Ultra Low Cost: Funkkommunikationsschnittstelle zu Smartphones


Von Bernd Hantsche, Manager Wireless Competence Center, Rutronik 

Bernd Hantsche

Bernd Hantsche

NFC ist eine von mehreren Funkschnittstellen in modernen Smartphones. Sie lässt sich für Eingabe- und Ausgabezwecke, zur lokalen Datenübertragung oder auch als Internetgateway für Geräte aller Art nutzen. Hierfür bedarf es lediglich wenige Cent Investition. Zudem können so bis zu 100mW Energie übertragen werden, so dass einige Geräte gänzlich ohne eigene Stromversorgung auskommen können. Wer bisher aus Kostengründen WiFi und Bluetooth gescheut hat, bietet NFC nun eine wesentlich günstigere Alternative.

Appcessories für Jeden und Alles
Ganz gleich, welche Geräte derzeit entwickelt werden – ohne eine eigene App für gängige Smartphones werden Hersteller bald Wettbewerbsnachteile haben. Eine App zur Bedienung, Überwachung, Wartung oder auch für die herstellerinterne Logistik ist schnell erstellt. Als lokale Funkschnittstelle stehen meist WiFi, klassisches Bluetooth, Bluetooth Low Energy, ANT und NFC zur Verfügung. Jede Technologie hat ihre Daseinsberechtigung – aber was kann man mit möglichst geringen finanziellen Zusatzkosten nutzen und welche Einschränkungen muss man in Kauf nehmen?

NFC ist auch nur RFID
NFC (Near Field Communication) beruht auf den bekannten RFID-Protokollen ISO/IEC 14443 (Short Range) oder, praktisch schon unterstützt, aber offiziell noch im Freigabeprozess, 15693 (Long Range). Im Gegensatz zum klassischen RFID gibt es bei NFC drei verschiedene Betriebsmodi. Ein Smartphone kann sowohl als Emitter fungieren, also selber ein elektromagnetisches Feld aufbauen (Reader Mode), als auch als Transponder, der rein passiv auf fremdgenerierte Felder reagiert (Card Emulation Mode). Beim Peer-to-Peer-Mode kommunizieren zwei NFC-Geräte praktisch zeitgleich aktiv und passiv miteinander.

Veranschaulichung der NFC Betriebsmodi

Veranschaulichung der NFC Betriebsmodi

Um eine Entwicklung möglichst kostengünstig so zu erweitern, dass sie mit einem Smartphone interagieren kann, nutzt man speziell den aktiven Reader-Modus der tragbaren Minicomputer. Über eine induktive Antenne in Form von kostengünstigen, aber recht großen Leiterbahnen auf dem PCB, oder in Form einer Spule als bestückbares Bauteil kann das Mobiltelefon auf einen Speicher der Zielapplikation zugreifen. Da der Speicher zugleich auch mit dem Mikrocontroller der Zielapplikation verbunden ist, spricht man von einem Dual-Interface-Memory. Solche Speicherbausteine gibt es als EEPROM oder FeRAM ausgeführt, mit unterschiedlichen Speichergrößen, AES-Verschlüsselungen, Host-Schnittstellen und Energy Harvesting Funktionalität. Je nach Anwendung verwendet man beispielsweise nur einen 64-Kb-Speicher, oder man wählt einen kleineren 4-Kb-Speicher, welcher lediglich als Zwischenpuffer zur Datenübertragung eingesetzt wird.

Ebenfalls von der Anwendung abhängig ist die Verwendung des Protokolls. ISO/IEC 14443 ist mit bis zu 106 kbps eher auf schnellere Datenübertragung ausgelegt. Je nach Antennenausführung sollte das Smartphone jedoch direkt an das Zielgerät gehalten werden. Die typische Reichweite liegt bei etwa 10cm, darüber werden die Antennendimensionen sehr unpraktisch. Bei ISO/IEC 15693 können hingegen Reichweiten um die 30cm mit praktikablen Antennen erzielt werden. Aufgrund der Datenrate von 26 kbps eignet sich diese Technologie aber eher zum Austausch von Einstellungsdaten als zur Übertragung von Firmware-Updates oder Informationen mit ähnlichen Volumina.

NFC: bekannt für Payment, hilfreich für vieles
Es gibt unzählige Anwendungsfälle, in denen der gleichzeitige Speicherzugriff via Microcontroller und Smartphone nützlich sein kann. So kann das Pairing zwischen Bluetooth-Geräten damit vereinfacht werden, ebenso wie die Einbindung von WiFi-Geräten in bestehende Infrastrukturen. Das Eingeben von Pin-Codes, Netzwerknamen oder Sicherheitsschlüssel kann aufgrund der kurzen NFC-Betriebsdistanzen möglicherweise entfallen. Wer den Zugriff weiter einschränken möchte, kann zudem aufgrund der fälschungssicheren UID (weltweit einmalige Identifizierungsnummer eines RFID-Speichers) das Gerät identifizieren und durch einen Datenbankabgleich das Bluetooth-Pairing oder die WiFi-Anbindung gestatten oder ablehnen.

Rüstet man eine Mikrowelle oder einen Backofen mit einem solchen Dual-Interface-Speicherchip aus, so können mit dem Mobiltelefon Rezepte aus dem Internet geladen werden und die empfohlenen Einstellungen für die Küchenmaschinen direkt per NFC einprogrammiert werden. Digitale Preis- und Namensschilder, welche mit einem ePaper-Display ausgerüstet sind, lassen sich nicht nur mit einem NFC-Handy programmieren, per NFC wird auch die Energie zur Änderung der Displayanzeige gleich mitgeliefert, so dass keine Batterie und kein Connector für Kabelanschlüsse benötigt wird. So lassen sich auch Temperatursensoren versorgen, die bei Berührung mit einem NFC-fähigen Mobiltelefon den Messwert aufnehmen und zur Speicherung oder weiteren Verarbeitung an das Telefon übertragen.

Bereits bei der Produktion und Bestückung von Platinen lassen sich gleich zu Beginn Produktionsdaten hinterlegen und so das Tracking der Produktionsstufen vereinfachen. Damit können spätere Services, Wartungen, Reparaturen und Updates versteckt dokumentiert werden. Zudem wird auch die Verwechslung der Hardware ausgeschlossen. Ein solches Feature ist nicht nur für den Hersteller oder Servicetechniker nützlich, auch der Endverbraucher profitiert davon: Hat ein Gerät einen Fehler, kann der Nutzer sein Smartphone in die Nähe des Gerätes bringen und bekommt automatisch eine Anleitung angezeigt, wo der Fehler liegt und was er tun muss, um ihn zu beheben. Über den NFC-Speicher wird das Gerät, sein Zustand und der generierte Fehlercode des Microcontrollers an das Smartphone übertragen. Die herstellerspezifische App sendet die Daten an einen Server. Dieser antwortet mit dem Link zum richtigen PDF, wo dokumentiert ist, welche Knöpfe gedrückt werden müssen, damit das Gerät wieder seine Arbeit aufnimmt.


Auch fertig produzierte Geräte lassen sich noch umprogrammieren, ohne dass die Verpackung geöffnet oder eine Batterie eingelegt werden muss. Ebenso kann der potenzielle Konsument im Geschäft sein Smartphone zur Identifizierung an die Ware halten und bekommt eine Sekunde später das passende Werbevideo aus dem Internet an das Handy gesendet – unansehnliche QR-Codes müssen also nicht länger die Augen von den schönen Produkten ablenken. Diese Liste der möglichen Anwendungsfälle lässt sich nahezu endlos erweitern, Grenzen setzen nur die angesprochene Reichweite und der Datendurchsatz.

Bereits verfügbare Produkte
Rutronik arbeitet als offizieller Franchisepartner mit vier Herstellern solcher NFC-fähigen Dual-Interface-Speicherchips zusammen. Die Produkte von Panasonic, Fujitsu, Murata und ST unterscheiden sich in den Spezifikationen nur geringfügig. Während ST auf EEPROM und ISO15693 setzt, verwendet Fujitsu FeRAM und ebenso ISO15693, Panasonic hingegen FeRAM und ISO14443. Energy Harvesting bieten ST und Panasonic – beide erlauben eine Versorgung durch Smartphones (oder andere RFID-Reader) mit bis zu 100mW, was für einen Mikrocontroller, Sensoren und ein LC-Display ausreicht. Um Entwicklern die Möglichkeit zu geben, die Lösung selbst ausgiebig auszuprobieren, bietet Rutronik das Demonstrationskit „M24LR-Discovery“ und „M24SR-Discovery“ zum kleinen Preis an. Das Long-Range Kit besteht aus einer Reader-Platine, die auf dem CR95HF basiert und per USB an einen Computer angeschlossen werden kann. Außerdem liegt dem Kit ein passives PCB basierend auf einem M24LR04E bei. Der M24LR04E versorgt über die empfangene Energie einen Mikrocontroller, einen AD-Wandler für die Anzeige der induzierten Versorgungsspannung, einen Temperatursensor, Knöpfe und ein LC-Display. Aktiviert man NFC an seinem Handy und hält es in die Nähe der M24LR-Platine, so zeigt es Temperatur oder Spannung an. Handelt es sich um ein NFC-fähiges Android-Smartphone, so lässt sich der Controller, bzw. das Display mittels einer verfügbaren App umprogrammieren. Als Alternative zum Android-NFC-Handy bietet ST auf seiner Homepage ein Windows-Programm für die beiliegende CR95HF-Platine zum Download, mit dem die M24LR-Platine umprogrammiert werden kann.

Blockdiagramm des M24LR04E, M24LR16E bzw. M24LR64E

Blockdiagramm des M24LR04E, M24LR16E bzw. M24LR64E

Neben dem M24LR04E mit vier Speicherblöcken á 1 Kbit sind auch Versionen mit 16 oder 64 Speicherblöcken erhältlich. Jeder Speicherblock kann mit drei Passwörtern individuell gegen Schreib- und/oder Lesezugriff per Funk geschützt werden. Das EEPROM hält 1 Million Schreibzyklen aus und speichert Daten bis zu 40 Jahre lang ohne Datenverlust. Die Spannungsversorgung kann im Bereich zwischen 1,8 V und 5,5 V erfolgen. Der High-Speed-Mode des RF-Interfaces erlaubt bis zu 53kbps.

Die Antenne kann auf drei verschiedene Arten realisiert werden: Eine externe Antenne kann meistens näher an der Gehäusewand platziert werden als eine Antenne auf dem gleichen PCB wie der Rest der Application und ermöglicht somit eine höhere Betriebsreichweite. Die Kosten sind aufgrund des notwendigen Kabels und der relativ komplexen Montage recht hoch. Zudem kann der Chip erst für die Produktionslogistik verwendet werden, nachdem die Antenne angeschlossen wurde.

Eine 4,7-µH-Spule in Form eines bestückbaren Bauteils benötigt insgesamt am wenigsten Platz. Die Reichweite ist jedoch eher beschränkt, zudem muss sie exakter auf die Reader-Antenne ausgerichtet werden. Als Ultra-Low-Cost-Schnittstelle kommt also nur die Umsetzung der Antenne direkt neben dem M24LR04E auf dem PCB in Frage. Je nach benötigter Reichweite kann die Bauform mit Hilfe eines Kalkulationstools vorab berechnet werden, welches ebenfalls auf der ST-Homepage zum Download zur Verfügung steht. Außerdem bietet Rutronik Referenzantennen zum Testen.

Ein Versuchsaufbau mit einem Samsung (Google) Nexus S hat eine viermal kleinere Antennenbauform ergeben als bei vergleichbaren ISO14443-Technologien. Eine Antenne von 75x45mm ermöglicht eine Reichweite von 55 mm bis zum Handy, ein Antennenaufbau mit 20 x 40 mm immerhin noch 32 mm. Erst eine Antenne mit 15 x 15 mm dürfte mit einem Betriebsabstand von 17 mm für einige Gerätekonstruktionen problematisch werden.

In der Praxis bedeutet dies, dass sich mit einem Smartphone Abstände von bis zu etwa 5cm realisieren lassen. Wer das Dual-Interface-EEPROM bereits in der Produktion einsetzt und große Antennen an einem starken Industriereader verwendet, kann das gleiche PCB aus etwa 1,5 m Entfernung programmieren.

Die (Mehr-)Kosten
Die Kosten für ein M24LR04E liegen bei etwa 30 ct pro Stück. Ein vergleichbares EEPROM ohne Funkschnittstelle und Energy Harvesting kostet ca. 10 ct. Damit ergeben sich also Zusatzkosten von rund 20 ct, um ein Endgerät internetfähig zu machen, Knöpfe und Display auszulagern, Sprachfunktionen oder eine Service- und Update-Schnittstelle hinzuzufügen.

Günstige Alternativen zu NFC
Je nach ausgewähltem Hostcontroller und Peripherie ist NFC trotz der geringen Zusatzkosten von nur rund 20 ct dennoch nicht die günstigste Art, sein Gerät mit einem Smartphone zu verbinden. Eine spannende Alternative ist ein Wireless-System-On-Chip-Derivat von Nordic Semiconductor. Für den nRF51822 bietet Nordic drei kostenlose Bluetooth-Low-Energy-Stacks an. Sowohl der Chip als auch der Stack sind bereits von der Bluetooth Special Interest Group zertifiziert. Der Kunde erhält einen Cortex-ARM-M0-Mikrocontroller mit AD-Wandlern, flexiblem GPIO-Management und 128- oder 256-kB-Flash-Speicher, und benötigt extern nur einen 16-MHz-Quarz, einen „ST BALF-NRF01D3“-Balun-Filter und eine 2,4-GHz-Antenne, welche ebenfalls kostenlos auf dem PCB realisiert werden kann. Die BoM fällt mit insgesamt unter 2 € sehr gering aus, so dass man im Vergleich zum konventionellem Hostcontroller möglicherweise gar keine, oder nur marginale Mehrkosten erhält. Die Reichweite übertrifft mit rund 50 Metern nicht nur NFC, sondern auch klassisches Bluetooth bei derselben Sendeleistung. Dennoch hält eine CR2032-Knopfzelle meist mehrere Jahre. Das Beispiel zeigt: Nicht immer ist die auf den erste Blick günstigste Lösung tatsächlich die optimale. Ausgewiesene Wireless-Experten des Distributors haben den herstellerübergreifenden Überblick über die verschiedensten Möglichkeiten und stehen Kunden mit kompetentem Rat und Tat zur Seite.

Rutronik 

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