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IMMS Neue RFID-Technologie ermöglicht batterielosen Betrieb von Sensoren

| Redakteur: Alexander Stark

Digitale Sensoren werden die heute weitverbreiteten Teststreifen ergänzen. Statt einfacher Ja-Nein-Aussagen, wie für Schwangerschaftstests, werden Sensoren dann quantitative Aussagen für eine schnelle Analytik direkt zu Hause ermöglichen, zum Beispiel um Patienten mit Herzleiden zu überwachen. Mit einer neuen Technologie lassen sich die Sensoren per NFC ohne eigene Batterie betreiben.

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Mit der am IMMS entwickelten Smartphone-App lassen sich RFID-Sensoren für die Point-of-Care-Diagnostik bequem auslesen.
Mit der am IMMS entwickelten Smartphone-App lassen sich RFID-Sensoren für die Point-of-Care-Diagnostik bequem auslesen.
(Bild: IMMS)
  • RFID-Chip zum batterielosen Betrieb kommerzieller Sensoren
  • RFID-Sensor-Transponder-Chip sendet Messdaten and NFC-fähige Smartphones
  • Chips erfassen und übertragen auch Sensordaten von diagnostischen Laboranwendungen

Das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme hat für die Point-of-Care-Diagnostik der Zukunft einen passiven NFC-fähigen RFID-Sensor-Transponder-Chip entwickelt. Er versorgt kommerzielle Einzelsensoren mit Energie und sendet deren Messdaten berührungsfrei an ein NFC-fähiges Smartphone oder eine andere RFID-Ausleseeinheit. Im Gegensatz zu Bluetooth oder WiFi können Sensoren per NFC ohne eigene Batterien betrieben werden, was gegenüber heutigen elektronischen Einmaltests ein erheblicher Vorteil ist. Dank integriertem I2C-Master und Energiemanagement lassen sich mit dem IMMS-Chip auch energieintensive Messungen kostengünstig und flexibel ausführen. Ausgewertet werden die Daten z.B. per App für Android. Solche drahtlosen Point-of-Care-Sensor-Lösungen sind als vollwertige IoT-Komponenten über Big Data und Cloud-basierte Anwendungssoftware wichtige Basis für neue datengetriebene Geschäftsmodelle.

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Die Verbindung von RFID mit Sensoren zu RFID-Sensoren ist eine Weiterentwicklung der RFID-Technologie. Kern ist ein RFID-Sensor-Transponder-IC – eine integrierte Schaltung, die Umweltparameter, wie die Temperatur, misst und diese Informationen an das Lesegerät überträgt. Mit der durch Smartphones stark verbreiteten Nahfeldkommunikation (NFC) werden Energie und Daten über kurze Distanzen übertragen. NFC nutzt die gleichen ISO-Protokolle für die Kommunikation mit den Transpondern wie HF-RFID bei 13,56 MHz. Jedes NFC-fähige Smartphone funktioniert somit als RFID-Lesegerät, das den Sensor-Transponder mit Energie versorgt, so dass dieser Sensordaten ohne Batterie auf der Transponder-Seite auslesen und übertragen kann.

Anpassungsfähige und energieeffiziente Transponder-Architekturen fehlen

Stand der Technik sind dedizierte RFID-Sensor-Transponder-ICs, bei denen die Sensoren direkt im RFID-Chip integriert sind, um Energieeffizienz, Funktionalität und Sensorgenauigkeit im IC zu optimieren. Solche ICs werden jedoch für spezifische Anwendungen ausgelegt und lassen sich daher nicht breit und flexibel genug in mehreren Anwendungen einsetzen. Viele kommerzielle RFID-Sensoren kombinieren daher RFID-Transponder-ICs, Mikrocontroller (MCU) und Einzelsensoren.

Die Sensoroperationen werden hier von der MCU gesteuert, d.h. mit der MCU als Master und RFID-IC sowie Sensoren als Slave. Die verfügbare Energie wird jedoch bei solchen Systemen bereits von der MCU mit etwa 100 µA/MHz zum Großteil aufgebraucht. Sie lassen sich daher nicht mit energieintensiven Sensoren koppeln, die in der Diagnostik häufig bei optischer Sensorik mit Photodioden und LEDs eingesetzt werden. Der Betrieb einer LED benötigt etwa 3 bis 5 mA.

Flexibler RFID-Sensor-Transponder-IC als Brücke zwischen NFC und I2C

Das IMMS hat daher einen NFC-kompatiblen HF-RFID-Transponder-IC als flexible, drahtlose Brückenschnittstelle für handelsübliche digitale I2C-Sensoren entwickelt. Der Chip kann dank eines On-Chip-I2C-Masters und eines konfigurierbaren Power-Management-Blocks verschiedene Sensoren mit unterschiedlichem Leistungsbedarf mit einer geregelten Spannung bis zu 2,2 V bei einem maximalen Strom von 10 mA versorgen.

Dank des On-Chip-I2C-Masterblocks ist für Lese- und Schreibvorgänge an den Sensoren kein Mikrocontroller notwendig. Das senkt den Stromverbrauch des Gesamtsystems und ein RFID-Sensor-Transponder lässt sich mit weniger Komponenten aufbauen. Bei der Kopplung eines I2C-Masters mit einem Slave-IC wird an jeder bidirektionalen Leitung (SDA, SCL) ein Pull-up-Widerstand benötigt. In einem konventionellen I2C-Bussystem sind die ohmschen Widerstände ungünstig für den Energieverbrauch. Um dieses Problem zu lösen, hat das IMMS auch einen Latch-basierten Ultra-Low-Power-Pull-Up-Emulator entwickelt, der vollständig I2C-Standard-kompatibel ist. Mit dieser äußerst energieeffizienten Lösung lassen sich neue Diagnostik-Anwendungen aufbauen.

Powermanagement und Kommunikation mit I2C-Sensoren

Einzigartig am Chip ist das flexible Powermanagement. Der Chip nutzt einen externen Kondensator, der die Energie automatisch speichert, während sich der Transponder im Energiefeld des Lesegeräts befindet. Wenn die erforderliche Energie für den System- und Sensorbetrieb geladen wurde, kann der Betrieb der verbundenen I2C-Slave-Chips eingeleitet werden. Neben Sensoren können z.B. auch externe Speicher oder andere Peripherie als I2C-Slave verwendet werden. Der Ladevorgang des externen Kondensators ist konfigurierbar, damit der unterschiedliche Stromverbrauch der Sensoren berücksichtigt wird. Die Konfiguration kann mit den standardmäßigen Schreibbefehlen nach ISO 14443 Typ A einfach auf den On-Chip-Speicher programmiert werden.

Für die Kommunikation mit den externen I2C-Sensoren werden in die Befehlsregister im Transponderspeicher die I2C-Kommunikationsinformationen geschrieben. Diese werden vom On-Chip-I2C-Master verwendet, um die I2C-Transaktionen mit den externen Sensoren zu initiieren. Der Chip bietet die folgende Flexibilität für den I2C-Betrieb: mehrfacher Lese- und Schreibbetrieb; kombinierter Lese- und Schreibbetrieb (Schreibinformationen zum Starten des Sensorbetriebs und Lesen der erfassten Daten nach dem Betrieb); Startverzögerung (Zeit für das Starten des Sensors); Verzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden I2C-Schreibvorgängen (erforderlich beim Schreiben von Informationen in einen externen nichtflüchtigen Speicher).

Neben Point-of-Care-Diagnostik auch Monitoring diagnostischer Laboranwendungen möglich

Der vorgestellte RFID-Chip bietet für eine Vielzahl von Point-of-Care-Anwendungen erstmals eine technologische Basis, um Sensordaten für neue Wertschöpfungsmodelle ressourcenschonend zu sammeln und damit neue datengetriebene Geschäftsmodelle zu erschließen. Darüber hinaus kann er auch für diagnostische Laboranwendungen eingesetzt werden, die ein permanentes Monitoring von Umgebungsparametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck erfordern. Da der Chip vollständig zum ISO-14443-Typ-A-Protokoll kompatibel ist, kann er mit jedem kommerziell erhältlichen HF-RFID-Lesegerät für die Entwicklung von Anwendungen unabhängig von Smartphones verwendet werden.

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