智能設備與萬物互聯

在萬物互聯的智能時代，智能家居與手機的互聯是極為重要的一環。華為的Harmony OS系統也是面向萬物互聯，其通過一碰聯接手機的方式要求了NFC是智能設備不可缺少的功能。本文以智能設備中的血壓計為例子，來一起探究加入NFC功能的血壓計對比傳統的藍牙連接血壓計可以在使用過程中實現怎樣的便利，以及在傳統的血壓計如何快速加入NFC功能，硬件設計該如何做。

傳統的血壓計連接方式

1）首先打開手機上的“運動健康”APP，進入頁面。

2）在首頁找到相應的健康功能，例如：“血壓”，點擊進入。

3）在血壓界面點擊“測量”進入綁定頁面。

4）在眾多血壓計型號中選擇自己購買的型號，點擊“進入配對”（需要打開藍牙）。

5）在血壓計上按壓“記憶”按鈕，手機操作界面點擊“下一步”。

6）等待3-5秒實現藍牙配對。

支持NFC功能的血壓計連接方式

1）打開手機“NFC”、“藍牙”功能。

2）將手機NFC天線位置靠近血壓計即可連接成功。

實際測試下來，傳統方式非常復雜耗時。且在型號選擇頁面，由于血壓計種類繁多且外形類似，稍不注意就會錯選型號，返回重新操作。而配有NFC功能的血壓計配對連接極為方便，整個過程不需要復雜操作，3秒內即可完成連接，對老年人群的使用更為便捷。

NFC簡介

近場通信(NFC)是一種用于提供短程無線通信的技術，在電子設備之間進行雙向交互的連接。NFC是RFID(射頻識別)的一種風格，但它還有一個特定的集合，確保nfc設備的互操作性的標準。NFC標準確定操作環境和數據格式、傳輸速率、調制等。NFC在兩個NFC器件之間使用感應耦合，并采用電磁方式工作，設備在13.56 MHz（無線電頻譜的高頻部分的一個無許可證分配）工作。一個NFC設備可以從另一個NFC設備產生的磁場中吸取能量。這使一些NFC器件被免除電源和采取微小物體的形式，如標簽，貼紙，鑰匙扣或卡片。

NFC主要有四種應用場景：手機、支付、互聯、參數交互。互聯也是參數交互中的一種，由于這種應用交互的參數是固定的藍牙或者WiFi地址，所以單獨歸類。今天介紹的方案就是通過NFC功能使手機快速讀取血壓計的藍牙MAC地址，實現快速配對連接。

在傳統血壓計上加入NFC功能的硬件設計步驟

第 1 步 定義 NFC 設備參數

· 合理的近場通信距離需求 (通常<10cm)

· 有效的讀卡器天線尺寸與形狀

· NFC 設備機械結構 (讀卡器或標簽天線附近是否有金屬屏蔽，如 PCB 覆銅，鋰電池，金屬外殼等)

· 標簽的類型 (ISO15693, ISO14443)

· 讀卡器性能 (手機 or 讀卡器？讀卡器天線形狀、尺寸、發射功率等)

· 其他需求(如能量傳輸功能，多卡操作等)

第 2 步 用 reader （ST25R3916-DISCOVERY 或 ST25R3911B-DISCO）或 NFC 手機評估不同天線大小的 NFC 標簽通信距離，搭建產品原型。

第 3 步 確定標簽天線尺寸并設計天線（AN2866）

不同尺寸天線的參考設計在網盤中（含通信距離評估結果），可選擇相近尺寸天線使用。

第 4 步 原理圖與 PCB layout 設計，請參考 ST25D 系列 Nucleo 板原理圖與 PCB 布線。

第 5 步 按照標簽天線電感量 L 設計要求，在天線電感量 L +/-300nH 范圍內加工標簽 PCB 3 款（天線目標電感量： L-300nH，L， L+300nH）。

ST25DV04K的電感量L要求在4.6uH。

第 6 步 標簽天線測量與測試 ，微調天線阻抗匹配或優化天線設計(如需要) ，確定最優設計。

按照第3步設計制作的天線諧振如下圖：

微調并聯2pf電容后的天線諧振頻率如下圖：

測試結果如下：

由于最初的天線設計較好，微調后的讀卡距離并沒有明顯提升。如果天線尺寸較小或周圍有金屬影響，設計的標簽天線諧振頻率可能會偏差較大，嚴重影響讀卡性能。此時就需要調整阻抗匹配，將諧振頻率調回13.56Mhz附近，優化讀卡性能。

第 7 步 系統集成、MCU 固件開發 (I2C 通信，如動態標簽 ST25DV/M24SR)

ST提供基于STM32Cube和ST官方demo的手機apk文件源代碼。

ST25DV通過I2C與MCU通信，在供電的情況下可以隨時更改被手機NFC讀取的數據，不局限于MAC地址。

而在手機APP端，傳統智能設備廠商已有APP配合設備使用，僅需要在原本的APP上做一次小的升級，接收來自NFC讀取到的NDEF數據即可。

總結下來，將NFC功能加入傳統的智能設備，客戶需要硬件上在原本的PCB板上加入ST25DV及天線，MCU軟件上合入ST25DV的驅動，APP端再做小的升級即可。

場景應用圖

產品實體圖

展示版照片

方案方塊圖

核心技術優勢

ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K設備是NFC RFID標簽，分別提供4 Kbit、16 Kbit和64 Kbit電可擦可編程存儲器(EEPROM)。ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K提供兩個接口。第一個是I2C串行連接，可以從直流電源運行。第二種是當ST25DV04K、ST25DV16K或ST25DV64K作為接收到的載波電磁波驅動的非接觸存儲器時激活的射頻鏈路。

I2C模式下，ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K用戶內存最多為512字節、2048字節和8192字節，可分為4個靈活的可保護區域。

在RF模式下，按照ISO/IEC 15693或NFC論壇類型5的建議，ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K用戶內存分別包含多達128塊、512塊和2048塊的4個字節，它們可以被分割成4個靈活的、可保護的區域。

方案規格

1）I2C接口

■ 雙線I2C串行接口支持1MHz協議

■ 單電源電壓:1.8V ~ 5.5V

■ 多字節寫程序設計(最多256字節)

2）非接觸式接口

■ 根據ISO/IEC 15693

■ NFC論壇類型5由NFC論壇認證的標簽

■ 支持所有ISO/IEC 15693調制，編碼，副載波模式和數據率

■ 自定義快速讀存取高達53 Kbit/s

■ 讀取單個和多個塊(擴展命令也是如此)

■ 單塊和多塊寫入(最多4個)(擴展命令也是如此)

■ 內部調諧電容:28.5 pF

3）內存

■ 最多64 kbits的EEPROM(取決于版本)

■ I2C接口訪問字節

■ RF接口訪問4字節的塊

■ 編寫時間:

■ 來自I2C:典型的1字節5ms

■ 從RF:典型的5毫秒為1塊

■ 數據保存:40年

■ 寫循環耐力:

■ 100萬次在25℃寫入循環

■ 在85℃下寫入600k循環

■ 105℃下500k寫循環

■ 在125℃下40萬次寫入循環

4）快速的傳輸模式

■ 快速數據傳輸之間的I2C和RF接口

■ 半雙工256字節專用緩沖區

5）能量收獲: 模擬輸出引腳電源外部組件

6）數據保護

■ 用戶內存:1到4個可配置的區域，可通過3個64位RF密碼和1個64位I2C密碼進■行讀寫保護

■ 系統配置:在寫保護由一個64位密碼在RF和一個64位密碼在I2C

7）GPO

■ 可在多個RF事件(場變化、內存寫入、活動、快速傳輸端、用戶設置/重置/脈沖)上配■置中斷引腳

■ 開放漏極或CMOS輸出(取決于版本)

8）低功耗模式(僅10球12針封裝)

■ 輸入引腳觸發低功耗模式

9）射頻管理

■ RF命令解釋器啟用/禁用從I2C主機控制器

10）溫度范圍

■ Range 6: 從-40到85攝氏度

■ Range 8: 從-40到105攝氏度

■ (僅適用于UDFPN8和UDFPN12)

■ -40 ~ 125℃(僅適用于SO8N和TSSOP8, RF接口最大105℃)

11）封裝

■ 8針，10球和12針封裝

■ ECOPACK2?(通過無鉛認證