NFC: vad är det, modul för kontaktlös kommunikation och funktionsprincip

Vad är NFC?

NFC (Near Field Communication) är en standard för trådlös dataöverföring på korta avstånd som fungerar på frekvensen 13,56 MHz. Tekniken bygger på RFID (Radio Frequency Identification) och är bakåtkompatibel med ISO 14443 — standarden för kontaktlösa smartkort. Dataöverföringshastigheten är 106, 212 eller 424 kb/s beroende på valt läge.

Till skillnad från Bluetooth kräver NFC ingen parkopplingsprocedur — enheter utbyter data omedelbart när de förs nära varandra. Det maximala kommunikationsavståndet är 10 cm, vilket ger ett naturligt skydd mot avlyssning. Enligt NFC Forum stöds tekniken av över 3 miljarder enheter världen över, och detta antal växer med 15–20 % årligen.

NFC-standarden utvecklas av NFC Forum — ett konsortium som grundades av Sony, Philips och Nokia 2004. Den första telefonen med NFC (Nokia 6131) kom ut 2006, men masspridningen började efter lanseringen av Android 4.0 (Ice Cream Sandwich) 2011 och Apple Pay 2014. Idag stöds NFC av nästan alla smartphones med ett pris över 150 dollar.

NFC-driftlägen i telefonen

NFC-styrenheten i smartphonen stöder tre driftlägen, var och ett avsett för sin egen uppgiftsklass. Växlingen mellan lägen sker automatiskt beroende på typen av enhet som interagerar.

Läs-/skrivläge (Reader/Writer)

I detta läge fungerar telefonen som en aktiv läsare av NFC-taggar. När den förs nära en NFC-tagg — klistermärke, armband eller affisch — läser telefonen data från taggens minne. Taggar innehåller 48 byte upp till 32 KB minne och lagrar webbadresser, text eller kommandon. Android Beam (ersatt av Nearby Share) använde detta läge för att överföra länkar och kontakter.

Peer-to-peer-läge (P2P)

Två NFC-enheter utbyter data direkt. En enhet fungerar som initiativtagare, den andra som mål. Standarden LLCP (Logical Link Control Protocol) hanterar anslutningen och SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) dataformatet. P2P-läget används för snabb överföring av kontakter, länkar eller för att starta Bluetooth- parkoppling. Hastigheten i P2P-läge når 424 kb/s.

Kortemuleringsläge (Card Emulation)

Telefonen emulerar ett kontaktlöst smartkort — betalkort, transportbiljett eller passerkort. En extern NFC-enhet (POS-terminal, vändkors) interagerar med telefonen på samma sätt som med ett vanligt plastkort. Detta läge används i Apple Pay, Google Pay och Samsung Pay. Betalningssäkerheten garanteras av Secure Element — ett isolerat chip som lagrar betalkortsdata.

NFC vs Bluetooth: jämförelse av teknik

NFC och Bluetooth LE (Low Energy) är två tekniker för kort räckvidd som ofta jämförs. NFC vinner i anslutningshastighet (0,1 s) och kräver ingen parkoppling, men förlorar i dataöverföringshastighet och räckvidd. Bluetooth LE kräver parkoppling (2–5 sekunder), men erbjuder hastighet upp till 2 Mb/s och räckvidd upp till 100 meter.

I praktiken konkurrerar NFC och Bluetooth inte, utan kompletterar varandra. NFC används för att initiera anslutningen (handover): det räcker att föra telefonen nära enheten för att NFC ska överföra Bluetooth-anslutningsparametrarna (NFC Bluetooth Handover). Därefter växlar enheterna över till Bluetooth för snabb filöverföring eller ljudströmning.

Hårdvaruarkitektur för NFC i smartphones

Smartphonens NFC-modul består av tre komponenter: NFC-styrenhet (NFC Controller), NFC-antenn och Secure Element (för säkra operationer). NFC-styrenheten är ett separat chip eller en del av en kombinerad kommunikationsmodul (NFC + Bluetooth + Wi-Fi, t.ex. WCN3990 från Qualcomm). Den hanterar radiogränssnittet och utbytesprotokollen.

NFC-antennen är en tryckt spole på ett flexibelt substrat (FPC) eller på batterihöljet. Antennens storlek är 20×30 mm, antalet lindningsvarv är 3–5. Antennen ansluts till styrenheten via en matchande krets som är avstämd till frekvensen 13,56 MHz. Enligt NXP Semiconductors kräver effektiv antennfunktion en noggrann beräkning av induktans och kvalitetsfaktor.

Secure Element (eSE) — ett separat kryptografiskt chip (NXP P71, Samsung S3K) eller ett isolerat område i SoC (iSE — integrated Secure Element). Det lagrar betalkortsdata och utför kryptografiska operationer för HCE (Host Card Emulation). Secure Element är isolerat från Android/iOS: endast NFC-styrenheten har åtkomst till det via APDU-kommandon över SWP-bussen (Single Wire Protocol).

// Exempel på APDU-kommando för interaktion med Secure Element
const uint8_t SELECT_APDU[] = {
    0x00, 0xA4, 0x04, 0x00,            // CLA, INS, P1, P2
    0x07,                               // datalängd (7 byte)
    0xA0, 0x00, 0x00, 0x00,             // RID — registrerad
    0x03, 0x10, 0x10,                   // PIX — applikationsidentifierare
    0x00                                // Le — förväntad svarslängd
};

// Skicka kommando via NFC-styrenhet till Secure Element
NfcStatus nfcStatus = sendApdu(SELECT_APDU, sizeof(SELECT_APDU));

Användning av NFC i mobila enheter

NFC i telefonen används i fyra huvudsakliga scenarier: kontaktlös betalning, transport, åtkomst till objekt och automatisering av uppgifter. Den mest utbredda tillämpningen är betalsystem: Apple Pay, Google Pay och Samsung Pay. De använder Card Emulation-läget med HCE (Host Card Emulation) eller Secure Element för att emulera ett bankkort.

Transportsystem världen över (Moskvas tunnelbana, London Tube, New York MTA) accepterar NFC-betalningar via mobila plånböcker. I Japan har den NFC-baserade FeliCa-tekniken (Sony) använts för resor, shopping och kontorsåtkomst sedan 2004. Smartphones med FeliCa-chip, som iPhone för den japanska marknaden, stöder Suica och PASMO.

NFC-taggar (NFC Tags) möjliggör automatisering av smarta hem-scenarier: för telefonen nära taggen vid sängen — väckarklockan aktiveras och aviseringar stängs av. På Android görs detta via Android Beam / NFC Tools, på iOS via Shortcuts och NFC-utlösare. Vissa smartphones använder också NFC för snabb laddning — Qi-standarden använder NFC för att identifiera laddaren.

Kodexempel: läsa NFC-tagg på Android

Android tillhandahåller API för bearbetning av NFC-taggar via Intent System. När taggen förs nära telefonen skapar systemet en intent med taggen och applikationen tar emot data i NDEF-format (NFC Data Exchange Format). Nedan är ett exempel på en Activity som läser en webbadress eller text från en NFC-tagg.

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-data: $payload")
                }
            }
        }
    }
}

För att NFC ska fungera måste behörigheten android.permission.NFC deklareras i manifestet och en intent-filter konfigureras för ACTION_NDEF_DISCOVERED, ACTION_TECH_DISCOVERED eller ACTION_TAG_DISCOVERED. Android filtrerar automatiskt NFC-taggar efter NDEF-posttyp — detta gör att applikationen endast kan reagera på taggar med en specifik MIME-typ eller webbadressprefix. Observera att NFC-antennen vanligtvis sitter i den övre delen av telefonens bakpanel — för att läsa en tagg måste den övre delen av telefonen föras nära taggen.