Laufzeitmessung von RFID - Signalen zur ortsauflösenden Objektlokalisierung

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-

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.

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

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

  Erklärung  2

  Abstract  3

  Danksagung  4

  Einleitung  9

1.1  Motivation  9

1.2  Problemstellung und abgrenzung  10

1.3  Ziel der Arbeit  11

1.4  Vorgehen  11

  Grundlagen  13

2.1  Radio Frequenz Identifikation  13

2.2  Ortsauflösende Objektlokalisierung  22

2.1  Ansätze  23

2.2  Übertragungscharakteristiken  24

2.3  Verwendete Messinstrumente  26

2.1  Spektrumanalysator  26

2.2  Oszilloskop  26

  Problemanalyse  27

3.1  Szenario zur ortsauflösenden Objektlokalisierung  27

3.1  Methoden der theoretischen Berechnungsverfahren  28

3  Signale  37

3.3  Zusammenfassung  38

  Lösungskonzept  39

4.1  Aufstellen des mathematischen Gleichungssystems  39

4.2  Lösungsansätze zum Hardwareaufbau  44

4.1  Antennenarchitektur  47

4.2  Aktive und passive Signalfilterung  49

4.3  Aktive Signalverstärkung  51

4.4  Signalwandlung in ein TTL Signals  52

4.5  Hardwareumsetzung zur Zeitmessung  53

4.6  Programmaufbau der Zeitverarbeitungseinheit  57

4.7  Programmaufbau zur Berechnung der Position  59

4.8  Ausgabe der Werte  60

4.3  Zusammenfassung  61

  Umsetzung  62

5.1  Verifikation des mathematischen Gleichungssystems  62

5.2  Konkretisierung der Hardwareumsetzung  64

5.1  Antennen  64

5.2  Signalfilterung  64

5.3  Signalverstärkung  66

5.4  Signalwandlung  71

5.5  Entwurf der Zeitmessung  71

5.6  Zeitverarbeitung  72

5.7  Positionsbestimmung und Visualisierung  75

Diplomarbeit 5

5.2.8 Der Gesamtaufbau ............................................................................................ 76

  Zusammenfassung und Ausblick  78

  Quellenverzeichnis  79

  Anlagenverzeichnis  81

Diplomarbeit 6

x-Koordinate einer Antenne

y-Koordinate einer Antenne

Teilstück einer Wellenlänge

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

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

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/

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-

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-

• 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-

• 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/

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-

Mit RFID- Transponder wird jedoch keine Positionsbestimmung durchgeführt. Es

dient lediglich zur Verfolgung von Objekten anhand von Wegpunkten (Transport,

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.

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

o 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/

o 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/

o 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 sich

von den beiden anderen in der Energieversorgung der Transponder und im Da-

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.

Unmittelbar an der Antenne wird ein magnetisches Feld erzeugt, das elektrische Feldlinien in den Raum induziert. Bei einer Entfernung von λ/2π 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 < λ < 3240 m) und bei einer Frequenz von f = 13.56 MHz (λ = 22.1 m)./2/

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

o 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

o 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.

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/

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/

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.

Aus den möglichen Frequenzbereichen dieser RFID- Systeme haben sich nur vier deutlich durchgesetzt s.Abb.2.7.

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.