BodyCom-Technologie

Eine Welt drahtloser
Anwendungen

Die BodyCom-Technologie gestattet Designern den menschlichen Körper als sicheren Kommunikationskanal zu nutzen. Im Vergleich zu anderen drahtlosen Systemen ist der Energiebedarf der Technologie nicht nur geringer, die bidirektionale Authentifikation sorgt nach Herstellerangaben zudem für höhere Sicherheit. Da keine Antennen erforderlich sind, gestaltet sich das Schaltungsdesign einfacher, im gleichen Maße reduziert sich die Materialliste.

Die berührungssensitive Bedientechnik fand ihren Anfang in mobiler Anwendungen und breitet sich nun von Handys und Tablets allmählich in vielen weiteren Konsumprodukten aus und setzt sich nun auch in eingebetteten Steuerungsschnittstellen durch. Diese Beeinflussung des elektrischen Feldes ist der Schlüssel zu robusten und zuverlässigen kapazitiv-sensitiven Lösungen und öffnet die Tür zu neuen Anwendungen. Die Metal-over-Cap-Technologie ermöglicht dabei auch Berührungserkennung trotz Handschuhen oder durch eine Blechabdeckung. Dieser Technologie bleibt die Druckaufnahme vorbehalten: der Verformung einer Oberfläche durch Druck und Messung der Kapazitätsänderung durch die Oberflächenauslenkung. Diese kapazitiv-sensitive Technologie wurde über die reine Annäherungs- und Berührungserkennung hinaus zur präzisen berührungslosen 3D-Erkennung und Gestenerfassung entwickelt. Damit lässt sich der menschliche Körper als Kommunikationsmedium zwischen zwei oder mehreren Geräten einsetzen. Das Konzept wurde zunächst in einigen wegweisenden akademischen Abhandlungen Mitte der 1990er-Jahre angesprochen. Danach erstellten mehrere Hersteller Machbarkeitsstudien. Mit der Veröffentlichung der BodyCom-Technologie von Microchip wurde nun der menschliche Körper als Kommunikationskanal in eine einfache Anwendung umgesetzt. Die Technologie beruht auf bidirektionaler Kommunikation zwischen einem zentralen Controller und einer oder mehreren drahtlosen Einheiten, wobei das Signal kapazitiv eingespeist und ausgekoppelt wird. Der menschliche Körper gilt in diesem Zusammenhang als sicherster Übertragungskanal, weshalb diese Technologie dort eingesetzt wird, wo es auf sichere drahtlose Kommunikation ankommt. Der menschliche Körper als Kommunikationsmedium lässt sich dabei als gänzlich unerforschte Gesamtheit betrachten und bietet zurzeit ein unbegrenztes Anwendungsspektrum. Die BodyCom-Technologie bietet daher große Freiheit bei der Planung eines bidirektionalen Halbduplex-Systems. Sie kann in kleinen, persönlichen und tragbaren Geräten zum Einsatz kommen, die mit ihren Anwendern verbunden unterwegs sind und letztlich durch Berührung oder Annäherung mit Basisstationen – beim Beispiel eines tragbaren Telefons – in Kontakt treten können. Damit verringern sich Extrakosten, Energieverbrauch und Komplexität auf der Seite der Basisstation.

Auf verbreitete Frequenzen setzen

Es bietet sich an, für die Kommunikation zwei Frequenzen zu nutzen: 125kHz für die Aufwärtsstrecke, um Nachrichten von der Basisstation zum tragbaren Mobilteil zu senden, und 8MHz für die Abwärtsstrecke vom Mobilteil zur Basisstation. Die Frequenz von 125kHz ist schon deshalb sinnvoll, da sie bereits in vielen Hochfrequenz-Anwendungen zum Einsatz kommt. Aufgrund dieses Quasi-Frequenzstandards steht bereits eine breite Auswahl an preiswerten und energiesparenden Komponenten zur Verfügung, u.a. das analoge Frontend MCP2035 von Microchip für den Empfang und die Demodulation im Mobilteil. Beim Empfangen des Signals über die Haut des Anwenders aus einer Entfernung von nur wenigen Zentimetern über eine einfache flache Oberfläche – anstatt einer Rahmenantenne – muss die Basisstation lediglich ein Bruchteil der Energie aufwenden, wie sie in einer typischen RFID-Anwendung zur Diebstahlsicherung notwendig ist. Die 8MHz bei der Abwärtsverbindung decken sich mit der von einem internen Low-Power-Oszillator in den meisten eingebetteten Mikrocontrollern erzeugten Frequenz. Die Modulation des Signals kann effektiv durch den digitalen Signalmodulator (DSM) übernommen werden, der in die Peripherie der kleinsten 8-bit Mikrocontroller der acht- oder 14-poligen PIC16F1XXX-Familie integriert ist. Ebenso lässt sich die flexible konfigurierbare Logikzelle (CLC) einsetzen, die in diesen MCUs vorhanden ist.

Energie Harvesting statt umfangreiche Zertifikation

Die relativ hohe Frequenz der Signale im Kilo- und Mega-Hertz-Bereich führt dazu, dass die meiste Energie auf der Hautoberfläche übertragen wird. Dabei handelt es sich allerdings um nur wenige Hundertstel Mikroampere, also weniger als ein Tausendstel des Stroms, den eine AAA-Batterie liefern könnte. Bei einem PIC-Mikrocontroller auf der Basis der eXtreme Low-Power-Technologie (XLP) lässt sich mit einer einzigen Lithium-Knopfzelle (CR2025) eine normale Betriebsdauer von drei Jahren erreichen. Tests mit dem BodyCom-Entwicklungskit haben gezeigt, dass die Strahlungsleistung unterhalb der von der FCC und anderen internationalen Institutionen festgelegten Grenzwerte für unbeabsichtigt abgegebene Emissionen von eingebetteten Anwendungen liegt. Eine Lösung auf der Basis dieser Technologie lässt sich daher weltweit einsetzen, ohne dass Kosten für Zertifikation als typisches HF-Produkt zu erwarten sind. Im Gegenteil: Diese Technologie hat gezeigt, dass sie mit medizintechnischen Geräten verträglich ist, z.B. beim Herzschrittmacher. Der sehr geringe Energiebedarf einer mobilen Einheit in BodyCom-Technologie zeigt zudem, dass sie mit Energy Harvesting-Techniken auskommen kann.

Basis, zwei mobile Einheiten und Software

Für Entwickler, die mehr über die Möglichkeiten der Kommunikationstechnologie erfahren wollen, stellt der Hersteller ein Entwicklungskit zur Verfügung. Das Kit besteht aus einer Basisstation, zwei mobilen Einheiten und einem kompletten Software-Paket mit grafischer Anwenderschnittstelle (GUI) und Firmware zur Framework-Entwicklung. Das Kit wird via USB mit einem PC verbunden und ermöglicht Entwicklern eine Anwendung in BodyCom-Technologie für die einfache Zugangskontrolle zu entwickeln, zu konfigurieren und zu testen. Die Firmware für die Basisstation und die mobile Einheit ist in C-Quellcode erstellt und darf unter den Bedingungen der Software-Lizenz von Microchip angepasst werden. Die BodyCom-Technologie bleibt abgabenfrei, sofern der Code kompiliert wird und auf einem PIC-Mikrocontroller läuft. Trotz seiner generischen Eigenschaften kann das Framework flexibel eingesetzt werden. Auf Anforderung lassen sich Datenpakete oder Nutzdaten von der Basisstation zur mobilen Einheit übertragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist auf etwa 10Kbit/s begrenzt. Obwohl dies für die Audio- oder Videoübertragung nicht ausreicht, werden herkömmlich eingebettete Steuerungsanwendungen für ihren Kommunikationszweck hinreichend unterstützt. Typischerweise wird ein Datenpaket von der Basisstation zur Mobileinheit übertragen, bearbeitet und in weniger als einer Zehntelsekunde zur Basis zurück geschickt. Dies ist ausreichend für typische Reaktionsanforderungen. Der Quellcode besteht aus einigen wenigen Kilobyte, womit er praktisch auf jedem 8bit-PIC-Mikrocontroller lauffähig ist.

Einsatz in Herzschrittmacher und Sicherheitsbereichen

Während sich die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten dieser Funktechnologie mit anderen etablierten drahtlosen Technologien überschneiden können, bietet sie in einigen Anwendungen – wie Bluetooth, ZigBee und bis auf einige Ausnahmen auch Wi-Fi – Möglichkeiten in vielen Applikationen wie Fernsteuerungen und Authentisierungsanwendungen. Diese Funktechnologie verzichtet beispielsweise auf Einhaltung regulatorischer Bestimmungen, wie sie für HF-Designs üblich sind, wobei jedoch die galvanische Trennung erhalten bleibt. In medizinischen Anwendungen kann die Technologie mit ihrem intuitiven Ansatz einer typischen berührungssensitiven Schnittstelle für die Datenspeicherung und -übertragung verschmelzen. In Sicherheitsbereichen kann die Technologie in kostengünstigen und Platz sparenden sicheren Anwendungen zum Einsatz kommen, wenn zu gewährleisten ist, dass nur ein bestimmtes Gerät verwendet wird oder nur festgelegte Personen es bedienten. Viele Anwendungen benötigen nicht das komplexe und komplette Protokoll eines drahtlosen Netzwerkes, deshalb kann es, um eine Größenordnung kleiner, im Vergleich zu den weit verbreiteten drahtlosen Alternativen ausfallen.