[0001] Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung eines elektronischen Zutrittkontrollsystems
mit einem Transponderdetektor für Signale eines Transponders, insbesondere eines RFID-Transponders,
mit einer Hauptantenne und mit einer Detektionsantenne zur Detektion des in Kommunikationsreichweite
befindlichen Transponders. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslesen
eines Transponders, insbesondere eines RFID-Transponders, mit der Steuerschaltung,
wobei eine Hauptantenne bestromt wird und eine Steuereinrichtung die Änderung einer
Amplitude an einer Detektionsantenne erfasst.
[0002] Ein Transponderdetektor ist beispielsweise aus der
EP 1 840 790 B1 bekannt. Bei diesem Transponderdetektor werden Detektionsabfolgesignale erzeugt und
damit in Kommunikationsreichweite befindliche Transponder erfasst. Wird kein Transponder
erfasst, wird die Erzeugung der Detektionsabfolgesignale kontinuierlich weitergeführt.
Wird ein Transponder erfasst, wird eine Kommunikation mit diesem aufgebaut. Dies erfordert
jedoch einen hohen Energieaufwand.
[0003] Die Erfassung eines Transponders und der Start der Kommunikation wird im allgemeinen
als "wake up" bezeichnet, da die Steuerschaltung von einem Schlafmodus, in dem Detektionsabfolgesingale
erzeugt werden, in einen Betriebsmodus, in dem eine Kommunikation mit dem Transponder
erzeugt wird, überführt wird.
[0004] Der bekannte Transponderdetektor arbeitet mit mehreren Trägerfrequenzen. Die beiden
Antennen fungieren jeweils als Sender und Empfänger. Durch die Doppelfunktion beider
Antennen und die Verwendung mehrerer Trägerfrequenzen erfordert der Transponderdetektor
einen hohen Energiebedarf und ist sehr aufwändig aufgebaut.
[0005] Ein hoher Energieverbrauch und ein unnötig aufwändiger Aufbau muss jedoch vermieden
werden, wenn ein solcher Transponderdetektor in einer elektronischen Schließeinrichtung,
wie beispielsweise einem Schließzylinder eingesetzt wird. Solche Schließeinrichtungen
haben meist nur eine Batterie als Energiespeicher mit begrenzter Kapazität und bieten
zudem nur sehr wenig Bauraum.
[0006] Aus der
EP 3 300 039 A1 ist ein elektronisches Zutrittskontrollsystem für ein Gebäude bekannt geworden, bei
dem eine Steuerungseinrichtung eine Zutrittskontrollkomponente wahlweise in einem
Vollbetriebsmodus betreibt oder in einen Bereitschaftsbetriebsmodus versetzt. Dieses
Zutrittskontrollsystem umfasst ein Funknetzwerk mit mehreren Netzknoten.
[0007] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Steuerschaltung mit einem Transponderdetektor
zu schaffen, welche möglichst einfach aufgebaut ist und einen besonders geringen Energieverbrauch
aufweist. Weiterhin soll ein besonders einfaches Verfahren zum Auslesen des Transponders
geschaffen werden.
[0008] Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hauptantenne und die
Detektionsantenne magnetisch miteinander gekoppelt und elektrisch voneinander getrennt
sind und dass eine Steuereinrichtung in einem ersten Betriebsmodus zur Versorgung
der Hauptantenne mit elektrischem Strom zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes
und in einem zweiten Betriebsmodus zur Kommunikation mit dem Transponder über die
Hauptantenne ausgebildet ist.
[0009] Durch diese Gestaltung ermöglicht der Transponderdetektor mit der Hauptantenne eine
bidirektionale Kommunikation mit dem Transponder. Da die Detektionsantenne lediglich
magnetisch mit der Hauptantenne gekoppelt ist, erfährt diese bei der Anwesenheit eines
Transponders im Empfangsbereich eine Dämpfung. Diese Dämpfung wird von der Steuereinrichtung
erfasst, worauf diese von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschaltet
und eine Kommunikation mit dem Transponder über die Hauptantenne ermöglicht. Dank
der Erfindung gestaltet sich der Aufwand für die Schaltung der Antennen besonders
einfach. Die Steuerschaltung hat hierdurch zudem einen besonders geringen Energieverbrauch,
so dass sie besonders für den Einsatz in einer Schließanlage mit begrenzter Energiespeicherkapazität
geeignet ist.
[0010] Die magnetische Koppelung bei gleichzeitiger elektrischer Trennung der Hauptantenne
von der Detektionsantenne gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung besonders einfach, wenn die Hauptantenne und die Detektionsantenne einander
umschließen oder auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Durch diese Gestaltung
ist der Transponderdetektor besonders einfach aufgebaut.
[0011] Zur weiteren Vereinfachung des Transponderdetektors trägt es gemäß einer anderen
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn die Steuereinrichtung mit der
Hauptantenne über eine digitale Schnittstelle und mit der Detektionsantenne über eine
analoge Schnittstelle verbunden ist. Über die digitale Schnittstelle kann die Hauptantenne
im ersten Betriebsmodus in einem so genannten Pollingprozess einfach mit Detektionssignalen
versorgt werden und im zweiten Betriebsmodus die Daten des Transponders ausgelesen
werden. Über die analoge Schnittstelle lässt sich die Dämpfung einfach erfassen, welche
durch den im Empfangsbereich befindlichen Transponder an der Detektionsantenne verursacht
wird. Hierdurch kann die Steuereinrichtung von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten
Betriebsmodus umschalten.
[0012] Eine ständige Bestromung der Hauptantenne im ersten Betriebsmodus lässt sich gemäß
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach vermeiden, wenn die
Steuereinrichtung zur Bestromung der Hauptantenne in Intervallen ausgebildet ist.
Hierdurch hat der Transponderdetektor einen besonders geringen Energieverbrauch.
[0013] Ein Spannungssignal der Detektionsantenne bei der Erfassung eines Transponders lässt
sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erhöhen, wenn die
Detektionsantenne mit zumindest einem Amplitudenverstärkungsmodul gekoppelt ist. Ein
solches Amplitudenverstärkungsmodul hat damit die Funktion eines Spannungsvervielfachers.
Die Detektionsantenne ist hierdurch wesentlich sensitiver für Spannungsänderungen
oder Spannungsdämpfungen während des Pollingprozesses. Durch die erhöhte Sensitivität
kann der Pollingprozess bei wesentlich niedrigeren Feldenergien durchgeführt werden,
was zur Verringerung des Energieverbrauchs beiträgt. Zudem werden auch Transponder
mit besonders kleinen Koppelungsfaktoren erkannt.
[0014] Zur weiteren Erhöhung des Spannungssignals trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung bei, wenn mehrere Amplitudenverstärkungsmodule in Reihe
geschaltet sind.
[0015] Das Amplitudenverstärkungsmodul gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn das Amplitudenverstärkungsmodul
eine Delon-Schaltung oder eine Villard-Schaltung aufweist. Zur weiteren Erhöhung der
Sensitivität der Detektionsantenne trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung bei, wenn die Detektionsantenne eine höhere Windungszahl hat als die
Hauptantenne. Beispielsweise führt eine Verdoppelung der Windungszahl zu einer Verdoppelung
der Sensitivität.
[0016] Zur weiteren Vereinfachung des Aufbaus des Transponderdetektors trägt es gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn die Steuereinrichtung
zur Erfassung der Dämpfung der Spannung an der Detektionsantenne ausgebildet ist.
Das Signal der Detektionsantenne wird im Pollingprozess, also im ersten Betriebsmodus,
ausgewertet und bei entsprechender Signalhöhe, was gleichbedeutend mit einer ausreichenden
Dämpfung der Antennenspannung ist, von der Steuereinrichtung erfasst, um in den zweiten
Betriebsmodus zu wechseln. Damit kann ein Kommunikationsversuch mit dem detektierten
Transponder unternommen werden.
[0017] Der bauliche Aufwand und die Fehleranfälligkeit des Transponderdetektors lassen sich
gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten,
wenn die Trägerfrequenz zur Erregung der Hauptantenne in beiden Betriebsmodi gleich
ist. Durch diese Gestaltung wird vermieden, dass die Hauptantenne und der Transponder
für unterschiedliche Frequenzen ausgelegt sein müssen. Vorzugsweise beträgt die Trägerfrequenz
13,56 MHz.
[0018] Eine zuverlässige Detektion von verschiedenen Transpondern mit einem breiten Spektrum
von Resonanzfrequenzen und Kopplungsfaktoren kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung gewährleistet werden, wenn der Hauptantenne ein schaltbares Anpassnetzwerk
nachgeschaltet ist, welches auf eine Frequenz oberhalb der Trägerfrequenz abgestimmt
ist und zwei Schaltzustände aufweist, wobei das Anpassnetzwerk in einem ersten Schaltzustand
eine geringere Impedanz aufweist als in einem zweiten Schaltzustand. Das Anpassnetzwerk,
welches RFID-Antennen üblicherweise nachgeschaltet wird, ist meist aus Spulen, Kondensatoren
und Widerständen aufgebaut und wird in der Regel auf eine fixe Frequenz, welche der
Trägerfrequenz entspricht, eingestimmt. Das Anpassnetzwerk passt das an der Antenne
ausgehende und eingehende Spannungssignal an die Bedürfnisse des Systems an und filtert
zum Beispiel unerwünschte Oberwellen eines Signals, welche die Verarbeitung erschweren
würden. Die beiden Schaltzustände sind vorzugsweise jeweils einem der beiden Betriebsmodi
zuzuordnen, wobei der erste Schaltzustand dem ersten Betriebsmodus und der zweite
Schaltzustand dem zweiten Betriebsmodus zuzuordnen ist. Die verringerte Impedanz im
ersten Schaltzustand kann zum Beispiel durch ein Abschalten von Kondensatoren im Anpassnetzwerk
realisiert werden. Durch die Zuordnung des ersten Schaltzustandes zum ersten Betriebsmodus,
weist das Anpassnetzwerk bei der Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes zur Detektion
von möglichen Kommunikationspartnern eine geringere Impedanz auf. Somit kann bei gleicher
Bestromung ein stärkeres Feld erzeugt werden. Hierdurch werden Transponder mit kleineren
Kopplungsfaktoren zuverlässiger erkannt. Weiterhin werden durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung auch Transponder mit einer stärker von der Trägerfrequenz abweichenden
Resonanzfrequenz erkannt, welche zu einer geringeren Dämpfung bei der Trägerfrequenz
führt und somit zu einem geringeren Detektionssignal. Solche Abweichungen der Resonanzfrequenz
von Transpondern können beispielsweise durch umgebungsbedingte (zum Beispiel bei metallischer
Umgebung) Verstimmungen auftreten.
[0019] Die Steuerschaltung lässt sich in vielen Bereichen einsetzen. Wegen des geringen
baulichen Aufwandes und dem geringen Energieverbrauch lässt sich der Transponderdetektor
einfach in Schließanlagen einsetzen, wenn die Steuereinrichtung mit einem elektronischen
Sperrmechanismus verbunden ist und dass der Sperrmechanismus mit einem Energiespeicher
verbunden ist. Damit kann der Transponderdetektor in meist sehr kleine Abmessungen
aufweisenden Schließzylindern eingesetzt werden, welche von elektronischen passiven
Transpondern angesteuert werden. Solche Schließzylinder weisen den Sperrmechanismus,
eine Batterie oder Zelle als Energiespeicher und die Steuerschaltung zur Ansteuerung
des Sperrmechanismus auf.
[0020] Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung eines besonders einfachen Verfahrens
zum Auslesen des Transponders wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wechsel
von dem zweiten Betriebsmodus auf den ersten Betriebsmodus nach einer vorgesehenen
Zeitspanne oder nach Abschluss der Kommunikation mit dem Transponder erfolgt. Durch
diese Gestaltung ist ein Abschlusskriterium festgelegt, mit welchem eine Kommunikation
oder ein Kommunikationsversuch mit dem Transponder beendet wird. Bei Auftreten des
Abschlusskriteriums wird wieder in den oben beschriebenen Pollingprozess zurückgeschaltet.
[0021] Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung
ihres Grundprinzips sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Diese zeigt in
Fig.1 schematisch eine Steuerschaltung mit einer elektronischen Schließeinrichtung,
Fig.2 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung,
Fig.3 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung,
Fig.4 eine Ausführungsform einer magnetischen Koppelung zweier Antennen der Steuerschaltung,
Fig.5 eine Villard-Schaltung der Steuerschaltung,
Fig.6 eine Brückenschaltung nach Delon,
Fig.7 einen Vervielfacher nach Delon,
Fig.8 ein Verfahren zum Auslesen eines Transponders mit der Steuerschaltung.
[0022] Figur 1 zeigt eine Steuerschaltung 1 eines elektronischen Zutrittkontrollsystems
mit einem Transponderdetektor 2 für die Signale eines Transponders 3. Das Zutrittkontrollsystem
hat einen beispielhaft dargestellten Schließzylinder 4 mit einem Energiespeicher 5
und mit einem Sperrmechanismus 6. Der Transponder 3 hat einen Transponderchip 7 und
eine Antenne 8 und ist als elektronischer Schlüssel zur Ansteuerung des Sperrmechanismus
6 des Schließzylinders 4 ausgebildet. Die Steuerschaltung 1 hat eine Auswerteeinheit
9 zur Auswertung der Signale des Transponders 3 und ist in der Praxis baulich in dem
Schließzylinder 4 integriert.
[0023] Der Transponderdetektor 2 hat eine Hauptantenne 10 und eine Detektionsantenne 11,
welche ausschließlich magnetisch miteinander gekoppelt sind. Die Hauptantenne 10 ist
über eine digitale Schnittstelle 12 bidirektional mit einer Steuereinrichtung 13 verbunden.
Die Detektionsantenne 11 ist über eine analoge Schnittstelle 14 mit der Steuereinrichtung
13 verbunden.
[0024] Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung 101, welche sich
von der aus Figur 1 dadurch unterscheidet, dass zwischen einer Detektionsantenne 111
und einer Steuereinrichtung 113 ein Amplitudenverstärkungsmodul 115 angeordnet ist
sowie, dass zwischen der Hauptantenne 110 und der Steuereinrichtung 113 ein schaltbares
Anpassnetzwerk 112 angeordnet ist. Das Amplitudenverstärkungsmodul 115 erhöht das
Spannungssignal der Detektionsantenne 111. Das Anpassnetzwerk 112 weist zwei Schaltzustände
mit unterschiedlichen Impedanzen auf und wird geschaltet, wenn die Steuerschaltung
1 zwischen ihren beiden Betriebsmodi wechselt. Ansonsten ist diese Ausführungsform
wie die aus Figur 1 aufgebaut.
[0025] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Steuerschaltung 201, welche sich
von der aus Figur 2 nur dadurch unterscheidet, dass mehrere Amplitudenverstärkungsmodule
215 hintereinander angeordnet sind. Ansonsten ist diese Ausführungsform wie die aus
Figur 2 aufgebaut. Die Amplitudenverstärkungsmodule 215 können zu einem Vervielfacher
216 zusammengeschaltet sein.
[0026] Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer magnetischen Koppelung der Hauptantenne
10 und der Detektionsantenne 11 der Steuerschaltung 1 aus den Figuren 1 bis 3. Hierbei
ist zu erkennen, dass die Detektionsantenne 11 und die Hauptantenne 10 einander umschließen.
Die Detektionsantenne 11 und die Hauptantenne 10 können zudem auf einem nicht dargestellten
gemeinsamen Kern angeordnet sein. In einer nicht dargestellten Ausführungsform hat
die Detektionsantenne 11 eine höhere Windungszahl als die Hauptantenne 10.
[0027] Figur 5 zeigt eine Villard-Schaltung 17, welche im Amplitudenverstärkungsmodul 115
in den in Figur 2 und 3 dargestellten Steuerschaltungen 101 eingesetzt und mit der
Detektionsantenne 111 verbunden ist. Hierbei ist mit C eine Kapazität und mit D eine
Diode dargestellt. Die von der Villard-Schaltung 17 ausgehende Spannung ist mit U
A gekennzeichnet.
[0028] Figur 6 zeigt eine Brückenschaltung nach Delon 18, welche als Amplitudenverstärkungsmodul
115 in den in Figur 2 und 3 dargestellten Steuerschaltungen 101 eingesetzt werden
kann. Die Kennzeichnungen der Symbole entsprechen denen in Figur 5 beschriebenen,
wobei mehrere Kondensatoren C
i und Dioden D
i (i= 1, 2) verwendet werden.
[0029] Figur 7 zeigt einen Vervielfacher nach Delon 19, welcher für mehrere Amplitudenverstärkungsmodule
215 als Vervielfacher 216 gemäß der Steuerschaltung 201 nach Figur 3 eingesetzt und
mit der Detektionsantenne 211 verbunden werden kann.
[0030] Figur 8 zeigt ein Verfahren zum Auslesen des Transponders 3 der Steuerschaltung 1
nach den Figuren 1 bis 3. In einem den Grundzustand S1 der Steuerschaltung 1 kennzeichnenden
ersten Betriebsmodus wird in einem Polling-Prozess S2 zyklisch und in großen zeitlichen
Abständen ein Detektionssignal von der Hauptantenne 10 abgesandt. Eine Dämpfung der
Antennenspannung der Detektionsantenne 11 durch den in Kommunikationsreichweite befindlichen
Transponder 3 wird von der Steuereinrichtung 1 im Schritt S3 erfasst. Bei vorliegender
Erfassung wird im Schritt S4 in einem zweiten Betriebsmodus ein Kommunikationsversuch
S5 mit dem Transponder 3 gestartet. Im Schritt S6 werden die Daten des Transponders
3 ausgelesen und eine Schließberechtigung für den Schließzylinder 4 abgefragt. Im
Schritt S7 wird der Sperrmechanismus 6 angesteuert und damit der Schließzylinder 4
entriegelt. Bei einem Fehlschlagen des Kommunikationsversuches im Schritt S5, bei
einem Ausbleiben einer Detektion eines Transponders 3 im Schritt S3, bei dem Fehlen
einer Schließberechtigung im Schritt S6 oder nach dem Verstreichen einer vorgesehenen
Zeitspanne im Schritt S7 wird wieder in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet
und das Verfahren von neuem gestartet.
1. Steuerschaltung (1, 101, 201) eines elektronischen Zutrittkontrollsystems mit einem
Transponderdetektor (2) für Signale eines Transponders (3), insbesondere eines RFID-Transponders,
mit einer Hauptantenne (10, 110) und mit einer Detektionsantenne (11, 111, 211) zur
Detektion des in Kommunikationsreichweite befindlichen Transponders (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptantenne (10, 110) und die Detektionsantenne (11, 111, 211) magnetisch miteinander
gekoppelt und elektrisch voneinander getrennt sind und dass eine Steuereinrichtung
(13, 113) in einem ersten Betriebsmodus zur Versorgung der Hauptantenne (10, 110)
mit elektrischem Strom zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes und in einem
zweiten Betriebsmodus zur Kommunikation mit dem Transponder (3) über die Hauptantenne
(10) ausgebildet ist.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptantenne (10, 110) und die Detektionsantenne (11, 111, 211) einander umschließen
oder auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13, 113) mit der der Hauptantenne (10, 110) über eine digitale
Schnittstelle (12) und mit der Detektionsantenne (11, 111, 211) über eine analoge
Schnittstelle (14) verbunden ist.
4. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13, 113) zur Bestromung der Hauptantenne (10) in Intervallen
ausgebildet ist.
5. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsantenne (111, 211) mit zumindest einem Amplitudenverstärkungsmodul
(115, 215) gekoppelt ist.
6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Amplitudenverstärkungsmodule (215) in einer Reihe geschaltet sind.
7. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Amplitudenverstärkungsmodul (115) eine Delon-Schaltung (18) oder eine Villard-Schaltung
(17) aufweist.
8. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsantenne (11, 111, 211) eine höhere Windungszahl hat als die Hauptantenne
(10, 110).
9. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13, 113) zur Erfassung der Dämpfung der Spannung an der Detektionsantenne
(11, 111, 211) ausgebildet ist.
10. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz zur Erregung der Hauptantenne (10, 110) in beiden Betriebsmodi
gleich ist.
11. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptantenne (110) ein schaltbares Anpassnetzwerk (112) nachgeschaltet ist, welches
auf eine Resonanzfrequenz oberhalb der Trägerfrequenz abgestimmt ist und das zwei
Schaltzustände aufweist, wobei das Anpassnetzwerk (112) in einem ersten Schaltzustand
eine geringere Impedanz aufweist als in einem zweiten Schaltzustand.
12. Steuerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13, 113) mit einem elektronischen Sperrmechanismus (6) verbunden
ist und dass der Sperrmechanismus (6) mit einem Energiespeicher (5) verbunden ist.
13. Verfahren zum Auslesen eines Transponders (3), insbesondere eines RFID-Transponders,
mit der Steuerschaltung (1, 101, 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
eine Hauptantenne (10, 110) bestromt wird und eine Steuereinrichtung (13, 113) die
Änderung einer Amplitude erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel von dem zweiten Betriebsmodus auf den ersten Betriebsmodus nach einer
vorgesehenen Zeitspanne oder nach Abschluss der Kommunikation mit dem Transponder
erfolgt.