identifikationssysteme ermöglichen mit Hilfe von technischen Hilfsmitteln die leichte Zuordnung von Objekten zu einer Klasse und prägen so schon seit vielen Jahren unseren Alltag im Bereitstellen von Informationen zu Personen, Tieren und Waren. Zu den automatisierten Identifikationssystemen gehören zum Beispiel die weit verbreiteten Barcode Systeme, Chipkarten mit Kontaktfeld, Optical Charakter Recognition (Klarschriftleser), Biometrischen Verfahren oder auch Fingerabdruckverfahren.
Alle diese Systeme haben eines gemeinsam: Sie benötigen eine mechanische Kontaktierung mit einem Lesegerät, welches Informationen aus dem Datenträger herausliest.
Die RFID-Technology dagegen arbeitet anders. RFID steht für Radio Frequency Identification, also Identifikation durch Radiowellen. Das bedeutet, Daten werden kontaktlos über Funkwellen übertragen. RFID beschreibt also eine Technologie von Datenspeichern, die über eine Funkstrecke ausgelesen werden können. Dies macht ein RFID-System wesentlich flexibler gegenüber herkömmlichen Identifikationsverfahren. Bevor ich einige Beispielanwendungen beschreibe, die die RFID-Technologie benutzen, möchte ich einen kurzen Überblick über ein RFID-System geben.

 

RFID-Systeme

Welche Bestandteile gehören zu einem RFID-System? Welche Merkmale hat ein RFID-System?
Ein RFID-System besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten. Dies ist einmal der sogenannte RFID-Transponder, der an dem Objekt angebracht wird, welches es zu identifizieren gilt und zum anderen der Reader, das Lesegerät, welches Daten aus dem Transponder herauslesen kann.
(Um die erhaltenen Daten ver- bzw. weiterzuverarbeiten benötigt man noch eine weitere Datenverarbeitungs-komponente (z. Bsp. Lagerverwaltungs-, Produktionsplanungs- oder Warenwirtschaftssystem) im Hintergrund, die aber nicht unmittelbar zu einem RFID-System gehört und keine weitere Berücksichtigung findet.)
Der RFID-Reader ist eine aktive Einheit, welche einerseits als reines Lesegerät fungiert, aber andererseits auch gegebenenfalls Daten auf einen Transponder schreiben kann. Richtigerweise handelt es sich also um eine Schreib-/Leseeinheit, die aber als „Reader“ bezeichnet wird. Über integrierte oder externe Antennen werden Kommandos an den Transponder gesendet und die zurückgelieferten Antworten ausgewertet. Hauptaufgabe des Readers ist die Generierung des Sendesignals, die Filterung des Antwortsignals und die Aufbereitung der Daten für eine Hintergrund-Anwendung.
Ein Transponder ist der Datenträger eines RFID-Systems und besteht aus einem Koppelelement zum Reader und einem elektronischen Mikrochip. RFID-Transponder gibt es für die verschiedensten Einsatzbereiche in entsprechenden Größen und Formen. Sie können zum Beispiel die Form einer Schraube für die Identifizierung von Bäumen oder Holz oder die Form einer Kreditkarte für den Einsatz bei Zutrittskontrollsystemen haben. Schon eine ganze Weile fungieren RFID-Transponder als Diebstahlsicherung in Form von grauen Kunst-stoffanhängern an Waren in Kaufhäusern.
Man unterscheidet zwei Typen von Transpondern hinsichtlich des Speicherzugriffs. Zum einen sind dies die Read-Only Transponder und zum anderen die Read/Write Transponder.
Read-Only Transponder sind entweder als 1-bit-Transponder hergestellt oder vom Hersteller mit einer eindeutigen Identifikationsnummer versehen. Daten, die auf einem Read-Only Transponder gespeichert sind, können nachträglich nicht mehr verändert werden und somit nur ausgelesen werden. Sobald ein Read-Only Transponder in das elektrische Feld eines Readers gebracht wird, sendet dieser seine Daten an den Reader. Im Gegensatz zu den Read-Only Transpondern besitzt der Read/Write Transponder noch die Funktion der Beschreibbarkeit. Die Daten auf dem Transponder können durch entsprechende Kommandos des Readers ausgetauscht oder überschrieben werden.
Transponder bieten im Gegensatz zu anderen Datenträgern von Identifikationssystemen einige Vorteile: Sie können schon in einer sehr kleinen Größe von wenigen Millimetern realisiert werden, was sie sehr flexibel macht, da sie unauffällig an den unterschiedlichsten Produkten angebracht werden können. Darüber hinaus besitzen die meisten Transponder keinen eigenen Energiespeicher und haben daher eine im Prinzip unbegrenzte Lebensdauer. Und sie sind unempfindlich gegen Schmutz, Fett und statische Aufladung. Der Hauptvorteil ist aber wohl, dass die Daten aus einem RFID-Transponder kontaktlos ausgelesen werden können.
Desweiteren wird zwischen aktiven und passiven Transpondern unterschieden.
In den heutigen RFID-Systemen werden hauptsächlich passive Transponder verwendet. Passive Transponder besitzen zum Betrieb des Mikrochips keine eigene Energieversorgung und kommen ganz ohne eigene Batterie aus. Die zum Betrieb benötigte Energie wird ausschließlich aus dem elektrischen bzw. magnetischen Feld, welches vom Reader aufgebaut wird, genommen. Passive Transponder arbeiten also außerhalb des Energiefeldes des Readers nicht. Aktive Transponder dagegen haben eine eigene Batterie, die entweder als Stützbatterie (Batterie wird im Feld des Readers aufgeladen) oder als eigenständige Batterie arbeitet. Aktive Transponder sind demnach nicht von einem starken elektrischen bzw. magnetischen Feld des Readers in ihrer Umgebung abhängig.

Ein RFID-System besteht also grob gesagt aus einem Transponder und einem Lesegerät. Aber auf dem Markt befinden sich mittlerweile die unterschiedlichsten Systeme für unterschiedlichste Einsatzbereiche. Um diese zu unterscheiden, gibt es verschiedene Kriterien:

1. Reichweite:
Im Hinblick auf die Reichweite können RFID-Systems in drei unterschiedliche Systeme gegliedert werden. Es gibt Systeme von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Metern Reichweite.
Die so genannten Close Coupling-Systeme haben die geringste Reichweite, die bei ungefähr einem Zentimeter liegt. „Die Kopplung zwischen dem Reader und dem Transponder [erfolgt meist] kapazitiv über das elektrische Feld.“ (Schoblich, S. 123) Von der Handhabung her ist dies in etwa mit einer gewöhnlichen kontaktbehafteten Chipkarte vergleichbar und dementsprechend ist dieses System überall dort einsetzbar, wo bisher noch mit kontaktbehafteten Chipkarten gearbeitet wird. Aber Close Coupling-RFID-Systeme haben hier einen erheblichen Vorteil: Sie sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Schmutz- und Verschleißerscheinungen als die herkömmlichen Chipkarten.
Mid-Range-Systeme haben eine maximale Reichweite von einem Meter bzw. 1,5 Metern. Sie arbeiten mit induktiver Kopplung, wobei das Magnetfeld des Readers den Transponder mit Energie versorgt. Wir kennen diese Systeme schon seit einigen Jahren, wo so genannte RFID-Schranken als Diebstahlschutz vor den Kaufhaustüren zu finden sind. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre die schon von der METRO Group im Future-Store-Projekt entwickelte „Kasse der Zukunft“. Mit Hilfe eines RFID-System lässt sich der gesamte Inhalt eines Einkaufswagens innerhalb von Sekunden automatisch auslesen und buchen. Die Zahlung der Waren könnte unmittelbar erfolgen ohne vorheriges langwieriges Aufs-Band-Legen und Einscannen der Ware.
Die längste Reichweite haben Long-Range-Systeme. Sie arbeiten innerhalb einer Entfernung von 10 bis 15 Metern zwischen Reader und Transponder. Bei Long-Range-Systemen ist der Transponder in der Regel ein aktiver Transponder, da aufgrund der Entfernung zwischen Reader und Transponder nicht mehr genügend Feldstärke des Readers vorhanden ist, um den Transponder mit ausreichend Energie zu versorgen. Long-Range-Systeme finden heutzutage vor allem im Logistikbereich Anwendung.

2. Frequenz:
Da die Datenübertragung bei RFID-Systemen per Funk erfolgt, müssen bestimmte Frequenzen spezifiziert werden, innerhalb denen ein RFID-System überhaupt erst zuverlässig funktioniert, ohne von anderen Funksystemen beeinflusst zu werden oder andere Funksysteme zu stören. So ist ein wichtiges Merkmal zur Unterscheidung von RFID-Systemen die Betriebsfrequenz des Lesegerätes; denn von dieser hängt die Reichweite des Systems ab. Unterschieden wird in Langwellen- (bis 135 kHz), Kurzwellen- (um 13,56 MHz), Ultra-Kurzwellen- (868 MHz) und Mikrowellenbereich (2,45 GHz). In Deutschland hat sich die Trägerfrequenz von 13,65 MHz etabliert.

 

Anwendungsbeispiele von RFID-Systemen

Die Einsatzmöglichkeiten von RFID-Systemen, die RFID Technologie nutzen, sind vielschichtig. Dies möchte ich im Folgenden an einigen Beispielanwendungen verdeutlichen.

1. Tieridentifikation
Tieridentifikation dient einerseits als Eigentümernachweis für Privatpersonen, als Kennzeichnung von Rasse-tieren bei der Tierzucht, aber vor allem auch dazu, die Herkunft, den Lebensweg und den Gesundheitszustand von Nutztieren zu kennzeichnen.
Um Tiere eindeutig zu identifizieren, gibt es zwei Möglichkeiten: Die Tätowierung oder einen Erkennungschip in Form eines RFID-Transponders. Bis vor einiger Zeit war die Tier-Tätowierung durchaus die gebräuchlichste Variante, aber die Identifikation mit Hilfe der RFID-Technologie findet immer mehr Verwendung – nicht zuletzt durch das Argument, der RFID-Transponder sei im Gegensatz zur schmerzhaften bzw. mit einer Narkose verbundenen Tätowierung die wesentlich humanere Lösung. So gibt es zum Beispiel in der Schweiz seit kurzer Zeit eine Chip-Pflicht für Hunde. Welpen müssen seit dem 1. Januar 2006 mit einem RFID-Chip versehen sein. Und auch in Australien müssen Nutztiere ab 2007 per RFID identifizierbar sein.
Zur Identifikation von Tieren wurden spezielle Glastransponder entwickelt, die ca. 13,8 mm groß sind und deren Gewicht nur ca. ein Zehntel Gramm beträgt. Sie sind also nicht größer als ein Reiskorn und können sehr leicht mit Hilfe einer Injektionsnadel unter die Haut von Tieren injiziert werden. Einerseits ist die Kennzeichung für das Tier schmerzfrei, andererseits merkt das Tier später praktisch nichts von seinem Transponder.
Die Kennung, also der Identifikationscode des Tieres, der im Transponder einprogrammiert ist, entspricht einem international durch die ISO genormten Format. ISO 11784 standardisiert den Identifikationscode. Dieser besteht aus insgesamt 64 bit, wobei den einzelnen Bits unterschiedliche Bedeutung zukommt. So dient beispielsweise Bit-Nr. 17 bis 26 für die Kennzeichnung des Heimatlandes des Tieres; es wird hier der entsprechende Länder-code nach ISO 3166 verwendet.
Um Transponder von verschiedenen Herstellern mit einem gemeinsamen Reader ansprechen zu können, wurde das ISO 11785 - Standardformat entwickelt. ISO 11785 definiert das Übertragungsverfahren für die Trans-ponder-daten und auch die Anforderung, die an den Reader gestellt wird, um Daten vom Transponder zu empfangen. RFID-Systeme, die zur Tieridentifikation eingesetzt werden, gehören zu den Mid-Range-Systemen. Die Arbeitsfrequenz des Readers zur Auslesung des Transponders liegt im Langwellenbereich und beträgt 135 kHz. Dies hat den Vorteil, dass die geringe Frequenz nicht von der Haut oder dem Fell des Tieres absorbiert wird und somit die optimale Energiemenge zum Betrieb des Transponders zur Verfügung steht.

2. Frachtabwicklung
Im Logistikbereich liegen die vielseitigsten Anwendungsgebiete von RFID. Vor allem gegenüber der konven-tionellen Barcode-Technik bietet die RFID-Technologie klare Vorteile, z. B. im Wareneingang und -ausgang. Hier sind RFID-Lösungen schneller und sicherer, was eine effizientere Frachtabwicklung möglich macht. Gerade im Wareneingang und beim Abschluss des Versandprozesses sind häufig viele Daten zu erfassen. Dabei sind bislang oft mehrere Barcodelabels pro Packstück einzuscannen. Dank RFID finden nun alle diese Informationen Platz auf einem Transponder pro Frachtstück. So genügt also auch ein Erfassungsvorgang und das sogar für eine Vielzahl von Packstücken gleichzeitig.
Wie funktioniert hier RFID genau? Man stelle sich eine große Lagerhalle als Umschlagsort für verschiedene Waren vor. LKWs bringen Palettenlieferungen, die mit Transpondern ausgestattet sind, am Wareneingangstor an. Dort können diese schnell und einfach durch einen Reader praktisch ohne Zeitverlust identifiziert werden. Falls eine Palette falsch geliefert wurde, wird dies schon hier erkannt. Zur Weiterverarbeitung werden die einzelnen Frachtstücke dann z. B. über ein Band durch ein RFID-Gate gefahren, wo alle Daten zur Ware ausgelesen werden. Exakter Liefertermin, aber auch Größe, Gewicht und Lagerzeit können erfasst werden. So kann schon hier automatisch die optimale Lagerposition ermittelt werden. Je nach Art des verwendeten Transponders ist es sogar möglich, Informationen zur Temperatur oder Luftfeuchtigkeit zu erhalten. Wird die Ware dann zur Weiterversendung angefordert, ist die Lagerposition bekannt. Die Ware wird zum Warenausgangstor befördert, der Transponder mit genauen Daten zum Zielort, Zielkunden, Versandzeit etc. bestückt und dann in den entsprechenden Container zur Ablieferung geladen. Auch bei der weiteren Versendung durch Bahn oder LKW können dank RFID ergänzende Tracking-Informationen bereitgestellt werden. Beispiels-weise kann die Position von Eisenbahnwaggons durch schnelle Oberflächentransponder oder die Position eines LKWs über ein GPS-Gerät in Verbindung mit einem Mobilteil ermittelt werden.
So können mit Hilfe der RFID-Technologie Produkte individuell identifiziert und Logistikabläufe verfolgt werden. Erreicht wird außerdem eine Senkung der Lager- und Personalkosten, eine Optimierung und Beschleunigung der Logistik sowie eine optimierte Übersicht über Warenverfügbarkeit.

3. METRO Group Future Store
Wie das Kaufhaus der Zukunft aussehen kann, das kann man im Future Store der Metro Group schon heute in Rheinsberg erleben. Dort können die auf der RFID-Technologie basierenden neu entwickelten Anwendungen für das Lagermanagement und den Verkaufsraum unter realen Bedingungen ausprobiert werden. Zum Beispiel wurden intelligente Regale entwickelt, die mit einem Display ausgestattet sind und "Werbung wie von Zauberhand" (vgl. http://www.future-store.org/ ) bereitstellen. Dies funktioniert folgendermaßen: Jedes Produkt im intelligenten Regal ist mit einem Transponder ausgestattet, welcher von einem RFID-Reader, der im Regalboden angebracht ist, ausgelesen werden kann. Entnimmt jetzt zum Beispiel ein Kunde ein Produkt, so lesen die Reader per Funk auf einer Frequenz von 13,56 MHz die Daten von den Transpondern aus und passend zum gewählten Produkt erscheint auf dem Display des Regals ein entsprechender Werbefilm. Das intelligente Regal registriert aber auch, wenn ein Produkt am falschen Platz, das Mindesthaltbarkeitsdatum abgelaufen oder nur noch eine begrenzte Zahl des Produkts zur Verfügung steht. Über eine Schnittstelle werden dann die Mitarbeiter informiert, um die Regalbestände zu korrigieren oder zeitnah aufzufüllen.
Aber auch schon, bevor die Waren in den Regalen liegen, kommt die RFID-Technologie zum Einsatz. Im Distributionslager in Essen werden die Warenladungen für den Future Store (ganze Paletten oder auch einzelne Pakete) mit Transpondern versehen und von den an den Warenein- und -ausgangstoren des Stores installierten RFID-Lesegeräten erfasst. So ist die Kontrolle von ein- und ausgehenden Waren durch das Waren-wirtschaftsystem mit Hilfe von RFID wesentlich vereinfacht.

4. RFID im Sport
Wer in den letzten Jahren auf einer präparierten Skipiste unterwegs war und sich mit Hilfe von Skilifts in die Höhe hat befördern lassen, der konnte schon in den Genuss der RFID-Technology kommen. Um vor allem den Skifahrern Staus oder lange Schlangen an den Liftzugängen zu ersparen, werden die kontaktlosen Reader als Zugangskontrolle beim Skilift eingesetzt. Die Eingänge werden durch ein Drehkreuz gesperrt, an denen meist zwei gegenüberliegende Antennen angebracht sind. Durch einen gültigen Transponder in der Tasche des Skiläufers werden diese dann vom Reader freigeschalten.
Und ganz aktuell kann man den Einsatz von kleinen RFID-Transpondern bei der Weltmeisterschaft der Biathleten in Antholz beobachten. Jeder Läufer wird vor seinem Start von den Organisatoren mit zwei Transpondern (< 25g Gewicht) ausgestattet, die mit einem Klettband um den Fußgelenksknöchel gebunden werden. Mit Hilfe der Transponder werden die exakte Zeit, aber auch die gelaufenen Strafrunden gemessen und überwacht.

 

Risiken und Probleme von RFID-Systemen

Obwohl viele Anwendungen, die RFID-Technologie benutzen, intelligente und auch sinnvolle Lösungen für die verschiedensten Einsatzbereiche darstellen, gibt es nicht ganz unerhebliche Kritikpunkte, Probleme oder sogar Gefahren, die davon ausgehen. Die RFID-Technik arbeitet mit Funkwellen, also Strahlung. Wenn diese Technik weitreichend eingeführt wird, wird auch die Strahlenmenge, der die Menschen ausgesetzt sein werden, zunehmen. Je nach verwendetem Typus und gewünschter Reichweite werden mehr oder weniger starke Strahlen benötigt und ausgesendet und der schon jetzt in erheblichem Maße zugenommene Elektrosmog würde sich wesentlich erhöhen. Aber auch arbeitsmarkttechnisch kann die weitere großangelegte Verbreitung der RFID-Technologie negative Folgen haben. RFID-Anwendungen sind dafür ausgelegt, viele Aufgaben zu automatisieren. Die neue Technik soll darüber hinaus vieles schneller, einfacher und vor allem billiger machen. Aber Arbeitspersonal ist oft ein recht teurer Faktor. Dies führt auf lange Sicht darauf hinaus, dass Arbeitsplätze vor allem im Logistikbereich oder auch beim Verkaufspersonal eingespart werden. Ein entscheidendes Problem der RFID-Technik ist aber – und dies im Hinblick auf den Datenschutz – deren Unauffälligkeit. Wie schon beschrieben, lassen sich Transponder schon in sehr kleinen Ausmaßen herstellen und praktisch auf jedes Objekt/jede Ware anbringen. Dieser Punkt an sich ist noch nicht wirklich ein Problem, da auch der klassische Barcode auf jeder Ware zu finden ist. Beunruhigend ist jedoch die Tatsache, dass auf einem Transponder auch schon größere Datenmengen, z.B. eine mehrstellige eindeutige Seriennummer in Binärform, gespeichert werden können, um ein entsprechendes Produkt eindeutig zu identifizieren. Anhand dieser eindeutigen Nummer kann dann jede „Bewegung“ des Produkts registriert werden. Wo und wann wurde das Produkt hergestellt? An welchen Einzelhändler wurde es durch welche Zwischenhändler wann geliefert? Wer hat das Produkt wann gekauft? Wer hat – daraus abgeleitet – das Produkt eventuell falsch entsorgt? Dies gepaart mit der Unauffälligkeit und des unbemerkten kontaktlosen Auslesens eines Transponders kann ein nicht unerhebliches Datenschutzproblem ergeben. Man stelle sich nur einmal folgendes Szenario vor: Jeder Personalausweis oder auch jedes Monatsticket im ÖPNV sei mit einem Transponder versehen, der individuenbezogene Daten gespeichert hat. Praktisch unbemerkt könnten diese Daten von unauffällig angebrachten Readern ausgelesen werden, was dazu führen würde, dass auf die Sekunde genau registriert werden könnte, welche Person sich wann, wo, wie lange, mit wem aufgehalten hat.

Vielleicht scheint dies eine etwas überspitzte Darstellung, aber ich stehe nach der Beschäftigung mit RFID diesen Systemen und deren zukünftigen uneingeschränkten Verbreitung eher skeptisch gegenüber.

 

Quellen:

Klaus Finkenzeller. RFID-Handbuch. Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2002.
Robert und Gabriele Schoblick. RFID Radio Frequency Identification. Franzis Verlag GmbH, Poing, 2005.
http://www.future-store.org