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如果射频技术发展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) 是一种能在相距10厘米以内或直接碰触的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电脑都开始支持NFC,因此未来NFC的应用有望大量普及。
例如,目前已有医学设备制造商开始进行相关实验,将微型NFC血糖传感器植入糖尿病患者皮下,再把搭载Android专用应用程序的智能手机或平板电脑靠近传感器所植入的部位,就能随时读取患者的血糖值。 主机设备不仅可以将读取的数据自动传送给患者的主治医师,程序还可以通过设定,定时提醒患者做检测,或者当患者没有定期检测,传感器也会通知医护人员。 NFC传感器非常适合这类应用,主要是由于以下原因: * 无需外部电源,因为传感器接口能借用NFC阅读器射频发射的电量。 * 快速且便利,因为传感器可以实时自动与主机设备配对。 * 尺寸较小。 * 价格低廉。 由于具备以上优势,这种新型NFC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于许多其他领域。 NFC传感器架构 NFC传感器是一种RFID标签,结合可调节和传感器输入信号数字化的传感器接口。NFC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识别码,还能检测物品所在的环境条件(图1),或是生理学数据。 图1:NFC传感器可用于监测物品的保存状态并查看程序识别码 将传感器所收集的数据传输到标签并不会改变基本的通讯方法:当一台RFID阅读器或一台搭载NFC专用应用程序的智能手机接近标签时,就可读取程序识别码和传感器数据。 还有其他建立无线传感的方法,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连接,或是在智能传感器和阅读器之间建立无线通信。 NFC传感器可以简化系统设计,也可以实现更灵活的电源管理方法。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在两台设备之间的互动直观而简单,只要短暂接触即可。 * 不到一秒就可以建立NFC连接,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,支持无电池工作。 * NFC应用的系统成本较低,因为其中包含了比ZigBee、Bluetooth Low Energy等其他无线传感更简单的技术。 * 由于NFC通过近场耦合(near-field coupling)运作,因此不会有数据遭窃取或信号***扰的情形。 * NFC系统可依附于现有的基础设施,只需要一台搭载专用应用程序的主机设备就可运作。 在无电池的完全被动模式下,NFC传感器可以从阅读器的射频采集电量,再供电给传感器接口和射频传输。在有电池辅助的半被动模式下,NFC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。(数据被储存在非易失性存储器里,因此即使没有供应电力仍可保存。) 完全被动运作模式 RFID系统运行的基本原理是标签从阅读器的电场采集所需电量。在NFC传感器中,采集到的电量,一般为电压3.3V,电流4mA,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,例如标签的天线较小或者离阅读器较远,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传感器使设计工程师能够尽情发挥想象力去开发新的应用。理论上,标签没有使用期限,也无需线路连接,因此这些感应标签也可以嵌入墙壁结构和密封产品。试想如果建筑师将新型NFC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,我们就可以提早侦测到漏水,而不会像今天这样,直到房屋多处被损坏时才能察觉。 半被动运作模式 半被动标签包含能够支持标签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,采用阅读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处于近乎休眠的状态。通常只有当传感器侦测到阅读器射频或NFC装置射频时,才会启动功能与测量。 用于长期自主监测应用的独立式半被动感应标签被称为数据记录器(data logger)。数据记录器可以由外部事件启动,或由一个整合式即时时脉(real-time clock; RTC)定期触发回应。这类应用需要由电池供应一般为2?A的连续电流支持RTC或执行事件触发式唤醒(event-triggered wake-up)。这种“状态监控”NFC感应标签可以嵌入那些在运送过程中需要特别留意的货物。NFC阅读器在供应链的终端检查感应标签,如果运送途中货品出现状况,感应标签就会发出预警。此外,传感器能记录时间数据,因此能提供详细的事件记录。 NFC感测应用 SL13A单芯片是符合NFC-V (ISO15693)标准的NFC感测转发器(transponder) (图2), 不仅能提供NFC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,还嵌入了一个温度传感器。 图2:奥地利微电子SL13A NFC传感器方块图 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。在被动模式下则由阅读器或具备NFC功能的智能手机提供时间戳记,传感器运作所需的电源则是来自采集阅读器电场的电量。另外,传感器所记录下的数据都会被储存在单芯片 EEPROM上并以密码保护,这样可以预防数据遭窜改或非法使用。 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。有些感应标签包含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,然后再通过一台NFC阅读器传送数据。 医护 - 整合配药机和药品包装的感应标签可以记录服药的时间,让医疗人员能够追踪患者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高效 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标签,在已经发展成熟的通讯协议上执行,提供精准的传感器接口,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充满了无限的可能。未来的系统设计师究竟能让它发挥多大的潜能?让我们拭目以待。 |
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