NFC: wat is het, contactloze communicatiemodule en werkingsprincipe

Wat is NFC?

NFC (Near Field Communication) is een standaard voor draadloze gegevensoverdracht over korte afstand, werkend op een frequentie van 13,56 MHz. De technologie is gebaseerd op RFID (Radio Frequency Identification) en is achterwaarts compatibel met ISO 14443 — de standaard voor contactloze smartcards. De gegevensoverdrachtsnelheid bedraagt 106, 212 of 424 kb/s, afhankelijk van de geselecteerde modus.

In tegenstelling tot Bluetooth vereist NFC geen koppelingsprocedure — apparaten wisselen direct gegevens uit wanneer ze bij elkaar worden gehouden. De maximale communicatieafstand is 10 cm, wat natuurlijke bescherming biedt tegen onderschepping. Volgens NFC Forum wordt de technologie ondersteund door meer dan 3 miljard apparaten wereldwijd, en dit aantal groeit jaarlijks met 15–20%.

De NFC-standaard wordt ontwikkeld door het NFC Forum — een consortium opgericht door Sony, Philips en Nokia in 2004. De eerste telefoon met NFC (Nokia 6131) verscheen in 2006, maar massale adoptie begon na de release van Android 4.0 (Ice Cream Sandwich) in 2011 en de lancering van Apple Pay in 2014. Tegenwoordig ondersteunen bijna alle smartphones met een prijs boven 150 dollar NFC.

NFC-werkingsmodi in de telefoon

De NFC-controller in de smartphone ondersteunt drie werkingsmodi, elk bedoeld voor zijn eigen taakklasse. Het schakelen tussen modi gebeurt automatisch op basis van het type apparaat waarmee wordt gecommuniceerd.

Lees-/schrijfmodus (Reader/Writer)

In deze modus fungeert de telefoon als een actieve lezer van NFC-tags. Wanneer de telefoon bij een NFC-tag wordt gehouden — sticker, armband of poster — leest deze gegevens uit het geheugen van de tag. Tags bevatten 48 bytes tot 32 KB geheugen en slaan URL’s, tekst of opdrachten op. Android Beam (vervangen door Nearby Share) gebruikte deze modus voor het delen van links en contacten.

Peer-to-peer-modus (P2P)

Twee NFC-apparaten wisselen rechtstreeks gegevens uit. Het ene apparaat fungeert als initiator, het andere als doel. De LLCP-standaard (Logical Link Control Protocol) beheert de verbinding, en SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) het gegevensformaat. De P2P-modus wordt gebruikt voor het snel delen van contacten, links of het starten van Bluetooth-koppeling. De snelheid in P2P-modus bereikt 424 kb/s.

Kaartemulatiemodus (Card Emulation)

De telefoon emuleert een contactloze smartcard — betaalkaart, vervoersbewijs of toegangspas. Een extern NFC-apparaat (POS-terminal, poortje) communiceert met de telefoon op dezelfde manier als met een gewone plastic kaart. Deze modus wordt gebruikt in Apple Pay, Google Pay en Samsung Pay. De beveiliging van betalingen wordt gegarandeerd door Secure Element — een geïsoleerde chip die de gegevens van betaalkaarten opslaat.

NFC vs Bluetooth: technologieën vergeleken

NFC en Bluetooth LE (Low Energy) zijn twee technologieën voor korte afstand die vaak worden vergeleken. NFC wint qua verbindingssnelheid (0,1 s) en vereist geen koppeling, maar verliest op het gebied van gegevensoverdrachtsnelheid en bereik. Bluetooth LE vereist koppeling (2–5 seconden), maar biedt snelheden tot 2 Mb/s en een bereik tot 100 meter.

In de praktijk concurreren NFC en Bluetooth niet, maar vullen ze elkaar aan. NFC wordt gebruikt voor het initiëren van de verbinding (handover): het is voldoende om de telefoon bij het apparaat te houden om de Bluetooth-verbindingsparameters via NFC (NFC Bluetooth Handover) door te geven. Daarna schakelen de apparaten over op Bluetooth voor snelle bestandsoverdracht of audiostreaming.

Hardware-architectuur van NFC in smartphones

De NFC-module van de smartphone bestaat uit drie componenten: de NFC-controller (NFC Controller), de NFC-antenne en Secure Element (voor beveiligde bewerkingen). De NFC-controller is een aparte chip of onderdeel van een gecombineerde communicatiemodule (NFC + Bluetooth + Wi-Fi, zoals WCN3990 van Qualcomm). Deze beheert de radio-interface en de uitwisselingsprotocollen.

De NFC-antenne is een gedrukte spoel op een flexibele ondergrond (FPC) of op de batterijbehuizing. De afmeting van de antenne is 20×30 mm, het aantal windingen is 3–5. De antenne wordt via een aanpassingscircuit, afgestemd op 13,56 MHz, op de controller aangesloten. Volgens NXP Semiconductors vereist een efficiënte werking van de antenne een nauwkeurige berekening van de inductie en kwaliteitsfactor.

Secure Element (eSE) — een aparte cryptografische chip (NXP P71, Samsung S3K) of een geïsoleerd gebied in de SoC (iSE — integrated Secure Element). Het slaat gegevens van betaalkaarten op en voert cryptografische bewerkingen uit voor HCE (Host Card Emulation). Secure Element is geïsoleerd van Android/iOS: alleen de NFC-controller heeft er toegang toe via APDU-commando’s over de SWP-bus (Single Wire Protocol).

// Voorbeeld van APDU-commando voor interactie met Secure Element
const uint8_t SELECT_APDU[] = {
    0x00, 0xA4, 0x04, 0x00,            // CLA, INS, P1, P2
    0x07,                               // gegevenslengte (7 bytes)
    0xA0, 0x00, 0x00, 0x00,             // RID — geregistreerd
    0x03, 0x10, 0x10,                   // PIX — applicatie-identificatie
    0x00                                // Le — verwachte antwoordlengte
};

// Verzenden van commando via NFC-controller naar Secure Element
NfcStatus nfcStatus = sendApdu(SELECT_APDU, sizeof(SELECT_APDU));

Toepassingen van NFC in mobiele apparaten

NFC in de telefoon wordt gebruikt in vier hoofdscenario’s: contactloos betalen, transport, toegang tot objecten en taakautomatisering. De meest wijdverbreide toepassing zijn betaalsystemen: Apple Pay, Google Pay en Samsung Pay. Zij gebruiken de Card Emulation-modus met HCE (Host Card Emulation) of Secure Element voor het emuleren van een bankkaart.

Transportsystemen over de hele wereld (Moskou Metro, London Tube, New York MTA) accepteren NFC-betalingen via mobiele portemonnees. In Japan wordt de op NFC gebaseerde FeliCa-technologie (Sony) sinds 2004 gebruikt voor reizen, winkelen en toegang tot kantoren. Smartphones met een FeliCa-chip, zoals de iPhone voor de Japanse markt, ondersteunen Suica en PASMO.

NFC-tags (NFC Tags) maken automatisering van ‘slimme thuis’-scenario’s mogelijk: houd de telefoon bij de tag naast het bed — de wekker gaat aan en meldingen worden uitgeschakeld. Op Android gebeurt dit via Android Beam / NFC Tools, op iOS via Shortcuts en NFC-triggers. Sommige smartphones gebruiken NFC ook voor snel opladen — de Qi-standaard gebruikt NFC voor het identificeren van de oplader.

Codevoorbeeld: NFC-tag lezen op Android

Android biedt een API voor het verwerken van NFC-tags via het Intent System. Wanneer een tag bij de telefoon wordt gehouden, maakt het systeem een intent met de tag aan en ontvangt de app gegevens in NDEF-formaat (NFC Data Exchange Format). Hieronder staat een voorbeeld van een Activity die een URL of tekst van een NFC-tag leest.

class NfcReaderActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_nfc)
        handleNfcIntent(intent)
    }

    override fun onNewIntent(intent: Intent) {
        super.onNewIntent(intent)
        handleNfcIntent(intent)
    }

    private fun handleNfcIntent(intent: Intent) {
        if (intent.action == NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED) {
            val rawMessages = intent
                .getParcelableArrayExtra(NfcAdapter.EXTRA_NDEF_MESSAGES)
            rawMessages?.forEach { rawMsg ->
                val msg = rawMsg as NdefMessage
                msg.records.forEach { record ->
                    val payload = String(record.payload)
                    println("NFC-gegevens: $payload")
                }
            }
        }
    }
}

Voor NFC-werking moet de machtiging android.permission.NFC in het manifest worden gedeclareerd en een intent-filter worden geconfigureerd voor ACTION_NDEF_DISCOVERED, ACTION_TECH_DISCOVERED of ACTION_TAG_DISCOVERED. Android filtert NFC-tags automatisch op NDEF-recordtype — dit stelt de app in staat alleen te reageren op tags met een specifiek MIME-type of URL-voorvoegsel. Houd er rekening mee dat de NFC-antenne zich meestal in het bovenste deel van het achterpaneel van de telefoon bevindt — voor het lezen van een tag moet u het bovenste deel van de telefoon bij de tag houden.