Měření teploty spojte s NFC. A novinkami od ams

Dlouhodobý sběr údajů např. o teplotě, jejich zápis a také komunikaci směrem výš vyřešíme mnoha různými způsoby a díky možnostem NFC třeba i bezdrátově a s energií získanou z okolního prostředí, které nadto nemusí být pokaždé jen vlídné.

Sbíráme energii i data

Přepravovat a skladovat potřebujeme nejen potraviny nebo např. léčiva a právě na jejich „zranitelnosti“ mohou nejlépe vyniknout nové dohledové obvody „NFC-V sensor tag and data logger IC“, jinak též AS39513 od firmy ams [1]. Dávají totiž vzniknout miniaturním zapisovačům teploty s přívlastkem „ecofriendly“, které navzdory svému jednorázovému nasazení, např. ve formě chytré nálepky, nabídnou jak bezdrátové rozhraní, tak též odpovídající přesnost a navrch ještě přidají možnosti zpětného dohledání až 1 020 časově orazítkovaných výsledků v 8bitovém režimu zápisu. Jedinečné ID, uloženou teplotu nebo i další údaje získáváme z vnitřní paměti jakoukoli autorizovanou čtečkou NFC, chytrým telefonem, tabletem apod. a z pozice zákazníka se tak na základě faktů kupříkladu rozhodujeme o převzetí zásilky nebo jejím odmítnutí.

Novinkou AS39513 přinášející lepší vlastní čidlo se zaručovanou přesností ±0,5 °C pro klíčový rozsah od –20 °C až do +10 °C, příp. ±1 °C, pokračujeme-li až k +55 °C, nahradíme SL13A od stejného výrobce. Kompletní řešení [2] dále pamatuje na NFC front-end, analogové rozhraní pro vnější odporový senzor SEXT, hodiny reálného času, 10bitový A/D převodník, konfigurovatelnou jednotku pro záznam dat, heslem chráněnou paměť EEPROM 9 kbitů nebo rozhraní SPI pro spojení s externím mikrokontrolérem. A pokud jde o výšku, nemusíme se dostat ani přes 0,3 mm. Výsledná podoba pouzdra jen pro pořádek rozlišuje mezi Bare Die a WL-CSP (5 × 5).

Centimetry, metry, roky

Obvody z obr. 2, jejichž AFE pracuje na 13,56 MHz, vystupují z půli jako pasivní čip (BAP) s optimalizací pro bateriově napájené chytré visačky s funkcí měřicího senzoru. Tenké napájecí a snad i ohebné články dodávající 1,35 až 1,8 V nebo 2,2 až 3,3 V se sice budou hodit, ale nesmíme zapomínat, že struktura rovněž umožňuje naprosto pasivní provoz pouze na základě vysokofrekvenčního pole získaného ze čtečky RFID. Takové rozhraní je přitom zcela ve shodě se standardy ISO15693 a NFC-V (T5T), kdy výsledky načítáme s mobilním telefonem podporujícím NFC v rozsahu několika centimetrů, ale pro pohodlnou souběžnou práci s větším počtem tagů osazených ve skříních nebo chladicích zařízeních se správnou čtečkou třeba i ze vzdálenosti jednoho až dvou metrů.

A dojde i na chráněné označení příkazů Cool-Log skýtající možnost úplného řízení včetně konfigurace režimů pro zápis dat a také souvisejícího časování. Měření teploty se odehrává v pevně daných intervalech, lze je spouštět, pokud teplota překročí nastavený práh, příp. si ještě pomůžeme signálem z externího zařízení. Zmíněná stěžejní inovace znamená vedle flexibility rovněž velmi nízkou vlastní spotřebu bez účasti mikrokontroléru. Díky odběru v režimu standby na typické úrovni 2,14 μA (3,0 V + aktivní RTC), resp. s uvážením provozní spotřeby 166 μA vykazované během záznamu (16 ms, 3,0 V), zvládají obvody AS39513 autonomní zapisování teplotních údajů s využitím článku s kapacitou 30 mAh po dobu více než jednoho roku – samozřejmě v závislosti na četnosti měření, chemickém složení baterie nebo teplotně závislé charakteristice při vybíjení.

S mikrometry raději na desku

Z vf pole dokáže struktura o rozměrech 2 403 μm × 2 313 μm, jejíž cena se při odběru 5 000 kusů zastavila na 1,19 dolarech, vytěžit pro vnější obvody při 1,8 V až 3 mA. Její vývojová sada v ceně 65 dolarů, kterou vidíme na obr. 3, pak zahrnuje desku spolu s aplikací pro zařízení běžící pod operačním systémem Android. Vše, tzn. od činnosti dle standardů ISO přes měření a zápis teploty či napětí na baterii až po jednoduché propojení s vnějším čidlem či mikrokontrolérem, si tak můžeme vyzkoušet buď s chytrým telefonem podporujícím NFC, nebo speciální čtečkou RFID pracující dle ISO15693. Součástí balíčku [3] připraveného k okamžitému použití bude i mincová baterie typu CR2032.

Bez rukaviček

S rozhraním NFC se však dokážeme pohybovat i v náročnějším prostředí klíčových průmyslových aplikací a produktů s požadavky na velmi vysokou spolehlivost a také dlouhou životnost. V tom případě se obrátíme na služby další z novinek od společnosti ams, tentokrát obvodů „NFC Forum Compliant Dynamic Tag“, tedy AS3956, sloužících díky host mikrokontroléru jako bezkontaktní přemostění mezi senzory a jakoukoli čtečkou NFC, znovu třeba i telefonem, a to včetně zařízení od Applu [4].

Během samotného vývoje robustních obvodů AS3956 [5] se v ams zaměřili na zákazníky vyrábějící produkty nejen pro populární internet věcí IoT, ale především do průmyslové sféry. Tomu také odpovídalo intenzivní testování v reálném prostředí, které muselo prověřit vlastnosti a také spolehlivost čipu v náročných provozních podmínkách.

Pasivní přístup jako výhoda

Na rozdíl od spotřební skupiny tagů budou novinky vhodné spíše do aplikací vystavených extrémnímu teplotnímu rozsahu od –40 °C až do +125 °C, např. pro systémy topení a vzduchotechniky HVAC, bezdrátová čidla pro civilní infrastrukturu, ale také naslouchátka, platební karty nebo další systémy, od kterých očekáváme nulovou chybovost. Interní paměť EEPROM, kterou vidíme na obr. 5, ustojí přinejmenším 100 000 cyklů a svá data si při teplotě +125 °C udrží po dobu deseti let.

Svižný přenos dat zajišťují rozhraní SPI a I²C (až 5 Mb za vteřinu) společně s optimalizovanými protokoly a režimy Tunneling a Extended umožňujícími ve výsledku obousměrnou komunikaci mezi mikrokontrolérem a externím zařízením podporujícím NFC či čtečkou (ISO14443A). Obvody AS3956 mohou znovu těžit z přítomnosti vf pole a obejít se tak bez jakéhokoli vnějšího zdroje napájení, příp. mu alespoň výrazněji prodloužit výdrž. Rozsahem se přitom pohybujeme od 1,65 až do 5,5 V, a pokud jde o sběr energie, dostáváme při 4,5 V až 5 mA. Zmíněná „těžba“ se tak může stát vhodnou alternativou ke standardnímu bezdrátovému nabíjení, kdy prodlužujeme nejen životnost baterie, ale dokážeme tak navrhnout zcela pasivní systém bezdrátového snímání vhodný např. pro chytrá pera s inzulinem.

Rozměry ani cenou se příliš trápit nemusíme, vždyť miniaturní provedení ve stylu CSP s výškou 0,3 mm zabere pouze 1,8 × 1,4 mm a v případě pouzder MLPD pak dostáváme stále pěkně použitelné 3 × 3 mm. Při objednávce tisíce kusů počítejme s 0,53 dolary za jedno vyhotovení, a pokud budeme chtít, tak třeba i s vývojovými nástroji z obr. 6 [6].