Codiertechnik und RFID - DR. THOMAS + PARTNER GmbH & Co. KG

IT für Intralogistiksysteme
KAPITEL 2:
CODIERTECHNIK UND RFID
INHALTSVERZEICHNIS
2 Codiertechnik und RFID......................................................................................3
2.1 Codiertechnik............................................................................................................ 3
2.1.1 Zielsteuerungen................................................................................................ 3
2.1.2 Codes ............................................................................................................... 8
2.1.2.1 Codeträger ............................................................................................... 8
2.1.2.2 Barcode.................................................................................................... 9
2.1.2.3 Codeaufbau.............................................................................................. 9
2.1.2.4 Erfassung ............................................................................................... 10
2.1.2.5 Selbstüberprüfung.................................................................................. 10
2.1.2.6 Elemente eines Strichcode-Systems ..................................................... 10
2.1.2.7 Terminologie .......................................................................................... 11
2.1.2.8 Codequalität ........................................................................................... 12
2.1.2.9 Druckverfahren....................................................................................... 14
2.1.2.10 Codetypen.............................................................................................. 17
2.1.2.11 Codeauswahl ......................................................................................... 23
2.1.3 Laser............................................................................................................... 24
2.1.3.1 Physikalische Vorgänge......................................................................... 24
2.1.3.2 Resonator............................................................................................... 25
2.1.3.3 Halbleiterlaser ........................................................................................ 26
2.1.3.4 He-Ne Laser........................................................................................... 28
2.1.3.5 Hochleistungsdiodenlaser ...................................................................... 29
2.1.4 CCD-Sensoren ............................................................................................... 30
2.1.4.1 CCD-Sensoren - Weiterentwicklung zu Bildverarbeitungsscannern ...... 31
2.1.5 Lesetechniken ................................................................................................ 32
2.1.5.1 Laserscanner ......................................................................................... 32
2.1.5.2 CCD-Kameras........................................................................................ 38
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2.1.5.3 Lesestifte................................................................................................ 40
2.1.6 Mobile Datenträger ......................................................................................... 41
2.1.6.1 Passive Datenträger mit digit. Datenübertr. bei induktiver Kopplung..... 41
2.1.7 EAN • UCC: "The Global Language of Business!" ......................................... 43
2.1.7.1 Die Instrumente...................................................................................... 43
Notizen zu Kapitel 2.1 Codiertechnik ................................................................................. 46
2.2 RFID........................................................................................................................ 47
2.2.1 RFID: Einführung und Funktionalität .............................................................. 47
2.2.2 Geschichte und Entwicklung .......................................................................... 47
2.2.3 Technologie.................................................................................................... 48
2.2.4 Baugröße und Bauformen .............................................................................. 49
2.2.4.1 Smart Labels .......................................................................................... 50
2.2.4.2 Polymer Drucktechnologie ..................................................................... 51
2.2.5 Energieversorgung und Frequenzen .............................................................. 51
2.2.5.1 Aktive und Passive RFID-Transponder.................................................. 52
2.2.5.2 Frequenzbandbereiche/Systeme ........................................................... 53
2.2.6 Kosten ............................................................................................................ 56
2.2.7 RFID: Realer Einsatz, Einsatzmöglichkeiten und Visionen ............................ 57
2.2.8 RFID in der Intralogistik .................................................................................. 60
2.2.8.1 EPC-Codes ............................................................................................ 61
2.2.8.2 Supply Chain Management.................................................................... 64
2.2.9 Prognosen ...................................................................................................... 64
2.2.10 RFID versus Barcode ..................................................................................... 65
2.2.11 Standards, Normierungen .............................................................................. 66
2.2.12 Trends und News 2007 / 2008 ....................................................................... 67
2.2.12.1 Aussichten.............................................................................................. 67
2.2.12.2 Fallbeispiel Firma STILL ........................................................................ 70
Notizen zu Kapitel 2.2 RFID ............................................................................................... 72
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2 CODIERTECHNIK UND RFID
2.1 Codiertechnik
2.1.1 Zielsteuerungen
Innerhalb der Materialflusssteuerung übernehmen Zielsteuerungen die Materialverfolgung,
wobei hier der Trend vorliegt, neben den eigentlichen Daten zur Zielverfolgung auch reine
Bestandsdaten mitzuführen. Diese Datenumfänge werden codiert oder als Information
parallel zum Förderfluss mitgetaktet und beispielsweise der übergeordneten
Bestandsführung nach einer erfolgten Abgabe oder Einlagerung übermittelt.
Dieser Trend wird sich noch verstärken, da die Materialdurchlaufzeiten generell gesenkt
werden müssen und nicht wie in der Vergangenheit weiter steigen können. Dies hat zur
Folge, dass nicht nur die Lagerbestände, sondern auch die Bestände innerhalb der
Vorfertigung und der Montage gesteuert werden müssen. Steuern bedeutet dann nicht nur,
dass ein Behälter physisch von Ort A nach B entsprechend dem vorgegebenen Ziel bewegt
wird, sondern der Artikel im vorgegebenen Behälter mit der Menge X,
dem Bearbeitungszustand Y, dem Lieferdatum Z usw. von A nach B gemäß der Zeit und
Zielvorgabe bewegt wird. Hierbei wird sichtbar, dass die zu verarbeitende Datenmenge
gewaltig ansteigt und neben dem Materialfluss auch die Aufbauorganisation der
hierarchisch gegliederten Steuerungsarten sowie die Verfügbarkeit der fördertechnischen
Gesamtanlage beeinflusst. Zur Unterscheidung von Zielsteuerungen siehe Abbildung 2.1:
Verfahren
Zielcodierung
Zielsteuerung
Zielverfolgung
indirekte Zielsteuerung
lose Kopplung von Fördergut
und Information
virtuelle Zieladresse
Zielsteuerungen
direkte Zielsteuerung
feste Kopplung von Fördergut
und Information
direkte
Zieladresse
indirekte
Zieladresse
zentral dezentral zentral
Weitertakten durch
Endschaltermeldungen
Lesbare Codeträger an
Entscheidungsstellen
Abb. 2.1: Unterscheidung von Zielsteuerungen
Anmerkung: Zum Thema Zielsteuerungen für Förder- und Materialflusssysteme siehe auch VDI-Richtlinien 2339
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1 Indirekte Zielsteuerung
Die indirekte Zielsteuerung verzichtet auf die Abtastung eines an der Transporteinheit bzw.
am Fördergut angebrachten Codes zur Zielbestimmung. Die Zielinformation durchläuft
synchron zur Fördererbewegung ein elektronisches Abbild des Förderweges, wobei die
Zielverfolgung des Fördergutes auf der Förderstrecke durch Meldeglieder, Lichtschranken,
induktive Näherungsschalter o. ä. erfolgt.
M
M
M
M
Ziel 9
LS1
M
M
4711
Ziel 9
M
M
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LS4
M
M
RBG
LS2 LS3
LS5
Ziel 10
Abb. 2.2: Indirekte Zielsteuerung - Förderfluss mit Aktoren / Sensoren
Ablauf:
M
M
Hochregallager
M
M
Kettenförderer
Rollenförderer
M
zu den
Kommissionierplätzen
Die Palette 4711 wird am Übergabepunkt vom RBG auf den Kettenförderer
(siehe Abb. 2.2) übergeben. Das RBG teilt der SPS der Palettenfördertechnik mit,
dass Palette 4711 abgeliefert ist. Die Zielverfolgung ab dem Übergabepunkt wird
eigenständig von der SPS der Palettenfördertechnik übernommen.
Im Rechner sind tabellarisch neben Produkt- und Organisationsdaten die Zieladressen,
z. B. 9, hinterlegt (Belegungsstruktur).
Die Zieladresse wird der Datenstruktur der Lichtschranke (LS 1) übergeben.

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Aufbau der Datenstrukturen:
Status
Richtungen
Produktdatenstruktur
4711
Code 1
Ziel 9
Lichtschrankenstruktur
LS 1
erwartet
belegt
frei
nächste: LS 2
Zeiger Zeiger
Lichtschrankenstruktur
LS 2
erwartet
belegt
frei
nächste: LS 4
Lichtschrankenstruktur
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LS 4
Ziel 9 Ziel 9 Ziel 9
Ziel 10 Ziel 10
Zeitüberwachung
Abb.: 2.3: Aufbau der Datenstrukturen
10 s
erwartet
belegt
frei
nächste: LS 5
Ziel 9
Ziel 10
8 s
Befindet sich Palette 4711 (mit Ziel 9) auf dem Übergabepunkt, dann ist Lichtschranke
LS 1 auf „belegt“ geschaltet.
Die gewünschte Zieladresse (Ziel 9) wird mit den möglichen Bewegungsrichtungen
(10) verglichen.
Nun wird die Zieladresse 9 der nächsten Lichtschrankenstruktur (LS 2) übergeben und
LS 2 auf „erwartet“ gesetzt.
Erreicht Palette 4711 Lichtschranke 2, schaltet der Status auf „belegt“. Auch an diesem
Punkt wird wieder ein Vergleich mit den möglichen Bewegungsrichtungen angestellt.
Die Palette kann von hier aus jedoch erneut nur in Richtung 10 (auf den
nachfolgenden Kreuzungspunkt) weiterfahren.
Die Zieladresse 9 wird daraufhin an die Lichtschrankenstruktur 4 weitergegeben. Hier
stimmen gewünschtes Ziel (Ziel 9) und Richtung (Ziel 9) überein und der
Umsetzvorgang vom Kettenförderer auf den Rollenförderer wird eingeleitet.

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Zur Vermeidung von Fehlern bei der datentechnischen Weitertaktung der Zielinformationen
parallel zum Materialfluss gibt es folgende Möglichkeiten:
1. Nur wenn LS-Struktur auf „erwartet“ gesetzt ist, reagiert die Lichtschranke auf
Schaltimpulse, d.h. eine „Belegt“- Meldung zum falschen Zeitpunkt wird ignoriert.
2. Zusätzlich wird eine Zeitüberwachung zwischen „Erwartet“- und „Belegt“- Status einer
LS geschaltet, damit die Zielinformationen der gewünschten FE (Palette, Behälter etc.)
nicht mit evtl. dazwischen gelegten FE's gekoppelt werden.
3. Falls eine FE an einer beliebigen Stelle vom Band genommen wird, werden die
Zielinformationen nicht weitergegeben und die Daten der LS- Strukturen werden durch
neue Zieldaten der folgenden FE überschrieben.
4. Der Abstand zweier FE darf nicht kleiner sein als der längste Abstand zweier
Lichtschranken in der gesamten Anordnung, da sonst die Zielinformationen der ersten
FE bei z. B. LS 1 durch die der zweiten FE überschrieben würden und somit verloren
wären.
Abhilfe:
Anbringen von mehreren Lichtschranken entlang der Förderstrecke und nicht nur an
Verzweigungspunkten.
Ablauf der Auslagerung aus dem HRL - Veranschaulicht am Ebenensystem
(siehe Abbildung 2.3 auf Seite 5)
Der Ablauf der Auslagerung einer Palette (4711) mit einem RBG aus dem in Abbildung 2.2
veranschaulichten Hochregallager (HRL) ist wie folgt:
Der Auftrag für Palette 4711 wird in den kommerziellen Rechner (HOST) eingelastet.
Die Auftragsdaten werden an den Lagerverwaltungsrechner (LVR) weitergegeben. Der
LVR kennt die Koordinaten der Paletten, d.h. er weiß, wo welche Palette gelagert ist.
Der LVR gibt der Steuerung des RBG über mehrere Ebenen den Fahrbefehl, Palette
4711 aus Regalplatz W, Feld X, Ebene Y, Gasse Z zu holen und am Übergabepunkt
an den Kettenförderer abzugeben. Der Fahrbefehl wird vom LVR über den
Konzentrator des HRL an die SPS der Subsystemsteuerung und von dort aus weiter
an die Bereichssteuerung (SPS des RBG) übertragen. Dann wird über die
Elementsteuerung der entsprechende Fahrauftrag auf Signale für die Antriebe
umgewandelt.
Das RBG führt nun den Fahrbefehl aus.
Nachdem das RBG die Ware am Übergabepunkt abgesetzt hat, erfolgt ein
Datenaustausch (Handshake) der SPS des RBG über die SPS der
Subsystemsteuerung mit der SPS der Zielsteuerung. Die Zielsteuerung übergibt dann
weiter auf die SPS der Fördertechnik (SPS FÖ).
Nach Beenden des Handshakes wird Palette 4711 vom Kettenförderer übernommen
und entsprechend der Zielsteuerung weitergetaktet.
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Kommerzieller
Rechner
HOST
Lagerverwaltungsrechner
M aterialflußkonzentratoren
Systemsteuerung
Subsystemsteuerung
Bereichssteuerung
Elementsteuerung
Antriebe
Geber
KR-LAN
TR-LAN
H1-LAN
LVR
SPS
Zielst.
SPS
FÖ
Abb. 2.4: Ebenensystem: Beispiel Hochregallager
1 Direkte Zielsteuerung
Hochregallager
SPS
HOST
SPS
Datenlichtschranke
SPS
RBG 1
LVR
(Backup)
Ebene 8
Ebene 7
Ebene 6
Ebene 5
Ebene 4
Ebene 3
Ebene 2
Ebene 1
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. . . . .
. . . . .
. . . . .
SPS
SPS
RBG n
Die kennzeichnende Information ist direkt am Fördergut in Form eines Codes angebracht
oder natürliche Merkmale wie Größe, Farbe oder Gewicht bilden die Information zur
Zielsteuerung. Kann durch den aufgebrachten Code am Fördermittel ein Ziel eindeutig
zugeordnet werden, spricht man von einer Zielsteuerung mit direkter Codierung. Hat der
angebrachte Code am Fördermittel eine kennzeichnende Funktion, z. B. in Form einer
laufenden „Nummer“, so wird an den Entscheidungspunkten der gelesenen Nummer eine
Zielinformation zugeordnet. Man nennt dieses Verfahren Zielsteuerung mit indirekter
Codierung.
Die direkte Zielsteuerung ist durch zusätzliche Verwendung von Codeträger und Codeleser
ein aufwendigeres Steuerungsverfahren als die indirekte Zielsteuerung bietet aber den
Vorteil des direkten Austausches von digitalen Signalen an den jeweiligen
Entscheidungspunkten zur Informationsverarbeitung. Es wird sichtbar, dass bei der
M a t e r i a l f l u ß s t e u e r u n g

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direkten Zielsteuerung der richtigen Wahl des Codeträgers und des Codes in Verbindung
mit dem Codeleser die größte Aufmerksamkeit geschenkt werden muss.
2.1.2 Codes
Die Codierung von Daten dient zum Speichern, Transportieren und automatischen Lesen
von Daten mit möglichst hoher Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Die automatische
Lesbarkeit von Codes ist die Grundvoraussetzung für den reibungslosen Transport- und
Lagerbetrieb.
Die Nachricht einer automatisch lesbaren Zieladresse wird durch Zahlen dargestellt. Diese
Zahlen sind allerdings keine Dezimalzahlen (Klarschrift), denn die verschiedenen zehn
Ziffern des Dezimalsystems können nicht ohne weiteres durch technische Mittel
ausgedrückt werden. Besonders einfach ist es in der Datenverarbeitung, wenn nur
zwischen zwei Zuständen unterschieden werden muss. In der für den Menschen lesbaren
Form bezeichnet man diese Zustände mit den Ziffern "0" und "1". Diese beiden Zeichen zur
Darstellung bezeichnet man als Binärzeichen. Codes, die aus Binärzeichen, also nur aus
zwei verschiedenen Zeichen aufgebaut sind, nennt man Binärcodes.
Eine häufig verwendete Art der Binärcodes ist der BCD-Code (Binary Coded Decimals),
der auch Dualcode genannt wird. Der häufigste BCD-Code ist der 8-4-2-1 Code, der seinen
Namen von den Stellenwerten einer vierstelligen Dualzahl hat.
Die Bezeichnung einer Binärstelle nennt man auch Bit (Bit ist die Zusammenziehung von
"binary digit"). Der 8-4-2-1 Code ist ein 4-Bit-Code. In einem 1-Bit-Code gibt es genau 2 1
Codewörter, in einem n-Bit-Code existieren genau 2 n Codewörter. Zur Verschlüsselung
von 52 Zielen ist demnach ein 6-Bit-Code mit 2 6 = 64 möglichen Zielen notwendig, bei dem
12 Codewörter nicht benutzt werden oder als weitere Reserve zur Verfügung stehen.
2.1.2.1 Codeträger
Eine codierte Information kann auf viele Arten gespeichert werden. Neben der
mechanischen, magnetischen und elektronischen Speicherung hat sich aufgrund der
Weiterentwicklung von optischen Lesesystemen eine konventionelle Speicherungsart,
nämlich ein bedrucktes Stück Papier, durchgesetzt. Gerade im Transport- und
Lagerbereich, wo viele verschiedene Artikel gekennzeichnet und verwaltet werden, ist
diese Datenspeicherungsart aufgrund ihrer Vorteile (Seite 9) anderen Systemen weit
überlegen.
Die Entwicklung der Strichcode-Lesesysteme und die verbesserte Drucktechnik führte
dazu, dass man jedes Produkt oder Förderhilfsmittel kennzeichnen kann und über die
vergebenen Nummern (Auftrags- oder Sachnummer) eine Steuerung des Materialflusses
erreicht. Stand der Technik ist heute, dass Produktdaten in strichcodierter Form mit einer
Leserate bis zu 500 Scans/sec. im Vorbeifahren abgetastet werden können. Mit
entsprechenden Linsen ist eine Tiefenschärfe bis zu 1500 mm möglich.
Die Verarbeitung der Daten mit den heute zur Verfügung stehenden Rechnersystemen
ermöglicht eine flexible Steuerung von Transport- und Lageraufträgen. In Verbindung mit
einer Datenbank ist jederzeit das Produktionsvolumen abrufbar. Dabei wird jeder
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durchlaufene Arbeitsgang dokumentiert. Weitere Themen hierzu sind Produkthaftung und
Qualitätssicherung.
Vorteile von Strichcode-Systemen:
schnelle Erfassung
ausschließen von Fehlern durch Tastatureingabe oder Datenmanipulation
flexible und schnelle Erstellung von Datenträgern (Etiketten)
kostengünstiges Datenträgermedium
mit Klarschrift zusammen auf einem Datenträger kombinierbar
2.1.2.2 Barcode
Barcodes (Strichcodes) basieren auf dem Binärprinzip, welches durch eine bestimmte
Anzahl von breiten und schmalen, parallelen Strichen und Lücken dargestellt ist.
Es gibt verschiedene Barcodes, die sich in ihrer Darstellungsform (Anzahl und Breite der
Striche) unterscheiden. Die Sequenz dieser Struktur ergibt eine definierte numerische oder
alphanumerische Aussage.
2.1.2.3 Codeaufbau
Den allgemeinen Aufbau eines Barcode-Symbols zeigt folgendes Schema:
Abb. 2.5: Barcodeaufbau
Ruhezone
Start-
Margin
Message
Stop-
Margin
Ruhezone
Die Ruhezonen sind unbedruckte Bereiche und in der Regel weiß. Als Breite der
Ruhezonen empfehlen die Anbieter von Codiersystemen:
mindestens das fünffache des breitesten Striches (Datalogic)
mindestens das zehnfache des schmalsten Striches (SICK)
Das Startzeichen (Start-Margin) ist eine spezielle Strichlücken-Kombination und steht an
der ersten Stelle des Codes. Es dient zur Sicherheit, dass ein Barcode-Symbol empfangen
wird und nicht irgendeine Sequenz von reflektiertem Fremdlicht. Beim Erkennen dieses
Zeichens beginnt der Decoder, den Impulszug des Scanners zu verarbeiten.
Das Stoppzeichen (Stop-Margin) ist ebenfalls ein serielles Zeichen, welches das Ende des
Codes darstellt. Der Decoder erkennt, dass der komplette Code empfangen wurde, prüft
und übersetzt die Nachricht. Damit ein Code von beiden Seiten zu lesen ist, sind das Start-
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und Stoppzeichen nicht symmetrisch aufgebaut. Wird der Code also von der „falschen“
Richtung gelesen, erkennt der Decoder dies und wandelt die Zeichenfolge um.
Die Message enthält die eigentliche Information. Der Codetyp legt dabei die Syntax fest.
Die Prüfziffer ist ein optionales Zeichen und ist für die meisten Codetypen definiert.
2.1.2.4 Erfassung
Ein Barcode wird optisch mit Hilfe von Laserscannern oder Bildverarbeitungskameras
(CCD-Kameras) erfasst.
Für diese Erfassung ist ein Mindestkontrast notwendig, damit der Code richtig erkannt
werden kann. Dieser Kontrast ist eine dimensionslose Größe und wurde nach DIN 66236
als Druckkontrastzahl PCS (print contrast signal) definiert.
Die PCS errechnet sich nach folgender Formel:
PCS
Rw − Rs
=
Rw
> 07 ,
Rw = Reflexion der hellen Lücken , Rs = Reflexion der dunklen Striche
Den besten Kontrast erhält man mit weißem Untergrund und schwarzen Strichen. Teilweise
können dunkelgrüne oder dunkelblaue Striche auf pastellfarbenem Untergrund aufgetragen
werden. Zum sicheren Lesen ist dann aber eine spezielle Rotlichtbeleuchtung
(z.B. Laserscanner im Rotbereich bei 600 - 632 nm) notwendig.
2.1.2.5 Selbstüberprüfung
Um die Ablesesicherheit zu erhöhen, haben die meisten Codes eine sogenannte
Selbstüberprüfung. Das heißt, der Code braucht kein weiteres Zeichen zur Überprüfung, da
er aufgrund seiner Struktur überprüfbar ist. Zum Beispiel ist die Anzahl der dünnen Striche
und der dicken Striche pro Ziffer gleich oder jedes Zeichen enthält genau 2 breite Striche
(siehe 2/5 Codes), so dass eine Überprüfung durch die Anzahl der Striche möglich ist.
Eine weitere Sicherheit der Ablesung wird durch die Verwendung einer Prüfziffer
(Checksum) erreicht. Die Prüfziffer wird durch eine zusätzliche Ziffer unmittelbar vor dem
Stoppzeichen des Codes dargestellt. Stimmt diese gelesene Prüfziffer nicht mit der vom
Decoder errechneten Ziffer überein, so wird der Code nicht übertragen.
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Beispiel für eine Prüfzifferberechnung nach dem Prüfverfahren Modulo 10:
Start 8 6 1 3 2 5 1 8 PZ Stop
Klartext 8 6 1 3 2 5 1 8 PZ
Positionsnummer 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Quersumme a 8 + 1 + 2 + 1 = 12
Quersumme b 6 + 3 + 5 + 8 = 22
Produkt c 22 x 3 = 66
Summe d 12 + 66 = 78
Differenz e 80 - 78 = 2
Prüfziffer f = 2
Berechnungsvorschrift:
a) Quersumme aller Ziffern mit ungerader Positionsnummer
b) Quersumme aller Ziffern mit gerader Positionsnummer
c) Multiplikation b mit dem Faktor 3
d) Summe a + c
e) Differenz von d zum nächsten Vielfachen von 10
f) Das Ergebnis e ist die Prüfziffer PZ
Tab. 2.1: Prüfzifferberechnung nach dem Prüfverfahren Modulo 10
2.1.2.6 Elemente eines Strichcode-Systems
Zur Handhabung von Strichcodes in Materialflusssystemen werden folgende
Grundelemente benötigt:
Objekt
Informationsfluß in einem Barcode-System
Sensor
Abb. 2.6: Informationsfluss in einem Barcode- System
Decoder
Rechner
Der Drucker generiert den Strichcode. Der Code wird entweder direkt auf die Verpackung
aufgedruckt oder am Produkt bzw. einem Transporthilfsmittel befestigt
(siehe auch Kapitel 2.2.3.1).
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Der Sensor tastet die codierte Information optoelektronisch ab. Er empfängt das diffus
reflektierte Licht der Strich-Lücken-Sequenz und wandelt die Hell-Dunkel-Folge in
elektrische Signale um. Man unterscheidet zwei Arten der optischen Abtastung:
1. Lesung unter Berührung des Codeträgers
Ein Lichtlesestift wird von einer Bedienperson über das Codemuster geführt. Diese
Lesestifte werden eingesetzt, wenn die Objekte keine günstige Platzierung für eine
berührungslose Codelesung zulassen.
Anwendung: Datenerfassung auf Formularen, an Registrierkassen,
an Transporthilfsmitteln, in Lagersystemen, etc.
2. Berührungslose Codelesung
Das codierte Objekt läuft an einem fest installierten Abstand-Codeleser auf einem Förderer
vorbei und wird maschinell gelesen. Bedienpersonal ist nicht erforderlich.
Anwendung: Automatische Steuerung von Materialflusssystemen,
Echtzeit-Erfassung im Produktionsablauf, produktabhängige Zahlung, etc.
Der Decodierer (Decoder, Reader) wandelt die optoelektrischen Signale des Sensors in
eine digitale Impulsfolge um und wertet diese mit Hilfe eines Mikroprozessors aus. Die
decodierten Zeichen können angezeigt und zur Datenübertragung über eine serielle
Schnittstelle für das jeweilige übergeordnete Datenverarbeitungssystem bereitgestellt
werden.
Der Rechner empfängt die gesendeten Datenprotokolle, verarbeitet sie selbständig oder
leitet sie weiter. Hierbei werden nur relevante Daten zur Steuerung des Materialflusses an
die Transportsteuerung weitergegeben.
2.1.2.7 Terminologie
Strich: Das dunkle Element eines Codes.
Lücke: Das helle Element eines Codes.
Strichcode (Barcode): Eine definierte Anzahl von parallelen,
alternierenden dunklen Strichen und hellen Lücken.
Modul: Der (die) schmalste Strich (Lücke) in einem Code.
Start- und Stoppzeichen: Um eine reihenfolgerichtige Lesbarkeit zu erreichen,
beginnt jeder Code mit einem Start- und endet mit einem
Stoppzeichen. Des weiteren kann über das Start- und
Stoppzeichen der Codetyp erkannt werden.
Diskreter Code: Ein Strichcode, der nur aus verschieden dicken Strichen
gebildet wird. Die Lücken sind gleich breit und enthalten keine
Informationen (2 aus 5 Industrial).
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Fortlaufender Code: Außer den unterschiedlich breiten Strichen werden auch die
unterschiedlich breiten Lücken als Informationsträger
verwendet.
Ruhezone: Unbedruckter Freiraum vor dem Start- und hinter dem
Stoppzeichen. Diese Zone ist notwendig, um dem Leser
Codeanfang und Codeende zu signalisieren.
Selbstüberprüf. Code: Ermöglicht ein selbständiges Erkennen von Fehlern beim
Lesen, entsprechend eines vorgegebenen Algorithmus.
Jedoch sind Substitutionsfehler nicht ganz auszuschließen.
Strichbreitenverhältnis: Verhältnis von breitem Strich (Lücke) zu schmalem Strich
(Lücke) in einem Code.
2.1.2.8 Codequalität
Der Abtastvorgang eines Strichcodes erfolgt in der Regel über die gesamte Strichhöhe.
Dadurch erreicht man eine Mehrfachabtastung des Codes. Probleme treten vorwiegend bei
starker Verschmutzung, Beschädigung des Codes oder unzureichendem oder störendem
Licht z. B. durch starke Sonneneinstrahlung auf. Die häufigste Ursache von Lesefehlern ist
jedoch eine schlechte Druckqualität. Je besser die Druckqualität, desto besser und sicherer
wird die Ablesbarkeit des Codes. Dadurch steigt die Erst-Lese-Rate und die Gefahr der
Falschlesung durch Substitution mit einer anderen Strich-Lücken-Sequenz sinkt.
Um exakte Ergebnisse zu erzielen, müssen Codeetiketten folgende Qualitätskriterien
erfüllen:
Einhaltung der Abmessung und Toleranzen gemäß den Codespezifikationen.
Es dürfen möglichst keine Flecken oder Lücken vorhanden sein.
Ein Fleck bestimmter Größe in einer Lücke wird vom Scanner als schmales Element
erkannt.
Minimale Kantenrauhigkeit.
Die Codestriche müssen möglichst scharfe und gleichmäßige Kanten vorweisen.
Hohes Kontrastverhältnis und ausreichendes Reflexionsvermögen.
Gute Lesesicherheit bei schwarzen Strichen auf weißem Untergrund.
Anforderungen an das Etikett sind:
gute Haftfähigkeit der Druckfarbe
Beständigkeit gegenüber Öl und Chemikalien
Verschleißfestigkeit
möglichst lichtecht (kein Vergilben)
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Abb. 2.7: Fehlerhafte Lesesymbole
Im Zusammenhang mit der Code-Qualität tauchen immer wieder die Begriffe High-,
Medium- und Low-Density Code auf. Sie kennzeichnen die Codedichte. Damit wird
gleichzeitig auch das verwendete Druckverfahren festgelegt.
Unterscheidung nach der minimalen Strichstärke:
Ultra High Density-Code (minimale Strichstärke < 0,19 mm)
High Density-Code (0,19 mm < Strichstärke < 0,24 mm)
Medium Density-Code (0,24 mm < Strichstärke< 0,30 mm)
Low Density-Code (0,30 mm < Strichstärke < 0,50 mm)
Einsatz bei großen Entfernungen (Strichstärke > 0,50 mm)
Zusammen mit dem gewählten Strichbreitenverhältnis ergibt sich eine mehr oder weniger
hohe Informationsdichte (Charakter/Inch oder Zeichen/Millimeter).
Die Leseentfernung ist entscheidend für die Strichstärkenauswahl.
High-
Density
Medium-
Density
Low-
Density
Tab. 2.2: High-, Medium- und Low-Density Codes
Codebeispiel Leseabstände
Scanner max. 110 mm
Kamera max. 120 mm
Scanner max. 250 mm
Kamera max. 400 mm
Scanner max. 1500 mm
Kamera max. 4000 mm
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2.1.2.9 Druckverfahren
Die Strichcodes werden je nach Auflage und nach der zulässigen Toleranz mit
verschiedenen Druckverfahren hergestellt.
Gleiche Codes mit hoher Auflage
Alle Strichcodes können mit herkömmlichen Druckverfahren wie z. B. Offset-, Buch-, Tief-
oder Flexodruck hergestellt werden. Diese Druckverfahren beruhen auf fotografischen
Methoden zur Herstellung von Druckplatten und werden in der Regel außer Haus
durchgeführt. Die Strichcodierungen werden in guter Qualität zusammen mit Texten und
Bildern direkt auf das Verpackungsmaterial gebracht.
Dieses Verfahren wird hauptsächlich für Lebensmittel, Konsumgüter oder Arzneimittel
angewandt. Der hierfür verwendete Code ist in Europa der EAN-Code (Europäische
Artikelnummerierung). Beim EAN-Code handelt es sich um einen Mehrbreitencode.
Abb. 2.8: EAN-Code
Menge
223
Artikel-Bezeichnung/Artikel-Nr.
Bananen 6542321
Fortlaufend nummerierte Codes mit hoher Auflage
Diese Codes werden auf bedruckbare Materialien mit einer speziellen Druckmaschine, die
über ein eingebautes Nummerierwerk verfügt, gedruckt. Das Nummerierwerk hat statt
arabischer Ziffern die Strichcode-Ziffern eingraviert. Es können jedoch nur solche Codes
gedruckt werden (z. B.).
Abb. 2.9: 2/5 Industrial Code
Willkürlich sich ändernde oder gleichbleibende Nummerierung
Wenn die zu codierenden Informationen nicht im voraus festgelegt werden können, muss
ihre Herstellung online möglich sein. Mit computergesteuerten Druckverfahren können
Strichcodes in allen Größen gedruckt werden. Die Codetypen, Länge, Breite und Höhe der
Striche werden durch die Software des Systems bestimmt. Die hierfür gebräuchlichen
Druckverfahren sind mit gängigen Druckern wie zum Beispiel Matrix-, Tintenstrahl-,
Thermo- oder Laserdruckern über einen Rechner zu realisieren.
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Besonders in der Materialflusstechnik (Lagerhaltung) ist das Online-Drucken über direkt
am Gabelstapler befestigte Drucker im Zuge der Rationalisierung im innerbetrieblichen
Transport stark im Kommen. Die dort eingesetzten Drucker müssen besonderen
Anforderungen gegenüber Umgebungseinflüssen genügen, um eine hohe Verfügbarkeit zu
gewährleisten. Tabelle 2.3 gibt einen Überblick über heute eingesetzte Druckverfahren:
Drucker Druckprinzip Druck Vorteile Nachteile
Tinten-
strahl-
drucker
Thermo-
drucker
Laserdrucker
Tab. 2.3: Überblick Druckverfahren
Bei den Thermodruckern wird zwischen dem Thermotransfer- und dem Thermodruck
unterschieden (Tabelle 3.4).
Verfahren
Vorteile
Nachteile
Tinte wird von einer Düse
gesprüht und
berührungslos auf eine
Oberfläche gespritzt.
Tintenstrom wird
elektrostatisch gelenkt
(ähnlich wie der
Elektronenstrahl einer
Bildröhre).
siehe Zusatztabelle unten
Ein Laserstrahl tastet eine
elektronisch aufgeladene
lichtempfindliche Walze ab
und neutralisiert dabei
entsprechende Bereiche.
Die Walze dreht sich durch
ein Tonerbad.
Tonerteilchen bleiben an
den neutralisierten Stellen
haften und werden auf das
Papier übertragen.
Tintenpunkte
Thermodruck Thermotransferdruck
Das Thermoetikettenmaterial wird wie bei einem
herkömmlichen Faxgerät durch die Hitze des
Druckkopfes geschwärzt.
Der Kopf besteht aus einer Reihe von kleinen,
hitzeproduzierenden Dioden (300 dpi), welche
das thermisch empfindliche Papier schwärzen.
☺ schnell
☺ leise
☺ keine Druckfarbe nötig
☺ keine Druckmechanik
chem. Prozess
Farbauftrag
auf Etikett
kurze Haltbarkeit des Papiers
(Papier vergilbt in Folge von
Sonneneinstrahlung und
Wärmeeinwirkung binnen 6-24 Monaten)
Tab. 2.4 Thermodruck und Thermotransferdruck
sehr schnell (bis 2000 Zeichen je
Sekunde)
bedrucken direkt auf Verpackung
möglich
ruhige Arbeitsweise
scharfe Kanten
ruhige Arbeitsweise
kompakte kleine Geräte
sehr hohe Druckqualität
für fast alle Oberflächen geeignet
(Papier, Folie)
sehr schnell
Prinzipiell gleicher Druckeraufbau wie beim
Thermodruck. Etikettenmaterial kann beliebig sein
(z. B. Normalpapier, Kunststoff etc..).
Zum Druck wird eine Thermotransferfolie
zwischen dem Thermodruckkopf und dem
Etikettenmaterial geführt, welche sich beim Druck
durch die Hitzeentwicklung ablöst und auf dem
Etikett permanent haften bleibt (Abbildung 3.10)
☺ schnell
☺ leise
☺ unbegrenzt haltbar
☺ mechanisch unempfindlich
früher wie Matrixdrucker,
heute jedoch wesentlich
verbessert
kein High-Density Code
möglich
Druckbild nicht wasserfest
teilweise nicht lichtecht
teures, hitzeempfindliches
Papier
etwas teuerer als die
anderen, jedoch Trend
zu niedrigerem Preis
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Etiketten oder
Endlosmaterial
Abb. 2.10: Prinzip des Thermotransferverfahrens
Abb. 2.11: Thermo-Barcodedrucker
Druckkopf
Andruckwalze
Thermotransferrollen
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2.1.2.10 Codetypen
Es gibt eine große Anzahl unterschiedlicher Codetypen, die zum Teil auch
herstellerspezifisch angewandt werden.
Vier der wichtigsten Typen für Materialflusssysteme werden hier genauer beschrieben.
Diese werden von den meisten Lesesystemen bzw. Decodern der unterschiedlichen
Hersteller verarbeitet, so dass hier auch von den sogenannten „Standardcodes“
gesprochen wird.
Standardcode Informationsträger Zeichenvorrat Vorteile / Nachteile
2/5
Industrial
2/5
Interleaved
Code 39
Code 128
EAN 128
Tab. 2.5: Standardcodes
Nur die Striche
(5 Striche = ein Zeichen)
Striche und Lücken
(5 Striche = ein Zeichen;
5 Lücken = ein Zeichen)
5 Striche und 4 Lücken
pro Zeichen
(eine breitere Lücke als
Zeichenabstand)
3 Striche und 3 Lücken
pro Zeichen
(jedes Zeichen besteht
aus 11 Modulen)
Vierbreitencode
Ziffer 0-9
Ziffern 0-9
Ziffern 0-9
Buchstaben A-Z
7 Sonderzeichen
ASCII-
Zeichensatz
☺ gut lesbar
☺ einfach druckbar
geringe Informationsdichte
(3,9 mm/Ziffer bei min. St. 0,3 mm)
☺ hohe Informationsdichte
(2,3 mm/Ziffer bei min St. 0,3 mm)
geringe Drucktoleranzen ± 10 %
☺ alphanumerische Darstellung
geringe Drucktoleranzen ± 10 %
geringe Informationsdichte
(4,8 mm/Ziffer bei min. St 0,3 mm)
☺ alphanumerische Darstellung
☺ hohe Informationsdichte
☺ hohe Lesesicherheit
weniger verbreitet
hohe Ansprüche an Drucktechnik
Zwei dieser Codes kommen aus der Familie der 2/5 Codes, einmal der 2/5 Industrial und
der 2/5 Interleaved. Der Aufbau dieser Codes ist recht einfach und selbstüberprüfend.
Die Ziffer 5 der Codebezeichnung gibt die Anzahl der Elemente pro Nutzzeichen an und
die Ziffer 2 besagt, dass zwei von diesen fünf Elementen breit sind. Eine Selbstüberprüfung
ist dadurch gewährleistet, dass jedes Zeichen genau zwei breite Striche haben muss.
Bei den 2/5 Codes handelt es sich um rein numerische Codes, deren Zeichenvorrat aus
den Ziffern 0 bis 9, einem Start- und einem Stoppzeichen besteht. Die Start- und
Stoppzeichen sind hierbei unterschiedlich und der Decoder erkennt an ihnen, um welchen
2/5 Code es sich handelt. Das Strichbreitenverhältnis schmaler Strich zu breitem Strich
beträgt in der Regel 1:2 bis 1:3.
Beim 2/5 Interleaved Code beinhalten auch die Lücken Informationen, d.h. die Lücken
stellen selbst einzelne Zeichen dar. Damit ergibt sich eine höhere Informationsdichte.
Die dargestellten Zeichen sind ineinander „verzahnt“.
Der 2/5 Industrial Code, bei dem die Zeichen aneinandergereiht werden, zeichnet sich
dagegen durch eine gute Lesbarkeit aus. Beim 2/5 Industrial sind alle Lücken gleich breit
und werden nur zur optischen Trennung der Striche genutzt.
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Der dritte Vertreter der Standardcodes ist der Code 39. Er ist ein in der Industrie weit
verbreiteter alphanumerischer Code, der über die Ziffern 0 bis 9, 26 Buchstaben und 7
Sonderzeichen verfügt. Beim Code 39 werden pro Zeichen 9 Elemente, davon 5 Striche
und 4 Lücken verwendet. 3 der Elemente sind dabei immer breit und 6 schmal.
Zur Trennung der einzelnen Zeichen befindet sich immer eine gleichbreite Lücke zwischen
ihnen, die ohne Information ist.
Das folgende Bild und die nachfolgende Tabelle zeigen, wie ein Code spezifiziert sein
kann. Der dargestellte 2/5 Industrial Code ist ein in der Transport- und Lagertechnik häufig
verwendeter Code. Um eine gute Lesbarkeit zu gewährleisten sollte dieser Code nach
Herstellerangaben auf max. 4-10 Ziffern beschränkt bleiben. Je nach möglichen
Leseabständen muss die Informationsdichte gewählt werden (High-, Medium- oder Low-
Density).
Ruhezone Ruhezone
Startzeichen Stopzeichen
Typisches Datenzeichen
1 1 0 1 0 1
Strichstärke 1:3
x 3x
8 6 1 3 2 5 1 8 2
Abb. 2.12: Code 2/5 Industrial
2
5 Striche
0 1 0 0 1
Sowohl die 2/5 er Codes, als auch der Code 39 sind bidirektional, d.h. von beiden Seiten
lesbar. Im folgenden wird der Code 2/5 Interleaved erklärt:
Codetabelle Zeichen S1 S2 S3 S4 S5
Tab. 2.6: 2/5 Industrial Code
1 1 0 0 0 1
S1 - S5 = Striche 1 bis 5 2 0 1 0 0 1
1 = breiter Strich 3 1 1 0 0 0
0 = schmaler Strich 4 0 0 1 0 1
5 1 0 1 0 0
6 0 1 1 0 0
7 0 0 0 1 1
8 1 0 0 1 0
9 0 1 0 1 0
0 0 0 1 1 0
Start 1 1 0 - -
2/5 Industrial Code Stop 1 0 1 - -
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Codebeispiel 2/5 Interleaved
Ruhezone Ruhezone
Strichstärke 1:3
x 3x
Abb. 2.13: Code 2/5 Interleaved
1 3 5 7
2 4 6 8
Startzeichen Stopzeichen
4
5 Striche
0 0 1 0 1
Typisches Datenzeichen
durch Striche dargestellte Zeichen
durch Lücken dargestellte Zeichen
Erklärung: Nach dem Startzeichen (zwei dünne Striche), wird die erste Ziffer durch die
nächsten 5 folgenden Striche dargestellt. Die zweite Ziffer mit den unmittelbar hinter den
Strichen der ersten Ziffer folgenden 5 Lücken. So werden abwechselnd auch die folgenden
Ziffern gelesen.
Heutzutage gewinnt mit dem Code 128 / EAN 128 ein vierter Codetyp auch im industriellen
Materialfluss zunehmend an Bedeutung. Ausschlaggebend hierfür ist seine gute Lesbarkeit
und seine hohe Informationsdichte. So ist ein EAN 128 ab zehn Stellen kürzer als ein 2/5interleaved.
Da es sich bei diesem Codetyp um einen Mehrbreitencode mit insgesamt vier
verschiedenen Strichbreiten handelt, stellt er höhere Anforderungen an den Drucker.
Jedes Zeichen besteht aus elf Modulen, aufgeteilt in drei Striche und drei Lücken. Die
Striche bestehen immer aus einer geradzahligen Anzahl von Modulen (gerade Parität) und
die Lücken immer aus einer ungeraden Anzahl von Modulen. Das Stoppzeichen ist die
Ausnahme und besitzt dreizehn Module.
Abhängig vom gewählten Startzeichen kann auf drei verschiedene Zeichensätze
zurückgegriffen werden. So kann der gesamte ASCII-Zeichensatz dargestellt werden.
Der EAN 128- Bezeichnerstandard
Technisch gesehen ist der EAN 128 eine Ableitung aus dem Code 128. Der Unterschied
zwischen dem EAN 128 und dem Code 128 ist inhaltlich gesehen die Tatsache, dass im
EAN 128 ein Datenbezeichner- Konzept für die allgemeine Interpretierbarkeit sorgt, ohne
dass bilaterale Absprachen notwendig sind. Dadurch ist dieser Code äußerst vielseitig.
Technisch gesehen unterscheiden sich die beiden Systeme durch die Startsequenz, die im
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EAN 128 aus dem Startzeichen und dem anschließenden FNC1-Zeichen besteht, während
im Code 128 nur das Startzeichen ein Symbol einleitet. Beide Codetypen sind
selbstüberprüfend.
Abb. 2.14: Codebeispiel EAN 128:
Um mehr Informationen im Barcode speichern zu können, werden neben den bisher
vorgestellten eindimensionalen Codetypen auch zweidimensionale Codes angeboten.
Durch das Stapeln mehrerer Strichcodezeilen in einem Code kann die Datenmenge
bedeutend erweitert werden. Die Anzahl der Zeichen, die gespeichert werden können,
ergibt sich aus einer Multiplikation der einzeiligen Kapazität mit der Zeilenanzahl. Zur
Lesung dieser Stapelcodes können leicht modifizierte Laserscanner verwendet werden.
Eine aufwendigere Lesetechnik muss bei den sogenannten Matrix-Codes angewandt
werden. Die speicherbare Datenmenge liegt etwa 15 mal höher als bei einem einfachen
Strichcode - und dies bei einem wesentlich geringeren Platzbedarf. Zum Entschlüsseln
sind kameragestützte Bildverarbeitungssysteme notwendig. Außerdem stellen
zweidimensionale Codes hohe Ansprüche an die Drucktechnik.
Ein großer Stolperstein beim Vormarsch der neuen Codes ist die fehlende
Standardisierung. Da im Materialfluss der Strichcode nur zur Identifikation benötigt wird
und die eigentlichen Informationen im Rechnersystem hinterlegt werden, sind die
Anwendungsbereiche dieser zweidimensionalen Codes im Materialfluss nicht signifikant.
Lediglich beim Paketversand, wo ganze Adressen gespeichert werden könnten, erscheint
diese Codeart praktikabel.
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Beispiel 1: Materialbegleitkarte (MBK)
Daten:
Ladeeinheit-Nr. in Klarschrift und Barcode
Teile-Nr. in Klarschrift und Barcode
Teilebezeichnung in Klarschrift
Teilemenge in Klarschrift
Lagerbereich in Klarschrift (Text, groß)
Lagerplatz in Klarschrift (numerisch, groß) bzw.
Zieladresse in Klarschrift
Ladeeinheit-Nr.
0 47128
Raum für Fertigungssteuerung
Abb. 2.15: Layout Beispiel
Teile-Nr.
10.2215.31
Alu-Saugräder
Menge
40
HRL
Gasse G19
Platz 15 02
x-Koordinate y-Koordinate
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Beispiel 2: Regalfachbeschriftung mit dem 2/5 Interleaved
14 D 1
Regalfachbeschriftung:
Reihe 103
103.14.C.1
Abb. 2.16: Regalfachbeschriftung
14 C 1 14 14 C 2
15 C 1 15
14 C 1
D
C
Strichcodierte vollständige Adresse:
1 03 14 C 1
Platz
Ebene
Regalfeld
Regalreihe
Lagerort
Überlegung: Wie kann die dargestellte Regalbeschriftung (Ebene ist alphanumerisch
beschriftet) mit einem 2/5 Interleaved codiert werden?
Erläuterung: Der 2/5 Interleaved ist ein numerischer Code, dessen Striche
und Lücken Informationen enthalten, die gelesen werden müssen.
Daher muss dieser Code stets aus einer geradzahligen Anzahl von Ziffern
bestehen. Das bedeutet, dass die Ebenen A-K in einen zweistelligen
Zahlencode transformiert werden müssen, z. B. A = 01, B = 02, .., K = 11.
a) Damit sind es: 1 Ziffer für den Lagerort
2 Ziffern für die Regalreihen
2 Ziffern für die Regalfelder
2 Ziffern für die Ebenen
1 Ziffer für den Platz ________
8 Ziffern für den ganzen Code
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15 D 1

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2.1.2.11 Codeauswahl
Bei jeder Applikation steht der Anwender zu Beginn vor der Aufgabe, welcher Code am
besten für die Anwendung geeignet ist. Mit Hilfe der folgenden Fragen soll die Antwort
erleichtert werden.
1. Sind mit dem Code alle zu verarbeitenden Zeichen codierbar?
2. Werden alphanumerische oder numerische Zeichen benötigt?
3. Ist der Code lesesicher und fehlerunempfindlich ohne zusätzliches
Prüfverfahren?
4. Bei welchem Code ist die Verwendung einer Prüfziffer notwendig?
5. Ist der Code bei Herstellern von Lese- und Drucksystemen gebräuchlich?
6. Gibt es mehrere Anbieter?
7. Wieviel Informationen (Anzahl der Zeichen) müssen dargestellt werden?
8. Können alle zu codierenden Informationen auf dem zur Verfügung stehenden
Platz untergebracht werden?
9. Ist der Code in diesem Industriebereich üblich?
10. Welchen Umgebungsbedingungen sind die Etiketten ausgesetzt?
11. Welches Material kann verwendet werden?
12. Welche Auflösung ist notwendig?
13. Welches Druckverfahren erreicht die geforderte Qualität?
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2.1.3 Laser
2.1.3.1 Physikalische Vorgänge
Jedes Atom (aufgefasst als ein System zerlegbar in Kern und Elektronenwolke) besitzt
einen gewissen Betrag an innerer Energie und ist bestrebt, eine ganz bestimmte
Konfiguration mit der niedrigsten Energie beizubehalten. Dies nennt man den
Grundzustand der speziellen Atomart (H, He, Ne, Ar etc.). Ferner kann jedes Atom in
spezifischen, definierten Konfigurationen vorkommen, die höheren Energien als denen des
Grundzustandes entsprechen. Diese werden als angeregte Zustände bezeichnet.
Für jede Atomansammlung eines Stoffes existiert ein Gleichgewicht an Atomen mit
unterschiedlichen Energiekonfigurationen (Boltzmann-Verteilung). Um nun die Besetzung
der höheren Energieniveaus zu erhöhen, muss eine zusätzliche Energie auf das
Gleichgewicht einwirken. Man bezeichnet in der Lasertechnik diesen Vorgang als Pumpen
und die dafür notwendige Energie als Pumpenergie. Wurde das Gleichgewicht so
verändert, dass sich wesentlich mehr Atome auf einem höheren als auf ihrem natürlichen
Energieniveau befinden, spricht man von einer Besetzungsinversion (Inversion).
Je nach Art des verwendeten Lasers wird die Inversion durch einen anderen
Pumpmechanismus erreicht. Sie unterscheiden sich in der Art wie die Pumpenergie auf die
Systeme übertragen wird.
Die üblichen Anregungsarten für die jeweiligen Laser sind hier dargestellt:
Gaslaser: Stoßanregung der Atome, Ionen, Moleküle in Gasen und Plasmen
Halbleiterlaser: Anregung durch Ladungsträgerinjektion (p-n Übergang)
Neben diesen in der Lesetechnik verwendeten Lasern sind hier zur Vervollständigung noch
zwei weitere beschrieben:
Festkörperlaser: Anregung durch externe elektromagnetische Strahlung
Chemischer Laser: Anregung durch chemische Reaktion
Ein auf einem höheren Energieniveau befindliches Atom ist bestrebt, auf einen niedrigeren
Zustand, wobei dies nicht zwangsläufig der Grundzustand sein muss, zurückzufallen.
Hierbei wird Energie in Form eines Photons abgegeben. Diese spontane Emission
geschieht ohne jede äußere Beeinflussung. Sie erfolgt allerdings rein stochastisch und ist
daher für die eigentliche Laserstrahlung aufgrund ihrer Inkohärenz nicht brauchbar.
Anders bei der sogenannten stimulierten Emission, welche auch induzierte Emission
genannt wird. Sie ist der Schlüssel für die eigentliche Funktionsweise eines Lasers. Durch
Einwirkung eines äußeren Strahlungsfeldes mit einer bestimmten Frequenz und der
bestehenden spontanen Emission wird eine Kettenreaktion stimulierter Photonen
ausgelöst. Im Resonator baut sich eine Welle (in Phase liegende Photonenemission) auf
und wird verstärkt durch die weiter erzwungenen Emissionen.
Folge: Es tritt ein Photonenstrahl mit in Phase liegenden Strahlenwellen aus. Dies
geschieht so lange, wie die Besetzungsinversion über die Pumpenergie aufrecht erhalten
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bleibt. Lässt diese nach, stellt sich langsam wieder eine Boltzmann-Verteilung der Atome
ein und die Strahlung versiegt.
Ein emittierendes Photon besitzt die Energiedifferenz:
E E h E − = = ν
2
1
Die Frequenz der emittierenden Lichtwelle ist nach der Quantentheorie:
E
ν =
h
mit h = Planck´sche- Konstante
Die Lichtwellenlänge (im Vakuum) ergibt sich aus:
hc c
λ = =
E ν
c = Geschwindigkeit
Für einen He-Ne Laser beträgt die Lichtwellenlänge 632,8 nm.
2.1.3.2 Resonator
Damit sich eine stehende Welle aufbauen kann und die Strahlungsdichte so groß wird,
dass eine Laserstrahlung austritt, ist ein Resonator notwendig. Er sorgt dafür, dass nur die
Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches nach außen abgegeben werden kann. Die
Konstruktion des Resonators ist abhängig vom Lasertyp. So verwendet man zum Beispiel
bei Gas-Lasern einen optischen Resonator bestehend aus Entladungsrohr und zwei
gegenüberliegenden Spiegeln, die unterschiedlich strahlungsdurchlässig sind.
Glaskörper
Spiegelschicht
Planspiegel
Abb. 2.17: Optischer Resonator
Optischer Resonator
Laser-Material,
in dem die Lichtquelle
durch stimulierte Emission
verstärkt wird
Energiezufuhr durch Pumpquelle
Planspiegel,
teildurchlässig
ausgekoppelter
Laser-Strahl
kohärent, gebündelt
Beim Halbleiterlaser ist der Resonator bereits im Halbleiterkristall integriert. Hierbei kommt
das Prinzip eines Fabry-Perot-Resonators, der aus zwei gegenüberliegenden
planparallelen koaxialen Spiegeln besteht, zur Anwendung.
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2.1.3.3 Halbleiterlaser
Die ersten im Jahre 1962 entwickelten Halbleiterlaser waren nur bei sehr tiefen
Temperaturen, welche durch flüssigen Stickstoff erzeugt werden mussten, funktionsfähig.
Heutzutage sind Halbleiterlaser bei Zimmertemperaturen im Lichtwellenbereich von ca. 670
nm bis 1,6 µm betreibbar, wobei die Lichtwellenlänge vom verwendeten Halbleiter abhängt.
Aufgrund seines sichtbaren Laserstrahles ist der Ga-As Halbleiter derzeit der einzige Laser
aus dieser Gruppe, der in der Lesetechnik verwendet wird. Sichtbares Licht ist notwendig,
um die Justierung von Laserscannern ohne zusätzliche Maßnahmen zu realisieren. Die
kleinen Baumaße (Stecknadelkopfgröße) und die Eigenschaft, dass man mit
Halbleiterlaserdioden elektrischen Strom direkt in Laserlicht umwandeln kann, führten zu
einer weiten Verbreitung. Ein weiteres bedeutendes Anwendungsgebiet für Halbleiterlaser
ist der Einsatz in Laser-Platten-Systemen (CD-Spieler, CD-ROM Laufwerke).
Vorteile von Halbleiterlasern
sehr kleine Abmessungen (ca. 300 µm x 100 µm x 100 µm)
direkte Umwandlung des elektrischen Stromes in Laserlicht
lange Lebensdauer
hohe Leistung (bis 50 mW bei Raumtemperatur)
Reinheit des Laserspektrums
Prinzip der Halbleiterdiode
Man bringt bei herkömmlichen Halbleiterdioden einen stark n-dotierten Halbleiter in engen
Kontakt mit einem stark p-dotierten Halbleiter. Durch die unterschiedliche Dotierung wird
der Pumpprozess zur Herstellung der Besetzungsinversion erreicht. Wird nun eine
elektrische Spannung in Durchlassrichtung der Diode angelegt, so treffen Elektronen der ndotierten
Schicht mit Löchern der p-dotierten Schicht am p-n Übergang zusammen, worauf
sie Energie in Form von emittierenden Photonen aussenden. Dies geschieht allerdings nur
in den Randzonen der aneinanderliegenden Schichten, der sogenannten aktiven Zone.
Der Strahlungsprozess, der mit dem ebenfalls existierenden Absorptionsmechanismus
(Energieaufnahme um höheres Energieniveau zu erreichen) konkurriert, wird
vorherrschend, wenn die aktive Zone schmal und der angelegte Strom (ca. 50 mA) groß
ist. Zur Erzeugung der Laserwirkung werden die von den Atomen emittierenden Photonen
innerhalb des Resonators zurückgehalten. Beim Halbleiterlaser wird der Resonator mit den
zwei planparallelen Stirnflächen des Halbleiterkristalls gebildet. Diese sind im Gegensatz
zu den beiden anderen rauen Flächen optisch poliert. Auf eine Verspiegelung der Flächen
kann aufgrund des hohen Brechungsindexes der Halbleitermaterialien am Halbleiter-Luft-
Übergang verzichtet werden.
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Abb. 2.18: Prinzip der Halbleiterdiode
rauhe
Oberfläche
Inversion beim Halbleiterlaser
Metall
Metall
Strom
planparallele und optisch
polierte Oberflächen
aktive Zone
Laseremission
Die für einen Laserbetrieb notwendige Besetzungsinversion zwischen zwei
Energiezuständen wird im p-n Halbleiter zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband
erzeugt (siehe Abbildung 2.19).
Energiezustände
Abb. 2.19: Inversion beim Halbleiterlaser
" Löcher "
h v Energiedifferenz
" Löcher "
obere Zustände
untere Zustände
obere Zustände
untere Zustände
des Leitungsbandes
des Valenzbandes
Diese Energiebänder sind so zu verstehen, dass bei Halbleiterlasern die Energieniveaus
nicht wie bei Gasen als diskrete Zustände, sondern als kontinuierliche Verteilung innerhalb
eines Energiebandes behandelt werden müssen. Die Anregung erfolgt durch Injektion von
Minoritätsträgern über den p-n Übergang (Injektionslaser). Valenzelektronen werden durch
den Pumpprozess vom Valenzband ins Leitungsband befördert, fallen dort innerhalb von
Sekundenbruchteilen in die untersten Zustände des Leitungsbandes und lassen im oberen
Teil Löcher zurück. Dasselbe trifft auf Elektronen nahe der Oberkante des Valenzbandes
zu. Auch sie fallen in die untersten Zustände und lassen dabei Löcher zurück. Damit wird
eine Inversion zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband erzeugt.
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2.1.3.4 He-Ne Laser
Der He-Ne Laser ist ein Gaslaser, der zu den weitverbreitetsten Lasern gehört. Seine
Vorteile liegen vor allem darin, dass er leicht zu bauen, relativ preiswert und zuverlässig ist
sowie einen sichtbaren Laserstrahl besitzt.
Ein He-Ne Laser besteht aus folgenden drei Komponenten:
Gas: Lasermaterial
Resonator: dient der Erzeugung einer stehenden Welle
Energiequelle: zur Anregung der Gasladung
Das Lasermaterial besteht aus einem Gemisch von Helium und Neon. Die eigentliche
Lasertätigkeit (stimulierte Emission) geschieht nur zwischen den Energieniveaus des
Neons, während das Helium zur Unterstützung des Pumpprozesses (Inversion)
beigemischt wird. Ein typisches Gemisch, um einen Laserstrahl der Wellenlänge 632,8 nm
zu erzeugen, besteht aus fünf Teilen Helium und einem Teil Neon.
Laser-Strahl:
ca. 1 mm Strahldurchmesser
λ = 632.8 nm
kohärentes Licht
.
Ausgangsleistung
0,5 - 10 mW
Interferenz-Spiegel
Reflexion 98 %
Durchlässigkeit 2 %
Abb. 2.20: Gaslaser-Resonator
Gaslaser - Resonator
im Resonator bildet sich eine stehende Lichtwelle
Laser-Material: Ne
Entladungsrohr mit
He-Ne 5:1,
induzierte Emission
oder
zur Anregung der Gasentladung 10 W
Brewsterscheiben
sphärischer
Spiegel R Sph=
1 m
Oberflächengüte besser
als /20
Interferenz-Spiegel
Reflexion 99,9 %
Der Resonator besteht aus einer Gasentladungsröhre, die an ihren Enden mit je einem
Brewster-Fenster verschlossen ist, und zwei gegenüberliegenden Spiegeln. Die Brewster-
Fenster sind um den Polarisationswinkel geneigte Scheiben, die den Laserstrahl linear
polarisieren. Das auf die Spiegel auftreffende Licht wird größtenteils reflektiert. Einer der
beiden Spiegel ist jedoch mit einem teilweise durchlässigen Belag beschichtet, so dass ein
kontinuierlicher Strahl von kohärentem und parallelem Laserlicht abgegeben werden kann
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λ

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Pumpmechanismus:
Durch den Pumpmechanismus werden die He-Atome angeregt. Diese fallen vom höheren
Energieniveau zurück in metastabile Zustände und regen die Ne-Atome durch Stöße
zweiter Art an. Diese Energieübertragung zwischen den Atomen und Molekülen vom
Helium auf das Neon ist der eigentliche Hauptpumpmechanismus im He-Ne System
21
20
19
18
17
He+
Abb. 2.21:Pumpmechanismus beim He-Ne Laser
2.1.3.5 Hochleistungsdiodenlaser
1
2 s
3
2 s
Stöße 2.Art
IR (1,15 mm)
rot (632,8nm)
Im Gegensatz zum Kohlendioxidlaser, der bis zu 35000 Watt Leistungs-Aufnahme hat,
benötigen herkömmliche Laserdioden gerade einige Milliwatt.
Kohlendioxidlaser:
Bevor der Kohlendioxidlaser energiereiches Licht aussendet, muss er zunächst mit Energie
stimuliert werden. Dazu wird er mit kurzen Lichtblitzen aus Xenon- oder Quecksilberlampen
beschossen. Bei diesem Vorgang der Zuführung von Energie (Pumpenergie) wird nur zwei
Prozent der elektrischen Energie genutzt. Der Rest wird in Form von Wärme an die
Umgebung abgegeben. Die Lebensdauer einer Blitzlampe beträgt ca. 300 Stunden.
Trend:
Nach dem Motto „Einigkeit macht stark“ werden tausende von mikroskopisch kleinen
Laserdioden auf Barren versammelt. Mikrolinsen von knapp einem Millimeter Höhe
bündeln die Lichtquellen zu einem kraftvollen Laserstrahl. Das Ergebnis ist ein kompakter
Hochleistungslaser. Nachteilig ist der hohe Preis dieser Laserbarren.
3s
2s
1s
Helium Neon
IR (3,39 mm)
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2
5
2
5
2
5
Ne+
1
1 s
Grundzustand
3p
2p

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2.1.4 CCD-Sensoren
CCD-Sensoren gehören zu den Festkörper-Bildempfängern. Es handelt sich dabei um
hochintegrierte Halbleiterschaltkreise, welche die drei Funktionen fotoelektrische
Bilderfassung, Speicherung und Auslesen in einem Bauteil vereinen.
Das CCD-Prinzip (Charge Coupled Device d.h. ladungsgekoppelte Elemente) besteht
darin, dass Minoritätsträger an der Oberfläche des Halbleiters (Silizium) gespeichert und
transportiert werden.
CCD-Zeilensensoren als zeilenförmige Bildaufnehmer
Die Baustruktur eines modernen Zeilensensors ist in Abbildung 3.22 dargestellt.
CCD - Sensoren
Abb. 2.22: Struktur eines Zeilensensors
CCD - Verschieberegister
Multi-
Plexer
Gate Video
CCD - Verschieberegister
Zwei CCD-Verschieberegister für die Auslesung sind parallel zur lichtempfindlichen CCD-
Zeile angeordnet.
Durch die doppelte Anordnung wird die Anzahl der je Register benötigten Verschiebungen
halbiert. So lässt sich die Aufzeichnungsdichte erhöhen und die Verschiebeverluste
verringern sich.
Bei bildverarbeitenden CCD's werden die Ladungspakete durch einfallende optische
Strahlung gleichzeitig in einer großen Anzahl integrierter Photoelemente generiert und mit
einem einzigen Transferakt parallel in das Transportregister transferiert.
Eine einfache, durch die für die Ausleseregister benötigten Taktreihen gesteuerte,
Ineinanderschachtelung der einzelnen Bildpunktinformationen geschieht in einem
ausgangsseitigen Multiplexer.
Mit derartigen CCD-Zeilen sind Video-Grenzfrequenzen bis 50 MHz zu erreichen.
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2.1.4.1 CCD-Sensoren - Weiterentwicklung zu Bildverarbeitungsscannern
Das Schlüsselelement, die 6 K CCD-Zeile mit 100 Mpixel/s, entspricht 16.000 Scans/s und
ist serienreif. Ideal wäre eine 8 K CCD-Zeile, um ohne Kompromiss die Auflösung von 200
dpi (dots per inch) bei einer Förderbreite der Fördertechnik von 800 mm zu erreichen.
Setzt man die technischen Größen ein, erhält man eine Auflösung der CCD-Sensoren von:
Der 8 K CCD-Sensor löst 0,1 mm (254 dpi) auf der geforderten Förderbreite von 800 mm
auf. Etikettendrucker haben eine Auflösung von 200 - 250 dpi.
Bei einer Scannrate von 16.000 Scans/s kann bis zu einer Fördergeschwindigkeit von 2,3
m/s gelesen werden.
800 mm
Abb. 2.23: CCD Sensor
8.
000dots(
pixel)
= 254dpi
31,
5inch
1 inch = 25,4 mm; 800 mm = 31,5 inch
Beleuchtung
400 W
800 mm
CCD-Scanner
mit Autofokussystem
Höhen-Abtastung
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2.1.5 Lesetechniken
Bei den auf dem Markt erhältlichen Geräten werden im Prinzip drei unterschiedliche
Verfahren angewandt:
1. Lesen mit Laser-Scannern
2. Lesen mit Kamerasystemen
3. Lesen mit Lesestiften
2.1.5.1 Laserscanner
Als Lichtquelle für das Lesesystem wird ein exakt fokussierter und fein gebündelter
Laserstrahl verwendet. Der Laserstrahl wird über einen rotierenden Polygonspiegel
abgelenkt, so dass ein auf- und abgleitender Laserstrahl entsteht. Dieser wird auf den
Barcodeträger weitergeleitet und anschließend als unterschiedlich stark reflektierter
Lichtstrahl über ein Spiegel- und Linsen-System auf einen Fotoempfänger projiziert. Dort
werden die optischen Impulse in binäre elektrische Signale umgewandelt.
Laserscanner erlauben durch die scharfe Strahlenbündelung und die Parallelität des Lichtes
eine relativ große Tiefenschärfe und sind in der Lage, einen Low-Density Code noch auf 1,5
m Entfernung zu lesen. Bei der Installation von Laserlichtquellen sind verbindliche
Sicherheitsmaßnahmen zu erfüllen. Laser-Scanner werden heute nicht nur als stationäre
festinstallierte Systeme verwendet (z. B. an Förderbändern), sondern auch als mobile
Laserpistolen, mit denen vom Fahrerplatz eines Staplers aus das Fördergut direkt
identifiziert werden kann.
Abb. 2.24: Gabelstaplerfahrer mit Scanner
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Prinzip und Ablenkung beim Scannen
Die dynamische Ablenkung der Laserstrahlen wird bei Scannern durch Spiegelsysteme
erreicht. Dabei handelt es sich um eine Anordnung von feststehenden und rotierenden
Spiegeln.
Der von einem Motor angetriebene Polygonspiegel projiziert einen wandernden und sich
wiederholenden Lichtpunkt auf die Codeoberfläche. Je nach Drehzahl und Anzahl der
Spiegel ergeben sich Scanraten von 100-800 Scans/Sekunde. Die unterschiedliche
Reflexion der dunklen Codestriche und der hellen Lücken werden über das Spiegel-Linsen-
System auf einen fotoelektrischen Empfänger gebündelt und dort in die entsprechenden
elektrischen Signale umgewandelt.
90°-Umlenkspiegel
Objektiv
Laserdiode
Strichcode
Abb. 2.25: Spiegel-Linsen-System eines Laserscanners
10-flächiger Polygonspiegel
Empfangsfotodiode
Empfangsoptik
Empfangsverstärker
Abbildung 2.26 (Seite 34) zeigt auf der linken Seite den schematischen Aufbau eines
Laserscanners. Durch kleine Veränderungen beim rotierenden Spiegelrad wird aus einem
Einstrahlscanner ein Mehrstrahl- bzw. Rasterscanner.
Dieser wird jedoch gegenüber dem Einstrahlscanner um 90° gedreht angeordnet (siehe
auch Seite 35), so dass die Laserstrahlen horizontal parallel sind.
Müssen mehrere verschiedene Strichcodes gelesen werden, wie dies bei Odette-Labels der
Fall ist, so wird ein Einstrahlscanner mit einem motorisch angetriebenen Schwingspiegel
ausgerüstet. Dadurch wird der Laserstrahl in der Höhe verschoben und kann kurz
hintereinander die einzelnen Barcodes eines Labels scannen (siehe rechte Seite von
Abbildung 2.26).
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Abb. 2.26: Scanner ohne und Scanner mit Schwingspiegel (Fächerscanner)
Abb. 2.27: stationärere. omnidirektionale Laserscanner im Materialfluss
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1. Einstrahlscanner
Das Polygonspiegelrad ist achsparallel montiert. Es wird ein einzelner Lichtstrahl projiziert.
Dieser Scanner wird eingesetzt, wenn bei einer Förderstrecke die Barcode-Striche parallel
zur Förderrichtung und die Leserichtung im rechten Winkel zur Förderstrecke stehen.
Die Striche sind waagerecht und der Laserstrahl senkrecht orientiert. Dies hat den Vorteil,
dass der Code nicht genau in der Höhe platziert sein muss. Diese Anordnung wird häufig in
der Praxis realisiert, da der Code den Strahl auf jeden Fall passiert.
Abb. 2.28: Prinzip Einstrahlscanner
2. Mehrstrahlscanner
Das Polygonspiegelrad wird nicht achsparallel auf dem Rotor aufgebracht, sondern um
einen Winkel α versetzt. Es entsteht so ein Rasterscan mit - je nach Ausführung - 8 bis 10
projizierten Laserstrahlen.
Dieses Prinzip wird eingesetzt, wenn die Striche des Codes sich nur senkrecht zur
Förderrichtung anbringen lassen.
Durch den Rasterscan ist gewährleistet, dass die Codes auch in der Höhenlage eine
gewisse Toleranz aufweisen können.
-
α
+
Laserstrahl
(Mehrfachstrahl)
Laser
gebündelter Strahl
α
-
Förderrichtung
Abb. 2.29: Prinzip Mehrstrahlscanner
+
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Um das Ausrichten der Barcodeetiketten zu sparen, können bei überquadratischen
Strichcodes zwei unter 90 ° angeordnete Scanner eingesetzt werden. Diese Anordnung
bedingt jedoch einen großen Abstand zwischen den einzelnen Paketen (siehe Abb. 2.30).
Abb. 2.30: 90°-Scanner-Anordnung
Eine andere Möglichkeit stellt die Verwendung eines T-Codelabels dar, bei dem der
Strichcode einmal normal und einmal um 90° versetzt auf das Label gedruckt wird.
Nachteilig ist hierbei der große Platzbedarf der Barcodeetiketten (siehe Abb. 2.31).
Abb. 2.31: T-Codelabel
Den höchsten technischen Aufwand stellt die Verwendung eines omnidirektionalen
Laserscanners dar. Dieser Scanner projiziert ein komplettes Gitter an Strahlen und erfasst
dadurch den Barcode in jeder Lage (Abb. 2.32).
Bild 2.32: Omnidirektionaler Scanner
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Eine Neuerung auf dem Markt ist ein holographischer omnidirektionaler Laser. Kernstück
dieses Scanners ist eine runde, schnell rotierende Glasscheibe, auf die eine Vielzahl von
holographischen Facetten aufgebracht ist (siehe Abbildung 2.33).
Abb. 2.33: Prinzip eines holographischen Scanners
Durch die Abbildungseigenschaften der holographischen Facetten, die jeweils auf einen
bestimmten Tiefenschärfebereich abgestimmt sind, und durch die Nutzung aller verfügbaren
Tiefenschärfebereiche durch die schnelle Drehung der Trägerscheibe wird eine überaus
große Tiefenschärfe von 110 cm erreicht. Dabei ist das nutzbare Scanvolumen eine
quadratische Säule. Die Größe der Scanflächen ist im Gegensatz zu herkömmlichen
omnidirektionalen Scannern in jeder Ebene gleich groß (siehe Abbildungen 2.34 und 2.35).
Abb. 2.34: Scanvolumen eines normalen Scanners Abb. 2.35: Scanvolumen eines holograph. Scanners
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2.1.5.2 CCD-Kameras
Bei Einsatz von Kamerasystemen sind lichtempfindliche Elemente (CCD-Sensoren) im
Brennpunkt eines Linsensystems angebracht. Durch die schnelle interne parallel-serielle
Abtastung der einzelnen Punkte (Pixel) wird ein Strichcode in ein Punktraster aufgelöst.
Eine minimale Pixel-Zahl (z. B. vier Pixel beim TC 6 1 ) muss die Projektion eines schmalen
Striches ergeben, um aufgelöst zu werden. Der Code, der vom CCD-Sensor aufgenommen
wird, wird als elektrischer binarisierter Impulszug nachgebildet. Auch hier kann mit
entsprechender Linsenoptik der Leseabstand auf mehrere Meter ausgedehnt werden.
CCD-Kamerasysteme benötigen eine zusätzliche Lichtquelle, um das Leseobjekt zu
beleuchten. Dafür wird meistens ein 50 W Halogenscheinwerfer verwendet.
A
B
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C
D
Strichcode-Ebene
A = Abhängig von der Brennweite B = Lesedistanz C = Schärfentiefe D = Lesehöhe
Der Code muß so ausgerichtet sein, daß die Striche des Codes
senkrecht zur Längsachse des TC 6 ausgerichtet sind.
Abb. 2.36: Prinzip der Lesung
1 Produkt der Firma Datalogic
TC 6
Ablese-Linie
Linsensystem mit
Wechselobjektiv
für verschiedene
Distanzen

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Weiterentwicklung CCD-Area Scanner
Im wirtschaftlichen Vergleich kann die CCD-Scanner-Technik noch nicht mit den
Laserscannern mithalten. Dies wird aber nur mittelfristig der Fall sein.
Auf der anderen Seite ist die CCD-Technik mit all seinen Innovationen und Möglichkeiten
dem Laser inzwischen weit voraus.
Mit den neusten CCD-Scannern können Standardbarcodes sowie 2 D-Codes (Stapelcode
oder Matrixcode omnidirektional) gelesen werden (siehe Kapitel 2.1.5).
Da der CCD-Scanner in jedem Fall ein ganzes Bild aufnehmen muss, können natürlich auch
andere Nutzinformationen, z. B. bei Päckchen und Paketen, Unterschriften, Adressblock
usw. von speziellen externen Decodern ausgewertet werden.
Beispiel:
Legt man den Fokus auf den KEP-Markt (Kurier-, Paket- und Expressdienste) der im Jahr
2000 in Deutschland ein Umsatzvolumen von rund 10 Mrd. Euro und 1,4 Mrd. Sendungen
erreicht, so könnte dieser Markt die Lesetechniken vor neue Herausforderungen stellen.
Waren können auch im Zeitalter des Internets und E-Commerce nicht gebeamt werden.
Dabei kommen ganz neue Anforderungen bei der Etikettierung der Sendungen auf die
Technik und IT-Bereich zu:
Mit welcher Technik wird das Sendungsetikett erstellt?
Wie stellt man die Einmaligkeit eines solchen Etikettes sicher?
Die Frage ist:
Wird sich bei den Paketdiensten ein Standard etablieren, z. B. in Bezug auf 2D-Symbole?
Dann sind CCD-Scanner die richtige Investition in die Zukunft in diesem Markt.
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2.1.5.3 Lesestifte
Der Code wird mit einer Infrarot-LED abgetastet. Hierbei befindet sich die Infrarot-LED
zusammen mit dem Empfänger (Fototransistor) kompakt in einem Lesestift. Das diffus von
der Infrarot-LED beleuchtete Strichcodeobjekt reflektiert das Licht und der Fototransistor
wandelt die optischen Signale in elektrische Impulse um. Diese Technik funktioniert nur auf
sehr kurzen Entfernungen, so dass der Lesestift direkt über die Codeoberfläche geführt
werden muss.
Lesestifte werden meist dann eingesetzt, wenn der Code vom Personal abgestrichen
werden muss. Laserscanner und CCD-Kameras hauptsächlich dann, wenn der Leser
irgendwo stationär eingesetzt wird und die codierten Objekte daran vorbeigefördert werden
oder wenn aus einiger Entfernung abgescannt werden muss, wie dies beim Gabelstapler-
Beispiel der Fall ist.
Kappe
Sender
Abb. 2.37: Schematische Anordnung der Optik eines Lesestiftes
Rubinspitze
Empfänger
Lesewinkel Leserichtung
45°
Abb. 2.38: Lesestift beim Scannen eines Barcodes
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2.1.6 Mobile Datenträger
2.1.6.1 Passive Datenträger mit digit. Datenübertr. bei induktiver Kopplung
Die mobilen Datenträger arbeiten ohne eigene Stromquelle. Innerhalb der
Erfassungsreichweite erfolgt die Energieversorgung und die Übermittlung der gespeicherten
Information zwischen Lesekopf und Datenträger durch induktive Kopplung bei
Frequenzbereichen zwischen 150 und 300 kHz.
Es gibt unterschiedliche Übertragungsverfahren und daher auch unterschiedliche patentierte
Übertragungstechnologien.
Technisch angewandt werden zwei Arten von Datenträgern:
1. Datenträger mit Festcode
z. B. in der Ausführung als 64-Bit Festcode davon 44 Bit als Nutzinformation
(= 17.600 Milliarden Codiermöglichkeiten) und 20 Bit zur Sicherung der Übertragung.
Die Programmierung erfolgt bei der Wafer-Fertigung
Chipfläche 1 mm 2 (CMOS-Chip)
Lesezeit 8,5 ms
2. Datenträger mit adressierbarer Programmierung
z. B. programmierbarer Datenträger von 32 Byte bis zu mehreren kBytes. Eine
Vergrößerung des Speichers ist lediglich eine Frage des Bedarfs (Preis der Chipfläche).
Die Beschriftung eines Datenträgers mit 30 Stellen ist bei einer Fördergeschwindigkeit von 3
m/s möglich.
Beide Datenträger sind auf Hybridbasis hergestellte Einchiplösungen, welche jeweils aus
einem einige mm 2 großen Silicium-Chip, einem Kondensator und einer Kupferlack-
Drahtspule bestehen.
Anwendungsbeispiele mobiler Datenträger
Bodenadressen für FTS, Hängebahnen, Paletten, Gitterboxen, Transportbehälter,
Lagerfachkennzeichnungen, Stapler, Werkstückträger, Werkzeuge, Zutrittskontrollen.
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Datenverkehr zwischen Schreib-/Lesegeräten (SLG) und den Datenträgern
Selbstsynchronisierende Datenübertragung zwischen SLG und Daten-träger.
Energieübertragung und Datentransfer miteinander gekoppelt.
Hohe Datenraten bis 30000 Bit/sec.
Unmittelbare Antwort des Datenträgers innerhalb der Erfassungsreich-weite; die
maximale „transmission latency time“ beträgt: TL max. = 5 sec.
Die Erfassungsreichweite (Abstand zwischen Datenträger und SLG) für Lesen und
Schreiben ist abhängig von der Bauform und Baugröße des Datenträgers (Spule)
und beträgt einige hundert Millimeter.
Abb. 2.39: Datenverkehr beim programmierbaren Datenträger
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2.1.7 EAN • UCC: "The Global Language of Business!"
Die Grammatik dieser Sprache, d.h. die Regeln des EAN • UCC-Systems wurden
gemeinsam von der International Article Numbering Accociation (EAN International) in
Brüssel und dem Uniform Code Council (UCC) in den USA verbindlich festgelegt. Analog
zum Telefonieren, Autofahren oder Internet-Surfen wird durch diesen Weltstandard die
eindeutige, weltweit überschneidungsfreie Kennzeichnung von Wirtschaftsgütern und
Betrieben mit offenen Nummernsystemen garantiert.
Die Philosophie dieses Systems zieht eine Verbindungslinie zwischen den Identifikations-
und Kommunikationsinstrumenten in Transport und Logistik. Die Automatische
Datenerfassung (ADC = Automatic Data Capture) wird verwendet, um Transporteinheiten
am Wareneingang oder im Logistikzentrum zu identifizieren. Mit Hilfe der Automatischen
Datenübermittlung (EDI = Electronic Data Interchange) können alle erforderlichen Stamm-
und Bewegungsdaten zwischen den Geschäftspartnern ausgetauscht werden. Daten also,
die physikalische Vorgänge auslösen und diese begleiten, bzw. ihnen voraus- oder
nachgesendet werden.
Abb. 2.40: Identifikationsstandards des EAN•UCC-Systems 2
2.1.7.1 Die Instrumente
In seinem Kern besteht der "EAN-Standard" 3 heute aus folgenden Instrumenten:
Die Internationale Lokationsnummer (ILN) 4
dient der eindeutigen Identifikation physikalischer und elektronischer Adressen von
Geschäftspartnern, Produktionsstätten, Filialen sowie organisatorisch relevanten
Betriebsstellen (beispielsweise die Identifikation eines Wareneingangstores). Sie ersetzt
unternehmensübergreifend die bislang üblichen redundanten Kunden- und
Lieferantennummern. Darüber hinaus wird die ILN als Basis für die Generierung
anderer Nummernsysteme wie der internationalen Artikelnummer oder auch der
Nummer der Versandeinheit verwendet.
2
Centrale für Coorganisation GmbH (CCG), EAN 128: Internationaler Standard zu Übermittlung strichcodierter
Dateninhalte, Köln, 2001, S. (1) 3 ff
3
Aus Vereinfachungsgründen wird allgemein von EAN gesprochen, gemeint ist stets das EAN•UCC-System.
4 International: Global Location Number (GLN)
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Die Internationale Artikelnummer (EAN) 5
als einheitliche, weltweit überschneidungsfreie 8-, 13- oder 14stellige Kennzeichnung
von Produkten. Die strichcodierte Umsetzung der EAN ist die Grundlage für das
Scanning an Einzelhandelskassen, im Wareneingang, beim Kommissionieren, sowie
der Inventur und ermöglicht dadurch den Zugriff auf vorhandene Stammdaten.
Die Nummer der Versandeinheit (NVE) 6
identifiziert weltweit eindeutig Transporteinheiten - Paletten, Versandkartons, Pakete
und Päckchen - auf ihrem Weg durch die logistische Kette. Die NVE wird als EAN 128-
Strichcode dargestellt und ermöglicht als Schlüsselbegriff den Zugriff auf vorauseilende
Informationen, wie zum Beispiel ein Lieferavis.
Der EAN 128-Datenbezeichnerstandard
ergänzt die obige Nummernsystematik um die Möglichkeit logistische
Zusatzinformationen standardisiert darzustellen. Einzigartig bei diesem Standard ist,
dass jeder Dateninhalt exakt durch sein Format und einen zugehörigen
Datenbezeichner (DB) beschrieben wird. Der so codierte Dateninhalt wird vorrangig mit
der Strichcodesymbologie EAN128 dargestellt. 7
DB Codierter Dateninhalt Format
00 Nummer der Versandeinheit n2 + n18
01 EAN der Handelseinheit n2 + n14
02 EAN der enthaltenen Einheit N2 + n14
10 Losnummer/Chargennummer n2 + an..20
15 Mindesthaltbarkeitsdatum (JJMMTT) n2 + n6
21 Seriennummer n2 + an..20
37 Anzahl enthaltene Einheiten n2 + n..8
330x Bruttogewicht, Kilogramm n4 + n6
400 Bestellnummer des Warenempfängers n3 + an..30
410 ILN des Warenempfängers n3 + n13
421
...
Postleitzahl im internationalen Format
(vorangestellter 3-stelliger ISO-Ländercode)
n3 + n3 + an..9
Abb. 2.41: Auszug der bisher von EAN•UCC verabschiedeten Datenbezeichnerliste
Mit Hilfe der Datenbezeichner ist der Empfänger der strichcodierten Information in der
Lage, nach eigenen Bedürfnissen zu selektieren, welche Informationen in den
nachgeschalteten Anwendungsprogrammen weiterverarbeitet und welche ignoriert
werden können.
5 International: Global Trade Item Number (GTIN)
6 International: Serial Shipping Container Code (SSCC)
7 Für spezifische Anwendungsfelder werden derzeit von EAN international und UCC neue lineare Strichcodes
entwickelt, die sog. Reduced Space Symbology (RSS). Zielrichtung ist die Kennzeichnung von Kleinstprodukten
sowie die omnidirektional lesbare Darstellung von Zusatzinformationen auf eng begrenztem Raum.
In Ergänzung zu den bewährten Strichcodelösungen EAN/UPC und UCC/EAN-128 soll zukünftig auch die
Transpondertechnologie (RFID) beispielsweise zur Identifikation von Mehrwegbehältern eingesetzt werden.
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Der EANCOM®- Standard als typischer Einsatz von Nachrichtentypen in
Geschäftsprozessen wird in Kapitel 3 " Kommunikationssysteme" unter 3.5. behandelt.
Hinweis: vertieft wird Kapitel 2.1.7 "EAN • UCC" auch in Übung 3.
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Notizen zu
Kapitel 2.1 Codiertechnik
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2.2 RFID
2.2.1 RFID: Einführung und Funktionalität
Radio Frequency Identification (RFID) ist eine Technologie zur eindeutigen und
kontaktlosen Identifizierung von Objekten jeglicher Art. Sie ermöglicht eine schnelle und
automatische Datenerfassung mittels elektromagnetischer Wellen.
Die RFID-Technik erschließt im Bereich Logistik, Intralogistik, Materialverwaltung, Industrie-
Automaten, Service und Identifikation neue praktische Anwendungsgebiete und ersetzt
dabei altbekannte Eigenschaften des Barcodes oder der optischen Erkennung von
Objekten.
RFID wird als Oberbegriff für die komplette technische Infrastruktur verwendet.
Sie umfasst:
den Transponder (auch RFID-Etikett, Chip oder Tag genannt),
die Sende-Empfangs-Einheit (auch Reader genannt) und,
die Integration mit Servern, Diensten und sonstigen Systemen wie z.B.
Kassensystemen oder Warenwirtschaftssystemen.
Abb. 2.42: RFID Funktionalität
2.2.2 Geschichte und Entwicklung
In den 1960ern wurden die ersten kommerziellen Vorläufer der RFID-Technologie auf den
Markt gebracht. Es handelte sich dabei um elektronische Warensicherungssysteme
(engl. Electronic Article Surveillance = EAS) um Diebstähle zu unterbinden. Es war nur
möglich 1 Bit an Informationen zu übertragen. Es konnte also nur das Vorhandensein oder
das Fehlen der Markierung geprüft werden. Die Systeme basierten auf Mikrowellentechnik
oder Induktion.
IT für Intralogistiksysteme Prof. Dr.-Ing. Frank Thomas Seite 47

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Die 1970er brachten zahlreiche neue Entwicklungen, die den Einsatz von RFID-Technologie
in verschiedenen Bereichen ermöglichen sollten. Die Arbeit konzentrierte sich dabei auf die
Möglichkeit, Tiere zu kennzeichnen, Einsatz in der Automatisierung sowie Fahrzeuge im
Verkehr automatisch zu identifizieren. Gefördert wurde die Technologie in den 1980ern
besonders durch die Entscheidung mehrerer amerikanischer Bundesstaaten sowie
Norwegens, RFID-Transponder im Straßenverkehr für Mautsysteme einzusetzen.
In den 1990ern setzte sich die RFID-Technik für Mautsysteme weiter in den USA durch.
Es wurden neue Einsatzgebiete für RFID erschlossen, indem man Systeme für
Zugangskontrollen, bargeldloses Zahlen, Skipässe, Tankkarten, usw. entwickelte.
Die 2000er brachten einen starken Preisverfall der RFID-Technik durch Massenproduktion
mit sich, der den Einsatz von RFID-Transpondern auch in Verbrauchsgegenständen
ermöglichte. Die Technologie hatte sich so schnell entwickelt, dass es versäumt worden
war, Industriestandards zu definieren. Es werden dennoch zur Zeit von diversen
Institutionen und Interessenverbänden verstärkt an Erweiterungen, Normierungen und
Standards der RFID-Technik gearbeitet und solche verabschiedet (siehe Kapitel 2.2.11).
2.2.3 Technologie
Die RFID-Transponder unterscheiden sich teilweise stark voneinander.
Der Aufbau eines RFID-Transponders sieht prinzipiell eine Antenne, einen analogen
Schaltkreis zum Empfangen und Senden (Transponder), sowie einen digitalen Schaltkreis
und einen permanenten Speicher vor.
Abb. 2.43: Tag mit Chip (etwa mittig), außen ist die Antenne in Schleifen angebracht
RFID-Transponder können über einen mehrfach beschreibbaren Speicher verfügen, in dem
während der Lebensdauer Informationen abgelegt werden können.
Je nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich auch die Kennzahlen wie z.B.:
Funkfrequenz
Übertragungsrate
Lebensdauer
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Kosten pro Einheit
Speicherplatz
Funktionsumfang
Für Spezialanwendungen können auch Kryptographiemodule oder externe Sensoren wie
z.B. GPS in den RFID-Transponder integriert sein. Auch die RFID-Sende-
Empfangseinheiten unterscheiden sich in Funktionsumfang und Aussehen. So ist es
möglich, sie direkt in Regale oder Personenschleusen (z.B. bei der Grenzabfertigung) zu
integrieren.
Die Vielzahl von unterschiedlichen Geräten und Etiketten ist nur zu sehr geringem Teil
vollständig kompatibel. Regional unterscheiden sich die verwendeten Frequenzen und
bevorzugten Standards.
Probleme mit der Verständigung kann es indes auch bei Produkten mit hohem Wasseranteil
(Joghurt, Mineralwasser etc.) und beim Vorhanden sein von Metallteilen (Einkaufswagen,
Autoteile etc.) geben. Diese können die ohnehin schwachen Abstrahlungen von passiven
RFID-Transpondern noch weiter mindern. Ebenso kann es zu Problemen kommen, wenn
der RFID-Transponder direkt am Produkt sitzt und dieses eine "hohe" Dichte hat.
2.2.4 Baugröße und Bauformen
Maßgeblich für die Baugröße sind die Antenne und das Gehäuse. Die Form und Größe der
Antenne ist abhängig von der Frequenz bzw. Wellenlänge. Je nach geforderter Anwendung
werden Transponder in unterschiedlichen Bauformen, Größen und Schutzklassen
angeboten.
Sie können, je nach Einsatzgebiet, durchaus die Größe von Büchern besitzen (z.B. in der
Containerlogistik); es ist mit heutiger Technik aber auch möglich, sehr kleine RFID-
Transponder herzustellen, die sich in Geldscheinen oder Papier integrieren lassen.
Transponder werden gegenwärtig vorwiegend als Etiketten (siehe Abb. 2.44) hergestellt.
Genauso aber existieren auch Bauformen wie Schlüsselanhänger (Wegfahrsperre),
Glasröhrchen (Tieridentifikation), Nägel (Palettenidentifikation), Chipcoins
(Abrechnungssystem z.B. in öffentlichen Bädern) oder Chipkarten (Zutrittskontrolle).
Abb. 2.44: Etiketten-Transponder
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2.2.4.1 Smart Labels
Andere Bezeichnungen: Wegwerftransponder oder Intelligentes Papier
Folie wird auf Spulen aufgewickelt und kann wie Papier weiterverarbeitet werden
Integration in Chipkarten möglich
Ultraflache Transponder, Antenne auf eine Folie aufgebracht
Frequenz meist von 13,56 MHz
Kommunizieren über die induktive Kopplung mit dem Lesegerät
Passive Energieübertragung
In der Massenproduktion schon günstiger (derzeit aber noch > 25 Cent)
Abb. 2.45: Smart Labels auf Rolle und lose
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2.2.4.2 Polymer Drucktechnologie
flexibel, leicht, bruchsicherkostengünstige Prozesse (Drucken statt Lithographie)
Preisziel für Herstellung des Tags: unter 1 Cent Low-cost Elektronik für alltägliche Dinge
- direkt auf Verpackung druckbar
Seit 2004 arbeiten 20 europäische Partner an der polymerelektronischen Technologie
(Projekt: POLY APPLY = Application of Polymer Electronics Towards Ambient
Intelligence)Tests mit Materialien auf Basis organischer Halbleiter
Abb. 2.46: Versuchsreihe Polymerer Drucktechnologie
2.2.5 Energieversorgung und Frequenzen
Das deutlichste Unterscheidungs-Merkmal stellt die Art der Energieversorgung der RFID-
Transponder dar. Kleine batterielose RFID-Transponder (passive Transponder) besitzen
keine eigene Energieversorgung und müssen ihre Versorgungsspannung durch Induktion
aus den Funksignalen der Basisstationen gewinnen. Dies reduziert zwar die Kosten und das
Gewicht der Chips, gleichzeitig verringert es aber auch die Reichweite.
Diese Art von RFID-Transpondern wird z.B. für Produktauthentifizierung bzw. Auszeichnung,
Zahlungssysteme und Dokumentenverfolgung eingesetzt, da die Kosten pro Einheit hier
ausschlaggebend sind.
RFID-Transponder mit eigener Energieversorgung (aktive Transponder) erzielen eine
erheblich höhere Reichweite und besitzen einen größeren Funktionsumfang, verursachen
aber auch erheblich höhere Kosten pro Einheit. Deswegen werden sie dort eingesetzt, wo
die RFID-Transponder eine lange Lebensdauer haben, z.B. bei Containerlogistik oder bei
der Mauterfassung (Österreich).
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2.2.5.1 Aktive und Passive RFID-Transponder
Aktive RFID-Transponder
Aktive RFID-Transponder sind batteriebetrieben und können typischerweise sowohl
gelesen, als auch beschrieben werden. Aktive RFID-Transponder befinden sich
normalerweise im Ruhezustand, d.h. sie senden keine Informationen aus.
Nur wenn ein spezielles Aktivierungssignal empfangen wird, aktiviert sich der Sender.
Der interne Speicher kann, je nach Modell, bis zu 1 Million Bytes aufnehmen.
Aktive RFID-Transponder sind im Vergleich zu passiven RFID-Transpondern meist größer,
besitzen eine höhere Sendereichweite, haben eine geringere Lebensdauer und sind deutlich
teurer.
Batteriebetrieben
Können sowohl gelesen, als auch beschrieben werden
Senden im Ruhezustand keine Informationen aus
Bei Signal, aktiviert sich Sender.
Der Speicher kann je nach Modell bis zu 1 Million Bytes aufnehmen
Aktive RFID Tags meist zu groß
Aber: hohe Sendereichweite
Geringere Lebensdauer
Signifikant teurer !
Passive RFID-Transponder
Passive RFID-Transponder beziehen ihre Energie zur Übertragung der Informationen aus
den empfangenen Funkwellen. Die Menge der gespeicherten Daten ist wesentlich geringer
als bei aktiven RFID-Transpondern. In ihrem Speicher wird üblicherweise eine eindeutige
Identifikationsnummer (GUID = Globally Unique Identifier) hinterlegt. Manche passive
Transponder sind mit einem wieder beschreibbaren Speicher ausgerüstet.
Passive RFID-Transponder sind im Vergleich zu aktiven RFID-Transpondern kleiner und
leichter, haben eine geringe Reichweite, eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer und sind
vergleichsweise günstig.
Energie aus denn empfangenen Funkwellen
Können nur gelesen werden
Geringere Speicherkapazität
Speicher für eindeutige Identifikationsnummer
(GUID = Globally Unique Identifier) global eindeutige Zahl
Kleiner und leichter
Geringe Sendereichweite
Nahezu unbegrenzte Lebensdauer
Günstig ! ( noch nicht billig genug) !
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2.2.5.2 Frequenzbandbereiche/Systeme
1. Für den Einsatz werden vier Hauptfrequenzbänder vorgeschlagen:
Niedrige Frequenzen (30 - 500 kHz):
Diese Systeme besitzen eine geringe Reichweite, lange Übertragungszeiten, sind aber
günstig in der Anschaffung und eignen sich dadurch z.B. für Zugangskontrollen und
Wegfahrsperren (häufig 125 kHz = LF).
Mittlere Frequenzen (10 - 15 MHz):
besitzen eine kurze bis mittlere Reichweite, mittlere Übertragungsgeschwindigkeit, mittlere
bis günstige Preisklasse. In diesen Frequenzbereich arbeiten die sogenannten Smart Label
(meist 13,56 MHz = HF).
Hohe Frequenzen (850 - 950 MHz, 2,4 - 2,5 GHz, 5,8 GHz):
besitzen eine hohe Reichweite (max. 30 Meter), schnelle Lesegeschwindigkeit, Preise
steigen aber rapide bei höherer Leistung der Systeme. Einsatz z.B. im Bereich der
automatisierten Mautsysteme und Güterwagen-Erkennung.
Typische Frequenzen sind 868 MHz = UHF und 2,45 GHz = µW = SUHF (Microwave)
sowie 5,8 GHz (siehe folgende Abbildungen 2.47 und 2.48).
Abb. 2.47: Differenzierung nach der Übertragungsfrequenz (ein Auswahlproblem)
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Parameter Niedrigfrequenz Hochfrequenz
Frequenz
Leseabstand
Lesegeschwindigkeit
Feuchtigkeit
Metall
Ausrichtung des Transponders beim
Auslesen
weltweit akzeptierte Frequenz
heutige ISO-Standards
typische Transponder-Bautypen
beispielhafte Anwendungen
Frequenz
Leseabstand
Lesegeschwindigkeit
Feuchtigkeit
Metall
Ausrichtung des Transponders beim
Auslesen
weltweit akzeptierte Frequenz
heutige ISO-Standards
typische Transponder-Bautypen
beispielhafte Anwendungen
125 - 134 kHz
bis 1,2 m
langsam
kein Einfluss
negativer Einfluss
nicht nötig
11784/85 und 14223
Glasröhrchen, Transponder im
Plastikgehäuse, Chipkarten,
Smart label
Zutritts- und Routenkontrolle,
Wegfahrsperren, Gasablesung
Abb. 2.48: Systemübersicht der 4 (Haupt-)Übertragungsfrequenzen
ja
868 bzw. 915 MHz
bis 4 m
schnell
negativer Einfluss
kein Einfluss
teilweise nötig
teilweise (EU / USA)
14443, 15693 und 18000
Smart label,
Industrie-Transponder
Palettenerfassung,
Container- Tracking
13,56 MHz
bis 1,2 m
Je nach ISO-Standard
kein Einfluss
negativer Einfluss
nicht nötig
14443,15693 und 18000
Smart label
Kennzeichnung hochwert.
Artikel, Ticketing, Tracking
& Tracing, Pulk Erfassung
Parameter Ultrahochfrequenz Mikrowelle
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ja
2,45 bzw. 5,8 GHz
bis zu 15 m
(vereinzelt bis 1 km)
sehr schnell
(aktive Transponder)
negativer Einfluss
kein Einfluss
immer nötig
Teilweise (nicht EU)
18000
Großformatige
Transponder
Straßenmaut,
Container- Tracking

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2. Es werden 3 Systeme unterschieden:
Close Coupling-Systeme
Close Coupling-Systeme finden in Bereichen Anwendung, bei denen ein hoher
Sicherheitsstandard verlangt wird. Sie arbeiten mit passiven Transpondern mit induktiver
oder kapazitiven Kopplung zum Erfassungsgerät, die Reichweite liegt im Bereich zwischen
0 -1 cm.
Anwendung finden die Close Coupling-Systeme bei elektronischen Türschließanlagen oder
bei kontaktlosen Chipkartensystemen mit Zahlungsfunktion. Aufgrund der nur kurzen zu
überbrückenden Distanzen können diese Systeme mit sehr geringen Feldstärken arbeiten.
Remote Coupling-Systeme
Remote Coupling-Systeme arbeiten mit passiven Transpondern bis zu einer Entfernung von
etwa 1 Meter und sind die am meisten eingesetzten RFID-Systeme. Sie arbeiten mit einer
induktiven (magnetischen) Kopplung zwischen Erfassungsgerät und Transponder. Die
verwendeten Frequenzen liegen zwischen 100 kHz und 135 kHz sowie bei 6,75 MHz, 13,56
MHz und 27,125 MHz.
Die Reichweiten sind durch die nach den Standards für solche Geräte maximal erlaubten
Stärken der (elektro-)magnetischen Felder der Erfassungsgeräte begrenzt.
Diese dürfen z. B. im Bereich bis 135 KHz in 10 Meter Abstand in Europa nicht größer als 66
dBµA/m sein, was etwa um den Faktor 2500 unterhalb der dafür gültigen ICNIRP 8 -
Empfehlungen liegt .Im Ansprechbereich liegen die Feldstärken natürlich höher und können
in wenigen Zentimeter Abstand auch die ICNIRP-Grenzwerte erreichen bzw. übertreffen, wie
Messungen in Großbritannien gezeigt haben.
Long-Range-Systeme
Long Range-Systeme arbeiten mit passiven oder überwiegend mit aktiven Transpondern bei
Frequenzen im Mikrowellenbereich um 915 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz und 24,125 GHz. Mit
passiven Transpondern ist eine Reichweite bis zu 3 Metern zu erreichen, mit aktiven bis zu
30 Meter.
Verwendung finden Sie z.B. zur Mauterfassung (wie in Österreich) und anderen
Anwendungen, bei denen größere Distanzen überbrückt oder umfangreiche Datensätze
ausgetauscht werden müssen. Die erlaubten Sendeleistungen der Erfassungsgeräte
betragen ja nach Frequenz und Betriebsweise bis zu 4 Watt EIRP 9 .
8 ICNIRP = International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection
9 EIRP = Equivalent Isotropic Radiated Power
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2.2.6 Kosten
Der Preis von (passiven) RFID-Transpondern bewegt sich, laut einem ZDNet-Artikel,
bei einer Auflage von 1 bis 10 Milliarden zwischen 5 und 10 Cent pro Stück.
Bei einer Auflage von ca. 10.000 RFID-Transpondern bewegen sich die Preise je nach
Größe um die 50 Cent bis 1 Euro.
Momentan bewegen sich die Preise für aktuelle passive RFID-Transponder bei ungefähr
25 - 30 Euro Cent (2006), das noch deutlich zu teuer für eine Breitbandanwendung ist.
Es wird aber damit gerechnet, dass bis zum Jahre 2008 die Preise auf wenige Cent fallen
werden. (siehe auch Kapitel 2.2.8.2, POLY APPLY).
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2.2.7 RFID: Realer Einsatz, Einsatzmöglichkeiten und Visionen
Luxus-Shopping und nie mehr Koffer suchen
Der Einkauf im Supermarkt könnte durch die RFID- Technologie
wesentlich komfortabler werden - für den Kunden und für den
Einzelhandel. Denn die Chips würden zum Beispiel leere
Supermarktregale verhindern. Das Regal checkt regelmäßig die
Menge der Waren und kurz bevor der letzte Artikel einer Sorte
entnommen wird, meldet es der Zentrale: Bitte nachfüllen.
Keine Angst vor dem Verfallsdatum
Auch wenn Kunden Waren entnehmen, es sich später aber
anders überlegen und sie einfach in ein anderes Regal legen,
meldet das Regal den falschen Artikel und ein Mitarbeiter kann
ihn sofort wieder zurückbringen. Oder: Ein RFID-Sensor gibt
Alarm, wenn das Haltbarkeitsdatum von Produkten abzulaufen
droht. Dann könnte die Supermarktzentrale beispielsweise mit
einem Sonderangebot reagieren und die Ware noch rechtzeitig
verkaufen. Auch Waschanleitungen, Gebrauchstipps,
Farbberatung und so weiter können die RFID-Chips direkt im
Laden leisten. Zusatzinformationen direkt am Regal
Enorme Gewinnsteigerung
Im Supermarkt der Zukunft blenden die Regale selbst
Zusatzinformationen ein, wenn ein Kunde einen Artikel
entnimmt: So könnten sie beim Kauf eines Fertiggerichts auf
einen dazu passenden Wein hinweisen, können anzeigen, ob
die Farbe der Schuhcreme auch wirklich zur Farbe der Schuhe
passt, die man damit putzen will, könnten auf Sonderangebote
und Sonderaktionen hinweisen, die zu Artikel passen, die der
Kunde gerade in seinen Einkaufswagen gelegt hat .....
Doch schon bevor die Waren in den Handel kommen, kann die Industrie über die RFID-Technologie
ihre Logistik wesentlich verbessern. Eine Studie des amerikanischen Beratungsunternehmens A. T.
Kearney (www.atkearney.de) prognostiziert dem Handel enorme Gewinnsteigerung durch den
Einsatz von RFID: rund 700.000 US-Dollar pro Milliarde US-Dollar Umsatz.
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Fußballstadion und Bibliothek
Test unter realen Bedingungen
Die Großhandelkette Metro hatte bereits Ende 2004 ihre
Paletten mit der RFID-Technologie ausgerüstet, um ihre
Großhandelslogistik zu verbessern. In einem "Futurestore" in
Rheinberg nahe Düsseldorf (METRO) wird die RFID-Technik
unter realen Bedingungen getestet.
Doch der Einsatz im Supermarkt ist nur ein winziger Ausschnitt aus den Einsatzmöglichkeiten für
RFID: So planen die Organisatoren der Fußball-WM 2006 in Deutschland, die Eintrittskarten mit den
Chips fälschungssicherer zu machen. Auch in Videotheken oder Büchereien kann der Chip das
Ausleihverfahren sehr vereinfachen. Die Stadtbibliothek in Stuttgart hat jetzt angekündigt, ihre Bücher
mit RFID-Chips zu versehen.
Keine verschwundenen Koffer mehr
An verschiedenen Flughäfen wird darüber nachgedacht, die Koffer mit
einem RFID-Chip zu bekleben. Damit wäre der Weg des Koffers lückenlos
nachvollziehbar, ein Verlust oder ein verschicken an die falsche Adresse
nahezu ausgeschlossen.
Hinweis auf Wechselwirkungen
Die Pharma-Industrie plant mittelfristig ihre Arzneimittel mit RFID-Technik zu kennzeichnen.
Damit sollen Fehlmedikationen, Unverträglichkeiten oder Wechselwirkungen der Medikamente
untereinander ausgeschlossen werden. Auch auf Prothesen oder Implantaten, wie zum Beispiel
Herzschrittmachern, könnten die Hersteller wichtige Informationen zu Material oder Herstellung per
RFID-Technologie vorhalten, die dem Arzt im Notfall direkt zur Verfügung stehen würden.
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Einzelbetrieblich wird der Einsatz automatischer Identifikationssysteme (kurz Auto-ID) durch
das Kosten-Nutzen-Verhältnis bestimmt. Die Vorgaben der Einzelhandelsketten wie Wal-
Mart und Metro zwingen jedoch immer mehr Hersteller, RFID-Transponder in ihre Produkte
zu integrieren.
Eine Standardisierungsinitiative von UCC und EAN International hat Anfang 2004 den
EPC = Electronic Product Code (siehe Kapitel 2.2.8.1) entwickelt, der weltweit eindeutig
Waren identifizieren soll.
Die Europäische Zentralbank (EZB) hat vorgeschlagen, RFID-Transponder auf
Geldscheinen anzubringen, um damit gefälschte Banknoten einfacher erkennen zu können.
Eine andere Anwendung ist die Tierkennzeichnung mit RFID-Transpondern statt sichtbarer
Markierungen wie Brandzeichen oder Tätowierungen. Damit können dann Besitzer von
verloren gegangenen oder ausgesetzten Tieren ermittelt werden.
Im November 2004 machte die US-amerikanische Gesundheitsbehörde (FDA) den Weg für
eine weitere Anwendung frei: den Einsatz am Menschen. Der "VeriChip" der US Firma
Applied Digital Solutions soll unter der Haut eingepflanzt im Notfall für Ärzte wichtige
Hinweise wie Allergien, Krankheiten, Blutgruppe u. ä. zur Verfügung stellen.......
Ab. 2.49: „Ohne Worte“ oder „Vision?“
Leihbüchereien wie die neue Wiener Hauptbücherei verwenden RFID-Transponder zur
Bestandskontrolle. Einige RFID-Lesegeräte sind im Prinzip in der Lage, spezielle RFID-
Transponder stapelweise und berührungslos lesen zu können. Dieses Leistungsmerkmal
bezeichnet man Pulklesung. Das bedeutet etwa bei der Entleihe und Rückgabe, dass die
Bücher nicht einzeln aufgelegt und gescannt werden müssen. An den Türen und Aufgängen
befinden sich Gates, die wie Sicherheitsschranken in den Kaufhäusern aussehen.
Sie kontrollieren vereinfachen die Ablaufe für korrektes und schnelles Entleihen.
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Ein weitverbreiteter Einsatz der RFID-Technik in Asien ist der Gebrauch einer
berührungslosen, wiederaufladbaren Fahrkarte diverser Transportunternehmen/
Dienstleister. In Hong Kong, bekannt unter den Namen Octopus-Card, wird sie auch als
elektronisches Geld in Geschäften, Fast-Food-Restaurants und Parkplätzen genutzt.
Andere Städte, in denen integrierte Transponder in Fahrkarten genutzt werden:
Singapur (EZ-link-Karte), Taipei (Easycard) und Großraum Tokio (Suica).
Seit August 2004 entwickelt die Firma Nagra Public Access, ein System, das die
Zweitnutzung von Kunden- und Kreditkarten zu Ticketting-Zwecken ermöglicht.
Die PostFinance (Bank der Schweizerischen Post), die Cornèr Bank und die
Schweizerischen Bundesbahnen wollen ihre Karten mit einem RFID-Transponder
bestücken, der unter anderem auch den Zugang zu zuvor gebuchten Konzerten,
Sportanlässen, Skigebieten, etc... ermöglichen soll.
2.2.8 RFID in der Intralogistik
Abb. 2.50 RFID-Einsatzszenarien in der Intralogistik
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pallet RFID tag
Abb. 2.51: Item/product-, case- und pallet- tagging sowie Transportmittelapplikation
2.2.8.1 EPC-Codes
case RFID tag
product RFID tag
Der Elektronische Produktcode (EPC, englisch: Electronic Product Code) ermöglicht eine
eindeutige Kennzeichnung von Waren und wird der Nachfolger des EAN- Barcodes
(Kapitel 2.7.1) werden (siehe auch Abbildung 2.52).
Der EPC wird in den sogenannten Radiofrequenz-Transpondern (RF-Tag) gespeichert.
Im Gegensatz zum EAN-System ist es mit dem EPC möglich jedem einzelnen Artikel eine
eindeutige Nummer zuzuordnen. Beim EAN verfügt nur jede Artikelart über eine eigene
Nummer.
Abb. 2.52: Stufenweise RFID- Einführung und Aufstieg der EPCs (Prognose)
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Der EPC ist eine Ziffernfolge mit einer Länge von 64 Bit (EPC-64), 96 Bit (EPC-96) oder 256
Bit (EPC-256). Die derzeit verwendeten EAN-Nummern sind in der EPC Ziffernfolge
enthalten. Die verschiedenen EPC Versionen sollen zueinander aufwärtskompatibel sein.
Der grundsätzliche Aufbau der Ziffernfolge ist bei allen EPC Versionen gleich.
Abb.2.53: Zentrale Systembausteine des EPC-Systems
Abb.2.54: Zentrale Systembausteine des EPC-Systems
Der EPC besteht aus:
Network
Internationale
Lokationsnummer
Nummernsystem
EPC Global
Community
Internationale
Artikelnummer
Technische
Spezifikation
Nummer der
Versandeinheit
ILN EAN NVE
Hersteller !
Kann genau einmal verteilt und
eindeutig zurückverfolgt werden !
Artikel !
Versandeinheit !
Diese Nummer identifiziert eine
Versandeinheit (Palette/Karton) weltweit
eindeutig und überschneidungsfrei !
Header: Kennzeichnung der EPC Version
EPC-Manager: Herstellerkennzeichnung
Object Class: Produktkennzeichnung (z.B. Butter, Deutschland, 250g)
Seriennummer: enthält die individuelle Kennzeichnung jedes einzelnen Produkts,
z.B. jede einzelne Butter erhält eine eigene Nummer)
zusätzlich werden noch EAN- und andere Datenelemente im EPC genutzt
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Die EPC-Manager Nummer entspricht der EAN Basisnummer.
Die EPC Object Class entspricht der EAN Artikelnummer.
Abb.2.55: Beispiel für den Aufbau einer EPC Nummer
Weitere Bestandteile des EPC-Systems sind der so genannte Object Naming Service
(ONS) und die Physical Markup Language (PML). ONS ist eine Datenbank in der zu jeder
EPC-Nummer eine Internet-Adresse hinterlegt werden kann, von der man zu genauen
Produktinformationen weitergeleitet wird. Betrieben wird der ONS von EPCglobal.
PML ist eine Computersprache (ähnlich XML) zur Beschreibung von physischen Objekten.
Im Zusammenhang mit der RFID-Technik können somit die Waren von der Herstellung über
den Handel bis zum Verbraucher verfolgt werden. Die Standardisierungsorganisationen
UCC und EAN International haben für die Vermarktung des EPC die Firma EPCglobal Inc.
(siehe auch Abbildung 2.53) gegründet.
Elemente des EPCglobal-Netzwerks
Abb.2.56: Elemente der EPCglobal Community
Eletronic Product Code (EPC): eindeutige Objektidentifikationsnummer,
gespeichert auf dem Transponder (1)
RFID Lesegerät: fragt Transponder nach EPC, leitet ihn an Referenzsoftware weiter (2)
Referenzsoftware: verarbeitet, filtert und leitet die vom Lesegerät kommenden Daten
an Anwendungssysteme weiter (3)
Object Naming Service (ONS): stellt Verbindung mit dem Internet her, um detaillierte
Information zum EPC zu erhalten (4)
Physical Mark-Up Language (PML): standardisiertes Übertragungsformat (5)
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2.2.8.2 Supply Chain Management
Herausforderungen eines leistungsstarken Lieferservices:
Möglichst schnelle Lieferzeit
Gleichzeitig hohe Lieferzuverlässigkeit
Exakte Lieferbeschaffenheit
Gewährleistung von Lieferflexibilität
Abb.2.57: Supply Chain – RFID Schnittstellen
2.2.9 Prognosen
Abb.2.58: RFID Prognose
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2.2.10 RFID versus Barcode
Die RFID-Vorteile gegenüber der Barcode-Technologie:
Kontaktlose Identifikation (auch ohne Sichtkontakt möglich)
Durchdringen verschiedener Materialien wie Karton, Holz etc.
Beliebiges Lesen und Beschreiben des Speichers
Identifizierung in weniger als einer Sekunde
Gleichzeitige Erfassung vieler Transponder
Resistent gegen Umwelteinflüsse
Form und Größe des Transponders sind beliebig anpassbar
Transponder können komplett in das Produkt integriert werden
Hohe Sicherheit durch Kopierschutz/Verschlüsselung
Der RFID-Chip ist ein Datenspeicher, auf dem Produktdaten hinterlegt werden können.
Es ist keine redundante Datenbank notwendig, um erste Informationen gewinnen zu
können
Die Erfassung von RFID bestückten Objekten ist gegenüber dem Barcode mehr als
zwanzigmal schneller möglich
Das Auslesen eines RFID-Tags ist selbst bei größter Verschmutzung möglich
Die Platzierung des zu erfassenden Objekts ist gegenüber dem Barcode weniger
problematisch. Es genügt, wenn sich das Objekt innerhalb des Leseabstands der
Erfassungseinheit befindet
Dennoch:
RFID-Tags sind in der Produktion derzeit noch zu teuer sind, weshalb sich der Einsatz zum
jetzigen Zeitpunkt in den meisten Branchen wirtschaftlich noch nicht lohnt.
Viele Experten sind der Meinung, dass über einen längeren Zeitraum Barcode und RFID
parallel zum Einsatz kommen werden.
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2.2.11 Standards, Normierungen
Abb. 2.59: Standardisierungen
Abb. 2.60: Durch Standards abgedeckte Kriterien (Beispiele)
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IT für Intralogistiksysteme
Abb. 2.61: Richtlinienarbeit im Themenfeld RFID
2.2.12 Trends und News 2007 / 2008
2.2.12.1 Aussichten
aus: ident 02/07
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IT für Intralogistiksysteme
aus: ident 02/07
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IT für Intralogistiksysteme
aus: ap - austropack 03/07
IT für Intralogistiksysteme Prof. Dr.-Ing. Frank Thomas Seite 69

IT für Intralogistiksysteme
2.2.12.2 Fallbeispiel Firma STILL
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IT für Intralogistiksysteme
IT für Intralogistiksysteme Prof. Dr.-Ing. Frank Thomas Seite 71

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Zusatzvertiefung zu
KAPITEL 2: CODIERTECHNIK UND RFID
Auszüge aus Kapitel C4 aus dem "Handbuch Logistik" -
3.,neu bearbeitete Auflage 2008, VDI Springer Verlag
KAPITEL C 4:
INFORMATIONSTECHNIK FÜR LOGISTIKSYSTEME
C.4.6 IDENTIFIKATIONSSYSTEME
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