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Boris Shiklo 02. April 2019

RFID früher und heute: Einsatzbereiche

Obwohl die Entwicklungsgeschichte der RFID-Technologie, welche die berührungslose Datenübertragung über elektromagnetische Wellen ermöglicht, seit den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts im militärischen Bereich beginnt, hat diese Technologie in den 80er Jahren einen echten Durchbruch erlebt. Seit dieser Zeit und bis heute werden Anwendungsgebiete für RFID immer vielfältiger und lassen fehleranfällige Prozesse in verschiedenen Branchen vereinfachen.

Das erste RFID-System ("Radar zur Freund-Feind-Erkennung") wurde in der britischen Armee während des 2. Weltkrieges eingesetzt, um Panzer und Flugzeuge von Feinden zu identifizieren und anzugreifen [1]. Aber die Transponder waren koffergroß und schwer und können mit heutigen kompakten RFID-Tags nicht verglichen werden. Die ersten Vorgänger von RFID-Systemen im zivilen Bereich wurden erst in den 60er Jahren entwickelt: elektronische Warensicherungssysteme (Electronic Article Surveillance – EAS) zur Verhinderung von Diebstählen im Einzelhandel; das System SICARID (Siemens Car Identification) zuerst zur Identifikation von Eisenbahnwagen und später von Fahrzeugkomponenten in der Lackiererei; RFID-Systeme in der Landwirtschaft zur Tierkennzeichnung usw. Der echte Durchbruch kam in den 80er Jahren durch die Forschung nach geeigneten Bereichen, in denen RFID-Systeme noch eingesetzt werden und sich als vorteilhaft erweisen könnten. Zuerst haben einige skandinavische Länder und die Vereinigten Staaten erfolgreich auf RFID-Technologien basierende Mautsysteme im Straßenverkehr eingeführt. Und dann wurden die Anwendungsgebiete erweitert: Wegfahrsperren, Skipässe, Tank- und Bezahlkarten, Zugangskontrollen usw.

Dieser Artikel erklärt, wie ein RFID-System funktioniert und gibt einen Überblick über Anwendungsgebiete mit praktischen Beispielen.

Wie funktioniert ein RFID-System?

Ein typisches RFID-System besteht aus drei Hauptkomponenten:

  • RFID-Tags, wo IDs gespeichert werden.
  • RFID-Antennen zur Übertragung von Funksignalen.
  • RFID-Lesegeräten zum Schreiben und Auslesen von gespeicherten Daten.

RFID-Tags

Ein RFID-Tag (oder ein RFID-Transponder) hat einen Mikrochip, der eine ID enthält – gespeicherte Informationen über ein bestimmtes Objekt zur eindeutigen Kennzeichnung –, und übermittelt diese Daten über elektromagnetische Wellen zu einem Lesegerät. RFID-Tags können sich je nach Anwendungsfall in Größe, Form, Speichergröße und -typ, Funktionsumfang, Lebensdauer, Stromversorgung, Frequenzbereich und anderen Parametern unterscheiden, was auch die Kosten per Einheit bestimmt.

Je nach Energieübertragung gibt es eine Unterteilung zwischen aktiven und passiven RFID-Transpondern. Der Hauptunterschied besteht darin, dass passive Tags keine eigene Batterie haben. Sie beziehen Energie, die zum Funktionieren benötigt wird, aus dem Funksignal vom Lesegerät, was die Lebensdauer von passiven RFID-Transpondern erhöht und Kosten reduziert. Aber es gilt zu berücksichtigen, dass passive Tags im Vergleich zu den aktiven Transpondern eine geringere Reichweite haben.

Im Gegensatz zu passiven Transpondern haben aktive Tags ihre eigene integrierte Batterie zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen. Dadurch sind diese teurer und größer. Aber ihre Reichweite kann bis zu 100 m betragen, was ermöglicht, alle RFID-Tags mit einer "Basisstation" auszulesen. RFID-Tags können an unterschiedlichen physikalischen Oberflächen angebracht werden – Rohstoffen, Waren, Verpackungen, Geräten, Werkzeugen usw. Abhängig davon, in welchem Maße die Umgebung RFID-Tags beeinflussen kann, müssen diese widerstands- und leistungsfähig genug sein.

RFID-Antennen

Sowohl RFID-Tags als auch RFID-Lesegeräte verfügen über Antennen, die als Koppelelemente dienen und dafür zuständig sind, Funksignale vom FRID-Lesegerät zum RFID-Transponder und umgekehrt zu senden und zu empfangen. Diese Funksignale sind ein "Transportmittel" für zwischen einem Tag und einem Lesegerät ausgetauschte Informationen. Eine Antenne kann im Lesegerät bzw. Transponder in Form einer Spule oder eines Dipols eingebaut sein oder als eigenständiger Bestandteil eines RFID-Systems fungieren. Die Größe einer Antenne steht im Zusammenhang mit der benötigten Frequenz. RFID-Systeme im niedrigen Radiofrequenzbereich besitzen eine geringere Reichweite und übermitteln Daten langsamer. Im höheren Frequenzbereich ist die Reichweite größer und die Datenübertragung schneller.

RFID-Lesegerät (bzw. Schreibgerät)

Durch das Lesegerät, sei es stationär oder mobil, werden Daten kontaktlos ausgelesen oder gegebenenfalls auch auf einen Tag geschrieben (je nach Typ des Lesegerätes). Ein Lesegerät besteht aus einem Hochfrequenzinterface, einem Controller und einer Antenne, die elektromagnetische Wellen mit einer entsprechenden Frequenz erzeugt und eine Wechselspannung im RFID-Tag generiert, der sich in einem Empfangsbereich des Lesegerätes befindet. Der Tag empfängt und decodiert das gesendete Signal, codiert die Antwort (seine ID) und sendet diese an das Lesegerät. Ein RFID-Lesegerät kann gleichzeitig auf mehreren RFID-Tags befindliche Daten identifizieren und erfassen (Pulkerfassung). Üblicherweise erfolgt diese "Kommunikation" innerhalb Bruchteilen einer Sekunde. Das Lesegerät enthält eine Software, die mit der cloud- oder serverbasierten Datenbank verbunden ist und dazu dient, den gesamten Prozess der Identifizierung und Lokalisierung zu steuern und Daten weiter zu verarbeiten.

Anwendungsgebiete im Überblick

Es gibt kein universelles RFID-System, das für jede Branche passt: es geht immer öfter um maßgeschneiderte RFID-Lösungen, die auf die Anforderungen jeder einzelnen Branche zugeschnitten sind. Aber branchenübergreifend unterscheidet man die folgenden Anwendungsgebiete für RFID-Technologien [2]:

  • Identifizierung und Überwachung von Personen, Tieren und Gegenständen,
  • Echtzeitprüfung von Dokumenten,
  • Instandhaltung und Reparatur, Steuerung von Rückrufaktionen,
  • Diebstahlsicherung und Reduktion von Verlustmengen,
  • Fälschungsabwehr, Anti-Produktpiraterie,
  • Zugangskontrolle und Zeiterfassung,
  • Sensorik,
  • Supply-Chain-Management: Automatisierung, Steuerung und Prozessoptimierung und
  • Bezahlsysteme usw.

Diese Liste kann und wird auch in der Zukunft weiter ergänzt, da die Anwendungsgebiete von RFID-Systemen jährlich erweitert werden. Aber heute betrachten wir einzelne Anwendungsgebiete in Branchen, in denen man zunehmend auf RFID-Technologien setzt: Produktion, Handel und Gesundheitswesen.

Einsatzbereiche nach Branchen

Produktion

Mit RFID-Technologien im industriellen Umfeld lassen sich Datenerfassungsprozesse und ganze Produktionsprozesse automatisieren, flexibler und effizienter gestalten. Werkzeuge, Anlagen, einzelne Bauteile/Werkstücke und fertige Produkte werden mit RFID-Chips gekennzeichnet. Dadurch wird es möglich, RFID-Tags über ein Lesegerät zu scannen und auf RFID-Tags gespeicherte Informationen vor und nach jedem Produktionsschritt auszulesen. Es ermöglicht den Benutzern, auf die Daten über jeden einzelnen Schritt im Produktionsverlauf zuzugreifen. Mit einem wieder-beschreibbaren Speicher können diese Schritte dokumentiert werden, was die Transparenz, Zuverlässigkeit und Sicherheit in den Produktionsprozessen erhöht. Außerdem vereinfacht das, alle Gegenstände zu verfolgen, was das Bestands- und Werkzeugmanagement deutlich verbessert.

Robuste RFID-Lösungen bieten auch Möglichkeiten, durch die Identifikation von Bauteilen oder ganzer Maschinen vor Plagiaten zu schützen. Immer mehr Maschinenhersteller setzen RFID-Lösungen ein, um den Einsatz gefälschter Ersatzteile zu vermeiden. Es gilt aber zu beachten, dass RFID-Tags, die in der Produktion eingesetzt werden, unter extremen Produktionsbedingungen funktionieren können: hohe Temperaturen, Druck und Verschmutzung. Im Zusammenspiel mit Sensoren, die Informationen, z. B. über Temperatur und Druck, in Echtzeit erfassen, lassen auch potentielle Ausfälle frühzeitig erkennen und Wartungsarbeiten einplanen [3].

Auf RFID basierende Produktionsanlagen sind  in der Automobilbranche bereits seit mehreren Jahren im Einsatz [4]. RFID ermöglicht den Automobilproduzenten, Produktions- und Logistikprozesse zu überwachen, zu steuern und auch zu automatisieren. Alle Produktionsteile werden mittels RFID eindeutig identifiziert und verfolgt: wo befindet sich jeder Teil; wann und wo wurde es eingebaut; wird und wurde es richtig gewartet usw.? Des Weiteren wird die Markenqualität von Automobilproduzenten durch die ID eines RFID-Tags, mit denen Original-Ersatzteile ausgestattet sind, garantiert.

Es gilt auch das Projekt "Gläserner Prototyp" zu erwähnen, in dem die Versuchsfahrzeuge und Prototypenteile basierend auf RFID-Technologien verfolgt werden, um alle Veränderungen in der Entwicklungsphase automatisch zu dokumentieren und Informationen für die Optimierung von Fahrzeugen und Bauteilen zu verwenden. Mit dem Projekt "Gläserner Prototyp" ist Volkswagen Vorreiter für die ganze Autoindustrie [5].

Handel und Logistik

Großkonzerne erwarten durch den Einsatz von RFID-Technologien eine umfassende Effizienzsteigerung und eine nachhaltige Kostensenkung. Es gibt zahlreiche und vielfältige Einsatzmöglichkeiten entlang der gesamten Lieferkette: von der Produktionsstätte über die Logistikzentren und Großhändler bis zum Einzelhandel.

Jedes einzelne Produkt erhält in der Produktionsstätte einen RFID-Tag, in dem Informationen zur eindeutigen Identifizierung (ID) von einzelnen Produkten gespeichert werden. Die ID enthält nicht nur die Artikelnummer, sondern auch Produktinformationen wie Seriennummer, Modell, Chargen-Nummer, Gewicht, Verfallsdatum (wenn es sich um Lebensmittel und Pharmaprodukte handelt) usw. Beim Scannen identifiziert ein Lesegerät (sowohl beim Eingang, als auch beim Ausgang von Produkten) mehrere mit RFID-Tags ausgestattete Produkte und überträgt die erfassten Daten sowie Informationen über den Standort des Lesegerätes und den Zeitpunkt des Lesens zur Verarbeitung.

In einem Distributionslager werden verfolgte Produkte wieder kontaktlos registriert. Der aktuelle Warenbestand ist in jedem Augenblick abrufbar. Falls Produkte fehlen, kann deren Weg lückenlos nachverfolgt werden. Außerdem werden alle Aktualisierungen in Bewegungen von Produkten bei der Lagerung verfolgt, erfasst und in Echtzeit dokumentiert, was eine entsprechende Zuordnung von Produkten auf den Regalen ermöglicht.
Bei Einzelhändlern wird auch jeder RFID-Tag beim Wareneingang ausgelesen und erneut registriert. Die schnellere Erfassung von mit RFID-markierten Produkten wird zum Bestandsmanagement verwendet, um Abverkäufe zu erhöhen, mengen-genaue Nachbestellungen auszulösen und Bedarfsprognosen zu machen.

Mit der Einführung von "intelligenten Regalen" ermöglicht RFID auch ein effizienteres Regalmanagement. Dadurch wird die Befüllung von Regalen sowohl in einem Lager, als auch in einem Verkaufsraum optimiert. RFID-Daten verschaffen Einblicke darüber, welche Waren/Lagerartikel an welchen Regalen aufgefüllt werden müssen. Fehlt ein Produkt im Regal, wird diese Information in das zentrale System weitergegeben, sodass eine bedarfsgerechte Nachbestellung erfolgen kann. In die falschen Regale zugeordnete Waren werden auch identifiziert. Das RFID-System hilft dabei, über die Warenqualität immer aktuelle Informationen zu erhalten. Basierend auf diesen Daten werden Waren, deren Mindesthaltbarkeitsdatum bald überschritten ist, schnell ausverkauft und kurz vor Ablauf des Datums aus den Regalen entfernt. Des Weiteren ermöglichen RFID-Technologien, den Gesamtpreis durch die Erfassung von Produkten schon im Einkaufskorb in dem ein Lesegerät integriert ist, zu errechnen. Im Kassenbereich erfolgt nur der Bezahlvorgang, was die Wartezeiten verkürzt.

Im Allgemeinen können durch RFID-Systeme tiefe und wichtige Einblicke in das Kundenverhalten gewonnen und bei der Entwicklung von neuen Produkten und Verkaufs- sowie Marketingstrategien eingesetzt werden.

Als Vorzeigeprojekt gilt die Einführung von RFID bei Zara. Die Produkte werden schon in den Lagerhallen mit RFID-Tags ausgestattet, was ermöglicht, Lagerartikel in der ganzen Lieferkette zu verfolgen und die Bestände zu kontrollieren. Aber Zara geht noch weiter: es digitalisiert Umkleidekabinen und macht sie intelligent [6]. Während jedes Kleidungsstück schon beim Eintreten in die Kabine gescannt wird, können Kunden über den Bildschirm die passende Größe bzw. Farbe finden und bestellen. Das Personal sucht benötigte Artikel und bringt diese in die Kabine.

Gesundheitswesen

Im medizinischen Umfeld wird die Digitalisierung als Chance betrachtet, die Patientensicherheit und -versorgung zu verbessern, Verwechslungen und falsche Medikationen zu vermeiden, interne Abläufe zu optimieren und transparenter zu gestalten und dadurch das Fachpersonal zu entlasten. Wir geben einen Überblick darüber, in welchen Bereichen RFID-Technologien in Gesundheitseinrichtungen eingesetzt werden.

Das RFID-gestützte Asset Tracking im Krankenhaus ermöglicht, beliebige mit RFID-Tags markierte Objekte im Krankenhaus – Kleidung, Rollstühle, medizinische Werkzeuge und Geräte – zu verfolgen und sie über eine mobile oder Web-App auf der Karte des Krankenhauses zu lokalisieren [7]. In den Türöffnungen oder an den Wänden installierte RFID-Lesegeräte scannen RFID-Tags, die sich in der Auslesereichweite befinden, und übertragen erfasste Daten in die Datenbank. Das Krankenhauspersonal kann eine Anfrage machen und ein beliebiges Objekt lokalisieren, falls es benötigt wird. Einerseits kann das intelligente Asset Tracking das Bestandsmanagement und die Verteilung von Geräten und Verbrauchsmaterialien verbessern. Andererseits helfen RFID-Technologien dabei, im OP oder in der Notaufnahme Leben zu erretten, während erforderliche Geräte und Instrumente schnell gefunden werden.

RFID dient auch dazu, Medikamente nicht nur zu identifizieren und zu lokalisieren, sondern auch fälschungssicherer zu machen. Arzneimittelproduzenten und Apotheken können mit RFID-Technologien den Weg von Medikamenten über die ganze Lieferkette hinweg lückenlos überwachen, um sich und ihre Produkte vor Diebstahl und Fälschung zu schützen und die Sicherheit von Patienten zu erhöhen. Durch das verbesserte Asset Tracking können abgelaufene Medikamente schneller und einfacher gefunden und die Rückgabe an den Produzenten effizienter abgewickelt werden. Die RFID-Tags können auch in Apotheken oder Krankenhäusern die automatische Ausgabe von Arzneimitteln erleichtern und Routinearbeiten automatisieren.

RFID ermöglicht auch eine effiziente Patientenüberwachung. Bei der stationären Aufnahme erhalten Patientinnen und Patienten RFID-Armbänder, die Ihre personenbezogenen Daten enthalten. Die behandelnden Ärzte können in der zentralen Datenbank aktualisierte Patientendaten einsehen und dadurch den gesamten Behandlungsprozess überwachen. Mit der automatisierten Identifikation wird Pflegekräften und Ärzten die Gelegenheit angeboten, Dokumentationsfehler und damit verbundenen Aufwand zu verringern und schneller zu Patienten zu gelangen. In der Koppelung mit entsprechenden Sensoren kann ein RFID-System die Vitaldaten (wie z. B. Herzfrequenz und Blutdruck) jedes Patienten messen und kontrollieren. Integriert mit einem Alarmsystem kann ein RFID-System automatisch einen Alarm auslösen und das Krankenhauspersonal informieren, falls z. B. der Blutdruck die Grenzwerte überschreitet.

Fazit

Seit den 40er Jahren des vorigen Jahrhunderts hat die RFID-Technologie mehrere Etappen in seiner Entwicklungsgeschichte erlebt. Heute bieten sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie an. Seien es automatisierte Produktionsprozesse, effizienteres Regalmanagement mit "intelligenten" Regalen oder erhöhte Patientensicherheit – der Einsatz von RFID bringt in jedem Anwendungsgebiet Vorteile mit: Transparenz, Optimierung, Automatisierung und als Folge Effizienzsteigung und Kostensenkung. Deshalb lohnt es sich, vorhandene positive Beispiele tiefer zu untersuchen und von deren Erfahrung zu profitieren.

Autor

Boris Shiklo

Boris Shiklo, CTO bei ScienceSoft, ist verantwortlich für eine langfristige technologische Vision und die Entwicklung von Innovationsstrategien im Unternehmen.
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