Технология NFC в смартфоне: что это и как работает?

Типы NFC-меток

Существует четыре типа меток, описанных NFC-форумом, все они базируются на RFID-протоколах. Это делает NFC метки частично совместимыми со многими уже существующими RFID системами (например, Mifare и FeliCa). Хотя эти более старые системы не поддерживают NDEF, они, однако, могут опознавать NFC метки, которые совместимы с ними.

Например, считыватель RFID, который предназначен для работы с метками Mifare Ultralight, может считать идентификационный номер метки NFC 2 типа, хоть и не может прочитать закодированную NDEF информацию. Есть также пятый тип, который совместим с технологией, но при этом не является частью NFC-спецификации.

Типы 1, 2 и 4 основаны на ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443A (состоит из четырёх частей: 1, 2, 3, 4), тип 3 — на ГОСТ Р ИСО/МЭК 18092. Более подробно про каждый из типов можно прочитать под спойлером.

Алгоритм работы NFC

У NFC, как и у RFID, при обмене есть инициатор и цель, но новая технология позволяет куда больше, чем простой обмен идентификатором и чтение или запись информации цели. Наиболее значимым различием между этими двумя технологиями является то, что у NFC целями часто являются программируемые устройства, такие как смартфоны. Это означает, что можно обмениваться не только статичными данными, но и каждый раз генерировать ответ на запрашиваемую инициатором информацию.

У NFC устройств есть два режима взаимодействия. Если инициатор излучает радиочастотные волны, а цель за счёт инициатора получает питание, то такой режим взаимодействия называют пассивным. При активном режиме у инициатора и цели свои собственные источники питания, и они независимы друг от друга. Данные режимы совпадают с режимами RFID.

NFC устройства также имеют три способа работы. Они могут работать в режиме чтения информации с цели или записи на неё. Они могут эмулировать карты, ведя себя как RFID-метки, когда они в поле другого NFC или RFID устройства. Или они могут работать в режиме peer-to-peer (P2P), в котором они обмениваются данными сразу в обоих направлениях.

Первым главным отличием NFC от RFID является способ взаимодействия peer-to-peer, который реализован с помощью ГОСТ Р ИСО/МЭК 18092. Обмен данными P2P реализуется двумя протоколами — протоколом подуровня управления логической связью (LLCP — logical link control protocol) и простым протоколом обмена данными NDEF (SNEP — simple NDEF exchange format).

Архитектура NFC

В архитектуре NFC есть несколько уровней. Самый низкий из них — физический, который реализован ЦПУ и другим аппаратным комплексом, через который происходит взаимодействие. В середине находятся данные о пакетах и транспортный уровень, затем формат данных уровней, и в конце программное обеспечение.

На физическом уровне NFC работает по алгоритму, описанному в ГОСТ для RFID (ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443-2-2014), где говорится о маломощных радиосигналах частотой 13,56 МГц. Затем идёт уровень, который описывает разбивку потока данных на фреймы (ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443-3-2014). Любые радиоконтроллеры, которые используются в телефоне, планшете или подсоединяются к компьютеру или микроконтроллеру, являются отдельными аппаратными компонентами.

Они взаимодействуют с главным процессором посредством одного или нескольких стандартных последовательных протоколов между устройствами: универсальный асинхронный приёмопередатчик (UART), последовательный периферийный интерфейс (SPI), последовательная шина данных для связи интегральных схем (I2C) или универсальная последовательная шина (USB).

Над этим находится несколько протоколов команд RFID, базирующихся на двух спецификациях. NFC чтение и запись меток базируется на оригинальном RFID ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443A. Протоколы Philips/NXP Semiconductors Mifare Classic и Mifare Ultralight и NXP DESFire совместимы с ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443A. Обмен данными P2P NFC базируется на ГОСТ Р ИСО/МЭК 18092.

Они изображены на рисунке выше на уровне с другими управляющими протоколами, так как они используют одинаковый стандарт.

Технология NFC основана на технологии радиометок RFID с использованием частоты 13,56 МГц. Типовое рабочее расстояние составляет до 10 см, а скорость передачи данных может достигать 424 кбит/с. Основным преимуществом NFC по сравнению с другими технологиями передачи данных является быстрота и простота использования. На следующем рисунке показано сравнение NFC с другими технологиями обмена данными.

Рисунок 1. Сравнение технологий передачи данных ближнего действия.

Технология NFC поддерживает три режима работы: режим эмуляции карт, режим обмена данными и режим считывания и записи, показанные на следующем рисунке.

Рисунок 2. Семейства протоколов NFC

В режиме эмуляции карт NFC работает как бесконтактная смарт-карта с радиометкой RFID и с модулем безопасности, что позволяет пользователям безопасно осуществлять покупки. В режиме обмена данными можно передавать данные между двумя находящимися рядом устройствами, поддерживающими NFC. Можно очень быстро и удобно создавать подключения WiFi* или Bluetooth* с помощью NFC, а затем передавать крупные файлы по подключению WiFi или Bluetooth. В режиме считывания и записи можно использовать устройства, поддерживающие NFC, для считывания меток NFC и запуска различных задач.

Все режимы более подробно описаны ниже.

Проверяем девайс на наличие NFC

Захотели попробовать технологию на практике, но не знаете, есть ли такая возможность именно на вашем устройстве? Давайте проверим.

Для этого аккуратно открываем заднюю крышку смартфона или планшета, в ситуации, если она может отодвигаться без повреждения и осматриваем аккумулятор гаджета.

При присутствии разработки NFC вы увидите эту аббревиатуру именно там. Если крышка телефона/планшета не снимается, то соответствующий значок или аббревиатура будут располагаться на внешней стороне.

Если вы по какой-то причине не желаете или не можете снять крышку, убедиться в наличии такого способа коммуникации вы можете в настройках девайса.

Найдите вкладку «Беспроводные сети», затем «Ещё…» и если NFC доступно на устройстве, то там обязательно будет соответствующий пункт.

Читаем NDEF-сообщение

NDEF используется для форматирования данных обмена между устройствами и метками. Данный формат типизирует все сообщения, которые используются в NFC, причём не важно для карты это или для устройства. Каждое NDEF-сообщение содержит одну или несколько NDEF-записей. Каждая из них содержит уникальный тип записи, идентификатор, длину и поле для информации, которую нужно сообщить.

Есть несколько распространённых типов NDEF-записей:

1. Обычные текстовые записи. В них можно отправить любую строку, они не содержат инструкций для цели, но содержат метаданные об языке текста и кодировке.
2. URI. Такие записи содержат данные об интернет-ссылках. Цель, получившая такую запись, откроет её в том приложении, которое сможет её отобразить. Например, веб-браузере.
3. Умная запись. Содержит не только веб-ссылки, но и текстовое описание к ним, чтобы было понятно, что находится по этой ссылке. В зависимости от данных записи телефон может открыть информацию в нужном приложении, будь то SMS или e-mail, либо сменить настройки телефона (громкость звука, яркость экрана и т.д.).
4. Подпись. Она позволяет доказать, что информация, которая была передана или передаётся, достоверна.

Можно использовать несколько видов записей в одном NDEF-сообщении.

Можно представить сообщение как параграф, а записи — как предложения. Параграф — определённая единица информации, которая содержит одно или несколько предложений. Тогда как предложение — меньшая единица информации, которая содержит всего одну идею. Например, можно в виде абзаца сделать приглашения на день рождения и написать в отдельных предложениях данные о дате, времени и месте проведения, а с помощью NDEF-сообщений передать друзьям напоминание об этом событии, где будет текстовое сообщение с описанием события, умную запись с местом и веб-ссылку с тем, как добраться до этого места.

Второе главное различие между NFC и RFID — формат обмена данными NFC (NDEF — NFC data exchange format). NDEF определяет формат данных в сообщениях, которые в свою очередь состоят из NDEF записей. Есть несколько видов записей, о которых будет рассказано более подробно чуть ниже. NDEF делает возможным с помощью программного кода управлять процессом чтения и записи NFC-меток, обмена данными при помощи peer-to-peer и эмулирования карт.

NDEF содержит информацию о байтовом представлении сообщений, которые могут содержать несколько записей. У каждой записи есть заголовок, в котором находятся метаданные (тип, длина и т.д.), и информацию для отправки. Если вернуться к аналогии с параграфом, то параграф формируется из предложений, относящихся к одной теме, так и в NDEF-сообщениях — хорошо, когда все записи относятся к одной тематике.

NDEF-сообщения в основном короткие, каждый обмен состоит из одного сообщения, каждая метка также содержит одно сообщение. Так как обмен NFC данными происходит при касании одного устройства другим или меткой, то будет неудобно передавать в одном сообщении текст целой книги, поэтому длина NDEF-сообщения сопоставима с длиной абзаца, но не целой книги.

NDEF-запись содержит информацию для пересылки и метаданные, как эту информацию интерпретировать. Каждая запись может быть разного типа, о чем объявляется в заголовке этой записи. Также в заголовке описывается какое место занимает запись в сообщении, после заголовка следует информация. На рисунке ниже представлена полная информация о расположении бит и байт информации в NDEF-записи.

Место на информацию в NDEF-записи ограниченно по размерам 2^32-1 байтами, однако можно делать цепочки записей внутри сообщения, чтобы переслать информацию большего размера. В теории нет ограничений на NDEF-сообщения, но на практике размер сообщения ограничивается возможностями устройств или меток, участвующих в обмене информацией.

Если в обмене участвуют только устройства, то длина сообщения будет ограничена вычислительной мощностью самого слабого из устройств, но стоит учесть, что устройства придётся долго держать рядом для пересылки всех данных. При взаимодействии смартфона и карты длина сообщения будет ограничена размером памяти карты.

В общем, обмен данными через NFC достаточно быстрый. Человек подносит мобильное устройство к метке, происходит краткий обмен информацией, и человек идёт дальше. Данная технология не была спроектирована для длительных обменов информацией, потому что устройства в буквальном смысле должны находится в паре сантиметров друг от друга.

Для того чтобы передать большой объем информации, устройства придётся держать друг рядом с другом длительное время, это может быть неудобным. Если нужно длительное взаимодействие между устройствами, то можно воспользоваться NFC для быстрого обмена данными о возможностях устройств и последующего включения одного из более подходящих способов передачи данных (Bluetooth, Wi-Fi и т.д.).

Когда телефон на Android считывает NFC-метку, он сначала её обрабатывает и распознает, а затем передаёт данные о ней в соответствующее приложение для последующего создания intent. Если с NFC может работать больше одного приложения, то появится меню выбора приложения. Система распознавания определяется тремя intent, которые перечислены в порядке важности от самой высокой до низкой:

1. ACTION_NDEF_DISCOVERED: Этот intent используется для запуска аctivity, если в метке содержится NDEF-сообщение. Он имеет самый высокий приоритет, и система будет запускать его в первую очередь.
2. ACTION_TECH_DISCOVERED: Если никаких activity для intent ACTION_NDEF_DISCOVERED не зарегистрировано, то система распознавания попробует запустить приложение с этим intent. Также этот intent будет сразу запущен, если найденное NDEF-сообщение не подходит под MIME-тип или URI, или метка совсем не содержит сообщения.
3. ACTION_TAG_DISCOVERED: Этот intent будет запущен, если два предыдущих intent не сработали.

В общем случае система распознавания работает, как представлено на рисунке ниже.

Когда это возможно, запускается intent ACTION_NDEF_DISCOVERED, потому что он наиболее специфичный из трёх. Более того, с его помощью можно будет запустить ваше приложение.

Если activity запускается из-за NFC intent, то можно получить информацию с отсканированной NFC-метки из этого intent. Intent может содержать следующие дополнительные поля (зависит от типа отсканированной метки):

• EXTRA_TAG (обязательное): объект Tag, описывающий отсканированную метку.
• EXTRA_NDEF_MESSAGES (опциональное): Массив NDEF-сообщений, просчитанный с метки. Это дополнительное поле присуще только intent ACTION_NDEF_DISCOVERED.
• EXTRA_ID (опциональное): Низкоуровневый идентификатор метки.

Ниже представлен пример, проверяющий intent ACTION_NDEF_DISCOVERED и получающий NDEF-сообщения из дополнительного поля.

Kotlin

override fun onNewIntent(intent: Intent) {
    super.onNewIntent(intent)
    ...
    if (NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED == intent.action) {
        intent.getParcelableArrayExtra(NfcAdapter.EXTRA_NDEF_MESSAGES)?.also { rawMessages -{amp}gt;
            val messages: List = rawMessages.map { it as NdefMessage }
            // Обработка массива сообщений.
            ...
        }
    }
}

@Override
protected void onNewIntent(Intent intent) {
    super.onNewIntent(intent);
    ...
    if (NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED.equals(intent.getAction())) {
        Parcelable[] rawMessages =
            intent.getParcelableArrayExtra(NfcAdapter.EXTRA_NDEF_MESSAGES);
        if (rawMessages != null) {
            NdefMessage[] messages = new NdefMessage[rawMessages.length];
            for (int i = 0; i {amp}lt; rawMessages.length; i  ) {
                messages[i] = (NdefMessage) rawMessages[i];
            }
            // Обработка массива сообщений.
            ...
        }
    }
}

Kotlin

val tag: Tag = intent.getParcelableExtra(NfcAdapter.EXTRA_TAG)

Tag tag = intent.getParcelableExtra(NfcAdapter.EXTRA_TAG);

Существует несколько методов для создания NDEF-записи: createUri(), createExternal() и createMime(). Лучше использовать один из них во избежание ошибок, которые могут возникнуть при создании записи вручную. Все примеры, представленные ниже, следует отправлять первым сообщением при записи метки, либо сопряжением с другим устройством.

Kotlin

Активация NFC

В случае, если вы его обнаружили на вашем устройстве, необходимо активировать и доступ к технологии NFC. Сделать это можно следующим образом:

1. перейдите к разделу «Настройки» и далее «Беспроводные сети», «Ещё…», где ранее вы могли удостовериться в наличии NFC;
2. подтвердите нажатием на пункт «Разрешить обмен данными при совмещении {amp}gt; название устройства {amp}gt; с другим»;
3. на Android-cмартфоне сразу активируется Android Beam. Если этого не произошло, нажимайте на него и выбирайте «Да», чтобы не нарушить работу системы;

Устройства

Не беспокойтесь, если вы не обнаружили встроенную функцию, есть способ подключить NFC на девайс. Но сделать это можно только при условии, что панельная крышка на обороте и отверстие для SIM-карты на вашем смартфоне /планшете являются съемными. Установить NFC в таком случае не составит труда.

Оптимальным решением является установка специального модуля — внешнего прибора коммуникации. Оно совместимо практически со всеми смартфонами, просто в применении и дает доступ к NFC без покупки нового телевона.

Основные виды: чипы, сим-карты, внешние устройства, наклейки.  Последние из них бывают двух видов: пассивные — которые не дают возможности обмениваться данными, и активные- для передачи пользуются каналами связи Bluetooth и Wi-fi, что значительно повышает энергопотребление.

Такие стикеры крепятся к внешней оболочке телефона, что так же не очень практично.

Наиболее популярны следующие из них:

• NFC-симка. Сейчас доступны к покупке у большинства мобильных операторов. Узнать о наличии такой SIM можно в салоне связи. Вам нужно лишь установить готовую карту в телефон или планшет. Такой тип модуля является наиболее доступным и простым в установке.
• NFC-антенна. Второй способ, для которого вам потребуется приобрести NFC-антенну. Сделать это можно в салоне связи. Далее антенна присоединяется к сим-карте и вставляется в устройство.

Как вы уже убедились, установить модуль достаточно просто и безопасно: вам не требуется скачивание дополнительных приложений или программ.  Однако эти сервисы не полностью заменяют приложение Android Pay, а лишь являются некоторыми из многочисленных его функций.

NFC-метка представляет собой миниатюрное устройство в виде чипа, которое можно прикрепить практически везде: начиная с телефона и заканчивая внедрением под кожный покров!

Мы не будем пользоваться такими радикальными методами, но стоит отметить, что в чип можно поместить контакты, настройки, URL-адрес и прочие данные и команды.  Метку способны поддерживать все гаджеты.

Для того, чтобы считать данные с такого прибора, нужно найти специализированное официальное приложение в Google Play и далее, после установки, вы сможете дать метке различные команды для исполнения.

Темпы внедрения приемопередатчиков NFC в серийно выпускаемых устройствах нельзя назвать стремительными. Первый мобильный телефон, оснащенный NFC (Nokia 6131), был выпущен еще в 2006 году. Затем на рынке появилось еще несколько моделей, однако ни одна из них так и не стала популярной.

Новая волна интереса к технологии NFC нахлынула лишь в 2010-2011 годах, когда представители нескольких крупнейших игроков рынка смартфонов стали всё чаще упоминать в своих презентациях о перспективах данного решения. В прошлом году линейки многих производителей смартфонов пополнили модели, оборудованные приемопередатчиком NFC.

Sony Xperia S — одна из новых моделей смартфонов, оснащенных встроенным приемопередатчиком NFC

Наряду со смартфонами были выпущены и другие типы устройств, оборудованные встроенными приемопередатчиками NFC. Так, осенью прошлого года компания Harman представила портативную АС JBL PlayUp, которая была разработана при участии Nokia специально для линейки смартфонов Lumia. Беспроводное подключение мобильных устройств к JBL PlayUp обеспечивают встроенный адаптер Bluetooth 2.

1 EDR с поддержкой профилей A2DP 1.2 и AVRCP 1.4, а также трансивер NFC. Это, в частности, позволяет воспроизводить музыку с аппаратов серии Nokia Lumia через динамики JBL PlayUp, просто прислонив смартфон к корпусу АС. Съемная литий-ионная батарея емкостью 1430 мА·ч обеспечивает работу системы JBL PlayUp в автономном режиме.

В ходе выставки CP 2013 компания Panasonic продемонстрировала специальную модификацию компактного цифрового фотоаппарата Lumix DMC-TZ40, оборудованную модулем приемопередатчика NFC. Такое решение позволяет без использования кабелей передавать фотографии на смартфон или другое устройство для оперативной публикации в социальных сетях или загрузки в «облачное» хранилище.

Портативная АС JBL PlayUp способна воспроизводить звуковой поток, транслируемый со смартфонов Nokia Lumia по NFC-соединению

На выставке CES 2013 корпорация Sony показала домашний сетевой накопитель Personal Content Station на базе жесткого диска емкостью 1 Тбайт. Одной из особенностей этой модели является встроенный трансивер NFC, благодаря которому процедура копирования медиафайлов с мобильных устройств на встроенный жесткий диск упрощена до предела: чтобы запустить процесс, достаточно положить аппарат на верхнюю панель корпуса Personal Content Station.

Обмен данными через NFC

Технология может использоваться и для передачи файлов.

Для передачи данных необходимо сделать следующие шаги:

1. убедиться в том, что вы прошли активацию NFС и Android Beаm;
2. снять блокировку устройства, выйти из «режима сна»;
3. проверить обнаружение устройств друг с другом;
4. подключитесь;
5. осуществите передачу данных между устройствами;
6. в конце прозвучит специфический звуковой сигнал.

Преимущества и недостатки NFC

Главными плюсами являются:

• низкая цена;
• малые габариты устройства;
• высокая скорость передачи;
• поддержка практически на всех мобильных устройствах.

Стоит выделить и минусы:

• относительно небольшой радиус действия;
• не все устройства оборудованы чипом NFC.

Итак, благодаря этим заметкам вы узнали быстрые и простые способы проверки вашего устройства на возможности передачи информации и взаимодействия с другими техническими средствами при помощи Near Field Communication. Следуя простым инструкциям этой статьи, вы так же сможете узнать самостоятельно, есть ли в смартфоне эта технология, сумеете интегрировать NFC в ваш телефон и передать нужные файлы на высокой скорости.

Способы использования NFC

Пожалуй, один из самых распространенных способов использования NFC — это бесконтактные платежи. Пользователь может прикрепить банковскую карту к своему мобильному устройству, с помощью которого будет расплачиваться в будущем, например, если карта осталась дома. В данном случае возможность перехвата данных крайне мала из-за небольшого радиуса действия интерфейса, большую опасность представляет утерянный или украденный незаблокированный смартфон.

Для осуществления платежа через NFC потребуется:

1. Банковская карта с пометкой paypass.
2. Приложение соответствующего банка.
3. Найти в меню приложения пункт NFC.
4. Приложить карту к задней крышке телефона для считывания.
5. Запомнить пароль для проведения платежных операций, высланный в SMS-сообщении.

Следующий метод использования технологии — обмен данными. С помощью программы Android Beam можно передавать различные файлы с одного мобильное устройство на другое. При этом скорость передачи очень мала, поэтому эта функция больше подходит для пересылки небольших текстовых сообщений и ссылок.

1. Активируйте NFC — поставьте галочку напротив этого пункта в меню «Беспроводные сети», разблокировать смартфон и включить экран.

Есть множество возможностей использования NFC:

• Режим эмуляции карты позволяет использовать данную технологию для бесконтактных платежей, например Google Wallet, или для оплаты или получения билетов в общественном транспорте.
• Есть несколько мобильных приложений, которые позволяют сохранить настройки для мобильного устройства на метках и в дальнейшем использовать их для быстрого изменения каких-либо настроек мобильного устройства (переход в режим виброзвонка, включения или выключения Wi-Fi на мобильном устройстве).
• На рынке постепенно появляются устройства, поддерживающие NFC, — стереосистемы, телевизоры, которые позволяют создавать пару с телефоном или планшетом для удалённого управления.
• NFC используется в системе здравоохранения для хранения идентификатора пациента и личных записей.
• В сфере управления материально-техническими ресурсами можно использовать NDEF записи для хранения информации о месте отправления товаров, об их прохождении различных промежуточных пунктов и тому подобном.

Заключение

Смартфоны, оборудованные модулем NFC, позволяют пользователям легко и удобно выполнять различные полезные задачи, а не искать по карманам корешки билетов и пропуски на парковку. Эта технология также дает возможность подключаться к друзьям для обмена информацией, игр и передачи данных. Технология NFC удобна и для работы, и для развлечений. Она сыграет важнейшую роль для того, чтобы сделать нашу жизнь удобнее в самом ближайшем будущем.

Технология NFC добавляет многообещающую функциональность к технологии RFID. Наиболее значимое нововведение — формат обмена данными NFC (NDEF), который предоставляет возможность форматировать обычные данные в одну из четырёх технологий меток NFC. NDEF может быть использован как для обмена данными между устройством и меткой, так и для обмена между устройствами. Это делает NFC пригодным не только как способ идентификации, но и как средство обмена короткими блоками данных.

Более подробно об NFC или NDEF можно почитать в книге Tom Igoe, Don Coleman, and Brian Jepson «Beginning NFC. Near Field Communication with Arduino, Android, and PhoneGap».