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感測器/MEMS  

整合型NFC標籤/感測器催生新應用

上網時間: 2015年02月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:NFC  RFID  感測器  讀取器 

作者:Oluf Alminde,ams電源及無線事業部資深行銷經理

全球約有3.66億個糖尿病患者,其中有許多患者必須接受以刺破皮膚引流血液的方式定期自我檢測血糖值,而最讓他們反感的就是必須定期重複這項痛苦的檢查程序。

因此,如果射頻(RF)技術發展到可以讓病患不需要抽血呢?近場無線通訊技術(Near field communications;NFC)是一種能在相距10公分以內或可直接碰觸的裝置之間傳送資料的RF協定。如今,隨著採用Android作業系統的智慧型手機和平板電腦都開始支援NFC技術,使得NFC應用可望大量普及。

例如,目前已有醫療設備製造商開始進行相關實驗,將微型NFC血糖感測器植入糖尿病患者皮下,再把搭載Android專用應用程式的智慧型手機或平板電腦靠近感測器所植入的部位,就能隨時讀取患者的血糖值。

主機設備不僅可以將讀取到的資料自動傳送給患者的主治醫師,還可以透過程式設定,定時提醒患者進行自我檢測,或是在患者未進行定期檢測時,感測器也會通知醫護人員。

NFC感測器非常適合這類應用,主要是由於以下原因:

  ˙無需外部電源,因為感測器介面利用的是NFC讀取器RF發射的能量

  ˙快速且便利,因為感測器可以即時且自動地與主機設備進行配對

  ˙尺寸較小

  ˙價格低廉

由於具備以上優勢,這種新型NFC感測器除了可以開發植入式血糖機,還可以廣泛運用於許多其他領域。

NFC感測器架構

NFC感測器是一種RFID標籤,結合一款感測器介面,以便為感測器輸入訊號進行調節與數位化。NFC感測器不僅和其他RFID標籤一樣具有可供查驗物品來源的唯一識別碼(ID),還能檢測物品所在的環境條件(圖1),或從植入式感測器中提供生物資料等測量數據。

將感測器所收集的資料傳輸到標籤並不會改變基本的通訊方法:當一台RFID讀取器或搭載NFC專用App的智慧型手機接近標籤時,就可讀取唯一的ID和感測器資料。

當然還有其他建立無線感測的方法,例如在物品上附加感測器、將感測器連接到微控制器(MCU)和RF收發器,或是在智慧感測器和讀取器之間建立無線通訊。

NFC感測器可以簡化系統設計,也可以實現更靈活的電源管理方法。事實上,對於較低資料傳輸率和短程應用而言,NFC是一種非常具有吸引力的技術:

  ˙NFC可在兩台裝置之間實現直觀且簡單的互動,只要輕輕接觸即可。

  ˙只需不到一秒的時間就可以建立NFC連接,而其他系統通常要花更長的時間。

  ˙NFC功率需求低,支援非常長的電池壽命,而且無需電池即可進行建置。

  ˙NFC應用的系統成本較低,因為該技術比起ZigBee或藍牙低功耗(BLE)等其他用於無線感測的競爭技術更簡單。

  ˙由於NFC採用近場耦合技術運作,因而不至於發生資料遭竊取或訊號被干擾的情形。

  ˙NFC系統可附加在現有的基礎設施,只需要一台搭載專用App的主機設備就可運作。

在無電池的完全被動模式下,NFC感測器仍可以從讀取器的RF放射採集電量,再供電給感測器介面和RF傳輸。而在有電池輔助的半被動模式下,NFC感測器則可在需要長期自主監測的應用下單獨運作。此外,它還可以為感測器提供人為控制的電源。

一個感測器標籤的生命週期內可能歷經兩種模式:先執行半被動模式,直到電池耗盡之後轉為被動模式。(資料被儲存在非揮發性記憶體中,因此即使沒有供電仍可保存。)

全被動運作模式

RFID系統作業的基本原理是標籤從讀取器產生的電場採集所需電量。在NFC感測器中,採集到的電量一般為4mA電流/3.3V電壓,也可以為感測器供電。即使當採集到的電量不足以驅動感測器,如標籤的天線較小或者離讀取器較遠,也能在充電前將電量儲存在小型電容器中,以便增加少量的輔助電源,並在測量時放電。

NFC感測器在全被動模式作業下,可讓設計工程師盡情發揮想像力去開發新應用。理論上,標籤並沒有使用期限,也無需線路連接,因此,這些感測器標籤也可以嵌進牆壁結構和密封產品中。試想如果建築師將新型NFC濕度感測器嵌入房子的牆壁或地板中接近自來水管或污水管的位置,就可以提早偵測到漏水,而不會像目前這樣一直到房屋多處被損壞時才察覺。

半被動運作模式

以半被動模式作業的半被動標籤包含能夠支援標籤和感測器作業的板上電源(通常是電池)。它的資料傳輸方式與一般被動標籤一樣,利用讀取器放射的背向散射電源。

由於從電池汲取的電流微小到可以忽略不計,所以使用者可控制的半被動感測標籤大多數時間都處於近乎休眠的狀態。通常只有在感測器偵測到讀取器或NFC裝置的RF時,才會啟動功能與測量。

圖1:NFC感測器可用於監測物品的保存狀態並查看唯一ID
圖1:NFC感測器可用於監測物品的保存狀態並查看唯一ID

用於長期自主監測應用的獨立式半被動感測標籤稱為資料記錄器,可以由外部事件啟動,或由一個整合式即時時脈(RTC)定期觸發。這一類的應用需要可提供約2uA連續電流的供電電池,以支援RTC或事件觸發式喚醒。這種‘狀態監控’NFC感測標籤可以嵌入那些在運送過程中需要特別留意的貨物中。NFC讀取器在供應鏈的終端檢查感測標籤,如果運送途中貨品出現狀況,感測標籤就會發出預警。此外,感測器能記錄時間資料,因此能提供詳細的事件記錄。

NFC感測應用

NFC感測應用必須具備能量採集功能、一個感測器介面、電源管理電路以及一款RTC。奧地利微電子(ams)開發出具感測功能的RFID標籤SL13A,是一款符合NFC-V(ISO15693)標準的NFC感測轉發器單晶片(圖2),不僅提供NFC感測器所需的電量採集能力,還嵌入了一個溫度感測器。

這款感測標籤可以在全被動和半被動模式下運作。在以晶片上RTC觸發自主資料登錄,就需要以電池供電。在被動模式下則由讀取器或具備NFC功能的智慧型手機提供時間戳記,感測器作業所需的電源則來自採集讀取器電場的電量。此外,感測器所記錄下的資料都會被儲存在晶片上EEPROM並以密碼保護,從而預防資料遭竄改或非法使用。

圖2:ams SL13A NFC感測器方塊圖
圖2:ams SL13A NFC感測器方塊圖

具感測功能的RFID標籤(如SL13A)可支援多種需要感測器採集資料和無線資料傳輸的應用,以下簡單提出幾個可能的應用情境:

供應鏈保存期限預警:商品運送、儲藏狀態以及環境條件等都可以經由NFC感測標籤檢測和記錄。食品、飲料和藥品等易腐敗物品會因溫度變化而產生化學反應,從而影響其保存期限。有些感測標籤包含動態計算庫存生命週期的演算法,能在物品到期以前發出預警。

建築物監測:將SL13A等NFC感測標籤嵌入建築物、橋樑和高架橋等結構內,可以記錄溫度、濕度、壓力與振幅等資料,然後再透過一台NFC讀取器傳送資料。

醫療照護:結合配藥機和藥品包裝的感測標籤可以記錄用藥的時間,讓醫療人員能夠追蹤患者是否按時遵照處方服藥。

流程控制:感測標籤可以用來控制工廠自動化過程中每道步驟的流程和品質,這比成品的最終品質保證更高效。

遙測:NFC感測標籤能整合於具有無線連接(如WLAN或GSM)的設備,進一步擴展追蹤和監測遠端物品或周邊環境的能力。

目前市場中已有奧地利微電子等廠商推出功能完整的NFC感測器標籤,在已經發展成熟的通訊協定上執行,提供精準的感測器介面,並將多種電子功能整合到單一元件上,這個新型感測器標籤的應用充滿了無限的可能。未來的系統設計人員究竟能讓它發揮多大的潛能?讓我們拭目以待。





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