Energy Harvesting Mit RFID werden Low- zu No-Power-Geräten

Bei RFID liefert das Lesegerät die Energie. Nun ist es möglich, Teile dieser gesammelten Energie an angeschlossene Geräte weiterzugeben, um diese batterielos zu betreiben.

RFID ist eine drahtlose Technologie, die in unserem Leben einen festen Platz hat. Integriert ist sie zum Beispiel in Schlüsselkarten, Skipässen und mittlerweile sogar Eintrittskarten von Fußballspielen.

Das Besondere an der Technologie: Sie funktioniert komplett passiv, also ohne externe Stromversorgung, und benötigt keine Batterie.

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Die Energie, die benötigt wird, um von den sogenannten RFID-Tags oder Transpondern zu lesen und auf sie zu schreiben, kommt aus dem elektromagnetischen Feld, das vom Lesegerät erzeugt wird. Ein analoges Frontend im RFID-Chip wandelt diese Energie in eine interne Spannung um, die ausreicht, um die relativ kleine Menge an Logik sowie den Speicherzugriff zu versorgen und dem Lesegerät eine Antwort bereitzustellen.

Logistik 4.0

RFID - Alles zu Chips, Reader & Tags

Da nun Energie vorhanden ist, die genutzt werden kann, liegt es nahe, mit dieser Energie noch mehr Komponenten zu versorgen. Bisher verfügen Systeme, die RFID zur Kommunikation verwenden, in der Regel neben einem Mikrocontroller, der das System steuert, über weitere Komponenten: Etwa einen Sensor oder ein Display, die von diesem Mikrocontroller gesteuert werden, und natürlich eine Batterie, die diese weiteren Komponenten mit Strom versorgt. Solche Systeme bieten aufgrund ihrer Komplexität oft kein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis und sind folglich auch nicht sehr weit verbreitet. Die Komponenten erhöhen die Herstellungskosten, außerdem verursacht der regelmäßige Austausch der Batterie einen Wartungsaufwand. Auf diese Konstruktionsform greift deshalb nur zurück, wer sie wirklich braucht.

Eine Frage des Geldes

Bei der Konzeption eines Produktes ist selbstverständlich entscheidend, die Kosten im Auge zu behalten. Direkte Kosten, nämlich die Kosten der einzelnen Komponenten, sind offensichtlich. Es gibt aber weitere Kosten, die bei jedem neuen Produkt anfallen, wie zum Beispiel der Entwicklungs- und Testaufwand. Auch Ausfallrisiken und weitere Unsicherheiten müssen in der Rechnung auftauchen und sich im späteren Verkaufspreis widerspiegeln. Es gibt aber auch Kosten, die später anfallen und bei der Auswahl eines Produkts ebenfalls in Betracht gezogen werden müssen. Dazu zählen zum Beispiel die zu erwartende Lebensdauer des Produkts und die Lebensdauer der verbauten Batterie. Insbesondere bei Nice-to-Have-Anwendungen kann schnell ein Wartungsaufwand entstehen, der ihren Nutzen relativiert.

Welche Möglichkeiten gibt es nun, Kosten zu senken? Die einfachste ist das Reduzieren des Systems auf das Nötigste. So lassen sich zum einen direkte Kosten senken, etwa die für Komponenten, Entwicklung und Tests. Zugleich verschwinden dabei meist auch viele „Points of Failure“, die andernfalls das Ausfallrisiko erhöhen. Eine Möglichkeit, ein System auf das Nötigste zu reduzieren, ist die Integration von Funktionen mehrerer Komponenten in ein einzelnes Bauteil.

RFID-Chips mit SPI-Master-Interface

In dem oben genannten Beispiel wird der Mikrocontroller nur verwendet, um mit den einzelnen Komponenten zu kommunizieren. In der Regel hat ein Mikrocontroller ein SPI-Master-Interface, das mit SPI-Slave-Devices kommunizieren kann. Hier wären das einerseits die informationsgebende Komponente, also zum Beispiel ein Sensor, und andererseits der RFID-Chip, mit dem die Information später durch den RFID Reader übertragen werden soll.

Wenn aber der RFID-Chip ein eigenes SPI-Master-Interface hätte und dadurch direkt mit dem Sensor oder jedem anderen SPI-Slave-Device kommunizieren könnte, dann wäre der Mikrocontroller ein verzichtbares Bauteil. Natürlich läuft auf dem Mikrocontroller auch der Code ab, der beide Devices steuert. Diesen müsste man deshalb aufs Lesegerät auslagern, der ganze Vorgang würde dann extern gesteuert. Da man das Lesegerät aber ohnehin benötigt, um die Daten auszulesen, stellt diese Verschiebung der Steuerung kein Problem dar.

Ersetzt man in diesem Beispiel den Sensor mit einem Display, dann funktioniert es genauso: In einem System mit Mikrocontroller würde man den Displayinhalt von außen übertragen und durch den Mikrocontroller zum Display schicken. Könnte hingegen der RFID-Interface-Chip direkt mit dem SPI-Slave-Display kommunizieren, ließe sich der Bildinhalt ohne Umweg dorthin schicken. Der Mikrocontroller wäre auch hier überflüssig. Eine solche Applikation würde wegen der Passivität natürlich nur Sinn machen, wenn das Display keine Energie benötigt, um den Inhalt zu erhalten, also ein e-Ink oder e-Paper Display. Während der Displayinhalt geändert wird, steht ja Energie über das elektromagnetische Feld zur Verfügung.

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