Kommunikation är grunden för Internet of Things och det finns många olika trådlösa standarder att välja mellan. Alessandro Viganò, affärsutvecklingschef på SILICA, tar här en titt på den roll som NFC har när det gäller att koppla ihop saker med Internet.

Den som brukar få äran av att ha myntat begreppet "Internet of Things" nu oftast förkortat till "IoT", är vanligtvis Kevin Ashton, en brittisk tekniker från Auto-Id Center på MIT, Boston, USA. Lite förvånande är det kanske att medan uttrycket kan spåras ända tillbaka till 1999, så är det först under de senaste två-tre åren som elektronikbranschen har blivit mycket, mycket entusiastisk över de möjligheter som uppstår med IoT.

Men det är inte svårt att förstå varför. Sedan Internet verkligen tog fart för några år sedan har cirka en miljard fastigheter anslutits och även cirka 5 miljarder personer. Beroende på vilken siare du vill tro på är det dessutom troligt att det till 2020 kommer att finnas 50 miljarder saker som är anslutna till Internet. Många av dem kommer att skicka data till avlägsna molnservrar som använder informationen för övervakning, styrning och analys.

Så vad är det för saker? Det är bilar, hushållsapparater, industrimaskiner, TV-apparater, inställningsboxar och kanske även LED-lampor som du kan stänga av och slå på var du än befinner dig i världen där det finns en Internet-uppkoppling. Men det som verkligen ger extra krydda åt IoT-marknaden är idén med bärbara enheter anslutna till Internet, däribland produkter att ha på sig. Det inkluderar medicinska enheter och prylar för hälsa och fitness. Saker som kan mäta puls, blodtryck och mycket mer, för att sedan skicka data via Internet till någon annanstans där dessa kan användas.

Vilket för in mig på en av de största utmaningarna för den utlovade IoT-revolutionen – säkerhet. Om din IoT-sak ska sända dina medicinska data, kanske du själv vill välja i hur hög grad du vill dela den informationen. Om den ska användas till att göra en säker betalning från ditt bankkonto kanske du också vill vara lite försiktig med vem som får se dina inloggningsuppgifter.

Ansluta saker till Internet
Eftersom definitionen av saker är så mångsidig kommer de också att anslutas till Internet på många olika sätt. För närvarande görs fasta uppkopplingar vanligtvis över kopparkablar och optiska fibrer, eller en kombination av båda. Om den överallt förekommande smarttelefonen används som hubb för saken, behöver du oftast en trådlös länk för att få enheterna att prata med varandra. För vissa tillämpningar använder den trådlösa länken Wi-Fi- eller Bluetooth-tekniker som nu är inbyggda i varje smarttelefon. Men båda dessa har sina begränsningar.

Wi-Fi är mycket energislukande, vilket begränsar livstiden för batteriet i bärbara elektronikprodukter. Tekniken sänder brett ut en 2,4 GHz- eller en 5 GHz-signal oavsett vilken avsikt kommunikationen har och det finns ett stort antal rapporterade händelser som beskriver när hackare har kunnat bryta sig in i Wi-Fi-överföringar och stjäla data.

Bluetooth använder också 2,4 GHz, men med kortare räckvidd och reducerad datahastighet. Bluetooth Smart, en relativt ny lågenergiversion av tekniken, har minskat den typiska energiförbrukningen från runt 1 W för klassisk Bluetooth ned till 0,01 W. Max överförd energi är 10 mW och bithastigheten är 1 Mbit/sek. Latens- och dataöverföringstid har också minskats mer än 10 gånger från den tidigare standarden, vilket ytterligare förlänger batteriets livstid för bärbara enheter. Enligt Bluetooth SIG (Special Interest Group) kommer mer än 90 procent av alla smarttelefoner med Bluetooth att ha stöd för Bluetooth Smart 2018, så vid första anblicken verkar det vara den uppenbara kandidaten för att länka en sak till din telefon, i de fall mobilnätverket tillhandahåller Internet-anslutningen.

Det finns emellertid en annan lovande trådlös teknik som först efter flera år börjat ta fart, då dess fördelar har tagit tid att realisera. Det är närområdeskommunikation eller NFC (Near Field Communications) och den skiljer sig från Wi-Fi och Bluetooth på en rad olika sätt som kan göra den attraktiv för många IoT-tillämpningar. Dessutom är tekniken redan inbyggd i mer än 500 miljoner smarttelefoner och surfplattor, en siffra som förväntas öka till 1,5 miljarder 2017, enligt marknadsanalytikern ABI.

NFC särskiljer sig genom att den har mycket kort räckvidd, är mycket privat och säker, förbrukar ytterst lite energi och är väldigt billig i jämförelse med alternativen.

NFC parkopplar och utbyter data mellan enheter på ett avstånd med bara 10 cm, vilket gör det svårt för obehöriga att fånga upp signalen. NFC-enheter utför dessutom ingen allmän utsändning. I stället krävs att ett NFC-aktiverat objekt närmas till NFC-enheten för att läsa dess minne. Andra funktioner i protokollet stärker den här säkra kommunikationsmetoden.

En annan viktig funktion är att en NFC-transponder, eller tagg, kan alstra energi från den radiofrekvens (RF) som släpps ut av NFC-läsaren i närheten. Det betyder att taggen inte behöver ett batteri eller elanslutning, vilket i sin tur innebär att komplexitet, kostnad och storlek är betydligt lägre än för Wi-Fi- och Bluetooth-metoderna. Fig 1 sammanfattar alternativen för olika trådlösa teknikstandarder.

Fig 1. NXP – Trådlösa anslutningsalternativ (klicka för större bild)

NFC-kommunikationslägen
Kommunikationslägen för NFC är läsa/skriva, peer-to-peer och kortemulering.

Läsa/skriva läser NFC-läsaren/-skrivaren, eller den NFC-aktiverade smarttelefonen konfigurerad som en kontaktlös läsare/skrivare, data från NFC-aktiverade smarta objekt som sedan svarar med begärd information på något sätt. Du kan till exempel automatiskt ansluta till webbplatser med en hämtad webbadress, skicka SMS utan att skriva eller kanske få rabattkuponger med telefonen i närheten av ett smart NFC-objekt.

Med peer-to-peer uppträder en av läsarna/skrivarna som en tagg och skapar en kommunikationslänk. Två NFC-enheter, kanske smarttelefoner, kan kommunicera med varandra.

I kortemuleringsläge kan NFC-enheter ersätta kontaktlösa smartkort. Det innebär att NFC-aktiverade enheter kan användas inom den befintliga kontaktlösa kortinfrastrukturen. Biljetthantering, åtkomstkontroll, kollektivtrafik, tullbommar och kontaktlösa betalningar är bara några aktuella och kommande användningsområden.

Komma igång med NFC
NXP har varit en av de mest framträdande förespråkarna för NFC under de senaste åren. Silica har arbetat med företaget för att skapa en utvecklingsplattform som hjälper teknikerna att implementera NFC-aktiverade inbyggda system som inte behöver någon extern energikälla. I stället alstras energi från NFC- eller RFID-elektromagnetiska fält.

Fig 2. NXP – Länka ett inbyggt system till Internet med hjälp av NFC (klicka för större bild)

ArchiTech Louvre är ett demonstrations- och utvecklingskort som kombinerar en NXP NTAG I2C-tagg IC med NXP LPC11U37 ARM Cortex M0-mikrostyrenhet (MCU) och en 2,7-tums e-bläckskärm. Kortet levereras komplett med fast programvara och Android-applikationer. Programvara finns tillgänglig enligt GPL (General Public License för operativsystemet GNU.

NTAG I2C är ett chip som beter sig som ett dubbelportsminne. En port är åtkomlig trådlöst via ett NFC-gränssnitt, den andra är åtkomlig för systemet via I2C. Den aktiva läsaren – en smarttelefon – kommunicerar med den passiva taggen även när det inbyggda systemet stängs ned.

Fig 3. ArchiTech Louvre-kortet

Genom att koppla ihop NTAG I2C med NXP MCU som har låg energiförbrukning kan designers ansluta ArchiTech Louvre-kortet till en smarttelefon för att uppgradera fast programvara, läsa sensorer (utan att förbruka energi) och utbyta data med MCU. Det är en smidig lösning för RFID-tillämpningar som har låg energiförbrukning med LPC11U37 ARM Cortex M0 MCU som bara förbrukar 85µW/MHz. E-bläckskärmen förbrukar ingen energi, utom när den uppdateras.

Det finns också ett Arduino-kopplingsgränssnitt på kortet. Det innebär att en extern plattform där tiotusentals appar redan finns tillgängliga enkelt kan komma åt det.

IoT kommer att erbjuda ett varierat utbud av tillämpningar och samma modell kommer inte att passa alla när det handlar om trådlösa kommunikationsprotokoll. Men när det gäller små storlekar, låg energiförbrukning och låg kostnad, i kombination med hög datasäkerhet, kommer många av dessa tillämpningar att bäst implementeras med NFC-teknik. Det har tagit sin lilla tid, men tekniken är här nu och här för att stanna, åtminstone för överskådlig framtid.
Alessandro Viganò, affärsutvecklingschef, SILICA

Filed under: Distribution