česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 01. prosinec 2022

Úsporné bezdrátové rozhraní pro komunikaci s chytrými telefony

NFC je jedním z několika bezdrátových rozhraní používaných v moderních chytrých telefonech. Dá se využít pro vstup i výstup, pro lokální přenos dat nebo také jako internetová brána (gateway) pro přístroje všeho druhu. K jeho využití je potřeba pouze velmi malé investice. Navíc ho lze využít i pro přenos energie až do 100 mW, takže některé přístroje mohou pracovat i bez vlastního napájecího zdroje. Kdo se doposud z finančních důvodů obával použití WiFi a Bluetooth, tomu nyní NFC nabízí podstatně levnější alternativu.

Aplikační procesory pro každého a pro cokoli

Nezáleží na tom, na jakém novém projektu se právě pracuje –bez vlastní aplikace pro běžné chytré telefony se tento výrobek brzy dostane do konkurenční nevýhody. Aplikaci pro obsluhu, kontrolu a údržbu anebo i pro vlastní logistiku výrobku lze sestavit rychle. Jako lokální bezdrátové rozhraní slouží většinou WiFi, klasické Bluetooth, nízkoenergetické Bluetooth (Bluetooth Low Energy), ANT a NFC. Každá technologie má své opodstatnění –ale kterou z nich použít s vynaložením minimálních finančních prostředků a s jakými omezeními se musí počítat?

NFC je taky jenom RFID

Bezdrátová komunikace NFC (Near Field Communication) je založena na známých RFID protokolech ISO/IEC 14443 (Short Range) anebo na 15693 (Long Range), které jsou prakticky již podporované, avšak oficiálně stále ještě ve schvalovacím procesu.

Oproti klasickému RFID existují u NFC tři různé provozní režimy. Chytrý telefon může fungovat coby vyhledávač, kdy sám může budit elektromagnetické pole (Reader Mode), ale i jako zprostředkovač, který reaguje čistě pasivně na externí generovaná pole (Card Emulation Mode). V režimu Peer-to-Peer spolu komunikují dva NFC přístroje prakticky v témže okamžiku aktivně i pasivně.

Aby se vývoj komunikace s chytrým telefonem realizoval pokud možno s co nejnižšími náklady, využívá se aktivní režim čtení přenosných minipočítačů. Přes induktivní anténu ve formě levných, ale velkých obrazců plošných spojů na desce, anebo ve formě cívky v podobě osazené součástky je možné zpřístupnit mobilnímu telefonu paměť cílové aplikace. Protože paměť je zároveň spojena i s mikrořadičem cílové aplikace, mluvíme o Dual-Interface-Memory. Takovéto paměťové moduly existují v provedení jako EEPROM anebo FeRAM, s různě velkým objemem paměti, s různým AES šifrováním, hostitelským rozhraním a funkcí Energy Harvesting. Podle typu aplikace se použije například paměť jen 64 kB, nebo také pouze 4 kB, která se použije ve funkci pomocné vyrovnávací paměti pro přenos dat.

Obr. 1 Znázornění provozního režimu NFC

Obr. 1 Znázornění provozního režimu NFC

Na aplikaci rovněž závisí i použití protokolu. Standard ISO/IEC 14443 je dimenzován až do 106 kbps spíše pro rychlejší přenos dat. Podle způsobu provedení antény by se však měl chytrý telefon držet těsně u cílového přístroje. Typický dosah je kolem 10 cm, nad tuto hodnotu už bývají rozměry antén velmi nepraktické. Naproti tomu u standardu ISO/IEC 15693 je možné docílit s vhodnými anténami dosahu až 30 cm. Kvůli přenosové rychlosti 26 kbps je ale tato technologie vhodná spíše pro výměnu vstupních dat nežli pro přenos dat mikroprogramového vybavení či informací s obdobným objemem dat.

NFC – známý při placení, pomocník pro ledacos

Existuje nespočet příkladů použití, v nichž může být současný přístup do paměti přes mikrořadič i smartphone užitečný. Tak se tím například může zjednodušit párování (Pairing) mezi přístroji s Bluetooth, stejně tak i napojení přístrojů WiFi do stávajících infrastruktur. Zadání pinu, síťového jména anebo bezpečnostního klíče může u NFC odpadnout díky krátkým provozním vzdálenostem. Kdo by chtěl i nadále omezit přístup, může navíc pomocí čísla UID (celosvětově jedinečné identifikační číslo paměti RFID) identifikovat přístroj a nastavením databáze povolit anebo zamítnout párování Bluetooth či napojení na WiFi.

Pokud je mikrovlnná trouba vybavena podobným čipem s duálně propojenou pamětí, je možné do ní mobilním telefonem uložit recepty z internetu a naprogramovat její doporučená nastavení rovnou přes NFC. Digitální cenovky a jmenovky, které jsou vybaveny displejem ePaper, se dají nejenom programovat mobilním telefonem s NFC, ale přes NFC je možné dodávat i energii pro zobrazení displeje, takže není zapotřebí ani baterie ani konektoru pro kabelové připojení k napájecímu zdroji. Stejně tak se dají napájet i teplotní čidla, která při dotyku s mobilním telefonem s funkcí NFC snímají naměřenou hodnotu a přenášejí ji do telefonu, aby tam byla uložena či dále zpracována.

Obr. 2 Blokové schéma M24LR04E, M24LR16E a M24LR64E

Obr. 2 Blokové schéma M24LR04E, M24LR16E a M24LR64E

Už během výroby a osazování základních desek plošných spojů je možné na ně uložit jejich výrobní data. Tak může být skrytě dokumentován pozdější servis, údržba, oprava a aktualizace. Navíc se tím vyloučí i možná záměna hardwaru. Tato vlastnost není užitečná jen pro výrobce či servisní techniky, profituje z ní i koncový spotřebitel: má-li zařízení nějaký problém, může uživatel přiblížit svůj chytrý telefon k danému výrobku a zobrazit si tak instrukce s pokyny pro vyhledání a opravu problému. Přes NFC paměť se do chytrého telefonu přenese informace o zařízení, jeho stav a generovaný chybový kód. Aplikace specifická pro toho kterého výrobce odešle tyto údaje na server, který odpoví odkazem na PDF soubor s podrobným popisem o ovládání daného výrobku.

Vyrobená zařízení se dají dokonce přeprogramovat, aniž by se musel otevírat obal anebo musela vkládat baterie. Rovněž tak může potenciální zákazník v obchodě přidržet svůj chytrý telefon u zboží, aby o sekundu později dostal vhodné reklamní video zaslané z internetu do mobilu.

Uvedený přehled možných způsobů použití lze rozšiřovat takřka donekonečna. Omezujícími faktory jsou tu pouze detekovaná dosahová vzdálenost a propustnost dat.

Již dostupné produkty

Společnost Rutronik spolupracuje jako oficiální franšízový partner se třemi výrobci takovýchto čipů s duálně propojenou pamětí s funkcí NFC. Výrobky od firem Panasonic, Fujitsu a ST vykazují ve specifikacích jen nepatrné odlišnosti. Zatímco ST používá EEPROM a ISO15693, Fujitsu FeRAM a také ISO15693, Panasonic podporuje ISO14443 pomocí FeRAM. Energy Harvesting má v nabídce ST i Panasonic –obě firmy dovolují dodávat přes chytré telefony (anebo jiné RFID-Reader) až 100 mW energie, což mikrořadiči, senzoru a LCD displeji stačí. Aby měli vývojáři možnost sami si dostatečně vyzkoušet dané řešení, nabízí ST demonstrační kit „M24LR-Discovery“. Ten sestává ze čtecí desky, která vychází z CR95HF a která může být přes USB napojena na počítač. Součástí kitu je navíc i pasivní deska používající čip M24LR04E. Ta napájí přijatou energií mikrořadič, analogově- číslicový převodník pro zobrazení indukovaného napájecího napětí, teplotní čidlo, tlačítka a displej LC. Pokud je aktivován NFC na mobilu a ten se drží v blízkosti základní desky M24LR, zobrazí se teplota anebo napětí. Pokud se jedná o smartphone s Androidem se schopností NFC, pak se dá řadič, resp. displej, přeprogramovat pomocí dostupné aplikace. Jako alternativu k mobilu NFC s Androidem nabízí ST na své domovské stránce ke stažení Windows program pro přiloženou základní desku CR95HF, s níž lze desku M24LR přeprogramovat.

Vedle M24LR04E se 4 paměťovými bloky po 1 kbitu jsou k dostání rovněž i verze se 16 anebo 64 paměťovými bloky. Každý paměťový blok může být individuálně bezdrátově chráněn třemi hesly před možností zapisování a/ nebo čtení. EEPROM vydrží 1 milion cyklů zápisu a data ukládá až po dobu 40 let bez ztráty dat. Napájení se může pohybovat v rozmezí 1,8 V až 5,5 V. Vysokorychlostní režim (High- -Speed-Mode) rozhraní RF dovoluje přenos až 53 kbps.

Anténa může být realizována třemi různými způsoby

Externí anténa (obr. 3 vpravo) může být umístěna většinou blíže ke stěně tělesa než anténa na desce plošných spojů (obr. 3 vlevo), a tím umožňuje větší provozní dosah. Náklady jsou kvůli nezbytným kabelům a relativně složité montáži odpovídajícím způsobem vyšší. Navíc se může přenos dat pro výrobní logistiku použít až poté, co je připojena anténa.

Obr. 3 Možné realizace antény - plošným spojem na desce (vlevo), cívkou (uprostřed), externí anténou (vpravo)

Obr. 3 Možné realizace antény - plošným spojem na desce (vlevo), cívkou (uprostřed), externí anténou (vpravo)

Cívka 4,7 μH v podobě osazené součástky (obr. 3 uprostřed) vyžaduje celkově nejméně místa. Dosah je však spíš omezený, navíc musí být přesněji nastavena na čtecí anténu. Z toho vyplývá, že jako nejúspornější rozhraní přichází v úvahu pouze použití antény v podobě plošných spojů hned vedle čipu M24LR04E. Podle toho, jaký je požadovaný dosah, může být velikost antény předem vypočtena pomocí aplikace, která je rovněž ke stažení na domovské stránce firmy ST. Rutronik nabízí kromě toho vyzkoušení referenční antény.

Při zkušební montáži se Samsung (Google) Nexus S vznikla čtyřikrát menší konstrukce antény než u srovnatelných technologií ISO14443. Anténa 75 ×45 mm umožňuje dosah mobilního telefonu 55 mm, anténa 20 ×40 mm má dosah 32 mm. Teprve anténa 15 ×15 mm by mohla svojí malou provozní vzdáleností 17 mm činit některým přístrojům problémy.

V praxi to znamená, že lze s chytrým telefonem dosáhnout vzdálenosti až kolem 5 cm. Kdo již ve výrobě používá duální komunikaci EEPROM a používá velké antény na průmyslové čtečce, může stejné PCB programovat ze vzdálenosti přibližně 1,5 m.

(Více)náklady

Cena za M24LR04E se pohybuje kolem 6 Kč za kus. Srovnatelný EEPROM bez bezdrátového rozhraní a Energy Harvesting stojí kolem 2 Kč. Z toho tedy vycházejí dodatečné náklady kolem 4 Kč na zprovoznění internetového připojení koncového přístroje, výměnu tlačítek a displeje či připojení jazykových funkcí anebo rozhraní pro servis a aktualizace.

Vhodné alternativy k NFC

Podle zvoleného hostitelského řadiče a periférie není NFC i přes nízké vícenáklady ve výši kolem 4 Kč přece jen tím nejvhodnějším způsobem, jak spojit přístroj s chytrým telefonem.

Zajímavou alternativou je systém Wireless On Chip Derivat od Nordic Semiconductor. Nordic nabízí k nRF51822 zdarma Bluetooth Low Energy Stack. Jak čip, tak i zásobníková paměť jsou již certifikovány společností Bluetooth Special Interest Group. Zákazník dostane Cortex ARM M0 mikrořadič s analogově číslicovým převodníkem, flexibilní správou GPIO a 128 anebo 256kB Flash pamětí a potřebuje externě pouze 16MHz krystal, ST BAL-NRF01D3 a anténu 2,4 GHz, kterou lze rovněž realizovat zadarmo přímo na desce. Rozpiska materiálu se pohybuje s cenou pod 50 Kč, takže tím nevzniknou žádné, anebo jen nepatrné vícenáklady v porovnání s konvenčními hostitelskými řadiči. Dosahová vzdálenost překračuje se svými téměř 50 metry při shodném vysílacím výkonu nejen NFC, ale i klasické Bluetooth. Knoflíkový akumulátor CR2032 vydrží navíc napájet zařízení většinou několik let.

Příklad tedy ukazuje, že ne vždy je na první pohled výhodnější řešení také tím skutečně nejlepším. Zkušení odborníci distributora součástek na problematiku bezdrátových aplikací mají přehled o nejrůznějších možnostech, které přesahují rámec jednoho výrobce, a jsou tu pro zákazníky, aby jim poradili anebo pomohli.

www.rutronik.com

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik