Bild 1: Blockschaltung des Datenlogger-Systems für Windows.

Bild 1: Blockschaltung des Datenlogger-Systems für Windows.STMicroelectronics

Geräte, die wenig Strom verbrauchen oder ihre Stromversorgung in eigener Regie übernehmen, sind ein neues Schwerpunktthema, in das die Halbleiter‑ und Elektronikunternehmen große Anstrengungen investieren. Eine wichtige Technik in diesem Zusammenhang ist die auf induktiver Kopplung beruhende Nahbereichs-Kommunikation (NFC), bei der mithilfe lose gekoppelter induktiver Schaltungen sowohl Energie als auch Daten drahtlos über Distanzen von einigen Zentimetern übertragen werden. Induktiv gespeiste Empfänger ermöglichen jegliche Art der NFC-Kommunikation, beispielsweise aktiv, passiv oder RFID.

Bild 2: Praktische Umsetzung des Datenlogger-System für Windows.

Bild 2: Praktische Umsetzung des Datenlogger-System für Windows.STMicroelectronics

Demonstriert werden Nahbereichsapplikationen mit dem Evaluation Board Data Logger V3, das mit dem NFC-Tag-Baustein M24LR64 bestückt ist. Dieses Bauelement unterstützt die mit 13,56 MHz arbeitende Kategorie NFCV der NFC-Technik. Der Data Logger V3 verfügt über eine Reihe verschiedener Sensoren und ein RFID-fähiges EEPROM, das für die Datenspeicherung und die kontaktlose Datenkommunikation verwendet wird. Hardwaremäßig sind Sensoren für die Messgrößen Temperatur (STTS751), MEMS (LIS3DH), Feuchte und Licht vorhanden.

Auf einen Blick

NFC-Geräte nutzen vom Prinzip her die gleiche, mit einer Frequenz von 13,56 MHz arbeitende Technik wie RFID-Tags und kontaktlose Smartcards. Die NFC-Technik ist von der ISO/IEC (International Organization for Standardization / International Electrotechnical Commission), dem ETSI (European Telecommunications Standards Institute) und der ECMA (europäischer Verband zur Normung von Informations‑ und Computersystemen) anerkannt. Für die Kommunikation mit dem Tag benötigt die NFC-Technik eine Distanz von 4 cm oder weniger. Sie ermöglicht die Übertragung von Nutzdaten entweder zwischen einem Tag und dem NFC-Schreib-Lesegerät oder aber zwischen zwei NFC-Schreib-Lesegeräten.

Die Daten, die von den verschiedenen Sensoren des Data Logger Systems geliefert werden, werden mit einer zuvor spezifizierten Rate aufgezeichnet und können zu einem späteren Zeitpunkt mit einer PC‑ beziehungswiese Android-basierten Applikation ausgelesen und visualisiert werden. Die Applikation macht auf diese Weise die Eigenschaften und Zugriffsmechanismen des RFID-basierten EEPROMs M24LR64 deutlich.

Das M24LR64 ist ein Dual-Interface-EEPROM mit 8 KByte Speicherkapazität, das zwei Kommunikations-Modi unterstützt: I2C-Kommunikation (leitungsgebunden) für die Verbindung zu einem Mikrocontroller, sowie HF-Kommunikation für die drahtlose Datenübertragung gemäß der ISO-Norm 15693.

Die Datenlogger-Applikation besteht aus den beiden Abschnitten Hardware und Software. Die universell nutzbare Leiterplatte enthält den Mikrocontroller STM8L, einen MEMS-Sensor LIS3DH, STTS751-Temperatursensoren, Fotosensoren und das EEPROM M24LR64. In die Leiterplatte ist außerdem die induktive Antenne integriert. Die Knopfzelle CR2032 übernimmt die Stromversorgung der Platine, die zum Abspeichern der Sensordaten im EEPROM mithilfe der I2C-Kommunikation erforderlich ist. Sind die Daten im EEPROM abgelegt, sind sie per PC oder über eine Android-basierte Software-Applikation mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) zugänglich.

Bild 3: Blockschaltung Datenlogger-System für Android.

Bild 3: Blockschaltung Datenlogger-System für Android.STMicroelectronics

Eine spezielle GUI auf PC‑ oder Android-Basis interagiert per Funk (ISO15693) mit dem Data Logger V3. Die Applikation nimmt Verbindung mit dem HF-Transceiver CR95HF von ST auf, der wiederum drahtlos mit einer Frequenz von 13,56 MHz mit dem EEPROM auf der Platine kommuniziert.

Datenlogger-Applikation

Bei der Datenlogger-Applikation muss zwischen zwei Betriebszustände unterschieden werden, nämlich der Datenaufzeichnungs-Phase und der Datenzugriffs-Phase.

In der Datenaufzeichnungs-Phase wird das Board von der 3-V-Knopfzelle versorgt. In regelmäßigen Intervallen legt es die Sensordaten im EEPROM ab. Hierfür verwendet es die I2C-Kommunikation. Im Einzelnen werden folgende Daten aufgezeichnet:

  • Die Umgebungstemperatur, gemessen mit dem Temperatursensor STTS751,
  • Vibrationsdaten, gemessen mit dem MEMS-Sensor LIS3DH,
  • Freifalldaten, ebenfalls gemessen mit dem MEMS-Sensor LIS3DH,
  • Umgebungslicht-Daten, gemessen mit dem Fotosensor,
  • Feuchtigkeitsdaten, gemessen mit dem Feuchtesensor.

Nachdem in der Datenzugriffs-Phase die Daten im EEPROM abgelegt sind, wird die Knopfzelle mithilfe eines auf der Platine befindlichen Schalters von den angeschlossenen Stromkreisen getrennt. Das Board verhält sich daraufhin wie ein kontaktloses, passives RFID-Tag und nutzt seine induktive Antenne für die drahtlose Kommunikation. Die Energieübertragung vom RFID-Leser CR95HF an das EEPROM erfolgt per Hochfrequenz (13,56 MHz) unter Verwendung von Kopplungsantennen, mit denen sowohl das Lesegerät als auch das EEPROM ausgestattet ist.

Bild 4: Praktische Umsetzung des Datenlogger-Systems für Android. Hier ein Android-basiertes Mobiltelefon mit NFC-Transceiver.

Bild 4: Praktische Umsetzung des Datenlogger-Systems für Android. Hier ein Android-basiertes Mobiltelefon mit NFC-Transceiver.STMicroelectronics

Der RFID-Leser strahlt mit seinem hochfrequenten elektromagnetischen Feld Energie aus, die von der Antenne des EEPROMs aufgefangen und für dessen Stromversorgung genutzt wird. Das Lesegerät kann mit einer unter Android laufenden Applikation oder einer PC-basierten GUI drahtlos Befehle an das EEPROM senden und auf sämtliche Daten zugreifen, die im EEPROM hinterlegt sind. Auch die Visualisierung dieser Daten erfolgt mit der auf Windows oder Android basierenden GUI.

Die beiden Software-Applikationen Android (Datalog V3) und Windows-Desktop bieten die Möglichkeit, drahtlos auf die im EEPROM gespeicherten Daten zuzugreifen.

Die Android-Applikation Datalog V3

Android ist ein Software-Stack für mobile Geräte. Es besteht aus dem eigentlichen Betriebssystem sowie Middleware und wichtigen Applikationen. Das Android SDK umfasst die Tools und APIs, die nötig sind, um mit der Programmiersprache Java Applikationen auf der Android-Plattform zu entwickeln. Die Anwendung, um die es in diesem Beitrag geht, wurde mit dem Android SDK 10.0.0 und der Android-Version 2.3.3 geschrieben, die die NFC-APIs für den Datentransfer zwischen Telefon und Tag bereithält. Für die Kommunikation kommt die Variante NFCV der NFC-Technik zum Einsatz.

Bild 5: Screenshots der auf dem Android-Mobiltelefon laufenden Datalog V3 Applikation.

Bild 5: Screenshots der auf dem Android-Mobiltelefon laufenden Datalog V3 Applikation.STMicroelectronics

Die Applikation Datalog V3 unterstützt alle auf dem Data Logger V3 vorhandenen Sensoren und macht darüber hinaus von den NFC-APIs des Android SDK Gebrauch (Bild 5). Eine unbedingte Voraussetzung ist, dass der Anwender über ein Mobiltelefon verfügt, das unter Android ab Version 2.3.3 läuft und mit NFC-Funktionen ausgestattet ist. Auf dem Mobiltelefon muss außerdem die Applikation Datalog V3 gestartet werden, die NFC-Tags (also auch das Board Data Logger V3) erkennt, wenn diese in die Nähe des Mobiltelefons kommen. Nach erfolgter Erkennung des Tag hat der Anwender die Wahl, entweder eine neue Datenerfassung zu starten oder die vom Data Logger V3 aufgezeichneten Daten abzurufen. Als Tag-Element dient auf der Karte der Baustein M24LR64, der außerdem ein EEPROM mit 8 KByte Speicherkapazität bereithält. Zum Ablegen der Daten, die von den verschiedenen Sensoren geliefert werden, ist der EEPROM-Speicher in einzelne Sektoren unterteilt. Als Referenz für den Benutzer enthält die Applikation DataLog V3 eine Help-Datei mit Bedienhinweisen.

Windows-Applikation Event-/Data Logger

Der Event and Data Logger ist eine unter Windows laufende Desktop-Anwendung, die auf Basis der WPF-Technologie entwickelt wurde und mit dem DEMO-CR95HF-Board und dem Data Logger V3-Board arbeitet. DEMO-CR95HF ist die Schreib-Lese-Platine, die per USB (unter Verwendung des HID-Profils) mit dem PC kommuniziert. Die Leiterplatte ist mit dem NFC-Transceiverbaustein CR95HF von ST bestückt. Als Tag dient das Board Data Logger V3, das wie erwähnt mit dem M24LR64 bestückt ist. Nachdem die Applikation gestartet ist, kann der Anwender sie mit dem DEMO-CR95HF-Board verbinden. Dabei stellt die Applikation dem Anwender Funktionen Data Logger und Event Logger zur Verfügung.

Bild 6: Screenshot der Windows-basierten Event-/Data Logger-Applikation.

Bild 6: Screenshot der Windows-basierten Event-/Data Logger-Applikation.STMicroelectronics

Der Benutzer initialisiert in dieser Applikation das Data Logger V3-Board, um die Datenerfassung per NFC über das DEMO-CR95HF-Board zu starten.

Während der Datenaufzeichnungs-Phase wird das Datenlogger-Board aus einer 3-V-Knopfzelle gespeist. Nach Abschluss der Datenaufzeichnung kann der Anwender die Knopfzelle entfernen, um anschließend die Daten mit dem RFID-Leser auslesen. Während der Lesephase erfolgt die Energieversorgung des EEPROM aus dem vom RFID-Lesegerät ausgestrahlten elektromagnetischen Feld. Die vom Leser erfassten Daten lassen sich für sämtliche auf dem Data Logger V3-Board vorhanden Sensoren grafisch darstellen (Bild 6).

Diese Applikation gibt dem Anwender die Möglichkeit, Grenzwerte für die verschiedenen Sensoren zu definieren. Die Daten werden in diesem Fall nur dann aufgezeichnet, wenn die Sensorwerte das vorgegebene Limit passieren. Die Erfassung der Daten auf dem Board entspricht dem für die Data Logger-Applikation beschrieben Verfahren. Die Daten werden also mithilfe des DEMO-CR95HF-Board per NFC abgerufen und von der Applikation visualisiert (Bild 7).

Bild 7: Screenshot der Daten/Event-Darstellung der Windows-basierten Applikation.

Bild 7: Screenshot der Daten/Event-Darstellung der Windows-basierten Applikation.STMicroelectronics

Künftige Anwendungen

Das Datenlogger-Board basiert auf dem STM8L, einem 8-Bit-Mikrocontroller von STMicroelectronics. Das System eignet sich für eine ganze Reihe von Low-Power-Applikationen, von denen nachfolgend einige aufgezählt werden.

Energy-Harvesting-Anwendungen: Das Demo-System kann für die Entwicklung von Anwendungen auf Basis des Energy Harvestings genutzt werden. Zur EEPROM-Familie M24LRx gehört auch der Baustein M24LR16. Es handelt sich hierbei ebenfalls um ein Dual-Interface-EEPROM mit Unterstützung für die RFID-Kommunikation. Es bezieht seine Energie aus einem RFID-Leser. Während ein Teil dieser Energie für den Zugriff auf den EEPROM-Speicher verwendet wird, dient der verbleibende Teil dazu, die Bauelemente auf der Leiterplatte mit Strom zu versorgen. Hiervon profitiert somit der Betrieb der Applikation, die immer nur für kurze Zeit Energie benötigt, so dass auf eine eigene Batterieversorgung verzichtet werden kann.

E-Paper-Applikation: In bestimmten Anwendungen müssen die auf dem Display angezeigten Daten nur einmal am Tag oder gar nur einmal in der Woche geändert werden. Unter E-Paper versteht man eine Art elektronisches Papier, das immer nur dann Strom verbraucht, wenn sich der Displayinhalt ändert. Die vorhandene Darstellung bleibt dagegen erhalten, ohne dass Strom verbraucht wird. Kombiniert man dieses elektronische Papier mit einem RFID-EEPROM, so wird es möglich, den Zugriff auf die Daten und ihre Änderung drahtlos per HF-Kommunikation vorzunehmen. Die Energie des vom Lesegerät ausgesendeten elektromagnetischen Feldes setzt das EEPROM in Betrieb und ermöglicht auf diese Weise ein Energy Harvesting. Die so gewonnene Energie wird abgesehen vom EEPROM-Zugriff auch für die Versorgung der Leiterplatte verwendet.

Medizin‑ und Wellness-Applikationen für das Consumer-Segment

Im medizinischen Bereich können am Körper eines Patienten die verschiedensten Sensoren angebracht werden, die ihre Daten in einem EEPROM ablegen. Mit einem geeigneten Lesegerät haben Ärzte die Möglichkeit, diese Daten zu einem späteren Zeitpunkt abzurufen. Eine lückenlose Überwachung von Patienten wird damit möglich. Abgesehen von speziellen Lesegeräten können auch Mobiltelefone mit NFC-Ausstattung zum Abrufen der gespeicherten Daten genutzt werden. Hier wird dann eine spezielle, wiederum unter Android laufende Applikation zum Visualisieren der Daten verwendet.

Das Data Logger V3-Board demonstriert die Aufzeichnung der Daten, die von seinen Temperatur‑, MEMS‑, Licht‑ und Feuchtesensoren bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist es jedoch möglich, weitere Sensoren wie etwa ein Gyroskop, Magnetometer oder Drucksensor an das System anzuschließen.

Mit diesen Sensoren lassen sich somit Datenlogger realisieren, die verschiedene Parameter von Patienten in einer Krankenhausstation aufzeichnen, um diese in regelmäßigen Abständen in einem EEPROM abzuspeichern. Der EEPROM-Inhalt wiederum kann täglich oder in einem anderen Rhythmus per HF-Kommunikation ausgelesen werden.

Ein Beispiel für eine Wellness-Applikation ist das Pedometer, also ein Schrittzähler, mit dem die von einem Fußgänger zurückgelegte Wegstrecke gemessen werden kann. Das MEMS-basierte System erkennt Bewegungen des Trägers und ermittelt hieraus die Distanz. Die Wegstrecken-Information kann ebenfalls im Dual-Interface-EEPROM abgelegt und an ein NFC-fähiges Android-Mobiltelefon übertragen werden. Das Gehpensum lässt sich auf diese Weise ebenso in Echtzeit erfassen wie die verbrannten Kalorien.

Automatisierungstechnik

Auch für Automatisierungssysteme und die Logistik in der Nahrungsmittel‑ und Getränkeindustrie eignet sich das Data Logger V3-Board.

Mit MEMS‑, Feuchte‑ und Temperatursensoren lassen sich Aussagen über den einwandfreien Betriebszustand industrieller Automatisierungssysteme einholen. Man platziert die Sensoren hierzu in der Nähe von Maschinen und deren beweglichen Teilen. Auch hier können die Sensordaten in das EEPROM übertragen und von dort per RFID-Interface abgerufen werden. Das Abrufen der Informationen ist damit ohne Anhalten der Maschine möglich.

Der Einsatz eines Datenloggers bietet sich auch beim Transport von Lebensmitteln an, bei denen ein bestimmter Temperaturbereich nicht verlassen werden darf. Hat die Sendung ihren Bestimmungsort erreicht, können die aufgezeichneten Daten ausgelesen werden, um die korrekte Einhaltung des vorgeschriebenen Temperaturbereichs zu überprüfen. Auch etwaige Manipulationen an der Verpackung lassen sich auf diese Weise aufdecken.

In unserer energiehungrigen Welt hat die Senkung des Stromverbrauchs einen hohen Stellenwert. Die Verwendung des STM8L mit entsprechenden Sensoren kommt stromsparenden Anwendungen entgegen. Der STM8L ist ein Low-Power-Mikrocontroller, der eigens für batteriebetriebene oder besonders sparsame Anwendungen konzipiert ist und bereits bei Spannungen ab 1,8 V einsatzfähig ist. Im Betrieb nimmt er lediglich Ströme von einigen Mikroampere auf. Das Data Logger V3-Board mit sämtlichen Sensoren nimmt insgesamt zirka 500 µA auf. Der Codeumfang von etwa 16 KByte lässt sich abhängig von den individuellen Anforderungen weiter optimieren.

Die Spitzentechnologie der Dual-Interface-EEPROMs ebnet einen neuen Weg zur drahtlosen Kommunikation und zur Welt der Datenaufzeichnung. Die Möglichkeiten, zur Laufzeit auf die verschiedenen Anwenderdaten zuzugreifen, verbessern sich dadurch erheblich. Für portable Systeme und drahtlose Kommunikationssysteme ergeben sich hieraus zweifellos neue Perspektiven.