近距離無線通訊(NFC)是一種基於電磁感應耦合概念的自供電通訊技術，耦合感應電路讓NFC元件能夠在幾公分的距離內共用電能和資料；感應式電能接收器可使NFC實現各種通訊模式，如被動、主動和無線射頻識別(RFID)模式。
NFC設備和近距離(13.56MHz)RFID電子標籤採用與非接觸式智慧卡相同的基礎通訊技術。該技術已被國際標準組織/國際電子電機委員會(ISO/IEC)、歐洲電信標準協會(ETSI)和歐洲資訊通訊系統標準化協會(ECMA)國際標準組織接受。NFC讀寫器與電子標籤間的距離必須在4公分內，才可有效通訊，且讀寫器與標籤或者讀寫器與讀寫器共用有效負荷資料。
感測器助臂力 RFID標籤晶片多工作業
本文重點為介紹雙介面電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)RFID電子標籤晶片，基於該系列晶片打造的系統解決方案，可滿足市場對低功耗和自供電非接觸式通訊應用的需求。電子標籤晶片還包括基於Android和Windows兩種平台的繪圖使用者介面。
為展示含有NFC標籤的應用系統功能，本文提出一款Data Logger V3資料記錄器評估板。該電路板(電子標籤)支援13.56MHz NFC通訊技術，並配備不同類型的感測器、RFID EEPROM資料記憶體和非接觸式通訊介面。硬體感測器包括溫度感測器、MEMS動作感測器、濕度感測器與光感測器。這些感測器以預設的間隔把資料儲存在資料記錄器內，然後，基於Windows/Android使用者介面軟體讀取資料，並以圖表的方式顯示在螢幕。
8KB雙介面EEPROM記憶體，支援兩種通訊模式，一為透過有線連接與微控制器的I2C通訊；二為採用無線資料傳輸技術的射頻(RF)通訊。
另外，評估板由硬體及軟體組成；硬體係一個由微控制器(MCU)、微機電系統(MEMS)、溫度感測器、光感測器、EEPROM，以及板載感應式天線組成的普通的電路板。電路板電源是一枚鈕扣電池，為感測器資料透過I2C介面儲存到EEPROM內提供電能。在資料保存到EEPROM後，個人電腦或Android應用軟體(繪圖使用者介面)可存取EEPROM。
軟體部分係指專用的個人電腦或Android繪圖使用者介面(GUI)，透過RF-ISO15693介面與評估板互動。該應用軟體與射頻收發器通訊，再透過13.56MHz射頻技術與板上的EEPROM通訊。
資料記錄應用區分二階段
圖1與圖2所示為Windows及Android作業系統使用狀態下，評估板的記錄系統運作架構。資料記錄應用分為資料儲存與資料讀取兩個階段。
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| 圖1 基於Windows平台的資料記錄系統 |
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| 圖2 支援Android平台的資料記錄系統 |
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在這個階段，記錄器電路板由3伏特(V)鈕扣電池供電，以固定的間隔把感測器資料儲存在EEPROM。資料記錄過程透過I2C通訊介面完成。記錄資料的類型包括環境溫度、振動資料、自由落體資料、環境光資料與濕度資料。 |
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在資料存入EEPROM後，板載開關切斷鈕扣電池與電路板的連接。在斷電後，電路板變成一個被動RFID電子標籤。電路板上有一個感應式天線，用於標籤與讀寫器的射頻通訊。利用RFID讀寫器天線和EEPROM天線的耦合效應，13.56MHz射頻將電能從讀寫器傳送到EEPROM，RFID讀寫器透過射頻電磁場傳送電能，EEPROM的天線吸取射頻電能做為本身電源。
讀寫器可與個人電腦或Android的GUI配合，透過射頻介面向EEPROM發送命令，存取記憶體內的全部感測器資料。Windows/Android GUI軟體以圖表的方式解釋感測器資料。Android應用軟體(DatalogV3)及Windows桌面應用軟體是兩個可透過射頻介面從EEPROM讀取資料的應用軟體。 |
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Android SDK為開發人員提供在Android平台上使用Java語言開發應用代碼所需的工具和API，該應用代碼是在Android SDK 10.0.0和2.3.3環境內寫就，因為該環境提供的NFC API支援手機與標籤之間傳輸資料，此外，該應用通訊使用NFC的分支技術NFCV。
DataLogV3支援評估板上的所有感測器。該應用軟體使用Android SDK提供的NFC API，用戶的Android手機不得低於2.3.3版本，並須配備NFC功能。在手機上啟動DatalogV3應用軟體後，將NFC標籤(評估板)靠近手機時，該應用軟體將會發現標籤，在發現標籤後，使用者可選擇採集新資料或讀取評估板記錄的資料。該應用軟體內含幫助檔，將指導使用者如何使用DataLogV3軟體。圖3是在Android手機上運行的Data Logger V3的螢幕截圖，正在展示基於NFC技術的資料通訊。
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| 圖3 Android手機上運行的Data Logger V3示意圖 |
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事件資料記錄應用軟體是利用WPF技術開發的Windows桌面應用軟體(圖4)。該應用軟體支援DEMO-CR95HF電路板和Data Logger V3評估板。前者是讀寫器電路板，透過USB HID通訊協議與個人電腦通訊；後者是電子標籤，內建EEPROM，當啟動應用軟體時，應用軟體將連至DEMO-CR95HF電路板。該應用軟體為使用者提供資料記錄應用與事件記錄應用。
資料記錄應用是在啟動評估板後，用戶可利用NFC技術透過DEMO-CR95HF電路板採集資料。在讀取資料階段，EEPROM的電源是射頻電磁場傳輸的讀寫器的能量，讀寫器可以採集評估板上所有感測器檢測的資料，應用軟體將這些資料繪製成圖表顯示在螢幕上(圖5)。
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| 圖4 Windows資料記錄應用軟體 |
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| 圖5 Windows資料/事件圖表 |
NFC未來應用無可限量
本文提出的評估板系統可用於很多低功耗應用，例如能源、醫療健身與工業自動化等，以下將一一說明。
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利用EEPROM從RFID讀寫器汲取電能，部分射頻電能用於讀取EEPROM；其餘的射頻電能被EEPROM收集，提供給電路板上的元件，因此，該系統有益於只需短時間供電的應用，無需任何電池電源。 |
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某些應用須要每天/周更改一次顯示資料，其餘的時間只須保持原樣。電子紙只在更改資料時才須充電，斷電後繼續保持資料顯示，電子紙結合RFID EEPROM可讓用戶用無線射頻通訊讀取並顯示資料，讀寫器發出的射頻能量用於讀寫EEPROM記憶體，同時為應用電路板供電。 |
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在醫療應用領域，可在病患的身體上安裝不同類型的感測器，感測器資料記錄在EEPROM。醫生可使用RFID讀寫器讀取資料，對病患連續監測。
評估板可顯示溫度感測器、MEMS感測器、光感測器和濕度感測器的資料記錄過程。該系統還可增加更多的感測器，如陀羅儀、地磁計、壓力感測器等。這些感測器可組成健康監測記錄儀，監視住院病患的各種生命參數，並以固定的間隔將資料記錄在EEPROM內，醫生可透過射頻通訊每天或在預設間隔讀取資料。
計步器應用可計算使用者的行走距離，它需要一個裝有MEMS動作感測器的電路板，以檢測用戶的動作，並計算行走距離。計步器將距離資訊記錄在雙介面EEPROM內，透過射頻通訊技術發送到具有NFC功能的Android手機，讓用戶能夠即時跟蹤自己的徒步動作和熱量消耗情況。 |
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評估板還可用於自動化和食品飲料物流應用領域。舉例來說，利用MEMS感測器、濕度感測器和溫度感測器，可監視工業自動化系統的運行狀態是否良好。這些感測器安裝在機器及其活動部件的附近，感測器將資料保存在EEPROM內，讀寫器可透過RFID介面讀取資料。這讓維修人員能掌握機器的工作環境變化。
食品運輸要求環境溫度不得超過預定溫度範圍，資料記錄儀可用於記錄運輸過程中的環境溫度變化。當貨物運抵目的地時，收貨人員可讀取資料記錄儀，確保運輸過程中環境溫度在規定的溫度範圍內。
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在能源匱乏的世界，降低功耗是應用系統的重要要求。採用8位元低功耗微控制器和感測器，即可讓評估板用於低功耗應用中。本文提出裝有全部感測器的評估板系統功耗大約500微安培(μA)。採用雙介面EEPROM為無線通訊和資料記錄業發展帶來了新機會，可加強應用人員即時查看不同使用者資料的能力，將推動可攜式系統和無線通訊系統市場開創新紀元。
(本文作者任職於意法半導體)