Laufzeitmessung von RFID-Signalen zur ortsauflösenden Objektlokalisierung

Inhaltsverzeichnis

Erklärung

Abstract

Danksagung

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Problemstellung und -abgrenzung
1.3 Ziel der Arbeit
1.4 Vorgehen

2 Grundlagen
2.1 Radio Frequenz Identifikation
2.2 Ortsauflösende Objektlokalisierung
2.2.1 Ansätze
2.2.2 Übertragungscharakteristiken
2.3 Verwendete Messinstrumente
2.3.1 Spektrumanalysator
2.3.2 Oszilloskop

3 Problemanalyse
3.1 Szenario zur ortsauflösenden Objektlokalisierung
3.1.1 Methoden der theoretischen Berechnungsverfahren
3.2 Analyse der RFID– Signale
3.3 Zusammenfassung

4 Lösungskonzept
4.1 Aufstellen des mathematischen Gleichungssystems
4.2 Lösungsansätze zum Hardwareaufbau
4.2.1 Antennenarchitektur
4.2.2 Aktive und passive Signalfilterung
4.2.3 Aktive Signalverstärkung
4.2.4 Signalwandlung in ein TTL- Signals
4.2.5 Hardwareumsetzung zur Zeitmessung
4.2.6 Programmaufbau der Zeitverarbeitungseinheit
4.2.7 Programmaufbau zur Berechnung der Position
4.2.8 Ausgabe der Werte
4.3 Zusammenfassung

5 Umsetzung
5.1 Verifikation des mathematischen Gleichungssystems
5.2 Konkretisierung der Hardwareumsetzung
5.2.1 Antennen
5.2.2 Signalfilterung
5.2.3 Signalverstärkung
5.2.4 Signalwandlung
5.2.5 Entwurf der Zeitmessung
5.2.6 Zeitverarbeitung
5.2.7 Positionsbestimmung und Visualisierung
5.2.8 Der Gesamtaufbau

6 Zusammenfassung und Ausblick

Quellenverzeichnis

Anlagenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erklärung

Ich versichere, dass ich diese Arbeit selbstständig verfasst, keine anderen als die an- gegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie alle wörtlich oder sinngemäß ü- bernommenen Stellen in der Arbeit gekennzeichnet habe. Die Arbeit wurde noch keiner Kommission zur Prüfung vorgelegt und verletzt in keiner Weise Rechte Drit- ter.

Abstract

The automated handling of objects with help by robots requires in advance knowl- edge of the position and orientation of an object in space. Such object localisations are based on imaging processes, which are still having interferences or are not usable.

The idea is to create a concept for localization of objects with RFID-Tags resources.

Arithmetic techniques for localization of objects in a space with the appending con- version into the hardware are investigated. Thereby the time measurement systems must fulfil peculiar requirements.

After various arithmetic techniques for object localization were examined and neither of them was found suitable for this problem, a new algebraic approach was realized for location of objects by means of transit time measurements. The new developed system of equations is not only applicable in RFID area but also everywhere, where one object located on one appointed frequency sends out one signal.

The conversion for positioning of objects into hardware rests upon on the new arith- metic technique. For the verification of this arithmetic technique a transit measuring examination was conducted between two receiving signals on the antennas. Through this it is now possible theoretically to measure the distance of one object stationed exactly between two antennas without any internal processing time of the localizing object and without having to consider for time.

Through the realization there will be elaborated at most the problematic with filters, amplifying signals, signal conversion and the time registration with the time to digi- tal converter. The measured time or the calculated distance will be outputted with a microcontroller to the pc system.

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als Diplomand am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart.

In erster Linie danke ich Herrn Dipl.-Wirtsch.-Ing. D. Fritsch für die Betreuung dieser Arbeit. Er hat mich stets bei allen wissenschaftlichen Vorhaben während der Arbeit unterstützt.

Meinem verehrten Lehrer, Herrn Prof. Dr.-Ing. W. Eissler, danke ich sehr herzlich für die Anregung zu dieser Arbeit und für die wertvolle Hinweise und Ratschläge bei ih- rer Durchführung.

Ich danke meiner Familie für die Förderung und die Anteilnahme an meiner Arbeit.

Zu guter Letzt danke ich meiner Freundin, die mir einen entscheidenden Rückhalt beim Anfertigen sowie bei der Korrektur dieser Arbeit war.

Stuttgart, im Januar 2005 Siniša Krečak

1 Einleitung

In der Einleitung werden die Notwendigkeit, die Beschreibung der Probleme, die Zielsetzung, sowie die Vorgehensweise dieser Diplomarbeit erläutert.

1.1 Motivation

Identifizierung per Funk (engl. Radio Frequency Identification, RFID) ist eine Me- thode um kontaktlose Daten lesen und speichern zu können. Die Technik wurde ur- sprünglich im zweiten Weltkrieg entwickelt, um "Freund vom Feind" zu unterscheiden./1/

In den 60er Jahren wurden die ersten kommerziellen Vorläufer der RFID- Technolo- gie auf den Markt gebracht. Es handelte sich dabei um elektronische Warensiche- rungssysteme. Es war nur möglich, eine 1-Bit-Information zu übertragen, es konnte also nur das Vorhandensein oder das Fehlen der Markierung geprüft werden. Die Systeme basierten auf Mikrowellentechnik oder Induktion (Magnetfelder)./9/

In den 70er Jahren wurde die RFID- Technologie eingesetzt um Tiere zu kennzeich- nen. Neue Einsatzfelder in der Automatisierung sowie im Straßenverkehr wurden gesucht./9/

Gefördert wurde die Technologie in den 80ern besonders durch die Entscheidung mehrerer amerikanischer Bundesstaaten sowie von Norwegen, RFID im Straßenver- kehr für Mautsysteme einzusetzen./9/

In den 90ern setzte sich die RFID- Technik für Mautsysteme weiter in den USA durch. Es wurden neue Einsatzgebiete für RFID erschlossen, in dem Systeme für Zu- gangskontrollen, bargeldlosem Zahlen, Skipässe, Tankkarten, etc. entwickelt wurden.

Das Jahr 2000 brachte einen starken Preisverfall s.Abb.1.0 der RFID- Technik durch Massenproduktion mit sich, der den Einsatz von RFID -Tags auch in Verbrauchsge- genständen ermöglichte. Die Technologie hatte sich allerdings so schnell entwickelt, dass es versäumt worden war, Industriestandards zu definieren./1/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.0 Patentanmeldung /10/

Heute wird die RFID- Technik eingesetzt, um die Identifikation von Objekten über maschinenlesbare Barcodes hauptsächlich zu ersetzen. Dies wird besonders durch die schnellere Taktzeit und einfacherer Handhabung der RFID- Systemen in den au- tomatisierten Anlagen begründet.

Die Zukunft verbirgt bei der ortsauflösenden Lokalisierung von Transponder in Ge- bäuden ein großes Potential. Insbesondere bei den passiven Transpondern. Diese be- nötigen keine zusätzliche Stromversorgung und sind in sehr kleinen und dünnen Formen erhältlich.

Zumal die RFID- Systeme über elektromagnetischen Wellen kommunizieren, ist es naheliegend, die Lokalisierung dieser Transponder durch unterschiedliche Signal- charakteristiken zu untersuchen.

Am Fraunhofer Institut in Stuttgart gibt es nun die Möglichkeit einen Beitrag zu die- ser rasanten Entwicklung im Rahmen der Diplomarbeit beizusteuern.

1.2 Problemstellung und -abgrenzung

Bei der Lokalisierung von Objekten gibt es bereits eine Vielzahl von etablierten Prin- zipien. Die meisten Verfahren basieren auf der Analyse und Verarbeitung von Sig- nalcharakteristiken.

Für einige Systeme davon ist ein aktives und somit wartungsunfreundliches Zusatz- Equipment (z.B. batteriebetriebene Sender) notwendig, dass an ein Ortungsobjekt zu koppeln ist. Bei anderen ist sogar eine Sichtverbindung zwischen Objekt und Meß- system erforderlich (z.B. Bildverarbeitung), die jedoch störanfällig oder nicht an- wendbar ist. Störfaktoren sind u. a. diffuses Licht und Staub.

Auf der konzeptuellen Ebene soll ein Verfahren zum Lokalisieren von Objekten mit Hilfe der RFID- Transponder entwickelt werden. Dabei soll vor allem nach geeigne- ten Berechnungsverfahren, hochpräzisen Meßsystemen und für die Objektlokalisie- rung geeigneten RFID- Systemen recherchiert werden. Eine detaillierte Verhaltensanalyse von elektromagnetischen Wellen in elektronischen Bauelementen sowie die Entwicklung neuer RFID Transponder zählen nicht dazu.

1.3 Ziel der Arbeit

Die Aufgaben der Diplomarbeit befassen sich mit folgenden Themen:

- Erarbeiten von Grundlagenwissen über die RFID- Technik,
- Beschaffung eines geeigneten passiven RFID– Systems zur Objektlokalisierung mit dem Hauptmerkmal Reichweite,
- Beschaffung von Messinstrumenten zur Analyse von RFID- Signalen,
- Untersuchung der übertragenden Signale bei der Kommunikation zwischen einen RFID- Lesegerät und Transponder, für mögliche Ansatzpunkte bei der Laufzeitmessung bzw. Objektlokalisierung,
- Analyse theoretischer Verfahren zur Objektlokalisierung,
- Analyse theoretischer Verfahren bei der Hardwareumsetzung, insbesondere die hohe Anforderungen an das Zeitmeßsystem,
- Konzepterstellung zur ortsauflösenden Lokalisierung der RFID- Transponder und gegebenenfalls Realisierung mit Hilfe eines dieser Verfahren.

1.4 Vorgehen

Die Ziele der Diplomarbeit wurden bereits im Kapitel 1.3 näher spezifiziert. Hier werden die Vorgehensweisen und die Ziele näher erläutert:

- RFID- Technik ist neu und wird momentan nicht an den Hochschulen gelehrt, deshalb gilt sich zuerst, in die Thematik einzuarbeiten,
- Nachdem ausführlich in Fachbüchern, Internet, Dissertationen und Patentblät- tern über das Thema RFID recherchiert worden ist, gilt es sich nun das Grund- lagenwissen über die Objektlokalisierung anzueignen. Die Recherche nach angebrachten Berechnungsverfahren erfolgt analog zu RFID,
- Eine Recherche nach einen geeigneten Zeit- oder Winkelmeßsystemen, dass die hohen Anforderungen zu erfüllen hat erfolgt als nächstes sowie deren An- schaffung,
- Zeitgleich erfolgt die Anschaffung eines passiven RFID- Systems,
- Durch die hohe Frequenzbandbreite der RFID- Systeme werden Oszilloskope und ein Spektrumanalysator für die Signalanalyse benötigt. Darauf erfolgt ei- ne Anfrage an die verschiedenen Hersteller um sicherzustellen in welchem Umfang die Verfügbarkeit und die Kosten eine Rolle spielen,
- Um die gemessenen Parameter zu verarbeiten wird ein geeigneter Mikrocont- roller ausgesucht und in Betrieb genommen. Später sollen alle Komponenten durch den Mikrocontroller gesteuert werden. Infolgedessen soll auch ein kompletter Systemaufbau ausgearbeitet werden,
- Als nächstes werden die mathematischen Gleichungssysteme zur Positionsbe- stimmung aufgestellt. Diese dienen als Grundlage zum weiteren Systemauf- bau,
- Die Hardwareumsetzung basiert auf der Auswahl eines der Berechnungsver- fahren. Nach diesem arithmetischen Verfahren wird das Konzept bzw. Umset- zung in die Hardware realisiert,
- Für die Kommunikation zwischen einen System zur Lokalisierung von Objek- ten und dem PC wird ein Mikrocontroller ausgesucht. Dieser wird für die Be- rechnung der Positionen unter umständen zuständig sein.

2 Grundlagen

Dieses Kapitel beinhaltet eine kurze Einführung über die allgemeine Thematik der RFID- Systeme. Die Ansätze und Hilfsmittel zur Objektlokalisierung sowie die ver- wendeten Messinstrumente werden vorgestellt.

2.1 Radio Frequenz Identifikation

Eine Möglichkeit, mit Funksignalen Objekte zu lokalisieren, stellen RFID- Transpon- der dar. RFID- Transponder sind kleine Systeme mit Prozessor, Speicher und Anten- ne, die jedoch über keine eigene Stromversorgung verfügen s.Abb.2.0. Die notwendige Energie zum Arbeiten wird aus den Funksignalen über die Antenne ge- wonnen, welche aus einem Schreib-/Lesegerät ausgesendet werden. So können Daten in den Speicher geladen oder zurückgefunkt werden. In der Regel wird eine Objekt ID an das System übermittelt./11/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.0 RFID Grundprinzip

Das Gebiet der berührungslosen Identifikationssysteme ist sehr komplex, deshalb sind einige Unterscheidungsmerkmale zu betrachten s.Abb.2.1. RFID- Systeme sind zu unterscheiden bezüglich der Bauform der Transponder, der Energie- und Daten übertragung, der Übertragungsfrequenz, der Modulationsverfahren und der Reich- weite.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.1 Unterscheidungsmerkmale von RFID- Systemen

Mit RFID- Transponder wird jedoch keine Positionsbestimmung durchgeführt. Es dient lediglich zur Verfolgung von Objekten anhand von Wegpunkten (Transport, Produktion).

Bauformen der Transponder

Transponder gibt es in den unterschiedlichsten Formen s.Abb.2.2. Die Form eines Transponders hängt von dem Einsatzgebiet und der eingesetzten Frequenz ab. Auch das Material des Gehäuses ist auf die Anwendung anpassbar. Somit können Transponder sowohl in rauer Industrieumgebung als auch im Dienstleitungsbereich eingesetzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.2 Bauformen der Transponder

Reichweite

Die RFID- Systeme werden bezüglich ihrer Reichweite in drei Bereiche unterteilt, Close Coupling-, Remote Coupling- und Long-Range-Systeme.

- Close Coupling

Bei Close Coupling-Systemen liegt die Reichweite im Bereich zwischen d = 0 - 1 cm. Der Betrieb von Close Coupling-Systeme ist im Frequenzbereich zwi- schen f = 1 Hz – 30 MHz möglich. Anwendung finden die Close Coupling- Systeme bei elektronischen Türschließanlagen oder bei kontaktlosen Chipkarten- systemen mit Zahlungsfunktion./3/

- Remote Coupling

Remote Coupling- Systeme verfügen über eine Reichweite von bis zu d = 1 m. Die Kopplung zwischen Lesegerät und Transponder ist bei Remote Coupling- Syste- men induktiv (magnetisch). 90 – 95 % aller verkauften RFID- Systeme gehören zu den induktiv gekoppelten Systemen s.Abb.2.7. Remote Coupling- Systeme arbei- ten bei Frequenzen zwischen f = 100 kHz, 135 kHz, 6.75 MHz, 13.56 MHz und 27.125 MHz./3/

- Long-Range

Mit Long-Range-Systemen werden Reichweiten von d ≥ 1 – 10 m und größer er- reicht. Diese Systeme arbeiten im Mikrowellenbereich, bei Frequenzen von f = 915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz, 24.125 GHz. Solche Systeme unterscheiden sichvon den beiden anderen in der Energieversorgung der Transponder und im Da- tenübertragungsverfahren.

Energieversorgung

Passive Transponder besitzen keine eigene Energieversorgung. Sie beziehen die be- nötigte Energie aus dem Feld des Lesegeräts. Aktive Transponder hingegen verfügen über eine Batterie, die zum Betrieb des Mikrochips benötigt wird. Eine induktive Kopplung besteht zwischen der Spule im Transponder und der Spule im Lesegerät. Eine Voraussetzung, damit das System überhaupt funktioniert, ist, dass die Entfer- nung zwischen Lesegerät und Transponder sehr viel kleiner ist, als die Wellenlänge der verwendeten Frequenz s.Abb.2.3. Das bedeutet, dass diese RFID- Systeme im Nahfeld einer Antenne arbeiten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.3 Nahfeld, Fernfeld und Richtcharakteristik der RFID- Antennen /3/

Unmittelbar an der Antenne wird ein magnetisches Feld erzeugt, das elektrische Feldlinien in den Raum induziert. Bei einer Entfernung von l/2p löst sich das elekt- romagnetische Feld von der Antenne ab und wandert als elektromagnetische Welle in den Raum./3/ Die theoretisch maximale Entfernung zwischen einen Transponder und einen Lesegerät bei einer Frequenz von f = 13.56 MHz beträgt d = 3.51 m.

Das erzeugte Magnetfeld des Lesegeräts fällt mit zunehmender Entfernung d um d-3 ab. Das bedeutet, dass eine Verdoppelung der Feldamplitude zu einer Vergrößerung der Reichweite um den Faktor 1.26 führt. Bei Entfernungen bis zu einem Meter und größer muss die Sendeleistung des Lesegerätes erheblich erhöht werden. Aufgrund der gängigen EMV- Vorschriften ist eine uneingeschränkte Erhöhung der Sendeleis- tung nicht möglich. Diese Systeme finden Einsatz im Frequenzbereich zwischen f = 100 kHz und 135 kHz (2400 m < l < 3240 m) und bei einer Frequenz von f = 13.56 MHz (l = 22.1 m)./2/

Datenübertragungsverfahren

Bei RFID- Systemen werden zwei unterschiedliche Verfahren zur Datenübertragung verwendet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Voll- und Halbduplexverfahren.

- Halbduplexverfahren (HDX)

Das Halbduplexverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Energieübertra- gung und die Datenübertragung zwischen Lesegerät und Transponder abwech- selnd statt finden. Transponder, die im Halbduplexbetrieb arbeiten, besitzen einen Kondensator auf dem Mikrochip, zur Speicherung der Versorgungsspan- nung. Sobald ein Transponder in das Feld eines Lesegerätes gelangt, wird er akti- viert. An der Antennenspule des Transponders wird eine Spannung induziert. Sie wird gleichgerichtet und lädt einen Kondensator auf. Somit steht dem Mikrochip eine Versorgungsspannung zur Verfügung. Der Transponder generiert ein vom Energieträger unabhängiges Datensignal und sendet dieses an das Lesegerät. Die- ses Verfahren wird hauptsächlich bei induktiv gekoppelten Systemen einge- setzt./2/ Durch getrennte Daten- und Energieübertragung können beide Funktionen getrennt voneinander optimiert werden. Sie erzielen dabei einen bes- seren Wirkungsgrad als bei Vollduplexverfahren. Ein Nachteil sind die hohen Herstellungskosten.

- Vollduplexverfahren (FDX):

Das Vollduplexverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Energie- und Daten- übertragung gleichzeitig stattfinden. Der Sender bewirkt eine ständige Energie- übertragung, wenn das System aktiv ist. Parallel dazu erfolgt die Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger. Einsatz finden diese Syste- me zum Beispiel bei der Zutrittskontrolle. Sobald ein Code eingelesen wird, der in der Datenbank abgelegt ist, wird der Zugang frei gegeben./2/ Der Vorteil ist die einfache und kostengünstige Realisierung der Transponder. Die negativen As- pekte sind geringe Flexibilität und ein geringer Wirkungsgrad.

Im Folgenden werden Verfahren s.Abb.2.4 zur Datenübertragungsart beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.4 Datenübertragungsverfahren

Die Lastmodulation findet Einsatz bei induktiv gekoppelten Systemen. Für diese Modulationsart ist die Resonanzfrequenz des Transponders auf die Sendefrequenz des Lesegeräts abzustimmen. Sobald ein Transponder s.Abb.2.5 in das magnetische Wechselfeld eines Lesegerätes gelangt, gerät er in Resonanz. Dies bewirkt, dass dem Feld zusätzliche Energie entzogen wird. Über den Speisestrom der Antenne des Le- segerätes kann die zusätzlich entnommene Energie ermittelt werden. Im Transpon- der befindet sich parallel zum Schwingkreis ein Lastwiderstand, der den Schwingkreis dämpft. Durch Ein- und Ausschalten des Widerstands erfolgt die Mo- dulation. Die Wirkung entspricht einer ASK- Modulation./2/

Das Verfahren des modulierten Rückstrahlquerschnitts wird fast ausschließlich bei Systemen im Mikrowellenbereich eingesetzt. Der Rückstrahlquerschnitt gibt Auf- schluss darüber, wie stark ein Objekt elektromagnetische Wellen reflektiert. Anten- nen in Resonanz weisen einen besonders starken Rückstrahlquerschnitt auf.

Beispiel: Das Lesegerät s.Abb.2.5 strahlt eine Leistung P1 ab. Ein Teil der an der An- tenne des Transponders ankommenden Leistung wird reflektiert. Die Reflexionsei- genschaften der Antenne werden durch Ändern der an der Antenne angeschlossenen Last beeinflusst. Zur Modulation erfolgt am Antennenanschluss entweder ein Kurz- schluss oder eine Leistungsanpassung. Der Kurzschluss bewirkt die vollständige Re- flexion der empfangenen Energie. Eine Leistungsanpassung hat zur Folge, dass die empfangene Energie im Abschlusswiderstand absorbiert wird. Auf diese Weise er- folgt die Übertragung der im Transponder abgelegten Daten zum Lesegerät. Der modulierte Rückstrahlquerschnitt, auch „modulated backscatter“ genannt, entspricht in der Wirkung der ASK- Modulation./2/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.5 Unterscheidungsmerkmale von RFID- Transponder

Das subharmonische Verfahren wird häufig bei einer Arbeitsfrequenz von f = 128 kHz eingesetzt. Das bedeutet, dass die Sendefrequenz des Lesegerätes f = 128 kHz beträgt. Im Transponder erfolgt eine ganzzahlige Teilung, meist wird die Frequenz halbiert. Das erzeugte Signal wird mit den Daten im Transponder modu- liert und zurück an das Lesegerät gesendet. Für die Realisierung dieses Verfahrens ist eine Transponderspule mit Mittelanzapfung notwendig./3/

Beim anharmonischen oder oberwellen Verfahren erfolgt die Datenübertragung durch FSK- Modulation. Das Lesegerät überträgt zum Transponder Erregerimpulse, die den Transponder mit Energie versorgen. Dieses Datenübertragungsverfahren findet bei Fixcodesystemen Anwendung. Ein Fixcodsystem besteht aus einer Lese- einheit und mehreren Codeträgern. Jeder Codeträger besitzt einen nicht veränderba- ren Code. In der Leseeinheit sind die verschiedenen Codes abgelegt./3/

Übertragungsfrequenzen

RFID- Systeme erzeugen elektromagnetische Wellen und strahlen sie ab. Aus diesem Grund sind sie als Funkanlagen zu betrachten./2/ Es gibt spezielle Frequenzbereiche für Funkübertragungen s.Abb.2.6. Die wichtigsten Frequenzbereiche sind f = 0 – 135 kHz, 13.56 MHz, 27.125 MHz, 40.68 MHz, 433.93 MHz, 869 MHz, 915 MHz (nicht in Europa), 2.45 GHz, 5.8 GHz und 24.125 GHz. Jede Frequenz ist mit einer maximal erlaubten Sendeleistung zugelassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.6 Frequenzbereiche /3/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.7 Verbreitung der Frequenzbereiche und ISO Normen /3/

Zu beachten ist, dass nicht in jedem Frequenzbereich eine Standardisierung stattfin- det, d.h. dem Hersteller bleibt es überlassen wie die Kommunikation zwischen einem Transponder und einem Schreib-/Lesegeräts erfolgt.

Die kurzen Wellenlängen im UHF- Bereich ermöglichen für RFID- Systeme die Kon- struktion von Antennen mit weitaus kleineren Abmessungen und besserem Wir- kungsgrad, als dies auf Frequenzbereichen unter f = 30 MHz möglich wäre.

Modulationsverfahren

Eine drahtlose Übertragung von Signalen erfordert eine Umsetzung der Signale in eine höhere Frequenzlage. Dies wird durch die Modulation eines sinusförmigen Trä- gersignals erreicht. Ein Unterscheidungsmerkmal der verschiedenen Modulations- verfahren ist das modulierende Signal./2/ Je nach Modulationsverfahren findet eine Veränderung des Trägersignals in seiner Amplitude, Frequenz oder Phase statt.

Bei RFID- Systemen finden unterschiedliche analoge und digitale Modulationsver- fahren Anwendung. Bei den analogen Modulationsverfahren handelt es sich um:

- Amplitudenmodulation (AM), o Frequenzmodulation (FM) und o Phasenmodulation (PM).
Hierbei dient ein analoges Signal zur Modulation des Trägers. Die digitalen Modula- tionsverfahren sind:
- Amplitudentastung (ASK), o Frequenztastung (FSK) und o Phasentastung (PSK).

Hier dient ein digitales Signal der Trägermodulation. Die Systemhersteller beschrei- ten bezüglich der verwendeten Modulationsarten sehr unterschiedliche Wege.

Codierung

Das Gebiet der Codierung ist sehr umfangreich und ist daher noch in weitere Berei- che zu unterteilen.

- NRZ- Code
- RZ- Code
- Manchester- Code

Fehlererkennung bei der Datenübertragung

Ein anderer Bereich der Codierung stellt die Fehlersicherung dar, auf die hier etwas genauer eingegangen wird. Bei jeder Datenübertragung treten Fehler auf, sei es bei der Übertragung mittels Leitungen oder über Funk. Deshalb ist es wichtig, im Emp- fänger eine Fehlererkennung oder eine Fehlerkorrektur zu integrieren. Zur Fehlerer- kennung gibt es verschiedene Verfahren, diese unterscheiden sich bezüglich der Sicherheit einen Fehler zu finden. Je größer die Übertragungssicherheit ist, desto hö- her ist auch der Aufwand für die Fehlererkennung. Tritt ein Übertragungsfehler auf, besteht die Möglichkeit, die Informationen nochmals zu senden oder eine Fehlerkor- rektur anzuwenden./2/ Zur Erzeugung von Prüfcodes werden verschiedene Metho- den eingesetzt. Das sind:

- Querparität (VRC = Vertical Redundancy Check)
- Längsparität (LRC = Longitudinal Redundancy Check)
- Zyklische Blocksicherung (CRC = Cyclic Redundancy Check)

Speicher

Zu unterscheiden ist zwischen drei Arten von Transpondern bezüglich der Speicher- art. Die Read-only-Transponder sind mit einem ROM ausgestattet. Bei der Herstel- lung wird eine Seriennummer vergeben und im ROM abgelegt. Die Transponder senden als Kennung ihre Seriennummer, sobald sie in das HF- Feld eines Schreib-

/Lesegerätes gelangen. Der Vorteil ist die äußerst preisgünstige Fertigung der Transponder. Beschreibbare Transponder verfügen je nach Anwendung über ein SRAM mit einem Speicherbereich von 1 Byte bis 64 KByte. Die Datenübertragung er- folgt blockweise. Das heißt, eine definierte Anzahl von Bytes wird zu einem Block zusammengefasst und als Ganzes übertragen. Dadurch ist eine einfache Adressie- rung im Chip möglich. Transpondern mit Kryptofunktion ist ein zusätzlicher Spei- cher nötig, indem der geheime Schlüssel abgelegt wird. Das bewirkt, dass ein Auslesen und Überschreiben des Speicherinhalts durch unberechtigte Personen nicht möglich ist./2/

2.2 Ortsauflösende Objektlokalisierung

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen Ansätze und Hilfsmittel zur Lokali- sierung von Objekten angesprochen.

2.2.1 Ansätze

Bei der Lokalisierung von Objekten werden die Ansätze in drei Gruppen aufgestellt

s.Abb.2.8.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.8 Ansätze

In der ersten Gruppe wird unterschieden zwischen einer absoluten oder relativen Positionsbestimmung.

- Bei der absoluten Positionsbestimmung ist die Kenntnis der Position unab- hängig von der vorhergehender. Die zu lokalisierenden Objekte sind sich ihrer Position exakt bewusst (GPS).
- Die Kenntnis der vorherigen Position ist bei den relativen Verfahren nötig. Über Radsensoren ist es z.B. möglich durch die Integration von Geschwindig- keit und Beschleunigung die genaue aktuelle Position zu bestimmen. Diese kann mit der absoluten Positionierung ergänzt werden, wichtig bei Ausfall dieser Technik € Koppelnavigation (mobile Robotik).

In der zweiten Gruppe wird bestimmt wer für die Positionsbestimmung der Objekte zuständig ist.

- Die selbstortenden Systeme haben den Vorteil, dass die Privatsicherheit gege- ben ist und keine Zugangskontrollen notwendig sind. Sie können sich selbst orten, d.h. die Positionsbestimmung selbst vornehmen.
- In fernortenden Systemen nimmt ein äusseres System die Ortung vor, meist ein Netzwerk. Der Nachteil eines solchen Systems liegt darin, dass die Privat- sicherheit des zu lokalisierenden Objektes in diesem Fall nicht mehr gewähr- leistet ist und daher Zugangskontrollen benötigt werden. Diese Systeme sind kostengünstiger.

Welche Bereiche eine Ortung von Objekten umfasst sowie die dafür notwendige Inf- rastruktur wird in der letzten Gruppe erläutert.

Bei der Lokalisierung von Objekten wird primär zwischen der Lokalisierung inner- halb und außerhalb von Gebäuden unterschieden s.Abb.2.9, wobei das Netzwerkge stützte System sowohl innerhalb als auch außerhalb von Gebäuden vorkommen kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.9 Produktübersicht zur Positionsbestimmung

Das satellitenbasierte System hat den Vorteil, dass dieses von Jedermann verwendbar und meist selbstortend ist. Die Verbreitung von Systemen, die eine Lokalisierung von Objekten innerhalb von Gebäuden unterstützt, ist sehr gering, da diese Verfahren den Nachteil haben, sowohl aufwändige als auch kostenintensive Installationen der Infrastruktur in Gebäuden zu verursachen. Bei den netzbasierten Systemen wird versucht, durch die schon vorhandenen Infrastrukturen eine Lokalisierung von Ob- jekten zu bewerkstelligen.

Bei den hier oben im Bild aufgeführten Produkten wird meist ein Berechnungsver- fahren zur Lokalisierung von Objekten angewandt. In manchen Fällen werden sogar mehrere Berechnungsverfahren gleichzeitig verwendet.

2.2.2 Übertragungscharakteristiken

Zum Lokalisieren von Objekten werden die dort verwendeten Medien zur Übertra- gung von Signalen auch in drei Gruppen aufgeteilt s.Abb.2.10.

Der größte Unterschied besteht zwischen einem Schallsignal und der eines Radiofre- quenz- sowie Lichtsignals. Ein Schallsignal hat eine wesentlich geringere Ausbrei- tungsgeschwindigkeit der gesendeten Welle gegenüber den anderen zwei Übertragungsmedien. Dies erleichtert die Verarbeitung der Signale in den dafür notwendigen elektronischen Schaltungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.10 Übertragungscharakteristiken

- Die Schallmessung erfordert meist Sichtkontakt und ist temperaturabhängig. Der Einsatz erfolgt meist bei der Höhenstands- sowie Entfernungsmessung im Ultraschallbereich, der für das menschliche Ohr nicht hörbar ist.
- Bei der Radiofrequenz kommen die elektromagnetischen Wellen zum Einsatz. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, und die Laufzeit kann mittlerwei- le präzise bestimmt werden. Die wichtigsten Anwendungen sind Distanzmes- sungen in der Geodäsie, Astronomie, Navigation, etc. aus der die Laufzeit errechnet wird.
- Ein Sonderfall ist die Positionsbestimmung nicht bewegender Objekte. Diese werden sehr häufig mit Lasermessinstrumenten und Stereo-Kameras zuerst als Objekt erfasst und nachfolgend können die Position und die Lage be- stimmt werden.
Mit allen drei Verfahren zur Objektlokalisierung können durch die Messung der Sig- nalstärke, -phase oder -laufzeit die Entfernungen bestimmt werden.

2.3 Verwendete Messinstrumente

2.3.1 Spektrumanalysator

Für die Analyse der Datenübertragung zwischen einem RFID- Lesegerät und einen Transponder kommt ein ANRITSU MS2650 Spektrumanalysator zum Einsatz s.Abb.2.11. Mit ihm kann die Kommunikationsart bzw. Modulationsart untersucht werden. Für das Identifizieren von Störfrequenzen der Filterschaltungen ist ein Spektrumanalysator notwendig. Das Frequenzspektrum von f = 0 – 3 GHz kann über das Eingangssignal erfasst werden. Zusätzlich ist noch ein Dämpfungsglied für den Signaleingang erforderlich. Dieser dämpft den Gleichspannungsanteil bis zu U= 50 V.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.11 Spektrumanalysator Anritsu MS2650

2.3.2 Oszilloskop

Ein Vierkanal Textronic TDS 224 Oszilloskop dient zum Messen und zur bildlichen Darstellung von Wechselspannungen s.Abb.2.12. Pro Kanal können Signale bis f = 200 MHz gemessen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.12 Oszilloskop Textronic TDS 224

3 Problemanalyse

Das Kapitel Problemanalyse dient dazu, die in der Einleitung identifizierte und ein- gegrenzte Probleme auf ihre Ursachen zurückzuführen und so Lösungsmöglichkei- ten zu entwickeln.

3.1 Szenario zur ortsauflösenden Objektlokalisierung

Ein RFID Transponder der mit Hilfe elektromagnetischer Wellen kommuniziert, bie- tet die Möglichkeit, durch verschiedene Signalcharakteristiken die Lokalisierung von Objekten durchzuführen. Dazu ist notwendig einen Ansatz zu finden wie mit dem Heute erwerbbaren RFID- Transpondern eine Lokalisierung durchgeführt werden kann. Bis Heute gibt es kein Verfahren, dass Zentimetergenau ein Objekt im Raum schnell, zuverlässig und kostengünstig lokalisieren kann. Folgendes Szenario ist für diese Problemstellung in der RFID- Technik vorstellbar s.Abb.3.0.

Pakete werden mit mehreren Transpondern bestückt. Diese befinden sich auf einer EURO- Palette. Somit ist die Lage und die Orientierung der einzelnen Pakete be- stimmbar. Nach dem die Positionen über die Antennen erfasst worden sind, kann ein Roboter nach dem gewünschten Paket greifen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3.0 Szenario zur ortsauflösenden Objektlokalisierung

Alle bekannten Systeme zur Lokalisierung von Objekten verwenden dabei mathema- tische oder geometrische Berechnungsmethoden. Nach diesen richtet sich auch die Konzeption der Hardware. Die vorhandenen Ansätze zur Objektlokalisierung sollen zusammen mit dem Heute verfügbare RFID- Systemen verknüpft werden.

3.1.1 Methoden der theoretischen Berechnungsverfahren

Die verschiedenen Methoden zur Positionsbestimmung werden in Gruppen einge- teilt. Ein Einteilung der Berechnungsverfahren erfolg zuerst in GROB und FEIN s.Abb.3.1. Das Nachbarschaftsprinzip herrscht bei dem groben Berechnungsverfah- ren. Bei den feinen Berechnungsverfahren soll die Positionsangabe mit einem defi- nierten Maßstab bestimmt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3.1 Methoden der theoretischen Berechnungsverfahren

3.1.1.1 Nachbarschaft

Beim groben Berechnungsverfahren wird ein Objekt als Vorhanden oder nicht vor- handen lokalisiert. Dieses Verfahren ist auch unter COO (Cell of Origin) bekannt. Es dient lediglich zur Verfolgung von Objekten anhand von Wegpunkten (Transport, Produktion). Die Positionsbestimmung wird durch die Zelle in der sich das Gerät momentan befindet realisiert.

Die einzelnen Berechnungsverfahren der Gruppe FEIN werden als nächstes erläutert.

3.1.1.2 Triangulation

Die Geometrie des rechtwinkligen Dreiecks ist das Messprinzip bei der Triangulation

s.Abb.3.2. Die Winkelmessung benötigt mindestens zwei Punkte mit bekannter Posi-

tion. Bei 3D werden mindestens drei Winkel benötigt. Ein bekanntes Verfahren zur Winkelbestimmung ist Angel of Arrival, AOA. Durch Antennen mit Richtungscha- rakteristik kann ermittelt werden, aus welcher Richtung ein bestimmtes Signal ein- trifft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3.2 Triangulation

Ein Radarsystem in der Schiff- und Luftfahrt ist ein bekanntes Beispiel hierfür. Eine drehende Antenne empfängt die Signale und misst so deren Eingangswinkel. Oft ist auch ein Empfänger mit einem Satz von Antennen ausgestattet (z.B. bei GSM- Basis- stationen).

Dieses Verfahren erfordert entweder kostspielige drehbare oder eine hohe Anzahl von Richtantennen pro Station. Ein Einsatz solcher Antennen innerhalb von Gebäu- den ist wegen der Mehrwegausbreitung nicht geeignet. Dieses Verfahren hat aber den Vorteil, dass je weiter entfernt sich ein Objekt befindet, desto genauer kann der eintreffende Winkel bestimmt werden und somit auch die Entfernung bzw. die Posi- tion des Objektes. Eine alternative zur Entfernungsmessung stellt die Messung der Signalstärke dar, die im nächsten Abschnitt erläutert.

3.1.1.3 Signalstärkemessung

Die einfachste, aber auch ungenaueste Methode zur Entfernungsmessung, stellt die Messung der Signalstärke dar, auch als RSSI (Received Signal Strength Indicator) be- kannt. Grundsätzlich nimmt die Signalleistung mit 1/d² ab (d = Abstand zwischen Sender und Empfänger) s.Abb.3.3.

Die Empfangsleistung wird jedoch noch durch zahlreiche äußere Faktoren beein- flusst, wobei als wichtigste die Freiraumdämpfung, Reflektion an großen Flächen, Streuung an kleinen Hindernissen und Beugung an scharfen Kanten zu nennen sind. Durch Reflektion, Streuung und Beugung hervorgerufene Mehrwegausbreitung wird als „Multipathing” bezeichnet. Aus diesen Gründen eignet sich die Messung der Signalstärke zur Entfernungsbestimmung nur bedingt und unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten.

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