Используем NFC для автоматизации — «Хакер»

NFC: частотный диапазон, скорости обмена, описание протокола NFCIP

NFC позволяет осуществлять обмен данными между устройствами с относительно высокой скоростью, сравнимой с технологиями BLE и ZigBee, однако эффективные расстояния редко превышают несколько десятков сантиметров (рисунок 1). С одной стороны, это ограничивает область применения персональными устройствами или карточками, с другой – благодаря ограниченному радиусу действия, несколько повышается безопасность обмена данными. Кроме того, в ряде случаев NFC-устройства не нуждаются в источнике питания.

Рис. 1. Примерные области действия беспроводных интерфейсов различных стандартов

Рис. 1. Примерные области действия беспроводных интерфейсов различных стандартов

Области применения NFC на сегодняшний день включают в себя:

  • безналичные платежи;
  • оплату проезда в муниципальном транспорте;
  • системы учета времени и контроля исполнения;
  • системы идентификации и контроля доступа;
  • интерактивные стенды и постеры;
  • настройка совместной работы Bluetooth или Wi-Fi-устройств.

https://www.youtube.com/watch?v=ytadvertiseru

Bluetooth и Wi-Fi-интерфейсы стали практически стандартными для современных телефонов, смартфонов и планшетных компьютеров, позволяя осуществлять взаимодействие с наушниками, камерами, микрофонами. При большом количестве гаджетов быстрая настройка связи между нужными устройствами может стать проблемой.

К примеру, для подключения устройства к смартфону или планшетному компьютеру по Bluetooth, оно должно быть выведено в режим поиска подключения, как правило, нажатием или удержанием определенной кнопки. Затем необходимо на смартфоне выбрать его из списка доступных устройств, а он может быть достаточно длинным.

NFC позволяет существенно упростить данный процесс – для установления соединения устройств достаточно будет на короткое время поднести их друг к другу. Кроме того, после установления связи возможен автоматический запуск необходимого приложения. NFC Forum™ и Bluetooth SIG совместно разработали документ Bluetooth Secure Simple Pairing using NFC, определяющий формат сообщений для установки соединения (так называемого «спаривания») между Bluetooth-устройствами при посредничестве NFC-устройств.

Предусмотрено два режима установления соединения:

  • прямое соединение, при котором происходит передача параметров соединения, отслеживается процедура установления связи и настройка канала передачи данных между двумя устройствами;
  • косвенное соединение, когда NFC-смартфон или планшет играет роль посредника для передачи параметров соединения между устройством и точкой его подключения (например, между ноутбуком и беспроводной точкой доступа).

Помимо помощи в установке соединения между устройствами, NFC может играть роль простого и дешевого сервисного интерфейса:

  • смартфон или планшет с поддержкой NFC может играть роль универсального дисплея для отображения состояния устройства или роль консоли для его администрирования и настройки;
  • беспроводное подключение не требует специальных разъемов, а использование радиоканала позволяет отказаться от прозрачных окошек, характерных для ИК-портов;
  • возможно бесконтактное обновление прошивки или региональная адаптация изделия непосредственно в упаковке.

Стандарт NFCIP – Near Field Communication Interface and Protocol, – содержит две части NFCIP-1 и NFCIP-2. NFCIP-1 [1] стандартизован в документах ISO/IEC 18092, ECMA 340, ETSI TS 102190. Он определяет два режима обмена – активный и пассивный, определяет полосы частот, типы модуляции и скорости передачи данных (106, 212, 424 кбит/с), процедуры обнаружения устройств и обмена данными.

NFCIP-2 [2] стандартизован в ISO/IEC 21481, ECMA 352, ESTI TS 102312 и определяет механизмы совместной работы устройств стандартов ISO 18092, ISO 14443, ISO 15693, работающих в полосе 13,56 МГц.

Вместо введения

NFC расшифровывается как Near Field Communication или «ближняя бесконтактная связь», если по-русски. По своей сути это небольшой чип, который может быть встроен в смартфон с целью передачи данных на очень короткие расстояния с весьма мизерной скоростью. NFC очень близка к технологии RFID, которая уже давным-давно используется для пометки продуктов в супермаркетах, но базируется на ее более позднем стандарте ISO/IEC 14443 (смарт-карты) и спроектирована для использования в переносной электронике (читай: смартфонах) и выполнения безопасных транзакций (читай: оплаты покупок).

Как и в случае со стандартом ISO/IEC 14443, дальность действия NFC всего 5–10 см, но разница в том, что чип NFC способен выполнять функцию тега и считывателя одновременно. Другими словами, оснащенный NFC смартфон может быть как смарт-картой (картой метро, например), которую достаточно поднести к считывателю, чтобы расплатиться, так и самим считывателем, что можно использовать, например, для перевода средств между картами-смартфонами и превращения реальных карт с поддержкой стандарта ISO/IEC 14443 в виртуальные.

Но это только «одно из» и наиболее очевидное применение NFC. Благодаря тому, что чип NFC способен передавать данные в обе стороны и не требует аутентификации устройств, его можно использовать как простую и более удобную замену Bluetooth. С помощью NFC, например, можно делиться ссылками, паролями, контактными и другими данными между смартфонами, просто поднеся их друг к другу.

Читайте ещё про NFC:  Софт nfc

Используем NFC для автоматизации - «Хакер»

Появившаяся в Android 4.0 технология Beam еще больше расширяет границы применения NFC, позволяя быстро переносить между устройствами целые файлы и папки, что достигается с помощью предварительной аутентификации Bluetooth-устройств по NFC и последующей установки Bluetooth-соединения и отправки файлов.

Еще одна возможность — использование пассивных NFC-тегов. Такие теги в виде небольших наклеек можно приобрести за полдоллара за штуку и перепрограммировать с помощью смартфона. Каждый из них может вмещать в себя 137 байт информации (в случае самого распространенного и дешевого тега Mifire Ultralight C), для считывания которой опять же достаточно просто поднести смартфон.

В тег можно записать пароль от домашнего Wi-Fi и приклеить на роутер. Или кодовое слово, на которое будет реагировать смартфон. Можно организовать автоматический запуск навигатора при установке смартфона в держатель в автомобиле или включение бесшумного и энергосберегающего режимов, когда телефон находится на прикроватной тумбочке. Небольшой список покупок в 137 байт тоже вполне вместится.

В этой статье мы поговорим обо всех возможных применениях NFC на практике, но так как в нашей стране оплата покупок с его помощью внедрена примерно нигде, то речь пойдет преимущественно об автоматизации на основе меток.

Поддержка в смартфонах

Первым телефоном с интегрированной поддержкой NFC был Nokia 6131, выпущенный еще в 2006 году. Тогда встроенный NFC-чип был всего лишь игрушкой для демонстрации возможностей созданной два года назад технологии. Смартфон был оснащен софтом для считывания NFC-меток, но ввиду их тогдашней дороговизны и почти нулевой популярности технологии ни на какое серьезное применение данная особенность смартфона не претендовала.

После некоторого затишья популяризацией NFC занялась компания Google, выпустившая в 2010 году смартфон Samsung Nexus S и приложение Google Wallet, которое позволяло расплачиваться виртуальными кредитками, используя NFC. На следующий год Google стала ведущим участником NFC Forum и представила Android 4.0 и основанный на нем смартфон Samsung Galaxy Nexus, который теперь мог похвастаться наличием той самой функции Beam. Позже появился Nexus 4, и наконец начали подтягиваться другие производители.

Сегодня NFC оснащаются почти все выпускаемые смартфоны. Соответствующий модуль есть даже в сверхбюджетных чипах Mediatek, так что большая часть новых китайских смартфонов стоимостью 5000 рублей тоже им оснащены. В любом случае присутствие чипа NFC легко проверить по наличию пункта «Беспроводные сети -{amp}gt; NFC» в настройках.

Канал связи NFC: роли устройств, режимы подключения

Привлекательность NFC в том, что с использованием этой технологии создание СКУД становится быстрой процедурой, не требующей дополнительных трудовых ресурсов. Все, что нужно иметь:

  • Управляющий компьютер;
  • Считывающий терминал, предназначенный для чтения информации с идентификаторов, которым всегда может быть смартфон, планшет;
  • Идентификаторы. В их роли могут выступать, как привычные карты, так и персонализированные устройства NFC сотрудников.

Используем NFC для автоматизации - «Хакер»

Чтобы интегрировать NFC пропуск в телефон, достаточно установить на него специальное приложение и персонализировать. После чего сотрудник будет вправе беспрепятственно попадать на рабочее место. При необходимости эмуляция NFC метки может выполняться любое количество раз.

В стандарте определены три возможных режима работы устройств NFC:

  • режим «точка-точка»;
  • режим эмуляции карты;
  • режим считывателя.

Режим «точка-точка» предусматривает двунаправленный обмен данными между устройствами. При этом каждое из устройств может при необходимости инициировать обмен.

В режиме эмуляции карты NFC-устройство функционирует как бесконтактная карта/метка.

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

Считыватель может считывать и записывать данные в NFC/RFID-устройства и бесконтактные карты, а также осуществлять запитку пассивных NCF-устройств.

Решения NFC от Texas Instruments

Компания Texas Instruments предоставляет широкий ассортимент продукции для коммуникаций ближнего поля, отвечающий практически всем возможным на сегодняшний день запросам рынка [3]. Среди аппаратных решений компании для NFC имеются высокоэффективные и гибкие транспондеры TRF7970A и RF430CL330H, однокристальные системы RF430FRL15xH и системы в корпусе RF430F59XX с процессорными ядрами MSP430.

Пишем данные

Для записи данных будем использовать NFC TagWriter. Пользоваться приложением довольно просто. Запускаем, тапаем по пункту Create, write and store, выбираем New, далее выбираем тип записываемых данных. Наиболее полезные типы: контакт, простой текст, телефонный номер, данные для Bluetooth-соединения, URI и приложение. В списке есть даже закладка веб-браузера и email-сообщение, но для чего они нужны, не совсем понятно.

Читайте ещё про NFC:  Тип метки NFC не поддерживается на Samsung Galaxy
Главный экран NFC TagWriter
Главный экран NFC TagWriter

Далее заполняем необходимые поля (например, адрес веб-сайта в случае с URI), нажимаем Next и попадаем на экран опций (скриншот «NFC TagWriter: опции сообщения»). Здесь можно указать приложение, которое будет запущено после прочтения метки (Add launch application) и установить защиту на перезапись сторонним устройством (Apply Soft Protection).

NFC TagWriter: опции сообщения
NFC TagWriter: опции сообщения

Вновь нажимаем Next и подносим смартфон к тегу. Вуаля, наши данные в нем. Теперь их можно прочитать любым смартфоном с поддержкой NFC. Но что это в конечном итоге дает?

Транспондеры серии RF430FRL15xH

Микросхемы TRF796xA и TRF7970A [5] являются высокопроизводительными приемопередатчиками диапазона 13,56 МГц со встроенными устройствами формирования пакетов с поддержкой стандартов ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18000-3, ISO/IEC 14443A и B (рисунок 3).

Рис. 3. Структурная схема приемопередатчиков TRF796xA, TRF7970A

Рис. 3. Структурная схема приемопередатчиков TRF796xA, TRF7970A

TRF7970A, как наиболее современный представитель семейства трансиверов TRF79xxA, поддерживает NFC-стандарты NFCIP-1 (ISO/IEC 18092) и NFCIP-2 (ISO/IEC 21481).

Встроенные блоки кодирования-декодирования данных, формирования пакетов, а также большой FIFO-буфер позволяют достаточно легко осуществлять взаимодействие по радиоканалу. Детектор наличия поля может активировать выход устройства из спящего режима, оптимизируя тем самым общее энергопотребление устройства. В зависимости от ситуации, режима работы, приложения, TRF79xxA может находиться в одном из семи доступных режимов энергопотребления.

Широкий диапазон допустимых напряжений питания 2,7…5,5 В допускает применение транспондера в устройствах с различными уровнями напряжений – и в устройствах с логическими уровнями 3 В, и с устройствами 5 В. Также возможна работа транспондера при сильно разряженной батарее питания.

Приемопередатчик TRF79xxA позволяет реализовывать различные протоколы обмена для диапазона 13,56 МГц, включая нестандартные.

https://www.youtube.com/watch?v=upload

Основные возможности:

  • поддержка стандартов ISO 14443A, ISO 14443B, ISO 15693, ISO/IEC 18000-3 (Mode 1);
  • диапазон напряжений питания 2,7…5,5 В;
  • встроенный стабилизатор питания (выходной ток до 20 мА);
  • потребление в режиме ожидания – 120 мкА, в режиме сна – менее 1 мкА;
  • параллельный или последовательный (SPI) интерфейс с хост-системой;
  • встроенные блоки формирования пакетов, проверки контрольной суммы, контроля четности;
  • скорость передачи данных – до 848 кбит/с;
  • тактовый выход для хост-контроллера;
  • программируемый антенный усилитель;
  • выходной усилитель с поддержкой OOK- или ASK-модуляции;
  • программируемая выходная мощность – 100 или 200 мВт;
  • прием и декодирование нескольких поднесущих.

Используем NFC для автоматизации - «Хакер»

RF430FRL15xH [7, 8] является транспондером диапазона 13,56 МГц со встроенным 16-битным малопотребляющим контроллером MSP430 (рисунок 6). Для хранения программы и данных используется энергонезависимая оперативная память технологии FRAM.

Рис. 6. Структурная схема транспондеров серии RF430FRL15xH

Рис. 6. Структурная схема транспондеров серии RF430FRL15xH

FRAM эффективна в NFC-приложениях благодаря высокой скорости работы и низкому энергопотреблению в сочетании с сохранением данных при выключении питания. Энергонезависимость встроенной FRAM-памяти RF430FRL15xH позволяет свободно применять данный транспондер и в приложениях с автономным питанием, и в приложениях с питанием за счет внешнего электромагнитного поля считывателя.

RF430FRL15xH поддерживает обмен данными, установку параметров и конфигурирование посредством беспроводного интерфейса (стандарты ISO/IEC 15693, ISO18000-3), а также при помощи SPI- или I2C-интерфейса.

Встроенный датчик температуры, малопотребляющий 14-битный АЦП, два конфигурируемых аналоговых усилителя позволяют применять RF430FRL15xH в качестве самостоятельного сенсорного узла, обслуживающего как цифровые, так и аналоговые датчики.

Основные возможности транспондера:

  • радиоинтерфейс ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18000-3 (Mode 1);
  • выбор источника питания: внешний источник питания или электромагнитное поле;
  • встроенный датчик температуры, интерфейс к резистивному датчику;
  • 16-битный блок вычисления контрольной суммы (CRC);
  • микроконтроллерное ядро MSP430 (2 кбайта FRAM, 4 кбайта ОЗУ, 8 кбайт ПЗУ);
  • напряжение питания – 1,45…1,65 В (ток потребления 260 мкА/МГц, в режимах экономии энергии – 9…15 мкА);
  • несколько источников тактирования (4 МГц, 256 кГц, внешний тактовый сигнал);
  • интерфейсный модуль eUSCI, поддерживающий SPI и I2C;
  • отладочный интерфейс JTAG.
Читайте ещё про NFC:  Как вывести деньги со Стима на Киви

Обновление ПО контроллера по NFC-каналу

скуд nfc

Начальный загрузчик (bootstrap loader – BSL) позволяет осуществлять доступ к памяти MSP430 во время прототипирования, для обновления прошивки контроллера в готовом изделии и для сервисного обслуживания устройства. В то время как в младших сериях контроллеров семейства MSP430 BSL (рисунок 4) загрузчик располагается в ROM-памяти и доступен только для чтения, в сериях MSP430F5xx и MSP430F6xx загрузчик располагается в защищенной области FLASH-памяти [6]. Это не только обеспечивает ему защиту при стирании памяти, но и позволяет выполнять следующие задачи:

  • использовать различные протоколы и интерфейсы, такие как UART, USB, SPI, I2C, NFC, и sub-1GHz;
  • назначать различные события для запуска BSL, вплоть до нажатия кнопки;
  • добавлять проверку целостности загружаемых или загруженных данных и кода, например, путем вычисления контрольной суммы (CRC);
  • изменять скорость передачи данных.
Рис. 4. Структура начального загрузчика MSP430 BSL

Рис. 4. Структура начального загрузчика MSP430 BSL

Сам загрузчик состоит из трех основных частей:

  • периферийного интерфейса (PI), который принимает и декодирует команды загрузчика, а также содержит драйвера основных интерфейсов – UART и SPI (в частности, можно взаимодействовать с загрузчиком посредством транспондера TRF7970A);
  • интерпретатора команд (CI), который принимает и выполняет команды;
  • BSL API – набора функций, являющегося промежуточным звеном между интерпретатором команд и встроенной памятью контроллера.

С учетом ограничений на размер загрузчика в 2 кбайта, NCF BSL поддерживает только небольшую часть NFC-протокола, необходимую для простых операций передачи данных.

Целевое устройство изначально находится в режиме пассивного ожидания, предусмотренного в TRF7970A при активировании режима Single Device Detection (SDD), что позволяет снизить требования к объему занимаемой памяти. Скорость данных при установлении соединения – 106 кбит/с. Пакет запроса атрибутов и ответ на него (Attribute Request – ATR_REQ и Attribute Response – ATR_RES соответственно) завершают процесс установления соединения.

Скорость прошивки вполне сопоставима со скоростями работы через COM-порт (рисунок 5). (В примере задействованы отладочные платы MSP-EXP430F5529 и MSP-EXP430F5438 с подключенными к ним NFC-платами TRF7970ATB).

Рис. 5. Обновление прошивки посредством NFC BSL

Рис. 5. Обновление прошивки посредством NFC BSL

Отладочные средства NFC

Традиционно компания Texas Instruments предлагает ассортимент отладочных и демонстрационных наборов [10].

nfc считыватель для скуд

Для оценки, отладки и проверки NFC-приложений может быть использован набор Dynamic NFC Transponder Evaluation Kit, состоящий из плат RF430CL330HTB Target Board и MSP-EXP430FR5739.

Отладочный набор NFCLink Evaluation Kit Bundle содержит в своем составе плату TRF7970ATB Target Board, плату MSP-EXP430F5529 USB Experimenter’s Board, отладочные платы RF430CL330HTB Target Board и MSP-EXP430FR5739 Experimenter Board (рисунок 8).

Рис. 8. Отладочные NFC-наборы TRF7970ATB Target Board (а) и NFCLink Evaluation Kit Bundle (б)

Рис. 8. Отладочные NFC-наборы TRF7970ATB Target Board (а) и NFCLink Evaluation Kit Bundle (б)

Плата TRF7970ATB Target Board может быть использована в паре с одной из отладочных плат контроллеров MSP430™, Tiva™ C или OMAP™.

Пакет ПО NFC Link SW

Рис. 9. Структура программного пакета NFC Link

Рис. 9. Структура программного пакета NFC Link

Основной программной библиотекой для работы с NFC-устройствами серии TRF79xx производства компании Texas Instruments является программный пакет NFCLink) [11, 12]. Его структура изображена на рисунке 9.

NFCLink поддерживает встраиваемые контроллеры Texas Instruments семейств MSP430™, Tiva™ C и OMAP™ и состоит из следующих частей:

  • драйверов для работы с TRF79xx;
  • набора API-функций NFC, RFID;
  • интерфейса с хост-системой (NFC Controller I/F – NCI), включая поддержку операционных систем Android, Linux и Windows® 7 и 8.

Модульная структура пакета NFC Link позволяет легко выбрать нужные компоненты и функции, требуемые в конкретном приложении. Также этот пакет позволяет создавать приложения, выходящие за рамки стандартного NFC-протокола, используя аппаратные возможности транспондеров TRF79хх.

https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin

Основная часть NFC Link поставляется в виде предварительно скомпилированных библиотек, а приложение взаимодействия хост-системы с транспондерами TRF79хх (интерфейсные уровни) – в виде исходных текстов.

Заключение

Компания Texas Instruments предоставляет аппаратные и программные средства для разработки NFC- и RFID-устройств.

Номенклатура Texas Instruments включает в себя аппаратное обеспечение – микросхемы NFC-приемников, транспондеров, приемопередатчиков, а также программные решения для интеграции NFC-устройств в системы. Все это способствует снижению трудоемкости процесса разработки нового продукта и сокращения времени вывода его на рынок.

считыватель скуд nfchttps://www.youtube.com/watch?v=ytdevru

Компания КОМПЭЛ, являющаяся официальным дистрибьютором Texas Instruments в России, осуществляет техническую поддержку разработчиков и производителей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector