Mit der Verbreitung von kabellosen Konnektivitätslösungen und der Zunahme an Smartphones, die mit diesen Konnektivitätslösungen ausgestattet sind, wird eine Technologie kontinuierlich für ihre innovative Verwendung bewertet: Near Field Communication (NFC).
Anwendungen im Bereich Automatisierung, Medizin, Gesundheit und Fitness, Wearables, IoT, Consumer Electronics und Industrie beinhalten nach wie vor NFC. Eine Schätzung sagt voraus, dass die Versendung von IC-Bausteinen von NFC 2018 eine Milliarde Einheiten erreichen wird.
NFC-Produkte haben mehrere einzigartige Eigenschaften, durch die sie für neue und innovative Eisatzmöglichkeiten geeignet sind und den Anwendungen, denen sie dienen, eine leichte und komfortable Bedienbarkeit verleihen. Heute existieren bereits mehr als 500 Millionen mit NFC-Produkten ausgerüstete Geräte, die eine große Zahl von verschiedenen Anwendungen unterstützen und mit neuen Endgeräten und Erzeugnissen, die dies zusammenbringen expandiert die Infrastruktur weiter und wird robuster.
Was ist NFC?
NFC ist eine bidirektionale, kabellose Kommunikationstechnologie mit kurzer Reichweite, die aus der Hinterlassenschaft der Standards für kontaktlose Karten mit Hochfrequenz (HF)-Funkerkennung (RFID) entwickelt wurde. NFC fügt zusätzliche Betriebsmodi zu den vorhandenen RFID-Standards hinzu. Sie arbeitet mit 13,56 MHz und bietet eine Lesereichweite von einigen Zentimetern, die eine zugehörige Lesezone und inhärente Sicherheit für die Anwendungen, denen sie dient bietet. ISO14443A/B und ISO15693 sind einige der Schlüssel-Datenkommunikationsprotokolle für NFC. Das NFC-Forum, eine Industrie-Organisation für NFC-Technologie spezifiziert drei Betriebsmodi für NFC-Bauteile:
-
Peer-to-Peer: Dieser Modus liefert einen Kommunikationsmodus zwischen zwei Bauteilen, wobei beide Bauteile, wenn nötig, die Kommunikation veranlassen können.
-
Reader/Writer: In diesem Modus kann ein NFC-Bauteil Daten von NFC/RFID-Tags und kontaktlosen Smartcards lesen und an sie schreiben.
-
Karten-Emulation: In diesem Modus verhält sich ein NFC-Bauteil wie ein Tag oder eine kontaktlose Smartcard
Je nach unterstütztem Betriebsmodus sind IC-Bausteine von NFC grob klassifiziert als:
-
Tags, auch Transponder genannt: Bauteile, die Daten speichern. Tags können aktiv oder passiv sein, je nachdem, ob sie aktiv mit Strom versorgt werden oder nicht. Sie können auch klassifiziert werden als statisch oder dynamisch, je nachdem, wie die gespeicherten Daten aktualisiert werden - einmal programmiert oder dynamisch aktualisiert. Dynamische Dual-Schnittstellen-Tags ermöglichen einem Host-Controller (über SPI oder I2C angeschlossen), Daten im Tag-Speicher zu aktualisieren, die dann über die NFC-Schnittstelle gelesen werden können.
-
Reader/Writer: Bauteile, die über den Äther von den Tags lesen oder an sie schreiben und dabei die NFC-Schnittstelle verwenden. Das Reader/Writer-Bauteil initiiert die HF-Kommunikation zum Tag und erzeugt das elektromagnetische Feld, das die Tag-Ladung mit den Daten moduliert.
-
NFC-Bauteile: IC-Bausteine von Transceivern, die alle drei Betriebsmodi unterstützen - Reader/Writer, Peer to Peer und Karten-Emulation, wie vom NFC-Forum spezifiziert.
NFC kann vielen Anwendungen im Bereich Medizin, Gesundheit und Fitness, IoT und Consumer Electronics eine einfache und bequeme Verwendbarkeit verleihen. Obwohl der Anwendungsbereich von NFC-Technologie also nicht auf industrielle Anwendungen beschränkt ist, konzentriert sich dieser Artikel darauf, einige Verwendungsfälle für diese Technologie im industriellen Bereich zu beleuchten.
Eine große Bandbreite von industriellen Anwendungen ermöglichen
Anwendungen im industriellen Bereich können enorm von den Schlüsseleigenschaften von NFC profitieren - kabellose Konnektivität, geringer Stromverbrauch, Möglichkeit zum Passivbetrieb (ohne Batterie) und Sicherheit. Eine Industrie-Schätzung sagt voraus, dass die Versendung von IC-Bausteinen von NFC in diesem Bereich 2018 200 Millionen Einheiten erreichen wird.
Knoten mit einem Zugang verpaaren: in einer vernetzten Industrieumgebung gibt es viele Geräte (Knoten), die über einen zentralen Zugang über Bluetooth®, Wi-Fi, 802.15.4, Zigbee etc... miteinander verbunden sind. NFC kann eine sichere und bequeme Verpaarung dieser Geräte mit einem einfachen Abgriff ermöglichen. Ein in einen Knoten eingebundenes NFC-Tag kann die Konfigurationseinstellungen an ein Lesebauteil in einem Smartphone oder einen Zugang leiten, um sie leicht zu verpaaren. Wenn die Anzahl der Knoten in einem System ansteigt, kann die Komplexität beim Verpaaren der Knoten durch Verwendung von NFC vereinfacht werden.
Service-Schnittstelle: NFC-Bauteile können als bidirektionale Daten-Leitung zu Industrie-Gerätschaften hin und aus ihnen heraus fungieren. Ein dynamischer Dual-Schnittstellen-Transponder kann Daten von einem mit NFC ausgerüsteten Gerät (z.B. Smartphone, Tablet) empfangen und sie über 12C/SPI oder eine andere digitale Schnittstelle an einen eingebauten Host-Controller weiterleiten. Diese Implementierung kann zur Aktualisierung von Firmware und zur Wartung und zum Erhalt von Diagnose-Daten verwendet werden, wobei Kabel und die Notwendigkeit für zugewiesene Terminalbildschirme an den Gerätschaften vermieden werden, was wiederum Kosten reduziert.
Zugriffskontrolle: Durch die Verwendung ihrer auf geringer Entfernung basierenden, sicheren Konnektivität können NFC/RFID-Tags und Reader/Writer-Bauteile zur Zugriffskontrolle verwendet werden. NFC-Lesebauteile können in Gerätschaften oder spezifische Bereiche einer Einrichtung eingebaut werden, um Zugriff durch bevollmächtigtes Personal zu kontrollieren und zu protokollieren, das seine RFID-Karten oder mit NFC-ausgerüsteten Mobiltelefone verwenden kann, um Zugriff zu erhalten.
Produkt-Authentifizierung und Teileverfolgung: NFC-Tags können in Gerätschaften eingebaut werden, um Fälschung zu verhindern und auch zur Teilenachverfolgung. Die auf dem NFC-Tag gespeicherten Daten können mit der einzigartigen Identifizierung (UID) des Tags verschlüsselt werden.
Kabellose Sensoren: Kabellose Sensor-Anwendungen können mit NFC-Tags ausgestattet werden, wobei die Schnittstelle nicht nur für Datentransfer, sondern auch für die Stromversorgung von Sensoren verwendet werden kann, indem sie Energie vom HF-Feld des Lesers abzweigt. Eine solche Anwendung sind hermetisch (luftdicht) versiegelte, in Glas eingekapselte Sensorknoten. Die Einkapselung ermöglicht den Einsatz unter harten Betriebsbedingungen und NFC liefert kabellose Konnektivität und Passivbetrieb (ohne Batterie). Sogar im Fall von batteriebetriebenen Konten ist eine verlängerte Lebensdauer der Batterien wünschenswert; der geringe Stromverbrauch, eine Eigenschaft von NFC, kann dies ermöglichen.
Fernfühler-Netzwerke: Verbunden mit Bluetooth® oder Wi-Fi kann NFC verwendet werden, um Fernfühler-Netzwerke zu erzeugen, wo Knoten durch Verwendung von NFC, leicht innerhalb des Netzwerks gepaart/bereitgestellt werden können, um einfachen Abgriff und Anschließen zu ermöglichen. Die NFC-Schnittstelle kann auch verwendet werden, um mit einem NFC-Lesegerät, wie z.B. einem Smartphone, auf Daten von einzelnen Knoten zuzugreifen.
Designaspekte für Entwickler
Der Stromverbrauch, die Verfügbarkeit von nichtflüchtigem Speicher zum Datenspeichern und die Kosten für das Bündeln mehrerer Eigenschaften, die diese Anwendungen aktivieren, sind die Hauptanliegen von Entwicklern solcher Anwendungen. Andere wichtige Faktoren sind die Lesereichweite, der Entwicklungsaufwand, die Implementierungskosten und die Sicherheit der Datenkommunikation.
Texas Instruments NFC-Portfolio
Texas Instruments hat ein breites NFC-Portfolio, das Bauteile aus allen drei Kategorien umfasst. Es umfasst passive (Tag-itTM) und dynamische Dual-Schnittstellen NFC-Transponder IC-Bausteine (RF430CL330H), hochintegrierte NFC-Sensor-Transponder-IC-Bausteine (RF430FRL152H), NFC-Reader/Writer-IC-Bausteine (TRF7960A) und NFC-Geräte-Transceiver IC-Bausteine (TRF7970A).
TI NFC-Produkte liefern eine robuste HF-Leistung, wobei sie mit extrem geringer Energiezufuhr auskommen. NFC-Transponder und Transceiver-Bauteile haben etliche Low-Power-Modi, um den Stromverbrauch im aktiven und im Standby-Modus zu reduzieren, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Die "Bei HF-Erkennung Aufwachen"-Funktion an diesen Bauteilen ermöglicht den Entwicklern, Konstruktionen zu entwerfen, die im Low-Power-Status bleiben, bis ein HF-Feld erkannt wurde.
TRF7970A ist ein mit allen Funktionen ausgestatteter NFC-Transceiver, der alle drei NFC-Betriebsmodi unterstützt: - Reader/Writer, Peer to Peer und Karten-Emulation, wie vom NFC-Forum spezifiziert. Er ist ein hochintegriertes Multi-Protocol (ISO14443A/B, ISO15693) NFC-Bauteil, das dafür entworfen wurde, einen extrem geringe Stromverbrauch zu erreichen, und von der NFCLink Firmware-Bibliothek unterstützt wird, die eine einfache Portierung von NCI-Funktionen an verschiedenen Host-Prozessoren ermöglicht.
Der vor Kurzem herausgegebenen RF430FRL152H NFC-Sensor-Transponder enthält FRAM (nichtflüchtigen) Speicher zur Datenspeicherung und bietet eine hochintegrierte Lösung mit einer programmierbaren MCU für Sensor-Anwendungen, die NFC (ISO15693)-Konnektivität erfordern. Er wurde so konstruiert, dass er eine leicht zu verwendende Ein-Chip-Lösung bietet, die die BOM-Kosten und den Entwicklungsaufwand für die Entwickler reduziert
TI bietet große Ressourcen, damit Entwickler mit ihren Entwürfen beginnen können. TI Designs ist eine Bibliothek von Entwurfsvorlagen, die es den Benutzern ermöglicht, die Ressourcen zu verwenden, die TI bereits zusammen herausgegeben hat.