УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ NFC-КАНАЛА ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН
APPARATUS AND METHOD FOR IMPROVING AN NFC CHANNEL BY APPLYING SURFACE WAVES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области техники связи, в частности, к способу и устройству для осуществления беспроводной связи между NFC-устройствами с помощью поверхностных волн.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время в области передачи данных широко используются решения на основе технологии беспроводной передачи данных малого радиуса действия (NFC), которая дает возможность обмена данными между устройствами и сканирования соответствующих меток с дополнительной информацией, например, о продукте или услуге. Технология NFC является беспроводной технологией, радиус действия которой составляет приблизительно один сантиметр. В технологии NFC связь поддерживается посредством индукции магнитного поля. В настоящее время NFC-приемопередатчики установлены во множестве устройств, однако небольшой радиус действия вынуждает держать устройства достаточно близко друг другу для осуществления обмена данными. Вследствие этого пользователь может быть вынужден совершать неестественные для него движения для осуществления операции оплаты или иных операций (например, соединения с гарнитурой), в частности, при поднесении наручных интеллектуальных часов к платежному терминалу и т.п.
Из уровня техники известно решение (см. US 20150318933 A1, «Communication terminal, communication device, communication method, program, and communication system»), раскрывающее способ обмена данными через тело человека, т.е. сигнал распространяется сквозь ткани человека. Однако для применения данного решения необходимо модифицировать аппаратную составляющую как в передающей стороне (например, в пользовательском устройстве), так и в принимающей стороне (например, NFC-считывателе в платежном терминале), что значительно сужает круг применения данного решения.
Кроме того, из уровня техники известно решение (см. US 7664476 B2, «Human body communication system and communication device»), раскрывающее передатчик и приемник для передачи данных между устройствами, расположенными на теле человека, через электрическое поле, сформированное за счет воздействия тела человека, причем квазиэлектростатическое поле, сформированное внутри человеческого тела, является доминирующим над полем излучения, сформированным вне человеческого тела. Недостатком данного решения также является необходимость в модификации аппаратной составляющей как в приемной, так и в передающей стороне.
Прототипом настоящего изобретения является решение, раскрытое в статье «Electric near field communication for identification and payment on wearable devices» (T. Washiro, 2016), в котором предлагается объединение технологий передачи данных через тело человека (human body communication, HBC) и NFC с использованием схем существующих NFC-считывателя и микропроцессорной карты (ICC). В технологии HBC связь поддерживается посредством электромагнитного поля, информация передается от устройства к устройству через тело человека, причем соответствующее аппаратное обеспечение должно быть установлено на обоих устройствах. В упомянутой статье описывается использование пассивного режима связи, в котором NFC-считыватель выполнен с возможностью обмена данными с пассивной картой. Согласно данному решению как приемная, так и передающая сторона дополнены электрической антенной, которая непосредственно соединена с соответствующей магнитной антенной. Таким образом, согласно данному решению электромагнитный сигнал, сформированной одной из сторон (например, передающей стороной в виде пассивной бесконтактной карты), стандартно передается на магнитную антенну, от которой он по проводу поступает на установленную электрическую антенну; далее полученный электромагнитный сигнал передается по телу человека на электронную антенну другой стороны (например, приемной стороны в виде NFC-считывателя), от которой он по проводу передается на соответствующую магнитную антенну другой стороны и поступает на само устройство этой другой стороны (например, NFC-считыватель), и наоборот. Для поддержания низких потерь при передаче для питания пассивной карты и измерения модуляции нагрузки в данном решении предусмотрены дополнительные элементы для снижения потерь при передаче, установленные в электронной антенне. Эти дополнительные элементы представляют собой четвертьволновой элемент, индукторы. Однако это решение требует дополнение как аппаратной составляющей передающей стороны, так и аппаратной составляющей приемной стороны - существующего NFC-считывателя (например, в точке продажи, POS-терминале и т.д.). Кроме того, эти элементы занимают дополнительный объем в обоих устройствах и увеличивают их стоимость.
Таким образом, существует необходимость в безопасном способе осуществления беспроводной связи между NFC-считывателем и пользовательским устройством с NFC-чипом с более дальним радиусом действия для исключения необходимости поднесения пользовательского устройства с NFC-чипом непосредственно к NFC-считывателю без необходимости в модификации и/или дополнении существующих NFC-считывателей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в устранении упомянутых выше недостатков, присущих известным из уровня техники решениям, в частности, в обеспечении безопасного способа осуществления беспроводной связи пользовательских устройств, снабженных NFC-чипами, с существующими NFC-считывателями с увеличенным радиусом действия.
Указанная задача решается посредством способа и устройства, которые охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения. Дополнительные варианты реализации настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно одному аспекту настоящего группы изобретений предложен способ осуществления беспроводной связи, содержащий этапы, на которых:
- формируют электромагнитный сигнал посредством передающего модуля NFC-считывателя;
- направляют упомянутый электромагнитный сигнал к катушке NFC-считывателя, имеющей межвитковую паразитную емкость, причем сигнал от катушки NFC-считывателя распространяется по поверхности объекта с высокой диэлектрической проницаемостью, который находится в непосредственной близости к катушке NFC-считывателя;
- детектируют сигнал, распространяющийся по поверхности объекта с высокой диэлектрической проницаемостью, посредством емкостного излучающего элемента пользовательского устройства, расположенного в непосредственной близости к поверхности упомянутого объекта с высокой диэлектрической проницаемостью, и передают детектированный сигнал в приемный модуль пользовательского устройства,
- в ответ на прием детектированного сигнала формируют ответный сигнал посредством передающего модуля пользовательского устройства;
- передают ответный сигнал от передающего модуля пользовательского устройства в емкостной излучающий элемент, причем ответный сигнал распространяется от емкостного излучающего элемента по поверхности объекта с высокой диэлектрической проницаемостью обратно к катушке NFC-считывателя; и
- детектируют ответный сигнал упомянутой катушкой NFC-считывателя, имеющей паразитную емкость, и передают принятый ответный сигнал в приемный модуль NFC-считывателя.
Способ дополнительно может содержать этапы, на которых: передают детектированный сигнал от емкостного излучающего элемента в приемный усилитель, усиливают детектированный сигнал согласно заданным условиям, и передают усиленный детектированный сигнал от приемного усилителя в приемный модуль пользовательского устройства.
Согласно другому аспекту настоящей группы изобретений предложено пользовательское устройство для осуществления беспроводной связи, содержащее:
- емкостной излучающий элемент, выполненный с возможностью детектирования электромагнитного сигнала, причем емкостной излучающий элемент расположен в непосредственной близости к поверхности объекта с высокой диэлектрической проницаемостью, по которой распространяется электромагнитный сигнал;
- приемный модуль, выполненный с возможностью приема детектированного сигнала от емкостного излучающего элемента;
- передающий модуль, выполненный с возможностью формирования ответного сигнала на основе принятого детектированного сигнала и передачи ответного сигнала в емкостной излучающий элемент, причем ответный сигнал распространяется от емкостного излучающего элемента к NFC-считывателю по поверхности объекта с высокой диэлектрической проницаемостью.
Пользовательское устройство для осуществления беспроводной связи может дополнительно содержать приемный усилитель, выполненный с возможностью приема детектированного сигнала от емкостного излучающего элемента, усиления детектированного сигнала согласно заданным условиям и передачи усиленного детектированного сигнала в приемный модуль.
Пользовательское устройство для осуществления беспроводной связи может дополнительно содержать передающий усилитель, выполненный с возможностью приема ответного сигнала от передающего модуля, усиления ответного сигнала согласно заданным условиям и передачи усиленного ответного сигнала в емкостной излучающий элемент.
Пользовательское устройство для осуществления беспроводной связи может дополнительно содержать катушку, причем передающий модуль дополнительно выполнен с возможностью направления ответного сигнала к упомянутой катушке для передачи ответного сигнала на NFC-считыватель по стандартной NFC-технологии посредством индукции магнитного поля.
Технический результат, достигаемый посредством использования настоящего изобретения, заключается в обеспечении безопасного способа осуществления связи устройств с NFC-чипами с NFC-считывателями с увеличенным радиусом действия за счет применения поверхностных волн, передающих сигнал по поверхности тела человека, без модификации существующих NFC-считывателей. В качестве дополнительного технического результата можно отметить устранение необходимости поднесения пользовательского устройства с NFC-чипом непосредственно к NFC-считывателю, что позволяет пользователю избегать совершения неестественных для пользователя движений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны после прочтения нижеследующего описания и просмотра сопроводительных чертежей, на которых:
На фиг. 1 изображен принцип работы настоящего изобретения в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение пользовательского устройства для обмена данными согласно варианту осуществления настоящего изобретения и известного NFC-считывателя 1;
На Фиг. 3 схематично изображено расположение пользовательского устройства и NFC-считывателя по отношению к телу человека при осуществлении беспроводной связи с помощью поверхностных волн;
На Фиг. 4 изображена модель руки человека при взаимодействии с паразитной емкостью NFC-считывателя в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 5 представлена блок-схема пользовательского устройства с дополнительными блоками усиления согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 6 представлена блок-схема способа взаимодействия пользователя с NFC-считывателем при совершении платежа в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 7a и 7b изображены два NFC-блока, содержащие соответствующие электронные модули, и осциллограф, на котором отображены результаты детектирования сигнала на одном из NFC-блоков.
Представленные на чертежах фигуры служат только для иллюстрации вариантов реализации настоящего изобретения и никак его не ограничивает.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описываются в дальнейшем более подробно со ссылкой на чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах и не должно истолковываться как ограниченное любой конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. На основании настоящего описания специалист в данной области техники поймет, что объем правовой охраны настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли он независимо или в сочетании с любым другим вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг. 1 изображен принцип работы настоящего изобретения. В частности, на фигуре представлен NFC-считыватель 1, к которому приложена рука пользователя, на которой надето пользовательское устройство 2. NFC-считыватель 1, например, может представлять собой платежный терминал, а пользовательское устройство 2 - интеллектуальные часы. В контексте настоящего изобретения пользовательское устройство представляет собой любое устройство, снабженное NFC-чипом и NFC-катушкой.
NFC-считыватель 1 также содержит NFC-катушку. NFC-катушка, имеющая межвитковую паразитную емкость (собственную емкость), может использоваться в качестве чувствительного элемента или антенны для детектирования электромагнитных волн. Таким образом, согласно варианту осуществления настоящего изобретения предлагается модификация пользовательского устройства 2 путем включения в него электронного модуля, описанного далее. В пользовательском устройстве посредством NFC-чипа генерируется электромагнитный сигнал. Электронный модуль получает этот сигнал и, при необходимости, преобразует его, после чего сформированный электромагнитный сигнал распространяется по поверхности тела человека от упомянутого электронного модуля к NFC-считывателю 1, которого касается пользователь. NFC-катушка, имеющая паразитную емкость, в NFC-считывателе, которого касается пользователь, выступает в качестве приемной антенны со стороны NFC-считывателя, так как паразитная емкость NFC-катушки чувствительна к поступающему электромагнитному сигналу, проходящему по NFC-катушке. Принятый сигнал обрабатывается NFC-считывателем 1. Таким образом, для осуществления настоящего изобретения необходимо дополнение аппаратной составляющей только пользовательского устройства 2, аппаратная же составляющая известных NFC-считывателей остается неизменной за счет использования присущей им паразитной емкости их NFC катушек для передачи сигналов и детектирования поступающих сигналов.
За счет распространения сигнала по поверхности тела человека значительно увеличивается рабочее расстояние для осуществления связи между пользовательским устройством 2 и NFC-считывателем 1. Таким образом, если использование стандартной технологии NFC затруднено для пользователя (например, за счет необходимости неестественно выворачивать руку, на которой надеты интеллектуальные часы с NFC-чипом, для поднесения часов на расстояние в 1 сантиметр от NFC-считывателя), пользователь может просто коснуться рукой или пальцами NFC-считывателя для осуществления обмена данными. При этом, в случае необходимости пользователь также может воспользоваться и непосредственно NFC-технологией (стандартным способом осуществления обмена данных по NFC-технологии), приложив пользовательское устройство к NFC-считывателю, так как устройство согласно рассматриваемому варианту осуществления выполнено с возможностью двухрежимного функционирования: одновременно и в ближнем поле действия по стандартной NFC-технологии, и на расстояние в пределах приложенной поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью. Как известно специалисту в данной области техники, при прохождении электромагнитного сигнала через NFC-катушку формируется преимущественно магнитное поле, а при прохождении сигнала через емкостной излучающий элемент - преимущественно электрическое поле. Диэлектрическая проницаемость у тела человека значительно отличается от диэлектрической проницаемости окружающей среды (в частности, воздуха), таким образом, электромагнитный сигнал, прошедший через емкостной излучающий элемент, направленно распространяется вдоль границы раздела тела человека и окружающей среды, т.е. по поверхности тела человека. За счет распространения электромагнитного сигнала в виде поверхностных волн по поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшается ослабление сигнала, потеря мощности и увеличивается направленность сигнала за счет невозможности распространения сигнала в другие стороны, а только по поверхности тела человека. Описанный выше эффект также повышает безопасность при передаче сигнала за счет передачи сигнала только на то устройство, которого касается пользователь. Электромагнитный же сигнал, прошедший через NFC-катушку, не может распространяться по телу человека, так как магнитная проницаемость у окружающей среды (в частности, воздуха) практически равна магнитной проницаемости тела человека. Емкостной излучающий элемент в контексте настоящего изобретения может использоваться как для передачи, так и для приема электромагнитных волн, то есть он обеспечивает двустороннюю связь.
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение пользовательского устройства 2 для обмена данными согласно варианту осуществления настоящего изобретения и известного NFC-считывателя 1. NFC-считыватель 1 включает в себя передающий модуль 3, приемный модуль 4, модуль 5 согласования и NFC-катушку 6, причем передающий модуль 3 и приемный модуль 4 связаны с модулем 5 согласования, который в свою очередь взаимодействует с NFC-катушкой 6. Изначально запрос на NFC-считывателе 1 формируется на передающем модуле 3, после чего он направляется на модуль 5 согласования и далее на NFC-катушку 6. При получении сигнала от пользовательского устройства 2 сигнал поступает сначала на NFC-катушку 6, далее на модуль 5 согласования, после чего сигнал попадает на приемный модуль 4. В общем, модуль согласования 5 выполнен с возможностью согласования передающего модуля 3 и приемного модуля 4 с NFC-катушкой 6.
Пользовательское устройство 2 также включает в себя передающий модуль 7, приемный модуль 8, модуль 9 согласования и NFC-катушку 10, причем передающий модуль 7 и приемный модуль 8 связаны с модулем 9 согласования, который в свою очередь взаимодействует с NFC-катушкой 10 аналогично описанному в отношении NFC-считывателя 1. При этом передающий модуль 7 и приемный модуль 8 включены в упомянутый NFC-чип пользовательского устройства 2. Вместе с тем паразитные емкости NFC-катушек очень малы и не достаточны для обеспечения высокой производительности описанного выше способа. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения для осуществления беспроводной связи между двумя NFC-устройствами посредством поверхностных волн достаточно модифицировать по меньшей мере одно из этих устройств для включения в него соответствующего приемопередающего элемента и усилителя сигнала. В частности, согласно варианту осуществления настоящего изобретения в пользовательское устройство 2 установлен вышеупомянутый электронный модуль, включающий в себя емкостной излучающий элемент 11, предназначенный для осуществления контакта с телом человека, и усилители. В частности, емкостной излучающий элемент 11, например, представляет собой электроды, а усилители представляют собой передающий усилитель 12 и приемный усилитель 13. Сигнал, поступающий от NFC-считывателя 1, не снабженного соответствующими усилителями, поступает с мощностью, недостаточной для приема, поэтому установка приемного усилителя 13 с повышенной приемной чувствительностью является обязательной. В частности, стандартное значение мощности выходного NFC-сигнала находится в диапазоне от 100 мВт (+20 дБм) до 200 мВт (+ 23 дБм), затем при распространении по поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью сигнал ослабевает в силу характеристик тела с высокой диэлектрической проницаемостью, расстояния и т.п., и при его поступлении на приемный усилитель 13 производится калибровка пользовательского устройства 2 и задание уровня усиления сигнала для поддержания сигнала в заданном диапазоне, как будет описано далее в отношении Фиг. 5 и Фиг. 6. Однако установка передающего усилителя 12 является опциональной, так как от пользовательского устройства 2, как правило, передается уже сигнал с мощностью, достаточной для приема на NFC-считывателе, ввиду обозначенного выше. Емкостной излучающий элемент 11 располагается вблизи поверхности тела человека, предпочтительно практически параллельно, для обеспечения распространения поверхностных волн, при этом сигнал от емкостного излучающего элемента 11 передается на приемный усилитель 13. От приемного усилителя 13 усиленный сигнал поступает в приемный модуль 8, в котором сигнал демодулируется и преобразуется в пакет цифровых данных, который далее передается в микроконтроллер, от которого ответный пакет цифровых данных поступает в передающий модуль 7. Передающий модуль 7 выполнен с возможностью преобразования принятого от микроконтроллера ответного пакета цифровых данных в электромагнитный сигнал для дальнейшей передачи на передающий усилитель 12 при его наличии в устройстве. В случае отсутствия передающего усилителя 12 электромагнитный сигнал от передающего модуля 8 поступает непосредственно к емкостному излучающему элементу 11. При этом сигнал одновременно также поступает от передающего модуля 7 в модуль согласования 9, от которого он поступает и в NFC-катушку 10. Следовательно, при поднесении пользовательского устройства 2 в непосредственную близость к NFC-считывателю 1, NFC-катушка 10 по-прежнему может быть использована для осуществления беспроводной связи с NFC-считывателем согласно стандартной технологии NFC. Упомянутый электронный модуль изображен на чертеже пунктирным овалом.
На Фиг. 3 схематично изображено расположение пользовательского устройства 2 и NFC-считывателя 1 по отношению к телу человека при осуществлении беспроводной связи с помощью поверхностных волн. Пользовательское устройство 2 включает в себя стандартные компоненты, описанные выше, и упомянутый электронный модуль. На чертеже наглядно изображено, что емкостной излучающий элемент 11, который включен в электронный модуль, расположен в непосредственной близости от тела человека, при этом непосредственный контакт с телом человека не требуется. В частности, излучающий элемент 11 может прилегать к телу человека на расстоянии порядка нескольких миллиметров, например, через легкую одежду. Таким образом, функционирование пользовательского устройства 2 для осуществления обмена данными с NFC-считывателем возможно при нахождении излучающего элемента 11 в непосредственной близости к телу, прилегая через предмет толщиной порядка нескольких миллиметров, например, функционирование интеллектуальных часов, надетых поверх рубашки на руке пользователя, функционирование интеллектуального телефона через карман рубашки или карман брюк и т.п. От данного емкостного излучающего элемента 11 по поверхности тела человека распространяется поверхностная волна, которую детектирует NFC-катушка 6 NFC-считывателя 1 за счет использования ее паразитной емкости. Емкостной излучающий элемент 11 может представлять собой плоский конденсатор (два электрода), симметричную (диполь) или несимметричную (монополь) антенну, плоскостную вогнутую антенну F-типа, прямоугольную микрополосковую антенну, элемент в виде катушки, объединенной с диполем, катушку с увеличенными паразитными емкостями и т.п. Емкостной излучающий элемент 11 также выполнен с возможностью приема сигнала, распространяющегося от NFC-считывателя (в частности, NFC-катушки 6) по поверхности тела человека, т.е. по поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью.
На Фиг. 4 изображена модель руки человека при взаимодействии с паразитной емкостью NFC-считывателя 1 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фигуре изображено пользовательское устройство 2, емкостной излучающий элемент 11 которого находится в непосредственной близости к руке пользователя. Например, такое расположение соответствует расположению интеллектуальных часов на руке человека. Пользователь подносит руку к NFC-считывателю 1 в области расположения в нем NFC-катушки 6 (на фигуре схематично изображены витки NFC-катушки 6). NFC-катушка, имеющая межвитковую паразитную емкость, которая для наглядности обозначена пунктиром на Фиг. 4, выступает в качестве приемной антенны со стороны NFC-считывателя 1, так как ее межвитковая паразитная емкость чувствительна к поступающему электромагнитному сигналу, как описано выше.
В качестве примера можно отметить, что для осуществления обмена данных с NFC-считывателем пользователь может осуществлять касание NFC-считывателя правой рукой, в то время как интеллектуальные часы могут быть надеты на левую руку пользователя. Таким образом, согласно проведенным экспериментам электромагнитный сигнал может передаваться от NFC-считывателя 1 до пользовательского устройства 2 (и наоборот) при значительно большом расстоянии по поверхности тела (вплоть до расстояния равного росту пользователя). Однако, при необходимости можно ограничивать мощность сигнала для регулирования возможной дальности передачи сигнала в целях безопасности. В частности, при большом расстоянии между NFC-считывателем 1 и пользовательским устройством 2 по прямой (к примеру, более 1.5 метров) ослабление сигнала при передаче может оказаться настолько велико, что обмен данными не будет произведен (см. подробнее далее). Таким образом, можно предотвратить обмен данных с NFC-считывателем при его касании с надетым на противоположную руку пользовательским устройством, если пользователь находится в неестественной для него позе, например, когда пользователь специально отдаляет руку с пользовательским устройством.
Кроме того, так как между телом пользователя, в частности пальцем, и NFC-катушкой 6 NFC-считывателя 1 возникает емкостная связь, то связь осуществляется не только при непосредственном контакте тела с NFC-катушкой 6, но и на расстоянии порядка нескольких миллиметров от NFC-катушки 6. Таким образом, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения связь может быть осуществлена, даже если пользователь касается NFC-считывателя 1, например, рукой в перчатке, т.е. рука находится в непосредственной близости от NFC-считывателя 1.
Вышеупомянутые усилители могут быть выполнены как усилители с регулируемым усилением с помощью стандартной цепи автоматической регулировки усиления (АРУ). Уровень безопасности может изменяться автоматически в зависимости от мощности сигнала от NFС-считывателя 1 путем регулировки уровня усиления. Например, если уровень безопасности высокий, пользователь должен установить непосредственный контакт между телом пользователя и NFC-считывателем; если же уровень безопасности низкий, пользователь может поднести соответствующую часть тела в непосредственную близость от NFC-считывателя или коснуться NFC-считывателя через одежду, например, рукой в перчатке.
Как известно, при передаче электромагнитного сигнала происходит понижение его мощности, т.е. ослабление передаваемого сигнала. Ослабление передаваемого сигнала зависит от множества факторов, в том числе от таких как характеристики тела человека и расстояние, на которое передается сигнал. Характеристики тела человека представляют собой уровень влажности, возраст кожи, диэлектрическую проницаемость, степень гидратации, температуру и т.п. На Фиг. 5 представлена блок-схема пользовательского устройства 2 с дополнительными блоками усиления согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Электромагнитный сигнал, переданный по поверхности тела человека от стандартного NFC-считывателя, после детектирования емкостным излучающим элементом 11 согласно данному предпочтительному варианту осуществления поступает в дифференциальный резонансный предусилитель с низким уровнем шума, выполненный с возможностью вычитания синфазной составляющей шума. После выполнения упомянутого вычитания сигнал поступает на делитель мощности, выполненный с возможностью осуществления разделения принятого сигнала между двумя выходами с заданным соотношением мощностей. С одного из выходов сигнал от делителя мощности поступает на усилитель с регулируемым усилением (VGA) для последующего усиления сигнала с оптимальным уровнем усиления, чтобы выровнять амплитуду сигнала в соответствии с пределами динамического диапазона приемного модуля 8, а с другого выхода - на пиковый детектор, который определяет мощность сигнала в текущий момент времени для последующей калибровки усилителя с регулируемым усилением для задания упомянутого оптимального уровня усиления. От пикового детектора сигнал поступает на блок объединения команд управления, причем сигнал от пикового детектора содержит информацию об уровне мощности сигнала, детектированного емкостным излучающим элементом 11. Блок объединения команд управления в свою очередь выполнен с возможностью регулирования значения усиления для усилителя с регулируемым усилением на основе данных, принятых от пикового детектора.
Кроме того, пользовательское устройство 2 опционально содержит генератор ступенчатого циклического сигнала. В этом случае, блок объединения команд управления имеет два входа: от пикового детектора, как указано выше, и от генератора ступенчатого циклического сигнала, предназначенного для последовательного перебора доступных значений усиления для усилителя с регулируемым усилением. Запуск, остановка и стартовый уровень (который изначально задается равным нулевому значению усиления) для генератора ступенчатого циклического сигнала задается с помощью микроконтроллера (MCU), в памяти которого сохраняется зафиксированное значение уровня генератора ступенчатого циклического сигнала, при котором ранее осуществлялся успешный обмен NFC-сигналами. Данное сохраненное зафиксированное значение затем также может быть задано микроконтроллером в качестве стартового уровня генератора. Таким образом, блок объединения команд управления после обработки данных, полученных от пикового детектора и генератора ступенчатого циклического сигнала, передает в усилитель с регулируемым усилением уровень генератора для задания оптимального уровня усиления, требуемого сигналу в текущий момент времени. Кроме того, микроконтроллер может направлять на блок объединения команд управления задаваемый уровень безопасности в зависимости от мощности сигнала, переданного от NFС-считывателя 1, или в соответствии с заданными пользователем условиями. Заданный уровень безопасности также учитывается при задании вышеупомянутого уровня усиления. При изменении условий в канале связи в худшую сторону (например, если обмен пакетами в соответствии со стандартной NFC-технологией прервался) микроконтроллер выполнен с возможностью отправлять команду на повторный запуск генератора ступенчатого циклического сигнала для нового этапа калибровки оптимального уровня усиления.
Усиленный сигнал от усилителя с регулируемым усилением поступает в приемный модуль 8, в котором сигнал демодулируется и преобразуется в пакет цифровых данных, который далее передается в микроконтроллер. Микроконтроллер в свою очередь выполнен с возможностью передачи ответного пакета цифровых данных в передающий модуль 7. Передающий модуль 7 выполнен с возможностью преобразования принятого от микроконтроллера ответного пакета цифровых данных в электромагнитный сигнал (например, передающий модуль 7 может модулировать несущую частоту 13.56 МГц). Электромагнитный сигнал от передающего модуля 7 поступает в резонансный передающий усилитель, имеющий заданный коэффициент усиления в узкой полосе частот вблизи упомянутой несущей частоты. Однако, как было указано выше, усилитель на передающей стороне является опциональным. В случае отсутствия данного резонансного передающего усилителя сигнал от передающего модуля 7 поступает непосредственно на емкостной излучающий элемент 11 для дальнейшей передачи посредством поверхностных волн.
В случае осуществления с помощью пользовательского устройства 2 связи по стандартной NFC-технологии, т.е. посредством индукции магнитного поля с помощью NFC-катушки 10, сигнал от передающего модуля 7 поступает на модуль 9 согласования, выполненный с возможностью согласования импеданса и фильтрации сигнала для направления согласованного сигнала к катушке 10 для последующей передачи согласованного сигнала посредством индукции магнитного поля к NFC-считывателю 1 (в частности, к катушке 6 NFC-считывателя).
Кроме того, пользовательское устройство 2 может быть откалибровано на основании вышеупомянутых характеристик тела. А именно, пользователь может выбрать один из двух способов калибровки пользовательского устройства. Первый способ калибровки является калибровкой на основе заданных данных (пользовательских данных). Согласно этому способу пользователь вводит в пользовательское устройство соответствующие пользовательские данные, например, возраст, пол и т.п. Пользовательское устройство обращается к таблице соответствия, заранее сохраненной в устройстве, для установления соответствия между введенными данными и средними требуемыми значениями усиления для таких введенных данных. Затем пользовательское устройство устанавливает уровень усиления для снижения времени калибровки усилителя при дальнейшей эксплуатации. Согласно второму способу калибровка производится с помощью самого пользовательского устройства. В частности, при выборе второго способа калибровки на экране пользовательского устройства выводится запрос пользователю коснуться пользовательского устройства, в частности, экрана пользовательского устройства. Тогда пользователь касается пользовательского устройства в тот момент, когда NFC-катушка в устройстве находится в активном режиме, при этом пользовательское устройство начинает получение данных через NFC-катушку и регулирует параметры усиления в усилителе. При завершении калибровки пользовательское устройство информирует пользователя о завершении и сохраняет новые параметры усиления для пользователя, т.е. также устанавливает уровень усиления для пользовательского устройства.
На Фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма функционирования микроконтроллера пользовательского устройства 2 при совершении платежа. Согласно представленной блок-схеме пользовательское устройство 2 находится в режиме ожидания пользовательского действия. При совершении действия пользователем, в частности касания экрана, микроконтроллер классифицирует это действие. Если действие классифицировано как команда калибровки, то далее определяется способ калибровки. При выборе первого способа калибровки микроконтроллер пользовательского устройства 2 запрашивает пользовательские данные и обновляет уровень генератора ступенчатого циклического сигнала на основе этих данных и заранее сохраненной таблицы соответствия. В случае отсутствия генератора ступенчатого циклического сигнала калибровка производится только посредством пикового детектора в соответствии с описанным выше в отношении Фиг. 5 способом. Далее пользовательское устройство 2 (в частности, микроконтроллер) возвращается в режим ожидания пользовательского действия.
При выборе второго способа калибровки пользовательское устройство 2 запрашивает у пользователя касание пользовательского устройства 2. При этом запускается генератор ступенчатого циклического сигнала, задается стартовый уровень генератора посредством микроконтроллера пользовательского устройства 2. В частности, при первом применении стартовый уровень генератора задается равным нулевому значению усиления. Затем по окончанию калибровки текущий уровень генератора сохраняется в памяти пользовательского устройства 2, и при следующем применении стартовый уровень генератора задается равным последнему сохраненному в памяти значению уровня генератора.
Если микроконтроллер не фиксирует получение данных посредством приемного модуля 8 пользовательского устройства 2, генератор ступенчатого циклического сигнала зацикливается на этапе получения данных до тех пор, пока данные не будут получены, либо до тех пор, пока пользователь не прервет операцию. По получению данных генератор ступенчатого циклического сигнала фиксирует текущий уровень генератора ступенчатого циклического сигнала, т.е. останавливается на текущем уровне управляющего напряжения. Далее стандартный способ осуществления обмена данными с NFC-считывателем 1 завершается, после чего пользовательское устройство 2 снова возвращается в режим ожидания пользовательского действия.
Если действие классифицировано как команда на изменение уровня безопасности при совершении платежа, тогда пользователю предлагается выбрать новый уровень безопасности: низкий или высокий. При выборе низкого уровня безопасности увеличивается уровень усиления, т.е. возможно осуществить платеж как посредством непосредственного касания пользователем NFC-считывателя, так и без непосредственного контакта (например, через перчатку). При выборе высокого уровня безопасности уровень усиления уменьшается, т.е. платеж можно осуществить только посредством непосредственного физического контакта пользователя с NFC-считывателем (например, непосредственного касания). После увеличения или уменьшения уровня коэффициента усиления посредством микроконтроллера пользовательское устройство снова возвращается в режим ожидания пользовательского действия.
Если действие классифицировано как команда на инициирование платежа, тогда запускается генератор ступенчатого циклического сигнала для получения данных, задается стартовый уровень генератора, как описано выше. Если микроконтроллер не фиксирует получение данных посредством приемного модуля 8 пользовательского устройства 2, генератор ступенчатого циклического сигнала зацикливается на этапе получения данных до тех пор, пока данные не будут получены, либо до тех пор, пока пользователь не прервет операцию. По получению данных генератор ступенчатого циклического сигнала фиксирует текущий уровень генератора. Далее производится стандартный способ осуществления обмена данными с NFC-считывателем для осуществления платежа, после чего пользовательское устройство возвращается в режим ожидания пользовательского действия и снова готово, например, для инициирования следующего платежа.
Настоящее изобретение может быть применено во многих отраслях, где применяется NFC-технология, в том числе, для осуществления оплаты путем прикосновения к платежному терминалу, для оплаты проезда в транспортных средствах, для осуществления доступа, взаимодействия с IoT-устройствами, обмена данными между несколькими пользовательскими устройствами и т.д. В частности, осуществление доступа может включать в себя как осуществление доступа пользователем с пользовательским устройством 2, описанным выше, на рабочее место путем касания рукой NFC-считывателя, так и осуществление доступа к дому домашним животным, на котором надет специальный ошейник, снабженный вышеописанным пользовательским устройством, путем касания лапами коврика, снабженного NFC-считывателем. Дополнительно под осуществлением доступа может пониматься осуществление доступа в сеть Интернет пользователем с пользовательским устройством, причем компьютер, с которого совершается доступ должен быть снабжен NFC-считывателем. В данном случае компьютер идентифицирует пользователя в соответствии с его пользовательским устройством и устанавливает для данного пользователя соответствующий уровень доступа (например, специальный ограниченный уровень доступа для ребенка).
Электронный блок согласно настоящему изобретению может быть выполнен в виде отдельного внешнего устройства, например, USB-устройства или другого интерфейса, разъем для подключения которого имеется на пользовательском устройстве с NFC-чипом. Опционально, электронный блок согласно настоящему изобретению может быть установлен в крышку корпуса интеллектуального телефона. Согласно этому варианту осуществления нет необходимости в модификации аппаратной составляющей и пользовательского устройства, необходимо лишь подсоединить упомянутое внешнее устройство с описанным выше электронным блоком к нему.
Согласно другому варианту осуществления сигнал между NFC-устройствами может передаваться с помощью внешнего питаемого устройства, в котором установлен электронный блок, описанный выше. Связь также может устанавливаться между двумя пользовательскими устройствами, содержащими упомянутый электронный блок.
Опционально, возможна реализация связи с пользовательским устройством, описанным выше, с помощью широко известных технологий (например, Bluetooth, MST, ISM, RFID или другие РЧ-технологии РРЛРПОРП), причем пользовательское устройство далее осуществляет связь с NFC-считывателем, как описано выше. Таким образом, пользовательское устройство может выступать в качестве связующего устройства между устройством, осуществляющим связь по известной РЧ-технологии, и NFC-считывателем.
Описанный электронный блок также может быть соединен непосредственно с приемным модулем для осуществления односторонней связи. В данном примере передающий модуль может использоваться в качестве катушки. Кроме того, для осуществления односторонней связи емкостной излучающий элемент может быть подключен непосредственно к приемному модулю, а усилитель может быть установлен на передающий модуль.
Опционально, возможна модификация самой NFC-катушки для создания катушки, работающей также и в качестве емкостного излучающего элемента. Полученная катушка будет представлять собой электромагнитный излучающий элемент.
На фиг. 7a и 7b представлены два аппаратных NFC-блока 100 и 200, содержащих упомянутый электронный блок, и осциллограф. В качестве емкостного излучающего элемента 11 в данных NFC-блоках были установлены электроды, параллельно подсоединенные к NFC-катушкам. В рамках произведенных экспериментов блок 100 генерировал сигнал с частотой 13.56 МГц, в то время как блок 200 был выполнен пассивным, т.е. не снабженным питанием. В ходе проведения экспериментов, соответственно, измерялось напряжение на приемном модуле блока 200. Как изображено на Фиг. 7a, пользователь одной рукой осуществляет касание электродов на блоке 100, а второй рукой - электродов на блоке 200, при этом блок 100 находится на расстоянии более нескольких сантиметров от блока 200. Осциллограф при этом детектирует напряжение на приемном модуле блока 200. Измеренный коэффициент усиления по напряжению равнялся 1/100, что достаточно для успешной демодуляции сигнала в блоке 200.
Как изображено на Фиг. 7b, когда пользователь касается одной рукой приемного модуля блока 200 (при этом блок 100 по-прежнему находится на расстоянии более нескольких сантиметров от блока 200), осциллограф не детектирует напряжение на приемном модуле блока 200. Следовательно, на данном расстоянии связь по стандартной NFC-технологии уже не осуществляется, что наглядно демонстрирует, что в первом примере, проиллюстрированном на Фиг. 7a, сигнал проходит именно по поверхности тела пользователя - от руки к руке.
-7
Кроме того, в ходе проведения экспериментов был измерен удельный коэффициент поглощения (SAR) для определения величины вредного воздействия на пользователя при осуществлении беспроводной связи согласно заявленному способу. При осуществлении беспроводной связи между двумя NFC-устройствами с помощью поверхностных волн, распространяющихся по поверхности тела человека, вычисленный SAR был равен 9.9e Вт/кг, причем допустимое значение SAR, принятое Федеральной комиссией по связи (FCC), равно 0.08 Вт/кг. Таким образом, применение данного способа абсолютно безопасно для пользователя, а значение SAR значительно меньше аналогичного значения, измеряемого при использовании стандартных мобильных телефонов в настоящее время.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что по мере необходимости количество структурных элементов или компонентов системы может изменяться. Кроме того, специалисты в данной области техники должны понимать, что показанное расположение модулей системы является примерным и, по мере необходимости, может быть изменено для достижения большей эффективности в конкретном применении. Предполагается, что объем охраны настоящего изобретения охватывает все возможные различные расположения указанных выше конструктивных элементов системы.
Хотя в настоящем описании показаны примерные варианты реализации изобретения, следует понимать, что различные изменения и модификации могут быть выполнены, не выходя за рамки объема охраны настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Функции, этапы и/или действия, упоминаемые в пунктах формулы изобретения, характеризующих способ, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, описанными в данном документе, необязательно должны выполняться в каком-то конкретном порядке, если не отмечено или не оговорено иное. Более того, упоминание элементов системы в единственном числе не исключает множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.