NFC技術(shù)原理及應(yīng)用

張相飛 周芝梅 王永剛 萬勇

摘 要： 本文分析了NFC的技術(shù)原理，同時(shí)比較它與其它通信技術(shù)的差別。本文還重點(diǎn)分析了NFC的各種應(yīng)用模式及應(yīng)用的場合，并且對每種應(yīng)用模式的應(yīng)用前景給出了筆者個(gè)人的看法和建議。

關(guān)鍵詞： NFC;近場通信;門禁;移動(dòng)支付

Thetheory and application of NFC technology

Zhang Xiangfei? Zhou Zhimei? Wang Yonggang? Wan Yong

Smart Shine（QingDao）Microelectronics Technology Co.Ltd Beijing 102200

Abstract： This paper analyze the technical theory of NFC technology and compare it with the other communication technology.This paper also analyze the different application mode and scenarios.The application scenarios of different application mode was given by writer.

Key words： NFC;near field communication;Access Control System;Mobile Payment

1 緒論

近些年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及以及無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線通信已經(jīng)成為我們生活的一部分，而近幾年來近距離無線通信技術(shù)也越來越引起人們的關(guān)注和重視。近距離無線通信技術(shù)包括了藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、紅外（IrDA）、超寬帶（UWB）、近場通信（NFC）等。最近帶有NFC功能的手機(jī)也越來越多，各大手機(jī)廠商都競相推出了帶有NFC功能的新款手機(jī)。本文分析了NFC的技術(shù)背景，工作原理，以及它的各種應(yīng)用模式及應(yīng)用的場合。

2 NFC原理

NFC的中文全稱為近場通信技術(shù)，它是英文“Near Field Communication”每個(gè)單詞首字母的縮寫。NFC是在非接觸式射頻識別（RFID）技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線互聯(lián)技術(shù)研發(fā)而成，它為我們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓狡占暗母鞣N電子產(chǎn)品提供了一種十分安全快捷的通信方式。

NFC中文名稱中的“近場”是指臨近電磁場的無線電波。因?yàn)闊o線電波實(shí)際上就是電磁波，所以它遵循麥克斯韋方程，電場和磁場在從發(fā)射天線傳播到接收天線的過程會一直交替進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，并在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)相互增強(qiáng)，例如我們的手機(jī)所使用的無線電信號就是利用這種原理進(jìn)行傳播的，這種方法稱作遠(yuǎn)場通信。而在電磁波10個(gè)波長以內(nèi)，電場和磁場是相互獨(dú)立的，這時(shí)的電場沒有多大意義，但磁場卻可以用于短距離通訊，我們稱之為近場通信。

2.1 NFC 技術(shù)背景

根據(jù)有關(guān)資料顯示，大約在 2003 年的時(shí)候，索尼（sony）公司和當(dāng)時(shí)的飛利浦（philips）半導(dǎo)體（現(xiàn)恩智浦NXP半導(dǎo)體）進(jìn)行合作，計(jì)劃基于非接觸式射頻卡技術(shù)研發(fā)一種更加安全快捷的并且能與之兼容的無線通訊技術(shù)。經(jīng)過幾個(gè)月的研發(fā)后，雙方聯(lián)合對外發(fā)布了一種兼容ISO14443 非接觸式卡協(xié)議的無線通訊技術(shù)，取名為NFC（Near Field Communication），具體通信規(guī)范稱作NFCIP-1規(guī)范。在發(fā)布NFC技術(shù)沒多久，雙方向歐洲電腦制造商協(xié)會（ECMA）提交標(biāo)準(zhǔn)草案，申請成為近場通信標(biāo)準(zhǔn)并很快被認(rèn)可為ECMA-340標(biāo)準(zhǔn)，緊接著借助 ECMA向ISO/IEC提交了標(biāo)準(zhǔn)申請并最終被認(rèn)可為ISO/IEC18092標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 NFC工作原理

NFC（Near Field Communication）是一種短距高頻的無線電技術(shù)，NFCIP-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定NFC的通信距離為10厘米以內(nèi)，運(yùn)行頻率為13.56MHz，傳輸速度有106 Kbit/s、212 Kbit/s或者424 Kbit/s三種。

NFCIP-1標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定NFC設(shè)備的傳輸速度、編解碼方法、調(diào)制方案以及射頻接口的幀格式，此標(biāo)準(zhǔn)中還定義了NFC的傳輸協(xié)議，其中包括啟動(dòng)協(xié)議和數(shù)據(jù)交換方法等。

NFC工作模式分為被動(dòng)模式和主動(dòng)模式。被動(dòng)模式如圖1所示，NFC發(fā)起設(shè)備（也稱為主設(shè)備）需要供電設(shè)備，主設(shè)備利用供電設(shè)備的能量來提供射頻場，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到NFC目標(biāo)設(shè)備（也稱作從設(shè)備），傳輸速率需在106kbps、212kbps或424kbps中選擇其中一種。從設(shè)備不產(chǎn)生射頻場，所以可以不需要供電設(shè)備，而是利用主設(shè)備產(chǎn)生的射頻場轉(zhuǎn)換為電能，為從設(shè)備的電路供電，接收主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且利用負(fù)載調(diào)制（load modulation）技術(shù)，以相同的速度將從設(shè)備數(shù)據(jù)傳回主設(shè)備。因?yàn)榇斯ぷ髂Ｊ较聫脑O(shè)備不產(chǎn)生射頻場，而是被動(dòng)接收主設(shè)備產(chǎn)生的射頻場，所以被稱作被動(dòng)模式，在此模式下，NFC主設(shè)備可以檢測非接觸式卡或NFC目標(biāo)設(shè)備，與之建立連接。

主動(dòng)模式如圖2所示，發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備在向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都必須主動(dòng)產(chǎn)生射頻場，所以稱為主動(dòng)模式，它們都需要供電設(shè)備來提供產(chǎn)生射頻場的能量。這種通信模式是對等網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)模式，可以獲得非?？焖俚倪B接速率。

而NFCIP-2標(biāo)準(zhǔn)為了和非接觸式智能卡兼容，規(guī)定了一種靈活的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，具體分為三種工作模式：點(diǎn)對點(diǎn)通信模式、讀寫器模式和NFC卡模擬模式，如同圖3所示。

點(diǎn)對點(diǎn)模式，這種模式下兩個(gè)NFC設(shè)備可以交換數(shù)據(jù)。例如多個(gè)具有N FC功能的數(shù)字相機(jī)、手機(jī)之間可以利用NFC技術(shù)進(jìn)行無線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)虛擬名片或數(shù)字相片等數(shù)據(jù)交換。

讀/寫模式，這種模式下NFC設(shè)備作為非接觸讀寫器使用。例如支持NFC的手機(jī)在與標(biāo)簽交互時(shí)扮演讀寫器的角色，開啟NFC功能的手機(jī)可以讀寫支持NFC數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽。

模擬卡片模式，這種模式就是將具有NFC功能的設(shè)備模擬成一張標(biāo)簽或非接觸卡，例如支持NFC的手機(jī)可以作為門禁卡、銀行卡等而被讀取。

3 NFC與其他技術(shù)的比較

目前的近距離無線通信技術(shù)包括了RFID、藍(lán)牙、紅外等，下面針對各通信技術(shù)的特點(diǎn)與NFC技術(shù)進(jìn)行分析與比較。

3.1 NFC與RFID的比較

第一，工作模式不同。NFC是將點(diǎn)對點(diǎn)通信功能，讀寫器功能和非接觸卡功能集成進(jìn)一顆芯片，而RFID則有閱讀器和標(biāo)簽兩部分組成。NFC技術(shù)既可以讀取也可以寫入，而 RFID只能實(shí)現(xiàn)信息的讀取以及判定。

第二，傳輸距離不同。NFC傳輸距離比RFID小的多，NFC的傳輸距離只有10厘米，RFID的傳輸距離可以達(dá)到幾米、甚至幾十米。NFC是一種近距離的私密通信方式，相對于RFID來說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低、安全性高等特點(diǎn)。

第三，應(yīng)用領(lǐng)域不同。NFC更多的應(yīng)用于消費(fèi)類電子設(shè)領(lǐng)域，在門禁、公交、手機(jī)支付等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用;RFID則更擅長于長距離識別，更多的被應(yīng)用在生產(chǎn)、物流、跟蹤、資產(chǎn)管理上。

3.2 NFC與藍(lán)牙的比較

NFC和藍(lán)牙都是短程通信技術(shù)，相對于藍(lán)牙很早就被集成到移動(dòng)電話中并已經(jīng)被普及，NFC最近幾年才開始被集成進(jìn)移動(dòng)電話中，并且到目前為止只集成在少數(shù)移動(dòng)電話中。

第一，建立時(shí)間不同，NFC通信設(shè)置程序簡單，通信建立時(shí)間很短，僅需0.1s左右;而藍(lán)牙通信設(shè)置程序相對復(fù)雜，通信建立時(shí)間較長，大概需要6s。

第二，傳輸距離不同，NFC傳輸距離只有10cm，而藍(lán)牙傳輸距離可達(dá)10m。但NFC在傳輸功耗和安全性方面略優(yōu)于藍(lán)牙。

第三，傳輸速度和工作頻率不同，NFC工作頻率為1356MHz，傳輸速度最大424 Kbit/s，而藍(lán)牙工作頻率為2.4GHz，傳輸速度可達(dá)2.1 Mbit/s。

3.3 NFC與紅外的比較

NFC和紅外傳輸相比，傳輸距離相當(dāng)，但比紅外傳輸速度更快，NFC傳輸速度最大可達(dá)424 Kbit/s，而紅外傳輸速度大概100Kbit/s。建立時(shí)間NFC比紅外略快，NFC建立時(shí)間為0.1s，紅外傳輸建立時(shí)間為0.5s。紅外傳輸必須嚴(yán)格的對齊才能傳輸數(shù)據(jù)，且中間不能有障礙物，而NFC則沒有這種限制;另外NFC比紅外更安全可靠。

4 NFC的應(yīng)用

NFC作為一種近場通信技術(shù)，其應(yīng)用十分廣泛。NFC應(yīng)用可以分為四個(gè)基本類型，下面針對這四種基本應(yīng)用類型進(jìn)行介紹和分析。

4.1 支付的應(yīng)用

NFC支付主要是指帶有NFC功能的手機(jī)虛擬成銀行卡、一卡通等的應(yīng)用。

NFC虛擬成銀行卡的應(yīng)用，稱為開環(huán)應(yīng)用。理想狀態(tài)下是帶有NFC功能的手機(jī)可以作為一張銀行卡在超市、商場的POS機(jī)上進(jìn)行刷手機(jī)消費(fèi)，但目前在國內(nèi)還無法實(shí)現(xiàn)。主要原因是作為開環(huán)應(yīng)用下的NFC支付有著繁冗的產(chǎn)業(yè)鏈，背后的卡商、方案商的利益和產(chǎn)業(yè)格局博弈十分復(fù)雜。就目前國內(nèi)NFC開環(huán)應(yīng)用的大環(huán)境來說，由于各方面利益的博弈，NFC開環(huán)支付應(yīng)用已經(jīng)錯(cuò)過了在支付寶和微信支付等移動(dòng)支付普及之前的最佳時(shí)機(jī)，NFC開環(huán)支付已經(jīng)不可能再單獨(dú)發(fā)展起來。NFC開環(huán)支付以后的發(fā)展只有尋求和支付寶和微信支付進(jìn)行銜接和捆綁，作為支付寶和微信支付的身份認(rèn)證手段，才有可能在未來的移動(dòng)支付中占有一席之地。

NFC虛擬成一卡通卡的應(yīng)用，稱為閉環(huán)應(yīng)用。目前NFC的閉環(huán)應(yīng)用在國內(nèi)的發(fā)展也不太理想，雖然在有些城市的公交系統(tǒng)已經(jīng)開放了手機(jī)的NFC功能，但并沒有得到普及。根本原因是以卡為載體的一卡通系統(tǒng)有一個(gè)發(fā)卡的獲利，系統(tǒng)集成商和運(yùn)營商（公交集團(tuán)及學(xué)校等）在發(fā)卡上可以獲得豐厚的利潤。所以目前小米和華為都在一些城市試點(diǎn)開通手機(jī)的NFC公交卡功能，但目前都還需要開通服務(wù)費(fèi)。但是隨著NFC手機(jī)的普及技術(shù)的不斷成熟，一卡通系統(tǒng)會逐漸支持NFC手機(jī)的應(yīng)用，前景是樂觀的，但過程注定是曲折的。

4.2 安防的應(yīng)用

NFC安防的應(yīng)用主要是將手機(jī)虛擬成門禁卡、電子門票等。

NFC虛擬門禁卡就是將現(xiàn)有的門禁卡數(shù)據(jù)寫入手機(jī)的NFC，這樣無需使用智能卡，使用手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)門禁功能，這樣不僅是門禁的配置、監(jiān)控和修改等十分方便，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改和配置，例如在需要時(shí)臨時(shí)分發(fā)憑證卡等。

NFC虛擬電子門票的應(yīng)用就是在用戶購票后，售票系統(tǒng)將門票信息發(fā)送給手機(jī)，帶有NFC功能的手機(jī)可以把門票信息虛擬成電子門票，在檢票是直接刷手機(jī)即可。

NFC在安防系統(tǒng)的應(yīng)用是今后NFC應(yīng)用的重要領(lǐng)域，前景十分廣闊。因?yàn)樵谶@個(gè)領(lǐng)域可以直接為該技術(shù)使用者帶來經(jīng)濟(jì)利益，讓他們更有動(dòng)力進(jìn)行現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)的升級。因?yàn)槭褂檬謾C(jī)虛擬卡，可以減少門禁卡或者磁卡式門票的使用，直接降低使用成本，另外還可以適當(dāng)提高自動(dòng)化程度，降低人員成本和提升效率。

4.3 標(biāo)簽的應(yīng)用

NFC標(biāo)簽的應(yīng)用就是把一些信息寫入一個(gè)NFC標(biāo)簽內(nèi)，用戶只需用NFC手機(jī)在NFC標(biāo)簽上揮一揮就可以立即獲得相關(guān)的信息。例如商家可以把含有海報(bào)、促銷信息、廣告的NFC標(biāo)簽放在店門口，用戶可以根據(jù)自己的需求用NFC手機(jī)獲取相關(guān)的信息，并可以登錄社交網(wǎng)絡(luò)、和朋友分享細(xì)節(jié)或好東西。

雖然NFC標(biāo)簽在應(yīng)用上十分便捷，成本也很低，但在目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的普及和二維碼的逐漸流行，NFC標(biāo)簽的應(yīng)用前景不容樂觀。因?yàn)楹蚇FC標(biāo)簽相比，二維碼只需要生成和印刷成一個(gè)小圖像，可以說幾乎是零成本，提供的信息和NFC一樣很豐富，很容易就會替代NFC標(biāo)簽的應(yīng)用。

4.4 其他領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用

2014年，華為推出了最新個(gè)性路由器產(chǎn)品，代號為“memo”，這款智能路由器具有NFC功能，NFC用于手機(jī)的WiFi連接認(rèn)證。

現(xiàn)代汽車公司也在著手研發(fā)具備NFC無線通信的汽車。通過NFC技術(shù)，汽車能夠識別不同駕駛者手機(jī)特定的配置文件，根據(jù)記錄的駕駛者的喜好，自動(dòng)調(diào)節(jié)反光鏡位置、座椅傾角以及立體聲音響音量等設(shè)置。

汽車零部件供應(yīng)商Continental最近也在測試NFC汽車虛擬鑰匙，以應(yīng)用到電動(dòng)汽車的租賃當(dāng)中，如圖4所示?？蛻粲檬謾C(jī)APP進(jìn)行車的預(yù)定，Continental服務(wù)端街道預(yù)定后把車的信息和訪問權(quán)限發(fā)給客戶并把車放在預(yù)定地點(diǎn)，客戶用把數(shù)據(jù)存入手機(jī)的NFC中，在預(yù)定地點(diǎn)就可以用手機(jī)的NFC獲取汽車的控制權(quán)。

5 總結(jié)

NFC作為開環(huán)移動(dòng)支付的發(fā)展方向不容樂觀，作為電子標(biāo)簽的應(yīng)用也會逐漸被二維碼替代，但在安防方面的應(yīng)用匯越來越廣泛，手機(jī)NFC虛擬門禁卡和電子門票的應(yīng)用會越來越流行。總之，NFC作為一門新興的技術(shù)必將在不久的將來發(fā)揮出自己的優(yōu)勢，給人們的生活帶來更多的便利。作為技術(shù)人員的我們也要思考如何才能合理利用好NFC的技術(shù)。

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