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RFID

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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.

RFID steht für Radio-Frequency IDentification und beschreibt eine Technologie für die drahtlose Identifizierung von Objekten. Dabei kommunizieren der Transponder und das Lesegerät miteinander.

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.

Zur drahtlosen Kommunikation werden wechselnde elektromagnetische Felder genutzt. Diese werden über Antennen ausgesendet und empfangen. Dazu befinden sich innerhalb des Lesegeräts und dem Transponder Spulen, die mittels Stromfluss das Feld erzeugen oder mithilfe der Induktion Stromfluss durch das Feld erfahren.

Wenn Du mehr zum Magnetfeld einer Spule oder der Induktion lernen möchtest gibt es passende Artikel für Dich.

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.

Du kannst einen schemenhaften Aufbau in Abbildung 2 finden. Dabei erzeugt das Lesegerät ein elektromagnetisches Feld mit seiner Spule.

Das erzeugte Feld nimmt je nach Entfernung zwischen den beiden Spulen weiter ab, deshalb musst Du Deine Bankkarte auch recht nah an das Lesegerät halten, damit beide erfolgreich kommunizieren können.

Innerhalb der Spule des Transponders wird durch das wechselnde Feld eine Spannung induziert. Diese kann bei Passiven RFID Transpondern auch zur Energieversorgung des RFID-Chips genutzt werden, sodass eine Batterie wie bei Aktiven RFID Transpondern zur Stromversorgung des Chips entfällt.

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.

Es gibt zwei Arten von RFID Transpondern:

Bei Passiven RFID Transpondern wird der durch das elektromagnetische Feld induzierte Strom in der Spule zur Energieversorgung des RFID-Chips genutzt.

Bei Aktiven RFID Transpondern wird eine Batterie zur Versorgung des Chips genutzt.

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.

Die Signalübertragung zwischen Lesegerät und Transponder findet mittels Modulation des elektromagnetischen Feldes statt.

Dafür nutzt der Transponder den Effekt der Feldschwächung durch das Kurzschließen seiner Spule.

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.

Je nach gewünschter Reichweite und Größe der Antenne sowie Datenübertragungsgeschwindigkeit werden verschiedene Frequenzen für RFID Signale verwendet.

Dabei hat das Signal mit höheren Frequenzen mehr Reichweite und eine höhere Datenrate, die Transponder werden jedoch teurer und anfälliger für Umweltstörungen.

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.

FrequenzAnwendung
Low Frequency (LF): 30 kHz bis 500 kHzTieridentifikation, Autoschlüssel, Werkzeugidentifikation
High Frequency (HF): 10 MHz bis 15 MHzNFC, Personalausweis, Bankkarten, Schließkarten
Ultra High Frequency (UHF): 865 MHz bis 956 MHzSupply Chain Tracking: Boxen, Paletten, Kleider, Container, Anhänger
Super Ultra High Frequency (S-UHF): 2,4 GHz; 2,5 GHz und 5,8 GHzMaut-Systeme, Fahrzeugidentifikation

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.

Mehr zu den Feldstärken von elektromagnetischen Feldern findest Du in den Artikeln Elektrische Feldstärke und Das Magnetfeld.

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.

Die Reichweite von RFID hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Für eine höhere Reichweite sorgen aktive statt passive Transponder, höhere Frequenz sowie Feldstärke des elektromagnetischen Feldes und größere Antennen.

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.

In Abbildung 3 kannst Du den Aufbau einer Bankkarte als RFID Transponder aufgeschnitten betrachten.

Außen auf der Vorderseite der Karte findest Du die äußeren Kontakte für den Chipkartenleser und den Aufdruck der Bankkarte.

Die Hardware für die RFID Kommunikation findet sich verborgen in der Mitte der Karte: Angeschlossen an dem RFID-Chip findest du eine Antenne, die aus mehreren Windungen aus sehr dünnem Draht besteht und um den Rand der Karte verläuft.

Dies ist die Spule, mit dem der RFID-Chip das elektromagnetische Feld empfangen und modulieren kann.

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

Der RFID-Chip speichert die Daten, die durch das Lesegerät abgerufen werden können. Zudem hat er die Fähigkeit, eingehende Signale zu interpretieren und durch Kurzschließen der Spule mit dem Lesegerät zu kommunizieren.

Er speichert die elektrische Energie für seine Funktion in einem Kondensator.

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.

RFID - Das Wichtigste

  • RFID steht für Radio-Frequency IDentification und beschreibt eine Technologie für die drahtlose Identifizierung von Objekten. Dabei kommunizieren der Transponder und das Lesegerät miteinander.
  • Zur drahtlosen Kommunikation werden wechselnde elektromagnetische Felder genutzt. Diese werden über Antennen ausgesendet und empfangen. Dazu befinden sich innerhalb des Lesegeräts und dem Transponder Spulen, die mittels Stromfluss das Feld erzeugen oder mithilfe der Induktion Stromfluss durch das Feld erfahren.
  • Es gibt zwei Arten von RFID Transpondern:
    • Bei Passiven RFID Transpondern wird der durch das elektromagnetische Feld induzierte Strom in der Spule zur Energieversorgung des RFID-Chips genutzt.

    • Bei Aktiven RFID Transpondern wird eine Batterie zur Versorgung des Chips genutzt.

  • Die Signalübertragung zwischen Lesegerät und Transponder findet mittels Modulation des elektromagnetischen Feldes statt. Dafür nutzt der Transponder den Effekt der Feldschwächung durch das kurzschließen seiner Spule.

  • Für eine höhere Reichweite sorgen aktive statt passive Transponder, höhere Frequenz sowie Feldstärke des elektromagnetischen Feldes und größere Antennen.

  • Die RFID Technologie findet Anwendung bei: Bankkarten, Personenidentifizierung, Tieridentifikation, Fahrkarten, Warenmanagement, Warensicherung

Nachweise

  1. www.rfid-grundlagen.de
  2. www.identible.de/rfid-frequenzen.html
  3. www.smart-tec.com/de/auto-id-welt/rfid-technologie

Häufig gestellte Fragen zum Thema RFID

Die RFID Technologie hat viele Einsatzgebiete, hauptsächlich wird sie zur Identifikation von Waren oder Personen genutzt. So hat dein Personalausweis oder deine Bankkarte eine kontaktlose Funktion. Auch manche Waren wie Kleidung sind mit RFID Transpondern ausgestattet um Lieferketten nachzuvollziehen und Diebstahl zu erkennen.

Der Chip innerhalb des RFID Transponders decodiert die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Die Antwort werden dann vom Chip codiert und moduliert, so wird beispielsweise eine eindeutige Seriennummer übertragen.

RFID beschreibt eine drahtlose Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zur automatischen identifizieren von Objekten. Dabei findet der Datenaustausch berührungslos statt.

RFID steht für Radio-Frequency IDentification, auf Deutsch Elektromagnetische-Wellen-Identifizierung. Es beschreibt die grundlegende Technologie für die drahtlose Identifizierung.

NFC basiert auf RFID-Protokollen und ist eine spezifische Kopplungsmethode für RFID. Die Abkürzung steht für Near Field Communication, also Nahfeldkommunikation auf Deutsch. 

Finales RFID Quiz

Frage

Nenne, wofür RFID steht.

Antwort anzeigen

Antwort

RFID steht für Radio-Frequency IDentification und beschreibt eine Technologie für die drahtlose Identifizierung von Objekten. 

Frage anzeigen

Frage

Nenne, welche Teile miteinander bei RFID kommunizieren.

Antwort anzeigen

Antwort

Es kommunizieren der Transponder und das Lesegerät miteinander. 

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche Informationen der Transponder typischerweise enthält.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Transponder enthält dabei auslesbare digitale Informationen, allen voran eine einzigartige Seriennummer, um die Transponder zu unterscheiden.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, welche Aufgabe das Lesegerät hat.

Antwort anzeigen

Antwort

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.  

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie die drahtlose Kommunikation bei RFID ermöglicht wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Zur drahtlosen Kommunikation werden wechselnde elektromagnetische Felder genutzt. Diese werden über Antennen ausgesendet und empfangen. Dazu befinden sich innerhalb des Lesegeräts und dem Transponder Spulen, die mittels Stromfluss das Feld erzeugen oder mithilfe der Induktion Stromfluss durch das Feld erfahren. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was aktive und passive Transponder unterscheidet.

Antwort anzeigen

Antwort

Es gibt zwei Arten von RFID Transpondern

Bei passiven RFID Transpondern wird der durch das elektromagnetische Feld induzierte Strom in der Spule zur Energieversorgung des RFID-Chips genutzt.

Bei aktiven RFID Transpondern wird eine Batterie zur Versorgung des Chips genutzt.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vor- und Nachteile von aktiven und passiven Transpondern.

Antwort anzeigen

Antwort

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.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Signalübertragungstechnik, die genutzt wird, um Daten bei RFID zu übertragen.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Signalübertragung zwischen Lesegerät und Transponder findet mittels Modulation des elektromagnetischen Feldes statt.


Dafür nutzt der Transponder den Effekt der Feldschwächung durch das Kurzschließen seiner Spule.

Frage anzeigen

Frage

Begründe, welche Frequenzen für RFID infrage kommen.

Antwort anzeigen

Antwort

Prinzipiell können für die elektromagnetischen Felder bei der RFID Kommunikation beliebige Frequenzen verwendet werden. 

Wichtig ist jedoch, dass sowohl Lesegerät als auch Transponder passende Antennen für die verwendete Frequenz besitzen. 


Dabei haben höhere Frequenzen mehr Reichweite und eine höhere Datenrate, die Transponder werden jedoch teurer und anfälliger für Umweltstörungen. 

Frage anzeigen

Frage

Nenne verschiedene Frequenzen und ihre Anwendungen.

Antwort anzeigen

Antwort

FrequenzAnwendung
Low Frequency (LF): 
30 kHz bis 500 kHz
Tieridentifikation, Autoschlüssel, Werkzeugidentifikation
High Frequency (HF): 
10 MHz bis 15 MHz
NFC, Personalausweis, Bankkarten, Schließkarten
Ultra High Frequency (UHF): 
865 MHz bis 956 MHz
Supply Chain Tracking: Boxen, Paletten, Kleider, Container, Anhänger
Super Ultra High Frequency (S-UHF): 
2,4 GHz; 2,5 GHz und 5,8 GHz
Maut-Systeme, Fahrzeugidentifikation
Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wovon die Reichweite von RFID abhängt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Reichweite von RFID hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Für eine höhere Reichweite sorgen aktive statt passive Transponder, höhere Frequenz sowie Feldstärke des elektromagnetischen Feldes und größere Antennen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Funktionen des RFID-Chips.

Antwort anzeigen

Antwort

Der RFID-Chip speichert die Daten, die durch das Lesegerät abgerufen werden können. Zudem hat er die Fähigkeit, eingehende Signale zu interpretieren und durch Kurzschließen der Spule mit dem Lesegerät zu kommunizieren

Er speichert die elektrische Energie für seine Funktion in einem Kondensator.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe zwei Anwendungsgebiete für die RFID Technologie.

Antwort anzeigen

Antwort

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.


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


Fahrkarten

Beim Skifahren oder bei öffentlichen Verkehrsmitteln kannst Du drahtlos die Schranken passieren.

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. 

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


Frage anzeigen

Frage

Beschreibe den Unterschied zwischen NFC und RFID.

Antwort anzeigen

Antwort

RFID steht für Radio-Frequency IDentification, auf Deutsch Elektromagnetische-Wellen-Identifizierung. Es beschreibt die grundlegende Technologie für die drahtlose Identifizierung.

NFC basiert auf RFID-Protokollen und ist eine spezifische Kopplungsmethode für RFID. Die Abkürzung steht für Near Field Communication, also Nahfeldkommunikation auf Deutsch. 


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


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

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