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Lokalisierung von RFID-Tags Messung der Entfernung zwischen Lesegerät und passiven bzw. semi-passiven RFID-Transpondern RFID-Systeme (Radio Frequency Identification) werden im Bereich der automatischen Identifikation aufgrund ihrer Vorteile immer öfter als Ergänzung bzw. als Ersatz von optischen Verfahren, wie Barcodes, eingesetzt. Ist ein Auslesen des Tags über Distanzen von mehr als 0,5 m erforderlich, kommen meist passive (batterielose) UHFSysteme zum Einsatz. Aufgrund ihrer geringen Stückkosten und der weitgehend problemlosen Entsorgbarkeit dominieren passive UHF-RFID-Systeme bei ~900 MHz seit einigen Jahren den Markt und haben bereits auch HF-RFID-Systeme bei 13,56 MHz überholt. Für viele Anwendungen ist die reine Identifikation nicht ausreichend, häufig wird auch die Lokalisierung der Tags benötigt. Beispielsweise dann, wenn mehrere Tags auf einem Förderband in ihrer Reihenfolge erkannt werden sollen oder wenn Tags ab einer gewissen Distanz zum Lesegerät gezielt ignoriert werden sollen. Weiterer Bedarf an der Lokalisierung von Tags besteht bei Zutrittssystemen, für die unmittelbare Nähe eines berechtigten Tags sichergestellt werden muss. Zuverlässige UHF-Lokalisierungssysteme basieren derzeit oft auf einer mechanisch aufwändigen Vereinzelung von Tags oder auch auf proprietären aktiven (batteriebetriebenen) und damit teuren Tags. Bisher bekannte Systeme zur Lokalisierung herkömmlicher UHF-Tags erreichen nicht die erforderliche Genauigkeit.

Zielsetzung Ziel der Forschung an der TU Wien war die Entwicklung einer Methode für eine genaue Entfernungsbestimmung von passiven UHF-RFID-Tags. Aktuell am Markt befindliche Verfahren basieren auf Feldstärkemessung und/oder Winkelschätzung mit mehreren Antennen und liefern, physikalisch bedingt, nur eine eingeschränkte Genauigkeit. Die TU Wien setzte sich daher zum Ziel, ein Verfahren zu entwickeln, das auf der Messung der Laufzeit des Funksignals zwischen Tag und Lesegerät basiert. Die sogenannte Time-of-Flight (ToF) Methode bietet die höchstmögliche Genauigkeit und kommt auch

Hochflexible Produktion nutzt bereits eine Vielzahl an Informationen aus RFID-Tags – zusätzlich kann nun auch die Entfernung der Tags bestimmt werden

bei Navigationssystemen wie GPS zum Einsatz. Da die Taktgeber in einem passiven RFID-Tag nicht die Genauigkeit der im GPS-System eingesetzten Atomuhren aufweisen, musste ein Weg gefunden werden, jene Eigenschaften des Tags zu nutzen, welche nicht von der Taktgenauigkeit beeinflusst werden. Erst dadurch wird es möglich, genaue ToF Verfahren für passives UHFRFID einzusetzen.

Lösungsansatz Um die Taktungenauigkeit des Tags zu umgehen, wird die Reflexion des vom RFID-Lesegerät ausgesendeten Abfragesignals an der Antenne des RFID-Tags mathematisch untersucht und daraus die Signallaufzeit bestimmt. Für eine möglichst exakte ToF-Messung, wird dem Abfragesignal ein breitbandiges Lokalisierungssignal mit äußerst geringem Pegel überlagert, sodass das zusätzliche Signal vom Tag unerkannt bleibt und die Kommunikation nicht beeinflusst. Die Tag-Antenne reflektiert jedoch immer auch Teile des Lokalisierungssignals zurück zum Lesegerät. Die von der TU Wien entwickelten Algorithmen separieren das „Echo“ des RFID-Tags von allen weiteren Echos des Raums (z.B. metallische Objekte

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oder an der Kommunikation unbeteiligte RFID-Tags). Aus dem zeitlichen Verlauf des separierten Tag-Echos wird letztlich die Entfernung zum Tag bestimmt.

Ergebnisse Nach erfolgreichen Voruntersuchungen des Verfahrens, wurde ein Prototyp entwickelt. Dieser vereint die Funktion eines UHF-RFID-Lesegeräts für EPC-Tags mit einer gleichzeitigen Entfernungsbestimmung. Das Verfahren wurde in verschiedenen Testaufbauten erfolgreich verifiziert. Die Resultate zeigen einen maximalen Entfernungsmessfehler von 25 cm im Entfernungsbereich bis zu 4 m. Das entwickelte Verfahren kann bedarfsgerecht parametriert werden: Sind die zu lokalisierenden Tags recht nahe, kann etwa die Messrate bei gleichbleibender Genauigkeit erhöht werden.

Prototyp des RFID-Lesegeräts mit Entfernungsmessung

Statistische Verteilung gemessener Tag-Entfernungen mit dem RFID-Lesegerät der TU Wien

Nutzen • Messung der Entfernung zwischen RFID–Lesegerät und RFID-Tag • keine speziellen Tags erforderlich -- die Intelligenz steckt vollständig im Lesegerät • höhere Genauigkeit als Winkelschätzverfahren und Feldstärkemessungen • Nutzung der vollen Sendeleistung für sicheres Erkennen von Tags bei gleichzeitiger Filterung von Überreichweiten • Erweiterbarkeit auf 2D/3D-Positionsbestimmung mittels zusätzlicher Antennen und/oder Lesegeräte • Einsatz für Prozessautomatisierung, Qualitätskontrolle, Logistikanwendungen, Inventursysteme, Zutrittssysteme, Bezahlsysteme, Mautsysteme

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Notizen

Ansprechpartner: Ass.Prof. Dr. Holger Arthaber TU Wien - Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering www.emce.tuwien.ac.at/mw +43 1 58801 35420 [email protected] TU Wien - Forschungsmarketing