Neue RFID-Generation funkt durch Metall

Um Prozesse automatisiert durchzuführen, müssen Daten von immer mehr Einzelkomponenten erfasst werden, etwa von OP-Besteck in Krankenhäusern. Den Radiowellen bisheriger RFID-Systeme bereitet das metallische Umfeld Probleme. Die vom Fraunhofer IMS entwickelte „RFID in/on Metal“-Technologie läutet eine neue RFID-Generation ein – dank höherer Trägerfrequenz.

Ein Siebträger mit chirurgischem Besteck, das benutzt und chaotisch angeordnet ist, fährt auf einem Fließband bis zu einem Service-Roboter. Mit dem neuen RFID-System und optischen Sensoren identifiziert und sortiert der Greifarm einzelne Instrumente, die anschließend gereinigt und vom Service-Roboter wieder bereitgestellt werden.  Diese Vorgänge laufen voll automatisiert ab und die Instrumente können anhand der integrierten RFID-Chips bei jedem Prozessschritt verfolgt werden. Mehr als 10 000 Instrumenttypen sollen so erfasst werden – ein Zukunftsszenario für die Sterilgutversorgung in Krankenhäusern, das bald Realität werden könnte.

Aktuell wird OP-Besteck mittels gelaserten Datamatrixcodes zumeist manuell und über optische Lesegeräte identifiziert, um Teile- oder Seriennummern zu erfassen.

„Bislang hat Metall bei den RFID-Systemen die Lesbarkeit stark beeinträchtigt“, weiß Prof. Dr. Gerd vom Bögel, der Leiter des Geschäftsfeldes Industry beim Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. Die Einschränkungen der bisher genutzten Frequenzspektren: „In den unteren Frequenzen, LF (Low Frequency) und HF (High Frequency), sind die Reichweiten nicht sehr hoch, weil das Feld vom Metall mehr oder weniger absorbiert wird. Mit UHF (Ultra High Frequency) funktioniert das besser. Hier gibt es allerdings den Effekt, dass an der metallischen Oberfläche das Feld, das vom Lesegerät abgestrahlt wird, reflektiert und sich mit dem noch nicht reflektierten Signal überlagert.“ Aufgrund dieser Eigenschaften, und den gesetzlichen Reglementierungen zu Frequenznutzungen, sei es nur schwer möglich, eine robuste und sichere Kennzeichnung sowie Leseverfahren in einer metallischen Umgebung zu ermöglichen.

Die Lösung: Höhere Frequenzbänder, innerhalb derer während des Betriebes die Trägerfrequenz gewechselt werden kann. „Aufgrund der höheren verfügbaren Bandbreite können wir die Funkwelle, die abgestrahlt wird, beeinflussen, formen und richten. Es ist möglich, sie so einzustellen, dass der RFID-Tag trotz der metallischen Umgebung sicher gelesen werden kann“, berichtet vom Bögel. Gemeinsam forschen er und sein Team mit der Universität Duisburg Essen, der Ruhruniversität Bochum und dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR an der „RFID in/on Metal“-Technologie. Die Wissenschaftler setzen dabei auf den SHF-Bereich (Super High Frequency), der eine Bandbreite zwischen drei und 30 Gigahertz abdeckt. Zum Vergleich: Das LF-Band bewegt sich zwischen 30 und 300 Kilohertz.

An der Vision für die automatisierte Sterilgutversorgung arbeiten die Forscher aktuell im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt „SteriRob“. Dem Projekt-Team gelang es kürzlich mehrere Instrumente auf metallischen Untergrund lesen – und dies obwohl die RFID-Tags nicht sichtbar sind, sondern komplett verschlossen oder auf der Rückseite der Instrumente liegen. Ein weiterer Vorteil der SHF-Frequenzen: die Antenne des RFID Transponders ist deutlich kleiner als bisher, was kleinere Tags ermöglicht.
„Wir versuchen möglichst viel von der bestehenden UHF-Technologie zu nutzen, die bereits etabliert ist“, sagt vom Bögel. „Dazu haben wir die Mechanismen zum Übertragen von Daten zum RFID-Tag hin und wieder zurück von den UHF-Standards übernommen, also das gleiche physikalische Prinzip für die Kodierung der Informationen in den Übertragungsprotokollen genutzt.“ Aber: Um die neue Frequenz zukünftig einzusetzen, komme man um einige Modifikationen nicht umhin. Bei einem alten Lesegerät müsste beispielsweise das Hochfrequenz-Frontend angepasst werden, das über die Antenne das Signal abstrahlt. Die Verarbeitungseinheit, die die Daten empfängt, könne von bestehenden Geräten übernommen werden. Auch die Tags würden keine große Modifikation benötigen, da sie im Grunde den bisherigen UHF-Tags gleichen – mit der entsprechenden Anpassung an die Antenne für die höhere Frequenz.

Aktuell arbeiten die Forscher an der Aufbau- und Verbindungstechnik: Wo kann der Chip am besten eingebaut werden? Welche Materialien sind langzeitstabil und temperaturfest? „Das erfordert noch viel Entwicklungsaufwand und Arbeit“, betont vom Bögel. Bis die neue RFID-Generation auf dem Markt kommt, steht außerdem die Standardisierung im SHF-Bereich an. „Ein langwieriger Prozess – wie alle Standardisierungen“, weiß er. Die neue „RFID in/on Metal“-Technologie im Sterilgut-Management hält er in etwa fünf Jahren für realistisch.

Bis dahin bleibt die Laserbeschriftung mit Datamatrixcodes eine Alternative, um Oberflächen aus Metall, wie etwa Edelstahl, zu kennzeichnen. Das Verfahren garantiert eine dauerhafte und verschleißfeste Kennzeichnung, die auch auf kleiner Oberfläche graviert werden kann. Bluhm Systeme berät Sie gerne, ob die Lasermarkierung für Ihre Anwendung geeignet ist.