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Stromversorgungen

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Reichweite

Monat Betriebsdauer

RFID-Datenlogger für die KühlketteEnergy Harvesting zum Aufladen des Akkus in einem RFID-Sensor-Label

Die Kühlkette in der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie braucht günstige und einfach bedienbare Klimada-tenlogger. Um Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufzuzeichnen, entwickelte ein Team der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ein biegsames Sensoretikett (Sensor-Label), das auf jede Verpackung passt. Als Stromquelle dient ein ausgeklügeltes Energy-Harvesting-System. Autoren: Lukas Furrer, Roland Küng

Einfach ein Etikett aufkleben, das fortlaufend Temperatur und Luft-feuchtigkeit misst und speichert:

das wäre die wohl einfachste Technik, um die Kühlkette in der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie sicher zu überwachen. Schwierig ist vor allem die Stromversor-gung. Auf dem Markt sind semi-passive UHF-RFID-Datenlogger erhältlich, unter anderem von Phase IV, Intelleflex oder Caen RFID. Alle Datenlogger arbeiten batteriebetrieben, meist durch Knopfzel-len, mit einer Laufzeit von ein bis drei Jah-ren. Ein Team am ZSN der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissen--schaften sollte stattdessen einen umweltfreundlichen, wiederaufladbaren und drahtlosen Datenlogger-Sensor entwickeln.

Einzigartig an dem vorgestellten flexi-blen Datenlogger ist die Bauhöhe von nur 0,8 mm inklusive eines 0,2 mm dünnen und flexiblen Li-Ionen-Akkus, der per HF-Energy-Harvesting seine Energie

drahtlos während des Auslesevorgangs bezieht. seine Kapazität beträgt mit 1 mAh nur ungefähr 0,2 % einer Knopfzelle, da-her war beim Design ein geringer Strom-verbrauch besonders wichtig. Das Resultat ist eine Laufzeit von über einem Monat.

Das Sensor-Label erlaubt lü-ckenloses Überwachen der kli-matischen Bedingungen. Tem-peratur und Luftfeuchtigkeit misst es mit dem Sensor-IC SHTC1 von Sensirion, das alle Anforderungen an Ge-nauigkeit und Formfaktor erfüllt. Dabei stellt der UHF-RFID-Standard EPC Gen2 weltweite Kompati-bilität sicher. Der Prototyp des Sensor-Labels in Bild 1 ist auf einer flexiblen Lei-terplatte aus Polyimidfolie aufgebaut.

Bild:

Pauli

N. -

Foto

lia

SystemdesignDas entwickelte System besteht aus dem Sensor-Label und einem UHR-RFID-Le-segerät. Mit dem drahtlosen Lesegerät

identifizieren Anwender das Sensor-Label, konfigurieren die Messung, rufen die gesammel-ten Daten ab und laden den Ak-ku. Das Blockdiagramm in Bild 2

zeigt die Komponenten des Sensor-Labels. Der UHF-RFID-Transponder be-dient die Funkschnittstel-le zwischen Label und Le-ser. Er ist verantwortlich für die Datenübertragung und das Gleichrichten der hochfrequenten Wechsel-spannung. Die gleichge-

Bild 1: Flexibler Datenlogger auf einer Medikamentenver-packung.

1 m

1

1mm Bauhöhe

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richtete Spannung dient dem Energy Har-vester als Quelle und gleichzeitig als Wa-ke-up-Signal für den Mikrocontroller (MCU). Damit ist die MCU immer aktiv, sobald das Sensor-Label ein Funksignal ausrei-chender Feldstärke erhält. Das Harvester-IC erfüllt verschiedene Funktionen. Es lädt den Li-Ionen-Akku, solange die Feldstär-ke dazu ausreicht und der Akku noch nicht voll ist, und es beinhaltet einen Span-nungsregler zum Versorgen von MCU und Real-Time-Clock (RTC). Um den Stromverbrauch zu senken, wird der Temperatur- und Luftfeuchte-sensor nur während einer Messung durch die MCU mit Strom versorgt.

Die RTC startet Messungen unabhängig vom HF-Feld. Nach einem Wake-up fragt

der Mikrocontroller vom Sensor Tempe-ratur und Luftfeuchtigkeit ab, speichert diese im nichtflüchtigen Speicher und geht nach wenigen Millisekunden auf Standby zurück. Auf Abruf vom Lesegerät sendet die MCU die gesammelten Daten durch den Transponder.

Energie sparenIm Standby zwischen den Messungen be-trägt der Stromverbrauch von Harvester, MCU und RTC kombiniert lediglich 1 µA. Der Transponder wird nicht vom Akku versorgt und trägt dadurch nicht zum Standby-Verbrauch bei. Der Verbrauch im aktiven Modus ist vernachlässigbar auf-grund der extrem kurzen Dauer einer Mes-sung im Verhältnis zu den Standby-Pha-sen. Damit lässt sich die Laufzeit des Li-Ionen-Akkus mit 1 mAh Kapazität auf rund sechs Wochen bestimmen.

Drückt der Anwender auf einen Taster oder unterschreitet der Akku die Tiefent-ladungsgrenze, dann schaltet der Harves-ter die Versorgungsspannung ab und ver-setzt das Sensor-Label in den Tiefschlaf. In diesem Modus sinkt der Stromver-brauch auf typisch 10  nA. Ungenutzte Labels lassen sich so über Jahre lagern, ohne dass der Akku tiefentladen wird.

Um Platz zu sparen und eine zuverläs-sige Fertigung sicherzustellen, sollte das

Das Sensor-Label arbeitet semi-passiv: der Transponder bezieht seine Energie direkt aus dem HF-Feld, der Akku versorgt alle üb-rigen Komponenten. Deswegen muss wäh-rend des Datentransfers ein HF-Feld anlie-gen. Die Modulation und das Kommunikati-onsprotokoll entsprechen EPC Gen2. Tem-peratur und Luftfeuchtigkeit kann das Label in benutzerdefinierten Intervallen loggen mit einer wählbaren Startzeit der ersten Messung. Der Mikrocontroller kann bis zu 8000 Datensätze speichern. Da-tenloggen mit hoher Genauigkeit ist in ei-nem Temperaturbereich von -10 bis +50 °C und einem Bereich relativer Luftfeuchtigkeit von 0 bis 100 %

RH garantiert. Die Lesereich-

weite liegt im Meterbereich.

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Bilde

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Bild 2: Blockdiagramm des wiederaufladbaren Sensor-Datenloggers.

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Design mit der kleinstmöglichen Anzahl Komponenten auskommen. Um künftig auch Aufkleb-Labels zu ermöglichen, war eine einseitige und flexible Leiterplatte ohne Durchkontaktierungen nötig, was an ein hochfrequenztaugliches Layout einige Anforderungen stellt. Das ganze Label sollte maximal 0,8 mm hoch sein, um biegsam zu bleiben. Die Dipolantenne wurde durch eine Simulation für das euro-päische UHF-RFID-Frequenzband von 865 bis 870 MHz dimensioniert.

Bild 3 zeigt ein Funktionsmuster des Sensor-Labels, mit der Antenne am obe-ren Rand. Die Antenne ist gefaltet, damit das Label so klein wie eine Kreditkarte bleibt. Die Anpassung der Antennenim-pedanz von 50 Ohm auf die Eingangsim-pedanz von (31 -j320) Ohm des SL900A (heute AMS SL13A) wird durch eine ein-zige Induktivität von 33 nH erreicht (L2 in Bild 4). Alle Komponenten inklusive Akku sind in ausreichendem Abstand zur Antenne platziert, um deren Abstrahlcha-rakteristik nicht zu sehr zu beeinflussen.

HarvestingAls Mikrocontroller wählten die Entwick-ler einen MSP430FR5749 von Texas Inst-ruments. Das nichtflüchtige FRAM (Fer-roelectric RAM) bietet Speicherplatz für 16 kByte Daten, dazu weniger Stromver-brauch, schnelleres Schreiben und mehr Schreibzyklen als die verbreiteten Flash-Speicher. Durch die externe RTC lässt sich der Stromverbrauch im Standby weiter senken. Die Auflade-LED (rot in Bild 3) leuchtet, wenn Energy Harvesting statt-findet, was bei ausreichender Feldstärke im UHF-Bereich der Fall ist. Die Log-LED dient zum Signalisieren verschiedener Label-Zustände mit kurzen Blitzen, etwa wenn ein Wake-up stattfindet.

Für das Energy Harvesting ist der MAX-17710 von Maxim zuständig, da er ab einer Eingangsspannung von 0,75 V und einer Eingangsleistung von 1 µW mit dem Har-vesten beginnt und kaum externe Kom-ponenten benötigt. Bild 4 zeigt den Ener-gy-Harvesting-Schaltungsteil des Sensor-Labels. Am VPOS-Pin des RFID-Transpon-ders liegt die gleichgerichtete Spannung an. Die Versorgungsspannung für den Messteil ist auf 2,3 V geregelt.

Sobald VPOS eine Spannung von 0,75 V plus 1,6 V Flussspannung von D2 über-

steigt, beginnt das Energy Harvesting und der Akku wird geladen. Dies funktioniert bis zu einer Distanz von 40 cm zwischen dem Label und einem Leser, der mit 1 W HF-Leistung sendet. Über weitere Distan-zen im Meterbereich können Anwender das Label immer noch abfragen, aber die LED D2 unterbindet das Laden des Akkus: Die Sensitivität des Transponders nimmt ab, wenn er bei knapper Energie auch noch den Harvester versorgen muss. Außerdem stellten die Entwickler fest, dass ein sta-biles Aufstarten des Harvester-Chips im HF-Feld nur bei einer Quellenspannung kleiner als 1 V stabil funktioniert.

Um den Harvester zu aktivieren und in den gewünschten Betriebsmodus zu ver-setzen, muss eine Pulsfolge an den Pins AE und LCE anliegen. Weil der Mikrocon-troller diese Aufgabe im spannungslosen Anfangszustand nicht übernehmen kann, erzeugt ein Flankendetektor (C2 und R6) die Pulse. Nach Aktivierung befindet sich der Harvester im Zustand AE und LCE Active (siehe Datenblatt MAX17710), in dem er einerseits genügend Strom liefert und andererseits eine Abschaltung akti-viert, wenn der Akku einen Unterspan-nungswert von 3 V erreicht. Das schützt den Akku bei kleinen Arbeitsströmen.

Akku-AuswahlFlache und biegbare Li-Ionen-Akkus sind noch nicht sehr verbreitet. Die Entwickler testeten eine Thinergy MEC201 von Infi-nite Power Solutions, die derzeit nicht mehr erhältlich ist, eine Enfilm EFL700A39 von ST Microelectronics und einige flache, jedoch nicht biegsame Produkte von Pow-erstream und Jinke Energy Development.

Um die Funktion des Sensor-Labels bei Temperaturen unter 0 °C zu gewährleisten, ist ein großer Stützkondensator (C7 in Bild 4) zwischen Akku und Spannungs-

regler nötig, weil der Innenwiderstand bei flachen Li-Ionen-Akkus mit sinkender Temperatur stark zunimmt. Ein Innenwi-derstand von mehr als 1 kOhm bei -10 °C ist nicht unüblich, was nicht mehr aus-reicht, um den Einschaltstrom für den Mikrocontroller zu liefern, wobei Spitzen-ströme von über 35 mA auftreten. Deshalb stammt die Energie für die kurze Mess-dauer aus dem Stützkondensator, welcher sich anschließend im Standby über lange Zeit wieder auflädt. C7 ist so dimensio-niert, dass die Spannung im Betrieb bei der tiefsten Temperatur in keinem Fall unter die 3-V-Unterspannungsgrenze sinkt. Der Ladestrom in den Akku nimmt bei tiefen Temperaturen ebenfalls ab.

Wirkungsgrade und Reichweite Das Sensor-Label lässt sich mit einem

tragbaren UHF-RFID-Leser mit 1 W Sen-deleistung (EIRP zirkular) über eine Dis-tanz bis zu 1 Meter auslesen. Der Li-Ionen-Akku wird bis zu 40 cm Abstand noch aufgeladen, bei Temperaturen über +10 °C. Bei einer Distanz von 20 cm und der Arbeitsfrequenz von 868 MHz beträgt die Freiraumdämpfung 17 dB. Das zirkular polarisierte Feld des Lesegeräts hat den Vorteil, dass eine axiale Rotation des Sensor-Labels die Empfindlichkeit nicht beeinträchtigt. Nachteilig ist ein systembedingter Verlust von 3 dB beim Empfang mit einer Dipolantenne. Demnach erreichen den Transponder von der abgestrahlten Leistung noch ein Hundertstel, also 10 mW, was eine Messung mit dem Spektrumanalysator an der Antenne bestätigt. Am Gleichrichter-ausgang des Transponders ließen sich für diesen Fall etwa 2 mW Leistung messen.

Der Wirkungsgrad des Transponders beläuft sich somit auf 20 %. Die LED D2 reduziert die Leistung auf ein Viertel. Die-sen Nachteil haben die Entwickler in Kauf

Bild 3: Funktionsmuster des Sensor-Labels als konventionelle Leiter-platte.

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AutorenLukas FurrerZHAW, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften.

Roland KüngZHAW, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften.

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genommen, weil das Label so mit nur einem Bauteil (LED D2) das Energy Har-vesting bei kleiner Empfangsleistung abstellt. Der Vorteil ist eine höhere Reich-weite zum Steuern und Auslesen des Sen-sor-Labels. Der Harvester sieht also eine Eingangsleistung von 0,5 mW und lädt den 4-V-Akku noch mit 25 µA, was einem Wirkungsgrad von 20 % entspricht. Das Laden der vollen Akkuka-pazität von 1 mAh über eine Distanz von 20 cm dauert also 40 h. Bei halber Distanz halbiert sich auch die Ladezeit.

Der gesamte Wirkungsgrad des HF-Energy-Harvesting auf dem Sensor-Label von der Empfangsleistung am Transpon-der bis zur Ladeleistung des Li-Ionen-Akkus beträgt gerade noch 1 %. Dass der Wirkungsgrad so klein ausfällt, hat einer-seits mit den Einschränkungen beim De-sign zu tun. Andererseits nimmt der Wir-

kungsgrad von Gleichrichter und Harves-ter bei kleinen Leistungen stark ab, weil Schalt- und Diodenverluste immer mehr zum Tragen kommen. Durch andere Har-vester-Chips mit mehr Bauteilen und ef-fizienterem HF-Gleichrichter ließe sich der Wirkungsgrad erhöhen. Noch besser wäre, Transponder und HF-Harvester auf einem Chip zu integrieren. (lei)� n

Bild 4: Energy-Harvesting-Schaltung des Sensor-Labels.