TWI596548B - 用於來自鄰近耦合裝置的能量獲取之方法及設備 - Google Patents

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TWI596548B TW104138739A TW104138739A TWI596548B TW I596548 B TWI596548 B TW I596548B TW 104138739 A TW104138739 A TW 104138739A TW 104138739 A TW104138739 A TW 104138739A TW I596548 B TWI596548 B TW I596548B
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Description

用於來自鄰近耦合裝置的能量獲取之方法及設備 發明領域
本文揭示係有關於使用一鄰近耦合裝置以充電裝配有一輔助通訊平台的鄰近積體電路卡的方法、設備及系統。
發明背景
習知鄰近卡乃無需插入讀卡裝置而可被讀取的一型智慧型卡。稍早世代的識別卡有磁條，須接觸或刷過磁性讀取器讀取。新一代智慧型卡或鄰近卡可維持接近電子讀取器或鄰近耦合裝置(PCD)片刻以便被讀取或交換資訊。讀取器通常產生嗶聲或其它聲音以指示卡片已被讀取。鄰近卡典型地具有約2-8吋的讀取範圍。典型鄰近卡包括125kHz(較舊版本)裝置或13.56MHz(較新版本)非接觸式智慧型卡。智慧型卡為主動式或被動式。
卡片及讀取器單元透過射頻場及共振能移轉法而彼此通訊。被動卡有三個組件，密封在塑膠內部：由導線線圈組成的天線、電容器及積體電路(IC)，其含有使用者的ID號碼或其它資料。讀取器單元有其本身的天線，其連 續發射短距離射頻磁場。
被動卡係由讀取器單元充電。當卡片置於讀取器的範圍以內時，天線線圈與電容器形成一調諧電路，吸收及儲存來自該場的能量。然後，能量經整流成直流電而供電給IC。由於供電給卡片的全部能量係來自讀取器單元，被動卡須靠近讀取器才能發揮功能。結果，只有有限的範圍。主動卡係由鋰電池供電。主動卡的IC包括一接收器，其使用電池的電力來放大來自讀取器單元的信號，因而信號更強而能在遠較大的距離檢測得讀取器。電池供應電力給自智慧型卡傳輸的信號。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種鄰近積體電路卡(PICC)，其包含：一共振電路，其用以自一外部來源接收磁能；一整流器，其用以將於該共振電路所接收的該磁能轉換成一電壓能；一電容器，其用以接收及儲存來自該整流器的該電壓能；以及一藍牙低能量(BLE)無線電，其用以與該電容器電氣地通訊及用以藉由儲存於該電容器的該電壓能而被供電。
200‧‧‧鄰近積體電路(PICC)
210‧‧‧共振電路
220‧‧‧整流器
230‧‧‧超電容器
240‧‧‧藍牙低能量(BLE)
250‧‧‧PICC處理器
310-335、510-530‧‧‧步驟
340‧‧‧箭頭
b1-b16‧‧‧位元
將參考下列具體實施例及非限制性例示討論本文揭示之此等及其它實施例，其中相似的元件係以相似的元件符號編號，及附圖中：圖1顯示以示波器測量的代表性PCD裝置(亦即徽章讀取器)的輪詢週期； 圖2為依據本文揭示之一個實施例一鄰近積體電路卡(PICC)的方塊圖；圖3為依據本文揭示之一個實施例一適應性PCD充電法之流程圖；圖4例示依據本文揭示之一個實施例一ATQ指令的位元映射之實例；及圖5顯示在與一PICC通訊的一PCD中執行一適應性輪詢週期的流程圖實例。
較佳實施例之詳細說明
某些實施例可聯合各種裝置及系統使用，舉例言之，行動電話、智慧型電話、膝上型電腦、感測器裝置、藍牙(BT)裝置、超筆電TM、筆記型電腦、平板電腦、手持式裝置、個人數位助理器(PDA)裝置、手持式PDA裝置、板上裝置、非在板上裝置、混合式裝置、車用裝置、非車用裝置、行動或可攜式裝置、消費性裝置、非行動或非可攜式裝置、無線通訊站台、無線通訊裝置、無線接取點(AP)、有線或無線路由器、有線或無線數據機、視訊裝置、音訊裝置、影音(AV)裝置、有線或無線網路、無線區域網路、無線視訊區域網路(WVAN)、區域網路(LAN)、無線LAN(WLAN)、個人區域網路(PAN)、無線PAN(WPAN)、及其類。
若干實施例可聯合依據既有美國電機及電子工程師學會(IEEE)標準(IEEE 802.11-2112，IEEE資訊技術標 準-系統區域及都會區域網路間之電信及資訊交換-特定要求部分11：無線LAN媒體存取控制(MAC)及實體層(PHY)規格，2012年3月29日；IEEE 802.11任務小組ac(TGac)(「IEEE 802.11-09/0308r12-TGac頻道模型補遺文件」)；IEEE 802.11任務小組ad(TGad)(「IEEE 802.11ad-2012，資訊技術之IEEE標準及以WiGig品牌上市-系統間之電信及資訊交換-區域及都會區域網路-特定要求-部分11：無線LAN媒體存取控制(MAC)及實體層(PHY)規格-修訂3：60GHz頻帶的極高通量，2012年12月28日)及/或其未來版本或衍生版本操作的裝置及/或網路；根據既有無線保真(Wi-Fi)聯盟(WFA)點對點(P2P)規格(Wi-Fi P2P技術規格，版本1.2，2012年)及/或其未來版本或衍生版本操作的裝置及/或網路；根據既有胞狀規格及/或協定，例如第三代夥伴計畫(3GPP)、3GPP長期演進(LTE)及/或其未來版本或衍生版本操作的裝置及/或網路；根據既有無線HDTM規格及/或其未來版本或衍生版本操作的裝置及/或網路；屬於前述網路之部分的單元及/或裝置及其類。
若干實施例可聯合BT及/或藍牙低能量(BLE)標準實施。如簡短地討論，BT及BLE乃使用在工業、科學及醫學(ISM)射頻頻帶(亦即2400-2483.5MHz頻帶)的短波長UHF射頻波，用於透過短距離交換資料的無線技術標準。BT藉建立個人區域網路(PAN)而連結固定式裝置與行動裝置。藍牙使用跳頻展頻。被傳輸的資料分割成封包，及各個封包係在79個指定BT頻道中之一者上傳輸。各個頻道具 有1MHz的頻寬。晚近發展的BT實施例藍牙4.0使用2MHz間隔，其允許用於40個頻道。
若干實施例可聯合單向及/或雙向無線電通訊系統、BT裝置、BLE裝置、胞狀無線電話通訊系統、行動電話、胞狀電話、個人通訊系統(PCS)裝置、結合無線通訊裝置的PDA裝置、行動或可攜式全球定位系統(GPS)裝置、結合GPS接收器或收發器或晶片的裝置、結合RFID元件或晶片的裝置、多重輸入輸出(MIMO)收發器或裝置、單輸入多輸出(SIMO)收發器或裝置、多輸入單輸出(MISO)收發器或裝置、具有一或多個內部天線及/或外部天線的裝置、數位視訊廣播(DVB)裝置或系統、多標準射頻裝置或系統、有線或無線手持式裝置例如智慧型電話、無線應用協定(WAP)裝置等使用。有些演示性實施例可聯合WLAN使用。其它實施例可聯合任何其它合宜無線通訊網路使用，例如無線區域網路、「藍牙微網」、WPAN、WVAN等。
於一個實施例中，本文揭示係有關於具有整合式輔助通訊平台的一PICC。於一個實施例中，該輔助通訊平台為BLE無線電。PICC可以是被動式(無電池操作)且可經組配用於近場通訊。BLE平台可經組配以發送及接收常規信標信號。BLE可經組配以當靠近一保全裝置時例如藉自動交換登入憑證而提供登入協助。
當PICC對PCD掃描(互換稱作標記)時，PICC實例可自鄰近耦合裝置(PCD)諸如徽章讀取器獲取能量。當使用者掃描徽章以進入建物時進行掃描。徽章可將能量儲存於 電容器，針對使用者存在鄰近及位置檢測歷經一段時間(例如，一整天)維持一BLE無線電的功耗。於一個實施例中，PCD係經組配以識別PICC的存在，及增加輪詢週期以在短時間掃描期間有效充電PICC。於另一個實施例中，近場通訊(NFC)讀取器或其它可相容的磁場產生裝置(例如，ISP 14443、18002或15693標準裝置)可用作為能源。
於另一個實施例中，本文揭示整合一BLE無線電與PICC，使得BLE無線電係藉PCD充電。如此可免除外部電池的需要。PICC可用於不同應用。舉例言之，PICC可用於登入個人電腦(PC)，其可經組配以使得當非作用態時節省PC的電力，或用於維持PC設定值或家庭/辦公室自動化。
於某些實施例中，本文揭示提出一種用於自PCD裝置獲取能量的方法及系統。許多辦公室係藉電子保全，要求刷一徽章才能進入建物。於某些實施例中，自PCD發射的能量經獲取以維持內嵌於PICC的BLE無線電的功耗。因所揭示的裝置不需電池，故輕便而容易攜帶。本揭示實施例比使用習知NFC無線電更優異，原因在於後者要求架設NFC讀取器在既有主機電腦及PC上。
表1顯示針對本文揭示之一實施例可行性研究的結果。更明確言之，表1顯示代表性BLE之功耗。
表1顯示用於發送BLE廣告的電流消耗為約3.1x10-6A。習知BLE每隔5秒發送一信標信號。因此，針對此種BLE裝置持續8小時充電所需的能量為約0.08928J。
圖1顯示以示波器測量的代表性PCD裝置(亦即徽章讀取器)的輪詢週期(互換稱作工作週期)。如圖1中顯示，PCD實例之輪詢週期為約10%。於圖1中，波峰顯示磁場為ON的情況，及波谷顯示產生的磁場為OFF的情況。如此，圖1顯示習知PCD的工作週期。
表2顯示來自一PCD的能量獲取結果。更明確言之，表2之第一欄顯示接受研究的PICC天線之匝數(N)；第二欄為最大磁場(H)；第三欄為標記時間(亦即PICC與PCD間之緊密鄰近或及/或接觸)；第四欄為作用週期(亦即PICC與PCD間交換能量的時間長度)；第五欄為具有類別I PICC天線之一晶片的電流；第六欄為獲取的DC電壓；第七欄為獲取的功率；及第八欄為於標記期間獲取的能量。
表2之第一列顯示當PICC被標記歷時約64毫秒時，能量作用週期為約6.2毫秒。基於本度量，推定獲取能量於0.00655J。表2之第二列中，標記週期延長到一秒。作用能量獲取週期為約0.096875秒，及獲取能量為約0.01024J。表2之第三列標記週期延長到兩秒，由PICC獲取的能量為約0.02048J。
圖2為依據本文揭示之一個實施例一鄰近積體電路(PICC)之方塊圖。更明確言之，圖2顯示本文揭示之一具體實施例其可實施於一PICC裝置上。圖2之PICC 200可包括一徽章讀取器，及一使用者可掃描該徽章以獲得進入大樓或辦公室內。
PICC 200可包括共振電路210、整流器220、超電容器230、BLE 240及PICC處理器250。共振電路210可包括一天線及一專用電容器。於一具體實施例中，共振電路可於約13.56MHz共振。共振電路210也可包括一線圈其自PCD裝置(圖中未顯示)吸收能量。PCD裝置之實例可包括一線圈發射器用以發射一磁場，該磁場可經拾取激發PICC 200。整流器220可以是經組配以將磁能轉換成電壓的任何整流器。整流器220可激發超電容器230有足夠能量(例如，參考表2)可供BLE無線電消耗。於一個具體實施例中，超電容器230可經選取以提供足量電荷供BLE 240的約八小時功耗。於一具體實施例中，使用0.02法拉第電容器。電容夠大以免除PICC內的備用電池。
BLE無線電240可包括2.4GHz天線且可由超電 容器230充電。BLE 240可用於鄰近檢測以識別附近的BLE裝置。PICC處理器250處理PICC與PCD間之通訊。PICC處理器可單獨包含處理器電路或組合軟體用於此項通訊。
於一個具體實施例中，PICC 200可用作為進一辦公大樓或其它安全場所的徽章。徽章可對一PCD作掃描，該PCD經組配以提供增加的工作週期(互換使用地，輪詢週期)用以於標記時間期間充電PICC 200。PICC 200之共振電路210可檢測與接收由一PCD(圖中未顯示)發射的磁場。來自該磁場的能量可藉整流器220轉換成電壓。已轉換的能量然後儲存於超電容器230上用以供電給BLE 240。
除了充電PICC 200之外，PCD(圖中未顯示)可讀取由PICC 200發射之資訊用於識別及安全目的。資訊可以習知方式發射。另外，資訊可呈由BLE 240的BLE廣告形式。BLE 240包括一BLE無線電。
於另一個實施例中，本文揭示係有關於一種用於提供適應性PCD輪詢週期以獲取足夠能量而充電BLE裝置之方法及設備。如關聯圖1及表1討論，於標記週期期間習知PCD發射磁場。依據本文揭示之一個實施例該PCD的磁場及工作週期可增加以便提供PCD的充電能力。
圖3為依據本文揭示之一個實施例一適應性PCD充電法之流程圖。圖3始於步驟310，此時一PICC對PCD作掃描(標記)。於步驟310，PCD識別PICC，及於步驟315，依據本文揭示實施例判定PICC是否配備有一BLE裝置。若PICC裝置包括BLE，則於步驟320，PICC工作週期被增加以 便充電BLE裝置。
於一選擇性實施例中，PCD可經組配以辨識PICC及增加工作週期，根據預先界定的參數以配合不同裝置。舉例言之，於步驟310，若第一組裝置經識別，則PCD可經規劃以增加工作週期至70%。同理，於步驟310若第二組裝置經識別，則PCD可經規劃以增加工作週期至95%。如此，工作週期可根據PICC的需要而增加。為了達成此項目的，PCD可包括一或多個可規劃模組(圖中未顯示)用以接收已知PICC之一資料庫及其對應工作週期要求。
於步驟320，PCD的工作週期增加。如所述，平均標記時間為約2秒。如此，於此簡短暴露期間，增加的工作週期須經組配以傳遞最大磁場。於步驟325，PCD判定是否以增加的工作週期繼續充電PICC。PCD可選擇性地檢測PICC的存在。若PICC不再存在，則PCD可返回其正常工作週期，如於步驟330顯示。若PICC持續留在PCD的磁場內部，則可繼續較高工作週期，如於步驟335顯示。於一選擇性實施例中，若在一經預先界定的時間之後裝置仍然存在，則PICC可經組配以縮短工作週期。PCD可繼續監視PICC的存在及重複週期，如箭頭340顯示。
於本文揭示之某些實施例中，PICC透過訊息的交換而與PCD通訊。PCD可發送一請求(REQ)給PICC，及PICC可以請求的答覆(ATQ)回應。圖4例示依據本文揭示之一個實施例一ATQ指令之位元映射實例。於圖4中，位元1-5為防撞位元；位元6及位元13-16為保留供未來使用(RFU) 位元；位元7及位元8為使用者識別符(UID)位元；及位元9-12為專有編碼位元。於一實施例中，於整合BLE無線電的PICC卡實例中，於ATQ指令中之位元9-12可經規劃成特定樣式(例如，1111)。當PCD裝置接收與檢測具有經預先界定的位元樣式的ATQ指令供BLE感測器目的時，可即刻設定輪詢工作週期至一預先界定的百分比以增加磁場能。
圖5顯示在與PICC通訊之一PCD中實施一適應性輪詢週期的流程圖實例。圖5之處理始於步驟510。工作週期可設定於約10%之預設值。一旦PICC標記於PCD裝置上，或檢測得鄰近時，PCD發送一請求(REQ)指令給PICC(參考步驟515)。此時，PICC可接收較低磁場的效果。於步驟520，PCD自PICC接收一ATQ。於步驟525，ATQ位元(b9-b12)被解碼。若位元9-12之預先界定的樣式(例如，1111)經驗證，則針對一預先界定的時間PCD輪詢週期可被修改成100%，如於步驟530顯示。增加的輪詢週期提供了較大H-場能。結果，當徽章被標記歷時額外1-2秒時，獲取能量可增至0.1焦耳。獲取能量可供電BLE裝置8小時操作。於一具體實施例中，PICC裝置的BLE信標可經組配以比預設信標區間更不作用態以便保留能量。
圖3及圖5中之各者顯示的步驟可實施於硬體、軟體、或硬體與軟體之組合。於一具體實施例中，圖5之步驟可儲存於記憶體電路及由與PCD通訊之處理器電路實施。處理器電路及記憶體電路可各自包括硬體與軟體用以提供期望的功能。於另一個具體實施例中，處理器電路可以邏 輯規劃以進行圖3及圖5中顯示之步驟。本文揭示原理之其它實施例也同等適用。
以下為本文揭示之實例及非限制性實施例用以例示本文揭示之各種實施例。實施例1係有關於一種鄰近積體電路卡(PICC)，其包含：一共振電路以自一外部來源接收磁能；一整流器以將於該共振電路所接收的該磁能轉換成一電壓能；一電容器以接收及儲存來自該整流器的該電壓能；以及一藍牙低能量(BLE)無線電以與該電容器電氣地通訊及藉由儲存於該電容器的該電壓能而被供電。
實施例2係有關於實施例1之PICC，其中該BLE無線電係經組配以由儲存於該電容器之該電壓能唯一地被供電。
實施例3係有關於實施例1之PICC，其中該共振電路自一鄰近耦合裝置(PCD)接收磁能。
實施例4係有關於實施例3之PICC，其進一步包含一PICC處理器以與該PCD通訊。
實施例5係有關於實施例1之PICC，其中該BLE係經組配以與一外部裝置通訊登入資訊。
實施例6係有關於一種有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其含有指令，該等指令當由一或多個處理器所執行時導致進行包含下列之操作：探索在一鄰近耦合裝置(PCD)之一磁場範圍內部的一鄰近積體電路卡(PICC)；識別經探索的該PICC為具有由該獲取的能量所供電的一通訊平台；增加該PCD的工作週期以暴露該PICC於經增加的磁 場；當該PICC係在該PCD的該磁場範圍外部時恢復預設工作週期。
實施例7係有關於實施例6之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中該通訊平台界定一藍牙低能量(BLE)無線電。
實施例8係有關於實施例6之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中探索在該磁場範圍內部的該PICC進一步包含發射一請求(REQ)指令給該PICC及接收來自該PICC的一請求之答覆(ATQ)。
實施例9係有關於實施例8之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中探索在一磁場範圍內部的該PICC進一步包含判定在該ATQ中之多個指定位元是否指示能量獲取要求。
實施例10係有關於實施例9之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中若能量獲取要求係經指示則該等指令進一步包含增加該磁場的工作週期。
實施例11係有關於實施例6之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中該指令進一步包含檢測該PICC遠離該PCD之移動。
實施例12係有關於一種鄰近耦合裝置(PCD)，其包含一或多個處理器及電路，該電路包括：一第一邏輯以探索在一鄰近耦合裝置(PCD)之一磁場範圍內部的一鄰近積體電路卡(PICC)；一第二邏輯以判定經探索的該PICC為具有一藍牙低能量(BLE)無線電；一第三邏輯以增加該PCD 的工作週期以暴露該PICC於經增加的磁場及用以當該PICC係在該PCD的該磁場範圍外部時恢復一預設工作週期。
實施例13係有關於實施例12之PCD，其中該第一邏輯藉由發射一請求(REQ)指令給該PICC及接收來自該PICC的一請求之答覆(ATQ)而探索在該磁場內部的該PICC。
實施例14係有關於實施例13之PCD，其中該第二邏輯判定在該ATQ中之多個指定位元是否指示BLE可用性。
實施例15係有關於實施例14之PCD，其中該第三邏輯增加該磁場的工作週期唯若該BLE為可用的一期間。
實施例16係有關於實施例15之PCD，其中該第一邏輯進一步檢測該PICC遠離該PCD之移動及致使該第三邏輯恢復該預設工作週期。
雖然已經關聯此處顯示的該等具體實施例例示本文揭示之原理，但本文揭示之原理並不受此限及包括其任何修改、變異或置換。
310-335‧‧‧步驟
340‧‧‧箭頭

Claims (14)

  1. 一種鄰近積體電路卡(PICC)，其包含：一共振電路，其用以接收來自一鄰近耦合裝置(PCD)之磁能；一整流器，其用以將於該共振電路所接收的該磁能轉換成一電壓能；一電容器，其用以接收及儲存來自該整流器的該電壓能；一藍牙低能量(BLE)無線電，其用以與該電容器電氣式通訊及用以藉由儲存於該電容器的該電壓能而被供電；以及一PICC處理器，其用以經由該BLE無線電而與該PCD通訊。
  2. 如請求項1之PICC，其中該BLE無線電係經組配以由儲存於該電容器之該電壓能專屬地被供電。
  3. 如請求項1之PICC，其中該共振電路從該PCD接收磁能。
  4. 如請求項1之PICC，其中該BLE無線電係經組配以與一外部裝置通訊登入資訊。
  5. 一種有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其含有指令，該等指令當由一或多個處理器所執行時導致進行包含下列之操作：探索在一鄰近耦合裝置(PCD)之一磁場範圍內部的一鄰近積體電路卡(PICC)； 識別經探索的該PICC為具有由獲取的能量所供電的一藍牙低能量(BLE)通訊平台；經由該PICC之該BLE通訊平台而與該PCD通訊；增加該PCD的工作週期以將該PICC暴露於由該PCD所產生之經增加的磁場從而充電該PICC；當該PICC係在該PCD的該磁場範圍外部時恢復預設工作週期。
  6. 如請求項5之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中探索在該磁場範圍內部的該PICC進一步包含發射一請求(REQ)指令給該PICC及接收來自該PICC的一請求之答覆(ATQ)。
  7. 如請求項6之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中探索在一磁場範圍內部的該PICC進一步包含判定在該ATQ中之多個指定位元是否指示能量獲取要求。
  8. 如請求項7之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中該等指令進一步包含若能量獲取要求係經指示則增加該磁場的工作週期。
  9. 如請求項5之有形機器可讀取非暫態儲存媒體，其中該等指令進一步包含檢測該PICC遠離該PCD之移動。
  10. 一種鄰近耦合裝置(PCD)，其包含一或多個處理器及電路，該電路包括：一第一邏輯，其用以探索在一PCD之一磁場範圍內部的一鄰近積體電路卡(PICC)；一第二邏輯，其用以判定經探索的該PICC為具有一 藍牙低能量(BLE)無線電且用以使用該BLE無線電來導向在該PCD與該PICC之間的BLE通訊；一第三邏輯，其用以增加該PCD的工作週期以將該PICC暴露於經增加的磁場且從而充電該PICC，該第三邏輯經組配以當該PICC係在該PCD的該磁場範圍外部時恢復一預設工作週期。
  11. 如請求項10之PCD，其中該第一邏輯藉由發射一請求(REQ)指令給該PICC及接收來自該PICC的一請求之答覆(ATQ)而探索在該磁場內部的該PICC。
  12. 如請求項11之PCD，其中該第二邏輯判定在該ATQ中之多個指定位元是否指示BLE可用性。
  13. 如請求項12之PCD，其中該第三邏輯只有在該BLE為可用的一期間，增加該磁場的工作週期。
  14. 如請求項13之PCD，其中該第一邏輯進一步檢測該PICC遠離該PCD之移動及致使該第三邏輯恢復該預設工作週期。
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