uctag Intelligent and passive RFID tag for Identification and Sensing (Embedded Computing Conference, Winterthur, 26. Mai 2009)

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1 Zürich University Of Applied Sciences Institute of Embedded Systems InES uctag Intelligent and passive RFID tag for Identification and Sensing (Embedded Computing Conference, Winterthur, 26. Mai 2009) Dipl. El. Ing. FH Sven Keller Prof. Dr. Marcel Meli Contact: 1

2 Inhalt RFID-Tags und -Sensoren Projektübersicht uctag Technische Funktion (Blockschaltbild) Prototyp RFID-Protokoll und MC-Software Benötigte Energie, Stromaufnahme Tests und Resultate Schlussfolgerung, Zukunft 2

4 Was sind RFID-Tags? RFID-Tags kommunizieren ihre Identität (Kennummer) durch Modulation des RF-Feld des Readers. Identität oder andere Informationen (Read/Write-Befehle) Passive Tags Speisung über das RF-Feld des Readers Einsetzbar in Umgebungen, wo das Auswechseln von Batterien nicht möglich oder erschwert ist. Active Tags Eigene Energiequelle (Batterien) Frequenzen LF: 125KHz -140 KHz (Nahfeld, magnetische Kupplung) HF: MHz (Nahfeld, magnetische Kupplung) UHF: 868 MHz, 900 MHz (Fernfeld, elektromagnetisch) 4

5 Was sind RFID-Tags? Diagramm aus dem Datenblatt EM4102 (125KHz tag), EM Marin 5

6 Was sind RFID-Sensoren? Anstatt der Identität werden Sensorwerte oder ein Mix dieser beiden Informationen gesendet. Kommuniziert die Daten zu einem oder mehreren Readern. (RSN RFID Sensor Networks) Temperatur/Feuchtigkeits-Sensor Sensor zur Überwachung der Körperfunktionen 6

7 Eigenschaften momentaner RFID-Sensoren (ASIC) Meistens State-Maschines mit angebundenen Sensoren Entwickelt für eine besondere Anwendungen Unflexible beim Typ des Sensors Unflexible für Implementierungen von neuen Protokollen Intelligente Tags sind vorhanden, benützen jedoch meistens eine externe Speisung. FPGA/CPLD oder ARM basierende Microcontroller WISP ist eine passive Sensorplatform mit dem MSP430 von TI. Tiefste Speisespannung 1.8 Volt. 7

8 Vorteile von intelligenten und passiven RFID-Sensoren Flexibilität Verschiedene Typen von Sensoren können ohne besonderen Chip verwendet werden. Verbesserung von Messverfahren durch den MC (z.b. Mittelwertbildung (Averaging), Filterung) Anpassung an verschiedene RFID-Protokolle (laden neuer Programme) Erlaubt Emulationen Emulation von RFID-Protokollen (prüfen von Robustheit, Geschwindigkeit von anti-collision Schemen,...) Passive Emulation (näher beim realen Produkt) Erhöht die Sicherheit Implementierung erhöhter Sicherheit durch den Einsatz eines Prozessors im Gegensatz zu einer State-Maschine. 8

10 Projektübersicht 125kHz 13.56MHz Frontend 868MHz ADC

12 Technische Funktion (Blockschaltbild) Antenna (Balun) Resonance Tank Multiplier Energy Harvester low power Comparator Power Switch Modulator Clock extraction Data extraction Sensor Micro 12

13 Antenne Monopol Chip-Antenne (Monopol) Dipol Monopol oder Dipol? (Empfänger) E[V/m] I R/2 V in =I*R/2 P in = ½*V in2 /R E[V/m] I R/2 R/2 V in =I*R P in = V in2 /R Balun G Monopol(dB) = G Dipol(dB) -3dB

14 Monopol, Antennen-Matching Network- Analyzer Antenne (868MHz, 50Ohm) f = 868MHz -15dB f = 868MHz Smith-Diagramm

15 Technische Funktion (Blockschaltbild) Antenna (Balun) Resonance Tank Multiplier Energy Harvester low power Comparator Power Switch Modulator Clock extraction Data extraction Sensor Micro 15

16 Resonanz-Tank 1 f = 2 π L C V out 1 L = Vs Rs C Die Qualität der Spule ist der wichtigste Parameter für die Qualität des Schwingkreises

17 Multiplizierer Spannungs-Verdoppler TR1 1 C1 100n VF2 D1 1N4148 VF1 VG1 + N1 N2 D2 1N4148 C2 100n Output m 5.00m 7.50m 10.00m Time (s) VF1 VF2 VG1 N-Stufen Multiplizierer Ab ca. 10 Stufen zu hohe Verluste

18 Verwendeter Microcontroller - Speisespannung 0.9V 3.3V - Benützt einen internen Multiplizierer zwischen 0.9V und 2V - CoolRISC CPU, 7.5 Mips at 15 MHz (Mehr Prozessor-Power wenn nötig) - Programmierbarer DC/DC Converter (für Bauteile mit höherer Speisespannung) - Specs typ 1 Mips (3V) (besser als die meisten MC) - Timers (Modulation, Timing) - Wake up counter (Kann während der Energiespeicherung verwendet werden) - ADC (für Analogsensor wo die Auflösung von 10-Bit ausreicht) - Komparator / Voltage Monitoring (Einsetzbar bei der Energiespeicherung) - 16K Flash (Protokolle,...) - EEPROM Emulation, SPI - Einfacher Umgang mit Serial-Programmierung und Debugging-Interface 18

19 Verwendeter Microcontroller 19

20 Verwendeter Microcontroller Der Microcontroller wurde bereits in einer low power Applikation als Batterieloser-Schalter verwendet. -ZigBee - Bluetooth low energy compatible radio 20

22 Prototyp 868 MHz Dipol Antenne Data/Clock Extraktion - Resonanz-Tank - Spannungs- Multiplizierer λ 10 EM6819 Microcontroller und Programmierinterface - Energie- Akkumulator -Komparator Die Leiterbahnlänge soll, um Reflexionen zu verhindern, λ/10 nicht überschreiten. 8 λ c 3 10 m/s = = = 3.45cm f MHz 22

24 Tag (EM4444) Features 64 bit ID Nummer, Daten Rate: bis 256 kbit/s Frequenz : 869 MHz, MHz, 2.45 GHz On-chip Oscillator, On-chip Gleichrichter Typische Applikationen Einsetzbar für grössere Distanzen, high-speed Identifikation Tracking (Aufspüren) and Tracing (Verfolgen) Access control (Zugriffskontrolle) Tier-Tagging Sport-Event Timing 24

25 Emulierter Tag (EM4444) Emulierte Features 64 bit ID Nummer, data Id, (64 bits data with CRC, 11 bits header) 64 Kb/s Frequenz : 869 MHz Write- and Read-Befehl (kürzere Distanz) Emulierte Applikation Gegenstand Identifikation 25

26 Software für die Emulation des Tags Ablauf Einstellung des Clocks des Microcontrollers an die verwendete Modulations-Datenrate Modulations-Routine geschrieben in Assembler (Somit kann eine langsamere Clockfrequenz benützt werden, was sich auf den Stromverbrauch positiv auswirkt) Start Up, initialisiere Sleep Timer, gehe in den Sleep Modus Wake Up, Send Data, gehe in den Sleep Modus in der neue Energie im Kondensator gespeichert wird. Aktive Zeit des MC Senden der Daten 26

27 Software für die Emulation des Tags Der Microcontroller arbeitet mit 1Mhz (0.5 Mips) (Energieaufnahme beim Senden (2.5V) ist weniger als 50uA). Dies reicht aus um die Modulation bei der eingesetzten Datenrate zu erreichen. Für schnellere Datenraten können wir den CPU-Clock erhöhen. Der uctag erwacht durch einen Interrupt aus dem Sleep-Modus, falls eine Befehl vom RFID-Reader gesendet wurde. Infolge NDA keine weiteren Informationen möglich.

29 Stromverbrauch bevor Speisung Microcontroller Stromaufnahme Komparator: I Komparator = 1.4uA Die Speisung des Microcontrollers ist durch den Power Switch ausgeschaltet. Antenna (Balun) Resonance Tank Multiplier Energy Harvester low power Comparator Power Switch Modulator Clock extraction Data extraction Sensor Micro 29

30 Stromverbrauch Microcontroller bei 2.5V ID-Senden Sleep-Phase I Average (10uA 400ms + 42uA 2.3ms) = = 10.18uA 402.3ms E= Q U= Q + Q = Sleep Senden (10uA 400ms + 42uA 2.3ms) 1V = 4.1uJ

32 Tests, Benützte HW Labor-Reader mit einstellbarer Ausgangsleistung von bis zu 500mW EMDB412, SkyeModule M9 UHF EcoTag Reader von Trolley Scan (bis zu 3W). Wird nur für eine grössere Sendeleistung benützt und ist nicht kompatibel mit dem emulierten Tag. 32

33 Resultate Distanz: 2m Leistung Reader: 500mW Buffer-Kapazität: 147nF Eine solche kleine Kapazität wurde verwendet, um die Änderungen in der Speisung klar zu zeigen. Der Microcontroller sendet die TagID mit oder ohne Sensor- Daten und geht danach wieder in den Sleep-Modus. Moduliertes Signal vom Pin des MC Harvested Power. Ansteigende Speisespannung während der Sleep-Phase Während der Sleep-Phase steigt die Speisespannung wieder an. 33

34 Resultate Die Spannung sinkt wenn der Tag die TagID (+ Sensordaten) transferiert. Die Sendedauer beträgt ca. 1.2ms. Genügend Energie ist vorhanden, trotz der sehr kleinen eingesetzten Stützkapazität von 147nF. V Start_Modulation = 3V V End_Modulation = 2V C=147nF 34

35 Resultate Distanz-Spannungsmessung: UHF-Reader EMarin (500mW) Fast Unbelastet (Komparator 1.5uA) Belastet mit Programm Sleep UHF Reader EM Marin 500mW generierte Spannung U [V] Distanz [m] Die erzeugte Spannung verringert sich mit der Distanz. Ohne Komparator wird eine Distantz von 2 Metern erreicht, wo der Tag seine ID dauernd sendet. (rote Kurve) Zum Vergleich: Diese Distanz wird auch mit den Kreditkarten-Tags von EMMarin erreicht. Mit Komparator (sehr kleiner Strom unter 1.5uA) können Distanzen bis zu 4 Metern erreicht werden. (blaue Kurve) 35

36 Resultate UHF Reader EcoTag 1W 3W generierte Spannung U [V] Distanz-Spannungsmessung Fast Unbelastet (Komparator 1.5uA), Pout=3W Belastet R = 39kOhm, Pout=3W Fast Unbelastet (Komparator 1.5uA), Pout=1W Belastet R = 39kOhm, Pout=1W Distanz [m] 39 kohm entsprechen mehr als der maximalen Stromaufnahme des emulierten Tags. Mit einer Reader-Leistung von 1W ist eine Übertragung bis 6 Metern möglich. (Rote Kurve) 36

38 Schlussfolgerung Wir besitzen eine Plattform, welche als Basis für intelligente passive RFID-Sensoren benützt werden kann. Distanz > 2 Meter ohne Komparator Distanz bis 4 Meter mit Komparator Der Gebrauch von ultra low power Microcontroller öffnet die Türen zur Integration von verschiedenen Typen von Sensoren und zur Implemetierung von diversen RFID- Protokollen. 38

39 Zukunft Wir sind erst am Start. HW SW Verbesserung der Distanz mit der Optimierung des RF- FrontEnds Miniaturisierung Betrachtung von anderen Low Power Microcontrollern Implementierung von verschiedenen RFID-Protokollen UHF (Including parts of Gen2) MHz 125 KHz 39

40 Informationen? Dipl. El. Ing. FH Sven Keller Zurich University of Applied Sciences (ZHAW) Institute of Embedded Systems (InES) Technikumstr. 9 CH-8401 Winterthur Phone:

41 Fragen???? 41

42 Who we are: InES, design examples Activities of the Wireless Systems Group Microcontrollers (Atmel, CoolRisc, Microchip, Propeller, PSoC/PRoC, Freescale,XMOS...) Wireless PAN systems (BT,ULPBT, , ZigBee/6LoWPAN) WirelessUSB, ANTS, Nanotron,... RFID (125 KHz MHz, UHF), RFID radar, pairing Activities in Low Power, use of Energy Harvesting, positioning 32x16 mm, 32-bit micro+radio / ZigBee compatible Portable RFID reader with Wireless PAN link Single chip (PRoC) 42

43 Who we are: InES/Wireless, design examples No Batteries Wireless Battery-less switch Very Low Power microcontroller + Radio, Use of EH module Compatible with / ZigBee Easy and intuitive pairing (Touch and Pair, Point and Pair) Ethernet to Gateway, with PoE (Jennic, Arm Cortex, ) Install And Forget Multichannel sniffer to monitor based protocols All channels can be monitored (1 microsecond accuracy) 43

44 Herausforderungen an einen intelligenten und passiven RFID Sensor Energieverbrauch ist kritisch Energiespeicherung (energy harvesting) HF-Frontend, Antennen-Matching Programmierbarer Controller für die Intelligenz (Welcher Microcontroller?) Genügende Prozessorleistung für die Implementation der Protokolle Energieaufnahme beim Start muss klein sein Genügend Energie sollte gespeichert werden um die Sensor- Messung und die RFID-Protokolle auszuführen Präzision im Timing für eine zuverlässige Kommunikation Genügend Memory für die Implementation der Protokolle 44

45 Energy Voltage Harvested energy (and voltage) decreases with distance To drive the processor and sensor directly, the harvested voltage must be at least be equal to VDDmin of processor/sensor The energy must also be sufficient to power the circuit. Saved energy Accumulate energy (using a capacitor and control circuit) and start the microcontroller/sensor when there is enough energy Minimum voltage must still be reached (unless a booster is used) Start up time of tag/sensor is longer The saved energy must so be used that it is enough for sensor processing and communication (energy efficient instruction set) 45

46 Future work and thanks Applications Use of the tag for security tests/applications Use of the tag for early verification of new RFID protocols Thanks to EM Marin for their help 46

47 Inhalt Überblick Institut Embedded System InES RFID-Tags und -Sensors Projektübersicht uctag Technische Funktion (Blockschaltbild) Prototyp RFID-Protokoll und MC-Software Tests und Resultate Erkenntnisse, Zukunft 47