一文解析支持 NFC 的传感器架构

作者：Oluf Alminde

糖尿病是一种使人衰弱的疾病，全世界约有 3.66 亿人患有糖尿病。今天的治疗要求患者定期自我测量血糖水平，通过穿刺皮肤抽血来完成。这是一个痛苦的过程，并且不断重复，会加剧患者的痛苦。

那么，如果经过验证的射频技术可以消除抽血的需要呢？近场通信 （NFC） 是一种射频协议，用于在靠近或接触（相距《10 厘米）的设备之间交换数据。由于 Android 操作系统在智能手机和平板电脑中对它的支持，它现在已准备好大规模采用。

例如，现在医疗设备制造商正在研究在糖尿病患者皮肤下立即植入一个支持 NFC 的微型血糖传感器的可能性。然后，只需将运行专用应用程序的 Android 手机或平板电脑放在植入物旁边，即可随时读取传感器。

主机设备可以将读数自动上传给患者的医生。还可以对其进行编程，以提醒患者定期阅读，并在患者未能进行预定阅读时提醒医务人员。

支持 NFC 的传感器非常适合此应用，因为：

• 它不需要外部电源，因为传感器接口使用从 NFC 读取器传入的射频发射收集的能量运行
• 快速方便，因为传感器会立即自动与主机设备配对
• 它很小
• 很便宜

这个植入式血糖测量示例展示了这种新型 NFC 传感器的前景——但事实上，这种设备类型能够在许多市场领域的数百种应用中使用。

支持 NFC 的传感器架构

支持 NFC 的传感器是一种 RFID 标签，它包含一个传感器接口（用于调节和数字化传感器的输入信号）。与任何其他 RFID 标签一样，它具有唯一的 ID，允许用户验证对象的来源。然而，它也可以验证物体暴露的环境条件（见图 1），或提供其他类型的测量，例如来自植入传感器的生物数据。

将传感器获取的数据添加到标签不会改变基本的通信方法：当标签靠近 RFID 阅读器或具有专用应用程序的支持 NFC 的手机时，可以读取唯一 ID 和传感器数据。

当然，还有其他方法可以实现无线传感。今天很容易将传感器连接到物体上，将其连接到微控制器和射频收发器，以便在智能传感器和阅读器之间建立无线通信。

使用支持 NFC 的传感器实现此功能可提供更简单的系统设计，并提供更灵活的电源管理方法。事实上，对于相对较低的数据速率和短距离应用，NFC 是一项非常有吸引力的技术：

• NFC 可在两台设备之间实现直观、简单的交互，因为它们只需触摸在一起
• 建立 NFC 链接只需几分之一秒，而其他系统通常需要几秒钟
• NFC 具有低功耗要求，支持非常长的电池寿命和完全没有电池的实施
• NFC 应用的系统成本较低，因为该技术比用于无线传感的竞争技术（如 ZigBee 或蓝牙低功耗）复杂度低
• 由于 NFC 通过近场耦合运行，因此不易被窃听和干扰
• NFC 系统可以搭载现有的基础设施——通常，系统实施只需要为主机设备创建应用程序

在完全无源（无电池）模式下，支持 NFC 的传感器从传入的射频发射（来自读取器）中收集能量，为传感器接口和射频传输供电。在半被动（电池辅助）模式下，支持 NFC 的传感器可以在需要自主和长期监控的应用中独立运行。或者，它可以为传感器提供用户控制的板载电源。

感官标签的寿命可能包括两种模式下的操作：半被动模式直到电池耗尽，然后是被动模式。（数据存储在非易失性存储器中，并在设备未通电时保留。）

在全被动模式下运行

RFID 系统运行的一个基本原理是标签从阅读器产生的场中获取所需的全部能量。在支持 NFC 的传感器中，这种收集的功率（通常在 3.3 V 时约为 4 mA）也可用于为传感器供电。即使收集的能量不足以供传感器使用——例如，如果标签有一个小天线或距离阅读器很远——也可以添加一个以电容器形式充电的小型补充电源在测量之前，以及在测量过程中从哪个电源中汲取能量。

在完全无源模式下运行支持 NFC 的传感器使设计工程师能够打开他们的想象力，获得一系列新的可能性。标签的寿命理论上是无限的，它不需要有线连接。因此，这些感官标签可以嵌入到墙壁和密封产品等结构内部。可以想象建筑商将一种新型的支持 NFC 的湿度传感器嵌入房屋的墙壁或地板中，靠近供水管或废水排水管。这将能够及早发现泄漏，直到它们对结构造成严重损坏时才会被发现。

在半被动模式下运行

半无源标签包括一个板载电源，通常是电池，以支持标签和传感器操作。数据传输的运行方式与普通无源标签相同，使用阅读器发射的反向散射功率。

用户控制的半无源传感标签大部分时间都处于静止状态，在这种状态下，从电池中汲取的电流可以忽略不计。传感器功能和测量由用户激活，通常是在检测到来自阅读器或 NFC 设备的射频发射时唤醒设备。

用于自主长期监测应用（所谓的数据记录器）的独立半无源传感标签可以由外部事件激活，或由集成实时时钟 （RTC）定期触发。此类应用需要电池提供通常为 2 µA 的连续电流，以支持 RTC 或事件触发唤醒。这种状态监测 NFC 感应标签可以安装在运输过程中需要特别小心的货物上。在供应链的末端，支持 NFC 的阅读器设备会检查感应标签，并在运输过程中出现未经批准的情况时发出警报。此外，传感器数据带有时间戳，允许进行详细的事件监控。

图 1：支持 NFC 的传感器可以监控对象的保存条件及其唯一 ID。

支持 NFC 的传感的实现

因此，支持 NFC 的传感应用需要能量收集能力、传感器接口、电源管理电路和实时时钟 （RTC）。这些功能现在在SL13A中提供，这是一款来自ams的单芯片 NFC 传感转发器（参见图 2）。该芯片符合 NFC-V （ISO15693） 标准，并集成了板载温度传感器。

感官标签在全被动和半被动模式下工作；当需要片上 RTC 时，电池用于支持自主数据记录。在被动模式下，阅读器或支持 NFC 的手机提供时间戳，支持传感器操作的能量来自阅读器的场。

记录的传感器数据存储在片上 EEPROM 中，并使用密码进行保护，以防止对数据的操纵和未经授权的使用。

图 2：ams 的 SL13A NFC 传感器框图。

SL13A 可以支持需要传感器数据采集和无线数据传输的各种应用。这些包括：

具有保质期警报的供应链– SL13A 可以监控和记录货物在运输和储存中的状况以及环境状况。食品、饮料和药品等易腐烂物品会发生与温度相关的化学反应，这决定了它们的保质期。一些感官标签包括一种用于动态计算保质期的算法，并在达到到期日期时提供警报。

建筑物监控——SL13A 和嵌入建筑物、桥梁和高架桥等结构内的适当传感器可以记录温度、湿度、压力和振动等条件，并在 NFC 读取器触发时传输数据。药物程序——带有集成感官标签的分配器和泡罩包装可以记录药丸的消耗并加盖时间戳。这使医务人员可以监控患者是否遵守了他们的处方。

过程控制——在工厂自动化中，感官标签可以在过程的每个步骤中控制过程及其质量。这比成品的最终质量保证更有效。

远程计量——SL13A 传感标签可以集成到具有无线连接的设备中，例如 WLAN 或 GS​​M，以扩展跟踪和监控远程位置的对象或环境的能力。

SL13A 实施经过验证的通信协议并提供准确和精确的传感器接口，展示了将多个电子功能集成到单个设备中所带来的新可能性。然而，这种灵活设备的全部应用仍有待发现——系统设计人员的想象力将为这种新型传感 RFID 标签的潜在用途提供最佳指导。