全被動/半被動模式皆可運作 NFC感測標簽應用廣闊

　　近距離無線通訊(NFC)技術具備低功耗、配對簡易與資料安全性高等特色，發展前景備受看好，而芯片商推出的新一代NFC感測器標簽，無論在無電池的完全被動，或有電池輔助的半被動模式下，皆可順利運作，更可擴大該技術的應用范疇。

　　全球約有三億六千六百萬位糖尿病患者，其中有許多糖尿病患者必須以刺破皮膚引流血液的方式，定期自我檢測血糖值，而且最讓他們反感的就是必須定期重復這項檢測。

　　如果射頻(RF)技術發展成熟到可以讓病患不須要抽血呢?近距離無線通訊(NFC)是一種能在相隔10公分以內近距離，或直接碰觸裝置以傳送數據資料的射頻協定。現在Android操作系統的智慧型手機和平板電腦都開始支持NFC，因此未來NFC的應用有望大量普及。

　　例如，目前已有醫學設備製造商開始進行相關實驗，將微型NFC-enabled血糖感測器植入糖尿病患者皮下，再把搭載Android專用應用程序的智慧型手機或平板電腦靠近感測器所植入的部位，就能隨時讀取病患的血糖值。主機裝置不僅可以將讀取的數據資料自動傳送給病患的主治醫師，程序還可以透過設定，定時提醒病患做檢測，或者當病患沒有定期檢測時，感測器也會通知醫護人員。

　　NFC感測器非常適合這類應用，主要是因為以下原因--首先，它不需要外部電源，因為感測器界面能借用NFC讀取器射頻發射的電量，此外NFC感測應用快速且便利，因為感測器可以即時自動與主機裝置配對，最后此類應用尺寸小也便宜。由于具備以上優勢，新型NFC感測器除能發展可植入式血糖機，其實還可以廣泛運用到許多其他領域上。

　　NFC感測應用方便又省電

　　NFC 感測器是一種RFID標簽，結合可調節和感測器輸入訊號數位化的感測器介面。NFC感測器不僅和其他RFID標簽一樣有可供查驗物品來源的獨特程序識別碼，還能檢測物品所在的環境條件，或是生理學數據資料。 將感測器所收集的數據資料傳輸到標簽并不會改變基本的通訊方法：當一臺RFID讀取器或一支搭載NFC-enabled專用應用程序的智慧型手機接近標簽時，就可讀取程序識別碼和感測器數據。

　　還有其他建立無線感測的方法，例如將感測器附加在物品上、由微控制器(MCU)和射頻收發器與感測器建立界面，或是在智慧型感測器和讀取器間設定無線通訊。

　　NFC感測器可以簡化系統設計，也可以做到更彈性的電源管理。事實上，對于相對低數據傳輸率和短程應用而言，NFC是非常吸引人的技術，主要塬因如下：

　　.NFC在兩臺裝置間的互動直覺簡單，只要短暫接觸即可。

　　.不到1秒就可以建立NFC連結，而其他系統則需要更長時間。

　　.NFC功率需求低且支援非常長的電池壽命，運作時根本不需電池。

　　.NFC應用系統成本較低，因為它比其他ZigBee或藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)等無線連結技術還簡單。

　　.NFC是透過近場耦合(Near-field Coupling)運作，不會有資料遭竊取或訊號被干擾的情形。

　　.NFC系統可以搭載于既有的基礎設施，只需要一臺搭載專用應用程式的主機裝置就可運作。

　　在無電池的完全被動模式下，NFC感測器可以從讀取器的射頻採集電量，再供電給感測器介面和傳輸射頻。在有電池輔助的半被動模式下，NFC感測器則可在須要長期自主監測的應用下單獨運作。另外，它也可以為感測器提供人為控制的電源。

　　一個感應標簽在生命週期內可能會歷經兩種模式：先執行半被動模式，直到電池耗盡之后轉為被動模式。數據資料儲存在非揮發性記憶體，因此即使沒有供應電力仍可保存。

　　完全被動運作模式

　　RFID 系統的基本運作原則是標簽從讀取器的電場採集所需電量。在NFC感測器中，採集到的電量一般約4毫安培(mA)3.3伏特(V)，也可以供給感測器。即使當採集到的電量不足以驅動感測器，例如標簽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裡，以增加少量的輔助電源，并于測量時放電。

　　全被動運作模式下的NFC感測器更能靈活地應用在生活中的各個角落，未來，設計工程師應盡可能發揮想像力去開發新的應用方法。標簽不僅理論上沒有使用期限，也不須連接線路，因此這些感應標簽也可以嵌入墻壁結構和密封產品等。我們可以想像建筑師將新型NFC濕度感測器嵌入房子的墻壁或地板接近自來水管或污水管的位置，這樣就可以提早偵測到漏水，而不會像現今遲至房屋結構多處損壞時才能察覺。

　　半被動運作模式

　　半被動標簽有能夠支援標簽和感測器運作的電源(通常是電池)。它的數據傳輸方式與一般被動標簽一樣，是採用讀取器放射的背向散射電源 (Backscattered Power)。因為從電池汲取的電流微小到可以忽略不計，所以使用者控制的半被動感應標簽，大多數時間都是處于近乎休眠的狀態，通常是當它偵測到讀取器射頻或NFC裝置射頻的時候，才啟動功能與量測。

　　使用于長期自主監測應用的獨立式半被動感應標簽稱為數據紀錄器(Data Logger)。數據紀錄器可以藉由外部事件啟動數據紀錄器，或者藉由一個整合式即時時脈(Real-time Clock, RTC)定期觸發回應。這類應用須要由電池供應一般為2微安培(μA)的連續電流支援RTC或執行事件觸發式喚醒(Event-triggered Wake-up)。這種「狀態監控」NFC感應標簽可以嵌入那些在運送過程中須要特別留意的貨物。在供應鏈的終端由一臺NFC讀取器檢查感應標簽，在運送途中貨品若出狀況感應標簽就會發出預警。此外，因為感測器能記錄時間數據，因此能提供詳細的事件紀錄。

　　圖1是符合NFC-V(ISO15693)標準的NFC感測轉發器(Transponder)單芯片，不僅能提供NFC感測器所需要的電量採集能力、一個感測器介面、電源管理電路和一個RTC，還嵌入一個溫度感測器。

圖1NFC-enabled感測器方塊圖

　　這個感應標簽可以在全被動和半被動模式下運作。若要單芯片RTC觸發自主數據登錄，就須要以電池供電。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，感測器運作所需的電源則來自採集讀取器電場的電量。另外，感測器所登錄的數據資料，都會儲存在單芯片電子式可清除可編程唯讀記憶體 (EEPROM)上并以密碼保護，這樣可以預防數據遭竄改或非法使用。

　　NFC感測轉發器可支援多種需要感測器採集數據和無線數據傳輸的應用，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由NFC感測器檢測和記錄。食品、飲料和藥品等易腐品，會因溫度變化而產生化學反應，影響它們的保存期限長短。有些感應標簽包含可以動態計算庫存生命週期的演算法，能在到期時發出預警。

　　.建筑物監測

　　將NFC感測轉發器和適合的感測器嵌入建筑物、橋梁和高架橋等結構內，可以記錄溫度、濕度、壓力與振幅等資料，然后再透過一臺NFC讀取器傳送數據資料。

　　.醫護

　　整合配藥機和藥品包裝的感應標簽，可以記錄服藥的時間，讓醫療人員能夠追蹤病患是否按時遵照處方服藥。

　　.程序控制

　　感應標簽可以用來控制工廠自動化程序中每道步驟的程序和品質，這比成品的最終品質保證程序更有效率。

　　.遙測

　　NFC感應標簽可以與具備無線連接，例如無線區域網路(WLAN)或全球行動通訊系統(GSM)的設備整合，能追蹤和監測遠處物品或周邊環境。

　　目前市場中已有芯片商推出功能完整的感測器標簽，在已經發展成熟的通訊協定上執行，提供正確精準的感測器介面，將多重電子功能整合到一顆單芯片上，這個新型感測器標簽的應用有無限可能。(本文作者為奧地利微電子電源與無線技術部資深行銷經理)