FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHOTONISCHE MIKROSYSTEME IPMS. Mit RFID-Sensorik in die Cloud

Transkript

1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHOTONISCHE MIKROSYSTEME IPMS Mit RFID-Sensorik in die Cloud

2 RFID System aus Reader, Antenne und Sensor-Tag. RFID-Technik RFID-Überblick Radio Frequency Identification (RFID) ist ein Verfahren zur elektronischen, kontaktlosen Identifikation von Objekten, Waren und auch Lebewesen. RFID ermöglicht die Umsetzung rein passiver (batterieloser) Identifikationssysteme indem neben der Datenübertragung auch die Energieversorgung der Transponder (Tags) drahtlos erfolgt. Die für den Betrieb der Transponder notwendige Energie wird dabei aus dem magnetischen oder elektromagnetischen Feld des Readers entnommen. Durch eine aktive Stromversorgung der Transponder mit Hilfe von Batterien lässt sich zusätzlich die Reichweite bei erhöhten Transponderkosten steigern. Die Vorteile der RFID-Technik sind in einer geringen Größe, der Resistenz gegen Verschmutzungen, Unabhängigkeit von Beleuchtungssituationen sowie der Möglichkeit viele Tags gleichzeitig zu erfassen, zu sehen. Weiterhin lassen sich mit geeigneten Systemen Daten direkt in den Kennzeichnungselementen elektronisch ablegen und eignen sich daher hervorragend für die Dokumentation von Warenursprung und Warenbewegungen. Sensor-Transponder Das Hauptanwendungsgebiet von RFID-Technik existiert traditionell in der Logistik als reine Objektidentifikation von Waren und Gütern. In modernen Industrieanwendungen besteht häufig zusätzlich der Wunsch, physikalische Parameter wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, Licht und Druck mit Hilfe von Sensorik drahtlos zu erfassen. Dies ist im Speziellen der Fall, wenn die Nutzung von Kabelverbindungen aufgrund von unzugänglichen Anbringungsorten oder beweglichen bzw. rotierenden Teilen, nicht möglich ist. Hier spielen passive RFID-Sensortransponder ihre Stärken aus. Diese verbinden extrem energieeffiziente Sensorik mit standardkonformen RFID-Protokollen. Die Energie für die Erfassung der Sensorwerte wird dabei vollständig von handelsüblichen RFID-Readern geliefert. Aktive Funksysteme sind aufgrund ihres hohen Energiebedarfs in der Regel auf zusätzliche Energiespeicher in Form von Batterien oder Akkus angewiesen. In diesem Zusammenhang Name Frequenzen Abstand Datenraten LF < 135 khz < 1 m 5,2 kbit/s HF 13,56 MHz < 1,5 m 106 kbit/s NFC 13,56 MHz < 10 cm 848 kbit/s UHF MHz < 10 m 640 kbit/s MW > 2,5 GHz < 1 cm 40 kbit/s Name Memory Tag Energie Vorteile LF < 1 kbyte 25 mw robust, in vivo HF < 16 kbyte 5 mw klein NFC < 4 kbyte 5 mw schnell UHF < 64 kbyte < 1 mw hohe Reichweite MW < 1 kbyte < 10 µw klein stellt sich immer die Frage nach Austausch oder Wiederaufladung der genutzten Energiespeicher und der damit anfallenden Wartungskosten. Passive RFID-Sensortransponder sind hingegen vollständig wartungsfrei weil die notwendige Energie aus dem Feld des Readers entnommen wird. Sie können somit auch in unzugängliche Stellen eingebracht werden und haben eine nahezu unbegrenzte Nutzungsdauer. Das Fraunhofer IPMS setzt seit Jahren auf eigene RFID-Transponderschaltkreise für verschiedene Frequenzbereiche. Diese ASICs zeichnen sich durch ein flexibles Interface-Konzept für externe Sensorik aus. Damit lässt sich fast beliebige analoge und digitale Sensorik integrieren. Auf Basis eigener aber auch kommerzieller RFID-Schaltkreise entwickelt das Fraunhofer IPMS kundenspezifische RFID-Sensortransponder. Dabei werden die Sensorik, die elektronische Schaltung und die Antennengeometrie an die speziellen Bedürfnisse, Einsatzszenarien und Umgebungsparameter von Kunden und Forschungspartnern angepasst. Durch die breite Expertise und jahrelange Erfahrung auf diesem Gebiet besteht die Möglichkeit auch spezielle Lösungen (z. B. komplexe Bauformen, metallische Untergründe, spezielle Sensoren) für unterschiedliche Stückzahlen umzusetzen.

3 RFID-Sensor-Tags zur Erfassung von Feuchtigkeit, Licht, Temperatur und Druck. Entwicklungsbeispiele des Fraunhofer IPMS mit RFID-Sensorik Kontakttemperaturmessung im Schaltschrank Durch das Erfassen von Temperaturen an Verbindungsschrauben auf Stromschienen in Schaltschränken lassen sich Aussagen über deren Zustand treffen und ein Langzeitmonitoring durchführen. Die drahtlose Erfassung von Temperaturen erfolgt dabei in Bereichen des Schaltschrankes, die sonst nur im abgeschalteten Zustand mit Messtechnik erreichbar sind. Die Nutzung dieses Systems führt zur Reduktion von Abschaltzeiten für Wartungsarbeiten und kann Ausfälle in Schaltschränken frühzeitig erkennen. Feuchtigkeitsmessung im Bau Die vom Fraunhofer IPMS entwickelten Sensortransponder können beispielsweise zur punktuellen, drahtlose Erfassung von Feuchtigkeit in Mauern, Dächern und Straßen eingesetzt werden. Diese Systeme dienen damit der Dokumentation von Trocknungsverläufen und Wasserschäden. Sie werden direkt in die Baustoffe eingebracht und lassen sich als passive Sensoren auch noch nach Jahren auslesen. Weiterhin werden integrierte Transponder zur Identifikation von Bauteilen und Speicherung von Zusatzinformationen verwendet. Betriebsstundenzähler Die Kontrolle und Überwachung der Betriebsdauer eines elektrischen Gerätes liefert wichtige Informationen über die Nutzung. Auch für die Abrechnung und die Einhaltung von Serviceintervallen ist die tatsächliche Betriebsdauer eine wichtige Information. Der Betriebsstundenzähler des Fraunhofer IPMS mit RFID-Schnittstelle ermöglicht diese Kontrolle. Dabei erfolgt die Versorgung über die Betriebsspannung des zu überwachenden Gerätes, die Information zu angefallenen Betriebsstunden wird über die RFID-Schnittstelle ausgelesen, ohne dass das überwachte Gerät einzuschalten ist. RFID-Drucksensorik RFID-Druckmesssysteme auf Basis der Sensortransponder des Fraunhofer IPMS dienen beispielsweise der drahtlosen Erfassung von Druckzuständen in Maschinen und Anlagen. Der Vorteil derartiger System liegt in der Möglichkeit, Messwerte an mehrere Positionen ohne den Einsatz von störender Verkabelung zu erfassen. Weiterhin ist ein wartungsfreier Betrieb über viele Jahre sichergestellt. Die so gewonnenen Daten fließen in die Optimierung der Anlagen- und Prozesssteuerung ein, erhöhen die Bediensicherheit und ermöglichen eine bedarfsgerechte Instandhaltungsstrategie.

4 IPMS ROAD-Server Features Die Integration neuer RFID-Komponenten in bestehende oder aufzubauende Prozessumgebungen ist für den Anwender in der Regel mit beträchtlichen Implementierungszeiten und Kosten verbunden. Reader, Identifikations- und Sensortransponder unterscheiden sich je nach Hersteller, genutztem Frequenzband, Protokoll, Schnittstelle und Sensor zum Teil erheblich und lassen sich nicht ohne weiteres miteinander kombinieren. Einfache Integration von AutoID-Geräten in OPC-UA Umgebungen Einheitliche Schnittstelle für beliebige RFID-Reader-Hardware, Ident- und Sensor-Transponder Unterstützt LF, HF, NFC und UHF Zugriff auf Messwerte, Ereignisse und historische Daten von Sensor-Transpondern Um die Integrierbarkeit von AutoID-Geräten in professionelle Prozessumgebungen zu vereinfachen wurde die OPC-UA (Open Platform Communication Unified Architecture) AutoID-Companion-Spezifikation als einheitlicher Industriestandard geschaffen. Das Fraunhofer IPMS bietet dafür eine Softwarelösung, den sogenannten RFID-OPC-UA-AutoID-Server (ROAD-Server), als Middleware an. Dieser setzt die OPC-UA AutoID-Companion-Spezifikation entsprechend für RFID-Komponenten um und ermöglicht damit eine herstellerunabhängige, standardkonforme Kommunikation in der Automatisierungstechnik. Die Besonderheit des ROAD-Servers ist, dass sich damit beliebige Lesegeräte, Identifikations- und Sensor-Transponder in den verschiedenen Frequenzbereichen (LF, HF, UHF und NFC) und von verschiedenen Herstellern einheitlich ansprechen lassen. Dazu erkennt der ROAD-Server den Reader- und Transpondertyp und wählt autonom eine geeignete Ansteuerung aus, die dem Nutzer den Zugriff auf den Transponder sowie das Auslesen von ID, Speicher und Messwerten über eine einheitliche Schnittstelle erlaubt. Für den Nutzer besteht somit nicht mehr die Notwendigkeit, sich mit der detaillierten Ansteuerung von Readern, Transpondern und Sensoren auf elektronischer und Protokollebene zu beschäftigen. Lieferumfang ROAD-Server Treiber-Bibliotheken der unterstützten Reader Beispiel Anwendung (Client) mit Quelltext Aufbauend auf diesem einheitlichen Grundgerüst unterstützt das Fraunhofer IPMS bei der Konzipierung und Umsetzung individueller Softwarelösungen. Dies beginnt bei intuitiv zu bedienenden Lösungen zur einfachen Messwerterfassung über die Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen für mobile Betriebssysteme bis hin zur Integration von Datenerfassung und Steuerung in Industrieumgebungen sowie professionelle Cloud-Anwendungen. Das Fraunhofer IPMS verfügt über die notwendige Expertise, um die bei der dauerhaften Messwerterfassung anfallenden großen Datenmengen entsprechend zu analysieren und in Erkenntnisse über Prozesszustände zu überführen.

5 Services und Dienstleistungen RFID-Expertise Das Fraunhofer IPMS bietet kundenspezifische Komplettlösungen und Dienstleistungen rund um die Themen RFID-Schaltkreise, RFID-Sensorik und Middleware für RFID-Ausrüster, Anlagenbauer und Systemintegratoren an. Das Fraunhofer IPMS deckt dabei die vollständige Wertschöpfungskette von der Schaltkreisentwicklung bis hin zur Softwareintegration in komplexe Industrieanwendungen aus einer Hand ab. Zu den Dienstleistungen des Fraunhofer IPMS gehören: Problemanalyse und Konzepterstellung Entwicklung anwendungsspezifischer RFID-Schaltkreise Berechnung und Simulation von angepassten Antennengeometrien Anpassung an spezielle Anwendungen wie kleine Geometrien, exotische Substrate, metallischen Untergrund, 3D-Integration Entwicklung von energieoptimierter Firmware zur sensornahen Signalverarbeitung Entwicklung kundenspezifischer Sensor-Transponder Aufbau und Erprobung von Sensorsystemen Erweiterung konventioneller Sensorik um IOT-Schnittstellen Erweiterung von AutoID-Geräten um OPC-UA-Schnittstellen Integration von RFID-Komponenten in bestehende Softwareumgebungen Entwicklung individueller Softwarelösungen im RFID-Umfeld einschließlich der Analyse und Auswertung von Sensordaten Entwicklung von Anwendungen für mobile Betriebssysteme und Cloud-Lösungen Verfügbare Evaluation Kits UHF-Sensorik HF-Sensorik LF-Sensorik NFC-Sensorik Cloud-Integration Systemintegration Tag-Entwicklung Sensorintegration Antennendesign ASIC-Design

6 Kurzprofil Das Fraunhofer IPMS mit Sitz in Dresden ist Ihr Forschungs- und Servicepartner auf dem Gebiet optischer Sensoren und Aktoren, ASICs, Mikrosysteme (MEMS/ MOEMS) sowie Nanoelektronik. Als eine von gegenwärtig 67 eigenständigen Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.v., der europaweit führenden Organisation für industrienahe Forschung, arbeiten wir mit rund 280 Wissenschaftlern gemeinsam mit Industrieunternehmen, Dienstleistungsunternehmen und der öffentlichen Hand an Projekten zum direkten Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft. Um den hohen Ansprüchen unserer Kunden zu genügen, ist das Fraunhofer IPMS für Forschung, Entwicklung und Fertigung photonischer Mikrosysteme, die entsprechenden Halbleiter- und Mikrosystemprozesse, integrierte Aktorik / Sensorik und Beratung von der DEKRA nach der Norm DIN EN 9001:2008 zertifiziert. Das Fraunhofer IPMS unterstützt Unternehmen bei der Realisierung ihrer innovativen Ideen auf dem Gebiet der drahtlosen Messwerterfassung mittels RFID-Sensorik durch Beratung und Konzepterstellung, Spezifikation und Implementierung. Dabei bringt das IPMS langjährige Erfahrungen in der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung speziell auf den Gebieten des analogen und digitalen Schaltkreisentwurfs, des Antennendesigns, der Sensorintegration sowie der Systemintegration in moderne Industriearchitekturen ein. Weiterhin steht hochmoderne Messtechnik zur Charakterisierung von Transponderschaltkreisen zur Verfügung. Das Fraunhofer IPMS kann somit den kompletten Weg von der Idee bis hin zu Prototypenfertigung und Pilotserien kompetent begleiten. Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS Maria-Reiche-Str Dresden Telefon: Fax: info@ipms.fraunhofer.de