NFC-Sensoren

Was sind NFC-Sensoren?

Grundsätzlich bietet die NFC Technologie die Möglichkeit, Daten kontaktlos auszutauschen. Basierend auf RFID wird dafür eine Funkübertragung verwendet, wobei im Gegensatz zu RFID die Übertragungsreichweite bei NFC auf 1-4cm begrenzt ist.

Sensoren, die Umgebungs- und Prozessdaten sammeln, spielen eine wichtige Rolle in unzähligen Einsatzgebieten. Dazu gehören u.A. Bereiche des Smartphones, Home- und Gebäudeautomation, autonomes Fahren und andere IoT-Anwendungen. Gegenüber anderen Sensoren (z.B. RFID Sensoren), sind NFC-Sensoren eine kostengünstige Möglichkeit, Sensoren zu entwickeln, da NFC heutzutage mit jedem modernen Smartphone auslesbar ist.

Herkömmliche Sensoren werden üblicherweise per Sensorkabel oder Datenkabel angeschlossen, um den Sensor mit Strom zu versorgen und die Daten auszulesen. Bei NFC-Sensoren kann diese Kabelverbindung wegfallen. Dabei ist NFC auf zwei Arten nutzbar: Zum ersten, um den kontaktlosen Datenaustausch mit dem Sensor vorzunehmen und das Datenkabel somit zu ersetzen. Zum zweiten, indem durch die NFC-Radiowellen die notwendige Energie zur Aktivierung und Generierung der Sensordaten bereitstellt (Energy Harvesting) und so auf eine kabelgebundene Energieversorgung verzichtet werden kann.

Zusammengefasst bezeichnen NFC-Sensoren also Sensoren, die mittels der NFC-Schnittstelle ansprechbar sind. Im Folgenden wird zwischen aktiven und passiven NFC-Sensoren unterschieden sowie einige Beispiele gegeben.

Funktionsweise und Unterschiede NFC-Sensoren (Aktiv / Passiv)

(Semi) - passive NFC-Sensoren funktionieren ohne eigene Energiequelle (Batterie) und werden allein durch die Antenne mit Energie versorgt (Energy-Harvesting). Der beim Energy-Harvesting bereitgestellte Strom hängt u.A. von der Feldstärke und der Antennengröße ab, ist aber typischerweise auf 5 mA mit einem Output zwischen 2 - 3 V für ein Magnetfeld der Größenordnung 3,5-5 A/m beschränkt. Die verwendeten Sensoren müssen also entsprechend effizient sein. Diese Art der Energieversorgung bedeutet auch, dass die Sensoren erst zum Zeitpunkt des Auslesens aktiviert werden und Daten sammeln - also den aktuell am Sensor anliegenden Wert und typischerweise keine Vergangenheitsdaten.

Aktive NFC-Sensoren bedienen sich einer Energiequelle, die nutzbar ist, um Sensorwerte zu erfassen und zu speichern. Das Speichern der Daten auf dem NFC-Sensor erfolgt meist zyklisch, d.h. in bestimmten Zeitabständen, um Energie zu sparen. Die NFC-Schnittstelle wird hier genutzt, um die Datenwerte auszulesen, die durch den Sensor erfasst und abgelegt wurden.

Eine Mischform wäre der Semi-Passive Modus, bei dem der Sensor nach dem entleeren der Batterie in den passen Modus wechseln. Die Daten werden dann zwischengespeichert und können ausgelesen werden, wenn der Benutzer den Sensor aktiviert.

Arten von NFC-Sensoren

Es gibt verschiedenartige Sensoren, die sich der NFC Kommunikation bedienen, um Daten zu vermitteln und bereitzustellen.

Sogenannte IC-Sensoren nutzen wir jeden Tag ganz unbewusst: In allen gängigen Smartphones sind IC-Sensoren verbaut und messen z.B. Lautstärke oder eine Annäherung an den Bildschirm. So sperrt sich beispielsweise der Smartphone Bildschirm automatisch, wenn das Gerät zum Telefonieren ans Ohr gehalten wird (Näherungssensor).

IC-Sensoren lassen sich auch in Form von NFC-Sensoren auslagern. Die dabei größte Herausforderung dabei ist das Wegfallen der Energiequelle. In einem solchem Fall können NFC-Sensoren durch das durch NFC erzeugte elektromagnetische Feld Energie von einem aktiven Kommunikationspartner oder einem Akku erhalten. Ein intelligentes Powermanagement sorgt dafür, dass die Energie effizient genutzt und nur dann verbraucht wird, wenn es notwendig ist (Low-Power-Modi). Dazu gehören unter anderem:

• Bildsensoren
• Beschleunigungssensoren
• Neigungssensoren
• Näherungssensoren
• Geräuschsensoren
• Differenz- und Absolutdrucksensoren
• Farb- und Lichtsensoren
• Biometrische Sensoren
• Geräuschsensoren

Die Art des Sensors legt dabei fest, ob eine aktive oder passive Ausführung praktikabler ist. Beispielsweise würde ein Beschleunigungssensor passiv von begrenztem Nutzen sein, da er nur den Wert liefert der aktuell vorliegt und keine kurve über einen Zeitraum. Dagegen können Temperatursensoren auch passiv nützlich sein, wenn die jeweils aktuelle Temperatur ausgelesen wird.

Anwendungsbeispiele von NFC Sensoren

Die Vorteile der drahtlosen Verbindung der NFC-Technologie werden wohl in Zukunft vor allen an industriellen Schnittstellen immer mehr an Einsatz gewinnen. Die Vorteile der schnellen, drahtlosen und sicheren Konnektivität erspart Zeit und Kosten. Denkbar sind Einsatzgebiete bei der Prozessüberwachung. Ein aktiver NFC-Temperatur-Sensor kann ist beispielsweise nutzbar, um den Temperaturverlauf einer Lieferkette zu überwachen. Generell lassen sich aktive NFC-Sensoren immer dann gut einsetzen, wenn ein bestimmtes Klima, oder Druck über einen längeren Zeitraum kontrolliert werden muss (z.B. Über- oder Unterdruckräume). Passive NFC-Sensoren hingegen eignen sich für eine schnelle Momentaufnahmen der aktuellen Umgebungsbedingungen und werden nur zum Messzeitpunkt mit Energie versorgt.

Zusammenfassung und Ausblick

NFC kann viele Anwendungen im Bereich Medizin, Gesundheit und Fitness, IoT und Consumer Electronics bequemer und einfacher gestalten. Darüber kann die NFC-Technologie die Bereiche verschmelzen, indem beispielsweise industrielle NFC-Sensorik durch Smartphone auslesbar ist und kein spezielles Modul verwendet werden muss. Durch NFC ist die Verbindungsherstellung universell und nicht von bestimmten Kabelanschlüssen oder proprietären Protokollen abhängig.