【導(dǎo)讀】近距離射頻通訊技術(shù)NFC未來(lái)充滿著無(wú)限可能。現(xiàn)如今，安卓操作系統(tǒng)的智能手機(jī)和平板電腦已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用NFC，在通訊領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始普及。醫(yī)療方面，微型NFC血糖傳感器將植入糖尿病患者皮下，手機(jī)或平板電腦靠近傳感器植入方位即可獲取患者血糖值，并且定時(shí)提醒患者定期檢測(cè)。未來(lái)的很多領(lǐng)域都將存在NFC的影子。
NFC傳感器非常適合這類應(yīng)用，主要是由于以下原因：
1、無(wú)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。
2、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)。
3、尺寸較小。
4、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(lái)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(wú)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(wú)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)：
1、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。
2、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。
3、NFC功率需求低，而且支持非常長(zhǎng)的電池壽命，支持無(wú)電池工作。
4、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(wú)線傳感更簡(jiǎn)單的技術(shù)。
5、由于NFC通過(guò)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。
6、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(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(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(méi)有供應(yīng)電力仍可保存。）
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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(kāi)發(fā)新的應(yīng)用。理論上，標(biāo)簽沒(méi)有使用期限，也無(wú)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(lái)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(jué)。
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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)程控制 - 感應(yīng)標(biāo)簽可以用來(lái)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(wú)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(wú)限的可能。未來(lái)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。
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