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NFC/RFID应用典范 意法携手实现物联网大创意

  • 台北讯

意法半导体亚太区业务总监 陈人福。

意法半导体(STMicroelectronics,简称ST)在台湾与友尚集团共同举办以物联网(Internet of Thing)应用为主的研讨会,主题为「NFC/RFID毫微感应,ST连接创意大未来」的技术飨宴,于2018年4月17日(星期二)在新竹喜来登酒店举行。看好近场通讯(Near Field Communication;NFC)技术在物联网应用领域的爆发式成长良机,ST介绍旗下的系列半导体解决方案,包括NFC/RFID、类比感应元件、微控制器(MCU)、传感器等产品发展,现场并展示各种最新产品及应用实例。

意法半导体亚太区业务总监陈人福的开场致词时,彰显ST在2017年财报上的好表现,其主要的成长引擎就在于有效地掌握物联网技术的爆发式成长,物联网技术藉由传感器与云端服务,无远弗届串联真实世界的实时讯息,当中所激发的无限创意,加速企业创新的脚步,各式各样如雨后春笋般展现的使用情境,不断加速产业界创新的脚步,其中NFC/RFID的技术除了电子装置上大行其道之外,在汽车电子、工业4.0应用上更是展现令人耳目一新的设计,这也成为NFC/RFID技术的最佳舞台。

意法半导体产品营销经理 黄镫谊。

集佳产品拓产部业务经理 李砚楷。

意法半导体资深技术营销工程师 吴祥民。

意法半导体产品营销经理 余玟宏。

意法半导体产品技术经理 陈建成。

NFC/RFID毫微感应,ST连接创意大未来 现场盛况。

非电子性商品使用NFC技术的脚步也不遑多让,例如运动功能纺织品,零售门市以集客能力为主的应用,产品识别及各式软件的实时更新,搭配生产物流管理,以及愈来愈多样化的智能型电子装置,俨然成为一下个备受注目的关键发展领域,相关延伸之电子元件、半导体解决方案和服务所创造的商机将十分可观。

NFC突破装置连网障碍,力推无电源条件下的关键应用

意法半导体产品营销经理黄镫谊,提纲挈领摘要ST25系列产品线的发展动态与第一手的市场动向,他观察到现今主流的智能型产品大量集成人工智能技术的优势,其中在产品生产中无电源或产品故障无电源情境下的应用,ST25皆能提供优越的能量输出,一直是产业界所急需的关键技术。

这当中最引人注目首推NFC/RFID的技术,这是一种无线技术,可以在NFC Reader与卷标两端进行非接触式点对点的传递资料与能量,其中NFC卷标的核心存储器是EEPROM,其间所被看中的为资料保留期限、重复书写次数和资料保护能力。ST所提供的半导体解决方案是广受业界所推崇的主要供应商,在消费电子、计算机外围、家电、工业自动化和健康保健产品等领域大受好评。ST除了相关的控制与运算的芯片之外,存储器芯片当然不可少,尤其是ST的高质量的EEPROM产品,已经从2005年起连续13年维持全球第一的排名。ST的存储器产品让NFC/RFID的应用,有更完整、稳定的效能展现。

NFC/RFID若是依感应距离来区隔,可以区分为3~ 10公分的短距离,以及150公分的长距离两种,主要是分别由短距离的ISO 14443与长距离的ISO 15693的规格标准来加以规范,短距离NFC应用常见于手机的行动支付系统;长距离的NFC应用更是日益受到重视,NFC功能已经植入到Android与OS X阵营的智能型手机上,大量节省系统厂商开发App的工作,对NFC应用之推广有强大的推波助澜之效,市场规模令人期待,预估在2020年,扣除传统智能型手机上的使用量,仍有400亿美元的产值,前途大好。

谈到NFC Tag技术,黄镫谊进一步说明ST25动态NFC卷标设计的重要,这个主要由芯片与天线所组成的线路,资料经由Reader与卷标之间做双向的读取,卷标端不用电源就可以运行,由于ST25芯片可以由NFC/RFID reader充分截取所传递的能量,并提供优越的能量输出,让电子产品无需接电源或电池即可正常工作,这是智能产品所急需的关键技术。另外,ST25让每一个装置具备唯一的UID码的特性,这让产品履历资料或识别的应用,特别受用。

长距离ISO 15693的NFC为主的应用益发朝向多元化发展,黄镫谊举出几个实用的应用范例,例如ST25DV透过增加RAM存储器容量,大幅改善MCU装置利用NFC无线传输做系统韧体更新时的速度;此外,在低功率模式的范例中,ST25DV-W系列芯片,提供直接PWM输出而用来驱动低功耗马达,这有助于在高山、野外或不易取得电源时,利用NFC技术来做为紧急应变与特殊的应用。

电子纸的资料更新,亦是使用NFC技术的另一个卖点。电子纸在资料更新内容时才需要用电,藉由NFC感应而提供电能以启动资料双向传递与更新资料内容。另外,利用指纹辨识卡来做门禁管制的应用,也有异曲同工之妙,指纹辨识卡感应NFC装置后,门禁系统确认之后启动门锁而进入,这些应用都示范使用低阶MCU装置的低成本优势,所以产品可以做的更小、更美观也更简易。

利用NFC做为家电产品如微波炉、洗衣机与电视的参数设定,在德国的智能电表甚至使用NFC取代DIP 开关的设定,这些应用将肃立更多的典范应用,无论LED的亮度设定、仓储管理中清点数量与版本管理等用途的推出,皆加速NFC技术的大量普及。

冷链物流管控,准确追踪产品保鲜期的应用

集佳公司(GIGA-TMS)受邀展示RFID在冷链物流的应用,所谓的冷链物流是指温度敏感商品在适当温控下运送的管理技术,冷链物流一般常用于高经济作物如鲜花、鲜乳、鱼虾蟹、肉品等生鲜农渔牧产品,以及人命攸关的医疗疫苗等物流的管制,有监调查报告现高达46%的冷藏运输车辆是不合格的,所以让集佳投注于发展冷链物流管理的监测系统。

这个称为「BEE COOL」的解决方案包括手持式读取器、温度记录器与桌上型读取器等选配装置,追踪纪录冷链物流的运行,侦测断链的状况。集佳的温度计录器(称为Data Logger)有两种不同的外观设计以因应不同的使用情境与要求,可自由地设定温度纪录的周期时间,这两种Data Logger配备不同大小的电池与读取设定,最多可以使用超过一年的时间。

使用上将Data Logger装配在需要监控的物流商品上,利用手持式读取器或是桌上型读取器将温度资料上传到云端的服务器,并加以分析物流过程的温度控制的状况,进而提供实时精准的保鲜期参考。在食品消费方面,消费者扫描对应的QR CODE,可获取欲购买商品的运送温度信息,除原本的生产履历,配合运送温度讯息,提供更完整的食安信息。

BEE COOL 的Location ID的地理座标的追踪功能,当冷链发生状况时,何处断链不再是未知的难题。手持式读取器另配有蓝牙装置与条形码读取器。可透过蓝牙与手机App进行联机,让操作员一目了然所有的温度信息。条形码读取器,让此套BEE COOL能更顺利的导入目前仍多以条形码进行管理的各类型产业,更快速地进入下一个世代的管理技术RFID。

未来BEE COOL的解决方案将涵盖气体、湿度与震动的传感器的侦测技术,将应用范畴扩充到更多关键、高价值的物品管制与追踪。

迎接NFC天线设计的挑战,意法半导体提供完整设计工具

NFC技术藉由读取器和卷标的天线短暂接触时,将资料与能量做直接交换的步骤中,必须仰赖两者低频天线将资料与能量辐射出去而达到传递的效能,所以天线设计的良莠决定二者传输的效率与实际功能的表现,ST资深技术营销工程师吴祥民于会中介绍NFC天线设计的工程挑战。

NFC天线随著应用场域的限制,以及在智能型装置大小的考量,都连带影响PCB线路板的设计。为了因应NFC卷标天线频率的微调,往往需要预留外部电容装置来调整实际的频率,而NFC具备ISO 15693长距离与ISO 14443短距离的不同规范。以短距离NFC装置为例,当读取器与卷标近距离接触时,会产生较大的互感效应,造成频率下降趋势,所以ISO 14443卷标的天线的设计需要将频率升高,作为补偿。因此,ISO 15693与14443规格装置的NFC卷标天线设计所需要的最佳频率点不相同。

目前ST所提供的天线参考设计,根据上述不同的需求而设计,提供系统厂商的设计团队做为参考。若使用的PCB尺寸相近,甚至可以一并直接套用,以节省系统开发时间。如果需要特殊设计的天线,也可以在ST的网站上寻找相关于eDesignSuite的设计工具,将PCB尺寸与不同设计参数输入而得到协助。

天线设计需要配合机构的相应设计,测试时用网络分析仪加以量测,虽然设计天线大小不一,NFC卷标天线的频率基准点需要用外部电容加以补偿回来,而Reader的射频前端(RFFE)的设计,在PCB设计皆需要个别的量测,ST已经提供EVK的评估设计辅助套件,这可以大幅度节省天线设计所需要的时间。

物联网应用主流:STM32微控制器系列

ST的MCU产品线自2007年推出第1颗搭载arm Cortex-M核心的STM32开始,经过10年的长期耕耘,已经发展出一个完整的微控制器开发平台和生态系统。

随著越来越多物联网应用与智能型边缘运算装置上市,意法半导体产品营销经理余玟宏认为STM32系列产品的发展非常的积极。他直言STM32的功能变得更丰富,但是价格更亲民,一举让32位元MCU的未来发展开创更大的应用领域。

目前ST的四大MCU产品线,涵盖高效能(High-Performance)、主流(Mainstream)、超低功耗(Ultra-Low-Power),以及无线系列(Wireless)高效能系列MCU, 因应日益增加的高速运算的能力的需求,MCU内部的RAM存储器不断增大之外,浮点运算指令集则提高运算的精确度,DSP指令集缩短运算的时间。对于考量需要由电池驱动而着重于超低功耗能力表现的MCU产品线,同步也采用相对更小的半导体封装技术,兼顾超省电与超小型外观尺寸的应用。

即将上市的无线系列是ST强调物联网应用中重要的战略布局,余玟宏表示,针对不同的功能与技术要求,ST都有完整的产品组合,以满足产品在功耗与效能的无止境的追求。

ST另一个最重要的承诺,就是提供产品出货十年的保证。对于使用者衡量产品生命周期时,ST给予最大的支持。针对竞争日趋激烈的微控制器产品, 并推动物联网应用的快速普及,ST提供的多样化MCU产品及完整解决方案。特别值得一提的是STM32完整的开发工具,以及快速支持产业界需求的技术能力,这是ST之所以在MCU市场中胜出的关键能力。 并且坚持开放式开发环境,透过STM32 Nucleo开发板、STM32马达控制软件开发模块、STM32CubeMX软件开发环境,以及集成AWS服务所需要的X-CUBE-AWS开发套件,建构出完整的开发者生态系统。目前已推出的多种评估板,范围涵盖ST全系列MCU产品线,协助系统厂商快速导入MCU的应用。

意法半导体高精确MEMS传感器,为人工智能分析的精准预估的打下基础

ST对于以工业4.0与智能制造和汽车制造产业所需要的MEMS传感器已经有长期的合作经验。产品技术经理陈建成分享ST的MEMS传感器的应用与发展。他自豪地表示意法半导体传感器的出货已经超越130亿颗,虽然以数量来说,MEMS传感器用在传统的消费性电子与手机的市场所占大宗,但是新兴的应用逐渐朝向汽车电子与智能制造的应用快速扩张。

他指出多样化RF模块与多种物联网应用所需的无线传输模块,其集成了MEMS传感器,且发展迅速,其呈现异军突起的大势。ST透过技术合作,频藉著敏锐的市场信息与观察,紧跟著市场效益成长而开发新的传感器,许多新的产品集成了包括麦克风、双频 Sigfox与BLE组合,或是更多的MEMS压力计集成到手机与穿戴式装置上。而特殊的智能生活应用,有愈来愈多的应用仰赖传感器所提供的高准确度信息,以其为人工智能分析的精准预估的基础,所以MEMS的产品从小封装、低功耗、以及愈来愈精确的MEMS传感器产品,纷纷抢进重要的市场,因为物联网的应用需要分析资料能力愈来愈高,所以传感器的精准度决定未来的胜负。

MEMS传感器大量安装在汽车上,举凡六轴陀螺仪加上环境传感器,以及加速度器和麦克风的组合,用来提供更多的关键数据,让自驾车的算法更容易判断与预测真实的路况与使用者情境。同样的状况也不断地复制到工业应用上,诸如加速度器、陀螺仪、麦克风与无线连接的应用,让智能制造不断追求最大化的效率,传感器融合的技术势必为汽车电子与智能制造的发展带来更丰沛的市场机会。