Mit NFC-Technologie per RFID Geräte konfigurieren und Fehler vermeiden

Für viele Geräte und Maschinen sind Anbauteile, Zubehör oder Verbrauchsmaterialien in verschiedenen Varianten verfügbar. Idealerweise verbessert eine automatische Erkennung die Anwenderfreundlichkeit und vermeidet Fehler. Die meisten mechanischen oder optischen Erkennungsmethoden sind jedoch unflexibel oder kompliziert zu integrieren, sodass diese eher selten zum Einsatz kommen. Eine schnelle und sichere Erkennung bietet hier die NFC-Technologie (Near Field Communication), wobei eine Leseeinheit im Gerät und ein preiswerter passiver Transponder (Tag) auf dem Zubehör als RFID-System (Radio Frequency Identification) arbeiten. Da NFC-Tags auch Daten im iByte-Bereich speichern, kann das Zubehör Geräte-Parameter zur automatischen Anpassung enthalten. Dies trägt auch zur Zukunftssicherheit des Gerätes bei, welches mithilfe von neuem Zubehör neue Funktionen ausführen kann.

Bild 1: Ein Gerät kommuniziert drahtlos mit einem NFC-Tag (RFID-Transponder) und versorgt diesen mit Energie. NXP

Zubehörteile mit Gedächtnis

Ist bei Verschleißteilzubehör die Funktion eines Gerätes nach einer bestimmten Standzeit nicht mehr gewährleistet, kann eine automatische Erkennung zur Deaktivierung führen, um mögliche Schäden zu verhindern. Ein Gerät kann auch für verschiedenes Zubehör konzipiert sein, das jeweils eine eigene Einstellung bestimmter Parameter erfordert. Problematisch ist, dass qualitativ minderwertiges Zubehör, welches nicht vom Originalhersteller stammt, die Funktion eines Gerätes einschränken kann.

Beispielsweise erfordert eine elektrische Zahnbürste nach einer definierten Standzeit den Austausch des Bürstenkopfes, um weiterhin das erwartete Putzergebnis zu erzielen. Originalbürsten sind hierfür optimal ausgelegt. Das Produkt- und Lifecyle-Management von Zubehör hat somit eine nicht zu unterschätzende Bedeutung. Technisch besteht dabei die Anforderung, Zubehör zu erkennen und den Verschleißgrad etwa über die Nutzungsdauer zu messen. Die Erkennung kann optisch erfolgen (Lichtschranken, Barcodes), mechanisch (spezielle Kupplungen, Taster), elektrisch über Kontakte oder auch kontaktlos per RFID erfolgen. Insbesondere auf NFC-basierende RFID-Lösungen bieten für viele Anwendungen Vorteile und kommen nachfolgend genauer in Betrachtung.

RFID-Technologie lässt sich einfach und platzsparend in Zubehör integrieren. Die kontaktlose Datenverbindung zwischen Gerät und Zubehörkomponente ist dabei sehr robust und lässt sich einfach gegen Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit einkapseln. Weil mechanische Kontakte fehlen, tritt durch häufiges Wechseln des Zubehörs kein Verschleiß auf. Bei beweglichem oder drehbarem Zubehör sind kontaktbehaftete Lösungen zudem aufwendig zu konstruieren und störanfällig im Betrieb.

Im Gegensatz zu optischen oder mechanischen Lösungen können RFID-Systeme Daten bidirektional übertragen und speichern. So können Geräte direkt im RFID-Tag auf dem Verbrauchsmaterial die verbleibende Nutzungsdauer oder Restmenge abspeichern.

Im Folgenden gibt der Beitrag einen Überblick über relevante NFC-Standards, Energieübertragung und Reichweite.

Relevante NFC-Standards

Geeignete Funkstandards für die Kommunikation finden sich in der ISO/IEC14443 (NTAG und MIFARE-Tags, entsprechend Typ-2- und Typ-4-Tags des NFC-Forums) und in der ISO/IEC15693 (ICODE tags, Type-5-Tag des NFC-Forums). Beide sind schon lange etabliert und es gibt eine große Auswahl an Produkten im Markt. Dies ermöglicht dem Entwickler, Produkte genau passend zu seinem Anwendungsfall auszuwählen.

Beide Standards beziehen sich auf 13,56 MHz im ISM-Frequenzband (Industrial, Scientific and Medical), welches unter anderem auch für RFID-/NFC-Anwendungen geeignet ist. Beide der oben genannten Standards haben die Type-Tags des NFC-Forums verankert, sodass auch NFC-Lesegeräte wie Mobiltelefone mit solchen Tags kommunizieren können.

ISO/IEC14443 und die ISO/IEC15693 unterscheiden sich in der Übertragungsfrequenz (Subcarrier), Übertragungsgeschwindigkeit und Datenkodierung. Durch diese Unterschiede erzielen ISO/IEC14443-konforme Transponder höhere Datendurchsatzmengen (größere Speicherinhalte in kürzer Zeit) als jene gemäß ISO/IEC15693. Damit erreichen ISO/IEC14443-Transponder Baudraten von 106 kBd und die ISO/IEC15693-Modelle 26,6 kBd. Letztere Standards ermöglicht jedoch größere Sendeleistungen und damit auch höhere Reichweiten.

Energieübertragung und Reichweite

Im Frequenzbereich von 13,56 MHz basiert die Energieübertragung auf dem Transformatorprinzip mit loser Kopplung. Dabei erzeugt die Trägerfrequenz über die Antenne am Basisgerät (Schreib-/Lesegerät) ein elektromagnetisches Wechselfeld. Dieses induziert in die Antenne eines Transponders in Reichweite eine Spannung und versorgt den Transponder-Chip mit Strom.

Die Datenübertragung vom Basisgerät zum Transponder erfolgt mittels Amplitudenmodulation. Der Transponder wiederum kann durch unterschiedliche Belastung des Feldes seine Antwort zurücksenden. Die erzielbaren Reichweiten hängen von der Ausgangsleistung des Schreib-/Lesegerätes und dessen Antennengröße, sowie von der Antennengeometrie und Abstimmung des Transponders ab. Grundsätzlich gilt, je größer die Transponderantenne, umso höher die Reichweite. Dabei ist jedoch immer das Größenverhältnis der beiden Antennen zueinander ausschlaggebend. Ideal für eine gute Kopplung ist eine etwas größere Antenne im Basisgerät als die im Tag.

Die Datenmenge bestimmt den Funkstandard

Bei der Auswahl des Standards für die jeweilige Applikation spielt auch die zu übertragende Datenmenge zwischen Basisgerät und Transponder eine Rolle. Für größere Datenmengen, die auch mehr Zeit für die Übertragung beanspruchen, kann bei einer Speichergröße von einigen Kilobit der Standard ISO/IEC14443 von Vorteil sein, denn dieser erlaubt höhere Datenraten. Deshalb werden Geräte mit größerem Datenspeicher bis zu einigen Kilobyte hauptsächlich nach diesem Standard entwickelt. Für Transponder basierend auf ISO/IEC15693 ist die Speichergröße in der Regel auf einige hundert Byte beschränkt.

In der Praxis besteht ein RFID-System häufig aus der Basiseinheit (Schreib-/Lesegerät) und einem passiven Transponder (Tag) am Gerätezubehör. Damit lassen sich Betriebsdaten im Speicher des Tags auf dem Zubehörteil ablegen. Das ist sehr kostengünstig im Vergleich zu anderen Lösungen, da außer einer Antenne und dem Transponder-Chip für den Tag keine weiteren Komponenten benötigt werden.

Auf der nächsten Seite beschreibt der Beitrag die zugehörige Entwicklungsplatine und zeigt, was beim Antennen-Design zu beachten ist.

Entwicklungsplatine mit Software für den Schnellstart

Bild 2: NFC-Entwicklungsboards bestehen aus Antenne, NFC-Frontend und 32-Bit-Mikrocontroller samt Firmware, der frei programmierbar die gesamte Applikation laden kann. NXP

Für die Prototypen-Entwicklung bietet NXP verschiedene NFC-Entwicklungsboards an und erklärt die Entwicklungsschritte am Beispiel des verbreiteten CLEV663B (Bild 2). Die Schaltung verwendet den NFC-Frontend-Chip CLRC663, den Mikrocontroller LPC1769 zu dessen Ansteuerung sowie eine Antenne. Für erste Versuche ermöglicht die PC-basierte Benutzeroberfläche NFC Cockpit eine einfache Ansteuerung ohne Programmierkenntnisse.

Die am Entwicklungsboard befindliche Antenne ist allerdings nur für erste Funktionstests geeignet und wird den Anforderungen des Entwicklers an den Formfaktor kaum entsprechen. Hierzu lässt sich die angegliederte Antenne einfach abschneiden und durch eine Eigenentwicklung ersetzen. Nach entsprechender Antennenanpassung (Matching) lässt sich die erzielte Lesereichweite einfach und ohne Programmieraufwand überprüfen. Die Implementierung der eigentlichen Applikation auf einem Mikrocontroller kann auf einem LPC1769 erfolgen oder der Entwickler steuert das NFC-Frontend mit einem eigenen Mikrocontroller über das SPI-Interface an.

Sind Antenne und die Transponderkommunikation bereits nach oben aufgeführter Methode verifiziert, entfällt für die folgende Weiterentwicklung des Design die Unsicherheit bei der Fehlersuche nach Software- oder Kommunikationsproblemen der drahtlosen Schnittstelle. Nun kann der Entwickler im nächsten Schritt einen eigenen Mikrocontroller mit eigener Software, und eigener Antenne in das Zielgerät integrieren.

Zur Beschleunigung der Software-Entwicklung Libraries ist die NFC-Reader-Library von NXP verfügbar. Damit entfällt das Programmieren zur Ansteuerung des NFC-Chips auf Registerebene und der Entwicklungsfokus bleibt mehr auf die Applikation gerichtet.

Anforderungen an das Antennen-Design

Beim Design eines Gerätes mit intelligentem Zubehör sind die geometrischen Verhältnisse zu berücksichtigen. Für eine gute Kopplung zwischen Basiseinheit im Gerät und Transponder im Zubehörteil sollte die Distanz zwischen den Antennen kurz sein. Eine geschickte Antennengeometrie berücksichtigt dabei besondere Anforderungen. Beispielsweise kann sich ein Tag in einem Anschraubteil an verschiedenen Winkelpositionen befinden und ist trotzdem positionsunabhängig auslesbar. Kurze Entfernungen von wenigen Zentimetern zwischen Schreib-/Lese-IC und Antenne sind direkt mit Leiterbahnen auf der Platine oder auf einem Flex-PCB realisierbar. Bei größeren Entfernungen bis etwa 10 cm sind Twisted-Pair-Leitungen zu empfehlen. Letztere bergen zwar aufgrund ungleichmäßiger Verdrillung das Risiko einer erhöhten Dämpfung und somit einer Reichweiteneinschränkung der Antenne. Dieser Effekt fällt aber kaum ins Gewicht, wenn der Abstand zwischen beiden Antennen gering ist.

Der Anschluss der geräteseitigen Antenne erfolgt über ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk. Als erste Abschätzung der erforderlichen Bauteilewerte genügen Überschlagsrechnungen – in der Praxis bedarf es jedoch immer noch einer leichten Korrektur. Der Grund liegt typischerweise in nicht korrekt geschätzter Antennen-Induktivität und -Kapazität durch die konkrete Einbausituation. Wichtig ist es, die Antenne an der tatsächlichen Einbauposition zu vermessen, um spätere Schaltungsänderungen zu vermeiden, weil die Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften durch Metall in der Umgebung (Leiterplatten, Gehäuseteile) nicht berücksichtigt wurde.

Die tatsächliche Antennen-Impedanz messen

Bild 3: Kleinstausführung einer Drahtwickel-Antenne für eine NFC-Leseeinheit. NXP

Um hier zu befriedigenden Ergebnissen zu gelangen, ist es unbedingt notwendig, einen Netzwerk-Analyzer zum Überprüfen der Anpassungsschaltung heranzuziehen. Typische Matching-Impedanzen der Antenne liegen im Bereich von 20 bis 80 Ω. Da die Impedanz der Antenne wesentlich für den Stromverbrauch, aber auch die Lesereichweite des RFID-Systems ist, muss diese den Systemanforderungen entsprechend gewählt werden. Die Messung der Impedanz und der richtigen Abstimmung muss nicht zwingend mit einem Netzwerkanalysator der Oberklasse erfolgen, mit Abstrichen beim Messkomfort – etwa die fehlende Echtzeitdarstellung der Impedanz im Smithchart – tun es auch kostengünstige portable Messgeräte mit Messwertdarstellung auf dem PC.

Die Antennenbauart muss ebenfalls berücksichtigt werden, hier stehen Drahtantennen und PCB-basierte Antennen zur Auswahl. Die Montage der Antenne kann durch Kleben, Löten und Eingießen erfolgen. Bei Drahtwickelantennen wie in Bild 3 ist zu berücksichtigen, dass sich Wickeltoleranzen auf die Induktivität und Kapazität auswirken, und damit eine Antenne mit ursprünglich guter Antennenabstimmung eine schlechte Reichweite erzielen kann. Leiterplatten oder Flex-Antennen sind hier wesentlich reprodzierbarer zu fertigen und daher die technisch bessere Lösung.

Wie Ferritfolien die Dämpfung im Metall verringern und was bei der Auswahl der Foliendicke zu beachten ist, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Ferritfolien verringern die Dämpfung durch Metall

Als Faustregel für die Reichweite einer Antenne gilt der ein- bis eineinhalbfache Antennendurchmesser, vorausgesetzt, das Feld wird durch eine Metallumgebung nicht sonderlich gedämpft. Zudem können qualitativ hochwertige Lese-Chips in der Regel größere Entfernungen überbrücken.

Metallwerkstoffe sind in der Nähe der Antenne zu vermeiden, weil sie das elektromagnetische Feld bedämpfen. Ist der Einsatz von Metall nicht vermeidbar, helfen Ferritfolien zur Abschirmung der Antenne. Zu berücksichtigen ist hier, dass die elektromagnetischen Eigenschaften des Ferritmaterials auf den Frequenzbereich von 13,56 MHz abgestimmt sein müssen. Eine zu dünne Ferritfolie schirmt unter Umständen nicht ausreichend, ein wesentlich zu dickes Material erzeugt aber eventuell höhere Kosten ohne wesentlich wirksamer als ein dünneres Material zu sein.

Als typische Dicke für Ferrritfolien kommen 150 bis 250 μm in Betracht, dickeres Material als 250 μm verbessert die Abschirmung gegen Metall nicht mehr wesentlich, treibt aber die Kosten in die Höhe.

Foliendicke und Frequenzbereich müssen passen

Bild 4: Ein hochintegrierter Miniatur-Tag auf Ferritkern der Firma Neosid. NXP

Während der Entwicklung von Designs mit Ferritfolien ist ebenfalls zu beachten, dass die Folien nicht geknickt werden, da sich durch Brüche im Ferritmaterial die elektromagnetischen Eingenschaften ebenfalls ändern. Dies kann zu zeitintensiven Iterationen beim Antennendesign führen, falls dies nicht erkannt wird.

Eine für NFC-Applikationen relevante und wesentliche Materialeigenschaft von Ferriten ist durch die Permeabilitätszahl μ gegeben. Diese komplexe Größe setzt sich zusammen aus dem Realteil μ′ und dem Imaginärteil μ″, der die Verluste beschreibt. Zum Abschirmen gegen Metall kann man μ’>100, μ’’= so niedrig wie möglich für eine 13,56 MHz Antenne annehmen. Da μ’ und μ’’ frequenzabhängig sind, ist es wichtig , dass diese Werte für das ausgewählte Ferrit auch tatsächlich für die Frequenz 13,56 MHz und nicht nur für niedrigere Frequenzen angegeben sind.

Für den Transponder bestehen ähnliche Optionen für die Antennenausführung wie beim Lesegerät. Besonders kleine Bauformen sind möglich mit Drahwickelantennen auf gesinterten Ferriten, welche auch in kundenspezifischen Formfaktoren herstellbar sind (Bild 4).

Transponder mit erweiterter Funktionalität

Für mehr Funktionen und mehr Intelligenz im Zubehörteil sind anstelle von RFID-Tags auch Connected-Tags wie beispielsweise der „NTAG I²C Plus“ einsetzbar, die ein Auslesen und Beschreiben der im Tag gespeicherten Daten über ein I²C-Interface mit einem Mikrocontroller ermöglichen. Zusätzlich zur Datenübertragung besteht bei Connected Tags die Option, die von der Basiseinheit bereitgestellte Feldenergie zu benutzen, um die Baugruppe mit einigen mA für zusätzliche Funktionen mit Energie zu versorgen. Dies kann ein kleiner Mikrocontroller für die Ansteuerung von Tasten oder Sensoren sein.

Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl des Transpondertyps ist die Sicherheit des jeweiligen Transponder-Chips bezüglich  Datenzugriff und der Datenveränderung. In den meisten Fällen genügt es das jeweilige Zubehör mittels einer Nummer im Datenspeicher des Transponders zu identifizieren, um am Basisgerät die entsprechenden Einstellungen für den Betrieb vorzunehmen.

Um eine Manipulation dieser Nummer auszuschließen, kann der jeweilige Speicherbereich im Tag gegen Überschreiben gesperrt werden. Dynamische Daten hingegen, die während des Betriebs durch das Basisgerät am Zubehör verändert werden, bleiben weiterhin schreib- und lesbar. Dies können Daten wie Betriebszeit, Anzahl der Benutzungen oder ähnliches sein. Natürlich lassen sich auch solche Daten während des Lebenszyklus noch im Nachhinein zum Schutz gegen Manipulation sperren.

Wie sich eine Authentifikation einrichten lässt und Beispiele für Geräte mit intelligentem Zubehör zeigt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Authentifikation für Zugriff auf geschützte Speicherbereiche

Bild 5: Der Mixer erkennt per NFC unterschiedliche Aufsätze und gibt passende Mixfunktionen frei. NXP

In manchen Fällen kann es jedoch auch wichtig sein, dass gewisse Daten wie etwa das Datum des letzten Service zwar veränderbar bleiben sollen, in diesem Fall jedoch nur nach vorherigem Berechtigungsnachweis durch das Schreib-/Lesegerät. Hierfür gibt es Transponder, bei denen bestimmte Speicherbereiche im einfachsten Fall durch ein Passwort geschützt werden können. Eine Passwortoption kann dabei definieren, ob die geschützten Datenbereiche nur beschrieben oder auch ausgelesen werden dürfen. Beispiele für Transponder-ICs mit Passwortschutz sind die weit verbreiteten Chips der Familie NTAG 21x, die kompatibel zu Type-2-Tags (T2T) des NFC-Forums sind. ICODE-SLIX-2-Bausteine sind konform zu Type-5-Tags (T5T).

Falls diese Sicherungsmethode in der Applikation jedoch nicht ausreichen sollte, bieten spezielle Transponder eine Authentifizierung mit Zugriffsberechtigung auf den Speicher mittels kryptographischen Datenaustauschs an. Der zum NFC-Forum-Type-4-Tag kompatible NTAG 413 kann zusätzlich den Speicherinhalt basierend auf AES (Advanced Encryption Standard) dynamisch verändern. Bei den T5T-Transponder-ICs gibt es den ICODE DNA, der ebenfalls über eine AES-Authentifikation verfügt. Weil mit höher Datensicherheit auf höhere Kosten und eine größere Komplexität des Gesamtsystems einhergehen, ist hier eine sinnvolle Kosten-Nutzen-Rechnung angebracht.

Beispiele für Geräte mit intelligentem Zubehör

Mit der NFC-basierten Self-Detect-Technologie erkennt eine Mixer-Modell von Vitamix (Bild 5) jeden Behälter, passt seine Mixdauer entsprechend an und aktiviert nur für geeignete Behälter die Heizfunktion. Über NFC wird auch sichergestellt, dass das Gerät nur startet, wenn Behälter und Deckel sorgfältig aufgesetzt sind.

Bild 6: Ein 3D-Drucker erkennt per NFC die eingesetzten Filamente und protokolliert die Restmenge im Transponder. NXP

Der 3D-Drucker Ultimaker 3 (Bild 6) erkennt anhand eines NFC-Tags automatisch, welches von neun verschiedenen Filament-Materialien eingesetzt wurde, und kann diese Information direkt an die Druck-Software weitergeben. Dies stellt eine hohe Druckqualität sicher und vermeidet Fehler. Zudem speichert der Drucker direkt auf der Filamentrolle selbst die Menge des verbleibenden Materials, was mit Barcodes oder QR-Codes nicht möglich wäre.

Zusammenfassung

Entwickler, die ihre Geräte mit mehr Intelligenz und neuen Funktionen ausstatten wollen, haben mit der NFC-Technologie und RFID-Systemen mehr Möglichkeiten denn je. Die Industrie bietet schon heute viele Fertigkomponenten für die Systementwicklung an, welche die Prototypenentwicklung beschleunigen. Dies beginnt mit einer großen Auswahl von NFC-ICs und -Entwicklungsboards, geht über verfügbare Software-Libraries und endet bei einer großen Bandbreite von Formfaktoren für Transponder. Besonders Miniatur-Transponder kommen für das Erkennen von Zubehör und damit das einfache Konfigurieren von Geräten in Frage, denn sie sind mechanisch einfach zu integrieren.

Da Benutzer immer mehr auf eine einfache Bedienung und erweiterte Funktion von Geräten Wert legen, kann die NFC-Technologie für diesen Anwendungsfall eine interessante Lösung für bestehende Design-Probleme sein.

(jwa)