RFID

Wenn Du Deine Bankkarte zum Einkaufen nutzt kannst Du mit Deiner Karte kontaktlos zahlen: Du hältst die Karte nur in die Nähe des Kartenlesegeräts und das Terminal kann Deine Karte auslesen und Geld abbuchen. Doch wie genau funktioniert die drahtlose Kommunikation zwischen Terminal und Karte? Über genau diese RFID Technologie kannst Du im Artikel mehr herausfinden!

RFID Definition und Bedeutung

RFID steht im Englischen für Radio-Frequency IDentification, auf Deutsch Elektromagnetische-Wellen-Identifizierung. Es beschreibt eine drahtlose Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zum automatischen Identifizieren von Objekten. Dabei findet der Datenaustausch berührungslos statt.

Das Kommunikationssystem besteht dabei aus zwei Komponenten: dem Transponder, wie etwa Deine Bankkarte, und dem Lesegerät, etwa dem Kartenterminal.

Der Transponder enthält dabei auslesbare digitale Informationen, allen voran eine einzigartige Seriennummer, um die Transponder zu unterscheiden. Es wäre ja wirklich Nachteilhaft, wenn Deine Bankkarte mit einer anderen verwechselt wird und falsche Abbuchungen stattfinden! Zusätzlich können weitere Informationen wie etwa bei der Bankkarte der Karteninhaber oder das Kreditinstitut im Speicher des Transponders hinterlegt werden.

Das Lesegerät hat die Aufgabe, mit dem Transponder zu kommunizieren und ihm Befehle wie etwa Datenabfragen zu übermitteln und die Antworten darauf dann zu empfangen und weiterzuverarbeiten.

Da die Kommunikation drahtlos ablauft werden hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder genutzt, um die Daten auszutauschen. Doch wie werden die Felder generiert und Daten empfangen?

RFID Funktionsweise

Um die für die Kommunikation zwischen Lesegerät und Transponder nötigen elektromagnetischen Felder zu erzeugen, werden Antennen genutzt.

Dabei muss ein wechselndes Feld genutzt werden, um in der Spule des Transponders induktiv eine Spannung zu erzeugen, die dann vom RFID-Chip ausgewertet werden kann. Wie das abläuft, kannst Du beispielhaft betrachten.

Durch die induzierte Spannung erkennt der RFID Transponder, dass er sich in Reichweite eines Lesegerätes befindet.

Je nach dem ob der Transponder die Energie der Induktion auch zur Stromversorgung nutzt wird unterscheiden sich die beiden Arten der Transponder.

Vorteile des passiven Systems liegen in den niedrigen Kosten und der Unabhängigkeit von einer Batterie, die getauscht oder aufgeladen werden muss.

Der Vorteil der aktiven Energieversorgung durch eine Batterie liegen in der höheren Reichweite, da das Feld nicht zusätzlich zum Signal noch die Energie für den RFID-Chip liefern muss.

Wie wird aber genau dieses Datensignal zwischen dem Lesegerät und dem Transponder übermittelt?

RFID Signalübertragung

Um die eigentlichen digitalen Informationen zwischen dem Lesegerät und dem Transponder auszutauschen, wird das elektromagnetische Feld moduliert.

Das bedeutet, dass kleine Änderungen im Feld, beispielsweise an der Frequenz des wechselnden Feldes, durchgeführt werden, die sich zu digitalen Informationen übersetzen lassen.

Dabei kann das Lesegerät das Feld leicht abändern, da es das Feld selbst erzeugt, und so Informationen an den Transponder senden der diese mit seiner Antenne empfangen kann.

Doch wie schafft es der Transponder das Feld zu modulieren?

Durch Kurzschließen der Spule im Transponder wird das elektromagnetische Feld geschwächt. Dabei schaltet der RFID-Chip die Enden der Spulen mit einem Schalter zusammen. Diese Änderung des Feldes kann das Lesegerät erkennen und damit Informationen vom Transponder empfangen.

So werden die Antworten des Transponders auf die Anfragen des Lesegeräts zurück an dieses übertragen.

So können also Transponder und Lesegerät mittels wechselnder elektromagnetischer Felder miteinander kommunizieren. Doch welche Frequenzen nutzen die Signale?

RFID Frequenzen

Prinzipiell können für die Signale bei der RFID Kommunikation beliebige Frequenzen verwendet werden. Wichtig ist jedoch, dass sowohl Lesegerät als auch Transponder passende Antennen für die verwendete Frequenz besitzen.

Da es keinen festen Standard für die Frequenzen für RFID gibt, unterscheiden sich die Frequenzen also je nach Anwendungszweck. In der Tabelle findest Du ein paar Beispielfrequenzen und wo sie angewendet werden.

Welche Faktoren außer die verwendeten Frequenzen haben einen Einfluss auf die Reichweite für die RFID Datenkommunikation?

RFID Reichweiten

Die Frequenzen der Signale haben einen Einfluss auf die Reichweite der Datenübertragung bei RFID, sind jedoch nur einer vom mehreren Faktoren, die die Reichweite beeinflussen.

Da die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes mit der Entfernung quadratisch abnimmt und das Feld die Daten zwischen Lesegerät und Transponder überträgt, liegt die maximale Reichweite an dem Punkt, wo das Feld gerade noch stark genug ist, um korrekt empfangen zu werden.

Zusätzlich muss das Feld bei passiven Transpondern auch die Energie für den RFID-Chip liefern, dies verringert die effektive Reichweite signifikant.

Um die Reichweite zu erhöhen, sollten also aktive Transponder verwendet werden, die Ausstrahlstärke des elektromagnetischen Feldes erhöht werden oder die Antennen vergrößert werden, um das empfangene Signal zu verstärken.

Zudem werden für höhere Reichweiten generell höhere Kommunikationsfrequenzen verwendet.

Es ist jedoch nicht immer wünschenswert, die Reichweite der RFID Kommunikation zu maximieren: Stelle Dir vor, jemand könnte deine Bankkarte von weiter Entfernung auslesen!

Daher werden RFID Systeme mit einer bestimmten Reichweitenvorgabe konstruiert, bei Deiner Bankkarte sind das etwa 10cm.

Wie sieht denn die Konstruktion des Transponders, hier der Bankkarte, konkret aus?

RFID Chips Aufbau

Je nach RFID System und aktiven oder passiven Transponder unterscheidet sich der Aufbau des Transponders. Beispielhaft kannst Du Dir den Aufbau einer Bankkarte anschauen.

Der RFID-Chip selbst hat einen integrierten Kondensator, um die durch Induktion gewonnene Energie für seine Funktion zu speichern.

Es werden also nicht viele Komponenten für einen RFID Transponder benötigt, somit sind die Transponder vielseitig einsetzbar.

RFID Anwendungsbereiche

Die RFID Technologie hat ein sehr breites Anwendungsgebiet. Denn wenn eine kostengünstige Lösung zur eindeutigen drahtlosen Identifizierung von Personen oder Objekten nötig ist, wirst Du meistens die Nutzung von RFID vorfinden können. Besonders vorteilhaft sind passive Transponder, da sie keine Energieversorgung benötigen.

Bankkarten

Egal welche Bank oder Zahlungsdienstleister: fast alle Karten unterstützen drahtloses Bezahlen. Sogar mit dem Handy oder der Smartwatch lässt sich mittels RFID kontaktlos bezahlen.

Dabei liegt die Reichweite bei etwa 10cm damit ein auslesen der Bankkarten vom weiten nicht möglich ist.

Personenidentifizierung

Personalausweise und Reisepässe unterstützen auch ein drahtloses Auslesen der hinterlegten Daten. Dabei wird eine ähnliche Technik und Reichweite wie bei den Bankkarten genutzt.

Tieridentifikation

Bei Nutztieren erfolgt die Erkennung der einzelnen Tiere mittels RFID Implantat. Dabei werden kleine RFID Transponder unter die Haut der Tiere eingesetzt.

Auch Haustiere kann man mit einem solchen Implantat versehen, um bei Entlaufen oder Diebstahl die Tiere zu identifizieren.

Es werden hier besonders kleine, passive Transponder genutzt.

Fahrkarten

Beim Skifahren oder bei öffentlichen Verkehrsmitteln: Durch die drahtlose RFID Technologie kannst Du Zeit sparen.

Denn ein lästiges Einstecken der Karten in das Lesegerät entfällt und Du kannst einfach durch die Schranken gehen.

Dafür werden passive Transponder mit einer Reichweite von bis zu 2 Metern genutzt.

Warenmanagement und Warensicherung

Im Supermarkt oder in der Modebranche: immer mehr Produkte enthalten RFID Transponder, die in die Etiketten eingenäht oder an die Produkte geklebt werden. Manchmal findest Du die Transponder erst beim Zerlegen im Inneren der Produkte!

So ist nicht nur eine Nachverfolgbarkeit der Produkte für den Hersteller und Verkäufer einfacher, sondern auch der Diebstahl der Produkte wird durch Lesegeräte an den Ausgängen der Geschäfte verhindert.

Denn wenn Du das Produkt kaufst wird das im Speicher des Tags hinterlegt. So kann sichergestellt werden, dass nur gekaufte Produkte das Geschäft verlassen.

RFID NFC Unterschied

Vielleicht hast Du schon von der NFC Technologie gehört. Die Abkürzung steht für Near Field Communication, also Nahfeldkommunikation auf Deutsch. Was ist jedoch der Unterschied zu RFID?

Es besteht kein Unterschied, denn NFC ist lediglich eine konkrete Implementierung der RFID Technologie.

Sie wird beispielsweise in Handys und Smartwatches verwendet zum Datenaustausch untereinander und für die Bezahlfunktionen mit in Kommunikation mit Kartenlesegeräten.