淺談NFC架構與運作模式，開(kāi)拓無(wú)限創(chuàng )新可能

全球約有3.66億糖尿病患者，其中有許多糖尿病患者必須以刺破皮膚引流血液的方式定期自我檢測血糖值，而且最讓他們反感的就是必須定期重復這項檢查。

如果射頻技術(shù)發(fā)展到可以讓病患不需要抽血呢?近距離射頻通訊技術(shù) (Near field communications; NFC) 是一種能在相距10厘米以?xún)然蛑苯优鲇|的裝置之間傳送數據的射頻協(xié)議?，F在A(yíng)ndroid操作系統的智能型手機和平板電腦都開(kāi)始支持NFC，因此未來(lái)NFC的應用有望大量普及。

例如，目前已有醫學(xué)設備制造商開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗，將微型NFC血糖傳感器植入糖尿病患者皮下，再把搭載Android專(zhuān)用應用程序的智能手機或平板電腦靠近傳感器所植入的部位，就能隨時(shí)讀取患者的血糖值。

主機設備不僅可以將讀取的數據自動(dòng)傳送給患者的主治醫師，程序還可以通過(guò)設定，定時(shí)提醒患者做檢測，或者當患者沒(méi)有定期檢測，傳感器也會(huì )通知醫護人員。

NFC傳感器非常適合這類(lèi)應用，主要是由于以下原因：

* 無(wú)需外部電源，因為傳感器接口能借用NFC閱讀器射頻發(fā)射的電量。

* 快速且便利，因為傳感器可以實(shí)時(shí)自動(dòng)與主機設備配對。

* 尺寸較小。

* 價(jià)格低廉。

由于具備以上優(yōu)勢，這種新型NFC傳感器除了可以發(fā)展可植入式血糖機，其實(shí)還可以廣泛運用于許多其他領(lǐng)域。

NFC傳感器架構

NFC傳感器是一種RFID標簽，結合可調節和傳感器輸入信號數字化的傳感器接口。NFC傳感器不僅和其他RFID標簽一樣有可供查驗物品來(lái)源的獨特程序識別碼，還能檢測物品所在的環(huán)境條件(圖1)，或是生理學(xué)數據。

圖1：NFC傳感器可用于監測物品的保存狀態(tài)并查看程序識別碼

將傳感器所收集的數據傳輸到標簽并不會(huì )改變基本的通訊方法：當一臺RFID閱讀器或一臺搭載NFC專(zhuān)用應用程序的智能手機接近標簽時(shí)，就可讀取程序識別碼和傳感器數據。

還有其他建立無(wú)線(xiàn)傳感的方法，例如將傳感器附加在物品上、由微控制器和射頻收發(fā)器與傳感器建立連接，或是在智能傳感器和閱讀器之間建立無(wú)線(xiàn)通信。

NFC傳感器可以簡(jiǎn)化系統設計，也可以實(shí)現更靈活的電源管理方法。事實(shí)上，對于相對低數據傳輸率和短程應用而言，NFC是非常吸引人的技術(shù)：

* NFC在兩臺設備之間的互動(dòng)直觀(guān)而簡(jiǎn)單，只要短暫接觸即可。

* 不到一秒就可以建立NFC連接，而其他系統則需要更長(cháng)時(shí)間。

* NFC功率需求低，而且支持非常長(cháng)的電池壽命，支持無(wú)電池工作。

* NFC應用的系統成本較低，因為其中包含了比ZigBee、Bluetooth Low Energy等其他無(wú)線(xiàn)傳感更簡(jiǎn)單的技術(shù)。

* 由于NFC通過(guò)近場(chǎng)耦合(near-field coupling)運作，因此不會(huì )有數據遭竊取或信號被干擾的情形。

* NFC系統可依附于現有的基礎設施，只需要一臺搭載專(zhuān)用應用程序的主機設備就可運作。

在無(wú)電池的完全被動(dòng)模式下，NFC傳感器可以從閱讀器的射頻采集電量，再供電給傳感器接口和射頻傳輸。在有電池輔助的半被動(dòng)模式下，NFC傳感器則可在需要長(cháng)期自主監測的應用下單獨運作。另外，它也可以為傳感器提供人為控制的電源。

一個(gè)感應標簽在生命周期內可能會(huì )歷經(jīng)兩種模式：先執行半被動(dòng)模式，直到電池耗盡之后轉為被動(dòng)模式。(數據被儲存在非易失性存儲器里，因此即使沒(méi)有供應電力仍可保存。)

完全被動(dòng)運作模式

RFID系統運行的基本原理是標簽從閱讀器的電場(chǎng)采集所需電量。在NFC傳感器中，采集到的電量，一般為電壓3.3V，電流4mA，也可以供給傳感器。即使當采集到的電量不足以驅動(dòng)傳感器，例如標簽的天線(xiàn)較小或者離閱讀器較遠，也能在充電前將電量?jì)Υ嬖谛⌒碗娙萜骼?，以增加少量的輔助電源，并于測量時(shí)放電。

全被動(dòng)運作模式下的NFC傳感器使設計工程師能夠盡情發(fā)揮想象力去開(kāi)發(fā)新的應用。理論上，標簽沒(méi)有使用期限，也無(wú)需線(xiàn)路連接，因此這些感應標簽也可以嵌入墻壁結構和密封產(chǎn)品。試想如果建筑師將新型NFC濕度傳感器嵌入房子的墻壁或地板接近自來(lái)水管或污水管的位置，我們就可以提早偵測到漏水，而不會(huì )像今天這樣，直到房屋多處被損壞時(shí)才能察覺(jué)。

半被動(dòng)運作模式

半被動(dòng)標簽包含能夠支持標簽和傳感器運作的電源(通常是電池)。它的數據傳輸方式與一般被動(dòng)標簽一樣，采用閱讀器放射的背向散射電源(backscattered power)。

因為從電池汲取的電流微小到可以忽略不計，所以使用者控制的半被動(dòng)感應標簽大多數時(shí)間處于近乎休眠的狀態(tài)。通常只有當傳感器偵測到閱讀器射頻或NFC裝置射頻時(shí)，才會(huì )啟動(dòng)功能與測量。

用于長(cháng)期自主監測應用的獨立式半被動(dòng)感應標簽被稱(chēng)為數據記錄器(data logger)。數據記錄器可以由外部事件啟動(dòng)，或由一個(gè)整合式即時(shí)時(shí)脈(real-time clock; RTC)定期觸發(fā)回應。這類(lèi)應用需要由電池供應一般為2?A的連續電流支持RTC或執行事件觸發(fā)式喚醒(event-triggered wake-up)。這種“狀態(tài)監控”NFC感應標簽可以嵌入那些在運送過(guò)程中需要特別留意的貨物。NFC閱讀器在供應鏈的終端檢查感應標簽，如果運送途中貨品出現狀況，感應標簽就會(huì )發(fā)出預警。此外，傳感器能記錄時(shí)間數據，因此能提供詳細的事件記錄。

NFC感測應用

SL13A單芯片是符合NFC-V (ISO15693)標準的NFC感測轉發(fā)器(transponder) (圖2)， 不僅能提供NFC傳感器所需要的電量采集能力、一個(gè)傳感器接口、電源管理電路和一個(gè)RTC，還嵌入了一個(gè)溫度傳感器。

圖2：奧地利微電子SL13A NFC傳感器方塊圖

這個(gè)感應標簽可以在全被動(dòng)和半被動(dòng)模式下運作。若要單芯片RTC觸發(fā)自主數據登錄，就需要以電池供電。在被動(dòng)模式下則由閱讀器或具備N(xiāo)FC功能的智能手機提供時(shí)間戳記，傳感器運作所需的電源則是來(lái)自采集閱讀器電場(chǎng)的電量。另外，傳感器所記錄下的數據都會(huì )被儲存在單芯片 EEPROM上并以密碼保護，這樣可以預防數據遭竄改或非法使用。

SL13A可以支持多種需要傳感器采集數據和無(wú)線(xiàn)數據傳輸的應用，以下我們簡(jiǎn)單提出幾個(gè)可能的應用情境。

供應鏈保存期限預警 – 商品運送、儲藏狀態(tài)以及環(huán)境條件等都可以由SL13A檢測和記錄。食品、飲料和藥品等易腐品會(huì )因溫度變化而產(chǎn)生化學(xué)反應，影響它們的保存期限。有些感應標簽包含動(dòng)態(tài)計算庫存生命周期的算法，能在到期時(shí)發(fā)出預警。

建筑物監測 - 將SL13A和適合的傳感器嵌入建筑物、橋梁和高架橋等結構內，可以記錄溫度、濕度、壓力與振幅等數據，然后再通過(guò)一臺NFC閱讀器傳送數據。

醫護 - 整合配藥機和藥品包裝的感應標簽可以記錄服藥的時(shí)間，讓醫療人員能夠追蹤患者是否按時(shí)遵照處方服藥。

過(guò)程控制 - 感應標簽可以用來(lái)控制工廠(chǎng)自動(dòng)化程序中每道步驟的程序和質(zhì)量，這比成品的最終質(zhì)量保證程序更高效

遙測 - SL13A感應標簽可以與具備無(wú)線(xiàn)連接，例如WLAN或GSM的設備整合，能追蹤和監測遠處物品或周邊環(huán)境。

目前市場(chǎng)中已有奧地利微電子等廠(chǎng)商推出功能完整的傳感器標簽，在已經(jīng)發(fā)展成熟的通訊協(xié)議上執行，提供精準的傳感器接口，將多重電子功能整合到一顆單芯片上，這個(gè)新型傳感器標簽的應用充滿(mǎn)了無(wú)限的可能。未來(lái)的系統設計師究竟能讓它發(fā)揮多大的潛能?讓我們拭目以待。