La tecnologia NFC rivoluziona lo smart tagging nelle applicazioni IoT

Sebbene la tecnologia NFC sia stata usata principalmente per applicazioni point-of-sale e access management, il suo futuro sta nella abilità di eseguire compiti che in altre tecnologie sono più difficili o più costosi. NXP ha progettato la MCU LPC8N04 per rendere più facile l’integrazione di NFC in molte applicazioni, aggiungendovi funzionalità tipiche dei microcontrollori. Tutte queste possibilità rendono NFC in grado di mantenere la promessa di essere una semplice ed economica soluzione che supera i limiti di altre più note tecnologie.

La tecnologia wireless è ormai all’interno di oltre 1.5 miliardi di smartphone, costituisce la base per sistemi di pagamento sicuri, ed è proiettata a divenire un mercato di $20 miliardi nel 2020 e più del doppio nel 2024: una crescita impressionante, che deriva non solo dalle applicazioni correnti, ma da altre centinaia ancora da esplorare. Nonostante ciò, la tecnologia Near Field Communications (NCF) non è ancora molto familiare. E così sarà finché produttori e progettisti non comprenderanno quanto i loro prodotti possano trarre beneficio dalle possibilità che NFC offre e dalla sua facilità di integrazione, per esempio, all’interno di componenti come microcontrollori, in modo che siano complementari tra loro. Verso questa strada NXP compie oggi i primi passi con la MCU LPC8N04, primo microcontrollore ad ampia diffusione a integrare una interfaccia per tag NFC entro il proprio package, completando così la famiglia PN7462 di controllori che implementano un completo lettore NFC. Per comprendere e apprezzare come NFC e microcontrollori possono lavorare assieme per ottenere grandi risultati con basso costo, è importante capire cosa è la tecnologia NFC.

La tecnologia NCF

LED strip programmabile via NFC.

NFC è una ricaduta della tecnologia RFID, progettata per identificare oggetti e ricavare alcune informazioni senza un contatto fisico fra oggetto e lettore, anche se la distanza tra il tag RFID che racchiude le informazioni dell’oggetto e il dispositivo che lo legge arriva a diversi metri. Al contrario, NFC opera solo su distanze di appena pochi centimetri, rendendo così questa tecnologia molto economica, e la comunicazione tra tag e lettore molto sicura e difficile da intercettare. NFC ha quindi le carte in regola per diventare la tecnologia di elezione per applicazioni point-of-sale e mobile wallet, dove la sicurezza è un fattore essenziale. Per la massima versatilità, NFC è stata progettata per funzionare in tre modalità: card emulation, read/write e peer-to-peer. Card emulation rende i dispositivi a essa abilitati, per esempio smartphone, a funzionare come smart card; la modalità read/write permette loro di leggere le informazioni memorizzate nei tag, NFC peer-to peer consente a due dispositivi abilitati di scambiarsi informazioni. Diversamente da tecnologie wireless come Bluetooth ®, non c’è bisogno di appaiare un lettore NFC con il tag dal momento che la comunicazione è stabilita automaticamente in meno di un secondo e per funzionare non richiede una app per smartphone come fanno i codici QR. È anche la tecnologia wireless a piccolo raggio meno costosa da implementare e che occupa meno spazio in un prodotto.

Una soluzione universale

Quasi tutte le applicazioni NFC più rudimentali possono trarre beneficio da un microcontrollore e ancor più dalla loro integrazione: assieme offrono una soluzione molto allettante non solo per prodotti consumer cost-sensitive, ma anche per home automation e altre applicazioni IoT.

Alcuni esempi possono essere più esplicativi:

-Un dispositivo IoT è essenzialmente un sensore wireless montato all’interno di un prodotto ospite che gli consente di comunicare con altri dispositivi IoT come pure verso un gateway dove le sue informazioni sono trasferite all’internet. Il prodotto ospite può essere qualsiasi cosa: da un termostato a un bulbo LED, un componente industriale come una pompa, o un sensore di umidità sul pavimento. Le possibilità sono senza fine.

-Molti di questi dispositivi sono “headless”, ovvero non hanno un’interfaccia operatore. Ciò significa che non c’è modo di programmarli, aggiungerli o rimuoverli dal network (commissioning e decommissioning) eccetto attraverso la sua primaria, sempre attiva, tecnologia wireless, solitamente ZigBee® o altri standard IEEE 802.15.4. Questo solleva problemi di sicurezza, dal momento che qualsiasi oggetto connesso a un network è intrinsecamente vulnerabile. Anche se il prodotto ospite ha qualche rudimentale interfaccia che permette di introdurre una password, i tecnici lo devono fare manualmente (assumendo che la conoscano) e non essendoci a oggi un protocollo standard per commissioning e decommissioning, sono apparse un gran numero di soluzioni proprietarie. Di conseguenza in un tipico ambiente industriale produttivo con dozzine di componenti fatti da molteplici costruttori questo processo è a dir poco frustrante. La MCU LPC8N04 con tecnologia NFC integrata semplifica drammaticamente la situazione. Una volta integrata nel prodotto ospite, può memorizzare informazioni a esso inerenti all’interno della sua memoria non volatile (EEPROM), e dal momento che la NFC è intrinsecamente bidirezionale, è possibile instaurare uno scambio d’informazioni con uno smartphone NFC-enabled. Commissioning e decommissioning possono così essere eseguiti quasi istantaneamente senza usare la soluzione primaria di connettività wireless. L’informazione relativa a questa «transazione» viene poi trasmessa dallo smartphone a Internet. Oltre a essere cost-effective, il processo è anche molto sicuro e non richiede che il prodotto ospite sia provvisto di interfaccia utente. La MCU LPC8N04, avendo uscite PWM, GPIO, e interfacce seriali, offre una varietà di modi di connettersi al prodotto ospite, e il suo processore ARM® Cortex® -M0+ permette anche di fare delle elaborazioni. Il medesimo scenario si applica ugualmente bene al commissioning di ogni genere di dispositivi headless, da lampadine “smart” a LED. a apparecchi industriali, scientifici, e medici, per elencarne alcuni.

Semplificare il product Servicing

I microcontrollori a 8-bit sono ormai componenti standard in quasi la maggior parte dei sistemi di controllo: l’upgrading di nuovi prodotti con la MCU LPC8N04 non solo fornisce prestazioni a 32-bit ma vi aggiunge anche la funzione di tag NFC con un trascurabile se non nullo incremento di costo. Si consideri per esempio un tipico riscaldatore d’acqua residenziale, in cui un microcontrollore svolge diverse funzioni. Quando un tecnico di service arriva sul posto per un intervento, se il riscaldatore è fornito di una MCU LPC8N04 integrata diventa possibile diagnosticarne le condizioni semplicemente trasferendo i dati memorizzati sul dispositivo a un lettore via NFC. E questo è possibile anche per ogni grande elettrodomestico, come un frigorifero, un congelatore, o un condizionatore d’aria centralizzato, senza che sia necessario alcun apparecchio speciale. La MCU LPC8N04 è anche dotata di un sensore di temperatura integrato che apre la porta a una gamma di altre possibilità, compresa la valutazione dello stato di qualsiasi sistema in cui la temperatura è una delle principali cause di guasto. La MCU LPC8N04 può anche essere usata come sensore embedded connesso con altri sensori per raccogliere dati e inviarli via NFC a un telefono e può sostituire persino una connessione cablata in un grande sistema di automazione di fabbrica, dove non solo si dimostra più efficiente, ma può anche eliminare la possibilità di disservizi dovuti a una carenza di connessione. La disponibilità a basso costo di LED animati li ha resi più appetibili in innumerevoli applicazioni consumer in cui le soluzioni tradizionali a incandescenza peccano per la breve durata, come addobbi natalizi o luminarie in cui i colori possono essere variati tramite un telecomando che solitamente incorpora un trasmettitore RF. Ma dovendo avere questi prodotti un costo molto basso, un telecomando di tal genere rappresenta un considerevole appesantimento. Una MCU LPC8N04 embedded in un punto qualsiasi della luminaria svolge la stessa funzione a minor costo consentendo, grazie al vantaggio di essere programmabile, molte altre funzioni. Come altro esempio si può citare il treno elettrico, divenuto presenza quasi obbligata come giocattolo in tutte le case in cui vi sono bambini, oppure come plastico di modellismo ferroviario per adulti attempati. Potrebbe essere accattivante personalizzare specifiche funzioni come emettere un fischio quando il convoglio arriva nei pressi di un incrocio, un segnale acustico o altro ancora. Con la combinazione di memoria, elaborazione e NFC, la MCU renderebbe possibile creare scenari basati su specifiche configurazioni del tracciato. Ciò che serve è un LPC8N04 a bordo del treno e uno smartphone equipaggiato con una app creata dal produttore che comprende funzioni già programmate e permette di crearne altre. Queste possibilità possono rappresentare un valore aggiunto per il produttore e possono essere implementate da un dispositivo che costa meno di un singolo pezzo di tracciato. Una delle maggiori case produttrici di frullatori sta usando una MCU LPC8N04 per controllare il motore configurandone il movimento a seconda del tipo di recipiente montato dall’utente. Il microcontrollore memorizza informazioni circa tutti i contenitori possibili, che sono dotati di tag NFC. Una volta letta la presenza del contenitore, il frullatore imposta la velocità più adatta senza alcun intervento esterno. In questo modo viene eliminato qualsiasi controllo meccanico e resa inoffensiva una non corretta installazione, inibendo il funzionamento del frullatore senza contenitore. La memoria del microcontrollore e le sue possibilità di programmazione e di elaborazione nonché l’interfaccia seriale consentono poi funzionalità aggiuntive, riducendo altresì il costo di produzione. I telecomandi sono diventati ormai una presenza indispensabile per i sistemi di intrattenimento domestici che ricevono segnali da apparecchi di diversi costruttori, rendendo la loro programmazione una esperienza frustrante. La MCU LPC8N04 fornisce la possibilità di configurare il telecomando senza conoscere il codice di ciascun costruttore o qualsiasi altra informazione sul sistema.Il telecomando comunica con i componenti via NFC: la MCU, una volta memorizzate le informazioni relative a tutti i costruttori, può configurare ciascun componente semplicemente ponendovela accanto.

La MCU LPC8N04 in azione – un orologio NFC con MCU e archiviazione della temperatura

LPC8N04 NFC based demo e interfacce.

La demo di un orologio senza pulsanti con archiviazione della temperatura può essere utile per comprendere le possibilità e i vantaggi della LPC8N04.

Le specifiche richiedono: tagging NFC, raccolta di dati, display, orologio, interfacce analogiche e abilità di elaborazione, il tutto in ambiente low power.

Le funzioni mostrate in questa demo comprendono un pannello OLED per visualizzare data e ora con settaggio senza pulsanti, collegamento con cellulare tramite interfaccia NFC, allarme con notifica a vibrazione (opzionale anche la notifica sonora), misura di temperatura, storico, e indicatori a LED per mostrare la scala di temperatura. Tutto ciò racchiuso in un case portatile e alimentato a batteria.

La figura 4 illustra le possibilità di una soluzione a singolo chip che comprende:

  • Interfaccia tag integrata NFC 1443 type A, che consente la comunicazione con un cellulare Android
  • 4kB EEPROM per memorizzare la temperatura
  • I2C per il controllo del pannello OLED
  • Real Time Clock integrato
  • Sensore di temperatura integrato ad alta precisione
  • Set di timer disponibili per il controllo del motore per la vibrazione
  • General purpose I/O per il controllo dei LED
  • Modalità low power per risparmio energetico

Per scaricare la demo: www.nxp.com/LPC8N04-IoTNode

Cosa è la MCU LPC8N04

LPC8N04 è un microcontrollore che rappresenta una economica ed entry-level soluzione di connettività  per applicazioni embedded. L'integrazione di NFC la abilita a funzionare in contesti di energy harvesting, implementando una comunicazione wireless low power con diverse tipologie di tag. Basata sul core Cortex-M0+ consente, grazie alla sua efficienza energetica, accesso I/O più veloce e facilità di sviluppo, un upgrading a 32-bit delle applicazioni attuali con MCU a 8-bit. Dal punto di vista economica, estende il confine low-power verso il mondo a 32-bit.

Principali caratteristiche

-MCU basata su 32-bit Cortex M0+ per impiego fino a 8MHz

-32KB flash, 8KB SRAM e 4KB EEPROM

-Interfaccia I2C

-SPI/SSP e 12 pin di I/O

-Singolo chip, incorpora connettività NFC

-Compatibile con lo standard ISO14443A

-Facile e sicura connettività a corto raggio, alternativa a BLE

-Package QFN di piccole dimensioni

-Suppportata da MCUXpresso, Keil e IAR

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