당뇨병 환자는 주사기로 혈액을 채취한 후, 혈당수치를 주기적으로 자가 측정해야 한다. 이것이 주기적으로 반복되면 환자는 몸에서 느끼는 통증뿐만 아니라 정신적인 고통도 커지게 된다. 

이때 채혈과 같은 측정 방식을 대체할 수 있는 검증된 무선주파수 기술이 있다면 어떨까? 최근 스마트폰과 태블릿의 안드로이드 운영체제에서 지원하고 있는 NFC가, 의료용으로 사용되는 근거리 무선 통신 기술로 큰 관심을 받고 있다.

NFC(Near Field Communications)는 인접해 있거나 10cm 미만 거리의 접촉식 기기들 사이에서 데이터 교환을 위해 사용되는 RF 프로토콜로, 향후 다양한 분야에서 채택될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
일례로, 의료 기기 제조업체들은 당뇨병 환자 피부 바로 아래에 NFC를 지원하는 초소형 혈당 센서를 이식하는 가능성에 대해 검토 중이다. 

 

그렇게 되면, 전용 앱이 실행되고 있는 안드로이드 폰이나 태블릿을 이식된 곳 근처에서 들고만 있어도, 센서가 혈당수치에 대한 정보를 읽을 수 있다.

호스트 기기는 환자의 주치의에게 측정 수치를 자동으로 업로드시킬 수 있다. 환자가 주기적으로 측정 수치를 확인할 수 있도록 프로그램할 수 있으며, 환자가 예정된 시간에 측정 수치를 확인하지 않을 경우, 의료진에게 알릴 수 있도록 프로그램할 수도 있다. NFC 지원 센서는 다음과 같은 애플리케이션에 이상적이다.
•센서 인터페이스가 NFC 리더기로 들어오는 RF 신호에서 에너지를 얻기 때문에, 외부 전원이 필요 없는 제품
•센서가 호스트 기기와 순간적으로 자동 페어링하기 때문에 신속하고 편리한 제품
•초소형 제품
•저렴한 제품
이식형 혈당 측정기 사례는 NFC 지원 센서가 활용될 새로운 유형의 가능성을 제시한다. 사실, 이러한 기기 유형들은 다양한 시장 영역에서 수백 개의 애플리케이션으로 사용될 수 있다.

 ‌NFC 지원 센서 아키텍처

NFC 지원 센서는 센서의 입력 신호를 조정하고 디지털화할 목적으로 센서 인터페이스를 통합한 RFID 태그이다. 다른 RFID 태그와 마찬가지로, NFC 지원 센서는 사용자가 사물의 근원을 확인할 수 있는 고유 ID가 있다.
그러나, NFC 지원 센서는 사물이 노출됐던 환경 조건을 확인할 수 있도록 지원하거나(그림 1), 또는 이식된 센서를 통해 생물학적 데이터와 같은 전혀 다른 종류의 측정 정보도 제공할 수 있다.

그림 1. ‌NFC 지원 센서를 통해 사물이 보관되는 상황뿐 아니라 고유 ID를 모니터링할 수 있다

센서를 통해 획득한 데이터를 태그에 추가하는 것은 기본적인 통신 방식을 변경시키지 않는다. 태그가 RFID 리더기 또는 전용 앱이 설치된 NFC 지원 폰에 가까이 있으면 고유의 ID와 센서를 판독할 수 있다.

물론 무선 센서를 구현할 수 있는 다른 방법들도 있다. 현재는 사물에 센서를 부착한 다음, 이 센서가 마이크로컨트롤러 및 RF 트랜시버에 인터페이스하여 지능형 센서 및 판독기 간 무선 통신을 간단히 설정한다.

NFC 지원 센서로 이 기능을 구현하면 시스템 설계가 훨씬 단순해지고 더욱 유연한 방식으로 전원을 관리할 수 있다. 실제로 상대적으로 데이터 속도가 느리고 통달거리가 짧은 애플리케이션의 경우, NFC는 매우 적합한 기술이라고 할 수 있다.
•NFC는 서로 간단하게 접촉만 하면 되므로, 두 기기 사이에서 직관적이고 간단한 상호작용이 가능하다.
•NFC 링크를 설정하는 데 1초도 걸리지 않지만, 다른 시스템은 일반적으로 몇 초가 걸린다.
•NFC는 저전력 요건을 갖추고 있어 배터리 수명이 매우 길고, 배터리 없이 구현이 가능한 방식을 지원한다.
•NFC 애플리케이션은 지그비, 블루투스 로우 에너지(BLE ; Bluetooth Low Energy)와 같은 무선 센서에 사용되는 경쟁 기술보다 덜 복잡하므로 시스템 비용이 더 낮다.
•NFC는 근거리 자기장 연결을 통해 동작하므로, 도청과 간섭으로부터 안전하다.
•NFC 시스템은 기존 인프라에 피그백(Piggyback) 방식을 적용할 수 있으며, 시스템 구현을 위해 호스트 기기에 적합한 앱 개발만 필요한 경우도 있다.

배터리를 사용하지 않는 완전 패시브(Passive) 모드일 경우, NFC 지원 센서는 리더기에서 들어오는 RF 신호로부터 에너지를 모아, 센서 인터페이스 및 RF 전송에 전력을 공급한다. 

그리고 배터리를 사용하는 세미패시브(Semi-passive) 모드일 경우, NFC 지원 센서는 독자적이고 장기적인 모니터링을 요구하는 애플리케이션에서 독립적으로 동작할 수 있다. 그렇지 않다면, 이 NFC 지원 센서는 사용자 제어형 온보드 전원을 센서에 공급할 수 있다.

센서 태그는 수명 주기 동안 두 가지 모드로 작동할 수 있다. 즉 배터리가 방전될 때까지는 세미패시브 모드로 작동하고, 방전된 후에는 패시브 모드로 작동하는 것이다(데이터는 비휘발성 메모리에 저장돼 기기에 전원이 공급되지 않는 동안 보존된다).

 ‌완전 패시브 모드 동작

RFID 시스템 동작의 기본 원리는 태그가 리더기에서 생성되는 자기장으로부터 필요한 에너지를 모두 얻는 것이다. NFC 지원 센서에서, 이렇게 생성된 전력(일반적으로 3.3V일 때 약 4mA)은 센서에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 생성되는 에너지가 센서에 전력을 공급할 정도로 충분하지 않을 경우, 즉 태그 안테나가 작거나 태그가 리더기로부터 거리가 멀 경우에는 측정 전에 충전하여 측정 시 전력을 소모하는 커패시터 형태로 소형 보조 전원공급장치를 추가할 수 있다.
완전 패시브 모드의 NFC 지원 센서는 설계 엔지니어에게 무한한 상상력을 발휘하여 새로운 가능성을 실현할 기회를 제공한다. 

태그는 이론상 영구적으로 사용 가능하며 유선 연결이 필요 없다. 따라서 센서 태그를 벽면과 같은 구조물이나 완전 밀봉된 제품에 내장할 수도 있다. 건설업자는 새로운 종류의 NFC 지원 습도 센서를 주택 벽면이나 바닥의 상수도 또는 하수도관 옆에 내장할 수도 있다. 그러면 기존에는 건축물을 손상시키지 않고서는 탐지할 수 없었던 누수 상황도 조기에 감지할 수 있게 된다.

 ‌세미패시브 모드 동작

세미패시브 태그는 태그 및 센서 동작을 지원하는 온보드 전원이 일반적으로 배터리 형태로 포함돼 있다. 데이터 전송은 보통 패시브 태그와 동일한 방식으로 리더기에서 나오는 백스캐터링된(Backscattered) 전력을 사용해 동작한다.
사용자가 제어하는 세미패시브 센서 태그는 대부분의 시간을 작동 중단 상태로 대기하는데, 이때 배터리에서 소모되는 전류는 무시해도 될 정도이다. 센서 기능 및 측정은 일반적으로 기기가 리더기 또는 NFC 기기로부터 RF 신호를 센싱할 때 사용자가 활성화한다.

장기간에 걸친 자가 모니터링 적용 제품(소위 데이터 로거)에 사용되는 독립 실행형 세미 패시브 센서 태그는 외부 이벤트에 의해 활성화되거나 통합된 실시간 클록(RTC)에 의해 주기적으로 트리거될 수 있다. 이러한 적용 제품에는 RTC 또는 이벤트로 트리거되어 작동이 재개될 때 사용할 전류가 필요하다. 

일반적으로는 배터리에서 공급되는 2㎂의 지속적인 전류가 사용된다. 이러한 상태 모니터링 NFC 센서 태그는 운송 중에 특별한 주의가 필요한 상품에 부착 가능하다. 공급망을 통한 운송이 끝나면 NFC 지원 리더기 기기로 센서 태그를 확인해, 운송 중 승인되지 않은 상태가 발생했을 경우 경고를 표시할 수 있다. 

또한 센서 데이터에는 타임스탬프가 표시되므로 세부적인 이벤트 모니터링이 가능하다.

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NFC 지원 센서 기능 구현

NFC 지원 센서 기능이 구현되는 애플리케이션은 에너지 하베스팅(Harvesting) 성능, 센서 인터페이스, 전원 관리 회로 및 실시간 클록(RTC)이 필요하다. 

이러한 기능들은 현재 ams의 단일 칩인 NFC 센서 트랜스폰더(SL13A)에서 모두 제공되고 있다(그림 2). 이 칩은 NFC-V(ISO15693) 표준에 부합하며 온보드 온도 센서가 통합돼 있다.

그림 2. ams의 NFC 지원 센서 SL13A 블록 다이어그램

이 센서 태그는 완전 패시브모드뿐만 아니라 세미패시브 모드에서도 동작한다. 배터리는 온칩 RTC가 필요한 경우, 자동 데이터 로그를 지원하기 위해 배터리가 사용된다. 패시브 모드에서 리더기 또는 NFC 지원 휴대폰은 타임 스탬프를 대신 제공하며, 센서 동작을 위해 필요한 에너지는 리더기의 자기장에서 수집된다.

로그 센서 데이터는 온칩 EEPROM에 저장되며, 데이터를 조작하거나 무단으로 사용할 수 없도록 암호로 보호된다.
SL13A는 센서 데이터 수집과 무선 데이터 전송이 필요한 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있다. 이러한 애플리케이션의 예는 다음과 같다.

1. 유통기한 경보 기능의 공급망
상품의 운송 및 보관 상황뿐 아니라 환경 조건들은 SL13A를 통해 모니터링되며 기록될 수 있다. 식품, 음료, 의약품과 같이 상하기 쉬운 품목들은 온도에 영향을 받는 화학작용에 민감하므로 유통기한을 결정하게 된다. 일부 센서 태그는 유통기한을 동적으로 계산하는 알고리즘이 내장돼 있어, 유효 기간이 다가왔을 때 경보 기능을 제공한다.

2. 건물 모니터링
SL13A와 적합한 센서들을 건물, 교량, 고가교와 같은 건축물 내부에 임베디드할 경우 온도, 습도, 압력 및 진동을 포함한 환경 조건을 기록하고 NFC 리더기로 인출되는 데이터를 전송할 수 있다.

3. 투약 프로그램
센서 태그가 통합된 디스펜서와 블리스터 팩(Blister Pack)은 알약 소비량을 기록하고 시간 순서에 따라 타임스탬프를 표시할 수도 있다. 이를 통해 의료 관계자는 환자가 처방전을 잘 따르고 있는지 모니터할 수 있다.

4. 공정 제어
공장 자동화 시스템에서는 센서 태그를 사용해 공정을 제어하고 각 공정 단계에서 품질을 관리할 수 있다. 이것은 완제품에 대하여 최종 품질 보장 검사를 실시하는 것보다 효율적이다.

5. 원격 측정
SL13A 센서 태그를 WLAN 또는 GSM과 같은 무선 연결 기능이 있는 장비에 통합하면, 원격으로 사물 또는 환경을 추적하고 모니터링하는 기능을 확장할 수 있다.

검증된 통신 프로토콜을 구현하고 정확하면서도 정밀한 센서 인터페이스를 제공하는 SL13A는 다양한 전자 기능을 단일 기기에 통합함으로써 실현할 수 있는 새로운 가능성을 보여준다. 이 새로운 종류의 센서 RFID 태그가 어떻게 사용될지 그 무궁무진한 가능성을 보여 줄 열쇠는 시스템 설계자의 상상력에 있다.

Oluf Alminde ams AG