DE19519450A1 - Kontrollsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontrollsystem, bei dem eine Datenübertragung zwischen zwei Systemkomponenten stattfindet, sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Systems.

Kontrollsysteme der angegebenen Art können der automati­ schen drahtlosen Personen- und Fahrzeugidentifikation bei Verkehrsleitsystemen, der Mautgebührenerfassung oder der Zu­ trittskontrolle von Personen und Fahrzeugen zu gesicherten Räumen dienen. Bei der Zutrittskontrolle können sie rein me­ chanische Schließsysteme ersetzen.

Üblicherweise stellen die beiden Systemkomponenten eine Basistation und einen Transponder dar. Zwischen diesen beiden Komponenten findet ein drahtloser Datenaustausch statt, der der Basisstation die Identifikation des Transponders ermög­ licht. Bei der Zutrittskontrolle löst die Basisstation das Öffnen eines Schlosses aus, sobald sie in der Nähe den Trans­ ponder einer zutrittsberechtigten Person identifiziert.

Konventionelle Systeme dieser Art sind mit folgenden Nachteilen behaftet. Idealerweise sollten sie annäherungssen­ sitiv sein, d. h. sie sollten den Datenaustausch automatisch aufnehmen können, sobald sich der Transponder an die Basis­ station annähert, ohne daß eine Bedienungsperson eingreifen muß. Dies erfordert, daß beide Komponenten stets eingeschal­ tet sind. Der Transponder hat oft nur die Größe einer Kredit­ karte oder eines Schlüsselanhängers, um leicht überall hin mitgeführt zu werden. Daher muß er mit winzigen Batterien be­ trieben werden, die im Dauerbetrieb nach kurzer Zeit er­ schöpft sind.

Zur Vermeidung dieses Nachteils werden passiv betriebene Transponder eingesetzt, die lediglich ein bestimmtes Echo ei­ nes von der Basisstation ausgesendeten Signals zurückwerfen oder es wurden Transponder vorgeschlagen, die ihre Betriebs­ energie dem von der Basisstation ausgesendeten Signal entneh­ men. Diese Systeme benötigen leistungsstarke Basisstationen, die entsprechend groß sind und einen hohen Stromverbrauch aufweisen. Außerdem sind sie wenig täuschungssicher.

Beispiele der oben beschriebenen Systeme sind in DE-A- 41 11 582, DE-C-41 34 922 und DE-A-42 30 011 offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontroll­ system sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, die mit geringem Leistungsverbrauch arbeiten.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren bzw. der in Anspruch 8 angegebenen Vor­ richtung.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß Kontrollsy­ steme häufig nur einen sehr kleinen Bruchteil ihrer Gesamtbe­ triebszeit eine Datenübertragung vornehmen. Bei einem Zu­ trittskontrollsystem beispielsweise wird oft nur wenige Se­ kunden pro Tag ein Zutrittskontrollprotokoll abgearbeitet, nämlich dann, wenn eine Person tatsächlich Zutritt verlangt. Die Erfindung ermöglicht es, das System in der übrigen Zeit bei minimalem Energieverbrauch in Bereitschaft zu halten und daß beide Komponenten (Basisstation und Transponder) gemein­ sam in einen aktiven Modus wechseln können, wenn auch nur ei­ ne von ihnen eine Datenübertragung wünscht - beispielsweise weil sie die Annäherung einer Person festgestellt hat. Im Be­ reitschaftsmodus kann eine Empfangseinrichtung einer ersten Komponente ausgeschaltet bleiben und eine Empfangseinrichtung einer zweiten Komponente braucht lediglich periodisch kurz­ zeitig aktiviert zu werden. Dies ist energiesparend, da Emp­ fangseinrichtungen gewöhnlich im eingeschalteten, aktivierten Betrieb einen relativ hohen Stromverbrauch aufweisen. Der Stromverbrauch ist durch den Ruhestrom in Analogschaltungen bestimmt, die zur Verstärkung relativ schwacher Empfangssi­ gnale notwendig sind.

Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, die für die Aus­ sendung eines Aktivierungssignals oder für die Datenübertra­ gung notwendigen Sendeleistungen stark zu reduzieren und so­ mit einen weiteren Energiespareffekt zu erzielen, da lei­ stungsfähige Empfangseinrichtungen verwendet werden können, ohne den Energieverbrauch nachteilig zu beeinflussen, da sie lediglich für sehr kurze Zeiten eingeschaltet sind.

Die Signalübertragungen zwischen den Systemkomponenten erfolgt vorzugsweise drahtlos durch elektromagnetische Wel­ len, Lichtwellen (beispielsweise Infrarotlicht) oder mittels Ultraschall.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung.

Das Merkmal des Anspruchs 2 ermöglicht eine besonders einfache Erkennung, ob eine Datenübertragung gewünscht ist. In der Anwendung als Zutrittskontrollsystem kann der Schalter von der einen Zutritt verlangenden Person manuell oder auto­ matisch betätigt werden.

Einen erhöhten Bedienungskomfort weist die Ausgestaltung nach Anspruch 3 auf, da sie eine berührungslose, annäherungs­ sensitive Aktivierung des Systems ermöglicht. Die besondere Ausgestaltung nach Anspruch 4 führt zu einem verringerten Energieverbrauch bei der Feststellung, ob Bedarf an einer Da­ tenübertragung besteht.

Auch die Ausgestaltung nach Anspruch 5 trägt zu einem geringen Energieverbrauch bei, da die Empfangseinrichtung der ersten Komponente lediglich dann eingeschaltet wird, wenn dies notwendig ist.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen vorteilhafte Anwendungen der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen

Fig. 1 schematisch ein annäherungssensitives Kontroll­ system, und

Fig. 2 und 3 Ablaufschemata für den Betrieb eines solchen Systems darstellen.

Das annäherungssensitive Kontrollsystem nach Fig. 1 weist eine Basisstation 1 sowie einen Transponder 2 auf. Die Basisstation 1 eignet sich zum Ersatz herkömmlicher mechani­ scher Schlösser. Der Transponder 2 ist mobil und veranlaßt bei Annäherung an die Basisstation 1, daß diese den Zutritt zu einem gesicherten Raum freigibt, beispielsweise ein Schloß elektromagnetisch öffnet.

Basisstation 1 und Transponder 2 sind jeweils mit einem Sender 3, 4 und einem Empfänger 5, 6 versehen. Diese sind wiederum mit jeweils einer Protokollsteuerung 7, 8 verbunden. Die Protokollsteuerung 7 der Basisstation 1 kommuniziert über die Sender 3, 4 sowie über die Empfänger 5, 6 drahtlos mit der Protokollsteuerung 8 des Transponders 2, um festzustel­ len, ob der Transponder einer zutrittsberechtigten Person zu­ geordnet ist. Dazu werden basisstations- und transponderspe­ zifische Daten nach einem Kontrollprotokoll verschlüsselt übertragen.

Basisstation 1 und Transponder 2 sind außerdem jeweils mit einer Zustandssteuerung 9, 10 versehen, die mit den ent­ sprechenden Sendern 3, 4, Empfängern 5, 6 und Protokollsteue­ rungen 7, 8 verbunden sind, um verschiedene Betriebszustände einzustellen.

Den größten Teil Ihrer Betriebs zeit verbleiben Basissta­ tion 1 und Transponder 2 unter dem Einfluß der jeweiligen Zu­ standssteuerung 9, 10 in einem energiesparenden Schlafmodus. In diesem Schlafmodus sind die Sender 3, 4, die Empfänger 5, 6 und die Protokollsteuerungen 7, 8 ausgeschaltet. Lediglich die Zustandssteuerungen 9, 10 bleiben aktiv.

Bei einer Annäherung des Transponders 2 an die Basissta­ tion 1 kann nun entweder die Basisstation oder der Transpon­ der die zur Abarbeitung des Kontrollprotokolls führende Akti­ vierung des Systems einleiten. Dementsprechend unterscheiden sich die Zustandssteuerungen 9, 10 voneinander. Im folgenden wird diejenige Systemkomponente (Basisstation 1 oder Trans­ ponder 2), die die Aktivierung einleitet, als "aktivierende Komponente" und die andere Systemkomponente (Transponder 2 oder Basisstation 1) als "zu aktivierende Komponente" bezeichnet.

Die von der entsprechenden Zustandssteuerung gesteuerte Arbeitsweise der aktivierenden Komponente ist in Fig. 2 dar­ gestellt.

In Schritt 21 veranlaßt die Zustandssteuerung zunächst, daß alle Systemeinrichtungen (Sender, Empfänger, Protokoll­ steuerung) der aktivierenden Komponente ausgeschaltet sind, um diese in den Schlafmodus zu bringen. Lediglich die Zu­ standssteuerung selber bleibt eingeschaltet. Unter ihrer Kon­ trolle bleibt die aktivierende Systemkomponente für eine ge­ wisse Wartezeit T_sleep·Tx im Schlafmodus (Schritt 22).

Nach Ablauf der Wartezeit veranlaßt die Zustandssteue­ rung einen Übergang der aktivierenden Systemkomponente in ei­ nen Detektormodus (Schritt 23). In diesem Modus wird kurzzei­ tig eine Einrichtung zur Erkennung, ob sich möglicherweise eine zu aktivierende Systemkomponente in der Nähe befindet, eingeschaltet. Stellt die aktivierende Systemkomponente die Basisstation dar, so kann beispielsweise mittels eines Infra­ rot-Melders, eines Radar-Melders, eines Ultraschall-Melders, einer Lichtschranke, einer Induktionsschleife oder eines Mi­ krophons festgestellt werden, ob sich eine Person oder ein Fahrzeug der Basisstation nähert, die einen Transponder mit­ führen könnten, oder es wird eine Taste abgefragt, die manu­ ell betätigt werden kann.

In Schritt 24 wird für den Fall, daß sich keine zu akti­ vierende Systemkomponente in der Nähe befinden kann, zurück zu Schritt 21 verzweigt, um in den Schlafmodus zurückzukeh­ ren.

Befindet sich jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit eine zu aktivierende Systemkomponente in der Nähe, da beispiels­ weise eine Person in der Nähe festgestellt wurde, so werden alle Systemeinrichtungen, jedenfalls jedoch der entsprechende Sender 3, 4 und Empfänger 5, 6 eingeschaltet und damit ein aktiver Modus eingeleitet (Schritt 25).

Daraufhin wird ein Aktivierungssignal abgesandt und auf ein Antwortsignal (Quittierung) durch die zu aktivierende Sy­ stemkomponente gewartet (Schritt 26).

Erfolgt keine Quittierung, so verzweigt Schritt 27 zu­ rück zu Schritt 21, um die Systemkomponente zurück in den Schlafmodus zu bringen. Bei Empfang eines Antwortsignals, d. h. wenn sich tatsächlich eine zu aktivierende Systemkompo­ nente in der Nähe befindet, veranlaßt die Zustandssteuerung in Schritt 28 zunächst das Abarbeiten des Kontrollprotokolls und dann die Rückkehr in den Schlafmodus.

Die von ihrer Zustandssteuerung kontrollierte Arbeits­ weise der zu aktivierenden Systemkomponente ist in Fig. 3 dargestellt. Demnach werden alle Systemeinrichtungen außer der zugehörigen Zustandssteuerung ausgeschaltet, um auch diese Systemkomponente in einen Schlafmodus zu setzen (Schritt 31). Der Schlafmodus wird für eine Wartezeit T_sleep·Rx beibehalten (Schritt 32).

Anschließend wird die Systemkomponente in den Detektor­ modus gebracht, in dem der Empfänger 3, 4 kurzzeitig einge­ schaltet wird, um zu prüfen, ob eine aktivierende Systemkom­ ponente ein Aktivierungssignal sendet (Schritt 33). Wurde kein Aktivierungssignal empfangen, so verzweigt Schritt 34 zurück zu Schritt 31 und die Systemkomponente kehrt in den Schlafmodus zurück.

Wurde jedoch ein Aktivierungssignal empfangen, so geht die Systemkomponente in den aktiven Modus über, in dem alle Systemeinrichtungen (Sender 3, 4 und Protokollsteuerung 7, 8) eingeschaltet sind (Schritt 35). Im aktiven Modus wird zu­ nächst ein Antwortsignal als Quittierung an die aktivierende Komponente gesendet (Schritt 36) und sodann mit dieser das Abarbeiten des Kontrollprotokolls begonnen (Schritt 37). Nach dem Abarbeiten des Kontrollprotokolls kehrt auch die zu akti­ vierende Systemkomponente in den Schlafmodus zurück.

Der Energieverbrauch des Systems ist um so geringer, je länger die Wartezeiten T_sleep·Tx und T_sleep·Rx gewählt werden. Bei zu langen Wartezeiten ergibt sich jedoch eine merkliche Verzögerung zwischen der Annäherung des Transponders an die Basisstation und der Aktivierung des Systems. Günstige Werte liegen zwischen 1/100 sec und 5 sec.

Die Dauer des Aktivierungssignals soll die Wartezeit T_sleep·Rx um einen kleinen Wert überschreiten, damit das Akti­ vierungssignal in Schritt 33 sicher erkannt wird.

Unter der Annahme, daß die Systemkomponenten in aller Regel vom Detektormodus unmittelbar in den Schlafmodus zu­ rückkehren und der Energieverbrauch des aktiven Modus somit vernachlässigt werden kann, beträgt die mittlere Leistungs­ aufnahme der aktivierenden Systemkomponente:

P_Tx = (P_{sleep.Tx *} T_sleep.Tx + P_{detect.Tx *} T_detect.Tx)/T_sleep.Tx + T_detect.Tx

und für die Leistungsaufnahme der zu aktivierenden Systemkom­ ponente gilt:

P_RX = (P_{sleep.RX *} T_sleep.RX + P_{detect.RX *} T_detect.RX)/T_sleep.RX + T_detect.RX

wobei P_sleep.Tx und P_sleep.Rx die Leistungsaufnahme der aktivie­ renden und der zu aktivierenden Systemkomponente im Schlafmo­ dus, P_detect.Tx und P_detect.Rx die jeweiligen Leistungsaufnahmen im Detektormodus und T_detect.Tx und T_detect.Rx die jeweiligen Verweildauern im Detektormodus vor der Rückkehr in den Schlafmodus darstellen.

Die Wartezeiten im Schlafmodus sind vorteilhafterweise etwa 100 bis 1000 mal größer als die Verweildauern im Detek­ tormodus. Damit gilt näherungsweise:

P_Tx = (P_sleep.Tx + P_{detect.Tx *} T_detect.Tx)/T_sleep.Tx
P_RX = (P_sleep.RX + P_{detect.RX *} T_detect.RX)/T_sleep.RX

Die mittlere Leistungsaufnahme des Systems ist also im wesentlichen durch die geringe Leistungsaufnahme des Schlaf­ modus und einen sehr kleinen Bruchteil der Leistungsaufnahme des Detektormodus bestimmt.

In einem bereits angesprochenen Ausführungsbeispiel bil­ det die Basisstation die aktivierende und der Transponder die zu aktivierende Systemkomponente. Im Detektormodus stellt die Basisstation mittels eines Annäherungssensors fest, ob sich eine Person oder ein Fahrzeug nähert. Ist dies der Fall, so wird mittels des Aktivierungssignals und des möglicherweise zurückerhaltenen Antwortsignals (Quittierung) erkannt, ob die Person oder das Fahrzeug auch einen Transponder mitführen. Bei der Abarbeitung des Kontrollprotokolls wird dann die Zu­ gangsberechtigung verifiziert.

Vorteilhafterweise kann dieses Ausführungsbeispiel auch so abgeändert werden, daß die Basisstation im Detektormodus nicht (nur) die Annäherung einer Person oder eines Fahrzeugs sondern direkt die Annäherung eines Transponders erkennt. Da­ zu emittiert sie ein Sensor-Signal und wertet die zurücker­ haltenen Echos aus. Bestimmte Echos sind typisch für Trans­ ponder der vorliegenden Art. Besteht das Sensor-Signal bei­ spielsweise aus einem elektromagnetischen Impuls, so läßt sich ein Transponder mit nichtlinearem Reflexionsverhalten anhand von Oberwellen im Echosignal erkennen. Ein solcher Transponder kann einen ferromagnetischen Metallstreifen, der von dem Sensor-Signal in den Bereich der Sättigung gebracht wird, oder einen etwa auf Resonanz mit dem Sensor-Signal ab­ gestimmten Hochfrequenz- oder Radar-Schwingkreis, dem eine Diode mit nichtlinearer Kennlinie hinzugefügt ist, aufweisen.

Es ist ökonomisch, für das Aussenden des Sensor-Signals und den Empfang des Echos den Sender 3, 4 und den Empfänger 5, 6 zu verwenden, die auch der Übertragung des Aktivierungs­ signals, des Antwortsignals und der Datenübertragung nach dem Kontrollprotokoll dienen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Übergang vom Schlafmodus in den Detektormodus nicht automatisch nach einer Wartezeit T_sleep.Tx sondern durch manuelle Betätigung eines Schalters oder Berührungssensors bewirkt. Beim Einsatz in Wohnungstürschlössern ist der Schalter oder Berührungssen­ sor vorteilhafterweise im Türknauf angebracht. Die Schritte 22 und 23 aus Fig. 2 sind durch einen Schritt zur Erkennung des Tastendrucks oder der Berührung eines Sensors ersetzt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel bildet die Basis­ station die zu aktivierende Systemkomponente und der Trans­ ponder die aktivierende Systemkomponente. Durch Druck auf ei­ ne Taste wird der Transponder veranlaßt, den Schlafmodus zu verlassen und ein Aktivierungssignal gemäß Schritt 26 an die Basisstation zu senden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung eines Systems für eine Daten­ übertragung zwischen einer ersten und einer zweiten System­ komponente (1, 2), mit folgenden Schritten:
Feststellen in der ersten Komponente, ob Bedarf für eine Datenübertragung besteht,
wiederholtes kurzzeitiges Aktivieren einer Empfangsein­ richtung (5, 6) der zweiten Komponente, jeweils nach einer Wartezeit (T_sleep.Rx) seit der vorausgegangenen Aktivierung der Empfangseinrichtung, zum Empfang eines von der ersten Komponente ausgesendeten Signals,
bei festgestellten Bedarf für eine Datenübertragung, Aus senden eines Aktivierungssignals durch die erste Kompo­ nente für eine längere Zeitspanne als die genannte Wartezeit (T_sleep.Rx) und Aktivieren der ersten Komponente für die Da­ tenübertragung, und
bei Empfang des Aktivierungssignals durch die Empfangs­ einrichtung (5, 6) der zweiten Komponente, Aktivieren der zweiten Komponente für die Datenübertragung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Feststellungs­ schritt die Feststellung der Betätigung eines Schalters oder Berührungssensors umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Feststel­ lungsschritt das Prüfen des Ansprechens eines Annäherungssen­ sors, vorzugsweise eines Radarsensors oder Infrarotmelders umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das genannte Prüfen pe­ riodisch jeweils für kurze Zeit erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei der Aktivierung der ersten Komponente für die Datenübertra­ gung eine Empfangseinrichtung (5, 6) dieser Komponente akti­ viert und der Empfang eines Antwortsignals von der zweiten Komponente geprüft wird.

6. Verfahren nach einem er Ansprüche 1 bis 5, wobei die Da­ tenübertragung die Abarbeitung eines Kontrollprotokolls zur Identifizierung einer der genannten Komponenten durch die an­ dere beinhaltet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Komponente eine Basisstation (1) und die zweite Kompo­ nente ein Transponder (2) eines Kontrollsystems darstellt.

8. Vorrichtung zur Steuerung eines Systems für eine Daten­ übertragung zwischen einer ersten und einer zweiten System­ komponente (1, 2), aufweisend:
eine der ersten Komponente zugeordnete Einrichtung zum Feststellen, ob Bedarf für eine Datenübertragung besteht,
eine Einrichtung (9, 10) zum wiederholten kurzzeitigen Aktivieren einer Empfangseinrichtung (5, 6) der zweiten Kom­ ponente, jeweils nach einer Wartezeit (T_sleep.Rx) seit der vorangegangenen Aktivierung der Empfangseinrichtung, zum Emp­ fang eines von der ersten Komponente ausgesendeten Signals,
eine Einrichtung (9, 10), um bei festgestelltem Bedarf für eine Datenübertragung von der ersten Komponente ein Akti­ vierungssignal für eine längere Zeitspanne als die genannte Wartezeit (T_sleep.Rx) auszusenden und die erste Komponente für die Datenübertragung zu aktivieren, und
eine Einrichtung (9, 10), um bei Empfang des Aktivie­ rungssignals durch die Empfangseinrichtung (5, 6) der zweiten Komponente diese für eine Datenübertragung zu aktivieren.