session: 8 intelligentes passives rfid konzept zur ... · ungestörte funkverbindung zwischen...

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Session: 8

Intelligentes passives RFID Konzept zur Erfassung von Waren in

geschlossenen metallischen Behältern

(tagItron GmbH)10/11. Oktober 2017 | Lemgo

© it‘s OWL Clustermanagement GmbH | 17.10.2017 2

Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse

Agenda

Abschlusspräsentation

Resümee und Ausblick


EinführungtagItron GmbH

tagItron® GmbH entwickelt und produziert an 3 Produktionsstandorten seit mehr als

25 Jahren HF und UHF basierte RFID-Systeme für das Identifizieren, Lokalisieren und

Authentifizieren von Objekten und Personen.

• Hauptsitz in Salzkotten

(Entwicklung und Produktion)

• Jahresumsatz: 2,5 Mio. Euro

• Mitarbeiter: 20

• Produkte:

• Spezial Tags

• Industrietransponder

• Label

• Readersysteme


EinführungFraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme

▪ Gegründet im Jahr 2008

▪ Beschäftigte (Stand 31.12.2016):

132 Mitarbeiter/innen

davon

12 Mitarbeiter am Standort Paderborn

▪ Standorte in Chemnitz, Paderborn und Berlin

Forschungsgebiete am Standort Paderborn:

▪ Simulation- und Modellierungsexpertise

komplexer hybrider Systeme

▪ Elektromagnetische Nahfeld-Messungen

▪ Effiziente Modellierungs- und

Simulationsmethoden für nicht-lineare

mixed-signal Schaltungen

▪ Drahtlose Energieübertragung für

Smart Systems


EinführungMotivation

Erfassung und Identifikation von Waren mittels passiver RFID-Etiketten als

weitverbreitetes Verfahren zur Steuerung von Logistik- und Fertigungsabläufen

• Wunsch:

Möglichst vollständige Erfassung einzelner Produkte innerhalb einer großen

Warenmenge („Pulk-Erfassung“)

• Voraussetzung:

Ungestörte Funkverbindung zwischen RFID-Etikett und Lesegerät

• Herausforderung:

Lesbarkeit der RFID-Etiketten durch Lagerung oder Transport in geschlossenen

metallischen Behältern stark eingeschränkt oder völlig unmöglich


EinführungAusgangssituation für das Transferprojekt

• Aktueller Ansatz in etablierten Logistikabläufen:

Produkte werden vor Verladen einzeln erfasst und Inhaltsdaten als neues Datenpaket

z.B. mit neuem RFID-Etikett des Behälters verknüpft

• Zusätzlichen Aufwand für Umsetzen der Daten

• Risiko von Fehlerfassungen bzw. Inkonsistenzen in der Lieferkette

• Weiterer Ansatz:

Ausstattung der Behälter mit autarken Lesegeräten, die gelesene Informationen über

Datenverbindung zur Verfügung stellen

• Verursacht – speziell bei kleineren Transporteinheiten – erhebliche

Infrastrukturkosten

• Benötigt spezielle Lesegeräte mit erforderlicher Datenschnittstelle


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda



Intelligentes passives RFID Konzept zur Erfassung von

Waren in geschlossenen metallischen Behältern

InPaWare

▪ Weiterleitung der Funksignale herkömmlicher RFID-Lesegeräte

über eine rein passive Antenne in den Innenraum der Behälter

▪ Antenne soll möglichst kostengünstig aufgebaut werden

▪ Auch in großen Stückzahlen ohne große Mehrkosten

integrierbar

▪ Gelagerte Waren mit Standard-RFID-Lesegeräten von außen

erfassbar

▪ Behälter ebenfalls mit eigener ID erfassbar

▪ Automatische Verknüpfung mit ID einzelner Waren möglich

▪ Entfall der Notwendigkeit zur Erfassung und Sammlung

einzelner RFID-Informationen zu entsprechenden

Ladungschargen

▪ Erfassung des einzelnen Produktes über gesamten Transport-

/Fertigungsweg

Zielsetzung


Vorgehensweise

Inhalt

Resultate

Marktanalyse,

Stand der

Technik, Lasten-

und Pflichtenheft

• Definition der

Anforderungen

• Festlegung

Bauraum,

Positionierung

Marktrecherche

Lasten- und

Pflichtenheft

Untersuchung

geeigneter

Antennen-

strukturen

Grundanforderung

möglichst flacher

Aufbau

• Untersuchungen

auf Basis 3D-

Feldsimulationen

• Anschließende

messtechnische

Validierung

Geeignete

Antennen-

strukturen

Ausbreitung der

RFID-Funksignale

in geschlossenen

Behältern

• Analyse zur

Ausbreitung der

Funksignale

• Einfluss von

gelagerten

Waren

• Untersuchungen

durch Simulation

• Messtechnische

Validierung an

Demonstrator

Ausbreitungs-

muster und

Feldverteilung

Paket 1 Paket 2 Paket 3

Aufbau von

Funktionsmustern

• Entwurf von

Funktions-

mustern

• Aufbau und

praktischer Test

Funktions-

demonstrator

Paket 4


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda



▪ Definition der Anforderungen:

▪ Realer Flugzeug Trolley wurde von tagItron zur Verfügung gestellt

▪ Abmessungen konnten in Simulationmodell übernommen werden

▪ Externe Reader Antenne wird in einer Bodenführungsmatte

montiert

Ausrichtung des Trolleys zur Bodenantenne ist fixiert in

Ausrichtung und Abstand

▪ Abstand von Außenantenne Trolley und Bodenantenne in

Führungsmatte kann frei definiert werden

▪ Mindestabstand von 6cm zum Boden muss sichergestellt werden

Ergebnisse

Arbeitspaket 1

Marktanalyse, Stand der Technik, Lasten- und Pflichtenheft


Unterseite Trolley:

• Lineare Patchantennen in Bodenmatte und an der Unterseite

des Trolleys sorgen für maximale Feldkopplung

• Geringer Abstand sorgt für bessere Kopplung

• Aufgrund der Bedienpedale ist Bodenfreiheit auf ca. 6cm

begrenzt

Antenne unter dem Trolley kann bis Unterkante Pedale

abgesetzt werden

• Bodenantenne kann in Führungsmatte mit geringem Abstand

montiert werden (ca. 1,5cm)

• Durch die Verwendung eines dickeren Antennensubstrats kann

der Wirkungsgrad der Patchantennen signifikant verbessert

werden.

Beispiel:

Substrat 3.2mm – Wirkungsgrad ca. 30%

Substrat 10mm – Wirkungsgrad ca. 70%

• Aufgrund des verfügbaren Bauraums ist eine solche

Optimierung möglich

Ergebnisse

Arbeitspaket 2

Untersuchung geeigneter Antennenstrukturen


Innenseite Trolley:

Grundanforderung möglichst flacher Aufbau im Inneren des

Trolleys

• Möglichst flacher Aufbau erforderlich, daher Substratdicke

3,2mm

• Antenne mit zirkularer Polarisation deckt möglichst viele

Transponderausrichtungen ab

• Neben der Eigenentwicklung wurde auch eine kommerzielle

zirkulare 2-Patchantenne im praktischen Versuch getestet

Ergebnisse

Arbeitspaket 2

Untersuchung geeigneter Antennenstrukturen


• Simulation der Feldausbreitung im leeren Trolley zeigen charakteristische Feldverteilungen

(Stehwellenmuster) für unterschiedliche Polaritäten

• Keine deutlichen Nullstellen, d.h. Lesbarkeit der Transponder grundsätzlich gewährleistet

• Einfluss von Waren- und Transponderposition aufgrund der Vielzahl an Variationen nicht in

der Simulation modellierbar

Ergebnisse

Arbeitspaket 3

Ausbreitung der RFID-Funksignale

Z-KomponenteX-Komponente Y-Komponente


• Simulierte Antennenstrukturen wurden gefertigt und in realen Trolley

eingebaut

• Praktische Tests mit RFID-Etiketten an realen Waren wurden an

verschiedenen Einschubpositionen durchgeführt

• Leserate schwankt in Abhängigkeit von Einschubposition und

getesteten Waren

• Korrelation mit simulierten Feldbildern und Ausrichtung der

Warentransponder muss noch im Detail untersucht werden

Ergebnisse

Arbeitspaket 3 und 4

RFID-Funksignale / Aufbau von Funktionsmustern


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda



▪ Grundsätzliche Lesbarkeit von Transpondern in geschlossenen Behältern konnte realisiert

werden

▪ 100% Leserate konnte nicht realisiert werden, ist aber aufgrund der Packsituation in den Trays

auch außerhalb des Trolleys nicht gegeben

▪ Physik kann man nicht immer überlisten


Resümee

▪ Erstellung eines Return on Invest

▪ Aufbau weiterer Versuche mit Fachböden als Antenne

▪ Digitale Auswertung und Aufbereitung der Ergebnisse

▪ Umsetzung der Ergebnisse für generelle Ausgabesysteme

(Medikamente, medizinische Geräte, Werkzeuge)

▪ Zukünftige Zusammenarbeit der Projektpartner

Ausblick

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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