新整合式 NFC 卷标/传感器组件-应用于植入式血糖机

低成本、低功率射频技术如何发展出新的应用

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全球约有3.66 亿糖尿病患,这当中有许多糖尿病患者必须以刺破皮肤引流血液的方式定期自我检测血糖值,而且最让他们反感的就是必须定期重复这项检测。

如果射频技术发展成熟到可以让病患不需要抽血呢?近距离射频通讯技术 (Near field communications;NFC) 是一种能在相隔10 公分以内近距离或直接碰触装置之间传送数据的射频协议。现在Android操作系统的智能型手机和平板计算机都开始支持NFC,因此NFC 的应用未来有望大量普及。

例如,目前已有医学设备制造商开始进行相关实验,他们将微型NFC-enabled 血糖传感器植入糖尿病患者皮下,再把搭载专用Android 应用程序的智能型手机或平板计算机靠近传感器所植入的部位,就能随时读取病患的血糖值。主机装置不仅可以将读取的数据自动传送给病患的主治医师,程序还可以通过设定,定时提醒病患做检测,或者当病患没有定期检测时,传感器也会通知医护人员。

NFC-enabled 传感器非常适合这类应用,主要是因为以下四个原因:· 它不需要外部电源,因为传感器接口能借用NFC 读取器射频发射的电量。

  • 快速且便利,因为传感器可以实时自动与主机装置配对。
  • 尺寸小。
  • 便宜。

由于具备以上这些优势,这种新型NFC-enabled 传感器除了可以发展可植入式血糖机,其实还可以广泛运用到许多其他领域上。

 

NFC-enabled 传感器架构。

NFC-enabled 传感器是一种RFID 标签,结合了可调节和传感器输入讯号数字化的传感器接口。

NFC-enabled 传感器不仅和其他RFID 标签一样有可供查验物品来源的独特程序标识符,还能检测物品所在的环境条件(图一),或是生理学数据。

将传感器所收集的数据传输到卷标并不会改变基本的通讯方法:当一台RFID 读取器或一支搭载NFC-enabled 专用应用程序的智能型手机接近标签时,就可读取程序标识符和传感器数据。

还有其他建立无线感测的方法,例如将传感器附加在物品上、由微控制器和射频收发器与传感器建立接口,或是在智能型传感器和读取器之间设定无线通信。

用 NFC-enabled 传感器执行这功能可以简化系统设计,也可以做到更弹性的电源管理。事实上,对于相对低数据传输率和短程应用而言,NFC 是非常吸引人的技术:· NFC 在两台装置之间的互动直觉而简单,只要短暂接触即可。

  • 不到一秒就可以建立NFC 链接,而其他系统则需要更长时间。
  • NFC 功率需求低而且支持非常长的电池寿命,而且运作时根本不需电池。
  • NFC 应用的系统成本较低,因为它比其他ZigBee 或Bluetooth Low Energy 等无线感测技术还简单。
  • 由于NFC 是透过近场耦合(near-field coupling)运作,因此不会有数据遭窃取或讯号被干扰的情形。
  • NFC 系统可以搭载于既有的基础设施,只需要一台搭载专用应用程序的主机装置就可运作。

在无电池的完全被动模式下,NFC-enabled 传感器可以从读取器的射频采集电量,再供电给传感器接口和传输射频。在有电池辅助的半被动模式下, NFC-enabled 传感器则可在需要长期自主监测的应用下单独运作。另外,它也可以为传感器提供人为控制的电源。

一个感应标签在生命周期内可能会历经两种模式:先执行半被动模式,直到电池耗尽之后转为被动模式。数据储存在非挥发性内存,因此即使没有供应电力仍可保存。

 

完全被动运作模式。

RFID 系统的基本运作原则是标签从读取器的电场采集所需电量。在NFC-enabled 传感器中,采集到的电量,一般约4mA 3.3V,也可以供给传感器。即使当采集到的电量不足以驱动传感器,例如卷标的天线较小或者离读取器较远,也能在充电前,将电量储存在小型电容器里以增加少量的辅助电源,并于测量时放电。

全被动运作模式下的NFC-enabled 传感器更能灵活地应用在生活中的各个角落,未来,设计工程师应尽可能发挥想象力去开发新的应用方法。标签不仅理论上没有使用期限,也不须线路连接,因此这些感应标签也可以嵌入墙壁结构和密封产品等。我们可以想象建筑师将新型NFC-enabled 湿度传感器嵌入房子的墙壁或地板接近自来水管或污水管的位置,这样我们就可以提早侦测到漏水,而不会像现今迟至房屋结构多处损坏时才能察觉。

 

半被动运作模式。

半被动卷标有能够支持卷标和传感器运作的电源(通常是电池)。它的数据传输方式与一般被动标签一样,是采用读取器放射的背向散射电源(backscattered power)。因为从电池汲取的电流微小到可以忽略不计,所以使用者控制的半被动感应标签大多数时间都是处于近乎休眠的状态,通常是当它侦测到读取器射频或NFC 装置射频的时候才启动功能与量测。

使用于长期自主监测应用的独立式半被动感应卷标称为数据纪录器(data logger)。数据纪录器可以藉由外部事件启动数据纪录器,或者藉由一个整合式实时时钟(real-time clock; RTC)定期触发回应。这类应用需要由电池供应一般为2μA 的连续电流支持RTC 或执行事件触发式唤醒(event-triggeredwake-up)。这种「状态监控」NFC 感应标签可以嵌入那些在到运送过程中需要特别留意的货物。在供应链的终端由一台NFC-enabled 读取器检查感应标签,在运送途中货品若出状况感应标签就会发出预警。此外因为传感器能记录时间数据,因此能提供详细的事件纪录。

图一

图一:NFC-enabled 传感器可供监测物品的保存状态和查看程序标识符

 

NFC-enabled 感测应用实作。

SL13A 单芯片是符合NFC-V (ISO15693)标准的NFC 感测转发器(transponder) (图二), 不仅能提供NFC-enabled 传感器所需要的电量采集能力、一个传感器接口、电源管理电路和一个RTC,还嵌入一个温度传感器。SL13A 单芯片每1,000 颗价格为2.59 美元。

这个感应标签可以在全被动和半被动模式下运作。若要单芯片RTC 触发自主数据登录,就需要以电池供电。在被动模式下则由读取器或NFC-enabled 智能型手机提供时间戳,传感器运作所需的电源则是来自采集读取器电场的电量。另外,传感器所登录下的数据都会储存在单芯片 EEPROM上并以密码保护,这样可以预防数据遭窜改或非法使用。

 

图二

图二:ams SL13A NFC-enabled 传感器方块图

 

SL13A 可以支持多种需要传感器采集数据和无线数据传输的应用,以下我们简单提出几个可能的应用情境。

供应链保存期限预警– 商品运送、储藏状态以及环境条件等都可以由SL13A 检测和记录。食品、饮料和药品等易腐品会因温度变化而产生化学反应,影响它们的保存期限长短。有些感应卷标包含了可以动态计算库存生命周期的算法,能在到期时发出预警。

建筑物监测 - 将SL13A 和适合的传感器嵌入建筑物、桥梁和高架桥等结构内,可以记录温度、湿度、压力与振幅等数据,然后再透过一台NFC 读取器传送数据。

医护 - 整合配药机和药品包装的感应卷标可以记录服药的时间,让医疗人员能够追踪病患是否按时遵照处方服药。

过程控制 - 感应标签可以用来控制工厂自动化程序中每道步骤的程序和质量,这比成品的最终质量保证程序更有效率。

遥测 - SL13A 感应标签可以与具备无线连接,例如WLAN 或GSM 的设备整合,能追踪和监测远处物品或它的周边环境。

目前市场中已有奥地利微电子等厂商推出功能完整的传感器卷标,在已经发展成熟的通讯协议上执行,提供正确精准的传感器接口,将多重电子功能整合到一颗单芯片上,这个新型传感器标签的应用有无限可能,到底未来系统设计师能让它发挥多大的潜