一文解析支持 NFC 的傳感器架構(gòu)

　　糖尿病是一種使人衰弱的疾病，全世界約有 3.66 億人患有糖尿病。今天的治療要求患者定期自我測量血糖水平，通過穿刺皮膚抽血來完成。這是一個痛苦的過程，并且不斷重復(fù)，會加劇患者的痛苦。

　　那么，如果經(jīng)過驗證的射頻技術(shù)可以消除抽血的需要呢？近場通信 （NFC） 是一種射頻協(xié)議，用于在靠近或接觸（相距 《10 厘米）的設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。由于 Android 操作系統(tǒng)在智能手機(jī)和平板電腦中對它的支持，它現(xiàn)在已準(zhǔn)備好大規(guī)模采用。

　　例如，現(xiàn)在醫(yī)療設(shè)備制造商正在研究在糖尿病患者皮膚下立即植入一個支持 NFC 的微型血糖傳感器的可能性。然后，只需將運行專用應(yīng)用程序的 Android 手機(jī)或平板電腦放在植入物旁邊，即可隨時讀取傳感器。

　　主機(jī)設(shè)備可以將讀數(shù)自動上傳給患者的醫(yī)生。還可以對其進(jìn)行編程，以提醒患者定期閱讀，并在患者未能進(jìn)行預(yù)定閱讀時提醒醫(yī)務(wù)人員。

　　支持 NFC 的傳感器非常適合此應(yīng)用，因為：

　　它不需要外部電源，因為傳感器接口使用從 NFC 讀取器傳入的射頻發(fā)射收集的能量運行

　　快速方便，因為傳感器會立即自動與主機(jī)設(shè)備配對

　　它很小

　　很便宜

　　這個植入式血糖測量示例展示了這種新型 NFC 傳感器的前景——但事實上，這種設(shè)備類型能夠在許多市場領(lǐng)域的數(shù)百種應(yīng)用中使用。

　　支持 NFC 的傳感器架構(gòu)

　　支持 NFC 的傳感器是一種 RFID 標(biāo)簽，它包含一個傳感器接口（用于調(diào)節(jié)和數(shù)字化傳感器的輸入信號）。與任何其他 RFID 標(biāo)簽一樣，它具有唯一的 ID，允許用戶驗證對象的來源。然而，它也可以驗證物體暴露的環(huán)境條件（見圖 1），或提供其他類型的測量，例如來自植入傳感器的生物數(shù)據(jù)。

　　將傳感器獲取的數(shù)據(jù)添加到標(biāo)簽不會改變基本的通信方法：當(dāng)標(biāo)簽靠近 RFID 閱讀器或具有專用應(yīng)用程序的支持 NFC 的手機(jī)時，可以讀取唯一 ID 和傳感器數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)然，還有其他方法可以實現(xiàn)無線傳感。今天很容易將傳感器連接到物體上，將其連接到微控制器和射頻收發(fā)器，以便在智能傳感器和閱讀器之間建立無線通信。

　　使用支持 NFC 的傳感器實現(xiàn)此功能可提供更簡單的系統(tǒng)設(shè)計，并提供更靈活的電源管理方法。事實上，對于相對較低的數(shù)據(jù)速率和短距離應(yīng)用，NFC 是一項非常有吸引力的技術(shù)：

　　NFC 可在兩臺設(shè)備之間實現(xiàn)直觀、簡單的交互，因為它們只需觸摸在一起

　　建立 NFC 鏈接只需幾分之一秒，而其他系統(tǒng)通常需要幾秒鐘

　　NFC 具有低功耗要求，支持非常長的電池壽命和完全沒有電池的實施

　　NFC 應(yīng)用的系統(tǒng)成本較低，因為該技術(shù)比用于無線傳感的競爭技術(shù)（如 ZigBee 或藍(lán)牙低功耗）復(fù)雜度低

　　由于 NFC 通過近場耦合運行，因此不易被竊聽和干擾

　　NFC 系統(tǒng)可以搭載現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施——通常，系統(tǒng)實施只需要為主機(jī)設(shè)備創(chuàng)建應(yīng)用程序

　　在完全無源（無電池）模式下，支持 NFC 的傳感器從傳入的射頻發(fā)射（來自讀取器）中收集能量，為傳感器接口和射頻傳輸供電。在半被動（電池輔助）模式下，支持 NFC 的傳感器可以在需要自主和長期監(jiān)控的應(yīng)用中獨立運行。或者，它可以為傳感器提供用戶控制的板載電源。

　　感官標(biāo)簽的壽命可能包括兩種模式下的操作：半被動模式直到電池耗盡，然后是被動模式。（數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中，并在設(shè)備未通電時保留。）

　　在全被動模式下運行

　　RFID 系統(tǒng)運行的一個基本原理是標(biāo)簽從閱讀器產(chǎn)生的場中獲取所需的全部能量。在支持 NFC 的傳感器中，這種收集的功率（通常在 3.3 V 時約為 4 mA）也可用于為傳感器供電。即使收集的能量不足以供傳感器使用——例如，如果標(biāo)簽有一個小天線或距離閱讀器很遠(yuǎn)——也可以添加一個以電容器形式充電的小型補(bǔ)充電源在測量之前，以及在測量過程中從哪個電源中汲取能量。

　　在完全無源模式下運行支持 NFC 的傳感器使設(shè)計工程師能夠打開他們的想象力，獲得一系列新的可能性。標(biāo)簽的壽命理論上是無限的，它不需要有線連接。因此，這些感官標(biāo)簽可以嵌入到墻壁和密封產(chǎn)品等結(jié)構(gòu)內(nèi)部?？梢韵胂蠼ㄖ虒⒁环N新型的支持 NFC 的濕度傳感器嵌入房屋的墻壁或地板中，靠近供水管或廢水排水管。這將能夠及早發(fā)現(xiàn)泄漏，直到它們對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞時才會被發(fā)現(xiàn)。

　　在半被動模式下運行

　　半無源標(biāo)簽包括一個板載電源，通常是電池，以支持標(biāo)簽和傳感器操作。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\行方式與普通無源標(biāo)簽相同，使用閱讀器發(fā)射的反向散射功率。

　　用戶控制的半無源傳感標(biāo)簽大部分時間都處于靜止?fàn)顟B(tài)，在這種狀態(tài)下，從電池中汲取的電流可以忽略不計。傳感器功能和測量由用戶激活，通常是在檢測到來自閱讀器或 NFC 設(shè)備的射頻發(fā)射時喚醒設(shè)備。

　　用于自主長期監(jiān)測應(yīng)用（所謂的數(shù)據(jù)記錄器）的獨立半無源傳感標(biāo)簽可以由外部事件激活，或由集成實時時鐘 （RTC） 定期觸發(fā)。此類應(yīng)用需要電池提供通常為 2 μA 的連續(xù)電流，以支持 RTC 或事件觸發(fā)喚醒。這種狀態(tài)監(jiān)測 NFC 感應(yīng)標(biāo)簽可以安裝在運輸過程中需要特別小心的貨物上。在供應(yīng)鏈的末端，支持 NFC 的閱讀器設(shè)備會檢查感應(yīng)標(biāo)簽，并在運輸過程中出現(xiàn)未經(jīng)批準(zhǔn)的情況時發(fā)出警報。此外，傳感器數(shù)據(jù)帶有時間戳，允許進(jìn)行詳細(xì)的事件監(jiān)控。

　　圖 1：支持 NFC 的傳感器可以監(jiān)控對象的保存條件及其唯一 ID。

　　支持 NFC 的傳感的實現(xiàn)

　　因此，支持 NFC 的傳感應(yīng)用需要能量收集能力、傳感器接口、電源管理電路和實時時鐘 （RTC）。這些功能現(xiàn)在在SL13A中提供，這是一款來自ams的單芯片 NFC 傳感轉(zhuǎn)發(fā)器（參見圖 2）。該芯片符合 NFC-V （ISO15693） 標(biāo)準(zhǔn)，并集成了板載溫度傳感器。

　　感官標(biāo)簽在全被動和半被動模式下工作；當(dāng)需要片上 RTC 時，電池用于支持自主數(shù)據(jù)記錄。在被動模式下，閱讀器或支持 NFC 的手機(jī)提供時間戳，支持傳感器操作的能量來自閱讀器的場。

　　記錄的傳感器數(shù)據(jù)存儲在片上 EEPROM 中，并使用密碼進(jìn)行保護(hù)，以防止對數(shù)據(jù)的操縱和未經(jīng)授權(quán)的使用。

　　圖 2：ams 的 SL13A NFC 傳感器框圖。

　　SL13A 可以支持需要傳感器數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N應(yīng)用。這些包括：

　　具有保質(zhì)期警報的供應(yīng)鏈– SL13A 可以監(jiān)控和記錄貨物在運輸和儲存中的狀況以及環(huán)境狀況。食品、飲料和藥品等易腐爛物品會發(fā)生與溫度相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，這決定了它們的保質(zhì)期。一些感官標(biāo)簽包括一種用于動態(tài)計算保質(zhì)期的算法，并在達(dá)到到期日期時提供警報。

　　建筑物監(jiān)控——SL13A 和嵌入建筑物、橋梁和高架橋等結(jié)構(gòu)內(nèi)的適當(dāng)傳感器可以記錄溫度、濕度、壓力和振動等條件，并在 NFC 讀取器觸發(fā)時傳輸數(shù)據(jù)。藥物程序——帶有集成感官標(biāo)簽的分配器和泡罩包裝可以記錄藥丸的消耗并加蓋時間戳。這使醫(yī)務(wù)人員可以監(jiān)控患者是否遵守了他們的處方。

　　過程控制——在工廠自動化中，感官標(biāo)簽可以在過程的每個步驟中控制過程及其質(zhì)量。這比成品的最終質(zhì)量保證更有效。

　　遠(yuǎn)程計量——SL13A 傳感標(biāo)簽可以集成到具有無線連接的設(shè)備中，例如 WLAN 或 GS??M，以擴(kuò)展跟蹤和監(jiān)控遠(yuǎn)程位置的對象或環(huán)境的能力。

　　SL13A 實施經(jīng)過驗證的通信協(xié)議并提供準(zhǔn)確和精確的傳感器接口，展示了將多個電子功能集成到單個設(shè)備中所帶來的新可能性。然而，這種靈活設(shè)備的全部應(yīng)用仍有待發(fā)現(xiàn)——系統(tǒng)設(shè)計人員的想象力將為這種新型傳感 RFID 標(biāo)簽的潛在用途提供最佳指導(dǎo)。