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Klaus Finkenzeller
RFID-Handbuch Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten
mit 213 Abbildungen
Jb
Carl Hanser Verlag München Wien
VII
Inhaltsverzeichnis
Verwendete Abkürzungen XV
1 Einführung 1
1.1 Automatische Identifikationssysteme 2
1.1.1 Barcode Systeme 2
1.1.2 Optical Character Recognition 4
1.1.3 Biometrische Verfahren 4
1.1.3.1 Sprachidentifizierung 4
1.1.3.2 Fingerabdruckverfahren (Daktyloskopie) 4
1.1.4 Chipkarten 5
1.1.4.1 Speicherkarten 6 1.1.4.2 Mikroprozessorkarten 6
1.1.5 RFID-Systeme 7
1.2 Vergleich verschiedener ID-Systeme 8
1.3 Bestandteile eines RFID-Systems 9
2 Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen 11
2.1 Grundsätzliche Unterscheidungsmerkmale 11
2.2 Bauformen von Transpondern 14
2.2.1 Disks und Münzen 14
2.2.2 Glasgehäuse 14
2.2.3 Plastikgehäuse 15
2.2.4 Werkzeug- und Gasflaschenidentifikation 16
2.2.5 Schlüssel und Schlüsselanhänger 17
2.2.6 Uhren 18
2.2.7 Bauform ID-1, kontaktlose Chipkarten 18
2.2.8 Weitere Bauformen 20
2.3 Frequenz, Reichweite und Kopplung 20
2.3.1 Close Coupling 20
2.3.2 Remote Coupling 21
2.3.3 Long-Range 21
2.3.4 Systemperformance 22
J
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Grundlegende Funktionsweise 25
3.1 1-bit-Transponder 26
3.1.1 Radiofrequenz 26
3.1.2 Mikrowelle 29
3.1.3 Frequenzteiler 31
3.1.4 Elektro-Magnetisch 32
3.2 Voll- und Halbduplexverfahren 34
3.2.1 Induktive Kopplung 36
3.2.1.1 Energieversorgung passiver Transponder 36
3.2.1.2 Datenübertragung Transponder -»• Leser 38
3.2.2 Elektromagnetische Backscatter-Kopplung 42
3.2.2.1 Energieversorgung der Transponder 42
3.2.2.2 Datenübertragung Transponder -> Leser 43
3.2.3 Close Coupling 44
3.2.3.1 Energieversorgung der Transponder 44 3.2.3.2 Datenübertragung Transponder -»• Leser 46
3.2.4 Datenübertragung Leser -*• Transponder 46
3.3 Sequentielle Verfahren 46
3.3.1 Induktive Kopplung 46
3.3.1.1 SpannungsVersorgung des Transponders 46
3.3.1.2 Vergleich zwischen FDX-/HDX- und SEQ-Systemen 47
3.3.1.3 Datenübertragung Transponder -»• Leser 49
3.3.2 Oberflächenwellen-Transponder 50
4 Physikalische Grundlagen für RFID-Systeme 53
4.1 Magnetisches Feld 54
4.1.1 Magnetische Feldstärke H 54
4.1.1.1 Feldstärkeverlauf H(x) bei Leiterschleifen 55
4.1.1.2 Optimierter Antennendurchmesser 58
4.1.2 Magnetischer Fluß und magnetische Flußdichte 59
4.1.3 Induktivität L 60
4.1.4 Gegeninduktivität M 61
4.1.5 Kopplungsfaktor k 63
4.1.6 Induktionsgesetz 64
4.1.6.1 Anwendung 1: Spannungsversorgung des Transponderchips 67
4.1.6.2 Anwendung 2: Lastmodulation 69
Inhaltsverzeichnis IX
4.1.6.3 Rechenbeispiel 70
4.1.6.4 Spannungsregelung 71
4.1.7 Messung des Kopplungsfaktors k 72
4.1.8 Magnetische Werkstoffe 73
4.1.8.1 Eigenschaften magnetischer Werkstoffe und Ferrite . . 73 4.1.8.2 Ferritantennen in LF-Transpondern 75
4.1.8.3 Ferritabschirmung in metallischer Umgebung 75
4.2 Elektromagnetische Wellen 76
4.2.1 Entstehung elektromagnetischer Wellen 76
4.2.1.1 Übergang vom Nah- zum Fernfeld bei magnetischen Antennen 78
4.2.2 Reflexion elektromagnetischer Wellen 79
4.2.3 Rückstreuquerschnitt einer Antenne 81
4.2.4 Modulierter Rückstreuquerschnitt 84
4.2.5 Wirksame Länge 84
4.2.6 Antennenbauformen für Mikrowellentransponder 84
4.2.6.1 Schlitzantennen 85
4.2.6.2 Planarantennen 85
4.2.6.3 Übersicht - Antennenparameter 85
5 Frequenzbereiche und Funkzulassungsvorschriften 87
5.1 Verwendete Frequenzbereiche 87
5.1.1 Frequenzbereich 9. . . 135 kHz 88
5.1.2 Frequenzbereich 6,78 MHz 90
5.1.3 Frequenzbereich 13,56 MHz 90
5.1.4 Frequenzbereich 27,125 MHz 90
5.1.5 Frequenzbereich 40,680 MHz 91
5.1.6 Frequenzbereich 433,920 MHz 91
5.1.7 Frequenzbereich 869,0 MHz 92
5.1.8 Frequenzbereich 915,0 MHz 92
5.1.9 Frequenzbereich 2,45 GHz 92
5.1.10 Frequenzbereich 5,8 GHz 92
5.1.11 Frequenzbereich 24,125 GHz 92 5.1.12 Auswahl einer geeigneten Frequenz für induktiv
gekoppelte RFID-Systeme 93
X Inhaltsverzeichnis
5.2 Internationale Zulassungsvorschriften 96
5.2.1 CEPT/ERC 70-03 96
5.2.2 EN 300330: 9 kHz.. .25 MHz 96
5.2.2.1 Trägerleistung - Grenzwerte für Class-1-Sender . . . 97
5.2.2.2 Trägerleistung - Grenzwerte für Class-2-Sender . . . 98
5.2.2.3 Modulationsbandbreite 98
5.2.2.4 Nebenaussendungen 99
5.2.3 EN 300220-1, EN 300220-2 99
5.2.4 EN 300440 100
5.3 Nationale Zulassungsvorschriften - BRD 101
5.3.1 17 TR 2100 101
5.3.1.1 Grenzwerte für Trägerleistungen 102
5.3.1.2 Modulationsbandbreite 103
5.3.1.3 Nebenaussendungen 103
5.3.2 BAPT 222 ZV 125 103
5.3.3 BAPT 211 ZV 037/2050 104
5.3.4 BAPT 211 ZV 045 - Eurobalisen 104
6 Codierung und Modulation 105
6.1 Codierung im Basisband 106
6.2 Digitale Modulationsverfahren 109
6.2.1 Amplitudentastung (ASK) 110
6.2.2 2-FSK 113
6.2.3 2-PSK 114
6.2.4 Modulationsverfahren mit Hilfsträger 115
7 Datenintegrität 119
7.1 Prüfsummenverfahren 119
7.1.1 Paritätsprüfung 119
7.1.2 LRC-Verfahren 120
7.1.3 CRC-Verfahren 121
7.2 Antikollision 124
7.2.1 Entstehung der Kollision 124
Inhaltsverzeichnis XI
7.2.2 Antikollisionsverfahren 124
7.2.2.1 Räumliche Antikollisionsverfahren (spatial domain) 125
7.2.2.2 Antikollisionsverfahren über Frequenz (frequency domain) 125
7.2.2.3 Zeitliche Antikollisionsverfahren (time domain) . . . 126
7.2.3 Ausführungsbeispiel - „Binary Search"-Algorithmus 128
8 Datensicherheit 133
8.1 Gegenseitige symmetrische Authentifizierung 133
8.2 Authentifizierung mit abgeleiteten Schlüsseln 135
8.3 Verschlüsselte Datenübertragung 136
8.3.1 Streamcipher 138
9 Normung 141
9.1 Tieridentifikation 141
9.1.1 ISO 11784 - Codestruktur 141
9.1.2 ISO 11785 - Technisches Konzept 142
9.1.2.1 Anforderungen 142
9.1.2.2 Voll-/Halbduplex-System 144
9.1.2.3 Sequentielles System 145
9.2 Kontaktlose Chipkarten 145
9.2.1 ISO 10536 - Close-coupling-Chipkarten 146
9.2.1.1 Part 1 - Physical characteristics 146
9.2.1.2 Part 2 - Dimensions and locations of coupling areas 146
9.2.1.3 Part 3 - Electronic signals and reset procedures . . . 146
9.2.1.3.1 Energieversorgung 146
9.2.1.3.2 Datenübertragung Karte -> Lesegerät . . . 147
9.2.1.3.3 Datenübertragung Lesegerät -»• Karte . . . 147
9.2.1.4 Part 4 - Answer to reset and transmission protocols 148
9.2.2 ISO 14443 - Proximity-coupling-Chipkarten 148
9.2.3 ISO 15693 - Vicinity-coupling-Chipkarten 148
9.3 DIN/ISO 69873 - Datenträger für Werk- und Spanzeuge 149
9.4 ISO 10374 - Containeridentifikation 149
i
XII Inhaltsverzeichnis
9.5 VDI 4470 - Warensicherungssysteme 151
9.5.1 Teil 1 - Kundenabnahmerichtlinien für Schleusensysteme . . 151
9.5.1.1 Ermittlung der Fehlalarmquote 151
9.5.1.2 Ermittlung der Detektionsrate 151
9.5.1.3 Formblätter in VDI 4470 152
9.5.2 Teil 2 - Kundenabnahmerichtlinien für Deaktivierungsanlagen 152
10 Architektur elektronischer Datenträger 155
10.1 Transponder mit Speicherfunktion 155
10.1.1 HF-Interface 156
10.1.2 Adreß- und Sicherheitslogik 157
10.1.2.1 State-Machine 158
10.1.3 Speicherarchitektur 159
10.1.3.1 Read-only-Transponder 159
10.1.3.2 Beschreibbare Transponder 161
10.1.3.3 Transponder mit Kryptofunktion 161
10.1.3.4 Segmentierte Speicher 164
10.1.3.5 MIFARE®-Applikationsverzeichnis 167
10.2 Mikroprozessoren 170
10.2.1 Dual Interface Card 171
10.2.1.1 MIFARE® plus - Dual Interface Card 174
10.3 Speichertechnologie 175
10.3.1 RAM 175
10.3.2 EEPROM 176
10.3.3 FRAM 177
10.3.4 Leistungsvergleich FRAM - EEPROM 179
10.4 Messung physikalischer Größen 180
10.4.1 Transponder mit Sensorfunktionen 180
10.4.2 Messungen mit Mikrowellentranspondern 181
11 Lesegeräte 183
11.1 Datenfluß in einer Applikation 183
11.2 Komponenten eines Lesegerätes 184
11.2.1 HF-Interface 186
11.2.1.1 Induktiv gekoppeltes System, FDX/HDX 186
11.2.1.2 Mikrowellen-System - Halbduplex 187
11.2.1.3 Sequentielle Systeme - SEQ 189
11.2.2 Steuerung 190
Inhaltsverzeichnis XIII
11.3 Low-cost-Aufbau - Leser IC U2270B 191
11.4 Anschluß von Antennen 194
11.4.1 Antennen für induktive Systeme 194
11.4.1.1 Anschaltung mit Stromanpassung 194
11.4.1.2 Speisung über Koaxialkabel 197
11.4.1.3 Einfluß des Gütefaktors Q 201
11.4.2 Antennen für Mikrowellen-Systeme 202
11.5 Ausführungsformen von Lesegeräten 203
12 Herstellung von Transpondern und kontaktlosen Chipkarten 207
12.1 Modulherstellung 208
12.2 Transponderhalbzeug 209
12.3 Komplettierung 210
12.4 Kontaktlose Chipkarten 210
13 Anwendungsbeispiele 215
13.1 Kontaktlose Chipkarten 215
13.2 ÖPNV 217
13.2.1 Ausgangssituation 218
13.2.2 Anforderungen 218
13.2.2.1 Transaktionszeit 218 13.2.2.2 Witterungsbeständigkeit, Lebensdauer, Bedienkomfort 219
13.2.3 Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen 219
13.2.4 Tarifmodelle mit elektronischer Abrechnung 221
13.2.5 Marktpotential 222
13.2.6 Projektbeispiele 223
13.2.6.1 Korea - Seoul 223
13.2.6.2 Deutschland - Lüneburg, Oldenburg 225
13.3 Ticketing 226
13.3.1 Lufthansa Miles & More Card 226
13.3.2 Ski-Ticketing 228
13.4 Zutrittskontrolle 230
13.5 Verkehrs Systeme 231 13.5.1 Eurobalise S21 231 13.5.2 Internationaler Containerverkehr 234
XIV Inhaltsverzeichnis
13.6 Tieridentifikation 235
13.6.1 Rinderhaltung 235
13.6.2 Brieftauben-Preisflug 241
13.7 Elektronische Wegfahrsperre 243
13.7.1 Funktionsweise der Wegfahrsperre 243
13.7.2 Kurze Erfolgsgeschichte 246
13.7.3 Zukunftsaussichten 248
13.8 Behälteridentifikation 248
13.8.1 Gasflaschen und Chemikalienbehälter 248
13.8.2 Abfallentsorgung 250
13.9 Sportliche Veranstaltungen 252
13.10 Industrieautomation 255
13.10.1 Werkzeugidentifikation 255
13.10.2 Industrielle Fertigung 258
14 Marktübersicht 259
14.1 Auswahlkriterien 259
14.1.1 Arbeitsfrequenz 259
14.1.2 Reichweite 260
14.1.3 Sicherheitsanforderungen 261
14.1.4 Speicherkapazität 262
14.2 Systemübersicht 262
14.3 Kontaktadressen, Fachzeitschriften 269
15 Anhang 271
15.1 Relevante Normen und Vorschriften 271
15.1.1 Bezugsquellen für Normen und Vorschriften 273
15.2 Literaturhinweise 274
16 Register 279
