淺談NFC架構(gòu)與運(yùn)作模式，開拓?zé)o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(cè)血糖值，而且最讓他們反感的就是必須定期重復(fù)這項(xiàng)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厘米以內(nèi)或直接碰觸的裝置之間傳送數(shù)據(jù)的射頻協(xié)議。現(xiàn)在Android操作系統(tǒng)的智能型手機(jī)和平板電腦都開始支持NFC，因此未來NFC的應(yīng)用有望大量普及。

例如，目前已有醫(yī)學(xué)設(shè)備制造商開始進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將微型NFC血糖傳感器植入糖尿病患者皮下，再把搭載Android專用應(yīng)用程序的智能手機(jī)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(jī)設(shè)備不僅可以將讀取的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送給患者的主治醫(yī)師，程序還可以通過設(shè)定，定時(shí)提醒患者做檢測(cè)，或者當(dāng)患者沒有定期檢測(cè)，傳感器也會(huì)通知醫(yī)護(hù)人員。

NFC傳感器非常適合這類應(yīng)用，主要是由于以下原因：

* 無需外部電源，因?yàn)閭鞲衅鹘涌谀芙栌肗FC閱讀器射頻發(fā)射的電量。

* 快速且便利，因?yàn)閭鞲衅骺梢詫?shí)時(shí)自動(dòng)與主機(jī)設(shè)備配對(duì)。

* 尺寸較小。

* 價(jià)格低廉。

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

NFC傳感器架構(gòu)

NFC傳感器是一種RFID標(biāo)簽，結(jié)合可調(diào)節(jié)和傳感器輸入信號(hào)數(shù)字化的傳感器接口。NFC傳感器不僅和其他RFID標(biāo)簽一樣有可供查驗(yàn)物品來源的獨(dú)特程序識(shí)別碼，還能檢測(cè)物品所在的環(huán)境條件(圖1)，或是生理學(xué)數(shù)據(jù)。

圖1：NFC傳感器可用于監(jiān)測(cè)物品的保存狀態(tài)并查看程序識(shí)別碼

將傳感器所收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)簽并不會(huì)改變基本的通訊方法：當(dāng)一臺(tái)RFID閱讀器或一臺(tái)搭載NFC專用應(yīng)用程序的智能手機(jī)接近標(biāo)簽時(shí)，就可讀取程序識(shí)別碼和傳感器數(shù)據(jù)。

還有其他建立無線傳感的方法，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線通信。

NFC傳感器可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)更靈活的電源管理方法。事實(shí)上，對(duì)于相對(duì)低數(shù)據(jù)傳輸率和短程應(yīng)用而言，NFC是非常吸引人的技術(shù)：

* NFC在兩臺(tái)設(shè)備之間的互動(dòng)直觀而簡(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(tǒng)則需要更長(zhǎng)時(shí)間。

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

* NFC應(yīng)用的系統(tǒng)成本較低，因?yàn)槠渲邪吮萙igBee、Bluetooth Low Energy等其他無線傳感更簡(jiǎn)單的技術(shù)。

* 由于NFC通過近場(chǎng)耦合(near-field coupling)運(yùn)作，因此不會(huì)有數(shù)據(jù)遭竊取或信號(hào)被干擾的情形。

* NFC系統(tǒng)可依附于現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，只需要一臺(tái)搭載專用應(yīng)用程序的主機(jī)設(shè)備就可運(yùn)作。

在無電池的完全被動(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(zhǎng)期自主監(jiān)測(cè)的應(yīng)用下單獨(dú)運(yùn)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(yīng)標(biāo)簽在生命周期內(nèi)可能會(huì)歷經(jīng)兩種模式：先執(zhí)行半被動(dòng)模式，直到電池耗盡之后轉(zhuǎn)為被動(dòng)模式。(數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器里，因此即使沒有供應(yīng)電力仍可保存。)

完全被動(dòng)運(yùn)作模式

RFID系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理是標(biāo)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(dāng)采集到的電量不足以驅(qū)動(dòng)傳感器，例如標(biāo)簽的天線較小或者離閱讀器較遠(yuǎn)，也能在充電前將電量?jī)?chǔ)存在小型電容器里，以增加少量的輔助電源，并于測(cè)量時(shí)放電。

全被動(dòng)運(yùn)作模式下的NFC傳感器使設(shè)計(jì)工程師能夠盡情發(fā)揮想象力去開發(fā)新的應(yīng)用。理論上，標(biāo)簽沒有使用期限，也無需線路連接，因此這些感應(yīng)標(biāo)簽也可以嵌入墻壁結(jié)構(gòu)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水管或污水管的位置，我們就可以提早偵測(cè)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。

半被動(dòng)運(yùn)作模式

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

因?yàn)閺碾姵丶橙〉碾娏魑⑿〉娇梢院雎圆挥?jì)，所以使用者控制的半被動(dòng)感應(yīng)標(biāo)簽大多數(shù)時(shí)間處于近乎休眠的狀態(tài)。通常只有當(dāng)傳感器偵測(cè)到閱讀器射頻或NFC裝置射頻時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)功能與測(cè)量。

用于長(zhǎng)期自主監(jiān)測(cè)應(yīng)用的獨(dú)立式半被動(dòng)感應(yīng)標(biāo)簽被稱為數(shù)據(jù)記錄器(data logger)。數(shù)據(jù)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(yīng)。這類應(yīng)用需要由電池供應(yīng)一般為2?A的連續(xù)電流支持RTC或執(zhí)行事件觸發(fā)式喚醒(event-triggered wake-up)。這種“狀態(tài)監(jiān)控”NFC感應(yīng)標(biāo)簽可以嵌入那些在運(yùn)送過程中需要特別留意的貨物。NFC閱讀器在供應(yīng)鏈的終端檢查感應(yīng)標(biāo)簽，如果運(yùn)送途中貨品出現(xiàn)狀況，感應(yīng)標(biāo)簽就會(huì)發(fā)出預(yù)警。此外，傳感器能記錄時(shí)間數(shù)據(jù)，因此能提供詳細(xì)的事件記錄。

NFC感測(cè)應(yīng)用

SL13A單芯片是符合NFC-V (ISO15693)標(biāo)準(zhǔn)的NFC感測(cè)轉(zhuǎn)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(yīng)標(biāo)簽可以在全被動(dòng)和半被動(dòng)模式下運(yùn)作。若要單芯片RTC觸發(fā)自主數(shù)據(jù)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NFC功能的智能手機(jī)提供時(shí)間戳記，傳感器運(yùn)作所需的電源則是來自采集閱讀器電場(chǎng)的電量。另外，傳感器所記錄下的數(shù)據(jù)都會(huì)被儲(chǔ)存在單芯片 EEPROM上并以密碼保護(hù)，這樣可以預(yù)防數(shù)據(jù)遭竄改或非法使用。

SL13A可以支持多種需要傳感器采集數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，以下我們簡(jiǎn)單提出幾個(gè)可能的應(yīng)用情境。

供應(yīng)鏈保存期限預(yù)警 – 商品運(yùn)送、儲(chǔ)藏狀態(tài)以及環(huán)境條件等都可以由SL13A檢測(cè)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(yīng)，影響它們的保存期限。有些感應(yīng)標(biāo)簽包含動(dòng)態(tài)計(jì)算庫(kù)存生命周期的算法，能在到期時(shí)發(fā)出預(yù)警。

建筑物監(jiān)測(cè) - 將SL13A和適合的傳感器嵌入建筑物、橋梁和高架橋等結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以記錄溫度、濕度、壓力與振幅等數(shù)據(jù)，然后再通過一臺(tái)NFC閱讀器傳送數(shù)據(jù)。

醫(yī)護(hù) - 整合配藥機(jī)和藥品包裝的感應(yīng)標(biāo)簽可以記錄服藥的時(shí)間，讓醫(yī)療人員能夠追蹤患者是否按時(shí)遵照處方服藥。

過程控制 - 感應(yīng)標(biāo)簽可以用來控制工廠自動(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(cè) - SL13A感應(yīng)標(biāo)簽可以與具備無線連接，例如WLAN或GSM的設(shè)備整合，能追蹤和監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)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商推出功能完整的傳感器標(biāo)簽，在已經(jīng)發(fā)展成熟的通訊協(xié)議上執(zhí)行，提供精準(zhǔn)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(biāo)簽的應(yīng)用充滿了無限的可能。未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師究竟能讓它發(fā)揮多大的潛能?讓我們拭目以待。