Embedded-Systeme & Mikrocontroller Die menschliche Antenne

Der menschliche Körper als Kommunikationskanal - das klingt nach einem mittelmäßigen Science-Fiction-Roman, aber nicht unbedingt nach moderner Elektronik. Aber so kann man sich eben manchmal täuschen. Denn was Microchip mit Bodycom präsentiert, ist alles andere als ein Gag, sondern ein absolut ernst gemeinter Lösungsansatz. Dabei soll das System vor allem einen geringen Stromverbrauch aufweisen und aufgrund einer bidirektionalen Authentifizierung besonders sicher sein. Durch den Verzicht auf Antennen gestaltet sich das Schaltungsdesign einfacher, was zu einer reduzierten Materialliste führt.

Nutzer löst Übertragung aus

Normalerweise verwenden drahtlose Fernzugriffs-Systeme eine Hochfrequenzverbindung im Bereich von 400 bis 900MHz. Zwar ist die Fernbedienung mit solchen Systemen praktisch, allerdings müssen sie vom Nutzer manuell ausgelöst werden. Zudem müssen zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen integriert sein, damit die Sicherheits-Codes bei der Übertragung nicht ausgelesen werden können. Bodycom versucht, diesen Beschränkungen zu entgehen, indem der menschliche Körper als Medium für die Datenübertragung genutzt wird. Daten werden zwischen der Basis-Stationen und den mobilen Einheiten kapazitiv eingespeist und ausgekoppelt. Für die Übertragung durch den menschlichen Körper wird ein niedrig-frequentes Amplitude-Shift-Key(ASK)-Format verwendet. Die Datenübertragung erfolgt jedes Mal, wenn der Nutzer und die Basis-Station miteinander in Kontakt kommen. Die Berührung des Nutzers generiert außerdem eine einfache kapazitive Touch-Erkennung, die jedes Mal bei seiner Anwesenheit die Datenübertragungs-Sequenz zwischen der Basis und der mobilen Einheit auslöst Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit des menschlichen Körpers bei niedrigen Frequenzen lässt sich die Übertragung mit einem einfachen System realisieren, das bei Frequenzen zwischen 60 kHz und 30 MHz arbeitet. Da die Daten durch den menschlichen Körper gekoppelt werden, entfallen sowohl die Sicherheitsprobleme von Hochfrequenzverbindungen als auch das manuelle Auslösen des Systems. Eine weitere Beschränkung bei der Wahl der Frequenz ist der Stromverbrauch der mobilen Einheit im Empfangsmodus. Die am Markt verfügbaren Low-Power-Receiver beschränken die Empfangsfrequenz auf den Bereich von 60 bis 400 kHz. Es ist daher sinnvoll, eine Frequenz zwischen 6 und 13 MHz für den Übertragungskanal zu wählen, da in diesem Bereich das Verhältnis zwischen Stromverbrauch und Leistung in diesem Bereich am besten ist.

Permanente Erkennung

In einem Bodycom-System wird die Kommunikation von der Basis-Station initiiert. Um sicherzustellen, dass die Kommunikation nur mit dem menschlichen Körper gekoppelt wird, führt der Mikrocontroller eine permanente Touch-Erkennung durch. Wenn eine Berührung erkannt wird, initiiert der Mikrocontroller eine Übertragung, die nach der mobilen Einheit sucht. Die erzeugte Sequenz wird mit einem im Resonanzmodus arbeitenden LC-Schaltkreis angelegt. Dieser Schaltkreis ist mit einem Koppel-Pad verbunden, das die Daten an den menschlichen Körper überträgt. So wird der Körper eine Verlängerung des Koppel-Elements und erlaubt den Signaltransfer in den Erfassungsbereich der Mobil-Einheit. Da die Basis-Einheit mehr Strom an den Übertragungskanal senden kann, hat man hierfür eine niedrige Frequenz (128 kHz) ausgewählt. Dies ist ohne Probleme möglich, da sich die Basis-Einheit extern mit Strom versorgen lässt. Das von der Basis-Einheit generierte Signal wird an die mobile Einheit gesendet, die üblicherweise im Signal-Modus mit geringem Energieverbrauch arbeitet. Der Empfang des gesendeten Signals weckt die mobile Einheit auf. Sie dekodiert die Daten nach dem Empfang und sendet gegebenenfalls eine Antwort. Gesendet wird die Antwort über den 8-MHz-Kanal. Das Signal wird wiederum durch den menschlichen Körper in die Nähe der Basis-Station übertragen und über das Koppel-Pad an die Empfangseinheit der Basis-Station gesendet. Dabei handelt es sich um eine vollständige Empfangs-Lösung mit Vorverstärker, Step-Down-Mixer, Filter und Daten-Decoder/Demulator. Der Output des Receivers ist mit dem Mikrocontroller verbunden. Er empfängt die vollständige Sequenz und decodiert die eingehenden Daten.

Die Praxis

Anwendungsbeispiele für die Bodycom-Technik sind Zugriffsüberwachungen von Sicherheitssystemen, Türverriegelungen in Haus und Industrie, Tierklappen sowie Personen- und Betriebsschutz einschließlich Anlagenüberwachung, Elektrowerkzeuge, Schusswaffen und Computersysteme. Hierzu gehören insbesondere medizinische Geräte für die Patientenüberwachung, Zugang zu Klinikräumen oder die Geräteverfolgung und das Profil-Management von Spielekonsolen und Übungsgeräten in der Konsumelektronik. Grund zur Sorge gibt es übrigens auch für gesundheitsbewusste Anwender nicht: Die Strahlung, der der Körper bei der Übertragung ausgesetzt wird, ist deutlich niedriger als beispielsweise die Strahlung einer handelsüblichen Diebstahlsicherung etwa in einem Kaufhaus.