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)在智能手機和平板電腦中對它的支持，它現(xiàn)在已準備好大規(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 手機或平板電腦放在植入物旁邊，即可隨時讀取傳感器。

　　主機設(shè)備可以將讀數(shù)自動上傳給患者的醫(yī)生。還可以對其進行編程，以提醒患者定期閱讀，并在患者未能進行預(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)添加到標簽不會改變基本的通信方法：當(dāng)標簽靠近 RFID 閱讀器或具有專用應(yīng)用程序的支持 NFC 的手機時，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?；蛘?，它可以為傳感器提供用戶控制的板載電源。

　　感官標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，如果標簽有一個小天線或距離閱讀器很遠——也可以添加一個以電容器形式充電的小型補充電源在測量之前，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)造成嚴重損壞時才會被發(fā)現(xiàn)。

　　在半被動模式下運行

　　半無源標簽包括一個板載電源，通常是電池，以支持標簽和傳感器操作。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\行方式與普通無源標簽相同，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簽大部分時間都處于靜止狀態(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)標簽，并在運輸過程中出現(xiàn)未經(jīng)批準的情況時發(fā)出警報。此外，傳感器數(shù)據(jù)帶有時間戳，允許進行詳細的事件監(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） 標準，并集成了板載溫度傳感器。

　　感官標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，并使用密碼進行保護，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。一些感官標簽包括一種用于動態(tài)計算保質(zhì)期的算法，并在達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。

　　遠程計量——SL13A 傳感標簽可以集成到具有無線連接的設(shè)備中，例如 WLAN 或 GS??M，以擴展跟蹤和監(jiān)控遠程位置的對象或環(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 標簽的潛在用途提供最佳指導(dǎo)。