Elektronische Regalplatz-Etiketten mit Energy-Harvesting-Technik

Bild 1: Kommerzielle Electronic Shelf Labels sind an den Regalen im Einzelhandel befestigt und zeigen den aktuellen Preis einer Ware (hier: Bohnen) auf ihrem Display.ST Microelectronics

Ein Electronic Shelf Label (ESL), also ein elektronisches Regalplatz-Etikett, zeigt den Preis einer Ware an und lässt sich auf elektronischem Weg aktualisieren. ESLs sind meist als wiederverwendbare, flache Module in Kreditkartengröße implementiert und mechanisch am Regalplatz des betreffenden Artikels befestigt. Für die Preis-Anzeige sind vorwiegend Flüssigkristall-Anzeigen (LCDs) oder OLEDs verbaut. Ein zentrales oder manuell eingerichtetes Kommunikationsnetzwerk erlaubt ein automatisches Aktualisieren des Displays, wann immer sich der Preis des Artikels ändert. Dieses Netzwerk kann unterschiedliche Übertragungsmedien nutzen. Während die Funk-Übertragung die größte Verbreitung hat, kommt auch die optische Übertragung infrage. Da es durch ein ESL überflüssig wird, bei jeder Preisänderung neue Etiketten zu drucken, ist diese Technik auch für die Umwelt vorteilhaft.

Das in Bild 1 gezeigte typische ESL basiert auf einem standardmäßigen LC-Modul, was zwei Konsequenzen hat: Es ist mit einem Mikrocontroller-System ausgestattet, das stets aktiv ist und je nach Betriebszustand viel oder wenig Energie benötigt (Preisanzeige: geringer Stromverbrauch – Preisaktualisierung: hoher Stromverbrauch). Außerdem benötigt es eine Batterie oder eine andere Energiequelle, die in regelmäßigen Zeitabständen wieder aufgeladen oder ersetzt werden muss.

Bild 2: Das Schema eines umfangreichen Informationssystems für den Einzelhandel zeigt, dass längst verschiedene Displays per Netzwerk angebunden sind.ST Microelectronics

ESL verbessern

Um zu einer besseren Implementierung zu kommen, empfiehlt sich ein systematischer Blick auf Einzelhandels-Informationssysteme. In Bild 2 ist schematisch ein größeres Ladengeschäft dargestellt, in dem sich neben mehreren speziellen Servern sowie leitungsgebundenen und drahtlosen Netzwerken auch zahlreiche Displays und Etiketten befinden können, deren Spektrum von kleinen Tags bis zu großformatigen Bildschirmen reicht. Diese Tags, Bildschirme oder Informationsterminals werden in vielen Fällen über Ethernet mit Strom versorgt, erreichen einen erheblichen Datendurchsatz und können von einem zentralen Server aus aktualisiert werden. Insgesamt handelt es sich hier also um ein äußerst umfangreiches, vernetztes System mit lokaler oder zentralisierter Überwachung und Aktualisierung. In einigen Fällen können die Preisauszeichnungen und Werbedisplays eines ganzen Einkaufszentrums je nach den Vorgaben des einzelnen Ladens auf einmal oder zu vorbestimmten Zeiten aktualisiert werden.

Bild 3: Aufbau eines Regalplatz-Etikettierungssystem kleineren Maßstabs als in Bild 2.ST Microelectronics

Die Struktur eines wesentlich überschaubareren Systems für kleinere Läden zeigt Bild 3. Die hier verwendeten ESLs haben eine Größe zwischen 2 und 3 Zoll, und es kommt ein tragbares Terminal oder ein Smartphone mit NFC-Funktionalität (Near-Field Communication) zum Einsatz, das mit den Etiketten kommuniziert und die aktualisierten Informationen überträgt. Die NFC- und die RFID-Technik bilden meist die Grundlage für derartige Lösungen. Steht eine Preisaktualisierung an, werden die entsprechenden Daten zuerst in das RFID-Lesegerät oder das Handheld-Terminal geladen, um sie von dort – nach erfolgreicher Authentifizierung – an das ESL zu übermitteln, sobald der Abstand zwischen Terminal und ESL klein genug ist. Bei diesem Verfahren geht es nicht ohne periodische Wartungsmaßnahmen wie dem Auswechseln von Batterien.

NFC, Smartphones und das Datenformat

Die auf Deutsch Nahbereichskommunikation genannte NFC-Technik ist in ISO 15693 standardisiert, basiert auf RFID und überträgt Daten zwischen zwei Geräten, die weniger als 10 cm voneinander entfernt sind. Werden NFC-fähige Geräte einander angenähert, können sie durch resonante induktive Kopplung miteinander kommunizieren. Praktischerweise nimmt die Verbreitung von Smartphones schnell zu und in verschiedenen Preissegmenten gibt es Android-Handys mit NFC-Funktionalität. Für den Einsatz in Electronic-Retail-Applikationen lassen sich Android-basierte Apps für solche Smartphones entwickeln.

Um in NFC-Anwendungen Daten zu übertragen, kommt das NDEF zum Einsatz (NFC Data Exchange Format). Dieses standardisierte Datenübertragungsformat wurde vom NFC-Forum definiert und wird in den Anwendungen als standardisiertes Implementierungsprotokoll genutzt. Mit seiner Hilfe kann die Android-Applikation eine NFC-Discovery-Fähigkeit erhalten: Die Smartphone-App startet dann automatisch, sobald der Anwender sein Mobiltelefon in die Nähe eines ESL hält.

Die ESL-App steht als .apk-Datei zur Verfügung, die der Anwender per USB Mass Storage Mode auf sein NFC-kompatibles Android-Handy überträgt. Ist die App dagegen auf einer SD-Card gespeichert, lässt sie sich genau wie jede andere Android-App installieren. Mit ihr kann der Betreiber des Geschäfts via Smartphone das Dual-Interface-EEPROM des elektronischen Etiketts konfigurieren. Auch Kunden können die Applikation nutzen, und zwar um Informationen über ein Produkt abzurufen. Hierzu müssen sie die App starten und ihr Telefon in die Nähe des jeweiligen ESL halten. Wenige Sekunden später erscheinen die Angaben zu dem betreffenden Produkt auf dem Smartphone. Anschließend lassen sich diese Informationen per SMS, Email oder über soziale Netzwerke weiterleiten.

Stromlos glücklich

Ferner in der Zukunft liegt das Konzept eines ESL, das weder eine Batterie noch eine andere Stromversorgung benötigt. Es ist wartungsfrei und unterstützt eine große Zahl von Aktualisierungszyklen. Energy Harvesting und E-Paper bilden die Basis dieses Etiketts. Unter E-Paper (elektronisches Papier, auch als elektronische Tinte bezeichnet) versteht man LCD-ähnliche Displays, deren Anzeige auch ohne Stromversorgung erhalten bleibt. Sie ahmen das Aussehen echter Tinte auf echtem Papier nach. Während konventionelle hintergrundbeleuchtete Flach-Displays aktiv Licht aussenden, beschränken sich E-Paper-Displays – genau wie normales Papier – darauf, das Licht aus der Umgebung zu reflektieren. Sie sind daher angenehmer zu lesen als konventionelle Displays und ermöglichen auch größere Betrachtungswinkel. Ein ideales E-Paper-Display kann auch bei direkter Sonneneinstrahlung abgelesen werden, ohne dass das Bild zu verblassen scheint.

Bild 4: Dieses mit einem Dual-Interface-EEPROM bestückte ESL nutzt Energy Harvesting als einzige Stromquelle.ST Microelectronics

Im Verbund mit Energy Harvesting, einem Energie-Zwischenspeicher und anschließender Energieumwandlung lassen sich batterielose ESLs wie in Bild 4 realisieren. Das gesamte System einschließlich der Energy-Harvesting-Technik ist nicht größer als das Display selbst.

Das Design

Sowohl die Daten, die das ESL-Display anzeigt, als auch die zum Aktualisieren des Displays benötigte Energie stammen vom Handheld-Gerät. RFID und NFC gehören zu den gängigen Techniken, die sich hierfür eignen. Beide unterstützen einen Kommunikationsmodus, bei dem einer der beteiligten Knoten über keine eigene Energiequelle verfügen muss und stattdessen die Energie des vom anderen Gerät ausgestrahlten Magnetfelds nutzt.

Bild 5: Das Blockschaltbild eines batterielosen ESL zeigt, dass die Energie vom RFID- oder NFC-Sender ausreicht, um zu kommunizieren und das Display zu aktualisieren.ST Microelectronics

Wird die solcherart eingefangene Energie korrekt und effizient genutzt, ermöglicht sie dem Knoten nicht nur die Kommunikation, sondern auch die Ausführung weiterer Aufgaben. Das batterielose ESL nutzt die nicht zur Kommunikation erforderliche Energie, um das E-Paper-Display mit dem erhaltenen Text zu aktualisieren (Bild 5). Sowohl die neuen Daten als auch die nötige Energie werden also vom RFID-Lesegerät oder Smartphone bereitgestellt. ESLs dieser Art können ohne periodische Wartungsmaßnahmen einige tausende Mal aktualisiert werden.

Kommunizierender Speicher

Die RFID/NFC-kompatiblen Dual-Interface-EEPROMs von ST ermöglichen das Design solcher Applikationen. Die Dual-Mode-EEPROMs kümmern sich um die Datenkommunikation per NFC sowie um die Energiegewinnung. Im Prinzip handelt es sich bei diesen EEPROMs um kontaktlose Speicher mit einem zusätzlichen I²C-Interface. ST bietet das M24LR16E mit 16 KBit und das M24LR64Emit 64 KBit Speicherkapazität.

In dem hier behandelten Design kommt der Baustein M24LR16E-R zum Einsatz, der im I²C-Modus in 2048 × 8 Bit organisiert ist, im ISO-15693-Modus und im ISO-18000-3-1-RF-Modus dagegen in 512 × 32 Bit. Der M24LR16E-R verfügt ferner über einen analogen Ausgang für Energy Harvesting und einen anwenderkonfigurierbaren digitalen Ausgangs-Pin, der entweder während eines RF-Schreibvorgangs oder im RF-Busy-Modus auf Low gesetzt wird.

Energiesammler

Neben der I²C-Schnittstelle haben diese Bausteine eine Funkschnittstelle und eine Energy-Harvesting-Funktion. Lese- und Schreibzugriffe können leitungsgebunden per I²C oder per Funk erfolgen. Während der Datenübertragung bietet die eingebaute Energy-Harvesting-Funktion mit ihren eigenen Gleichrichter- und Regelungs-Schaltungen die Möglichkeit, Energie aus dem eingestrahlten HF-Feld zu extrahieren. Die damit erzeugte Spannung ist an einem externen Anschluss des Speicherbausteins herausgeführt. In der Regel können aus diesem Pin bei 2,7 V Spannung zwischen 6 und 7 mA entnommen werden.

Während das RFID/NFC-Schreib-Lesegerät die Daten in das EEPROM schreibt, lädt die Energy-Harvesting-Schaltung einen Superkondensator. Nach Abschluss des Datentransfers wird die Spannung des Superkondensators für die Versorgung des Mikrocontrollers und des ESL auf 3,3 V angehoben. Wegen des begrenzten Umfangs der im Kondensator enthaltenen Energie darf das übrige System kaum Strom verbrauchen. Es basiert deshalb auf einem äußerst sparsamen 8-Bit-Mikrocontroller der STM8L-Familie. In diesem Fall kam der STM8L151 zum Einsatz, der während des Lesens der Daten aus dem EEPROM und der Aktualisierung des Displays nur wenige zehn Mikroampere aufnimmt.

Die Besonderheiten des E-Papers bringen es mit sich, dass für die korrekte Aktualisierung des Display-Inhalts ein kurzer, typisch wenige Millisekunden dauernder Stromstoß von einigen zehn Milliampere ausreicht. Dies erfordert die Verwendung eines Superkondensators mit einem sehr niedrigen ESR. Abhängig davon, wie viel Energie benötigt wird, kann dieser Kondensator eine Kapazität zwischen 0,2 und 1 Farad haben.

Gleichspannung liefern

Das EEPROM liefert eine Gleichspannung,  solange die auf die Schleifenantenne des Speichers einwirkende Feldstärke über einem gewissen Grenzwert liegt. Die verfügbare Energie wird gesammelt, um die für den Betrieb des ESL-Moduls erforderliche Spannung zu erzeugen. Wie groß die gesammelte Energiemenge ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Energie, die vom RFID-Lesegerät oder Smartphone effektiv abgestrahlt wird.
• Effektive Fläche, die die Schleifenantenne des ESL umschließt.
• Entfernung zwischen RFID-Lesegerät und ESL während der Datenaktualisierung.

Das finale Design stellt in der Regel einen Kompromiss zwischen diesen drei Faktoren dar. Macht man die Antenne zu groß, wird auch das ESL entsprechend klobig. Wenn der Sender mehr HF-Energie abstrahlen muss, entlädt sich seine Batterie übermäßig schnell. Um Strom zu sparen, arbeiten Smartphones mit einer deutlich geringeren effektiven Sendeleistung als spezielle RFID-Lesegeräte. Die unter dem Strich geerntete Energiemenge wirkt sich ebenfalls auf die Zeit aus, die das Aktualisieren des ESL erfordert. Höhere Feldstärken an der ESL-Antenne sorgen für ein schnelleres Aufladen des Superkondensators und ein zügigeres Update.

Supercap

Im vorliegenden Fall steigt die Spannung am Superkondensator langsam an, wenn der Ladevorgang begonnen hat. Der Superkondensator speist hier einen monolithischen Aufwärtswandler des Typs L6920D. Dieser Baustein im TSSOP-8-Gehäuse beginnt bei 1 V zu arbeiten und bleibt bei Spannungen bis 0,6 herab funktionsfähig. Solange sich der Superkondensator noch nicht hinreichend aufgeladen hat, bleibt die V_DD-Leitung für den STM8L und das Display deshalb vom Ausgang des L6920D isoliert. Ein PNP-Transistor des Typs 2STR2160 dient hierfür als Schalter. Die Spannung am Superkondensator wird von einer Kombination aus einem NPN-Transistor 2STR1160 und einer Diode erfasst, die den Schalter einschaltet, wenn die Spannung am Kondensator über 1,4 V ansteigt. Der Mikrocontroller wird daraufhin aktiv, liest Daten aus dem EEPROM, aktualisiert das E-Paper-Display und wechselt wieder in den Sleep-Modus. Das Aktualisieren des Displays verbraucht die Energie aus dem Superkondensator und macht das System bereit für ein neues Display-Update.

Für eine Lösung dieser Art finden sich zahlreiche interessante Anwendungen wie etwa Regalplatz-Etiketten in Supermärkten oder Buchhandlungen bis hin zu Krankenhäusern und anderen Orten, an denen intelligente Displays benötigt werden. Denkbar sind beispielsweise intelligente Namensschilder, Statusanzeigen, elektronische Patientenakten und vieles mehr.

(lei)