NFC: mô-đun liên lạc không tiếp xúc và nguyên lý hoạt động

NFC là gì?

NFC (Near Field Communication) là tiêu chuẩn truyền dữ liệu không dây tầm ngắn hoạt động ở tần số 13,56 MHz. Công nghệ này dựa trên RFID (Nhận dạng Tần số Vô tuyến) và tương thích ngược với ISO 14444 — tiêu chuẩn cho thẻ thông minh không tiếp xúc. Tốc độ truyền dữ liệu là 106, 212 hoặc 424 kbps tùy thuộc vào chế độ đã chọn.

Không giống như Bluetooth, NFC không yêu cầu quy trình ghép nối — các thiết bị trao đổi dữ liệu ngay lập tức khi đưa lại gần nhau. Khoảng cách liên lạc tối đa là 10 cm, cung cấp khả năng bảo vệ tự nhiên chống lại sự đánh chặn. Theo NFC Forum, công nghệ này được hỗ trợ bởi hơn 3 tỷ thiết bị trên toàn thế giới và con số này đang tăng 15–20% hàng năm.

Tiêu chuẩn NFC được phát triển bởi NFC Forum, một liên minh do Sony, Philips và Nokia thành lập năm 2004. Chiếc điện thoại đầu tiên có NFC (Nokia 6131) ra mắt năm 2006, nhưng việc áp dụng hàng loạt bắt đầu sau khi phát hành Android 4.0 (Ice Cream Sandwich) năm 2011 và ra mắt Apple Pay năm 2014. Ngày nay, hầu hết tất cả điện thoại thông minh có giá trên 150 đô la đều hỗ trợ NFC.

Chế độ hoạt động của NFC trong điện thoại

Bộ điều khiển NFC trong điện thoại thông minh hỗ trợ ba chế độ hoạt động, mỗi chế độ được thiết kế cho một loại tác vụ riêng. Việc chuyển đổi giữa các chế độ diễn ra tự động tùy thuộc vào loại thiết bị tương tác.

Chế độ đọc/ghi (Reader/Writer)

Ở chế độ này, điện thoại hoạt động như một đầu đọc chủ động của thẻ NFC. Khi đưa lại gần thẻ NFC — nhãn dán, vòng đeo tay hoặc áp phích — điện thoại đọc dữ liệu từ bộ nhớ của thẻ. Thẻ chứa từ 48 byte đến 32 KB bộ nhớ và lưu trữ URL, văn bản hoặc lệnh. Android Beam (được thay thế bởi Nearby Share) đã sử dụng chế độ này để truyền liên kết và danh bạ.

Chế độ peer-to-peer (P2P)

Hai thiết bị NFC trao đổi dữ liệu trực tiếp. Một thiết bị đóng vai trò là bên khởi tạo, thiết bị thứ hai là mục tiêu. Tiêu chuẩn LLCP (Giao thức điều khiển liên kết logic) quản lý kết nối và SNEP (Giao thức trao đổi NDEF đơn giản) quản lý định dạng dữ liệu. Chế độ P2P được sử dụng để truyền nhanh danh bạ, liên kết hoặc bắt đầu ghép nối Bluetooth. Tốc độ ở chế độ P2P đạt 424 kbps.

Chế độ mô phỏng thẻ (Card Emulation)

Điện thoại mô phỏng thẻ thông minh không tiếp xúc — thẻ thanh toán, thẻ giao thông hoặc thẻ ra vào. Một thiết bị NFC bên ngoài (thiết bị đầu cuối POS, cổng xoay) tương tác với điện thoại giống như với thẻ nhựa thông thường. Chế độ này được sử dụng trong Apple Pay, Google Pay và Samsung Pay. Bảo mật thanh toán được đảm bảo bởi Secure Element — một chip cách ly lưu trữ dữ liệu thẻ thanh toán.

NFC so với Bluetooth: So sánh công nghệ

NFC và Bluetooth LE (Năng lượng thấp) là hai công nghệ liên lạc tầm ngắn thường được so sánh. NFC vượt trội về tốc độ thiết lập kết nối (0,1 giây) và không yêu cầu ghép nối, nhưng kém hơn về tốc độ truyền dữ liệu và phạm vi. Bluetooth LE yêu cầu ghép nối (2–5 giây) nhưng cung cấp tốc độ lên đến 2 Mbps và phạm vi lên đến 100 mét.

Trong thực tế, NFC và Bluetooth không cạnh tranh mà bổ sung cho nhau. NFC được sử dụng để khởi tạo kết nối (handover): chỉ cần đưa điện thoại lại gần thiết bị để NFC truyền các tham số kết nối Bluetooth (NFC Bluetooth Handover). Sau đó, các thiết bị chuyển sang Bluetooth để truyền tệp hoặc luồng âm thanh nhanh chóng.

Kiến trúc phần cứng NFC trong điện thoại thông minh

Mô-đun NFC của điện thoại thông minh bao gồm ba thành phần: bộ điều khiển NFC, ăng-ten NFC và Secure Element (cho các hoạt động an toàn). Bộ điều khiển NFC là một chip riêng biệt hoặc một phần của mô-đun liên lạc kết hợp (NFC + Bluetooth + Wi-Fi, ví dụ WCN3990 từ Qualcomm). Nó quản lý giao diện vô tuyến và các giao thức trao đổi.

Ăng-ten NFC là một cuộn dây in trên chất nền linh hoạt (FPC) hoặc trên vỏ pin. Kích thước ăng-ten là 20×30 mm, số vòng là 3–5. Ăng-ten kết nối với bộ điều khiển qua mạch phối hợp được điều chỉnh ở tần số 13,56 MHz. Theo NXP Semiconductors, hoạt động hiệu quả của ăng-ten yêu cầu tính toán chính xác độ tự cảm và hệ số phẩm chất.

Secure Element (eSE) là một chip mật mã riêng biệt (NXP P71, Samsung S3K) hoặc một khu vực cách ly trong SoC (iSE — Secure Element tích hợp). Nó lưu trữ dữ liệu thẻ thanh toán và thực hiện các hoạt động mật mã cho HCE (Mô phỏng thẻ máy chủ). Secure Element được cách ly khỏi Android/iOS: chỉ có bộ điều khiển NFC mới có thể truy cập nó thông qua lệnh APDU qua bus SWP (Giao thức một dây).

// Ví dụ lệnh APDU để tương tác với Secure Element
const uint8_t SELECT_APDU[] = {
    0x00, 0xA4, 0x04, 0x00,            // CLA, INS, P1, P2
    0x07,                               // độ dài dữ liệu (7 byte)
    0xA0, 0x00, 0x00, 0x00,             // RID — đã đăng ký
    0x03, 0x10, 0x10,                   // PIX — định danh ứng dụng
    0x00                                // Le — độ dài phản hồi dự kiến
};

// Gửi lệnh qua bộ điều khiển NFC đến Secure Element
NfcStatus nfcStatus = sendApdu(SELECT_APDU, sizeof(SELECT_APDU));

Ứng dụng của NFC trong thiết bị di động

NFC trong điện thoại được sử dụng trong bốn kịch bản chính: thanh toán không tiếp xúc, giao thông, truy cập đối tượng và tự động hóa tác vụ. Ứng dụng phổ biến nhất là hệ thống thanh toán: Apple Pay, Google Pay và Samsung Pay. Chúng sử dụng chế độ mô phỏng thẻ với HCE (Mô phỏng thẻ máy chủ) hoặc Secure Element để mô phỏng thẻ ngân hàng.

Các hệ thống giao thông trên toàn thế giới (Tàu điện ngầm Moscow, London Tube, New York MTA) chấp nhận thanh toán NFC qua ví di động. Tại Nhật Bản, công nghệ FeliCa (Sony) dựa trên NFC đã được sử dụng cho giao thông, mua sắm và truy cập văn phòng từ năm 2004. Các điện thoại thông minh có chip FeliCa, như iPhone cho thị trường Nhật Bản, hỗ trợ Suica và PASMO.

Thẻ NFC cho phép tự động hóa các kịch bản “ngôi nhà thông minh”: đưa điện thoại lại gần thẻ bên cạnh giường — báo thức sẽ bật và thông báo sẽ tắt. Trên Android, điều này được thực hiện qua Android Beam / NFC Tools, trên iOS — qua Shortcuts và trình kích hoạt NFC. Một số điện thoại thông minh cũng sử dụng NFC cho sạc nhanh — tiêu chuẩn Qi sử dụng NFC để nhận dạng bộ sạc.

Ví dụ mã: Đọc thẻ NFC trên Android

Android cung cấp API để xử lý thẻ NFC thông qua Hệ thống Intent. Khi đưa thẻ lại gần điện thoại, hệ thống tạo một intent với thẻ và ứng dụng nhận dữ liệu ở định dạng NDEF (Định dạng trao đổi dữ liệu NFC). Dưới đây là ví dụ về một Activity đọc URL hoặc văn bản từ thẻ 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")
                }
            }
        }
    }
}

Để làm việc với NFC, cần khai báo quyền android.permission.NFC trong tệp kê khai và cấu hình bộ lọc intent cho ACTION_NDEF_DISCOVERED, ACTION_TECH_DISCOVERED hoặc ACTION_TAG_DISCOVERED. Android tự động lọc thẻ NFC theo loại bản ghi NDEF — điều này cho phép ứng dụng chỉ phản hồi với các thẻ có loại MIME hoặc tiền tố URL cụ thể. Lưu ý rằng ăng-ten NFC thường nằm ở phần trên của mặt sau điện thoại — để đọc thẻ, hãy đưa phần trên của điện thoại lại gần thẻ.