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RF-IDs, Funksensoren und energieautarke Sensoren
Prof. Dr. Leonhard Michael Reindl, Universität Freiburg
Die steigende Nachfrage nach drahtlosen und automatischen Identifikations- und Sensorsystemen ist ungebrochen. Aufgabe der automatischen Identifikation ist es, Informationen zu Produkten oder auch Personen klar definiert so bereitzustellen, dass diese Daten maschinell erfasst und weiter verarbeitet werden können. Diese Systeme ermöglichen unter Anderem hohe Effizienzsteigerungspotenziale bei der Steuerung von logistischen Abläufen in vielen Industriebereichen. Diese Technik soll die traditionelle Lösung wie Barcode oder Optical Character Recognition (OCR) zukünftig ersetzen.
Eine drahtlose Übertragung von Identifikationsdaten wird technisch durch ein sogenanntes RFID-System (RFID=Radio Frequency IDentification) ermöglicht. Ein RFID-System besteht aus zwei Komponenten, einem Transponder und einem Lesegerät. Der Transponder, der auch als Tag bezeichnet wird, beinhaltet unter anderem eine Identifikationsnummer über das Objekt, auf dem es angebracht ist. Auf Anfrage des Lesegerätes wird per Funk vom Transponder mit Hilfe des Backscatter-Verfahrens die Identifikationsdaten gesendet. Beim Backscatter-Verfahren wird durch Impedanzänderungen an der Empfangsantenne des Transponders ein Rückstreueffekt an einem Teil der ankommenden elektromagnetischen Welle verursacht. Wird die Impedanzänderung im Takt des zu übertragenden Datenstroms ein- und ausgeschaltet, entsteht ein amplitudenmoduliertes Signal, das von der Antenne des Lesegeräts aufgenommen werden kann. Dadurch muss vom Transponder selbst keine eigene Sendeleistung aufgewendet werden, die Transponder sind passiv. Die Energie im Transponder kommt ausschließlich aus dem elektromagnetischen Feld, das vom Lesegerät gesendet wird. Aufgrund der beschränkten Energie, die bei steigender Entfernung aus dem elektromagnetischen Feld entnommen werden kann, ist die Reichweite derartiger Systeme limitiert.
Weitaus größere Reichweiten können mit batteriegestützten Funksensoren erzielt werden. Diese Systeme enthalten in der Regel einen eigenen Energiespeicher und ein dazugehöriges Energiemanagementsystem zusammen mit einer eingebetteten Logik, einer Funkschnittstelle, sowie Sensor- und Aktorfunktionen. Zur Datenübertragung zwischen einzelnen Funksensoren und zu einer eventuellen Basisstation kommt meist ein genormtes Funksystem zum Einsatz. Dadurch kann mit diesen Systemen ein komplexes Sensor- / Aktornetzwerk mit einer verteilten Regelung realisiert werden. Derartige Funksensoren werden derzeit weltweit intensiv untersucht. Der Schwerpunkt der Forschung liegt dabei auf der Minimierung des Energieverbrauchs, vor allem der Funkschnittstelle, auf dem Echtzeitverhalten derartiger Systeme und bei Aufweckstrategien. Leitapplikationen dieser verteilten Sensornetzwerke liegen in der dezentralisierten medizinischen Überwachungs- und Interventionstechnik, im Produktions- und Transportwesen, sowie in der Gebäudeautomatisierung. Die beiden Institute für Informatik und für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg erhielten 2005 eine Förderung für ein Graduiertenkolleg mit etwa 15 Stipendiaten auf diesem technologisch und wirtschaftlich äußerst zukunftsträchtigen Gebiet. Limitierend für den Einsatz batteriegestützter Funksensorsysteme ist ihr relativ hoher Energiebedarf, wodurch die Einsatzdauer noch stark beschränkt wird.
Diese technologische Hürde versuchen so genannte „Mikro-Energy Harvest-Systeme“ zu überwinden, indem sie latente Umgebungsenergie zur Versorgung der elektronischen Schaltung einsetzen. Diesem Ansatz liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nur Orte und Prozesse, die sich weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht befinden, überwacht und geregelt werden müssen. Dieser thermodynamische Ungleichgewichtszustand könnte prinzipiell zur Energiewandlung in elektrische Energie genutzt werden. Die Forschung auf dem Gebiet der „Mikro-Energy Harvest-Systeme“ befindet sich noch im Anfangsstadium. Erste technische Systeme, die mechanische oder thermische Energie ausnutzen, befinden sich schon auf dem Markt. Das Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg erhielt vor kurzem eine Förderung für ein Graduiertenkolleg mit etwa 20 Stipendiaten auf diesem äußerst zukunftsträchtigen Gebiet.
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