NFC przenosi aplikacje IoT w głąb terenu

Technologie stojące za Internetem Rzeczy (IoT) sprawiają, że otaczający nas świat staje się coraz bardziej inteligentny. W wielu implementacjach węzły sensorowe, zainstalowane by ciągle przekazywać dane do serwerów zlokalizowanych w chmurze, pozwalają na wgląd w informacje na temat środowiska, rejestrowane z dokładnością co do minuty. Jednakże, w licznych przypadkach zapewnienie stałej łączności z internetem jest niewygodne lub niekonieczne.

Nierzadko bywa tak, że ograniczenia co do kosztu lub rozmiaru urządzenia sprawiają, że zapewnienie ciągłego zasilania za pomocą baterii, akumulatora lub poprzez zbieranie energii z otoczenia jest niepraktyczne. Za przykład mogą posłużyć masowo produkowane znaczniki RFID, które wykorzystuje się do identyfikowania produktów w łańcuchach dostaw.

Wiele znaczników, jakie się obecnie stosuje, to komponenty pasywne, które składają się z anteny, interfejsu radiowego, przetwornicy mocy i pamięci. Nie są one wyposażone w żadne wewnętrzne źródło zasilania. Dopiero pole elektromagnetyczne wytwarzane przez czytnik RFID staje się źródłem energii potrzebnej znacznikowi, by ten odesłał wiadomość. Pierwsze generacje znaczników RFID pracowały w oparciu o względnie proste protokoły, które nadawały się do odczytywania ciągów cyfr, a więc pozwalały na jednoznaczne zidentyfikowanie pojedynczych produktów.

Wprowadzenie protokołu komunikacji NFC (near-field communication) znacząco rozszerzyło możliwości wykorzystania znaczników zasilanych z użyciem fal radiowych. Firmy Sony i Philips Electronics zaczęły prace nad tym standardem jeszcze w 2002 roku, opracowując protokół, który w 2003 roku został zatwierdzony przez organizacje ISO i IEC. Niedługo później, wraz z Nokią, producentem telefonów komórkowych, koncerny te wspólnie utworzyły organizację NFC Forum, której celem było promowanie aplikacji opierających się na wykorzystaniu tego bezprzewodowego protokołu krótkiego zasięgu.

Znaczniki NFC pracują na częstotliwości 13,56 MHz i zostają aktywowane, gdy znajdą się w odległości 10 cm od czytnika. W praktyce, w wielu aplikacjach, znacznik NFC dotyka zewnętrznej powierzchni obudowy czytnika, zanim rozpocznie się transakcja. Natomiast w porównaniu do takich protokołów jak Bluetooth, uzyskiwana szybkość transmisji jest względnie niska i wynosi od około 100 kb/s do nieco ponad 400 kb/s. Ważne jest też, by zaznaczyć istotną różnicę pomiędzy NFC i starszymi protokołami RFID – polega ona na możliwości prowadzenia znacznie bardziej złożonych, dwukierunkowych interakcji, w których komunikacja może być zaszyfrowana.

Transmisja danych w kierunku od urządzenia nasłuchującego do czytnika jest realizowana poprzez tzw. modulację obciążenia. Jest to technika, która korzysta ze zjawiska sprzężenia indukcyjnego. Zmiana w impedancji urządzenia nasłuchującego, a więc takiego jak np. czytnik, powoduje zmiany amplitudy lub fazy napięć w antenie, podłączonej bezpośrednio do urządzenia odpytującego – a więc czytnika. W momencie, gdy wykorzystywana jest komunikacja w pełni dwukierunkowa, znacznik i czytnik przełączają się pomiędzy trybem odpytywania i nasłuchiwania. Jednakże taki tryb wymaga już zainstalowania źródła energii wewnątrz znacznika, podczas gdy prosta wymiana informacji poprzez protokół oparty o modulację obciążenia umożliwia pracę znacznikom pasywnym, a więc niewyposażonym w źródła energii.

Przetwarzanie płatności to jedna z pierwszych kluczowych aplikacji protokołu NFC. Jej implementacja stała się możliwa dzięki obsłudze szyfrowania. Sam akt dotknięcia znacznikiem urządzenia wyposażonego w interfejs NFC pozwala spełnić dwa wymogi, jakie stawiane są przed tego typu aplikacjami. Jednym z nich jest zapewnienie bezpiecznego, bezprzewodowego połączenia, ale zarazem takiego, które nie wymaga wkładania kart w czytnik lub fizycznego styku wyprowadzeń elektrycznych, tak jak ma to miejsce w tradycyjnych czytnikach kart. Dodatkowo, poprzez oczekiwanie gestu dotykania czytnika kartą lub telefonem, po którym następuje sygnał dźwiękowy lub wizualny potwierdzający pomyślne wykonanie transakcji, metoda ta sprawia, że użytkownik ma pewność, że to właśnie on sam zdecydował się na jej wykonanie i ją zainicjował.

Z podobnych powodów, NFC stało się preferowanym protokołem w aplikacjach związanych z transportem. Zapewnia podróżnym łatwą możliwość ponoszenia opłat podczas wchodzenia do pociągu, czy do autobusu. Wystarczy jedynie dotknąć powierzchni czytnika kartą płatniczą lub odpowiednim znacznikiem.

W przypadku aplikacji związanych ze zdrowiem ludzi, również często istotne jest zapewnienie szyfrowania danych. Gest dotknięcia sprawia, że użytkownik ma pewność, że kontroluje moment przekazania lub pobrania informacji. Co ważne, dzięki NFC można stosować czujniki, które nie mają wewnętrznych źródeł zasilania.

Jedna z aplikacji, jaka pojawiła się w ostatnim czasie i która dobrze prezentuje powyżej opisane zalety NFC to czujnik UV. Firma L’Oreal, działająca w branży kosmetycznej, przeprowadziła w 2016 roku badanie klientów, w którym użyła samodzielnie opracowanego, rozciągalnego czujnika naklejanego na skórę. Analiza zebranych wyników pozwoliła odkryć zachowania, które skutkowały mniej ryzykownym wystawianiem się na szkodliwe działanie słonecznego promieniowania UV.

W trakcie targów CES (Consumer Electronics Show), jakie odbyły się na początku 2018 roku, L’Oreal kontynuowała swoje wcześniejsze prace nad My UV Patch, prezentując urządzenie, które miało na celu długoterminowe monitorowanie narażenia skóry na działanie promieni ultrafioletowych. Moduł UV Sense to pierwszy, niewyposażony w baterie ani akumulatory czujnik elektroniczny, przeznaczony do mierzenia i przechowywania danych na temat wystawienia obiektów na promieniowanie UV w okresie do trzech miesięcy. Ma on mniej niż 2 mm grubości i poniżej centymetra średnicy. Czujnik można z łatwością nosić non-stop na paznokciu kciuka przez okres nawet do dwóch tygodni, po zamocowaniu go za pomocą pojedynczej warstwy klejącej.

Ten niewyposażony w baterie sensor korzysta z mocy dostarczanej za pomocą smartfona, komunikującego się przez interfejs NFC. W ten sposób przesyła dane do aplikacji użytkownika, rejestrując w jakim stopniu był on wystawiony na działanie promieni ultrafioletowych przez długi okres. Znacznik został tak zaprojektowany, by mieć pewność, że dane są przechowywane bezpiecznie, a użytkownik zachowuje pełną prywatność. Jakakolwiek transmisja jest pod pełną kontrolą użytkownika. Dzięki brakowi wbudowanego źródła energii, znacznik jest naprawdę mały i nie przeszkadza w codziennym życiu.

Istnieją także inne aplikacje czujników i interfejsu NFC w dziedzinie ochrony zdrowia. Firma NXP Semiconductors opracowała układ NHS3152 specjalnie z myślą o kontrolowaniu stosowania się do zaleceń terapeutycznych. Układ NHS3152 ma interfejs NFC i może komunikować się z siecią rezystywnych pasków, które umieszcza się pod folią opakowań z tabletkami. W momencie wyjmowania tabletki z opakowania, rezystancja nagle się zmienia, gdyż folia ochronna jest przerywana, a więc pozwala to wykryć zdarzenie wzięcia leku. System zapisuje to w pamięci, by móc przesłać informacje o odnotowanych akcjach, gdy tylko w otoczeniu pojawi się czytnik z interfejsem NFC. Opracowane rozwiązanie jest w stanie funkcjonować z bardzo małym źródłem energii i pozwala mieć pewność, że dane są przesyłane tylko i wyłącznie, gdy odczytuje je zatwierdzony wcześniej czytnik. Sprawia to, że poufność danych medycznych zostaje zachowana.

W aplikacjach związanych z łańcuchami dostaw i dystrybucją, połączenie funkcji znaczników i czujników sprawia, że łatwiej jest wdrażać rozwiązania w środowisku, w którym konwencjonalne czujniki byłyby niepraktyczne w użyciu lub po prostu zbyt drogie. Przykładowo, podczas transportu produktów spożywczych, kluczowym wymaganiem jest kontrolowanie temperatury i innych warunków środowiskowych. Wnętrze ciężarówki może być wyposażone w czujnik, który monitoruje ogólne poziomy tych czynników, ale często nie są to wystarczająco precyzyjne dane, by mieć pewność że wszystko potoczyło się zgodnie z wymaganiami. Ważne jest bowiem monitorowanie poszczególnych opakowań, by mieć pewność, że to wewnątrz nich temperatura nie przekroczyła krytycznych dolnych lub górnych wartości, co pozwala ocenić czy dany produkt wciąż nadaje się do spożycia.

O ile jest możliwe, by w opakowaniu zmieścić moduł z czujnikiem, który utrzymuje regularne połączenie z serwerami w chmurze poprzez bramkę internetową zamontowaną w ciężarówce, taka architektura systemu wymaga, by cała flota ciężarówek była kompatybilna z tymi modułami i połączona z siecią. Tymczasem ważne jest tak naprawdę, by dostęp do danych na temat przewożonych towarów mieć w momencie, gdy docierają one do głównych centrów logistycznych, w trakcie których są przekazywane do innych pośredników, albo gdy produkt dociera do odbiorcy końcowego. To w tych miejscach dane z opakowań można odczytać za pomocą specjalnych czytników. W rezultacie, w transporcie produktów spożywczych oraz w podobnych zastosowaniach świetnie sprawdzają się systemy oparte o znaczniki z interfejsem NFC. Różne czujniki mogą regularnie zapisywać dane na temat monitorowanych wartości lub notować je w momentach przekroczenia wartości granicznych, a następnie dane te są przekazywane do bazy w momencie przechodzenia przez punkt logistyczny, w którym znaczniki odczytywane są przez bramkę radiową, przez którą przechodzi paczka, albo za pomocą przenośnego czytnika.

W innych przypadkach czujniki środowiskowe można umieścić w magazynach lub w fabrykach. O ile może wydawać się, że korzystne jest by miały one stałe połączenie radiowe poprzez interfejsy Bluetooth czy ZigBee, tak naprawdę okazuje się, że takie implementacje mogą być problematyczne. Główną przyczyną są interferencje elektromagnetyczne, pochodzące z innych maszyn działających w otoczeniu lub ograniczenia w dostępności zasilania w danych lokalizacjach. Jeśli miejsca instalacji tych czujników wymagają dodatkowo okresowego kontrolowania wizualnego, a nie tylko zbierania danych, zastosowanie interfejsu NFC, by pobierać zapisane wewnątrz nich dane stanowi bardziej adekwatne rozwiązanie.

Układy takie jak NXP NHS3100 dobrze się sprawdzają zarówno w aplikacjach umieszczonych na stałe w jednej lokalizacji, jak i w sytuacjach, gdy muszą się one poruszać. Pozwalają próbkować warunki środowiskowe i przesyłać pozyskane dane za pomocą interfejsu NFC. Same układy NHS3100 zostały zoptymalizowane pod kątem monitorowania i rejestrowania temperatury oraz mają wbudowany interfejs NFC. Zintegrowany czujnik temperatury i możliwość bezpośredniego podłączenia do baterii lub akumulatora pozwalają stosować je również tam, gdzie potrzebne jest niezależne, trwałe źródło zasilania.

Dzięki takim komponentom, interfejs NFC może wypełnić przestrzeń rozwiązań IoT, w których utrzymanie ciągłej łączności jest niepraktyczne lub niepożądane. Układy te pozwalają też rozwijać aplikacje, w których nie ma możliwości zastosowania wewnętrznego źródła zasilania.

O autorze

Senior Global Product Manager, Farnell