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全被动/半被动模式皆可运作 NFC感测标签应用广阔

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  近距离无线通讯(NFC)技术具备低功耗、配对简易与资料安全性高等特色,发展前景备受看好,而芯片商推出的新一代NFC感测器标签,无论在无电池的完全被动,或有电池辅助的半被动模式下,皆可顺利运作,更可扩大该技术的应用范畴。

  全球约有三亿六千六百万位糖尿病患者,其中有许多糖尿病患者必须以刺破皮肤引流血液的方式,定期自我检测血糖值,而且最让他们反感的就是必须定期重复这项检测。

  如果射频(RF)技术发展成熟到可以让病患不须要抽血呢?近距离无线通讯(NFC)是一种能在相隔10公分以内近距离,或直接碰触装置以传送数据资料的射频协定。现在Android操作系统的智慧型手机和平板电脑都开始支持NFC,因此未来NFC的应用有望大量普及。

  例如,目前已有医学设备製造商开始进行相关实验,将微型NFC-enabled血糖感测器植入糖尿病患者皮下,再把搭载Android专用应用程序的智慧型手机或平板电脑靠近感测器所植入的部位,就能随时读取病患的血糖值。主机装置不仅可以将读取的数据资料自动传送给病患的主治医师,程序还可以透过设定,定时提醒病患做检测,或者当病患没有定期检测时,感测器也会通知医护人员。

  NFC感测器非常适合这类应用,主要是因为以下原因--首先,它不需要外部电源,因为感测器界面能借用NFC读取器射频发射的电量,此外NFC感测应用快速且便利,因为感测器可以即时自动与主机装置配对,最后此类应用尺寸小也便宜。由于具备以上优势,新型NFC感测器除能发展可植入式血糖机,其实还可以广泛运用到许多其他领域上。

  NFC感测应用方便又省电

  NFC 感测器是一种RFID)标签,结合可调节和感测器输入讯号数位化的感测器介面。NFC感测器不仅和其他RFID标签一样有可供查验物品来源的独特程序识别码,还能检测物品所在的环境条件,或是生理学数据资料。 将感测器所收集的数据资料传输到标签并不会改变基本的通讯方法:当一台RFID读取器或一支搭载NFC-enabled专用应用程序的智慧型手机接近标签时,就可读取程序识别码和感测器数据。

  还有其他建立无线感测的方法,例如将感测器附加在物品上、由微控制器(MCU)和射频收发器与感测器建立界面,或是在智慧型感测器和读取器间设定无线通讯。

  NFC感测器可以简化系统设计,也可以做到更弹性的电源管理。事实上,对于相对低数据传输率和短程应用而言,NFC是非常吸引人的技术,主要塬因如下:

  .NFC在两台装置间的互动直觉简单,只要短暂接触即可。

  .不到1秒就可以建立NFC连结,而其他系统则需要更长时间。

  .NFC功率需求低且支援非常长的电池寿命,运作时根本不需电池。

  .NFC应用系统成本较低,因为它比其他ZigBee或蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy)等无线连结技术还简单。

  .NFC是透过近场耦合(Near-field Coupling)运作,不会有资料遭窃取或讯号被干扰的情形。

  .NFC系统可以搭载于既有的基础设施,只需要一台搭载专用应用程式的主机装置就可运作。

  在无电池的完全被动模式下,NFC感测器可以从读取器的射频採集电量,再供电给感测器介面和传输射频。在有电池辅助的半被动模式下,NFC感测器则可在须要长期自主监测的应用下单独运作。另外,它也可以为感测器提供人为控制的电源。

  一个感应标签在生命週期内可能会历经两种模式:先执行半被动模式,直到电池耗尽之后转为被动模式。数据资料储存在非挥发性记忆体,因此即使没有供应电力仍可保存。

  完全被动运作模式

  RFID 系统的基本运作原则是标签从读取器的电场採集所需电量。在NFC感测器中,採集到的电量一般约4毫安培(mA)3.3伏特(V),也可以供给感测器。即使当採集到的电量不足以驱动感测器,例如标签的天线较小或者离读取器较远,也能在充电前,将电量储存在小型电容器裡,以增加少量的辅助电源,并于测量时放电。

  全被动运作模式下的NFC感测器更能灵活地应用在生活中的各个角落,未来,设计工程师应尽可能发挥想像力去开发新的应用方法。标签不仅理论上没有使用期限,也不须连接线路,因此这些感应标签也可以嵌入墙壁结构和密封产品等。我们可以想像建筑师将新型NFC湿度感测器嵌入房子的墙壁或地板接近自来水管或污水管的位置,这样就可以提早侦测到漏水,而不会像现今迟至房屋结构多处损坏时才能察觉。

  半被动运作模式

  半被动标签有能够支援标签和感测器运作的电源(通常是电池)。它的数据传输方式与一般被动标签一样,是採用读取器放射的背向散射电源 (Backscattered Power)。因为从电池汲取的电流微小到可以忽略不计,所以使用者控制的半被动感应标签,大多数时间都是处于近乎休眠的状态,通常是当它侦测到读取器射频或NFC装置射频的时候,才启动功能与量测。

  使用于长期自主监测应用的独立式半被动感应标签称为数据纪录器(Data Logger)。数据纪录器可以藉由外部事件启动数据纪录器,或者藉由一个整合式即时时脉(Real-time Clock, RTC)定期触发回应。这类应用须要由电池供应一般为2微安培(μA)的连续电流支援RTC或执行事件触发式唤醒(Event-triggered Wake-up)。这种「状态监控」NFC感应标签可以嵌入那些在运送过程中须要特别留意的货物。在供应链的终端由一台NFC读取器检查感应标签,在运送途中货品若出状况感应标签就会发出预警。此外,因为感测器能记录时间数据,因此能提供详细的事件纪录。

  图1是符合NFC-V(ISO15693)标準的NFC感测转发器(Transponder)单芯片,不仅能提供NFC感测器所需要的电量採集能力、一个感测器介面、电源管理电路和一个RTC,还嵌入一个温度感测器。

NFC-enabled感测器方块图

图1NFC-enabled感测器方块图

  这个感应标签可以在全被动和半被动模式下运作。若要单芯片RTC触发自主数据登录,就须要以电池供电。在被动模式下则由读取器或具备NFC功能的智慧型手机提供时间戳记,感测器运作所需的电源则来自採集读取器电场的电量。另外,感测器所登录的数据资料,都会储存在单芯片电子式可清除可编程唯读记忆体 (EEPROM)上并以密码保护,这样可以预防数据遭窜改或非法使用。

  NFC感测转发器可支援多种需要感测器採集数据和无线数据传输的应用,以下简单提出几个可能的应用情境。

  .供应链保存期限预警

  商品运送、储藏状态以及环境条件等都可以由NFC感测器检测和记录。食品、饮料和药品等易腐品,会因温度变化而产生化学反应,影响它们的保存期限长短。有些感应标签包含可以动态计算库存生命週期的演算法,能在到期时发出预警。

  .建筑物监测

  将NFC感测转发器和适合的感测器嵌入建筑物、桥梁和高架桥等结构内,可以记录温度、湿度、压力与振幅等资料,然后再透过一台NFC读取器传送数据资料。

  .医护

  整合配药机和药品包装的感应标签,可以记录服药的时间,让医疗人员能够追踪病患是否按时遵照处方服药。

  .程序控制

  感应标签可以用来控制工厂自动化程序中每道步骤的程序和品质,这比成品的最终品质保证程序更有效率。

  .遥测

  NFC感应标签可以与具备无线连接,例如无线区域网路(WLAN)或全球行动通讯系统(GSM)的设备整合,能追踪和监测远处物品或周边环境。

  目前市场中已有芯片商推出功能完整的感测器标签,在已经发展成熟的通讯协定上执行,提供正确精準的感测器介面,将多重电子功能整合到一颗单芯片上,这个新型感测器标签的应用有无限可能。(本文作者为奥地利微电子电源与无线技术部资深行销经理)

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