NFC: คืออะไร โมดูลการสื่อสารไร้สัมผัสและหลักการทำงาน

NFC คืออะไร?

NFC (Near Field Communication) คือมาตรฐานการส่งข้อมูลไร้สายระยะสั้นที่ทำงานที่ความถี่ 13.56 MHz เทคโนโลยีนี้มีพื้นฐานมาจาก RFID (การระบุความถี่วิทยุ) และสามารถทำงานร่วมกับ ISO 14444 ซึ่งเป็นมาตรฐานสำหรับสมาร์ตการ์ดแบบไร้สัมผัสได้ ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลคือ 106, 212 หรือ 424 kbps ขึ้นอยู่กับโหมดที่เลือก

แตกต่างจาก Bluetooth ตรงที่ NFC ไม่ต้องมีขั้นตอนการจับคู่ — อุปกรณ์จะแลกเปลี่ยนข้อมูลทันทีเมื่อนำมาใกล้กัน ระยะการสื่อสารสูงสุดคือ 10 ซม. ซึ่งให้การป้องกันตามธรรมชาติจากการสกัดกั้น ตามข้อมูลของ NFC Forum เทคโนโลยีนี้รองรับโดยอุปกรณ์มากกว่า 3 พันล้านเครื่องทั่วโลก และจำนวนนี้เพิ่มขึ้น 15–20% ต่อปี

มาตรฐาน NFC ได้รับการพัฒนาโดย NFC Forum ซึ่งเป็นกลุ่มที่ก่อตั้งโดย Sony, Philips และ Nokia ในปี 2004 โทรศัพท์เครื่องแรกที่มี NFC (Nokia 6131) วางจำหน่ายในปี 2006 แต่การนำมาใช้อย่างแพร่หลายเริ่มขึ้นหลังจากการเปิดตัว Android 4.0 (Ice Cream Sandwich) ในปี 2011 และการเปิดตัว Apple Pay ในปี 2014 ปัจจุบัน สมาร์ตโฟนเกือบทั้งหมดที่มีราคาสูงกว่า 150 ดอลลาร์ รองรับ NFC

โหมดการทำงานของ NFC ในโทรศัพท์

คอนโทรลเลอร์ NFC ในสมาร์ตโฟนรองรับสามโหมดการทำงาน แต่ละโหมดออกแบบมาสำหรับงานประเภทของตัวเอง การสลับระหว่างโหมดเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์ที่โต้ตอบ

โหมดอ่าน/เขียน (Reader/Writer)

ในโหมดนี้ โทรศัพท์ทำหน้าที่เป็นเครื่องอ่านแท็ก NFC แบบแอคทีฟ เมื่อนำเข้าใกล้แท็ก NFC — สติกเกอร์ กำไลข้อมือ หรือโปสเตอร์ — โทรศัพท์จะอ่านข้อมูลจากหน่วยความจำของแท็ก แท็กประกอบด้วยหน่วยความจำตั้งแต่ 48 ไบต์ถึง 32 KB และเก็บ URL ข้อความ หรือคำสั่ง Android Beam (ถูกแทนที่ด้วย Nearby Share) ใช้โหมดนี้เพื่อถ่ายโอนลิงก์และรายชื่อติดต่อ

โหมดเพียร์ทูเพียร์ (P2P)

อุปกรณ์ NFC สองเครื่องแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยตรง อุปกรณ์หนึ่งทำหน้าที่เป็นผู้เริ่มต้น อีกเครื่องเป็นเป้าหมาย มาตรฐาน LLCP (Logical Link Control Protocol) จัดการการเชื่อมต่อ และ SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) จัดการรูปแบบข้อมูล โหมด P2P ใช้สำหรับการถ่ายโอนรายชื่อติดต่อ ลิงก์อย่างรวดเร็ว หรือการเริ่มจับคู่ Bluetooth ความเร็ว ในโหมด P2P สูงถึง 424 kbps

โหมดจำลองบัตร (Card Emulation)

โทรศัพท์จำลองสมาร์ตการ์ดแบบไร้สัมผัส — บัตรชำระเงิน บัตรโดยสาร หรือบัตรผ่านเข้าใช้งาน อุปกรณ์ NFC ภายนอก (เครื่อง POS, ประตูหมุน) โต้ตอบกับโทรศัพท์เช่นเดียวกับบัตรพลาสติกทั่วไป โหมดนี้ใช้ใน Apple Pay, Google Pay และ Samsung Pay ความปลอดภัยของการชำระเงินได้รับการรับรองโดย Secure Element — ชิปที่แยกออกมาซึ่งเก็บข้อมูลบัตรชำระเงิน

NFC กับ Bluetooth: การเปรียบเทียบเทคโนโลยี

NFC และ Bluetooth LE (พลังงานต่ำ) เป็นเทคโนโลยีการสื่อสารระยะสั้นสองชนิดที่มักถูกเปรียบเทียบ NFC ดีกว่าในด้านความเร็วในการสร้างการเชื่อมต่อ (0.1 วินาที) และไม่ต้องจับคู่ แต่ด้อยกว่าในด้านความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลและระยะ Bluetooth LE ต้องจับคู่ (2–5 วินาที) แต่ให้ความเร็วสูงถึง 2 Mbps และระยะสูงถึง 100 เมตร

ในทางปฏิบัติ NFC และ Bluetooth ไม่ได้แข่งขันแต่เสริมซึ่งกันและกัน NFC ใช้สำหรับการเริ่มต้นการเชื่อมต่อ (handover): เพียงนำโทรศัพท์เข้าใกล้อุปกรณ์เพื่อให้ NFC ส่งพารามิเตอร์การเชื่อมต่อ Bluetooth (NFC Bluetooth Handover) หลังจากนั้น อุปกรณ์จะสลับไปใช้ Bluetooth สำหรับการถ่ายโอนไฟล์หรือสตรีมเสียงที่รวดเร็ว

สถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ NFC ในสมาร์ตโฟน

โมดูล NFC ของสมาร์ตโฟนประกอบด้วยสามองค์ประกอบ: คอนโทรลเลอร์ NFC เสาอากาศ NFC และ Secure Element (สำหรับการทำงานที่ปลอดภัย) คอนโทรลเลอร์ NFC คือชิปแยกต่างหากหรือส่วนหนึ่งของโมดูลการสื่อสารแบบรวม (NFC + Bluetooth + Wi-Fi เช่น WCN3990 จาก Qualcomm) มันจัดการอินเทอร์เฟซวิทยุและโปรโตคอลการแลกเปลี่ยน

เสาอากาศ NFC คือขดลวดพิมพ์บนวัสดุพิมพ์ที่ยืดหยุ่น (FPC) หรือบนเคสแบตเตอรี่ ขนาดเสาอากาศคือ 20×30 มม. จำนวนรอบคือ 3–5 เสาอากาศเชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์ผ่านวงจรจับคู่ที่ปรับจูนที่ ความถี่ 13.56 MHz ตามข้อมูลของ NXP Semiconductors การทำงานของเสาอากาศอย่างมีประสิทธิภาพต้องคำนวณค่าความเหนี่ยวนำและปัจจัยคุณภาพอย่างแม่นยำ

Secure Element (eSE) คือชิปเข้ารหัสแยกต่างหาก (NXP P71, Samsung S3K) หรือพื้นที่แยกใน SoC (iSE — Secure Element แบบรวม) มันเก็บข้อมูลบัตรชำระเงินและดำเนินการเข้ารหัสสำหรับ HCE (Host Card Emulation) Secure Element ถูกแยกจาก Android/iOS: มีเพียงคอนโทรลเลอร์ NFC เท่านั้นที่สามารถเข้าถึงได้ผ่าน คำสั่ง APDU บนบัส SWP (Single Wire Protocol)

// ตัวอย่างคำสั่ง APDU สำหรับการโต้ตอบกับ Secure Element
const uint8_t SELECT_APDU[] = {
    0x00, 0xA4, 0x04, 0x00,            // CLA, INS, P1, P2
    0x07,                               // ความยาวข้อมูล (7 ไบต์)
    0xA0, 0x00, 0x00, 0x00,             // RID — ลงทะเบียนแล้ว
    0x03, 0x10, 0x10,                   // PIX — ตัวระบุแอปพลิเคชัน
    0x00                                // Le — ความยาวการตอบสนองที่คาดหวัง
};

// ส่งคำสั่งผ่านคอนโทรลเลอร์ NFC ไปยัง Secure Element
NfcStatus nfcStatus = sendApdu(SELECT_APDU, sizeof(SELECT_APDU));

การประยุกต์ใช้ NFC ในอุปกรณ์มือถือ

NFC ในโทรศัพท์ ถูกใช้ในสี่สถานการณ์หลัก: การชำระเงินแบบไร้สัมผัส การเดินทาง การเข้าถึงวัตถุ และการทำงานอัตโนมัติ การใช้งานที่แพร่หลายที่สุดคือระบบการชำระเงิน: Apple Pay, Google Pay และ Samsung Pay พวกเขาใช้โหมดจำลองบัตรกับ HCE (Host Card Emulation) หรือ Secure Element เพื่อจำลองบัตรธนาคาร

ระบบการเดินทางทั่วโลก (รถไฟใต้ดินมอสโก, London Tube, New York MTA) รองรับการชำระเงิน NFC ผ่านกระเป๋าเงินมือถือ ในญี่ปุ่น เทคโนโลยี FeliCa (Sony) ที่ใช้ NFC ถูกใช้สำหรับการเดินทาง การช้อปปิ้ง และการเข้าถึงสำนักงานตั้งแต่ปี 2004 สมาร์ตโฟนที่มีชิป FeliCa เช่น iPhone สำหรับตลาดญี่ปุ่น รองรับ Suica และ PASMO

แท็ก NFC ช่วยให้สามารถทำงานอัตโนมัติในสถานการณ์ “บ้านอัจฉริยะ”: นำโทรศัพท์ไปใกล้แท็กข้างเตียง — ปลุกจะเปิดและการแจ้งเตือนจะปิด บน Android สิ่งนี้ทำผ่าน Android Beam / NFC Tools บน iOS — ผ่าน Shortcuts และทริกเกอร์ NFC สมาร์ตโฟนบางรุ่นยังใช้ NFC สำหรับ การชาร์จเร็ว — มาตรฐาน Qi ใช้ NFC เพื่อระบุเครื่องชาร์จ

ตัวอย่างโค้ด: การอ่านแท็ก NFC บน Android

Android มี API สำหรับการประมวลผลแท็ก NFC ผ่าน Intent System เมื่อนำแท็กเข้าใกล้โทรศัพท์ ระบบจะสร้าง intent พร้อมแท็ก และแอปพลิเคชันจะรับข้อมูลในรูปแบบ NDEF (NFC Data Exchange Format) ด้านล่างเป็นตัวอย่างของ Activity ที่อ่าน URL หรือข้อความจากแท็ก NFC

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")
                }
            }
        }
    }
}

ในการทำงานกับ NFC ต้องประกาศสิทธิ์ android.permission.NFC ใน manifest และกำหนดค่า intent-filter สำหรับ ACTION_NDEF_DISCOVERED, ACTION_TECH_DISCOVERED หรือ ACTION_TAG_DISCOVERED Android จะกรองแท็ก NFC โดยอัตโนมัติตามประเภทระเบียน NDEF — ซึ่งช่วยให้แอปพลิเคชันตอบสนองต่อแท็กที่มีประเภท MIME หรือคำนำหน้า URL ที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น โปรดทราบว่าเสาอากาศ NFC มักจะอยู่ที่ส่วนบนของแผงด้านหลังของโทรศัพท์ — ในการอ่านแท็ก ให้นำส่วนบนของโทรศัพท์เข้าใกล้แท็ก