Mikrokontroler.pl - portal dla elektroników

Różnego rodzaju systemy transmisji danych na małe odległości za pośrednictwem pola elektromagnetycznego były znane od dziesięcioleci. Jednak dopiero w ostatnich latach technologia komunikacji NFC (near-field communication) została zestandaryzowana i pojawiła się w urządzeniach codziennego użytku, takich jak smartfony. Postęp w kierunku standaryzacji komunikacji bliskiego zasięgu spowodowały wzrost zainteresowania nimi projektantów systemów. W roku 2003 organizacja ISO oraz IEC formalnie rozpoczęły proces standaryzacji NFC (rysunek 1). Utworzenie NFC Forum w roku 2004 spowodowało narodziny społeczności skupionej wokół NFC, która wciąż się rozwija.

Zainteresowanie NFC rośnie ze względu na bezpieczeństwo tego rodzaju komunikacji – jest ona możliwa tylko, jeśli użytkownik umieści swoje urządzenie w niewielkiej odległości od urządzenia hosta. Dodatkowym atutem jest wygoda – połączenie jest inicjowane bez potrzeby parowania urządzeń, jak w przypadku Bluetooth. Nie ma również kluczy zabezpieczających jak w Wi-Fi. Bardzo łatwo jest zrealizować połączenie na częstotliwości 13,56 MHz na małą odległość. Za pomocą zbliżenia urządzeń można zainicjować połączenie między nimi i uzyskać transmisję danych z szybkością do 424 kb/s.

W ostatnich latach nastąpiło rozpowszechnienie się urządzeń przenośnych, takich jak m.in. smartfony i tablety. Są one wyposażone w wydajne procesory i mogą używać oprogramowania szyfrującego. Wraz ze standardem komunikacji zbliżeniowej ISO18092 oraz związanym z nim standardem dla kart kredytowych ISO14443, umożliwia to stworzenie bezpiecznych, komercyjnych systemów dokonywania transakcji, które są jednocześnie bezprzewodowe i proste w użyciu.

Rys. 1. Organizacja standardów NFC. NFCIP-1 jest oparty na normie ISO14443 – główna różnica występuje w warstwie komend, której dwa dodatkowe tryby pozwalają na komunikację peer-to-peer. NFCIP-2 opisuje mechanizm wykrycia i wyboru trybów komunikacji

W praktyce okazuje się, że systemy transakcji stosowane obecnie zapewniają bardziej rozbudowane szyfrowanie, niż wymagane przez ISO/IEC18092 oraz ISO14443. Często używając autorskich rozwiązań, tak jak MIFARE firmy NXP – rozwinięcie ISO14443 z dodatkowymi funkcjami kryptograficznymi i warstwą komend.

Tab. 1. Porównanie typów tagów zdefiniowanych przez Forum NFC oraz tagów NXP MIFARE

Technologia MIFARE jest stosowana w 650 systemach biletowych na całym świecie, wliczając w to Oyster (Londyn), Clipper (San Francisco) czy EasyCard (Tajwan). W innych systemach, jak karta Suica – stosowana w japońskiej kolei – czy Octopus (Hong Kong) wykorzystano tagi FeliCa – jest to japoński standard przemysłowy oparty na ISO18092 z dodatkowymi możliwościami uwierzytelniania i szyfrowania.

Jednak mimo istniejącej standaryzacji umożliwiającej stosowanie NFC, praktyczna implementacja jest utrudniona przez dużą liczbę istniejących standardów, protokołów i typów urządzeń.

Pierwszy kontakt inżyniera z projektem systemu NFC może okazać się trudny . Do wyboru są trzy ryby pracy kilka standardów ISO oraz dodatkowe standardy innych organizacji. Do tego dochodzi problem połączenia technologii NFC i karty chipowej.

Aby odnaleźć się w nowym środowisku, warto najpierw zapoznać się z ogólnym podziałem standardów i protokołów NFC. Głównym celem istnienia standardów jest zapewnienie współpracy między urządzeniami różnych producentów. Na przykład implementacja NFCIP-2, oznacza, że urządzenie NFC jest zgodne ze standardami ISO14443 (karty zbliżeniowe) oraz ISO 15693 (karty o zwiększonym zasięgu), jak również z FeliCa – przy założeniu, że każda z warstw występujących w protokołach i sprzęcie jest obsługiwana.

Konieczność zapewnienia współpracy między dostawcami tagów NFC, a producentami urządzeń sprawiła, że Forum NFC określiło cztery typy tagów przedstawione w tabeli 1. Popularny tag NXP MIFARE również został uwzględniony dla lepszego porównania.

Dodatkowo zostały określone trzy tryby pracy przeznaczona dla różnych sposobów wykorzystania tagów: czytnik/urządzenie do zapisu, emulacja karty i tryb peer-to-peer. Dokument opracowany przez Forum NFC „Near Field Communication in the real world – part II” stanowi przewodnik po tagach i sugeruje ich wybór w zależności od zastosowania [link].

Poza typami tagów i trybami pracy, podczas projektowania inżynierowie muszą uwzględnić także rodzaj przesyłanych danych. Stosowanym formatem jest NDEF (NFC Data Exchange Format). Zapewnia on protokół do przesyłania zarówno tekstu, jak i obrazów, adresów URL, numerów telefonów i informacji z kalendarzem. Format NDEF został opracowany przez Forum NFC i można go pobrać z jego strony.

Jak widać z powyższego opisu, jest wiele reguł, protokołów i konwencji, o których należy wiedzieć. O ile w branży stosuje się skrót „NFC” jak gdyby była to konkretna technologia, w praktyce inżynier wykorzystujący NFC musi podczas projektowania wybrać jedną z setek kombinacji typów tagów, trybu pracy, metody szyfrowania, format wymiany danych, szybkość transferu i standard współpracy.

Krótko mówiąc, NFC nie jest technologią typu plug-and-play z punktu widzenia inżyniera projektanta. Wykorzystanie dostępnych materiałów może pomóc zakończyć projekt powodzeniem.

Materiały pomocne w implementacji NFC

W zakresie oprogramowania Open NFC oferuje otwarty stos NFC dostępny pod adresem. Obsługuje on wszystkie najnowsze funkcje systemu Android, w tym Android Beam oraz parowanie Wi-Fi Direct w wersji Android 4.0.

Tagi są dostępne u dostawców wymienionych w tabeli 1. oraz u dostawców wymienionych na stronie Forum NFC.

Na rynku istnieją liczne układy wejściowe i kontrolery. System wejściowy AS3911 firmy AMS może generować ramki dla inicjatora NFCIP-1 oraz w zastosowaniach z aktywnym układem odbiorczym, takich jak czytnik ISO1443A/B oraz czytnik FeliCA. Opcjonalnie można również dodawać ramki osobno, co pozwala na emulację innych protokołów.

Innym układem wejściowym jest ST21NCFA firmy STMicroelectronics, który oferuje podobne funkcje jak AS3911, obsługuje także tryb odczytu kart o zwiększonym zasięgu ISO15693.

Alternatywę stanowi M24LR64E-R firmy ST, pamięć bezprzewodowa złożona z kości EEPROM mieszczącej 64 kb danych oraz system wejściowy RFID/NFC, który umożliwia zdalny dostęp – funkcje zapisu i odczytu. Tych operacji można dokonać za pomocą smartfona obsługującego ISO15693 lub czytnik RFID obsługujący protokół ISO15693. Firma Ramtron ma w ofercie pamięci obsługiwane drogą radiową o nazwie MaxArias, w których wykorzystano nieulotne ferroelektryczne pamięci o dostępie swobodnym (FRAM) zamiast EEPROM.

Jako jeden z pionierów technologii NFC, firma NXP oferuje wiele układów wejściowych, takich jak kontroler NFC PN544 zgodny ze standardami MIFARE oraz FeliCA. Portal internetowy NXP zawiera informacje o wszystkich urządzeniach związanych z NFC.

Pomimo znacznej złożoności standardów i reguł stosowanych w technologii NFC, wszystkie prognozy przewidują gwałtowny rozwój tej technologii. Warto poświęcić nieco czasu na zapoznanie się ze wszystkimi standardami i dostępnymi materiałami, może to być opłacalna inwestycja dla każdego inżyniera-projektanta.

Mathian Nygard