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NFC/RFID無線技術加持 物聯網應用創新

  • 賴品如

物聯網 (IoT) 應用加速擴散,促使許多業者相繼投入智慧城市、智慧居家、智慧生活、倉儲管理、身分辨識、遠端醫療等應用領域。市調機構IDC預測,2017年全球物聯網市場規模將超過9 ,300億美元,較去年增加1千億美元,且3年後將成長至1.46兆美元,市場應用大爆發,帶動眾多技術及產品的創新。

在各種物聯網連結技術中,NFC/RFID所具有的特性足以靈活實現各種創新的物聯網智慧應用。為協助台灣合作夥伴瞭解NFC/RFID技術的最新發展並克服諸多設計挑戰,進而快速推出符合市場需求的產品,半導體產業領導廠商意法半導體(ST)與代理商安富利(AVNET)攜手於日前舉辦「意法半導體物聯網研討會-ST.NFC與您攜手共創智慧生活」,會中邀請多位專家分享NFC、RAIN RFID的進展,以及微控制器、天線設計技術及資安等物聯網相關議題。

段標:NFC便宜又方便 快速實現物聯網

首先登場的是意法半導體產品行銷經理黃鐙誼,他分享NFC技術的優勢,以及ST所推出之相關產品及解決方案。NFC(Near Field Communication;近場通訊)屬於短距離高頻無線通訊技術,可實現電子裝置之間的非接觸式點對點資料傳輸及資料交換,因此應用範圍也就更形擴大。NFC在13.56MHz頻率運行於20公分距離內,其傳輸速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三種。目前NFC已通過成為ISO/IEC IS 18092國際標準、EMCA-340標準與ETSI TS 102 190標準。

特別值得一提的,NFC可同時傳遞資料和能量,所以即使是未供電物件,無論位在何處,只要嵌入NFC標籤就能新增智慧功能,再者,NFC毋需冗長的交握(handshaking)或資料登錄過程,就能連上網際網路。綜合這些特性,NFC能以低成本方式讓各種物件快速連上網路,對於物聯網的推動大有助益。

在實際運作中,NFC會發射觸發動作的短距離訊號,當使用者將兩個裝置彼此碰觸,如智慧型手機和喇叭,NFC就會立即連接兩者,免接線、免密碼,使用起來相對便利,後勢可期。根據IHS研究報告,至2020年,NFC智慧型手機銷量將達到22億台,另外,包括PC與週邊、網路設備、智慧家庭、車載裝置、健康醫療、智慧電表與工業自動化等裝置等都將更廣泛地內建NFC。

令人振奮的是,Apple iPhone對於NFC的進一步支援,預期將帶動NFC的快速普及。蘋果於2014年的iPhone 6系列首度加入NFC感應晶片,當時僅限制用於支援電子票卡、Apple Pay等服務,並未開放支援其他更多的NFC應用。現在,在iOS 11的相關開發文件中已載明蘋果將會針對iOS 11提供一個名稱為Core NFC的架構,可讀取Type 1至Type 5的標籤 (Tag),其中的重大意義就在於自iOS 11之後,iOS App將能利用iPhone提供的NFC功能,NFC相關應用的增加指日可待。

段標:NFC動態標籤晶片 推進多元應用

NFC技術的核心是標籤(Tag),ST針對NFC應用所推出的ST25 NFC標籤晶片系列可以廣泛符合消費電子、電腦週邊、家電、工業自動化和健康醫療產品等領域的需求。其中,ST25系列的成員之一ST25DV動態標籤晶片,就是針對工業應用而生。

針對工業應用,該晶片在攝氏25度的環境下,耐擦寫能力達到100萬次,資料保存期限長達40年。晶片電源採用1.8V-5.5V的I2C 電源,各種模式的功耗極低,待機功耗低於1μA,適用於功耗敏感或電池供電的裝置。晶片還提供無線能量輸出功能,是零功耗應用的最佳解決方案。

ST25DV系列支援NFC Type 5和ISO 15693 RFID標準,且功能遠優於兩種標準的技術要求。產品特性包括NFC NDEF資訊原生支援和ISO 15693遠距離RF介面,以及256位元元大容量緩存的快速傳輸模式。此晶片並具備市場上存儲容量最高的64Kbits EEPROM,以及資料保護能力更強的多個64位元密碼。值得一提的是,ST25DV是唯一支援遠距離資料傳輸的電子標籤晶片,可以實現電子產品設備出廠前「不開箱程式碼寫入」,讓NFC行動裝置的軟體更新具有快速的傳輸模式。ST25DV系列產品已過NFC Forum 測試且可被iOS 11 NFC app 讀取。

ST 25系列的另一新成員 - ST25TV RFID標籤,則具有防偽、防盜、防拆、自毀及操作雙模功能,為針對產品標籤、資產追蹤、遊戲、設備維護與管理等應用情境所設計,資料保護年限長達至少40年之久,兼顧成本效益與使用性。

談到NFC標籤晶片,就一定要談到ST的EEPROM (電子抹除式可複寫唯讀記憶體)。ST是全球最大的EEPROM記憶體供應商,且已連續11年獲得市佔率第一名的殊榮。採用ST的EEPROM,ST所推出的ST25系列NFC標籤的資料保留期限能長達200年,是工業標準的20倍,讀寫次數可達400萬次。工作溫度範圍-40°C~85°C,確保標籤在最惡劣的工作條件下仍保持完美的讀寫性能和耐用性。

整體而言,ST25系列產品不僅具備使用年限長的優點,更有32、128位元的密碼保護機制,搭配20位元讀寫存取控制,能保護NFC晶片中機密資料的安全,且ST25系列產品型號相當多,因此應用開發可根據記憶體容量、支援應用等條件挑選到合適的產品。

段標:RFID市場擴大 RAIN RFID扮演關鍵角色

隨後登場的是來自台揚科技的高級資深工程師王昭明,他針對RAIN RFID的應用提出說明。RAIN RFID是由RAIN RFID產業聯盟所創造的專業名詞,意指被動式UHF RFID技術,RAIN RFID所使用的頻寬從860MHz to 960MHz,並遵循EPC RFID協議(ISO 18000-6C)。根據IDTechEx預測,2017年銷售的RFID標籤將達到182億枚,2016年的數量是152億枚,成長部分主要來自被動式UHF (RAIN) RFID標籤。

2017年,UHF RFID標籤的銷售總價約為HF標籤銷售總價的25%,IDTechEx分析這是因為HF標籤一般用於安全領域,因此價格較高,而UHF RFID主要用於吊牌,屬於一次性使用的產品,價格較低。若就市場細分來看,服裝吊牌為RFID的最大宗應用,此市場需求的RFID標籤總量就高達87億枚。

由於成本較便宜且導入方便,各應用領域皆可看到RAIN RFID的蹤跡。王昭明就介紹了遠通電收、可口可樂、環球影城、Intel、福井製核所等公司的應用案例。其中,福井製核所是在珍珠孕育初期,在珍珠核內植入附有獨立編號的RFID標籤。如此一來,日後消費者和珠寶商就能透過RFID讀取機,即時從網上資料庫中查找該珍珠的生產年份、來源地等資料,以確定其價值。

另外,遠通電收ETC系統也是採用被動式RFID感應技術,透過高速公路門架上的發射器發射無線電波,觸動經過範圍內的eTag,eTag接受到電波後,即回傳可辨識出車輛資料的訊號,由道路門架上感應器接收讀寫,最後傳到中央管理系統,由此掌握每天來往車輛資料。此eTag不只是能用於國道收費,還能用於停車場管控等衍生應用。看好RFID的應用前景,台揚科技憑藉其在RF領域的專業與經驗,產品線已擴展至RFID領域。。

段標:32位元MCU躍為主流 物聯網資安受重視 

接下來則是由來自意法半導體的資深技術行銷工程師吳祥民、亞太區技術行銷專案經理王柏雄及技術行銷經理閻欣怡,分別說明Dynamic NFC 天線設計與量測方式、STM32 系列產品介紹與應用發展,以及物聯網的安全解決方案等。

吳祥民特別說明,為徹底發揮動態NFC標籤的功能,Dynamic NFC天線的位置必須儘可能靠近NFC天線位置,最好是在幾毫米的距離內,因為任何線路的加入都可能改變天線的特性且需重新調校,而為了加快產品開發速度,ST並提供免費的天線調校工具 – eDesignSuite,此一線上設計工具提供客戶免費使用,其中包括電路快捷設計範本、產品選型工具、評測性能的模擬器,以及技術支援和產品訂購通道等,此外,針對NFC讀取器(CR95HF)天線調校,ST也推出對應的展示板(Demo Kit),可大幅縮短開發人員的學習時間。

王柏雄則指出物聯網設備所採用的MCU將逐漸趨向32位元,為滿足物聯網應用的多元需求,ST已推出強調高性能的32位元微控制器產品,包括STM32F2/F4/F7/H7;以及訴求超低功耗的STM32L0/L1/L4等微控制器產品,這些產品涵蓋Cortex-M0+/M3/M4/M7等4種MCU核心。

為了推動物聯網快速普及,ST堅持開放式開發環境,透過STM32 Nucleo開發板硬體、STM32Cube軟體模組,以及ST與協力廠商合作推出的多套功能擴充板,建構出完整的開發者生態系統。ST也推出 P-NUCLEO-LRWAN1開發套件,讓設計工程師能在32位元元微控制器的基礎上,快速開發具有LoRa聯網功能的物聯網(IoT)設備原型。

在ST的眾多32位元元控制器系列中,STM32 H7系列堪稱是目前效能最高的32位元微控制器,該產品鎖定工業網路、家庭自動化、電信設備和智慧消費電子,以及高性能電機控制、家電產品和用戶介面功能豐富的小家電等應用。STM32H7系列採用ST 40nm快閃記憶體製程,運作頻率達到400MHz,並整合2MB雙區快閃記憶體和大容量1MB SRAM記憶體。值得一提的,為防止在工廠和現場受到網路威脅,此產品還整合了先進的安全功能,包括密碼演算法加速器和安全密鑰儲存等,確保物聯網硬體資安。

針對安全這個議題,閻欣怡表示在快速發展的互聯數位世界中,ST的安全微控制器和安全型完整解決方案,可以保護平台及使用者的機密資訊。意法半導體的STSAFE系列經過安全標準認證(通用準則EAL5+),涵蓋了物聯網大多數的通信介面,包括ISO7816、SPI和I²C等,並且可以提供對於剛接觸安全領域的開發者簡單易用的解決方案,確保使用者的隱私安全,讓物聯網的安全保護能加速普及。

除了各位講師的精采分享外,意法半導體並在現場展示各種最新NFC/RFID產品及解決方案,與產業人士進行面對面的交流,共用物聯網智慧商機。

意法半導體 產品行銷經理黃鐙誼。

意法半導體 資深技術行銷工程師吳祥民。

意法半導體 亞太區技術行銷專案經理王柏雄。

意法半導體 技術行銷經理閻欣怡。

現場實況。

台揚科技 高級資深工程師王昭明。