Übungsaufgaben zu Funk- und Identifikationstechniken
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https://oer-informatik.de/funk-identifikation-uebungsaufgaben
WLAN, Bluetooth Low Energy, ZigBee, LoRaWAN, RFID, NFC, Barcode, QR-Code, Scanner, Übungsaufgaben, Prüfungsvorbereitung
tl/dr; (Bearbeitungszeit insgesamt 138 min, mehrere Aufgaben): Sechs Übungsaufgaben zu Funk- und Identifikationstechniken: Du kennzeichnest Leihgeräte und deutest das Datenblatt einer Kamera, planst die RFID-Selbstverbuchung einer Schulbibliothek, bewertest die Funkschnittstellen von Check-in-Terminals, wählst Codes und Scanner für ein Fahrradlager, vergleichst Funkstandards für Sensoren in Lager und Werkhalle und erläuterst NFC, RFID und LoRaWAN an vernetzten Lastenrädern. Alle Beispiellösungen sind ausgeblendet und mit Punkteverteilung versehen [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 28.10.2026)
Diese Übungsaufgaben gehören zum Artikel Funk- und Identifikationstechniken.
Hinweise zur Bearbeitung: Bis zur Teil-1-Prüfung der IT-Berufe solltest Du die Basiskompetenz beherrschen, also Aufgabe 1.1. Als FIDV, ISE oder IKD musst Du zur Teil-2-Prüfung Aufgaben auf Kernkompetenz-Ebene lösen können, das sind Aufgabe 2.1 und Aufgabe 2.2. Von FIDV wird zusätzlich erwartet, dass ihnen Aufgaben auf Profilkompetenz-Ebene (Aufgabe 3.1, Aufgabe 3.2 und Aufgabe 3.3) keine Probleme bereiten. Achte auf den Operator: „Nennen“ verlangt Stichworte, „beschreiben“ und „erläutern“ ganze Sätze mit Bezug zur Situation, „begründen“ eine Entscheidung mit dem ausschlaggebenden Kriterium, „berechnen“ einen nachvollziehbaren Rechenweg. Schreib Deine Antwort zuerst vollständig auf, bevor Du die Beispiellösung aufklappst; andere sachlich richtige Antworten sind ebenfalls richtig.
Aufgabe 1.1: Leihgeräte und Kamera beim Barcamp (Basiskompetenz)
(ca. 12 min Bearbeitungszeit)
Für das Barcamp „Lernen.Digital.Leben 2027“ am Ratz und Rübe Berufskolleg in Bielefeld verleiht das Technikteam 30 Laptops an Referent*innen. Emre Aksoy, Azubi und Leiter des Technikteams, will die Geräte kennzeichnen, damit die Ausgabe am Check-in schnell geht. Du unterstützt ihn.
a) Kreuze die zwei zutreffenden Aussagen an. (2 Punkte)
- A: Ein QR-Code kann ohne Sichtkontakt durch die Laptoptasche hindurch gelesen werden.
- B: Ein QR-Code bleibt durch seine Fehlerkorrektur auch dann lesbar, wenn ein kleiner Teil zerkratzt ist.
- C: Ein passives RFID-Etikett braucht eine eigene Batterie.
- D: Mit RFID lassen sich mehrere gestapelte Laptops gleichzeitig erfassen.
- E: Ein Barcode speichert mehr Zeichen als ein gleich großer QR-Code.
Richtig sind B und D (je 1 Punkt). A ist falsch, weil optische Codes Sichtkontakt brauchen; C ist falsch, passive Etiketten erhalten ihre Energie aus dem Feld des Lesegeräts; E ist falsch, der QR-Code speichert auf gleicher Fläche deutlich mehr.
b) Stelle für die Kennzeichnung der Laptops jeweils einen Vorteil und einen Nachteil von QR-Code-Aufkleber und RFID-Etikett gegenüber. (4 Punkte)
| Kennzeichnung | Vorteil | Nachteil |
|---|---|---|
| QR-Code-Aufkleber | ||
| RFID-Etikett |
| Kennzeichnung | Vorteil | Nachteil |
|---|---|---|
| QR-Code-Aufkleber | sehr günstig, selbst druckbar; mit jeder Smartphone-Kamera bzw. dem Tablet am Check-in lesbar; viele Daten (z. B. Inventarnummer und URL) | nur mit Sichtkontakt lesbar; bei Verschmutzung, Abrieb oder Verdecken unlesbar; leicht zu überkleben |
| RFID-Etikett | ohne Sichtkontakt lesbar, auch in der Tasche; mehrere Geräte gleichzeitig (Pulk); robust gegen Schmutz | teurer (Etikett und Lesegerät nötig); Metallgehäuse der Laptops können das Lesen stören; Smartphone liest UHF-RFID nicht |
Je Feld 1 Punkt.
c) Am Eingang der Aula hängt eine Außenkamera, die per PoE versorgt wird. Im Datenblatt steht:
Power consumption: typical 4 W; max. with IR illumination 9 W; max. with IR illumination and heater 19 W.
Nenne den Zweck der IR-Beleuchtung und den Zweck der Heizung (heater). (2 Punkte)
- IR-Beleuchtung: Bilder auch bei Dunkelheit (Nachtsicht mit Infrarotlicht, für Menschen unsichtbar). (1 Punkt)
- Heizung: hält die Kamera bei Kälte betriebsbereit und verhindert Beschlagen bzw. Vereisen der Frontscheibe. (1 Punkt)
d) Auf der Rückseite der Check-in-Tablets sind drei Symbole für drahtlose Schnittstellen abgebildet: (1) eine stilisierte Rune aus einem senkrechten Strich mit zwei Spitzen nach rechts, (2) ein Fächer aus drei Bögen über einem Punkt, (3) eine Hand, die eine Karte vor drei kleine Bögen hält. Nenne die Übertragungstechnik zu jedem Symbol. (3 Punkte)
- Bluetooth, (2) WLAN (Wi-Fi), (3) NFC bzw. kontaktlose Kartenschnittstelle. Je 1 Punkt.
e) Die Access Points in der Aula funken im 2,4-GHz- und im 5-GHz-Band. Nenne für jedes Band einen Vorteil. (2 Punkte)
- 2,4 GHz: größere Reichweite bzw. geringere Dämpfung durch Wände; wird von nahezu allen Geräten unterstützt. (1 Punkt)
- 5 GHz: höhere Datenrate; mehr überlappungsfreie Kanäle; weniger Störungen. (1 Punkt)
Aufgabe 2.1: RFID-Selbstverbuchung in der Schulbibliothek (Kernkompetenz)
(ca. 21 min Bearbeitungszeit)
Die Bibliothek des Ratz und Rübe Berufskollegs in Gebäude C soll auch außerhalb der Öffnungszeiten nutzbar werden. Hülya Demir, Leiterin der Bibliothek, plant mit der Schul-IT OWL eine Selbstverbuchung: Die rund 9.000 Medien erhalten RFID-Etiketten im HF-Bereich (13,56 MHz), an einem Terminal legen Schüler*innen ihre Medien auf eine Lesefläche, am Ausgang steht ein Sicherungsgate. Du arbeitest im Projekt mit.
a) Für den Ablauf einer Ausleihe ist der erste Schritt vorgegeben: „1. Die Medien werden auf die Lesefläche gelegt und gelangen so in das elektromagnetische Feld des Lesegeräts.“ Beschreibe die weiteren Schritte, bis die Ausleihe gebucht ist. (4 Punkte)
- Die Antenne des Transponders nimmt Energie aus dem Feld auf und versorgt damit den Chip (drahtlose Energieversorgung). (1 Punkt)
- Der Transponder überträgt seine Kennung (Mediennummer) an das Lesegerät; bei mehreren Medien nacheinander durch das Antikollisionsverfahren. (1 Punkt)
- Das Terminal übergibt die Kennungen zusammen mit dem Ausweis bzw. Konto der Person an die Bibliothekssoftware, die die Ausleihe in der Datenbank bucht. (1 Punkt)
- Das Sicherungsbit im Etikett wird zurückgesetzt bzw. der Status „ausgeliehen“ gespeichert, damit das Gate keinen Alarm auslöst; die Person erhält eine Quittung. (1 Punkt)
b) Bisher sind die Medien mit Barcodes gekennzeichnet. Nenne drei Argumente, die für RFID sprechen. (3 Punkte)
Je 1 Punkt, z. B.:
- Lesen ohne Sichtkontakt, das Medium muss nicht ausgerichtet oder aufgeschlagen werden,
- Pulkerfassung: ein ganzer Stapel wird gleichzeitig verbucht,
- Selbstverbuchung und Rückgabe auch ohne Personal,
- Etikett dient zugleich als Diebstahlsicherung,
- schnellere Inventur mit Handlesegerät am Regal,
- zusätzliche Daten auf dem Chip speicherbar, Etikett im Buch geschützt vor Abrieb.
c) Erläutere den Unterschied zwischen passiven und aktiven Transpondern und begründe, warum für die Medien passive Transponder gewählt werden. (4 Punkte)
Passive Transponder haben keine eigene Energiequelle, sie werden vom Feld des Lesegeräts versorgt und antworten nur, wenn sie sich darin befinden; ihre Reichweite ist gering. Aktive Transponder haben eine eigene Batterie und einen eigenen Sender und erreichen große Reichweiten. (2 Punkte)
Für die Medien genügen wenige Zentimeter bis etwa einen Meter Reichweite (Lesefläche, Gate). Passive Etiketten sind billig, flach, wartungsfrei und halten ohne Batteriewechsel über die gesamte Lebensdauer des Buchs. (2 Punkte)
d) Erläutere, wie das Sicherungsgate erkennt, dass ein nicht verbuchtes Medium die Bibliothek verlässt. (3 Punkte)
Die Antennen des Gates erzeugen ein Lesefeld im Durchgang. Jeder Transponder, der hindurchgetragen wird, wird mit Energie versorgt und gelesen. (1 Punkt) Das Gate prüft das Sicherungsbit im Etikett bzw. fragt den Status der Mediennummer in der Datenbank ab. (1 Punkt) Ist das Medium nicht als ausgeliehen verbucht, löst das Gate einen optischen und akustischen Alarm aus und protokolliert die Mediennummer. (1 Punkt)
e) Als Bibliotheksausweis soll künftig auch das Smartphone dienen. Zur Wahl stehen ein QR-Code in der Schul-App, der am Terminal gescannt wird, und NFC (das Smartphone emuliert die Ausweiskarte). Beschreibe für beide Verfahren, wie die Information bereitgestellt wird und welche Voraussetzungen Smartphone bzw. Terminal erfüllen müssen. (6 Punkte)
- QR-Code: Die App zeigt einen zweidimensionalen Code aus hellen und dunklen Modulen auf dem Display, der die Ausweisnummer (am besten mit zeitlich begrenzter Gültigkeit) codiert. (2 Punkte) Voraussetzungen: Smartphone mit App und lesbarem Display (Helligkeit); Terminal mit Kamera bzw. 2D-Imager, der auch vom Display liest. (1 Punkt)
- NFC: Das Smartphone wird an das Terminal gehalten; das Terminal erzeugt ein Feld bei 13,56 MHz, das Smartphone antwortet in der Kartenemulation mit der Ausweiskennung über wenige Zentimeter (induktive Kopplung). (2 Punkte) Voraussetzungen: Smartphone mit eingeschalteter NFC-Schnittstelle und App bzw. Wallet, die Kartenemulation unterstützt; Terminal mit NFC-Leser. (1 Punkt)
f) Eine Schülerin befürchtet, man könne mit einem eigenen Lesegerät unbemerkt herausfinden, welche Bücher sie in der Tasche hat. Beschreibe, warum diese Sorge berechtigt ist, und eine Maßnahme dagegen. (3 Punkte)
Passive Transponder antworten jedem Lesegerät in Reichweite, ohne dass die Trägerin es bemerkt; über die Mediennummer lassen sich Titel und damit Interessen ableiten (personenbezogene Rückschlüsse). (2 Punkte)
Maßnahme (1 Punkt), z. B.: auf dem Etikett nur eine bedeutungslose Mediennummer statt Titel speichern, Zuordnung nur in der geschützten Datenbank; HF statt UHF wegen der geringen Reichweite; Lesezugriff auf Sicherungsbereiche mit Passwort schützen.
Aufgabe 2.2: Check-in-Terminals und Handscanner beim Barcamp (Kernkompetenz)
(ca. 24 min Bearbeitungszeit)
Beim Barcamp checken bis zu 400 Teilnehmende im Foyer ein: Ein Handscanner liest den QR-Code der Anmeldebestätigung, das Tablet zeigt den Datensatz, der Badge-Drucker druckt das Namensschild. Svenja Krämer von der Schul-IT OWL plant mit Emre Aksoy die Anbindung.
a) Die Check-in-Tablets bieten Bluetooth, Wi-Fi 6 und NFC. Beurteile die drei Techniken hinsichtlich Reichweite und Datenrate. Verwende die Kategorien „hoch“, „mittel“ und „gering“. (6 Punkte)
| Technik | Reichweite | Datenrate |
|---|---|---|
| Bluetooth | ||
| Wi-Fi 6 | ||
| NFC |
| Technik | Reichweite | Datenrate |
|---|---|---|
| Bluetooth | mittel (ca. 10 m) | mittel |
| Wi-Fi 6 | hoch (einige 10 m) | hoch |
| NFC | gering (wenige cm) | gering |
Je Feld 1 Punkt. Wer BLE-typisch „gering“ für die Datenrate von Bluetooth angibt und begründet, erhält den Punkt ebenfalls.
b) Für das Gäste-WLAN in der Aula stehen 2,4 GHz und 5 GHz zur Wahl. Nenne je zwei Vorteile und zwei Nachteile beider Frequenzbänder. (8 Punkte)
| 2,4 GHz | 5 GHz | |
|---|---|---|
| Vorteile | größere Reichweite; geringere Dämpfung durch Wände und Personen; von nahezu allen Endgeräten unterstützt | höhere Datenrate; viele überlappungsfreie Kanäle, gut für viele Nutzer*innen in einem Raum; weniger Störungen durch Bluetooth, ZigBee, Mikrowellen und Nachbar-WLANs |
| Nachteile | nur drei überlappungsfreie Kanäle; viele Störquellen im selben Band (Bluetooth der Tablets, Badge-Drucker); geringere Datenrate | geringere Reichweite, stärkere Dämpfung; ältere Geräte unterstützen das Band nicht; auf DFS-Kanälen müssen Access Points Radar ausweichen, Kanalwechsel möglich |
Je Nennung 1 Punkt.
c) Emre schlägt vor, die Tablets per WLAN mit dem Check-in-Server zu verbinden. Svenja hat Bedenken. Beschreibe zwei Sicherheitsrisiken, die gegen eine drahtlose Anbindung sprechen. (4 Punkte)
Je 2 Punkte, z. B.:
- Störung bzw. Ausfall: 400 Smartphones im Foyer, andere Funksysteme oder ein gezielter Störsender belasten das Band; fällt das WLAN aus, steht der Check-in (Verfügbarkeit).
- Abhören: Funk ist ein geteiltes Medium; bei schwacher Verschlüsselung können Dritte Teilnehmerdaten mitlesen (Vertraulichkeit).
- Gefälschter Access Point (Rogue AP): Ein Angreifer stellt ein WLAN mit gleicher SSID auf, die Tablets verbinden sich damit (Man-in-the-Middle).
d) Der Handscanner überträgt per Bluetooth an das Tablet. Im englischen Handbuch findest Du:
Transmission modes: In Instant mode (default) the decoded data is sent to the host right after a good read; if the Bluetooth link is lost, the data is discarded. In Buffered mode the data is sent right after a good read as well; if the link is lost, up to 2,000 codes are stored in a FIFO buffer and sent automatically once the link is restored. In Inventory mode all data is stored in the scanner until the user presses the upload button while the scanner is in its cradle.
Im Foyer wurde beobachtet, dass Scans verloren gingen, wenn sich Helfende mit dem Scanner kurz vom Tablet entfernten. Wähle einen geeigneten Modus und begründe Deine Wahl, auch gegenüber den beiden anderen Modi. (4 Punkte)
Gewählt wird der Buffered mode. (1 Punkt) Er überträgt im Normalfall sofort, der Check-in läuft also ohne Verzögerung; reißt die Bluetooth-Verbindung ab, werden die Codes zwischengespeichert und automatisch nachgesendet, es geht nichts verloren. (2 Punkte) Im Instant mode (Standardeinstellung) werden Scans bei Verbindungsverlust verworfen – genau der beobachtete Fehler; der Inventory mode überträgt erst in der Ladeschale und ist für den laufenden Check-in zu langsam. (1 Punkt)
e) Der Badge-Drucker wird per Bluetooth mit dem Tablet gekoppelt. Beschreibe zwei Verfahren, mit denen sich die Geräte dabei authentifizieren können. (4 Punkte)
Je 2 Punkte, z. B.:
- Passkey/PIN: Der Drucker druckt oder zeigt eine sechsstellige Zahl (oder sie steht auf dem Typenschild), die am Tablet eingegeben wird; nur wer den Drucker vor sich hat, kann koppeln.
- Numeric Comparison: Beide Geräte zeigen eine Zahl an, die auf beiden bestätigt wird, wenn sie übereinstimmt.
- Out-of-Band: Das Tablet liest einen QR-Code am Drucker oder koppelt per NFC-Antippen; darüber wird der Schlüssel ausgetauscht.
„Just Works“ ohne Bestätigung ist zwar möglich, schützt aber nicht vor Man-in-the-Middle-Angriffen und wird nicht gewertet.
Aufgabe 3.1: Codes und Scanner im Lager (Profilkompetenz)
(ca. 25 min Bearbeitungszeit)
Im Projekt „Lager 4.0“ der CSB-Rad GmbH in Bielefeld-Sennestadt sind die neuen MDE-Geräte (mobile Datenerfassung) eingetroffen. Cem Sarıkaya bittet Dich, die Geräte zu dokumentieren und die Kennzeichnung im Lager zu prüfen. Mit-Azubi Jonas hilft Dir.
a) Vervollständige die Tabelle mit den technischen Daten des MDE-Geräts, indem Du die fehlenden Kategorien einträgst. (5 Punkte)
| Kategorie | Ausprägung |
|---|---|
| Betriebssystem | Android 14 |
| IP65, 1,8 m Fallhöhe auf Beton | |
| 6 GB RAM / 64 GB Flash | |
| IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax, 2,4 und 5 GHz | |
| WPA2/WPA3 Personal und Enterprise (802.1X, EAP-TLS) | |
| 2D-Imager, Standard Range |
| Kategorie | Ausprägung |
|---|---|
| Betriebssystem | Android 14 |
| Schutzart bzw. Robustheit | IP65, 1,8 m Fallhöhe auf Beton |
| Arbeitsspeicher und Speicher | 6 GB RAM / 64 GB Flash |
| WLAN-Standard | IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax, 2,4 und 5 GHz |
| WLAN-Sicherheit bzw. Verschlüsselung | WPA2/WPA3 Personal und Enterprise |
| Scan-Engine | 2D-Imager, Standard Range |
Je Zeile 1 Punkt.
b) Nenne jeweils zwei Möglichkeiten, wie das MDE-Gerät im PAN drahtlos bzw. kabelgebunden mit anderen Geräten verbunden werden kann. (4 Punkte)
- drahtlos (je 1 Punkt): Bluetooth bzw. BLE (z. B. Etikettendrucker, Headset), NFC (Koppeln, Ausweis lesen), Infrarot.
- kabelgebunden (je 1 Punkt): USB-C, Ladeschale (Cradle) mit USB oder Ethernet, serielle Schnittstelle RS-232.
c) Für die Wareneingangsrampe sollen zusätzlich stationäre Scanner beschafft werden. Du findest bei einem Händler folgenden Text:
Scan engines differ in how they capture a code. Laser scanners and linear imagers read one line of the code; they decode 1D barcodes reliably and at low cost but cannot read 2D codes. Area imagers take a picture of the whole code. They read 1D and 2D codes in any orientation, even from screens, and lead in speed and read accuracy. Companies that expect new code types in the future often accept their higher price.
An der Rampe werden (1) Kartons mit GTIN-13-Barcode der Hersteller und (2) Rahmen mit dem Data-Matrix-Code der Rahmenwerk OWL erfasst. Trage jeweils einen geeigneten Scanner und einen Vorteil dieses Scanners ein. (4 Punkte)
| Code | einzusetzender Scanner | Vorteil |
|---|---|---|
| GTIN-13-Barcode | ||
| Data-Matrix-Code |
| Code | einzusetzender Scanner | Vorteil |
|---|---|---|
| GTIN-13-Barcode | Laserscanner bzw. Linear Imager (Area Imager ebenfalls möglich) | günstig, einfache und bewährte Lösung, liest 1D-Codes zuverlässig |
| Data-Matrix-Code | Area Imager | liest 2D-Codes aus jeder Richtung, schnell und genau, zukunftssicher für weitere Codearten |
Je Feld 1 Punkt. Wird für beide Codes ein Area Imager gewählt, ist als Vorteil z. B. „nur ein Gerätetyp für alle Codes“ zu nennen.
d) Bei der Inventur ließen sich manche Lagerplatz-Etiketten nicht scannen. Beschreibe drei Gründe, die beim Einsatz von Barcodes zu Lesestörungen führen können. (6 Punkte)
Je 2 Punkte, z. B.:
- Das Etikett ist verschmutzt (Kettenfett, Staub), zerkratzt oder eingerissen; da ein Barcode keine Fehlerkorrektur hat, reicht ein beschädigter Strich.
- Zu geringer Kontrast oder Spiegelung, z. B. auf glänzender Folie oder unter einer Lampe in der Halle.
- Der Code ist zu klein gedruckt oder hängt zu hoch im Regal, sodass der Scanner außerhalb seiner Leseentfernung ist.
- Die Ruhezone neben dem Code ist durch ein zweites Etikett verdeckt.
- Der Scanner wird schräg bzw. quer zu den Strichen gehalten.
e) Jonas schlägt vor, die Lagerplatz-Etiketten künftig als QR-Code zu drucken. Nenne zwei Vorteile von QR-Codes gegenüber Barcodes. (2 Punkte)
Je 1 Punkt, z. B.: Fehlerkorrektur (lesbar trotz Beschädigung); aus jeder Richtung lesbar, Scanner muss nicht ausgerichtet werden; mehr Daten auf kleinerer Fläche (z. B. Lagerplatz und Artikel zugleich).
f) An der Rampe ist das WLAN schwach. Die MDE-Geräte übertragen deshalb die Wareneingangsdaten per BLE an eine Basisstation, die sie per LAN weiterleitet. Die nutzbare Nettodatenrate beträgt 0,32 Mbit/s. Ein Wareneingang umfasst 1.200 Positionen mit je 280 Byte. Berechne die Übertragungsdauer in Millisekunden. (6 Punkte)
Geg.: n = 1.200 Datensätze, s = 280\ \text{Byte}, r = 0{,}32\ \text{Mbit/s} = 320.000\ \text{bit/s}
Ges.: Übertragungsdauer t in ms
\begin{aligned} D &= r \cdot t \quad &| :r\\ t &= \frac{D}{r} = \frac{n \cdot s \cdot 8\ \frac{\text{bit}}{\text{Byte}}}{r}\\ t &= \frac{1.200 \cdot 280\ \text{Byte} \cdot 8\ \frac{\text{bit}}{\text{Byte}}}{320.000\ \frac{\text{bit}}{\text{s}}} = \frac{2.688.000\ \text{bit}}{320.000\ \frac{\text{bit}}{\text{s}}} = \frac{42}{5}\ \text{s}\\ t &= 8{,}400\ \text{s} = \underline{\underline{8.400\ \text{ms}}} \end{aligned}
Punkte: Datenmenge in Byte (1), Umrechnung in Bit (1), Datenrate in bit/s (1), Formel bzw. Division (1), Ergebnis in s (1), Umrechnung in ms (1).
Aufgabe 3.2: Funksensoren in Lager und Werkhalle (Profilkompetenz)
(ca. 24 min Bearbeitungszeit)
Die CSB-Rad GmbH und ihr Fertigungspartner Rahmenwerk OWL GmbH in Gütersloh erweitern ihre Sensorik. Ole Petersen, Projektleiter Digitalisierung bei Rahmenwerk OWL, und Cem Sarıkaya lassen Dich die Funkanbindung vergleichen.
a) Ein Händler bietet Sensoren mit WLAN, ZigBee, LoRaWAN und LTE an. Kategorisiere die Übertragungstechniken nach Datenrate und Entfernung. Verwende „+“ für hohe Datenrate bzw. große Entfernung und „–“ für geringe Datenrate bzw. geringe Entfernung. (4 Punkte)
| Übertragungstechnik | Datenrate | Entfernung |
|---|---|---|
| WLAN | ||
| ZigBee | ||
| LoRaWAN | ||
| LTE |
| Übertragungstechnik | Datenrate | Entfernung |
|---|---|---|
| WLAN | + | – |
| ZigBee | – | – |
| LoRaWAN | – | + |
| LTE | + | + |
Je Zeile 1 Punkt. Bei ZigBee ist für die Entfernung auch „+“ mit Hinweis auf das Mesh-Netz vertretbar.
b) Im Akkulager der CSB-Rad sollen weitere batteriebetriebene Temperatur- und Feuchtesensoren installiert werden. Vergleiche WLAN, ZigBee und BLE, indem Du jeweils einen Vor- und einen Nachteil angibst, der für die Vernetzung dieser Sensoren relevant ist. (6 Punkte)
| Funkstandard | Vorteil | Nachteil |
|---|---|---|
| WLAN | hohe Datenrate; vorhandene Access Points nutzbar, direkt im IP-Netz | hoher Energiebedarf, Batterie hält nur kurz |
| ZigBee | geringer Energiebedarf; Mesh-Netz deckt das ganze Lager ab; Gateway OWL-Gate 400 bereits vorhanden | geringe Datenrate; Gateway nötig, nicht direkt mit Smartphones lesbar |
| BLE | sehr geringer Energiebedarf, jahrelanger Betrieb mit Knopfzelle; von Smartphones lesbar | geringe Reichweite, für ein großes Lager mehrere Empfänger nötig |
Je Feld 1 Punkt.
c) In der Werkhalle der Rahmenwerk OWL fahren fahrerlose Transportwagen bis zu 25 m um eine Basisstation herum. Mobile Sensoren an den Wagen laufen mit Akku und müssen ständig Abstandswerte melden. Zur Auswahl stehen BLE, LoRaWAN und NFC. Gib für jeden Standard an, ob er geeignet ist, und begründe. (6 Punkte)
| Standard | Eignung (ja/nein) | Begründung |
|---|---|---|
| BLE | ||
| LoRaWAN | ||
| NFC |
| Standard | Eignung | Begründung |
|---|---|---|
| BLE | ja | ausreichende Reichweite für 25 m und hinreichende Datenrate für laufende Meldungen bei geringem Energiebedarf (Akku) |
| LoRaWAN | nein | für große Entfernungen und seltene, sehr kleine Nachrichten ausgelegt; geringe Datenrate und Duty Cycle verbieten ständiges Senden |
| NFC | nein | Reichweite von wenigen Zentimetern, ungeeignet für 25 m |
Je Zeile 2 Punkte (Eignung und Begründung).
d) An den Montagearbeitsplätzen in Halle 2 sollen Tablets und Messgeräte drahtlos eingebunden werden. Alle Arbeitsplätze haben einen Stromanschluss, die Beschäftigten nutzen ihre Dienst-Smartphones zur Überwachung.
da) Nenne zwei Argumente, die hier für WLAN statt Bluetooth sprechen. (2 Punkte)
db) Gib einen Nachteil an, den WLAN im Vergleich zu Bluetooth im Allgemeinen hat, und begründe, warum er hier nicht zum Tragen kommt. (3 Punkte)
da) Je 1 Punkt, z. B.: Tablets und Dienst-Smartphones können WLAN bereits; höhere Datenrate (z. B. für Montagevideos); größere Reichweite, alle Plätze über wenige Access Points erreichbar; direkte Einbindung ins Firmennetz ohne Kopplung je Gerät.
db) WLAN hat einen deutlich höheren Energiebedarf als Bluetooth. (1 Punkt) Das spielt hier keine Rolle, weil alle Arbeitsplätze und Messgeräte am Stromnetz hängen und die Tablets dort geladen werden können. (2 Punkte)
e) Im 600 m entfernten Rohrlager im Freigelände meldet der Füllstandssensor FS-LAGER-07 per LoRaWAN im Band EU868 an ein Gateway auf dem Hallendach.
ea) Das Band wird auch von Funkalarmanlagen, Smart-Meter-Funk und UHF-RFID der Nachbarbetriebe genutzt. Beschreibe eine mögliche Auswirkung. (2 Punkte)
eb) Eine Nachricht des Sensors belegt den Funkkanal 1,2 s lang. Im genutzten Teilband darf ein Gerät höchstens 1 % der Zeit senden. Berechne, wie viele Nachrichten der Sensor pro Stunde höchstens senden darf. (3 Punkte)
ea) Überlagern sich die Signale (Interferenz), gehen Nachrichten verloren oder kommen verfälscht an; die Messwerte fehlen bzw. müssen wiederholt werden, im ungünstigen Fall fällt die Übertragung zeitweise aus. (2 Punkte)
eb)
Geg.: Sendedauer je Nachricht t_N = 1{,}2\ \text{s}, Duty Cycle d = 1\ \% = 0{,}01, Zeitraum T = 1\ \text{h} = 3.600\ \text{s}
Ges.: höchste Anzahl n Nachrichten pro Stunde
\begin{aligned} n \cdot t_N &= d \cdot T \quad &| :t_N\\ n &= \frac{d \cdot T}{t_N} = \frac{0{,}01 \cdot 3.600\ \text{s}}{1{,}2\ \text{s}} = \frac{36\ \text{s}}{1{,}2\ \text{s}}\\ n &= \underline{\underline{30\ \text{Nachrichten pro Stunde}}} \end{aligned}
Punkte: zulässige Sendezeit 36 s (1), Ansatz bzw. Division (1), Ergebnis (1).
Aufgabe 3.3: Schloss, Tracker und Abstellzone vernetzter Lastenräder (Profilkompetenz)
(ca. 32 min Bearbeitungszeit)
Die CSB-Rad GmbH liefert dem Zweckverband Radwege OWL zwölf Dienst-Lastenräder mit „CSB-Rad Connect“: Das Rahmenschloss öffnet per Bluetooth Low Energy mit der Dienstrad-App oder ersatzweise per NFC-Dienstausweis, der Diebstahl-Tracker RadTrack 868 meldet seine Position per LoRaWAN. Michael Hartmann vom Fuhrpark des Zweckverbands hat Fragen, die Du für Cem Sarıkaya beantwortest.
a) Erläutere die Funktionsweise von NFC, RFID und LoRaWAN. (9 Punkte)
Je Technik 3 Punkte:
- NFC (Near Field Communication): Eine Spulenantenne des aktiven Geräts erzeugt bei 13,56 MHz ein Magnetfeld; Gerät und Karte bzw. Tag tauschen über induktive Kopplung auf wenigen Zentimetern Daten aus. Ein passiver Tag wird dabei über das Feld mit Energie versorgt. NFC baut auf HF-RFID auf und ermöglicht zusätzlich Kartenemulation und Peer-to-Peer.
- RFID (Radio-Frequency Identification): System aus Transponder (Chip mit Speicher und Antenne am Objekt), Lesegerät und Software. Das Lesegerät sendet ein Feld, der Transponder antwortet mit seiner Kennung (bei passiven Tags mit Energie aus dem Feld, bei UHF durch Rückstreuung); so werden Objekte berührungslos und ohne Sichtkontakt identifiziert.
- LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): Endgeräte senden mit dem LoRa-Funkverfahren (gespreizte Chirps, sehr robust) in lizenzfreien Bändern (in Europa 868 MHz) an Gateways in Reichweite. Diese leiten die Nachrichten per Internet an einen Netzwerkserver und von dort an den Anwendungsserver weiter (Sterntopologie); große Reichweite bei sehr geringer Datenrate und sehr geringem Energiebedarf.
b) Beschreibe für jede der drei Techniken einen Anwendungsfall rund um CSB-Rad Connect und nenne die Art der Energieversorgung des Geräts am Objekt. (6 Punkte)
| Technik | Anwendungsfall | Art der Energieversorgung |
|---|---|---|
| NFC | ||
| RFID | ||
| LoRaWAN |
| Technik | Anwendungsfall | Art der Energieversorgung |
|---|---|---|
| NFC | Rahmenschloss mit dem Dienstausweis öffnen, wenn das Smartphone leer ist | Ausweis ist passiv, wird vom Feld des NFC-Lesers im Schloss versorgt; das Schloss selbst läuft mit Knopfzelle bzw. Fahrradakku |
| RFID | Rahmen werden bei der Rahmenwerk OWL per UHF-RFID am Förderband verfolgt bzw. Rad in der Abstellzone erkannt | passives Etikett ohne Batterie (Energie aus dem Lesefeld); für große Distanzen aktiver Tag mit Batterie |
| LoRaWAN | RadTrack 868 meldet alle 15 min die Position des Rads | eigene Batterie (3.400 mAh), sehr geringer Verbrauch, bis zu drei Jahre Laufzeit |
Je Zeile 2 Punkte (Anwendungsfall 1, Energieversorgung 1).
c) Beschreibe die Funktionsweise aktiver und passiver NFC-Geräte und nenne für beide ein Beispiel aus diesem Projekt. (4 Punkte)
- Aktive NFC-Geräte erzeugen selbst ein Feld, bauen eigenständig Verbindungen auf und können senden und empfangen. Beispiele: NFC-Leser im Rahmenschloss, Dienst-Smartphone. (2 Punkte)
- Passive NFC-Geräte haben keine eigene Energie, werden vom Feld des aktiven Geräts versorgt und können nur antworten. Beispiel: NFC-Dienstausweis (Chipkarte), NFC-Aufkleber am Rad mit Link zur Schadensmeldung. (2 Punkte)
d) An der Außenstelle Halle sollen die Räder nur in einer markierten Abstellzone abgestellt werden können; erst dann lässt sich die Buchung beenden. Das Lesegerät sitzt im Technikraum, 30 m von der Abstellzone entfernt. Die Räder erhalten RFID-Tags.
da) Erläutere, wie die Ortung mit RFID hier funktioniert. (3 Punkte)
db) Entscheide, ob passive oder aktive Tags geeignet sind, und begründe. (3 Punkte)
da) Die Antenne des Lesegeräts deckt die Abstellzone als Lesezone ab. Steht ein Rad in der Zone, empfängt das Lesegerät die Kennung seines Tags (bei mehreren Antennen ggf. mit Signalstärke). (2 Punkte) Die Software meldet der Dienstrad-App, dass das Rad mit dieser Kennung in der Zone steht, und gibt das Beenden der Buchung frei. (1 Punkt)
db) Es sind aktive Tags nötig. (1 Punkt) Passive Tags erreichen höchstens einige Meter, weil sie ihre Energie aus dem Feld des Lesegeräts beziehen; für 30 m braucht der Tag eine eigene Batterie und einen eigenen Sender. (2 Punkte) Alternative mit Begründung ebenfalls richtig: Lesegerät bzw. Antenne direkt an der Abstellzone montieren, dann genügen passive UHF-Tags.
e) Michael Hartmann fragt, warum der RadTrack 868 einen GPS-Empfänger hat, obwohl LoRaWAN doch die Position kennt. Begründe, warum LoRaWAN allein für eine präzise Ortung nicht geeignet ist. (4 Punkte)
LoRaWAN kann eine Position nur aus den empfangenden Gateways bzw. den Laufzeitunterschieden schätzen; die Genauigkeit liegt bei einigen 10 bis mehreren 100 Metern und setzt mehrere Gateways in Reichweite voraus – auf dem Land oder in einer Tiefgarage oft nicht gegeben. (2 Punkte) Für die Suche nach einem gestohlenen Rad muss die Position auf wenige Meter bekannt sein; das leistet ein Satellitenempfänger (GPS, Galileo). LoRaWAN überträgt dann nur die ermittelten Koordinaten. (2 Punkte)
f) Cem Sarıkaya überlegt, den Tracker künftig mit NB-IoT statt LoRaWAN zu bauen. Erörtere je einen Aspekt, der für bzw. gegen LoRaWAN spricht. (4 Punkte)
- Für LoRaWAN (2 Punkte), z. B.: keine SIM-Karte und keine monatlichen Mobilfunkgebühren; sehr geringer Energiebedarf, jahrelanger Batteriebetrieb; eigene Gateways an den Außenstellen möglich.
- Gegen LoRaWAN (2 Punkte), z. B.: Netz nicht überall verfügbar, eigene Gateways nötig; sehr geringe Datenrate; der Duty Cycle verhindert einen Alarmmodus mit häufigen Positionsmeldungen; NB-IoT nutzt das vorhandene Mobilfunknetz und dringt gut in Tiefgaragen ein.
g) Im Normalbetrieb sendet der Tracker alle 15 Minuten eine Positionsmeldung mit 11 Byte Nutzdaten. Berechne die Nutzdatenmenge eines Trackers in 30 Tagen in KiB. (2 Punkte)
Geg.: s = 11\ \text{Byte} je Meldung, 4 Meldungen pro Stunde, 30 Tage
Ges.: Datenmenge D in KiB
\begin{aligned} D &= n \cdot s = 4\ \frac{1}{\text{h}} \cdot 24\ \frac{\text{h}}{\text{d}} \cdot 30\ \text{d} \cdot 11\ \text{Byte} = 2.880 \cdot 11\ \text{Byte} = 31.680\ \text{Byte}\\ D &= \frac{31.680\ \text{Byte}}{1.024\ \frac{\text{Byte}}{\text{KiB}}} = \frac{495}{16}\ \text{KiB} \approx \underline{\underline{30{,}938\ \text{KiB}}} \end{aligned}
Punkte: Anzahl der Meldungen und Datenmenge in Byte (1), Umrechnung in KiB (1).
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Artikel: Funk- und Identifikationstechniken
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