NFC-Microcontroller – Was kann der Minicomputer?

In diesem Artikel erklären wir:

• was ein NFC-Microcontroller ist
• warum er batterielos funktioniert
• was dynamische NFC-Tags und NFC-Chips sind
• in welchen Bereichen NFC-Microcontroller verwendet werden
• welche Vorteile diese bieten

1. Was ist ein NFC-Microcontroller?

Einfach gesagt, ist ein NFC-Microcontroller (deutsch Mikrocontroller), ein kleiner Computer, welcher die Brücke zwischen abgelesen Daten und einem NFC-Reader bildet. Seine Energie kann er von den elektromagnetischen Wellen des Smartphones beziehen.

NFC-Microcontroller sind mit einem NFC-Tag verbunden und können verschiedene Aufgaben erledigen, indem sie Signale verarbeiten und Anweisungen geben. Der Microcontroller wird mit einem Quellcode beschrieben, der gewisse Befehle ausführen soll. Außerdem kann der NFC-Microcontroller Daten in NDEF übersetzen. Dies ist das Format, in dem Daten auf einem NFC-Tag gespeichert werden müssen, damit NFC-Reader wie Smartphones sie auslesen können. Diese übersetzten Daten werden auf den NFC-Chip gespeichert.

1.1. Doch warum braucht man einen NFC-Microcontroller?

NFC-Microcontroller werden vor allem für die Messung von Daten verwendet. Statt sich Messdaten mit einem Display und einem Sensor anzeigen zu lassen, bietet sich der NFC-Microcontroller als attraktivere Methode an:

• Microcontroller funktionieren batterielos und sind sehr energiesparend, da sie sich die Energie eines anderen Geräts zunutze machen können. Durch angepasste Hardware benötigen sie im Allgemeinen weniger Energie als alternative Methoden wie Displays.
• Sie sind sehr beständig und funktionieren auch bei Temperaturen von -40 °C bis +85 °C, anders als herkömmliche Displays.
• Sie können durch ihre Größe einfach verbaut und in Produkte integriert werden, ein Display benötigt deutlich mehr Platz und kostet mehr.
• Sie bieten bedeutend mehr Schutz vor Unbefugten statt eines simplen Passworts in einem Display.

1.2. Wie ein Microcontroller genau funktioniert, erklärt an einem Beispiel

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen kleinen Thermometer in Ihrem Kühlschrank. Dieses Thermometer enthält einen Temperatursensor, der misst, wie warm oder kalt die Temperatur im Kühlschrank ist.

1. Messung der Temperatur

Der Sensor misst die Temperatur und gibt diese Information anschließend an den NFC-Microcontroller weiter.

2. Der Microcontroller verarbeitet die Messung

• nimmt die Information vom Temperatursensor auf: Das Information ist in unserem Fall eine Zahl, z. B. 4 (°C).
• berechnet und verarbeitet die Daten: Der Microcontroller wandelt die Zahl in eine verständliche Information um, wie „Temperatur beträgt 4 Grad Celsius“.
• speichert die Information oder bereitet sie für die Übertragung vor: Er wandelt die Daten in das NDEF-Format um und speichert diese auf dem NFC-Chip. Jetzt ist die Temperaturmessung bereit, um auf einem anderen Gerät angezeigt und ausgelesen zu werden.

3. NFC überträgt die Daten

Hier kommt NFC ins Spiel:

• Wird das Handy an den NFC-Tag gehalten, so liest das Handy den Temperaturwert, welcher auf dem NFC-Chip gespeichert ist, aus.
• Wir erfahren auf unserem Handy: Die Temperatur im Kühlschrank beträgt 4 Grad Celsius.

2. Warum der NFC-Microcontroller batterielos funktioniert

NFC-Microcontroller sind besonders umweltfreundlich und kostensparend, da sie sich die Energie andere Geräte zunutze machen können.

In der Regel wird im Ausleseprozess der NFC-Microcontroller durch die Energie eines NFC-Readers (z.B. Smartphone) aktiviert. Aus diesem Grund muss das Handy länger an den NFC-Tag gehalten werden, da der NFC-Microcontroller eine gewisse Verarbeitungszeit benötigt. Somit funktioniert der NFC-Microcontroller ohne Batterie und wird lediglich zum Auslesezeitpunkt aktiviert, zum Beispiel wenn morgens und abends die Kühlschranktemperatur ausgelesen wird.

Jedoch gibt es auch Fälle, bei denen ein kontinuierliches Auslesen wünschenswert ist.

Dies ist häufig in industriellen Bereichen der Fall, wenn Temperaturen über eine längere Zeit und durchgehend überwacht werden sollen. In diesen Fällen können Sensoren mit einer Batterie genutzt werden, sodass der NFC-Microcontroller die Energie dieser Batterie mitverwenden kann. Hierfür werden meistens spezielle Low-Power-Chip Microcontroller verwendet, um den Stromverbrauch dennoch gering zu halten.

3. Microcontroller als Teil von dynamischen NFC-Tags

Ein üblicher NFC-Tag enthält einen NFC-Chip und eine Antenne. Ist jedoch der NFC-Chip und die Antenne über ein Kontaktinterface (z.B. I2C) mit einem Microcontroller verbunden, sprechen Hersteller inzwischen häufig von sogenannten dynamischen NFC-Tags.

Innerhalb des dynamischen NFC-Tags sind Dual-Interface-Chips verbaut. Einem Dual-Interface NFC-Chip (auch dynamischer NFC-Chip genannt) ist es möglich, Daten in zwei Richtungen zwischen zwei elektronischen Systemen auszutauschen, zum Beispiel einem NFC-Reader und einem NFC-Microcontroller. Dies ist auch möglich, wenn das Objekt, das den NFC-Tag trägt, nicht mit Energie versorgt wird. Ein dynamischer NFC-Chip unterscheidet sich von herkömmlichen NFC-Chips darin, dass in den meisten Fällen lediglich mit einem elektronischen System, dem NFC-Reader, beim Ausleseprozess kommuniziert wird. In unserem Beispiel mit der Temperaturauslesung des Kühlschranks wird somit auch ein dynamischer NFC-Chip benötigt.

NFC-Chips, die lediglich mit einem NFC-Reader kommunizieren, werden auch Single-Interface NFC-Chips genannt. Dies sind beispielsweise NFC-Chips, die einen Link enthalten, der ausgelesen werden soll wie bei NFC-Visitenkarten. Sie sind passiv und kommunizieren nicht mit anderen Geräten wie einem NFC-Microcontroller.

4. Anwendung von NFC-Mikrocontrollern in Unternehmen

NFC-Microcontroller sind für viele Anwendungsfälle wichtig. Ihre Hauptaufgabe besteht meist darin, mit Sensoren zusammenzuarbeiten, um Produkte zu überwachen oder deren Standort zu verfolgen. Unter anderem werden sie auch bei der kontaktlosen Bezahlung und im Bereich Energy Harvesting verwendet.

Es gibt viele Branchen, in denen Produkte auf verschiedene Zustände überprüft werden müssen. Dies nennt man auch Asset Monitoring oder Asset Tracking. Hierfür ist es wichtig, Messwerte von Temperaturen, Licht, Feuchtigkeit, Druck, Bewegung oder anderen Zuständen möglichst genau zu messen. Dies geschieht in der Regel mithilfe eines Sensors.

4.1. Asset Monitoring / Tracking in verschiedenen Bereichen

Medizin und Pharmabereich: Häufig geschieht dies im Pharmabereich, indem die Temperatur oder der Zustand eines Medikaments vorher überprüft werden muss, damit diese für Studien und Patient:innen sicher verwenden zu können. Hierbei wird der Microcontroller samt Interface in Fläschchen oder Spritzen verbaut.

Industrie wie Umwelttechnik: Sensoren in Verbindung mit Microcontrollern sind auch in der Industrie wichtig. Ein Beispiel hierfür ist die Energie und Umwelttechnik, in der Maschinen wie Windkraftanlagen, aber auch Böden auf ihren Zustand kontrolliert werden müssen.

Verkehrsmittel E-Scooter: NFC-Microcontroller können innerhalb von E-Scootern verwendet werden, um beispielsweise Bewegungszustände zu ermitteln. Hierbei kann überprüft werden, ob der E-Scooter während seiner Betriebszeit umgefallen ist, aber auch ob er gesperrt oder entsperrt ist.

• Mehr zu NFC generell in Unternehmen: NFC-Anwendungen für Unternehmen

5. Vorteile

Microcontroller mit der NFC-Technologie zu nutzen, bietet verschiedene Vorteile.

• Energiesparend und umweltschonend

NFC-Tags benötigen oft keine eigene Stromversorgung, da sie über das elektromagnetische Feld des NFC-Readers mit Energie versorgt werden. Dies versorgt auch den NFC-Microcontroller und Sensor während des Ausleseprozesses mit Energie.

• Sichere drahtlose Kommunikation

Aufgrund der kurzen Reichweite sind Abhör- und Manipulationsrisiken geringer als bei anderen Funktechnologien wie Bluetooth oder WLAN. Unbefugte würden einen direkten Kontakt mit dem NFC-Tag benötigen. Des Weiteren wird häufig Hardware mit zusätzlichen Verschlüsselungsalgorithmen oder Passwörtern verwendet.

• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

NFC-Microcontroller unterstützen viele Branchen durch die Überwachung von Produkten oder Maschinen. Darüber hinaus finden sie auch in Anwendung in anderen Bereichen der NFC-Technologie wie der kontaktlosen Bezahlung und dem Energy-Harvesting.

• Kompakt und benutzerfreundlich

Microcontroller bieten eine einfache Handhabung, da sie aufgrund ihrer Größe einfach in bestehende Geräte oder Maschinen integriert werden können. Um sie zu nutzen, wird lediglich ein Halten des NFC-Readers an den NFC-Tag mit integriertem Microcontroller benötigt.

6. Fazit

Ein NFC-Microcontroller ist ein batterieloser Minicomputer, der sich seine Energiezufuhr durch die Energie eines Readers oder die Batterie anderer Geräte beschafft. Dadurch ist er sehr umweltfreundlich und kostensparend. Er verarbeitet Daten und speichert diese anschließend auf NFC-Chips und bildet damit die Brücke zwischen Daten und NFC-Readern. Dies ermöglicht eine energiesparende, sichere und drahtlose Kommunikation, wodurch NFC-Microcontroller ideal für diverse Anwendungen in Unternehmen sind. Zu diesen Bereichen zählt die Medizin, die Industrie und das Asset Tracking. Besonders vorteilhaft sind sie durch ihre kompakte Bauweise, den geringen Energieverbrauch und die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, von der Temperaturüberwachung bis hin zur kontaktlosen Bezahlung.