Simulationswerkzeug macht Entwicklung von IoT-Ortungssystem möglich

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UWINLOC aus Toulouse hat das erste IoT-Ortungssystem mit batterielosen Tags für Innenräume entwickelt. Die Kombination aus aktiver und passiver RFID-Technologie hilft Logistikprofis, Prozesse zu optimieren und selbst in Lagerhallen mit großem Umschlag und bei dynamischer Lagerhaltung stets in Echtzeit den Überblick zu bewahren. Hochfrequenzsimulationen mit ANSYS HFSS haben maßgeblich zur Entwicklung beigetragen.

Simulationswerkzeug sei Dank: Die mehrfach patentierte Innovation von UWINLOC basiert auf einem Chipset, das modernste Technologien wie „Radio Frequency Energy Harvesting“ und das „Ultra-Wideband“ (UWB) geschickt für batterielose Tags nutzt. Sie verbindet erstmals batterielose Tags, drahtlose Beacons, einen Server und eine Visualisierungssoftware zu einem präzisen Ortungssystem namens „FELLIX“ für Innenräume. Betriebs- und Lagerleiter verfolgen die so gekennzeichneten Warenbestände auch bei hohen Volumen lückenlos nach. Verluste und Verzögerungen in der Logistik werden signifikant reduziert, der Warenfluss wird auf diese Weise deutlich effizienter.

Next level RFID!

Die bisher zur Steuerung des Warenflusses eingesetzten Codierungen und RFID-Etiketten überzeugten die Entwickler von UWINLOC nicht. In der Regel wird die passive RFID-Übertragung genutzt, die lediglich Funkwellen reflektiert, nachdem sie von einer Energiequelle angeregt wurde. Dies funktioniert zwar batterielos und zuverlässig in der Datenübertragung, aber leider nur über eine kurze Distanz und ohne Ortung und Nachverfolgung.

Konventionelle Kennzeichnung stößt an Grenzen

Soll dieser Nachteil ausgeglichen werden, wird aktives RFID benötigt. Die für die Antenne notwendige Energie stellt üblicherweise eine eingebaute Batterie zur Verfügung. Allerdings verteuert der Batterieeinsatz die Anwendung, durch die Wartungsintensität in Bezug auf den Batteriezustand, den Batteriewechsel und den Umweltaspekt.

Effiziente Kombination aus passiven und aktiven Tags

UWINLOC kombiniert die positiven Eigenschaften von passiver und aktiver RFID-Technologie. Die neuartige Tag-Einheit ist batterielos, kostengünstig und dennoch sendestark. Sie schickt Signale mittels UWB an Beacons.

Diese wiederum kommunizieren per WLAN oder Ethernet-Verbindung mit dem Serversystem. Seine Energie bezieht der Tag drahtlos von UHF-Modulatoren. Ergänzt wird das effiziente und robuste System durch eine benutzerfreundliche Softwareplattform mit einer leistungsfähigen API-Schnittstelle zur nahtlosen Integration in vorhandene Systeme.

Einsatz von Simulationswerkzeug als Erfolgsfaktor

Die Verwendung von UWB, Beacons und UHF-Modulatoren bietet vielfältige Möglichkeiten für die Weiterentwicklung des IoT im Nahbereich. Interessante Branchen sind die Industrie, der Consumer-Bereich oder die Medizintechnik. Die verantwortlichen F&E-Abteilungen und die Konstruktion stellt die Betrachtung der Frequenzen und die Gestaltung der idealen Antennen immer wieder vor Herausforderungen. Feldversuche und Testreihen in Labors mit Prototypen sind langwierig und aufwendig. HF-Simulation galt als kompliziert. Inzwischen hat sich ANSYS HFSS zum Industriestandard bei der 3D-Simulation elektromagnetischer Felder für HF-Design gemausert.

Drahtlose Energiegewinnung auf einem neuen Niveau

Die Verwendung des leistungsfähigen Simulationswerkzeugs ist unter entsprechender Federführung leichter als gedacht. Als Ergebnis locken Innovationsschübe, attraktive Produkte und zufriedene Kunden.

Kernstück der neuen Technologie bei UWINLOC ist die bahnbrechende Fähigkeit des Tags, zuverlässig und drahtlos Energie aus den UHF-Modulatoren zu beziehen. Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung bestand darin, die Anzahl der Energiequellen so gering wie möglich zu halten, ohne einen Leistungsverlust fürchten zu müssen. Eine weitere Herausforderung stellte die kompakte Bauweise dar, die die Empfangsleistung der internen Antenne nicht beeinträchtigen darf. Außerdem lag die Priorität auf einer schnellen Markteinführung zu attraktiven Preisen. Ziel war es, die kleinste Antenne mit dem höchsten Energieerfassungsbereich herauszubringen, verbunden mit einer maximalen Lebensdauer sowie optimaler Produktqualität.

Simulationswerkzeug berücksichtigt vielfältige Einflüsse

Diese Herausforderungen konnten durch die Zusammenarbeit mit CADFEM und ANSYS als Partner für die HFSS-Simulationsanforderungen ideal bewältigt werden. UWINLOC griff im Bereich Simulation einfach auf das geballte Know-how der Experten zurück. René Stoll ist bei UWINLOC der leitende F&E-Ingenieur für RF/UWB und verantwortlich für die Entwicklung der neuartigen Tag-Lösung. Obwohl der Antennenexperte über umfangreiche Erfahrung in der HF-Technologie verfügt, sind für René Stoll gute Simulationswerkzeuge in der Entwicklung unerlässlich: „Die Summe der Einflussfaktoren auf die Strahlungseigenschaften ist schlichtweg zu groß.

Die Vielfalt beginnt bereits bei der Gestaltung des Gehäuses in Verbindung mit der Materialwahl. Unabhängig davon, ob Metall oder Kunststoff, denn sowohl elektrische Leiter als auch Nichtleiter haben allein aufgrund ihrer Nähe zur Antenne einen direkten Einfluss. Je nach Wellenlänge beeinflusst auch die Umgebung der Gehäuseantennen die Strahlungseigenschaften erheblich. Diese Einflüsse müssen genau analysiert werden, da die Verbindungsmarge beim Sammeln der Strahlung viel geringer ist als bei einem normalen Kommunikationssystem. Wenn man mit parametrisierten Modellen beginnt, kann man mit einer Veränderung der geometrischen Position relativ leicht die optimalen Platzierungen finden,” berichtet René Stoll von seinen umfassenden Erfahrungen mit ANSYS HFSS.

CADFEM und ANSYS HFSS: IoT mit Simulation

Die Entwicklung der batterielosen Tags wäre ohne das Simulationswerkzeug von ANSYS viel teurer und zeitaufwendiger gewesen. So konnte zum Beispiel die Anzahl der erforderlichen Prototypen um 80 Prozent verringert werden, was zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führte. René Stoll: „Ohne eine Simulationssoftware wie Ansys HFSS wäre ich nicht in der Lage gewesen, das Vorhaben umzusetzen. CADFEM und ANSYS HFSS ermöglichten es uns, kompakte integrierte Antennen der nächsten Generation zu entwickeln, bei der die Art der drahtlose Energiegewinnung auf ein neues Niveau gehoben wurde, um das IoT besser zu nutzen.“

Nieder- und Hochfrequenzsimulation ist der Schwerpunkt auf der CADFEM Ansys Simulation Conference 2022 „Elektromagnetische Simulation: Trends, Workflows und Best Practices“. Das digitale Event findet am Donnerstag, den 14.07.2022 ab 13:00 Uhr statt. Anmeldung und Teilnahme sind kostenfrei. Mehr Informationen finden Sie hier.

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