Tag NFC dinamici con interfaccia duale per applicazioni industriali ed IoT

Near Field Communication (NFC) è una tecnologia di comunicazione senza fili a corto raggio come evoluzione della RFID, ed emersa come soluzione complementare al Bluetooth e WiFi.  I dispositivi della STMicroelectronics  includono tag dinamici NFC/RFID, lettori e controller NFC / RFID. Le soluzioni ST25DV tag NFC/RFID dynamic presentano fino a 64 Kbit di memoria EEPROM e possono essere programmate tramite un'interfaccia I²C o RF operante a 13.56 MHz.

Introduzione

Near-Field Communication, NFC, è una tecnologia utilizzata per fornire connettività wireless a corto raggio tra dispositivi elettronici nell’ambito delle applicazioni commerciali ed industriali. Promosso e gestito dall'NFC Forum: un'associazione industriale senza scopo di lucro creata con l'obiettivo di promuovere, standarizzare e garantire l'uso di tale tecnologia, il protocollo rappresenta, in sostanza, un modo per trasferire i dati tra dispositivi in modalità wireless senza la necessità di una connessione internet. A differenza del Bluetooth, non è necessario accoppiare manualmente due dispositivi NFC.  Diverse categorie di circuiti integrati dedicati servono una vasta gamma di dispositivi elettronici abilitati, che vanno da semplici dispositivi a prodotti più complessi come gli smartphone o lettori professionali. La quota di mercato della tecnologia NFC è in rapida crescita a causa della diffusa adozione di questa tecnologia negli smartphone e nei tablet. NFC è pensato per esempio per applicazioni in cui è necessario un contatto fisico per una transazione.  Alcuni fattori che stanno guidando la crescita del mercato trovano spiegazione nella sempre maggiore diffusione della tecnologia Mobile a causa della crescente domanda dei pagamenti "contactless" ed online. Nel prossimo futuro, con la diffusione della connettività con l’avvento dell’IoT e IIoT tra i dispositivi per l'informazione e la condivisione dei dati, la tecnologia NFC dovrebbe incrementare il proprio mercato applicativo in una miriade di soluzioni contactless.

La tecnologia NFC

La tecnologia NFC, derivata dalle tecnologie RFID, consente interazioni bidirezionali tra dispositivi elettronici, permettendo ai consumatori di effettuare transazioni contactless e accedere ai contenuti digitali collegando istantanemente i dispositivi. NFC utilizza l'accoppiamento induttivo tra due dispositivi ed opera a 13,56Mhz, consente, inoltre, di condividere informazioni ad una distanza che è solitamente inferiore a circa 10 centimetri nel caso di lettura con uno smartphone, con una velocità di comunicazione massima di 424 kbps. Gli utenti possono condividere i biglietti da visita, accedere alle informazioni di un manifesto intelligente o fornire le credenziali per il controllo di accessi. La capacità di comunicazione bidirezionale di NFC è ideale per stabilire collegamenti con altre tecnologie ad accesso sicuro. Come nelle altre soluzioni "di prossimità", NFC impiega il processo fisico dell'induzione elettromagnetica tra due antenne loop operanti nella banda radiofrequenza ISM senza licenza di 13.56 MHz ISO / IEC 18000-3. NFC opera in due modalità operative; active mode: entrambi i dispositivi stanno generando i propri campi a radiofrequenza. Questo è il caso in cui due dispositivi Mobile vengono utilizzati per scambiare dati con tecnica di modulazione ASK. L'altra modalità è passive mode: in questo modo, uno dei dispositivi genera il campo RF e l'altro dispositivo utilizza il suddetto campo per alimentarsi e comunicare (figura 1).

Figura 1: Schema a blocchi della modalità NFC Passive mode

Il dispositivo attivo è di solito il “lettore” e il dispositivo passivo è il “tag”.  Il dispositivo attivo o lettore (per esempio lo smartphone) generalmente cerca i dispositivi NFC nelle vicinanze. Il dispositivo passivo o tag, invece, inizia ad “ascoltare” quando si trova nel giro di pochi centimetri da un dispositivo NFC-enable. Il lettore, quindi, comunica con il tag decifrando i segnali ed eseguendo qualche attività di controllo prevista dal sistema (figura 2).

Figura 2: Modalità di lavoro e connessioni nell’ambito di una comunicazione NFC

In particolare, le tre modalità di comunicazione per i dispositivi NFC possono essere descritte nei punti seguenti:

  • Peer-to-peer: modalità di comunicazione tra due dispositivi in grado di avviare entrambi la comunicazione quando richiesta.
  • Lettore/scrittore: un dispositivo NFC può leggere e scrivere dati in tag NFC/RFID e smartcard senza contatto.
  • Emulazione: in questa modalità, un dispositivo NFC si comporta come un tag o una smartcard senza contatto.

Ci sono quattro tipi di tag definiti dall'NFC Forum. Un quinto tipo aggiuntivo è in relazione con la tecnologia NFC-V, ed è incluso nelle specifiche del Forum. Diverse categorie di circuiti integrati periferici servono una vasta gamma di dispositivi elettronici abilitati alla tecnologia NFC.  Possiamo distinguere 3 principali tipologie: tag statici (tag con sola interfaccia RF) e dinamici (tag con interfaccia duale, RF e I2C), readers/controller NFC. Il tag statico o con sola interfaccia RF è un dispositivo passivo NFC. I dati memorizzati in un tag possono essere letti o modificati da un dispositivo NFC attivo se autorizzato a farlo, come ad esempio un lettore o smartphone. Trae alimentazione dal campo RF in modo da funzionare senza una propria alimentazione (figura 3).

Figura 3: Tag NFC statico

I tag dinamici NFC o duali vengono generalmente integrati in un dispositivo elettronico. Hanno le stesse proprietà dei tag statici e si comportano come tali quando interagiscono con un dispositivo NFC (lettore). Il dispositivo dove è integrato il tag dinamico ha anche la possibilità di leggere e scrivere il contenuto della memoria del tag (figura 4).

Figura 4: Tag NFC dinamico

Due tipi di prodotti coprono l’accesso NFC, questi sono i lettori e i controller. Un lettore è in grado di impostare e mantenere le comunicazioni con un tag o un controller NFC in tutte le modalità di lavoro. Il controller permette di instradare i dati a diversi host come periferiche o SWP (carta SIM).

Dynamic NFC Tag

Il tag NFC dinamico è un modulo con interfaccia di comunicazione wireless per consentire la trasmissione dei dati tra il lettore NFC (smartphone Android) e altri dispositivi elettronici. Le soluzioni tag dynamic NFC/RFID della STMicroelectronics presentano fino a 64 Kbit di memoria EEPROM, cui si può accedere tramite un'interfaccia I²C a basso consumo o una RF operante a 13.56 MHz.  Le modalità standard a corto raggio (ISO14443-A) e lungo raggio (ISO15693) sono supportate durante la comunicazione.  Nel portafoglio di prodotti della STMicroelectronics distinguiamo la serie M24SR ISO14443-A NFC forum type 4 dynamic tag progettata per l'elettronica di consumo, indossabili, e per tutte le applicazioni dell'internet delle cose.

La serie M24LR ISO15693 dynamic tag, invece, è ottimizzata per il metering, applicazioni lighting, attrezzature mediche e  industriali e altro ancora. Infine, la serie ST25DV ISO15693 NFC forum type 5 dynamic tag trova spazio nell'elettronica di consumo, settore industriale, metering, etichette elettroniche, test&measurements, Internet delle cose, settore medico, lighting e molto altro ancora. Il dispositivo ST25DV è un tag RFID/NFC che offre 4 Kbit, 16 Kbit e 64 Kbit di memoria programmabile e cancellabile elettricamente (EEPROM). Offre due interfacce di comunicazione: un collegamento seriale I2C, e un collegamento RF attivato quando ST25DV agisce come una memoria contactless alimentata dall'onda elettromagnetica portante ricevuta. ST25DV fornisce un meccanismo speciale di protezione dei dati basato su un sistema di password di 64bit, sia per l'accesso dall'interfaccia RF, sia per quello dall'interfaccia I2C per sbloccare le sessioni di sicurezza.

Questi Tag presentano una modalità di trasferimento veloce innovativa tra un host e un telefono NFC o lettore grazie al loro buffer di 256 byte.  Tra le varie soluzioni troviamo ST25DV04K, ST25DV16K e ST25DV64K che si differenziano principalmente per la capacità della memoria utente, con valori rispettivamente di 4096 byte, 16386 byte e 65536 byte. La memoria utente può essere protetta per leggere e/o scrivere l'accesso, proteggendo a sua volta la configurazione del sistema dall'accesso in scrittura.  La memoria utente potrebbe essere divisa in 4 zone flessibili e protette in modalità lettura e/o scrittura da un sistema di passwords di 64-bit (3 password da 64-bit per accesso in lettura e scrittura dall'interfaccia RF, una 64-bit password per l'accesso in scrittura dall'interfaccia I2C).

Figura 5: schema a blocchi del ST25DV. Nella figura si distingue una Digital Unit Control, con il blocco sull'energy harvesting, e l'unità EEPROM

ST25DV è fornito in diversi package: S08 o TSSPOP8 o UFDFPN8 da 8 pin e UFDFPN12 da 12 pin con l’opzione aggiuntiva per minimizzare i consumi. In figura 6 riportiamo una tabella riassuntiva dei pin con le relative denominazioni e funzioni.

Figura 6: Denominazione dei segnali relativi ai pin del ST25DV. LPD e Vdcg sono disponibili solo sul package a 12 pin.

In particolare, distinguiamo i segnali seriali SCL e SDA, quest’ultimo come segnale bidirezionale utilizzato per la trasmissione di dati da e verso l’integrato ST25DV. Un resistore di pull-up deve essere collegato dal pin dei dati seriali (SDA) a VCC. Il pin LPD è utilizzato per controllare un regolatore interno a 1.8 V al fine di fornire alimentazione interna al dispositivo ST25DV. Quando il pin LPD è in posizione High, il regolatore è sconnesso con un consumo ridotto al disotto di 1 μA.  I pin AC0 e AC1 sono utilizzati per collegare il dispositivo all'antenna esterna. ST25DV presenta un piedino di uscita GPO configurabile, utilizzato per fornire informazioni relative all'attività RF ad un dispositivo esterno, in genere un microcontrollore connesso con tag dynamic via interfaccia I2C. Il pin V_EH fornisce una tensione analogica quando il modo di raccolta dell'energia è attivato e se l'intensità del campo RF è sufficientemente superiore ad un valore di soglia di attivazione.

Come supporto alla progettazione, la STMicroelectronics ha sviluppato un kit denominato ST25DX_Discovery_Mboard per valutare le caratteristiche e le funzionalità della serie tag dynamic ST25DV. Disponibile in due versioni, demonstration e standard edition, la scheda alimentata via USB si basa sul dispositivo NFC ST25DV04K integrato su una scheda figlia utilizzando un'antenna e un processore STM32 alla guida di una scheda madre (figura 7 e 8). In dotazione al discovery kit viene fornita una antenna classe 5.  Il kit con le due antenne classe 1 e classe 6 è disponibile ordinandolo separatamente.

Il dispositivo IC ST25DV04K NFC / RFID tag dynamic  incorpora una memoria EEPROM a 4 Kbit e può essere azionato da un'interfaccia I2C, o da un lettore RFID a 13,56 MHz, o da un telefono NFC. L'interfaccia I2C del ST25DV utilizza una comunicazione seriale a due fili, che consiste in una linea dati bidirezionale e una linea di clock. L'interfaccia seriale I2C si comporta come slave nel protocollo di comunicazione. Il protocollo RF è compatibile con il tipo ISO/ IEC 15693 e NFC Forum type 5 tag.

Figura 7: il kit di sviluppo ST25DV discovery board

 

Figura 8: Schema a blocchi del kit di sviluppo ST25DV discovery board con esempi applicativi

Per mantenere una tensione di alimentazione continua e stabile, è necessario disaccoppiare la linea VCC con un opportuno condensatore (solitamente dell'ordine di 10 nF e 100 pF) vicino ai pin VCC / VSS. Questa tensione deve rimanere stabile fino al completamento della trasmissione e dell’intero ciclo I2C per un'istruzione di scrittura. Eventuali istruzioni non vengono prese in considerazione fino a completamento della sequenza di avvio di ST25DV (figura 9 e 10).

Figura 9: Il kit ST25DV discovery board in funzione con l'alimentazione via USB per mezzo di un PC

 

Figura 10: Sequenza di accensione del ST25DV

Al fine di evitare operazioni di scrittura accidentali durante l'accensione, un circuito di reset (POR) è inglobato nel dispositivo integrato. All'accensione (continuo aumento di VCC), ST25DV non risponde ad alcuna istruzione I2C fino a quando VCC non ha raggiunto la tensione di soglia reset. Quando VCC passa sopra la soglia POR, il dispositivo viene resettato e accede alla modalità di standby. Tuttavia, il dispositivo non deve essere letto fino a quando VCC ha raggiunto una tensione valida e stabile. Un App Android ST25 NFC è dedicata per gestire la serie ST25D, ma anche il tag ST25TA ST NFC (CLOUD ST25TA02K-P), la serie M24SR e M24LRxx. Esso consente all'utente di memorizzare o leggere i messaggi NDEF quali NDEF URL, SMS, e-mail, vCard (tra cui foto), AAR e messaggi proprietari. Per aiutare lo sviluppo di prodotti a base di ST25DV, la STMicroelectronics mette a disposizione, attraverso il propio sito web, altre risorse quali un tool per l’assistenza al design delle antenne, software embedded per i propri MCU e diversi applicativi per PC.

Conclusioni e considerazioni

NFC è un insieme di tecnologie wireless a corto raggio, in genere richiede una distanza di 4 centimetri o meno per avviare una connessione, in parte scelta per le applicazioni di pagamento contactless perchè c'è diffidenza da parte degli utenti ad effettuare transazioni sicure con le “lunghe” distanze tipiche di Bluetooth, Wi-Fi e altri protocolli radio a medio-corto raggio. STMicroelectronics offre una vasta gamma di soluzioni per ogni esigenza del progettista nel campo NFC/RFID, attraverso IC e soluzioni in kit per velocizzare il time-to-market del prodotto finale. La tecnologia NFC sta guadagnando popolarità a causa dei suoi numerosi vantaggi quali la sicurezza, versatilità e convenienza. NFC è molto più sicuro per la transazione rispetto ad altre tecniche in quanto richiede il PIN e non fornisce accesso fisico ai dati delle carte di credito per i rivenditori. Versatilità, ovvero si riferisce ad una vasta gamma di applicazioni industriali, mediche, per l'elettronica professionale e di consumo, lighting e metering. Inoltre, è molto comodo poichè è facile da usare e i relativi dispositivi abilitati possono essere trasportati ovunque senza problemi.  I telefoni cellulari continuano ad essere di gran lunga il più importante potenziale obiettivo di NFC; la tecnologia è particolarmente adatta per loro. La scheda SIM nel telefono cellulare è una smart card che identifica l’account per la rete. NFC permette di condividere piccoli pacchetti di dati tra un tag e un dispositivo Android, o tra due dispositivi Android-powered. La maggior parte dei sistemi di pagamento point-of-sale senza contatto utilizza un'interfaccia compatibile con NFC, così come molti dei sistemi di accesso nel settore dei trasporti.  Vediamo apparire un numero sempre crescente di oggetti provvisti di funzionalita NFC, che permette ad esempio di arricchire l'interfaccia utilizzatore di un qualsiasi dispositivo elettronico, facendo il porting della "user interface" su un qualuque telefono cellulare o tablet Android NFC-enabled.

 

 

 

 

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3 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 18 aprile 2017
  2. Daniele Facchin 19 aprile 2017
  3. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 19 aprile 2017

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