NFC – Near Field Communication

NFC Applikationen

Mit dem NFC-Standard bietet sich die Möglichkeit, elektronische Geräte über ein Smartphone oder Tablet mit geeigneter App auf komfortable Weise kontaktlos zu parametrisieren und zu kontrollieren.

Kostengünstige NFC Hardware und attraktive NFC Softwarelösungen bieten interessante Applikationen.   Lösungen, die langsam auch für Einsätze im industrielem Umfeld relevant werden.

Einsatzbereiche

NFC Antenne

NFC Class 5 Antenne

Traditionell – sofern man in Anbetracht der Jugend dieser Technologie von Tradition sprechen kann – werden NFC Lösungen im Bereich der Consumer Industry und für Zahlungssysteme eingesetzt.

Das Applikationsspektrum ist damt aber noch lange ausgereizt; nunmehr entdeckt die Industrie den Charme, den NFC Lösungen zum Beispiel im Bereich der Meß- und Regeltechnik bieten.

Dort, wo ein „Embedded System“ zur Steuerung oder Überwachung technischer Prozesse eingesetzt werden, ist es häufig notwendig oder wenigstens wünschenswert, Daten (Messwerte, Verläufe, Ereignisse) auf einem Bildschirm zu Diagnosezwecken visualisieren, Parameter über ein Terminal einstellen zu können oder Firmware Updates durchzuführen. Klassischer Weise kommen hier serielle Schnittstellen oder industrielle Bussysteme zum Einsatz.

Solche Lösungen haben, je nach Ausführung, gewisse Nachteile. So ist unter Umständen eine entsprechende Verkabelung (im Falle von Bussystemen) notwendig. Elektrische Anschlüsse sind anfällig für Verschmutzung. Ggf. ist ein Notebook notwendig, welches in bestimmten Umgebungen eher sperrig und unhandlich sein kann.

Laufen die Daten nur auf einem zentralen Rechner auf, kann sich das bei der Wartung oder Störungsbeseitigung als unpraktisch erweisen, da aktuelle Werte dann stets bei der Zentrale abgefragt werden müssen.

Mit dem Smartphone verfügt dagegen heute fast jedermann über ein Gerät, mit dem diese Aufgaben komfortabel erledigt werden können.

NFC stellt hier eine geeignete Schnittstellen-Technologie zwischen Embedded System und Smartphone dar. Sie ist auf den meisten Smartphones verfügbar und dürfte sich auch dank des Einsatzes im Payment Sektor noch weiter etablieren. Für die Embedded-Seite stehen eine Reihe geeigneter ICs, zum Beispiel von NXP zur Verfügung, mit denen sich Microcontrollersysteme kostengünstig um eine NFC Schnittstelle erweitern lassen.

Mit einer entsprechenden App können nicht nur Verläufe von Messwerten visualisiert oder Steuermelemente zur Änderung von Parametern bereitgestellt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, per Smartphone erfasste Informationen per WLAN oder Mobilfunkverbindung weiterzuleiten oder Parametersätze via Internet auszutauschen.

NFC Tags

Einfache NFC Tags bestehen im wesentlichen aus einem EEPROM auf das kontaktlos über die RF-Schnittstelle lesend und/oder schreibend zugegriffen werden kann.

Eine Erweiterung dieser Technologie stellen NFC connected Tags dar, wie sie zum Beispiel von NXP angeboten werden. Bei diesen Bausteinen wird das EEPROM nicht nur per NFC Schnittstelle sondern auch über einen Bus (z.B. I2C) angesprochen. Ein angeschlossener Microcontroller kann damit den Inhalt des EEPROMs und damit die Information, die einem Reader über die Funkverbindung zur Verfügung gestellt wird, verändern.

Solche NFC Tags sind im allgemeinen in der Lage, die für den Betrieb notwendige Energie aus dem RF Feld zu beziehen und können daher auch dann von einem Smartphone ausgelesen werden, während das angeschlossene System selbst abgeschaltet ist. Zudem ist der Microcontroller, solange die Information im EEPROM nicht geändert werden muss, auch nicht in die RF-Kommunikation involviert. Da die auszutauschende Information immer in ein EEPROM geschrieben werden muss, eigenen sich solche Tags allerdings nicht, um Informationen bereitzustellen, die sich häufig ändern.

NXP bietet mit seinen NTAG® I2C Devices allerdings NFC-Tags an, die als echte Schnittstelle zwischen Embedded System und Reader eingesetzt werden können. Diese Chips verfügen neben dem EEPROM über ein zusätzliches SRAM, welches in den Addressbereich des Tags eingeblendet werden kann. Damit bietet das Tag für den Datenaustausch zwischen Microcontroller und Smartphone einen Speicherbereich an, der praktisch unbegrenzt verändert werden kann. Auf Basis dieses Designs bieten diese Chips zwei leistungsfähige Betriebsmodi: Den SRAM Mirror und den Pass-through Modus.

Soll ein Gerät über NFC lediglich aktuelle Daten (z.B. aktuelle Messwerte) bereitstellen und umfasst ein einzelner Datensatz nur wenige Bytes, bietet sich der SRAM Mirror an. Hier wird das SRAM von Smartphone und Microcontroller praktisch als Dual-Port-RAM benutzt. Der Microcontroller schreibt beispielsweise aktuelle Messwerte regelmäßig in das SRAM ohne sich darum zu kümmern, ob und wann diese Daten abgefragt werden. Über das Smartphone kann der jeweils aktuelle Datensatz aus dem SRAM des Tags gelesen werden.

Sollen zwischen dem Gerät und dem Smartphone dagegen umfangreichere Datenmengen (Log, Software-Updates) ausgetauscht werden, kann man auf den Pass-Through Modus zurückgreifen. Hier dient das SRAM im Prinzip ebenfalls als Dual-Port-RAM. Allerdings wird der Datenaustausch über weitere Bits im Addressbereich des Tags gesteuert, sodass der jeweilige Sender eines Datenpakets beispielsweise prüfen kann, ob das Datenpaket vom Empfänger tatsächlich ausgelesen wurde, bevor das nächste Paket im SRAM abgelegt wird. Außerdem überwacht das Tag in diesem Fall die Zugriffsrechte auf das Tag, sodass, je nach Richtung des Transfers, nur eine Seite schreiben und die jeweils andere lesen kann.

NDEF

Ergänzend zum NFC Standard kann der NDEF Standard (NFC Data Exchange Format) von Interesse sein. Der NDEF Standard definiert dabei das Format und die Struktur der Daten, die in einem Tag gespeichert werden. Dabei kann es sich beispielsweise um URLs oder auch um reinen Text handeln.

In aktuellen Smartphone Betriebssystemen ist dieser Standard bereits mehr oder weniger implementiert. Entsprechende Tags können dann mit jeder beliebigen App ausgelesen werden, die das NDEF Format versteht. Hier ist also nicht zwingend eine App notwendig, die eigens für eine kundenspezifische Hardware entwickelt wurde.

Entwicklungsprozess

Für die Akzeptanz eines Systems durch die Anwender ist eine vernünftige Benutzerführung mit vernünftigen Reaktionszeiten der App notwendig. Das setzt voraus, dass die Aufgabenverteilung zwischen Embedded System und App sinnvoll aufeinander abgestimmt ist, um die oft beschränkten Resourcen des Embedded Systems zu schonen, die zu übertragenen Datenvolumen in Grenzen zu halten und damit letzten Endes auch eine gute Benutzbarkeit der App zu ermöglichen.

Erfahrungsgemäß werden Anforderungen an ein System im Laufe der Entwicklung konkreter. Eine erste Planung einer App mit ihren verschiedenen Seiten und Kontrollelementen ist sinnvoll. Allerdings kann eine App, obwohl sie den gewünschten Funktionsumfang vollständig zur Verfügung stellt, schwer bedienbar sein. Eine Vorstellung von der Benutzbarkeit erlangt man aber häufig erst, wenn man ein konkretes Gerät oder, in diesem Fall, ein Embedded System und eine entsprechende App in der Hand hält.

Es hat sich daher als sinnvoll herausgestellt, frühzeitig Prototypen bereit zu stellen. D.h., bei der Entwicklung der App wird der Schwerpunkt zunächst auf die Bedienelemente gelegt und ggf. grundlegende Funktionen implementiert, die einen ersten Eindruck darüber vermitteln, wie sich das System am Ende bedienen lassen wird und welche Änderungen wünschenswert oder notwendig sind, um den gewünschten Zusatznutzen durch die App zu erzielen, der die Investition in die App und die NFC-Schnittstelle erst rechtfertigt. Auch für das Embedded System kann zunächst eine Form von Prototyp entwickelt werden, welcher der App Testdaten liefern kann.

Für eine wirtschaftliche Entwicklung eines Systems aus Embedded System und App ist eine gute Koordination zwischen diesen beiden Entwicklungsprozessen und eine gute und schnelle Absprache in Bezug auf Übertragungsprotokolle notwendig.

NFC Lösungen

telos bietet komplette Lösungen und Beratungsleitungen im Bereich kundenspezifischer Hardware und Apps an und ist damit für den Kunden sowohl während als auch nach der Entwicklung der richtige Ansprechpartner.

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Referenzen