DE19953334A1 - Fernauslesbare Identifikationsmarke und Verfahren zum Betrieb einer solchen - Google Patents

Fernauslesbare Identifikationsmarke und Verfahren zum Betrieb einer solchen

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Abstract

Die fernauslesbare Identifikationsmarke weist mindestens zwei Schwingkreise und mindestens ein mit den Schwingkreisen gekoppeltes Sende-/Empfangs-Antennensystem auf, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens zwei Schwingkreise eine unterschiedliche Eigenfrequenz aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine fernauslesbare Identifikations­ marke, ein Verfahren zur fernauslesbaren Identifikation mit­ tels Radiowellen und entsprechende Verwendungen.
Beispielsweise aus Siemens-Welt 6/98 oder aus einer Werbe­ veröffentlichung der Siemens AG ist eine fernauslesbare Iden­ tifikationsmarke (Systeme "MOBY") bekannt, welche eine digi­ tal gespeicherte Identifikationsnummer von bis zu 40 Bit Län­ ge aufweist. Die Realisierung der digitalen Identifikati­ onsnummer geschieht mittels mehrerer durch Radiowellen anreg­ barer Schwingkreise ("Radio Frequency Identification Tags" oder "RFID-Tags"), die auf der Identifikationsmarke vorhande­ nen sind. Die Radiowellen (typischerweise im Bereich von KHz bis GHz, insbesondere von MHz bis GHz) liegen z. B. beim Sy­ stem "MOBY-F" auf 125 KHz und bei "MOBY-V" auf 433 MHz. Jeder Schwingkreis entspricht der Darstellung eines Bits ("1-Bit RFID-Tag"). Mehrere Schwingkreise sind entsprechend der Länge der Identifikationsnummer in eine Identifikationsmarke inte­ griert.
Ein Auslesung von Daten geschieht bisher so, daß von außen ein Impuls an die Identifikationsmarke gesendet wird, z. B. bei MOBY-F auf 125 KHz, und die einzelnen 1-Bit RFID-Tags se­ quentiell, also zeitverzögert nacheinander, Impulse auf der im wesentlichen gleichen Wellenlänge wieder abstrahlen. Durch Aufnahme der sequentiellen Radiosignale ergibt sich im Lese­ gerät die Identifikationsnummer. Die sequentielle Abstrahlung der Signale der einzelnen 1-Bit RFID-Tags wird u. a. durch un­ terschiedlich dimensionierte Verzögerungsvorrichtungen rea­ lisiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglich­ keit zur schnellen Fernabfrage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine fernauslesbare Identifikations­ marke gemäß Patentanspruch 1, eine Verwendung der fernausles­ bare Identifikationsmarke gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren zur fernauslesbaren Identifikation gemäß Patentanspruch 9 ge­ löst.
Die fernauslesbare Identifikationsmarke weist mindestens zwei Schwingkreise auf sowie mindestens ein mit den Schwingkreisen gekoppeltes Sende-/Empfangs-Antennensystem. Weiterhin sind mindestens zwei Schwingkreise so beschaffen, daß sie eine zu­ einander unterschiedliche Eigenfrequenz aufweisen.
Eine dem Schwingkreis inhärente Eigenschaft ist es, minde­ stens eine Eigenfrequenz aufzuweisen. Durch die Kopplung mit dem Sende-/Empfangs-Antennensystem können vom Antennensystem aufgenommene Signale in die Schwingkreise eingespeist werden, welche dadurch selbst zur Schwingung angeregt werden. Die Stärke der Schwingung in den Schwingkreisen ist um so größer, je näher die Frequenz der aufgenommenen Signale an der Eigen­ frequenz der Schwingkreise liegt. Dies ist gleichbedeutend damit, daß ein Schwingkreis der Identifikationsmarke nur zu einer signifikanten Schwingung angeregt wird, wenn die Fre­ quenz des vom Antennensystem aufgenommenen Signals innerhalb eines Bereichs um die Eigenfrequenz des jeweiligen Schwing­ kreises liegt. Die Breite des Bereichs wird im wesentlichen von der Halbwertsbreite des Schwingkreises bestimmt. Der Schwingkreis schwingt je nach Güte relativ lang nach.
Schwingt der Schwingkreis signifikant, ist er also mindestens annähernd in Resonanz, so wird sein Signal an das Sen­ de-/Empfangs-Antennensystem zurückgeführt und wieder abge­ strahlt. Dadurch kann die Anwesenheit eines Schwingkreises in einem angeregten Feld nachgewiesen werden.
Der Schwingkreis kann als 1 Bit-Informationsträger aufgefaßt werden, z. B. mit Zustand "1" bei Anwesenheit und Zustand "0" bei Abwesenheit.
Das Bitmuster einer Identifikationsmarke wird bestimmt durch die Zahl der Schwingkreise mit unterscheidbaren Eigenfrequen­ zen. Eine Multibit-Identifikationsmarke mit zwei oder mehr dieser Schwingkreise kann also eine Multi-Bit-Sequenz mit dem Musters aller Eigenfrequenzen aussenden. Durch Festlegung der angeschalteten Schwingkreise ist somit eine eindeutige Kodie­ rung bzw. Identifikation möglich. Beispielsweise kann eine 40-Bit- oder 80-Bit-Kodierung ähnlich der eines Barcodes rea­ lisiert sein.
Der Platzbedarf der Identifikationsmarke ist unter anderem abhängig von der Eigenfrequenz der Schwingkreise. Bei einen in industrieller Anwendung typischen Frequenzband von 80 MHz um eine Frequenz von 2,45 GHz bewegen sich die Abmessungen eines Schwingkreises im Bereich einiger mm2. Beispielsweise bei 80 Schwingkreisen, entsprechend einer 80-Bit-Kodierung, die jeweils 1 MHz auseinanderliegen, beträgt der ungefähre Platzbedarf der Identifikationsmarke wenige cm2. Dieser Platzbedarf ist aber konstruktiv noch verringerbar.
Die Einstellung des Bitmusters, d. h. ein Vorhandensein der entsprechend funktionierenden Schwingkreise, kann in einer Produktion erfolgen oder beim Verwender. Die Einstellung des Bitmusters beim Verwender kann z. B. durch Beschädigen oder Kurzschließen einzelner Schwingkreise geschehen, z. B. mit­ tels Laserstrahlung.
Die Anregung eines Multibit-Tags kann z. B. mittels einer gleichzeitigen mehrfrequentigen Anregung erfolgen oder auch mittels eines sog. Chirp-Pulses, bei dem ein Frequenzbereich überstrichen wird, der mindestens zwei Eigenfrequenzen der Schwingkreise (81, . . . 8n) beinhaltet. Die Güte der Schwing­ kreise muß so hoch sein, daß die Antwort der Identifikationsmarke lang genug ist, um alle gesendeten Frequenzen zu detek­ tieren bzw. voneinander zu trennen. Eine Messung des Bit­ musters des oben genannten 80-Bit RFID-Tags liegt typischer­ weise im Bereich von Mikrosekunden, z. B. 1 µs.
Es ist ein Vorteil einer solchen fernablesbaren Identifikati­ onsmarke, daß Mehr-Bit-Informationen sehr schnell oder simul­ tan auslesbar sind. Weiterhin ist ihre Realisierung einfach, z. B. durch Einsatz passiver Bauteile, und entsprechend preiswert durchführbar.
Es ist vorteilhaft, wenn das Sende-/Empfangs-Antennensystem mit den Schwingkreisen gekoppelt ist, weil sich so eine ein­ fache realisierbare Wellenübertragung ergibt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Sende-/Empfangs-Anten­ nensystem einen Primärschwingkreis und damit verbunden eine Eingangsantenne und eine Ausgangsantenne aufweist. Der Pri­ märschwingkreis beinhaltet mindestens einen Primärkondensator und mindestens eine Primärspule je Schwingkreis. Mindestens zwei Schwingkreise wiederum weisen jeweils mindestens eine Sekundärspule und einen Sekundärkondensator auf, wobei die jeweilige Sekundärspule mit einer entsprechenden Primärspule induktiv gekoppelt ist.
Mit einer solchen Anordnung ist eine einfache, verschleiß­ arme, effektive und auf Biegungen weitgehend tolerante An­ kopplung des Antennensystems an die Schwingkreise möglich.
Alternativ kann aber auch eine andere Zahl von Antennen ver­ wendet werden, z. B. nur eine kombinierte Sende-/Empfangs- Antenne oder mehrere Antennen.
Es ist günstig, wenn jeder Sekundärkondensator eine unter­ schiedliche Kapazität aufweist. Durch die Kapazität kann die Eigenfrequenz eines Schwingkreises mit hoher Genauigkeit ein­ gestellt werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die fernauslesbare Identi­ fikationsmarke eine Verzögerungseinrichtung aufweist, die ei­ ne Verzögerung des Signalgangs zwischen Empfang eines Signals und Abstrahlung eines Signals bewirkt. Dadurch ist es mög­ lich, mehrere Identifikationsmarken zu identifizieren, auch wenn diese von einem einzigen Puls angeregt werden. Ohne zeitliche Spreizung der Antwort der Identifikationsmarken würden diese gleichzeitig antworten und so unterschiedliche Bitmuster oder mehrere gleiche Bitmuster nicht oder nur mit sehr großem Aufwand diskriminiert werden können. Ein solches Problem tritt beispielsweise auf, wenn mehrere Waren gleich­ zeitig erfaßt werden sollen, z. B. in einem Einkaufswagen.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die jeweilige Verzöge­ rungszeit signifikant größer ist als die Zeit zur Abstrahlung der Signale, weil so die abgestrahlten Signale gut voneinan­ der getrennt werden können.
Eine zeitliche Entzerrung mehrerer Identifikationsmarken ist beispielsweise durch eine statistische Verteilung der Verzö­ gerungszeit möglich, alleine oder auch zusammen mit anderen Maßnahmen (Supertag, Samsys, etc.). So kann man z. B. natür­ liche oder bewußte eingeführte Fertigungstoleranzen der Ver­ zögerungsvorrichtung ausnutzen. Beispielsweise läßt sich eine spontane Rückantwort der Identifikationsmarke bei Einsatz ei­ ner Funkenstrecke realisieren, indem man die Kennwerte des Ladekondensators oder der Funkenstrecke selbst innerhalb ei­ ner Fertigungsbreite schwanken läßt. Dadurch lassen sich z. B. Verzögerungszeiten von bis zu wenigen Sekunden realisie­ ren.
Beim 80-Bit-RFID-Tag mit einer Antwortzeit von 1 µs sind in einer Sekunde 106 Zeitfenster belegbar, so daß realisti­ scherweise 1000 Identifikationsmarken gleichzeitig mit ge­ ringer Fehlerrate identifizierbar sind.
Allgemein ist es vorteilhaft, wenn die Zeit der Verzögerung signifikant größer ist als die Zeit zur Abstrahlung der Sig­ nale.
Beim Einsatz des 80-Bit-RFID-Tags im Bereich von 2,45 GHz bei einem Einkaufswagen ist zu beachten, daß dieser heutzutage meist aus Metall gefertigt ist und so die Strahlung ab­ schirmt. Zwar ist eine Einstrahlung/Ablesung von oben mög­ lich, die Sicherheit der Ablesung wird aber reduziert. Er­ setzt man einen heutigen Einkaufswagen z. B. durch einen aus Kunststoff aufgebauten, so ist eine Einstrahlung/Ablesung aus mehreren Richtungen möglich und so eine Identifizierung opti­ mierbar.
Es ist besonders günstig im Hinblick auf eine Implementie­ rung, wenn die Verzögerungseinrichtung eine Funkenstrecke ist, die z. B. vom Primärkondensator bespeisbar ist.
Es ist zur Anwendung bei verschiedenen Gütern auch vorteil­ haft, wenn die gesamte Schaltung, aber mindestens das Sen­ de-/Empfangs-Antennensystem und die Schwingkreise, in Dünn­ schicht-Technik auf einem flexiblen Substrat aufgebracht sind. Dadurch kann auf Einkristallsubstrate verzichtet wer­ den, wodurch eine Herstellung preisgünstig ist. Durch die Flexibilität des Substrats, z. B aus Papier oder Kunststoff, kann die Identifikationsmarke flach ausgeführt sein und fle­ xibel aufbringbar, z. B. in Klebeetiketten oder auf Ver­ packungen.
Bei Verwendung einer durch einen Ladekondensator gespeisten Funkenstrecke sollte günstigerweise auch ein Gleichrichter zur Aufladung des Ladekondensators in Dünnschicht-Technik aufgebracht sein.
Selbstverständlich kann die Identifizierungsmarke auch wei­ tere Bauelemente enthalten, z. B. Gleichrichter, Batterien, Sensoren etc.
Die Anwendungen sind allgemein eine Fernabfrage zur Identifi­ zierung von Objekten, wie z. B. beim Einkauf in Supermärkten, in der Lagerhaltung oder beim Transport innerhalb von Lo­ gistikketten. Mögliche Anwendungsgebiete sind z. B. in der Werbeschrift der Siemens AG (Systeme "MOBY") aufgeführt.
Statt eines Radiowellensignals kann analog z. B. auch ein akustomagnetisches Signal verwendet wird.
Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt in Fig. 1 schematisch in Aufsicht eine fernablesbare Identifikationsmarke T.
Auf einem Substrat 11 aus Kunststoff ist eine Schaltungs­ anordnung in Dünnschicht-Technik aufgebracht, so daß die Identifikationsmarke T biegsam ist. Die Schaltungsanordnung umfaßt ein Sende-/Empfangs-Antennensystem 1 und n (n ≧ 2) Schwingkreise 81, . . ., 8n.
Das Sende-/Empfangs-Antennensystem 1 beinhaltet eine Ein­ gangsantenne 2 zum Empfang von Radiowellen und eine Ausgangs­ antenne 3 zur Abstrahlung von Radiowellen. Diese beiden An­ tennen 2, 3 sind mit einem Primärschwingkreis 4 verbunden, der wiederum n in Reihe geschaltete Primärspulen 7 mit der glei­ chen Induktivität Lp und einen Ladekondensator 5 mit einer Kapazität C0 und integriertem Gleichrichter aufweist. Zusätz­ lich ist mit den Primärspulen 7 eine Funkenstrecke 6 in Reihe geschaltet.
Jeder Primärspule 7 liegt ein Schwingkreis 81, . . ., 8n gegen­ über, der jeweils eine Sekundärspule 9 mit Induktivität Ls und einen Sekundärkondensator 101, . . ., 10n mit Kapazität C1, . . ., Cn umfaßt. Die Sekundärspule 9 ist mit der jeweiligen Primärspule 7 induktiv gekoppelt. Die Induktivität Ls der Se­ kundärspule 9 ist für jeden Schwingkreis 81, . . . ., 8n gleich.
Hingegen sind die Kapazitäten C1, . . ., Cn der Sekundärkonden­ satoren 101, . . ., 10n jeweils unterschiedlich dimensioniert, und zwar so, daß die Eigenfrequenzen f1, . . ., fn der Schwing­ kreise 81, . . . ., 8n äquidistant in einem Abstand von 1 MHz von­ einander entfernt sind. Die Zahl n der Schwingkreise Schwing­ kreis 81, . . . ., 8n beträgt 80, so daß ein 80-Bit-RFID-Tag vor­ liegt.
Die Identifikationsmarke T kann so betrieben werden, dass von einem externen Sender ein Radiosignal ausgesandt wird. Nach Aufnahme dieses Signals über die Eingangsantenne 2 der Iden­ tifikationsmarke T, einer Aufladung des Ladekondensators 5 und einer zeitverzögerten Durchschaltung der Funkenstrecke 6 wird der Schwingkreis 4 in Schwingung versetzt. Diese Schwin­ gung wird durch die induktive Kopplung auf die Sekundär­ schwingkreise 81, . . ., 8n übertragen, welche wiederum je nach Übereinstimmung der von außen aufgegebenen Frequenz mit der Eigenfrequenz zu einer Schwingung angeregt werden.
Die Schwingung der Schwingkreise 81, . . ., 8n wird wiederum über die Ausgangsantenne 3 abgestrahlt und kann so durch einen ex­ ternen Empfänger detektiert werden, und danach ausgewertet werden. Bei Überstreichen eines Frequenzbandes von mindestens 80 MHz mit einem Chirp-Puls wird das gesamte Spektrum der an­ sprechbaren Eigenfrequenzen f1, . . ., fn abgestrahlt.
Bezugszeichenliste
1
Antennensystem
2
Eingangsantenne
3
Ausgangsantenne
4
Primärschwingkreis
5
Ladekondensator
6
Funkenstrecke
7
Primärspule
81
, . . .,
8
n Schwingkreis
9
Sekundärspule
101
, . . .,
10
n Sekundärkondensator
11
Substrat
C0 Kapazität des Ladekondensators (
5
)
C1, . . ., Cn Kapazität des Sekundärkondensators (
101
, . . .,
10
n)
f1, . . ., fn Eigenfrequenz des Schwingkreises (
81
, . . .,
8
n)
Lp Induktivität der Primärspule (
7
)
Ls Induktivität der Sekundärspule (
9
)
T Fernauslesbare Identifikationsmarke

Claims (13)

1. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T), aufweisend
  • - mindestens zwei Schwingkreise (81, . . . 8n),
  • - mindestens ein mit den Schwingkreisen (81, . . . 8n) gekoppel­ tes Sende-/Empfangs-Antennensystem (1),
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schwingkreise (81, . . . 8n) eine unterschiedli­ che Eigenfrequenz (f1, . . ., fn) aufweisen.
2. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T) nach Anspruch 1, bei der das Sende-/Empfangs-Antennensystem (1) mit den Schwingkreisen (81, . . . 8n) induktiv gekoppelt ist.
3. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T) nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, bei der
  • - das Sende-/Empfangs-Antennensystem (1) einen Primär­ schwingkreis (4) und damit verbunden eine Eingangsantenne (2) und eine Ausgangsantenne (3) aufweist,
  • - der Primärschwingkreis (4) mindestens einen Primärkonden­ sator (5) und mindestens eine Primärspule (3) je Schwing­ kreis (81, . . . 8n) aufweist,
  • - der Schwingkreis (81, . . . 8n) mindestens eine Sekundärspule (4) und einen Sekundärkondensator (101, . . ., 10n) aufweist, und die jeweilige Sekundärspule (4) mit einer entsprechen­ den Primärspule (3) induktiv gekoppelt ist.
4. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T) nach Anspruch 3, bei der jeder Sekundärkondensator (101, . . ., 10n) eine unter­ schiedliche Kapazität (C1, . . ., Cn) aufweist.
5. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Verzögerungseinrich­ tung zur Verzögerung des Signalgangs vorhanden ist.
6. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T) nach Anspruch 5, bei der die Verzögerungseinrichtung eine Funkenstrecke (5) ist, die vom Primärkondensator (4) bespeisbar ist.
7. Fernauslesbare Identifikationsmarke (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens das Sen­ de-/Empfangs-Antennensystem (1) und die Schwingkreise (81, . . . 8n) in Dünnschicht-Technik auf einem flexiblen Substrat (11) aus Papier oder Kunststoff aufgebracht sind.
8. Verwendung einer fernauslesbaren Identifikationsmarke (T) als Preisschild oder Barcode.
9. Verfahren zum Betrieb einer Identifikationsmarke (T), bei dem
  • - ein äußeres Radiowellensignal vom Sende-/Empfangs- Antennensystem (1) aufgenommen und in die Schwingkreise (81, . . . 8n) eingekoppelt wird,
  • - die in den Schwingkreisen (81, . . . 8n) erzeugten Signale über das Sende-/Empfangs-Antennensystem (1) wieder abgege­ ben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das äußere Radiowel­ lensignal einen Frequenzbereich überstreicht, das mindestens zwei Eigenfrequenzen (f1, . . ., fn) der Schwingkreise (81, . . . 8n) beinhaltet.
11. Verfahren nach Anspruch 10 zur Identifizierung von Waren in einem Transportbehälter, bei der die Schwingkreise (81, . . . 8n) um jeweils mindestens 1 MHz verschiedene Eigen­ frequenzen (f1, . . ., fn) aufweisen.
12. Verfahren einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem eine Zeit zwischen Aufnahme des äußeren Radiowellensignals und der Ab­ strahlung der in den Schwingkreisen (81, . . . 8n) erzeugten Sig­ nale mittels einer Verzögerungseinrichtung verzögert wird, wobei die Verzögerungszeit mehrerer Identifikationsmarken (T) zeitlich entzerrt ist.
13. Verfahren einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem statt eines Radiowellensignals ein akustomagnetisches Signal verwendet wird.
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