Was ist M2M / IoT / RFID ?

M2M (Machine to machine) oder IoT (Internet of Things) oder RFID (Radio-Frequenz Identifikation) steht für den automatisierten Daten- bzw. Informationsaustausch zwischen Geräten wie Maschinen, Automaten, Fahrzeugen oder anderen Gerätschaften sowohl im industriellen wie auch im privaten Umfeld. Diese kommunizieren untereinander oder mit einer zentralen Stelle (Datenbank) zunehmend unter Nutzung des Internets und den verschiedenen Zugangsnetzen wie dem Mobilfunknetz. Eine verbreitete Anwendung ist die Fernüberwachung, -steuerung, -kontrolle und -wartung von Maschinen, Anlagen und Systemen, die traditionell als Telemetrie bezeichnet wird. Die M2M-Technologie verknüpft dabei Informations- und Kommunikationstechniken.

M2M / IoT / RFID-Lösungen rationalisieren in fast jedem Wirtschaftszweig Arbeitsabläufe und führen zu Produktivitätssteigerungen. Als Beispiel kann man die Automaten-Wirtschaft nehmen. Dabei melden sich zum Beispiel Verkaufsautomaten selbständig bei einem zentralen Rechner, wenn sie neu bestückt werden müssen. Regelfahrten des Automatenbetreibers können so vermieden werden. Darüber hinaus kommt es zur Vermeidung von Ausfallzeiten. Ein weiteres Beispiel ist die Automobilindustrie. Hier werden die verbrauchten Teile über ein e-Kanban-System an den Lieferanten gemeldet. Dieser erkennt somit die benötigten Teile und Mengen. Die damit verbundenen Rationalisierungen der Geschäftsprozesse und die daraus folgenden Kosteneinsparungen bergen für die Industrie – und auch für die Gesellschaft – ein großes Marktpotenzial.

Anwendungsgebiete M2M / IoT / RFID

• Transportwesen
• Flottenmanagement
• Gebäudetechnik
• Versorgungsunternehmen
• Verkaufsautomaten
• Sicherheitstechnik/Alarmsysteme/Überwachung
• Gesundheitswesen/Medizintechnik
• Produktion/Automation
• u. v. m.

Grundkonzept einer M2M / IoT-Anwendung

M2M / IoT-Systeme werden in erster Linie durch drei Grundkomponenten charakterisiert:

1. Datenendpunkt (Data End Point = DEP) – z. B. ein zu überwachender Verkaufsautomat
2. Kommunikationsnetze:
   • Mobilfunk, z. B. GSM, SMS, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, HSDPA, LTE
   • Kabelgebunden, z. B. Festnetz, ISDN, DSL, Ethernet (LAN)
   • Sonstige kabellose Systeme, z. B. Bluetooth, RFID (aktiv/passiv) ZigBee, Satellitenfunk, Datenfunk oder WirelessHart, LORA
3. Datenintegrationspunkt (Data Integration Point = DIP), z. B. ein Server, der die Füllstände aller Verkaufsautomaten überwacht

Bei dem Datensammelendpunkt (DSEP) handelt es sich um ein kompaktes Mikrorechner-gesteuertes System (Datacollector) – einen Sender, der mit einem Endgerät verknüpft ist. Innerhalb eines geschlossenen Netzwerkes kann es zahlreiche Datensammelendpunkte und die zugehörigen Endgeräte bzw. Maschinen geben. Mit Hilfe der DSEP tauschen die Maschinen über ein Kommunikationsnetzwerk Daten mit dem Datenintegrationspunkt (DIP) – dem Empfänger – aus, der mit einer zentralen Stelle (Datenbank) verbunden ist.

In einem komplexen Verbund kann es mehrere DIPs geben. Diese bedienen und empfangen Daten von dem ihnen jeweils zugewiesenen DSEP. Somit kann eine pyramidenförmige Topologie auf mehreren Ebenen in einer M2M-Applikation entstehen. Dabei fließen die Informationen nicht ausschließlich in Richtung der Zentrale. So ist auch die Kommunikation zwischen den einzelnen DSEPs möglich.

Die gesamte Datenübertragung kann dabei etwa über ein Mobilfunknetz erfolgen. Beispielsweise sendet eine Anlage eine Fehlermeldung direkt an eine ausgewählte Gruppe von Ingenieuren mittels SMS.

Komponenten einer M2M / IoT-Lösung

M2M-Lösungen bestehen grundsätzlich aus mehreren voneinander abhängigen Komponenten, die Kommunikation zwischen Maschinen ermöglichen. Dazu gehören vor allem:

• Hardwarekomponenten, z. B. Modems, RFID Reader, Sensoren, Switches, Industrie-PCs, Server,  u. v. m.
• Mobilfunk- und Festnetzdienstleistungen
• Systemintegrations- und Beratungsdienstleistungen
• Applikationen, z. B. Serverapplikationen, „Point to Point“-Applikationen.

Erfolgsfaktoren von M2M / IoT-Lösungen

Eine enge Zusammenarbeit zwischen Lösungspartner, Netzbetreiber und Kunden ist der Schlüssel zu einer erfolgreichen Planung und Umsetzung von M2M-Lösungen. Zudem ist der Erfolg einer M2M-Lösung auch von folgenden Faktoren abhängig:

• Mehrwert (Kosten-Nutzenanalyse → Business Case)
• Gesellschaftsfähigkeit (Akzeptanz → Datenschutz)
• Adäquate Hardware (billige Hardware kann unter Umständen höhere Kosten erzeugen als teurere Hardware → Total Cost of Ownership und Return of Invest)
• Adäquate Kommunikation
• Netze (heute verstärkt Mobilfunknetze → GPRS, EDGE, UMTS, HSPA)
• Tarife (insbesondere Mobilfunktarife)
• Protokolle (die Zukunft ist IP → weites Einsatzspektrum und Investitionssicherheit)
• Vollständige Integration in bestehende Arbeitsabläufe (Automatisierung → Nutzen).

Das IoT (Internet of Things/Internet der Dinge)

Der Begriff Internet der Dinge (englisch: Internet of Things, Kurzform: IoT) beschreibt, dass der PC zunehmend als Gerät verschwindet und durch „intelligente Gegenstände“ ersetzt wird. Statt – wie derzeit – selbst Gegenstand der menschlichen Aufmerksamkeit zu sein, soll das „Internet der Dinge“ den Menschen bei seinen Tätigkeiten unmerklich unterstützen. Die immer kleineren, eingebetteten Mikroprozessoren sollen Menschen unterstützen, ohne abzulenken oder überhaupt aufzufallen. So werden z. B. miniaturisierte Computer, sogenannte Wearables, mit unterschiedlichen Sensoren direkt in Kleidungsstücke, Armbanduhren, Smartphones, Tablet PC o. ä. eingearbeitet.

Das Internet der Dinge bezeichnet die Verknüpfung eindeutig identifizierbarer, physischer Objekte (things) mit einer virtuellen Repräsentation in einer Internet-ähnlichen Struktur. Es besteht nicht mehr nur aus menschlichen Teilnehmern, sondern auch aus Dingen.

Die automatische Identifikation mittels RFID wird oft als Grundlage für das Internet der Dinge angesehen. Allerdings kann eine eindeutige Identifikation von Objekten auch mittels Strichcode oder 2D Code erfolgen. Wobei heutzutage RFID eine immer bedeutendere Rolle spielt, vor allem durch die Einmaligkeit der einzelnen Transpondernummern. Somit kann man eine Identifikation auf ein Einzelteil durchführen. Bauteile wie Sensoren und Aktoren erweitern die Funktionalität um die Erfassung von Zuständen bzw. die Ausführung von Aktionen.

 Was ist RFID-Technologie?

RFID - DER Schlüssel zum ERFOLG!

Mit RFID-Technologie erschließen sich unzählige neue Möglichkeiten für die Mehrzahl an Anwendungen.

RFID steht für Radio Frequency Identification (dt.: Identifizierung per Funk) und beschreibt die berührungslose und automatische Identifizierung von Objekten.

Die ersten RFID-Anwendungen wurden Ende des 2. Weltkrieges eingesetzt. Dort diente ein Sekundär-Radar zur Freund-Feind-Erkennung.

Mit den ersten, kommerziellen Einsätzen in den 1960er Jahren weiteten sich die Verwendungsmöglichkeiten stetig aus (Warenwirtschaftssysteme, Tierkennzeichnung, Straßenmautsysteme, Zugangskontrollen etc.).

Hauptkomponenten eines RFID-Systems

Ein typisches RFID-System umfasst die folgenden Hauptkomponenten:

• Chip mit Antenne (RFID-Tag oder auch Transponder genannt)
• Schreib-/Lesegerät mit Antenne (Scanner oder Reader genannt)
• Integration mit Servern, Diensten und sonstigen Systemen wie. z. B. Kassensysteme oder Warenwirtschaftssysteme (SAP u. s. w.).

Passive Tags und Aktive Tags

Man kann prinzipiell die RFID Tags (Transponder) in 2 Kategorien unterscheiden: Passive Tags und Aktive Tags.

Ein RFID Tag besteht aus einem Chip mit einfachem Prozessor, einer Antenne und einem permanenten Speicher.

• Passive Tags beziehen ihre Betriebsenergie aus den empfangenen Funkwellen. Die gespeicherten Daten können ausgelesen werden. Darüber hinaus sind die Speicherkapazität und die Reichweite der Antenne geringer als bei aktiven Tags. Daher wird meist nur der EPC (elektronischer Produkt-Code) auf den passiven Tags gespeichert. Vorteile sind die nahezu unbegrenzte Lebensdauer, die geringere Größe und Gewicht und ein deutlich niedrigerer Preis der passiven Tags im Vergleich zu den aktiven Tags.
• Aktive Tags verfügen über eine eigene Batterie zur Energieversorgung. Der Speicher kann gelesen und beschrieben werden. Die Speicherkapazität und Reichweite sind wesentlich größer. Nachteile aktiver Tags sind eine limitierte Lebensdauer, die Größe und der deutlich höhere Preis im Vergleich zu passiven Tags.
• Schreib-/Lesegeräte (mobile Scanner oder Fix Reader) treten in vielfältiger Form auf. Ein Beispiel sind fest installierte Reader in Parkhäusern, am Skilift oder auch am Tor zu einem Warenlager. Diese Fix Reader werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo die „Ware" an einer fest definierten Stelle erkannt werden muss.

Ein anderes Beispiel sind mobile Reader, die zum Beispiel im Supermarkt, bei der Tierkennzeichnung, zur Inventarisierung o. ä. zum Einsatz kommen.

Auf dem RFID Tag (Transponder) sind Informationen (z. B. der elektronische Produkt-Code) gespeichert. Erhält der Tag ein bestimmtes Signal durch ein Lesegerät (z. B. ein Gate im Warenlager) sendet er diese Informationen über die Antenne an das Lesegerät weiter. Dadurch ist in Verbindung mit einer Datenbank die Aktualisierung von Produktinformationen in Echtzeit möglich. So ist zum Beispiel der aktuelle Aufenthaltsort einer bestimmten Ware immer verfügbar. Es ist KEIN Sichtkontakt zwischen dem Tag und dem Reader notwendig.

Frequenzbereiche

RFID-Technologie wird z. Zt. in 4 Hauptkategorien unterteilt:

Die Frequenzbereiche LF, HF, UHF und SUHF haben jeweils eigene Leistungsmerkmale, die in den unterschiedlichsten Einsatzgebieten einen entsprechenden Vorteil darstellen.

LF (Low Frequency) 119 Khz – 135 Khz

• Vorteile: Zuverlässigkeit, hohe Toleranz gegenüber Flüssigkeiten, Textilien, Holz und Aluminium
• Nachteile: geringe Lesereichweite, kleiner Speicher, langsame Datenübertragung, große Tags und Antennen
• Typische Einsatzgebiete: Tierkennzeichnung, Zugangskontrolle, Logistik, Distribution, Abfallwirtschaft

HF (High Frequency) 13,56 Mhz

• Vorteile: hohe Speicherkapazität, Pulkerfassung, schnelle Datenübertragung, kleine Tags und Antennen
• Nachteile: geringe Toleranz bei Metallen, mittlere Lesereichweite
• Typische Einsatzgebiete: Gesundheitswesen, Qualitätssicherung, Büchereien, Lieferdienste, Gepäckkontrolle

UHF (Ultra High Frequency) Europa 865-870 Mhz - USA 915 Mhz

• Vorteile: Hohe bis sehr hohe Lesereichweite, Pulkerfassung, hohe Speicherkapazität, Geschwindigkeit
• Nachteile: sehr geringe Toleranz gegenüber Flüssigkeiten und Metallen
• Typische Einsatzgebiete: Anlageninventur, Warenlogistik, Automotive, Produktion, Automation
• Weltweite RFID-UHF-Karte

SUHF (Ultra High Frequency) 2,4 GHz (hauptsächlich in USA)

• Vorteile: extreme Lesereichweite, Pulkerfassung, hohe Speicherkapazität, Geschwindigkeit
• Nachteile: kaum praxistaugliche Lösungen in Europa
• Typische Einsatzgebiete: Zufahrtskontrollen, Mautsysteme, Container-Identifikation

Stärken und Chancen von RFID

Schon heute setzen Industrie und Handel auf die Zukunftstechnologie RFID, weil diese Geschäftsprozesse optimiert, Prozesskosten senkt und die Sicherheit von Produkten erhöhen kann und damit eindeutig Vorteile auch für den Verbraucher bietet. In den letzten 5 Jahren hat sich eine flächendeckende Nutzung von RFID stetig weiterentwickelt. Das liegt u. a. an der Reduzierung der Stückkosten für Transponder und der stetigen Weiterentwicklung von technischen Lösungen und Verbesserungen der unterschiedlichen Technologien.

Dennoch ist nicht davon auszugehen, dass RFID Transponder den Barcode in Handel und Logistik von heute auf morgen ersetzen werden. Vielmehr wird erwartet, dass die Technologien über einen längeren Zeitraum parallel existieren. Die Industrie ist gefordert, Hybridsysteme zu entwickeln, die beide Technologien in einem Gerät implementieren. Erste Systeme sind bereits auf dem Markt, die eine parallele Verarbeitung von Barcode und RFID ermöglichen.

Dabei bietet die RFID-Technologie gegenüber dem Barcode zahlreiche Vorteile: Berührungslose Datenerfassung ohne Sichtkontakt in Echtzeit, gleichzeitige Erkennung mehrerer Transponder (Pulkerfassung), Unempfindlichkeit gegenüber Schmutz und anderen Beschädigungen, erweiterter Speicherumfang für Daten sowie die Möglichkeit der Veränderung bereits gespeicherter Daten.

Durch den Einsatz der RFID-Technologie ergeben sich Chancen für alle Bereiche des öffentlichen Lebens, ob Wirtschaft, Wissenschaft, öffentliche Einrichtungen oder Freizeit. RFID kann Prozesse optimieren, Rückverfolgungen erleichtern, Authentizität garantieren, die Sicherheit von Produkten verbessern oder Zugangskontrollen vereinfachen. Darüber hinaus ist es möglich, mit Hilfe der Technologie autonome Systeme zu entwickeln, die selbständig reagieren und entscheiden können. Sind beispielsweise Regale in einem Warenlager mit RFID-Lesegeräten ausgestattet, wird automatisch erkannt, wann der Bestand zur Neige geht und eine Nachbestellung wird in Auftrag gegeben.

Als Letztes sei erwähnt, dass der eindeutigste Unterschied zwischen Barcode und RFID Tag darin liegt, dass ein Barcode (einmal gedruckt) ein statisches Datenmedium bleibt. Es kann nicht mehr verändert werden. Ein RFID Tag hingegen, kann jederzeit mit neuesten Daten versehen werden und wird somit zum dynamischen Datenspeicher, der jederzeit gelesen werden kann und Änderungen speichert. Somit "lebt" die Prozesskette mit RFID!