NFC(근거리 자기장 통신)는 인접해 있거나 접촉식(거리 10 cm 미만) 장치 간에 데이터 교환을 위해 사용되는 RF 프로토콜이다. 스마트폰과 태블릿 등의 안드로이드(Android) 운영 체제에서 이 기술을 지원함에 따라 앞으로 여러 방면에서 이용될 것으로 전망된다.
당뇨병은 전 세계적으로 환자 수가 약 3억 6,600만 명에 이르는 질환이다. 현재 치료 방법은 환자가 주기적으로 피부에 주삿바늘을 넣어 혈액을 채취하여 혈당치를 자가 측정해야 한다. 이는 육체적 고통이 수반되기도 하고 주기적으로 반복되다 보면 정신적 고통을 가중시킨다. 혈액 채취와 같은 측정 방식을 대체할 검증된 무선 주파수 기술이 있다면 어떻게 될까? 일례로 의료 장비 제조사에서는 초소형 NFC 지원 혈당 센서를 당뇨병 환자의 피부 바로 아래에 이식하는 방식이 가능한지 검토 중이다.

그렇게 된다면 전용 앱이 실행 중인 안드로이드 휴대폰이나 태블릿을 들고 있기만 해도 언제든지 이 센서를 통해 혈당치를 간편하게 읽을 수 있다. 호스트 장치는 측정 수치를 환자의 주치의에게 자동 업로드시켜줄 수 있다. 또한 환자가 주기적으로 측정할 수 있도록 알려주고 환자가 예정된 시간에 측정하지 않을 경우 의료진에게 알릴 수 있도록 프로그램할 수도 있다.
NFC 지원 센서는 다음과 같은 애플리케이션에 적합하다.

- 센서 인터페이스가 NFC 판독기로 들어오는 RF 신호에서 에너지를 얻기 때문에 외부 전원이 필요 없다.
- 센서가 호스트 장치와 순간적이면서 자동으로 페어링되기 때문에 빠르고 편리한 제품
- 초소형 제품
- 저렴한 제품
이식형 혈당 측정의 사례는 새로운 NFC 지원 센서의 가능성을 보여준다. 사실 이러한 장치 유형은 수많은 시장 부문에서 수백 가지 애플리케이션에서 사용될 수 있다.

NFC 지원 센서 아키텍처

NFC 지원 센서는 센서의 입력 신호를 조절하고 디지털화를 위한 센서 인터페이스가 통합된 RFID 태그이다. 다른 여느 RFID 태그와 마찬가지로 사용자가 개체의 원산지를 확인할 수 있는 고유 ID가 있다. 하지만 개체가 노출된 환경 조건을 확인하거나(그림 1 참조) 이식된 센서의 생물학적 데이터와 같은 다른 측정 정보를 제공하는 데에도 사용된다.

센서에서 얻어진 데이터를 태그에 추가하더라도 기본적인 통신 방법에는 변화가 없다. 즉 태그가 RFID 판독기 또는 전용 앱이 설치된 NFC 지원 휴대폰 근처에 오면 고유 ID와 센서 데이터를 읽게 된다.

물론 다른 방법으로 무선 감지 기능을 구현할 수도 있다. 오늘날에는 손쉽게 센서를 개체에 부착하고 마이크로컨트롤러 및 RF 트랜시버에 접속하여 지능형 센서와 판독기 간의 무선 통신을 설정할 수 있다. 하지만 NFC 지원 센서로 이 기능을 구현하면 시스템 설계가 훨씬 단순해지고 더욱 유연한 방식으로 전원을 관리할 수 있다. 따라서 데이터 전송 속도가 상대적으로 느린 단거리 애플리케이션에는 NFC가 적용 기술로써 매우 적합하다.
- NFC는 서로 접촉하기만 하면 되므로 두 장치 간의 직관적이고 간단한 상호작용이 가능하다.
- 일반적으로 다른 시스템은 링크를 설정하는 데 몇 초가 걸리지만, NFC 링크를 설정하는 데 1초도 걸리지 않는다.
- NFC는 필수 전력량이 적기 때문에 배터리 사용 시간이 길고 배터리 없이 구현할 수도 있다.
- 무선 감지에 사용되는 지그비(ZigBee), 블루투스(Bluetooth), 로우 에너지(Low Energy) 등의 다른 경쟁 기술보다 덜 복잡하므로 NFC 적용 애플리케이션은 시스템 비용이 낮다.
- NFC는 근거리 자기장 연결을 통해 작동하므로 도청과 간섭으로부터 안전하다.
- NFC 시스템은 기존 인프라에 추가할 수 있다. 따라서 시스템 구현 시에 호스트 장치에 설치할 앱만 만들면 되는 경우가 많다.
완전 패시브(배터리를 사용 안 함) 모드에서 NFC 지원 센서는 판독기에서 들어오는 RF 신호로부터 에너지를 얻어 센서 인터페이스와 RF 전송에 공급한다. 세미 패시브(배터리 사용) 모드에서 NFC 지원 센서는 독립적으로 작동할 수 있다. 장기간에 걸친 자체 모니터링이 필요한 적용 제품의 경우가 이에 해당한다. 또는 센서에 대해 사용자가 제어하는 온-보드 전원을 공급할 수 있다. 감지 태그는 수명 주기 동안 두 가지 모드로 작동할 수 있다. 즉 배터리가 방전될 때까지 세미 패시브 모드로 작동하고 방전된 후에는 패시브 모드로 작동하는 것이다(데이터는 비휘발성 메모리에 저장되어 장치에 전원이 공급되지 않는 동안 보존된다).
완전 패시브 모드에서의 작동

RFID 시스템의 기본 작동 원리는 태그가 판독기에서 생성되는 자기장으로부터 필요한 에너지를 모두 얻는 것이다. NFC 지원 센서에서 이렇게 생산된 전력(일반적으로 4 mA, 3.3 V)은 센서에 동력을 공급하는 데에도 사용될 수 있다. 생산된 에너지가 센서에 전력을 공급할 만큼 충분하지 않을 경우(예: 태그의 안테나가 작거나 판독기로부터의 거리가 멀 경우) 측정 전에 충전하여 측정 시에 전원을 소모하는 축전지 형태로 소형 보조 전원 공급 장치를 추가할 수도 있다.

완전 패시브 모드의 NFC 지원 센서는 설계 엔지니어에게 무한한 상상력을 발휘하여 새로운 가능성을 실현할 기회를 제공한다. 이론상 태그는 영구적으로 사용할 수 있고 유선 연결이 필요 없다. 따라서 감지 태그를 벽면과 같은 구조물이나 완전히 밀봉된 제품에 내장할 수도 있다. 건설업자가 새로운 종류의 NFC 지원 습도 센서를 주택의 벽면이나 바닥의 상수도 또는 하수도관 옆에 내장할 수도 있을 것이다. 그러면 기존에는 구조물을 손상하지 않고 탐지할 수 없던 누수를 조기에 감지할 수 있을 것이다.

세미 패시브 모드에서의 작동

세미 패시브 태그에는 태그와 센서작동에 사용되는 온-보드 전원이 대개 배터리 형태로 포함되어 있다. 데이터 전송은 일반적인 패시브 태그와 같은 방식으로 판독기에서 나오는 반사형(backscattered) 전력을 이용하여 작동한다. 사용자가 제어하는 세미 패시브 감지 태그는 대부분의 시간을 작동 중단 상태로 대기하며 이때에는 배터리에서 소모되는 전류가 무시해도 될 정도이다. 센서의 기능과 측정 동작은 일반적으로 장치가 판독기 또는 NFC 장치로부터의 RF 방출을 감지할 때 사용자가 활성화한다.

장기간에 걸친 자가 모니터링 적용 제품(소위 데이터 로거)에 사용되는 독립 실행형 세미 패시브 감지 태그는 외부 이벤트에 의해 활성화되거나 통합된 실시간 시계(RTC)에 의해 주기적으로 트리거될 수 있다. 이러한 적용 제품에는 RTC 또는 이벤트로 트리거되어 작동이 재개될 때 사용할 전류가 필요하다. 일반적으로 배터리에서 공급되는 2 μA의 지속적인 전류가 사용된다.

이러한 상태 모니터링 NFC 감지 태그는 운송 중에 특별한 주의가 필요한 상품에 부착할 수 있다. 공급망을 통한 운송이 끝나면 NFC 지원 판독기 장치로 감지 태그를 확인하여 승인되지 않은 상태가 운송 중에 발생했을 경우 경고를 표시할 수 있다. 또한 센서 데이터에는 타임스탬프가 표시되어 세부적인 이벤트 모니터링이 가능하다.
NFC 지원 감지 기능 구현

NFC 지원 감지 기능을 적용하려면 에너지 하베스팅 기능, 센서 인터페이스, 전원 관리 회로 및 실시간 시계(RTC)가 필요하다. ams의 단일 칩 NFC 센서 트랜스폰더인 SL13A(그림 2 참조)는 이러한 기능을 모두 제공한다. 이 칩은 NFC-V(ISO15693) 표준에 맞으며 온보드 온도 센서가 통합되어 있다. 이 감지 태그는 완전 패시브 모드와 세미 패시브로 작동한다. 온칩 RTC가 필요한 경우에는 자가 데이터 로깅을 지원하기 위해 배터리가 사용된다.

패시브 모드에서는 판독기 또는 NFC 지원 휴대폰에서 RTC 대신에 타임스탬프를 제공하며 센서 작동에 필요한 에너지는 판독기의 자기장에서 얻어진다. 로깅된 센서 데이터는 온칩 EEPROM에 저장되고 데이터를 조작하거나 무단으로 사용할 수 없도록 암호로 보호된다.

SL13A는 센서 데이터 수집과 무선 데이터 전송이 필요한 매우 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있다. 이러한 애플리케이션의 예는 다음과 같다.

유통 기한 경고가 필요한 공급망: SL13A로 운송 및 보관 중 상품의 상태와 환경 조건을 모니터링하고 기록할 수 있다. 식품, 음료, 의약품 등 상하기 쉬운 품목은 유통 기한을 결정하는 온도 의존적 화학반응을 일으킨다. 일부 감지 태그에는 유통 기한을 동적으로 계산하는 알고리즘이 내장되어 만료일에 다다르면 경고를 제공한다.
건물 모니터링: SL13A와 적합한 센서를 건물, 교량, 고가교와 같은 구조물 내부에 내장하여 온도, 습도, 압력, 진동 등의 조건을 기록하고 NFC 판독기로 트리거되었을 때 데이터를 전송할 수 있다.
투약 프로그램: 감지 태그가 부착된 디스펜서와 블리스터 팩은 정제의 소비량을 기록하고 타임스탬프를 표시할 수 있다. 따라서 환자가 처방을 잘 지키고 있는지를 의료 관계자가 모니터링할 수 있다.
공정 제어: 공장 자동화 시스템에서는 감지 태그를 사용하여 공정을 제어하고 공정의 각 단계에서 품질을 관리할 수 있다. 이는 완제품에 대해 최종 품질 보장 검사를 하는 것보다 효율적이다.
원격 측정: SL13A 감지 태그를 WLAN 또는 GSM과 같은 무선 연결 기능이 있는 장비에 통합하면 원격으로 개체 또는 환경을 추적하고 모니터링하는 기능을 확장할 수 있다.
SL13A는 검증된 통신 프로토콜을 구현하고 정확하면서 정밀한 센서 인터페이스를 제공하는 여러 전자 기능을 단일 장치에 통합함으로써 실현되는 새로운 가능성을 보여준다. 하지만 이 유연한 장치의 적용 분야는 아직 무궁무진하다. 이 새로운 종류의 감지 RFID 태그가 어떻게 사용될 수 있을지 그 가능성을 보여줄 열쇠는 시스템 설계자의 상상력이다. 

 

ams, 시스템 관리 레퍼런스 디자인 ams는 전기자전거(pedelec/e-bike)용 리튬이온 배터리를 겨냥한 레퍼런스 디자인을 발표했다. 이 레퍼런스 디자인은 배터리 관리 시스템(BMS)에서 마이크로컨트롤러를 사용하지 않고도 정확한 셀 모니터링과 밸런싱 기능을 실현한다. 따라서 배터리 팩 및 전기자전거 제조업체들은 현재 상용화된 배터리와 비교해 더욱 부가가치 있는 BoM(valuable bill-of-materials)을 실현할 수 있어 비용이 절감되고 더 간단하게 회로를 설계하는 혜택을 누릴 수 있다. 새로운 레퍼런스 디자인은 최고 14개까지 리튬이온 셀을 구성할 수 있는 48 V 전기자전거 배터리에 적합하다. 또한 소량의 지원 부품과 함께 2개의 AS8506 스마트 셀 모니터링 IC를 사용하면서 IC 한개당 최고 7개 셀 온도와 전압을 각각 모니터하고 충전 시 셀의 패시브 밸런싱(passive balancing )을 구현한다. AS8506은 셀의 안전과 보호, 밸런싱 과정을 제어하기 위한 로직 기능이 내장됐다. 이러한 기능은 온보드 OTP 메모리에 저장된 환경 설정이 제공되어 사용자가 쉽게 구성할 수 있다. 특히 패시브 셀 밸런싱 동작에서 사용할 수 있도록 고집적 MOSFET을 통합해 충전되는 동안, 각 셀의 전압은 사용자가 프로그램할 수 있는 기준 전압 임계값과 비교된다. 모든 셀이 임계값을 달성하고 배터리 모듈이 완전히 충전될 때까지, 임계값을 초과하는 각각의 셀에서 MOSFET을 통해 최대 100 mA까지 방전될 수 있다.