Čo je NFC technológia a ako funguje v 7 bodoch

NFC technológia bezdrôtovej komunikácie na krátku vzdialenosť bola navrhnutá pre intuitívnu a jednoduchú komunikáciu medzi dvoma elektronickými zariadeniami.

Obvody pre NFC komunikáciu fungujú ako bezdrôtové pamäťové zariadenia s dvojitým prístupom do pamäte.

Súčasne obsahujú hardvérové rozhranie (SPI, I2C). V podstate, obvody pre NFC komunikáciu nájdu uplatnenie v každej aplikácii, ktorá využíva prenos dát medzi zabudovaným systémom (NFC tagom) a externým mobilným čítacím a zapisovacím zariadením.

Čo sa v článku dozviete?

Bezdrôtová komunikácia

"Near Field Communication"

„Blízke a vzdialené“ EM pole

Princíp NFC

Technológia bezkontaktných kariet

Technológia NFC

Obvody pre NFC

1. Bezdrôtová komunikácia

Hovoríme o nej ako o komunikácii medzi dvoma objektmi, ktoré sú navzájom prepojené inak ako mechanicky. Ako nosné médium prenášaných informácií môže byť použité svetlo (optické prepojenie), rádiový signál (elektromagnetické (EM) pole).

Používané bezdrôtové a rádiofrekvenčné komunikačné technológie v súčasnosti:

• Bluetooth - komunikácia bola navrhnutá za účelom náhrady káblového prepojenia medzi mobilnými telefónmi, počítačmi a komunikačnými zariadeniami (max. vzdialenosť 10 m)
• Technológia Wi-Fi  - bola optimalizovaná pre lokálne siete (LAN).  Poskytuje náhradu za káblové siete pre desiatky počítačových zariadení (max. vzdialenosť 100 m)
• ZigBee -  umožňuje ovládanie a monitorovanie pre priemyselné a rezidenčné aplikácie (max. vzdialenosť 100 m)
• RFID (Radio Frequency Identification) -  je automatická metóda identifikácie spoliehajúca sa na ukladanie a diaľkové získavanie dát pomocou zariadenia RFID „tag“.  RFID tag je malý objekt (elektronický štítok), ktorý môže byť spojený s objektom (tovarom).  Obsahujú polovodičové čipy, ktoré umožňujú komunikovať s RFID „čítačkou/zapisovačkou“.
• Bezkontaktné čipové karty -  obsahujú polovodičový obvod (mikroprocesor), ktorý komunikuje s čítačkou kariet prostredníctvom technológie RFID. Príklady komunikácie bezkontaktných čipových kariet sú ISO/IEC 14443 a FeliCa (max. vzdialenosť 10 cm)

2. "Near Field Communication"

NFC komunikácia funguje pokiaľ sú dva prístroje umiestnené blízko seba. Odpočúvanie komunikácie je takmer nemožné. NFC umožňuje komunikáciu medzi zariadeniami, z ktorých jedno nemusí mať zdroj energie. NFC je rozšírením technológie bezkontaktných čipových kariet, avšak na rozdiel od čipových kariet NFC podporuje obojsmernú komunikáciu. Tým sa otvárajú nové možnosti v bezpečnej bezkontaktnej komunikácii. Dôležitým faktom je, že NFC je plne kompatibilná s existujúcou infraštruktúrou s bezkontaktnými čipovými kartami.

Čo je NFC technológia? Stručná charakteristika:

• Bezkontaktná komunikačná technológia, intuitívny typ pripojenia,
• Bezpečná, jednostranná a obojstranná komunikácia,
• Technológia: RFID 13,56 MHz, dosah 10 cm, bitrate: 848 kbit/s,
• Štandardy: ISO / IEC 18092, ISO / IEC 21481, ISO / IEC 14443 A / B, ISO / IEC 15693, ISO / IEC 18000-3,
• Kompatibilita: MIFARE®, FeliCa,
• Pracovný mód: Čítanie/zápis, Peer-to-Peer (rovný s rovným) a emulácia čipovej karty,
• Rýchle a bezproblémové spárovanie s Bluetooth, Wi-Fi.

3. „Blízke a vzdialené“ EM pole

Pre elektromagnetické polia riadené Maxwellovou rovnicou vieme, že magnetické a elektrické polia existujú a môžu sa šíriť vo voľnom priestore. Pri veľmi krátkych vzdialenostiach (vysielacej a prijímacej antény) môže byť prijatá energia takmer rovná prenášanému výkonu v dôsledku prítomnosti kvázi stacionárnych vĺn. Tieto vlny umožňujú magnetické alebo elektrické spojenie. Táto vlastnosť elektromagnetickej indukcie sa používa v prípade transformátora.

Termín "blízke pole" opisuje pracovnú oblasť, v ktorej môže dôjsť k elektromagnetickej indukcii, pričom v tejto vzdialenosti môže byť indukcia použitá aj na účely komunikácie, a preto sa táto oblasť nazýva Near Field alebo Rayleigh. Táto úvaha platí pre vzdialenosti, ktoré sú menšie ako λ / 2π (Obrázok 1).

          Obr. 1 Blízke a vzdialené elektromagnetické pole [2]

Pri väčších vzdialenostiach od zdroja signálu sa elektrická časť elektromagnetického poľa stáva dominantnou a vytvorenie magnetického obvodu (ako napr. u transformátora), už nie je možné.
Ale stále existuje vyžarujúce elektromagnetické pole šíriace sa cez priestor. Toto žiarenie sa používa pre účely komunikácie. Zóna, ktorá sa vyskytuje vo vzdialenostiach väčších ako λ / 2π, sa nazýva zóna Fraunhoffer, kde sa rádiofrekvenčná (RF) komunikácia uskutočňuje použitím šírenia rádiových vĺn. Tradičné RF technológie možno považovať za komunikáciu na veľké vzdialenosti. Zóna medzi týmito dvoma oblasťami, kde je vzdialenosť približne rovná vlnovej dĺžke, môže byť považovaná za strednú zónu nazývanú Fresnel.
Toto je zjednodušený pohľad na problematiku existencie elektromagnetického poľa a podielu jednotlivých zložiek poľa (elektrickej, magnetickej) pre účely bezdrôtovej komunikácie. Presný fyzikálny popis jednotlivých zón je zložitejší.

4. Princíp NFC

Ako funguje NFC technológia? Základným princípom NFC je magnetická indukcia (obr. 2), zdroj signálu, vysielač, generuje okolo seba elektromagnetické pole. Cieľové zariadenie, prijímač, ktoré je v dosahu tohto poľa, vytvorí magnetickú väzbu so zdrojom prostredníctvom magnetickej indukcie.
Magnetické pole môže byť modulované vysielačom a modulované zmeny v magnetickom poli môžu byť prijímané alebo merané prijímačom. Týmto spôsobom sa vytvorí medzi vysielačom a prijímačom jednosmerná komunikácia.

        Obr. 2 Prepojenie vysielača a prijímača pomocou magnetickej indukcie [2]

Na obr. 3 je zdrojové zaradenie (initiator) a cieľové zariadenie (target), ktoré sú vzájomne prepojené elektromagnetickým poľom. Pole sa indukuje v cievkach jednotlivých zariadení. Zmena prúdu v jednej cievke vedie k zmene indukovaného napätia v druhej cievke.

Tradičné indukčné aplikácie, ako napr.  transformátory, pracujú na princípe zmeny v primárnej cievke, čoho následkom je zmena v sekundárnej cievke. U NFC po vytvorení indukčného spojenia je možná zmena funkcie primárneho a sekundárneho zariadenia. Napr. v prípade čítacieho zariadenia RFID, čítajúceho informácie z IC čipu, sa získavajú informácie z pasívneho sekundárneho zariadenia.

         Obr. 3 Princíp obojsmernej NFC indukčnej komunikácie [2]

          Tab.1: možnosti vytvorenia prepojenia medzi NFC zariadeniami.

Prvý riadok označuje obojsmernú komunikáciu. Hoci sa druhý a tretí riadok v tabuľke zdajú byť identické, musíme rozlišovať smerový tok informácii. Napr.  čítačka RFID generuje pole, ale informáciu získava z ID tagu.

Jedným zo zaujímavých aspektov používanej frekvencie 13,56 MHz je to, že má nízku interakciu s ľudským a živočíšnym tkanivom, čo znamená, že NFC je vhodná aj pre aplikácie ako napr. identifikácia zvierat.

5. Technológia bezkontaktných kariet

T.j. komunikácia medzi dvoma zariadeniami, kde jedno slúži ako čítačka / zapisovačka (napr. Terminál POS) a druhé zariadenie je "tag" (napr. Karta, ID čip). 
Čítačka je aktívne zariadenie, ktoré generuje elektromagnetické pole na komunikáciu s tagmi. V pasívnom režime komunikácie elektromagnetické pole poskytuje aj energiu pre vytvorenie napájacieho napätia pre tag. Tag je pasívne zariadenie, ktoré komunikuje modulovaním zložky elektromagnetického poľa, čím odosiela informáciu uloženú v pamäti k čítačke.

Ak tag disponuje vlastným napájaním, môže komunikovať s čítačkou / zapisovačkou v aktívnom režime striedavým prenosom informácií z / do čítačky. ISO / IEC 14443 je medzinárodná norma pre bezkontaktné čipové karty.

Má 4 časti: 

• Časť 1: ISO/IEC 14443-1 opisuje fyzikálne charakteristiky kariet,
• Časť 2: ISO/IEC 14443-2 opisuje generovanie elektromagnetického poľa (energie a prenos informácie). 
• Časť 3: ISO/IEC 14443-3 opisuje inicializáciu prenosu a riešenia kolíznych situácií. 
• Časť 4: ISO/IEC 14443-4 opisuje požiadavky na prenosový protokol. 

6. Technológia NFC

NFC komunikácia na krátku vzdialenosť vychádza z RFID (Radio Frequency Identification) štandardov a používa frekvenciu 13,56 MHz, pričom dosah je rádovo v jednotkách centimetrov. Medziodborová skupina známa ako NFC Forum sa zaoberá štandardizáciou NFC technológie a komunikačného protokolu.

ISO/IEC 18092 („Telecommunications and Information Exchange Between Systems – Near Field Communications – Interface and Protocol), niekedy označovaná ako NFCIP-1 (Near Field Communication - Interface and Protocol Specification) je medzinárodne platnou normou pre NFC technológiu. Vychádza z ISO/IEC 14443 normy pre bezkontaktné čipové karty s nasledovnými rozdielmi:

• NFC používa iný príkazový protokol, ktorý nahrádza Časť 4: ISO/IEC 14443-4
• NFC obsahuje dva komunikačné režimy aktívny a pasívny, ktoré umožňujú komunikáciu v režime Peer-to-Peer, ako aj NFC komunikáciu s tagmi spĺňajúcimi štandard ISO/IEC 18092

V rámci dvoch režimov komunikácie sú v ISO/IEC 18092 definované 3 pracovné módy činnosti (Obr. 4):

1. Reader/writer – komunikácia medzi aktívnym zariadením a NFC tagom.
   NFC tag je pasívne zariadenie, ktoré pozostáva z antény a NFC čipu. Cieľom tejto komunikácie je čítanie alebo zapisovanie dát z / do pamäte NFC tagu. Rovnako ako pri čítaní, aj pri zapisovaní je NFC tag napájaný elektromagnetickým poľom z aktívneho NFC zariadenia.
   Tento režim slúži na získanie informácií alebo iniciovanie akcie. Aby sa zvýšila bezpečnosť režimu čítania a zápisu, môže byť pre šifrovanie dát použitý modul bezpečného prístupu (SAM), ktorý slúži ako zabezpečený kryptografický koprocesor. SAM tiež overí šifrované údaje o pravosti pred transakciou (napríklad online nákup alebo prístup do budovy).
   
   
2. Card emulation – je to špeciálny režim, pri ktorom sa aktívne NFC zariadenie správa ako pasívny NFC tag.
   Po priložení tohto zariadenia k čítačke je komunikácia iniciovaná čítacím zariadením. Je to režim, ktorý napodobňuje používanie bezkontaktných platieb, napr. bezkontaktné platby pomocou mobilného telefónu. Mód emulácie karty umožňuje systému správať sa ako bezkontaktná čipová karta kompatibilná s normou ISO / IEC 14443.
   
   
3. Peer-to-peer – obojstranná komunikácia dvoch aktívnych zariadení. Najčastejšie ide o 2 mobilné telefóny umiestnené vedľa seba v blízkej vzdialenosti, ktoré si prostredníctvom tohto módu môžu vymieňať dáta. 

Obr. 4 Módy NFC komunikácie [4]

Z uvedených módov NFC komunikácie vyplýva, že dochádza ku pasívnej alebo aktívnej komunikácií medzi NFC zariadeniami:

• pasívna komunikácia -  vzťahuje sa na ktorýkoľvek z 3 prevádzkových módov činnosti NFC.
  Iniciačné zariadenie vytvára EM pole 13,56 MHz a cieľové zariadenie. Keď je zariadenie účinkom tohto poľa vystavené, využíva ho ako zdroj energie. Iniciátor prenáša dáta k cieľu priamo moduláciou poľa, zatiaľ čo dáta z cieľového zariadenia sa prenášajú modulovaním zaťaženia EM poľa.
  Metóda, ktorú popisuje NFC fórum, je kompatibilná s inými bezkontaktnými formátmi čipových kariet vrátane ISO/IEC 14443.
  
  
• aktívna komunikácia - vzťahuje sa  na pracovný mód Peer-to-Peer. Iniciátor a cieľ generujú EM pole. Každá strana vysiela dáta úpravou svojho vlastného poľa moduláciou ASK.  Aby sa predišlo kolíziám, EM pole generuje iba vysielacie zariadenie.
  Prijímajúce zariadenie vypne svoje pole, aby mohlo prijať dáta. Funkcie vysielania a prijímania sa prepínajú podľa prebiehajúcej komunikácie medzi zariadeniami.
  * ASK (Amplitude Shift Key - je forma amplitúdovej modulácie, ktorá reprezentuje digitálne dáta ako zmeny amplitúdy nosnej vlny.

Mobilné telefóny s podporou NFC v režime emulácie karty sa môžu používať na bezkontaktnú platbu, podobne ako bezkontaktné platobné karty. Ak NFC zariadenie (mobilný telefón) pracuje podľa ISO/IEC 18092, potom v režime emulácie karty malo by byť rozpoznateľné čítacím zariadením (POS terminálom), ktorý pracuje podľa špecifikácií normy ISO/IEC 14443.

Avšak ISO/IEC 18092 tiež definuje režim Peer-to-Peer, kde dve zariadenia si môžu vymieňať dáta. V norme ISO/IEC 14443 neexistuje ekvivalent takejto komunikácie, a preto tieto NFC zariadenia nebudú kompatibilné so zariadeniami pracujúcimi podľa ISO/IEC 14443.

7. Obvody pre NFC

Riešenie Peer-to-Peer komunikácie mobilných telefónov s inými mikroprocesorovými systémami je možné realizovať pomocou špeciálnych obvodov, ktoré umožňujú vytvoriť premostenie medzi bezkontaktnou NFC technológiou a štandardnou sériovou komunikačnou zbernicou. (Zbernica sa využíva v mikroprocesorových aplikáciách.)

Vstupným signálom do takýchto obvodov je signál z antény. Anténa je pripojená k obvodu a výstupom sú dáta posielané prostredníctvom štandardnej zbernice (napr. SPI, I²C) alebo naopak (Obr. 5). K týmto obvodom patria napr. NTAG I²C, RF430CL330H a M24SR64.

Obr. 5 Príklad riešenia prepojenia NFC zariadenia s mikrokontrolérom. [4]

7.1 NTAG I²C

NTAG I²C ponúka "prevod“ z bezdrôtovej RF komunikácie na komunikáciu po I²C zbernici. Vysokofrekvenčné NFC rozhranie pracuje s prenosovou rýchlosťou 106 kbit/s. Na svoju činnosť potrebuje externý zdroj napájania alebo môže byť napájaný z elektromagnetického poľa, ktoré je generované aktívnym NFC zariadením. Obvodu NTAG I²C obsahuje dva typy pamäte:

• pamäť EEPROM, pre uloženie 7 bytov UID  a 1904 bytov (NTAG I²C 2KB), resp. 888 bytov (NTAG I2C 1K) pre NDEF záznam. 
  *UID - Unified Information Devices 
• 64 bytovú SRAM pamäť, ktorá slúži ako buffer pri častom prepise dát.
  Táto pamäť je dostupná, len ak je obvod napájaný z externého zdroja. Pre mikrokontrolér je prístupná cez I²C zbernicu a pre RF čítačku je prístupná len cez EEPROM pamäťový priestor.

Bez externého napájacieho zdroja môže NTAG I²C komunikovať prostredníctvom RF rozhrania ako pasívny NFC tag. Externé napájanie pamäte SRAM umožňuje obvodu rýchle sťahovanie a odovzdávanie údajov z RF rozhrania do I²C zbernice a naopak prostredníctvom NDEF (NFC Data Exchenge Format). NTAG I²C vytvára mostík medzi bezdrôtovou RF komunikáciou a sériovou I²C zbernicou. NTAG I²C môže energiu získanú z EM poľa použiť aj na napájanie externých (nízkonapäťových) zariadení napr. mikroprocesory. NTAG I2C sa vyrába v dvoch verziách:

• NTAG I²C 1K – 888 Byte voľne dostupnej užívateľskej pamäte
• NTAG I²C 2K - 1904 Byte voľne dostupnej užívateľskej pamäte

Na rýchle oboznámenie sa so samotným obvodom NTAG I²C je možné použiť NTAG I²C Explorer Kit, ktorý je demonštračným a vývojovým prostriedkom. Za použitia hardvérových doplnkov a softvérových nástrojov (NTAG I²C Explorer-Peek and Poke Utility) môže používateľ vyvíjať a testovať vlastné aplikácie v oblasti NFC komunikácie. 

Obr. 6 Blokové schéma NTAG I²C Explorer Kit a PCB s anténou [4]

Na Obr. 6 sa okrem iného nachádza 2x16-znakový LCD displej s podsvietením, teplotný snímač NXP PCT2075 a RGB LED dióda. Odnímateľný anténny modul s obvodom NTAG I²C poskytuje energiu pre všetky obvody na vývojovej doske v rozsahu od 2,7 V až 3,0 V z EM poľa generovaného NXC zariadením. Dôležité je udržiavanie celkovej prúdovej spotreby pod 5 mA, pretože spotreba prúdu na vývojovej doske ovplyvňuje výstupné napätie obvodu NTAG I²C.

Na Obr. 7 je zobrazená vývojová doska s ovládacími prvkami a odnímateľné anténne moduly. Štandard ISO/IEC popisuje šesť tried antén (Class 1 až 6), ktoré sa od seba líšia tvarom a veľkosťou anténnej cievky. Pre skúšanie s vývojovou doskou sú v ponuke anténne moduly Class 4, 5 a 6, na pevnom alebo ohybnom substráte.

Obr. 7 NTAG I²C Explorer Kit a anténní moduly. [4]

7.2 M24SR64-Y

M24SR64-Y má podobné riešenie pre vytvorenie prepojenia mikrokontroléra s NFC zariadeniami. M24SR64-Y je dynamický NFC tag, ktorého informácie sú dostupné z RF rozhrania a taktiež zo zbernice I²C, pričom sa používa k výmene dát rovnaká pamäť.
Z tohto dôvodu s obvodom M24SR64-Y môže komunikovať v rovnakom čase iba jedno rozhranie, výber rozhrania je riadený obvodom M24SR64-Y. Rozhranie RF vyhovuje štandardu ISO/IEC 14443-A.

Obvod M24SR64-Y je kompatibilný so špecifikáciami tagu NFC Forum Type 4 a podporuje všetky zodpovedajúce príkazy. Obsahuje 8 KB EEPROM pamäť, podporuje komunikáciu v NDEF dátovej štruktúre, prenosová rýchlosť RF komunikácie je 106 kbit/s.

Obvod M24SR64-Y môže pracovať v týchto funkčných módoch, ktoré sa odlišujú v zdroji napájania obvodu:

• I²C mód - obvod je napájaný len z externého zdroja pripojeného k VCC vývodu. Cez I²C zbernicu môže s pamäťou komunikovať mikrokontrolér
• Tag mód - obvod je napájaný len z elektromagnetického poľa (generovaného RFID čítačkou alebo mobilným telefónom). Užívateľská pamäť je prístupná len cez RF príkazy. I²C zbernica je neprístupná.
• Dual interface mód - obvod je napájaný aj z EM poľa aj z VCC vstupu. Obe rozhrania RF aj I²C zbernica sú aktívne a hostitelia RF alebo I²C môžu komunikovať s obvodom M24SR64-Y. Napájanie a riadenie prístupu sú vykonávané samotným obvodom M24SR64-Y.

Obr. 8 Bloková schéma M24SR64-Y [5]

7.3 RF430CL330H

Obvod realizuje len „prepojenie“ bezdrôtovej RF komunikácie a rozhrania SPI alebo I²C . Tento obvod je len transponder v porovnaní s predchádzajúcimi obvodmi, teda nie je možné ho použiť vo funkcii tagu (neobsahuje EEPROM), a nie je možné ho napájať z EM poľa (potrebuje externé napájanie).

V porovnaní s predchádzajúcimi obvodmi ponúka hardvérové rozhranie (SPI, I²C) a vyššiu prenosovú rýchlosť bezdrôtového RF prenosu až 848 kbit/s. Obvod obsahuje len SRAM pamäť (3KB) pre NDEF dátovú štruktúru.