Radio Frequency IDentification
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Radio Frequency IDentification Einführung in die RFID-Technik Smarte Zukunft: Funkchips kontrollieren die Güterströme und jede Ware weiß, was sie ist, woher sie kommt und wozu sie taugt! Bild: Funkschau 13/2004 / Infineon Dr. Günter Wohlers, Uni Hannover – Wirtschaftsinformatik, wohlers@iwi.uni-hannover.de 9.6.2005 1
Radio Frequency IDentification Themenübersicht: • RFID-System – Definition – Auto-ID-Verfahren – Kurze Historie – Eigenschaften – Klassifizierung der Systeme – Antikollisionsverfahren – Aktuelle Einsatzbeispiele • EPCglobal-Netzwerk – Vision: Internet der Dinge – Auto-ID-Center – Electronic-Product-Code 9.6.2005 2
Radio Frequency IDentification RFID – wie funktioniert das? Lokale Schnittstelle Luftschnittstelle Grafik: J. Pretzel (ccg), RFID-Chancen für die Wirschaft und den Verbraucher,08/2004 9.6.2005 3
Radio Frequency IDentification • Radio Frequency IDentification (RFID): [Identifizierung per Funkübertragung] – RFID ist eine Technik zur automatischen Identifikation, die eingesetzt wird, um Objekte eindeutig, kontaktlos zu identifizieren. Dabei werden kleinste Mikrochips in die Objekte integriert. RFID- Lesegeräte können diese Chips auslesen und damit die Objekte identifizieren. – Ziel ist die maximale Kontrolle von Objekten, verbunden mit Prozessoptimierung! – Mit Hilfe von RFID-Systemen läßt sich der komplette Warenstrom in Echtzeit vom Zulieferer über die Fabrik des Herstellers bis zum Endkunden verfolgen! • Einsatzbereich: – Identifikation (ein Objekt soll in seiner Umgebung erkannt werden) – Lokalisierung / Ortsverfolgung – Zustandsüberwachung mittels eingebetteter Sensoren 9.6.2005 4
Radio Frequency IDentification • Eine amtliche Definition: – Funkanwendungen für Identi- fizierungszwecke (RFID): „Die Funkanwendungen für Identifizierungs- zwecke ("Radio Frequency Identification Applications“, RFID) dienen der Datenüber- tragung z. B. zur Identifizierung von Gegenständen oder Personen.“ Quelle: RegTP (Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post), Auszüge aus dem Entwurf des vollständigen Frequenznutzungsplans, März 2005 9.6.2005 5
Radio Frequency IDentification Was soll mittels RFID identifiziert werden und wie soll das geschehen? Was Personen Objekte Eigene Biometrische Merkmale z.B.: automatische charakteristische (z.B. Fingerabdruck, Bilderkennung Merkmale Gesichtsscan, Irisscan) Wie zugeordnete z.B.: elektronische Identififzierungscode, Merkmale Reisekokumente Artikelnummer 9.6.2005 6
Radio Frequency IDentification • Übersicht der wichtigsten Auto-ID-Verfahren: RFID Quelle: Finkenzeller, K., RFID-Handbuch, 3. aktualisierte u. erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 2002 9.6.2005 7
Radio Frequency IDentification • Die wichtigsten Barcode-Systeme (verbreitet sind zehn unter-schiedliche Codes): – UPC-Code (universal product code) wurde 1973 in den USA eingeführt, heute = Untermenge des EAN- Code – Der am weitesten verbreitete ist der EAN-Code (european article number, 1976), ist eine Weiterentwicklung des UPC – Code Codabar wird für medizinisch-klinische Anwendungen eingesetzt und in Bereichen mit hoher Sicherheitsanforderung – Code 2/5 interleaved wird eingesetzt: Autoindustrie, Warenlager, Paletten, Schiffscontainer und Schwerindustrie – Code 39 wird eingesetzt in der verarbeitenden Industrie, Logistik, Universitäten und Büchereien Quelle: Finkenzeller, K., RFID-Handbuch, 3. aktualisiert u. erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 2002 9.6.2005 8
Radio Frequency IDentification • Beispiel für den Aufbau eines Barcodes in EAN- Codierung: Der EAN-Code setzt sich aus 13 Ziffern zusammen: dem Länderkennzeichen, der bundeseinheitlichen Betriebsnummer (bbn), der Artikelnummer des Herstellers und einer Prüfziffer (PZ) Quelle: Finkenzeller, K., RFID-Handbuch, 3. aktualisiert u. erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 2002 9.6.2005 9
Radio Frequency IDentification • Die Vor- und Nachteile der Identifikationssysteme: + Quelle: TA-SWISS – Zentrum für Technologiefolgen-Abschätzung (Hrsg.) TA-SWISS Studie „Das Vorsorgeprinzip in der Informationsgesellschaft. Auswirkungen des Pervasive Computing auf Gesundheit und Umwelt“, Bern 2003 (www.ta- swiss.ch), S.108 (nach Bättig (2000), leicht modifiziert) 9.6.2005 10
Radio Frequency IDentification Diebstahlsicherung [Electronic Article Surveillance] 1948: „Communication by Retail & Distribution: Means of Reflected Power“ von Walmart, Metro, US- Harry Stockman Autoschlüssel Verteidiungsministerim, Wegfahrsperre Z E I 1940….1950….1960….1970….1980….1990….2000….2010…. T Mautsysteme Tieridentifikation Zugangssysteme Entwickelt im zweiten ? Tagpreise 1 Cent ? Weltkrieg unter dem Namen ? weltweite Standards ? IFF [Identification, Friend or ? Tags auf Produktebene Foe] ? ? EPC-Global-Netzwerk ? ? Privacy & Datenschutz ? 9.6.2005 11
Radio Frequency IDentification RFID-Prinzip: 1. Tagging 2. Lese-/ 3. IT-System der Objekte Schreibvorgang Die zu Das Lesegerät weckt Das IT-System identifizierenden den Tag auf. Der Tag erhält die Daten Objekte werden sendet seine Daten an zur Weiterverar- mit einem Tag das Lesegerät. Das Le- beitung. (Transponder) segerät empfängt die ausgestattet. Daten und verarbei- tet diese selbständig weiter, oder gibt die Daten an ein IT-System weiter. 9.6.2005 12
Radio Frequency IDentification Eigenschaften von RFID-Systemen: • bestehen aus Reader und Tag • ermöglichen es, getagte Objekte über gewisse Ent- fernungen kontaktlos elektronisch zu identifizieren! • besitzen unterschiedliche Reichweiten! • Die Reichweite hängt von der Art der Kopplung und der Energieversorgung ab • beherrschen Parallel-Erfassung! • nutzen unterschiedliche Fre- quenzbereiche! • kommunizieren über eine Luft- schnittstelle! • Übermitteln Daten auf Abruf! • besitzen eine lange Lebensdauer! • sind widerstandsfähig in rauher Um- gebung! • gibt es in unterschiedlichen Bauformen! • reagieren empfindlich auf bestimmte Umweltbedingungen! Bild: br-online.de 9.6.2005 13
Radio Frequency IDentification Induktiv gekoppelter RFID-Tag: Smart Label 13,56 MHz Antenne zur induktiven Energie- gewinnung und zum Datenaustausch zwischen Reader und RFID- Transponder Transponderchip: ist mit beiden Antennenenden verbunden. Die Bauele- mente des Chips erfüllen folgende Funktionen: 1. Energieempfang 2. Daten empfangen 3. Daten senden 4. Datenspeicher. Jeder Chip besitzt eine weltweit ein- malige UID (Unifique Identification) Trägermaterial: mechanische Basis des RFID-Tags. Besteht je nach Anwendung aus Polyimid, Polyester, PVC ,Papier, etc. 9.6.2005 14
Radio Frequency IDentification Reader [Transponderleser]: • Kommunikationspartner des Transponders • erzeugt mittels Antenne ein stationäre elektro- magnetisches Feld • liest und beschreibt Transponder Lesetor Mobilgerät mit inte- griertem Reader Bilder: EURODATA COUNCIL 9.6.2005 15
Radio Frequency IDentification Elektromagnetisches Feld wird von Readerantenne aufgebaut. (Schreib- und) Lesegerät engl. „Reader“ Transponder Stationär oder mobil, dient Kommt ein Transponder in das Feld der Reader dazu, Daten eines Readers, wird er über seine aus dem RFID-Chip auszu- Antenne mit Energie versorgt und lesen und diese bei Bedarf beginnt seinerseits zu senden. auch zu modifizieren. Quelle: SEEBURGER AG 2005 9.6.2005 16
Radio Frequency IDentification Watt 10 Navigation, Broadcasting 865 -868MHz 5,8 GHz Mobile, Fixed, Militär mit LBT Leistung 1 Mobile, Navigation, Broadcasting 2,4 GHz Navigation, Fixed, Militär 0.1 13,56 MHz < 135kHz 6.765 MHz 0.01 MHz 0.1 1 10 100 1.000 10.000 Frequenz Quelle: Seeburger AG 9.6.2005 17
Radio Frequency IDentification Klassifizierung von RFID-Systemen nach Frequenzen: Ausrichtung der weltweit Heutige Transponder beim akzeptierte ISO/IEC-Standards: Auslesen nötig? Frequenz? NF: nicht nötig ja 11784/85 und 120 – 134 kHz 14223 HF: nicht nötig ja 14443, 15693 und 13,56 MHz 18000-3 UHF: teilweise nötig teilweise 14443, 15693 und 868 / 915 MHz (EU / USA) 18000-6 Mikrowelle: immer nötig teilweise 18000-4 2,45 / 5,8 GHz Quelle: BSI 9.6.2005 18
Radio Frequency IDentification Klassifizierung von RFID-Systemen nach Frequenzen: Frequenzbereiche definieren das Verhältnis zwischen Tag und Reader Frequenz: Reich- Übertra- Wellen Negativer Ein- weite: gungsrate: länge: fluss durch Luftfeuche: Niederfrequenz < 0,5 m niedrig 2222 m nein 125 – 134 kHz Hochfrequenz 1m 22,1 m 13,56 MHz hoch nein Ultrahochfrequenz 6m 34/33 cm 868 bzw. 915 MHz ja Mikrowellen 2 - 15 m 12/5,2 cm ja 2,45 bzw. 5,8 GHz sehr hoch 9.6.2005 19
Radio Frequency IDentification Klassifizierung von RFID-Systemen nach Frequenzen/Bauformen: Typische Transponder- Beispielhafte bauformen: Anwendungen: NF(30-300kHz): Transponder in Glasröhrchen, Tieridentifkation, Behälter- 120 – 134 kHz Transponder in Plastikge- identifikation, Zutritts- und häuse, Chipkarten, Smart Routenkontrolle, Weg- Label, Stick, Nagelform fahrsperren, Wäschereini- gung, Gasablesung, ÖPNV HF: Smart Label, Wäschereinigung, Ticketing, Industriestransponder Skipass, Tracking & Tracing, 13,56 MHz Warenfluss (Pulkerfassung), ÖPNV, Asset Management UHF: Smart Label, Palettenerfassung, 868 / 915 MHz Industriestransponder, Container-Tracking Kunststoffgehäuse Mikrowelle: Smart Label, Straßenmaut Kunstsstoffgehäuse, Container-Tracking 2,45 / 5,8 GHz Großformatige Transponder 9.6.2005 20
Radio Frequency IDentification Klassifizierung von RFID-Systemen nach Reichweite: Close-Coupling- Remote- Long-Range- System: Coupling- System: System: Reichweite: 0,1 bis 2 cm 0 bis 1 m über 1 m – 10 m (100 m – 1000m) Frequenz- beliebig unter 135 kHz, 868/915 MHz bereich: 6,75 MHz, 2,45 GHz 13,56 MHz, 5,8 GHz 27,125 MHz Kopplung: induktiv oder induktiv elektromagnetisch kapazitativ Antenne: Spule bzw. Konden- Spule Dipol / Flach- sator antenne Transponder: passiv passiv aktiv 9.6.2005 21
Radio Frequency IDentification • Gleichzeitiges Auslesen von vielen RFID-Transpondern (z.B. Pulkerfassung einer Palettenladung) – Voraussetzugen: • Es befinden sich mehrere Transponder im Lesebereich. Alle besitzen eine eindeutige Transponder ID. • Die Transponder sind dem Lesegerät noch unbekannt. – Ablauf (Zwei verschiedene Formen der Kommunikation): 1. Das Lesegerät sendet Rufe an die Transponder (Broadcastbetrieb), der ausgesendete Lesestrom wird von allen Transpondern im Ansprechbereich empfangen. 2. Vielfachzugriff auf ein Lesegerät: Die Transponder antworten „gleichzeitig“, dabei kollidieren die Antworten. Das Lesegerät weiß jetzt, es gibt mehrere Transponder. Allerdings gehen die Antwordaten verloren. 9.6.2005 22
Radio Frequency IDentification • Gleichzeitiges Auslesen von vielen RFID-Transpondern: – Der Antikollisionsvorgang bewirkt, dass immer nur ein Transponder sendet, aber alle aktivierten Transponder an die Reihe kommen. Am Ende besitzt der Reader eine Liste aller Transponder-IDs. – Zwei verschiedene Vielfachzugriffsverfahren (Antikollision): • ALOHA-Verfahren (das einfachste von allen Zugriffsverfahren) wird ausschließlich bei Read-only- Transpondern eingesetzt. Nachteil: nur 18 % der Bandbreite werden genutzt. 9.6.2005 23
Radio Frequency IDentification • Tree-Walking-Verfahren: – nicht komplette ID wird abgefragt, sondern die 48bit ID wird in 16 Slots zu 4bit aufgeteilt – 1. Reader sendet Befehl(z.B.): „Inventarisieren alle Tags mit der Kennung 0 bis 1000 im letzten Slot.“ – 2. Jeder Tag im angegebenen Bereich antwortet. – 3. Der Reader steht vor 3 Alternativen: a. keine Antwort kein Tag mit dieser End-ID in der Lesezone. b. genau 1 Antwort ein Tag mit dieser End-ID in der Lesezone. c. mehrere Antworten Reader dedektiert Kollision. – In diesem Fall muss der Reader jetzt oder später diesen Bereich weiter vereinzeln, bis alle Tags gefunden sind. – 4. Alle Tags sind gefunden und inventarisiert – 5. Der Reader kann jetzt jeden Tag einzeln ansprechen und seinen Speicher auslesen. 9.6.2005 24
Radio Frequency IDentification Klassifizierung von RFID-Systemen nach Leistungsfähigkeit: Quelle: Finkenzeller, K., RFID-Handbuch, 3. aktualisiert u. erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 2002 9.6.2005 25
Radio Frequency IDentification • Die Vorteile der RFID-Technik: – Kontaktlose Identifikation (auch ohne Sichtkontakt möglich) – Durchdringt verschiedene Materien wie Karton, Holz etc. – Beliebiges Lesen und Beschreiben des Speichers möglich – Höherer Automatisierungsgrad, Wegfall manueller Tätigkeiten – Identifizierung in weniger als einer Sekunde – Viele Tags/Transponder können gleichzeitig erfasst werden – Resistent gegen Umwelteinflüsse (z. B. extreme Temperaturen, Feuchtigkeit etc.) – Permanente Datenverfügbarkeit, Vereinfachte Inventur – Form und Größe des Transponders sind fast beliebig anpassbar – Reduzierter Schwund – Transponder können komplett in ein Produkt integriert werden – Hohe Sicherheit durch Kopierschutz und möglicher Datenschutz durch Passwort oder verschlüsselte Datenübertragung möglich 9.6.2005 26
Radio Frequency IDentification • Beispiele für den aktuellen Einsatz von RFIDs in geschlossenen Systemen: Grafik: J. Pretzel (ccg), RFID-Chancen für die Wirschaft und den Verbraucher, 08/2004 9.6.2005 27
Radio Frequency IDentification • Beispiele für den Einsatz von RFIDs in der Rinderhaltung: Quelle: Finkenzeller, K., RFID-Handbuch, 3. aktualisiert u. erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 2002 9.6.2005 28
Radio Frequency IDentification • Einsatzgebiete für RFIDs heute: – Produktion, Logistik (Ablösung des Barcodes), Fluggepäckverfolgung, Paketdienste, Mehrwegverpackungen (Container, etc.), Mülltonnen – Archivierungssysteme (Akten- Dokumentenerfassung, Lagersysteme, Bibliotheken) – Öffentlicher Personennahverkehr, Tourismus, Mautsysteme – Veranstaltungsmanagement (Tickets für Konzerte, Theater, Fußball-WM 2006) – Zugangskontrolle für Gebäude (Zeiterfassungssysteme) – Diebstahlsicherung (Kaufhäuser), elektronische Wegfahrsperre (Autos) – Tieridentifikation – Überwachung von Kranken und Kindern – Verifikation und Identifikation mittels Biometrie (Gesichtsscan und Fingerprint) in Reisedokumenten 9.6.2005 29
Radio Frequency IDentification • ExxonMobil verwendet seit einigen Jahren den SpeedPass (7 Mio. Schlüsselanhänger mit Smartchip, 10.000 Akzeptanzstellen weltweit), er erledigt den Bezahlvorgang an der Zapfsäule Weiterentwicklung: Speedpass in der Uhr Bilder: Spiegel Online 9.6.2005 30
EPCglobal-Netzwerk • Technik (RFID) und Vision (Internet der Dinge): – Idee: • Globalisierung erfordert globale Lösung! Alle Markteilnehmer einer Wertschöpfungskette (Lieferanten, Produzenten, Händler, Logistiker und Entsorger) setzen die RFID-Technologie (EPCglobal) ein und profitieren davon • Neues Kommunikationskonzept, größtmögliche Automatisierung, dezentrale Datenhaltung, Informationsaustausch über das Internet, direkte Kopplung von Informationsfluss und Materialfluss, völlige Transparenz der Lieferkette – Konzept: • Entwicklung eines globalen Standards zur Identifizierung einzelner Produkte, modularer Aufbau, offenes System und anbieterneutral, erweiterbar, Plattform-Unabhängigkeit, sicher – Umsetzung: • EPCglobal – als eine von Unternehmen getragene globale Organisation ist für die Umsetzung des Konzeptes zuständig 9.6.2005 31
EPCglobal-Netzwerk • Das Auto-ID Center: – 1999: gegründet, (MIT USA) 2001: Feldversuche, 2003: Alle Entwicklungs- und Forschungsarbeiten werden an EPCglobal (Joint-Venture: EAN International + Uniform Code Council [UCC]) übergeben. Hier soll die Vision realisiert/kommerzialisiert werden: „Entwicklung eines globalen Standards für ein Internet der Dinge“ • Sponsoren (Auswahl) Accenture, ACNielsen, Alien Technology, Avery Dennison, Cash’s (UK) Ltd., Checkpoint Systems Inc., CHEP International, CVS Corp, Dai Nippon Printing Co., Ltd., Department of Defense, Ean International, Ember Corporation, Flexchip AG, Flint Ink, GlobeRanger Corporation, Intel Corporation, Intermec Technologies, Inc., International Paper, Invensys Plc, Johnson & Johnson, Kimberly-Clark, Markem Corporation, Matrics Inc., MeadWestvaco, Metro, Morningside, NCR Corporation., OATSystem, Pfizer, Philips Semiconductors, PWC Consulting, Procter & Gamble, Rafsec, RF Saw Incorporated, SAP, Savi Technology, STMicroelectronics, Sun Microsystems, Symbol Technologies, Target Corporation, Tesco Stores Ltd., TAGSYS, The Coca-Cola Company & Coca-Cola Enterprises, The Gillette Company, The Home Depot, The Operating Companies of Philip Morris: Kraft, Miller and Philip Morris USA, ThingMagic, Toppan Printing Co., Ltd., Toray International, Tyco Sensormatic, Uniform Code Council, Unilever, United Parcel Service, United States Postal Service, Wal-Mart Stores Inc., Yuen Foong Yu Paper Mfg. Co., Ltd. Vgl.: Auto-ID Center, Das neue Netzwerk, Broschüre, http://www.m-lab.ch/associateprogram/ brochures/GERMAN-AUTO-ID-black.pdf 9.6.2005 32
EPCglobal-Netzwerk • Von wo gingen die Initiativen aus, welche Universitäten waren beteiligt? 9.6.2005 33
EPCglobal-Netzwerk • Die Vision des Auto-ID Centers: – Jedes Objekt wird überall und automatisch identifiziert – RFID-Transponder (Mikrochip + Antenne) versetzen Computer in die Lage, Gegenstände „zu sehen“ – Es entsteht eine globale Infrastruktur: Objekte werden überall auf der Welt in Sekundenschnelle von Computern identifiziert – Dieses neue Netzwerk der Dinge arbeitet unabhängig von Unternehmens- und Länder- grenzen Vgl.: Auto-ID Center, Das neue Netzwerk, Broschüre, http://www.m-lab.ch/associateprogram/ brochures/GERMAN-AUTO-ID-black.pdf 9.6.2005 34
EPCglobal-Netzwerk • Die Vision des Auto-ID Centers: Die Komponenten des EPCglobal-Konzepts: Quelle: Centrale für Coorganisation GmbH (CCG), Spezial EPCgloabl Goods Bits vernetzen sich, 03/2004 9.6.2005 35
EPCglobal-Netzwerk • Ein intelligentes Netzwerk (epc network) koordiniert: – Smart tag RFID-Technologie (Radio Frequency Identifier) + RFID-Reader – Globales Kennzeichnungssystem: Electronic Product Code (EPC) [Nachfolger des Barcodes] – Übergeordnetes Produktinformationssystem: EPC Information Service (EPCIS), [früher bezeichnet als Physical Markup Language(PML)-Server] – Savant, Middleware im EPC-Netzwerk – Object Name Service (ONS)-Server, Verzeichnisdienst 9.6.2005 36
EPCglobal-Netzwerk • Welche Parallelen bestehen zwischen dem Internet und dem EPCglobal-Netwerk? Quelle: Centrale für Coorganisation GmbH (CCG), RFID /EPC Internet der Dinge, Management-Informationspaper, 02/2005 9.6.2005 37
EPCglobal-Netzwerk • Electronic Product Code [EPC]: – EPC-Daten sind weltweit einheitlich gegliedert: • Datenkopf (Header) 8 Bit (selektiert das jeweilige Nummerierungsschema, z.B. UPC, SSCC, GTIN) • Filter [optional] ab Version 1.1 kann angeben, ob es sich um eine Palette, Kiste, Karton oder einzelnes Objekt handelt • Domainbereich mit ein oder mehreren Feldern Header Filter Value Domain Identifier Element Header Filter Partition Company Prefix Item Referzenz Serial Number Bits 8 3 3 20-40 24-4 38 Vgl.: http://www.autoidcenter.org/research/MIT-AUTOID-WH-003.pdf 9.6.2005 38
EPCglobal-Netzwerk • Electronic Product Code [EPC]: – Vorschlag des MIT [Massachusetts Institute of Technology]: 96-Bit-Code Version 1.0 Schemata Hersteller Objektklassen Produkte (Header) (EPC- (Serial No.) Manager) Anzahl 256 238 Millionen 16 Millionen 68 Milliarden Bit 8 28 24 36 SGTIN 0011 0101 268.435.456 16.777.216 68.719.476.736 -96 (Binärer Wert) (Dezimale Kapazität) (Dezimale Kapazität) (Dezimale Kapazität) • Diese Aufteilung der verfügbaren Stellen des EPC ermöglicht für jeden Hersteller rund 1.152 Billiarden eindeutige Produktkennzeichen! Vgl.: http://www.autoidcenter.org/research/MIT-AUTOID-WH-003.pdf 9.6.2005 39
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