DE102015210285A1

DE102015210285A1 - Schreib-Lesegerät zur Nahfeldkommunikation für einen passiven RFID-Transponder

Info

Publication number: DE102015210285A1
Application number: DE102015210285.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Korn; Andreas Gebhard
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: DE102015210285B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schreib-Lesegerät für die Nahfeldkommunikation mit einem passiven RFID-Transponder 1, bestehend aus einem Schreib-Lesegerät 2 mit einer integrierten Schaltung 3 zur Schwingungserzeugung und zur Auswertung der Signale, wobei dem Basis-Schreib-Lesegerät 2 eine zweite Antennenspule 8 zugeordnet ist, die Bestandteil eines zweiten Schwingkreises 9 ist, der auf die Frequenz f1 abgestimmt ist und induktiv mit der ersten Schwingkreis 6 gekoppelt ist, wobei der Koppelfaktor weniger als 0,1 beträgt, die zweite Antennenspule 8 als Leiterplattenspule ausgebildet ist, deren Fläche mindestens das 5-fache der Fläche der erste Antennenspule 4 beträgt, so dass sich der Erfassungsbereich B mindestens um den Faktor 1,5 erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schreib-Lesegerät zur Nahfeldkommunikation für einen passiven RFID-Transponder (Funketikett) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Schreib-Lesegerät ist für den Einsatz in Abfüllanlagen, z. B. in Schlauchbahnhöfen, aber auch für die Prozessmesstechnik geeignet.
Ein solches Schreib-Lesegerät weist eine Antennenspule auf, die meist Bestandteil eines Schwingkreises ist. Der Schwingkreis wird von einem Oszillator angeregt, der von einem Mikrocontroller gesteuert wird. Ausgewertet wird entweder die der Sendespule entzogene Energie (passiver Transponder), oder ein Echosignal (aktiver Transponder).
In der DE 42 33 283 A1 wird vorgeschlagen, die Empfindlichkeit eines (RFID)-Lesegerätes für Chipkarten durch eingelagerte Ferritkerne zu verbessern. Das wirkt jedoch wegen der Konzentration der Feldlinien nur im absoluten Nahbereich, wie bei einem Chipkartenleser.
Aus der DE 195 42 900 A1 ist bekannt, die Reichweite eine elektromagnetisch auslesbare Chipkarte mit einer Spule (RFID-Transponders) mit Hilfe einer offenen Zusatzspule zu erhöhen und durch vollständigen oder teilweisen Kurzschluss dieser Spule einzustellen.
Die DE 20 2012 100 364 U1 zeigt einen RFID-Transponder mit erhöhter Reichweite, wobei eine zweite Antenne mit der Schleifenantenne wechselwirkt. Das ist zwar vorteilhaft, wenn das zu kennzeichnende Bauteil, z.B. die Zierleiste eines PKW, gleichzeitig als zweite Antenne wirkt. Andernfalls werden sowohl der Materielaufwand, als auch die erforderliche Abstimmung auf die Resonanzfrequenz als nachteilig empfunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zu beseitigen und eine Anordnung zur Reichweitenerhöhung anzugeben, die flexibel einsetzbar ist und, ohne zusätzliche Bauteile auf der Transponderseite auskommt.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin lediglich das Schreib-Lesegerät mit einer Zusatzantenne auszustatten. Erfindungsgemäß ist diese zweite Antenne kein integraler Bestandteil des Gerätes, sondern wird außen am Gehäuse angebracht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Zusatzantenne an einer Gehäusewand oder in einer Befestigungsplatte angeordnet sein. So kommen in verschiedenen Anwendungen diverse Zusatzantennen zum Einsatz. Ein und dasselbe Grundgerät kann kostengünstig für verschieden Anwendungsfälle eingerichtet werden. Durch Verstimmung oder ohmsche Belastung der Zusatzantenne ist sogar eine Reichweitenverminderung möglich.
In einer Anwendung der Erfindung können mit einem RFID-Transponder gekennzeichnete Rohranschlüsse, wie sie beispielsweise in Schlauchbahnhöfen und/oder Abfüllanlagen der Lebensmittelindustrie vorkommen, durch eine das Rohr umschließende Zusatzantenne unempfindliche gegen die bei Verschraubungen notwendige Verdrehung ausgestaltet werden. Näheres ist in der 2 und der zugehörigen Figurenbeschreibung ausgeführt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt das erfindungsgemäße Schreib-Lesegerät mit einem RFID-Transponder,
2 zeigt das erfindungsgemäße Schreib-Lesegerät für eine Schlauchkupplung,
3 zeigt die Antennenspule aus 2 mit einem nochmals vergrößerten Ausschnitt,
4 zeigt einen bekannten RFID-Reader als Blockschaltbild,
5 zeigt die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielbare Reichweitenerhöhung.
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Transponder 1 ist ein handelsüblicher passiver Transponder für 13.56 MHz mit einer Übertragungsrate von > 5 kBit/s, typisch sind 26 kBit/s. Das Schreib-Lesegerät 2 weist eine integrierte Schaltung 3 mit einem Quarzoszillator 5 und einem Mikrocontroller µC auf. Die erste Antennenspule 4 gehört zum Schwingkreis 6, der vom Quarzoszillator 5 gespeist wird. Der Mikrocontroller steuert den Oszillator 5 und eine kapazitive Abgleichvorrichtung 7. Er erfasst die Oszillatoramplitude und erzeugt ein Ausgangssignal, das an eine hier nicht dargestellte übergeordnete SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) übertragen wird.
Die zweite Antennenspule 8 ist induktiv mit der ersten Antennenspule 4 gekoppelt. Diese dient zur Erhöhung der Reichweite und kann an einem handelsüblichen Schreib-Lesegerät angebracht werden. Insbesondere kann sie als Montageplatte oder als Aufsteckeinheit ausgeführt sein. Vorteilhaft sollte sie die erste Antennenspule 4 vollständig umschließen.
Die Antennenspulen 4 und 8 sind vorteilhaft als Leiterplattenspulen ausgeführt. Die beiden Schwingkreise 6 und 9 sind auf die gleiche Frequenz f1, hier 13,56 MHz, abgestimmt. Der Koppelfaktor sollte kleiner als 0,1 sein. Die Fläche der zweiten Antennenspule 8 beträgt mindestens das 5-fache der Fläche der ersten Antennenspule 4, wobei sich der nutzbare Abstand B zum Transponder 1 (Erfassungsbereich) um den Faktor 1,5 erhöht.
Die 2 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen RFID-Schreib-Lesegerät 2 ausgestatte Schlauchkupplung 10. Die stationäre Seite des Schlauch- oder Rohranschlusses, z. B. in einem Schlauchbahnhof, trägt ein hier mit 2 bezeichnetes, zunächst handelsübliches Schreib-Lesegerät, das durch die zweite Sendespule 8 zum erfindungsgemäßen wird.
Die zweite Sendespule 8 ist eine den Medienanschluss nahezu vollständig umschließende Ringschleife. Durch diese Form ist in allen möglichen Winkelstellungen und auch bereits bei Annäherung eines mit einem handelsüblichen Transponder 1 ausgerüsteten Schlauchs ein Datenaustausch zwischen dem Transponder 1 und dem Schreib-Lesegerät 2 möglich, so dass unerwünschte Medienkontakte bereits im Ansatz erkannt werden. Dadurch wird wertvolle Zeit für Gegenmaßnahmen, wie das Schließen von Ventilen oder Warnsignale gewonnen. Die Zuordnung zwischen dem Medienanschluss und dem aufgesteckten Schlauch kann durch die Transponderinformation von einem Kontrollsystem überwacht werden, bevor das Medium durch den Schlauch fließt. Eine unerwünschte Kombination zwischen Schlauchanschluss und verbundenen Schlauch wird damit vermieden. Die zweite Sendespule 8 ist kleiner als Lambda/4 der Transponderfrequenz und wirkt als magnetische Antenne. Auch sie kann als Leiterplattenspule ausgebildet sein.
Die 3 zeigt die als Ringschleife ausgebildete zweite Antennenspule 8 im Detail. Im Inneren befindet sich die Schlauchkupplung 10. So wird unabhängig von der Drehstellung der Schlauchkupplung eine sichere Datenübertragung zwischen dem Transponder 1 und der Schreib-Lesegerät 2 erreicht. Die Leiterschleife 11 und der Schwingkreiskondensator 12 sind nochmals vergrößert dargestellt.
Die 4 zeigt einen bekannten RIFD-Reader als Blockschaltbild. Die Antenne 4 erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz von beispielsweise 13,56 MHz, wobei die Antenne (Antennenspule) 4 von der in der Regel als integrierte Schaltung (IC) ausgeführten Oszillatorschaltung 3 durch ein Anpassungsnetzwerk 13 angeregt wird. Bei Anwesenheit eines passiven RFID-Transponders 1 (Transponder-TAG) wird das Feld durch die Kopplung mit einem auf die gleiche Frequenz abgestimmten Transponder-Schwingkreis bedämpft, so dass bei unterschiedlicher Belastung durch den Transponder 1 eine Kommunikation mit dem RFID-Lesegerät 2 möglich ist. Die drahtlose Schnittstelle ist in der Normengruppe ISO EN15693 definiert.
Der von der Antenne 4 auf diese Weise aufgenommene Datenstrom wird vom Schreib-Lese-IC 3 gemessen und als codierter Bitstrom zum Mikrocontroller 16 übertragen. Hier werden die Daten zwischengespeichert, zur Ausgabe über die Schnittstelle 14 bereitgehalten und auf Anforderung ausgegeben. Natürlich können auch Steuerbefehle eingegeben werden. Die Stromversorgung 15 stellt die Betriebsspannung für die einzelnen Funktionseinheiten bereit.
Das in der 5 dargestellte Diagramm zeigt den Erfassungsbereich B eines von der Anmelderin hergestellten bekannten RFID-Schreib-Lesegerätes 2 mit verschiedenen Zusatzantennen (zweite Antennenspule 8) mit unterschiedlicher Antennengröße. Der seitliche Versatz ist mit V bezeichnet. Die Zusatzantennen wurden nacheinander an dem RFID-Schreib-Lesegerät 2 angebracht und die maximalen Entfernungen zwischen dem Transponder 1 und dem RFID-Schreib-Lesegerät 2 bei fehlerloser Datenübertragung ermittelt. Alle Angaben sind in Millimetern und beziehen sich auf den gleichen Transponder 1. Der Durchmesser der ersten Sendspule 4 beträgt 30 Millimeter. Die Kurve ist mit 4 (30) bezeichnet. Die Durchmesser der Zusatzantennen betragen 70 Millimeter bzw. handelt es sich um eine Rechteckfläche von 125 mm × 125 mm. Die Kurven sind analog bezeichnet. Der Ursprung des Diagramms liegt im Zentrum des RFID-Schreib/Lesegerätes.
Bezugszeichenliste

1: Passiver RFID-Transponder
2: Schreib-Lesegerät für den Transponder 1
3: Integrierte Schaltung für das Schreib-Lesegerät 2 (Schreib-Lese-IC)
4: Erste Antennenspule, im Schreib-Lesegerät 2
5: (Quarz)-Oszillator, im Schreib-Lesegerät 2
6: Erster Schwingkreis, im Schreib-Lesegerät 2
7: Abgleichvorrichtung für den ersten Schwingkreis 6
8: Zweite Antennenspule, zum Schreib-Lesegerät 2
9: Zweiter Schwingkreis, zum Schreib-Lesegerät 2
10: Schlauchkupplung
11: Leiterschleife in der zweiten Antennenspule 8
12: Schwingkreiskondensator zum Schwingkreis
13: Anpass-Netzwerk
14: Schnittstelle (Ein-Ausgabeeinheit)
15: Stromversorgung
16: Mikrocontroller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4233283 A1 [0004]
DE 19542900 A1 [0005]
DE 202012100364 U1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO EN15693 [0024]

Claims

Schreib-Lesegerät für die Nahfeldkommunikation für einen passiven RFID-Transponder (1), bestehend aus einem Basis-Schreib-Lesegerät (2) mit einer integrierten Schaltung (3), die einen Oszillator (5) zur Erzeugung eines hochfrequenten Sendesignals mit einer Frequenz f1 > 10 MHz aufweist, die mit einer ersten Antennenspule (4) verbunden ist, die das Signal für den RFID-Transponder (1) generiert, die integrierte Schaltung (3) Antwortsignale vom RFID-Transponder (1) auswertet, wobei die Signale eine Datenübertragungsrate von mehr als 5 kBit/s aufweisen, wobei die erste Antennenspule (4) Teil eines ersten Schwingkreises (6) ist, wobei die erste Antennenspule als Leiterplattenspule ausgebildet ist, wobei die integrierte Schaltung (3) eine Abgleichvorrichtung (7) zur Einstellung der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises (6) aufweist, wobei das Basis-Schreib-Lesegerät (2) eine Kommunikation mit dem Transponder (1) in einem Erfassungsbereich B ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basis-Schreib-Lesegerät (2) eine zweite Antennenspule (8) zugeordnet ist, die Bestandteil eines zweiten Schwingkreises (9) ist, der auf die Frequenz f1 abgestimmt ist und induktiv mit der ersten Schwingkreis (6) gekoppelt ist, wobei der Koppelfaktor weniger als 0,1 beträgt, die zweite Antennenspule (8) als Leiterplattenspule ausgebildet ist, deren Fläche mindestens das 5-fache der Fläche der erste Antennenspule (4) beträgt, so dass sich der Erfassungsbereich B mindestens um den Faktor 1,5 erhöht.
Schlauchkoppler mit einem Schreib-Lesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antennenspule (8) an einer Schlauchkupplung (10), zwischen der ersten Antennenspule (4) und dem Transponder (1) angeordnet ist, und die Schlauchkupplung im Wesentlichen umschließt.
Schlauchkoppler mit einem Schreib-Lesegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antennenspule (8) eine magnetische Antenne ist.