NFC在手機(jī)中的應(yīng)用

楊曉娟

1引言

當(dāng)前手機(jī)應(yīng)用廣泛，功能日益強(qiáng)大，將逐漸取代現(xiàn)代人身上攜帶的一些卡片，比如信用卡、積分卡、交通卡等，助人們完成交通購(gòu)票、支付賬單、積分購(gòu)物等服務(wù)：另外也可簡(jiǎn)化兩部手機(jī)之間的同步處理通訊等功能。這些對(duì)消費(fèi)者來(lái)說很有吸引力，將大大擴(kuò)展手機(jī)的應(yīng)用與銷售市場(chǎng)。NFC——近場(chǎng)通信技術(shù)的誕生與應(yīng)用，使這一切成為可能。

近距離通信是最近年來(lái)興起的基于RFlD的無(wú)線通信技術(shù)，近距離通信(Near FieId C0mmunication，NFC)作為短距離非接觸移動(dòng)支付的一種，具有簡(jiǎn)便、快捷、安全的特點(diǎn)，在移動(dòng)支付、近距離數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。NFC逐漸發(fā)展為移動(dòng)支付最可行的解決方案之一。

2NFC的原理及應(yīng)用模式

2.1NFC的技術(shù)簡(jiǎn)介

NFC是飛利浦公司發(fā)起，由諾基亞、索尼等廠商聯(lián)合主推的一項(xiàng)無(wú)線技術(shù)。2002年，NFC被批準(zhǔn)成為ISO／IEC IS 18092國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，此后還被批準(zhǔn)為EMCA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)。NFC標(biāo)準(zhǔn)與ISO／IEC 14443和ISO／IEC 15693非接觸式IC卡兼容，即NFC標(biāo)準(zhǔn)兼容Philip的MIFARER和SONY的FeliCa標(biāo)準(zhǔn)。Philips在非接觸IC卡方面是業(yè)界領(lǐng)頭者，其Mifare芯片卡技術(shù)廣泛使用于世界幾個(gè)大型交通運(yùn)輸系統(tǒng)上，也使用在VlSA信用卡等金融服務(wù)上。而S0ny的FeliCa芯片卡技術(shù)在中國(guó)香港及深圳、新加坡、日本的市場(chǎng)占有率非常高，主要應(yīng)用于交通及金融機(jī)構(gòu)。兩種技術(shù)的融合，將可以擴(kuò)大非接觸IC卡的應(yīng)用范圍。為了推動(dòng)NFC的發(fā)展和普及，飛利浦、索尼和諾基亞創(chuàng)建了一個(gè)非贏利性行業(yè)協(xié)會(huì)NFC論壇，旨在促進(jìn)NFC技術(shù)的實(shí)施和標(biāo)準(zhǔn)化，確保設(shè)備和服務(wù)之間協(xié)同合作。目前，論壇在全球擁有80多個(gè)成員，包括萬(wàn)事達(dá)國(guó)際、VISA、微軟、摩托羅拉、NEC、松下電工、三星、德州儀器和VISA國(guó)際。

NFC由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來(lái)，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。這項(xiàng)技術(shù)最初只是RFID技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的簡(jiǎn)單合并，現(xiàn)在演變成一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，發(fā)展相當(dāng)迅速。

2.2NFC的三種工作模式

(1)卡模式

是指用于非接觸移動(dòng)支付，在商場(chǎng)、交通等應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶只需將手機(jī)靠近讀卡器，然后輸入密碼確認(rèn)交易或者直接接收交易即可，例如門禁管制，車票，門票等業(yè)務(wù)。此種方式下，卡片通過非接觸讀卡器的RF域來(lái)供電，即使是手機(jī)沒電也可以工作。如圖1所示。

(2)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式

即實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)交換，將兩個(gè)具備NFC功能的設(shè)備鏈接，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，如下載音樂、交換圖片或者同步設(shè)備地址薄。因此個(gè)體設(shè)備如數(shù)字相機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)、手機(jī)之間，都可以通過NFC進(jìn)行無(wú)線互通、交換資料或者服務(wù)。如圖2所示。

(3)讀卡器模式

即作為非接觸讀卡器使用，比如從海報(bào)或者展覽信息電子標(biāo)簽上讀取相關(guān)信息。如圖3所示。

2.3NFC的主要應(yīng)用

NFC技術(shù)主要基于13.56MHz頻率運(yùn)行，典型操作距離只有幾厘米，運(yùn)行距離范圍在20厘米內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速度可以選擇1 06kbit/s、212kbit／s或者424kbit／s，將來(lái)可提高至1 Mb左右。

與RFID一樣，NFC信息也是通過頻譜中無(wú)線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，但兩者之間有很大區(qū)別。NFC傳輸范圍比RFID小，RFID傳輸范圍可達(dá)O～1米，但由于NFC采取獨(dú)特的信號(hào)衰減技術(shù)，相對(duì)RFID來(lái)說具有成本低、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)。RFID更多被應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、跟蹤、資產(chǎn)管理上，而NFC則在門禁、公交、手機(jī)支付等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

2006年6月，諾基亞和中國(guó)移動(dòng)、飛利浦、易通卡公司在廈門啟動(dòng)中國(guó)首個(gè)NFC手機(jī)支付試驗(yàn)。用戶使用內(nèi)嵌NFC模塊的諾基亞173220手機(jī)，可在任何一個(gè)易通卡覆蓋的營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)(公交、汽車、輪渡、電影院、快餐店)進(jìn)行手機(jī)支付。在不久的將來(lái)，通過手機(jī)和NFC技術(shù)的結(jié)合，用戶可以實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用：在街邊海報(bào)和雜志上下載演唱會(huì)時(shí)間地點(diǎn)和節(jié)目表：在公園里玩互動(dòng)的定向越野游戲：在車站實(shí)時(shí)刷新公交車的到站時(shí)間：在辦公室發(fā)送短信控制家政服務(wù)員進(jìn)出住宅的時(shí)間：在學(xué)校全面代替現(xiàn)有學(xué)生證和學(xué)生卡；遍布市區(qū)智能公用電話亭查詢地圖、公交線路、餐飲購(gòu)物等信息：在加油站、超市、銀行任何有POS機(jī)的地方支付款項(xiàng)并用手機(jī)收取電子發(fā)票。

3NFC目前在手機(jī)中的應(yīng)用

3.1手機(jī)內(nèi)置NFC作為世博刷卡芯片

手機(jī)基于目前的平臺(tái)增加復(fù)旦微電子的FM1920芯片作為NFC應(yīng)用芯片。硬件原理框圖如圖4。

硬件設(shè)計(jì)為兼容“雙界面卡”和“eNFC”兩種方案：

(1)雙界面卡是一種多功能的UIM卡，是集接觸式與非接觸式接口為一體的智能卡：接觸界面通過接觸方式的觸點(diǎn)訪問芯片，實(shí)現(xiàn)中國(guó)電信CDMA功能：非接觸界面則通過射頻方式訪問芯片，實(shí)現(xiàn)諸如公交一卡通、電子錢包等應(yīng)用：接觸界面符合ISO／IEC 7816：非接觸符合ISO／lEC 1 4443。

原理框圖如圖4所示，SIM卡座的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線、電源連接在FMl920和Baseband的SIM接口。增加C6pin的連接作為安全模塊協(xié)議，符合SWP(SingIe WireProtocol)協(xié)議。8觸點(diǎn)的SIM卡座中有兩個(gè)觸點(diǎn)C4、C8是目前沒有用到的管腳，國(guó)際組織定義這兩個(gè)接口是用于高速數(shù)據(jù)下載的，雙界面卡方案使用C4，C8觸點(diǎn)連接到卡內(nèi)的RF模塊，外接NFC天線，形成閉合回路，實(shí)現(xiàn)射頻通訊功能，如SIM卡上部的虛線所示。UIM的CLK，RST，10引線的連接可以通過FMl920與Baseband芯片相連，若通過外部連接的方式(虛線)，僅支持SWPSIM卡。

(2)eNFC方案是基于卡和手機(jī)結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)的RFID非接觸應(yīng)用方案，“e”代表“enhanced”即增強(qiáng)的意思。Inside公司將其手機(jī)非接觸式IC技術(shù)更名為增強(qiáng)性NFC技術(shù)，并且在NFC對(duì)ISO標(biāo)準(zhǔn)的支持列表中增加了ISO14443 TypeB和ISO15693。安全芯片集成在UIM卡上，使用NFC控制器FM1920橋接UIM卡和手機(jī)的baseband，通過FMl920芯片的連接方式(實(shí)線)，可以同時(shí)支持SWP、SSP(Sim card CL interfaceSwitch Protoc01)、DWP(Sim card Dual Date WiresProtocoI)三種規(guī)格的SIM卡；NFC天線連接到FM1920芯片上。

上述兩種方案共用NFC天線，區(qū)別在于NFC天線的連接方式，雙界面卡用SIM卡的C4，C8 pin，且可能終

端軟件會(huì)產(chǎn)生接觸和非接觸通訊沖突問題：且對(duì)于不同的運(yùn)營(yíng)商需要調(diào)試不同的天線匹配。而eNFC的方案天線連接于FM1920。兩者都支持關(guān)機(jī)刷卡，僅通過外接線圈完成非接支付。世博門票刷卡方案最終采用eNFC方案量產(chǎn)。

手機(jī)的充值余額在FMl 920內(nèi)置的數(shù)據(jù)EEPROM中，可以支持10萬(wàn)次的擦寫，10年的數(shù)據(jù)保存。最終此方案成功應(yīng)用于世博刷卡手機(jī)中。

3.2NFC應(yīng)用于藍(lán)牙等無(wú)線設(shè)備的識(shí)別及通信

NFC三大應(yīng)用之一一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式近年來(lái)被廣泛關(guān)注。近日谷歌宣布新版Android系統(tǒng)不用配對(duì)即可連接藍(lán)牙。普通裝置藍(lán)牙之間需要通訊時(shí)，一般需要先搜索藍(lán)牙設(shè)備，根據(jù)對(duì)方地址選定后再進(jìn)行配對(duì)，密碼輸入驗(yàn)證雙方身份，驗(yàn)證正確后才能進(jìn)行藍(lán)牙之間的文件傳輸。加入NFC模塊后，手機(jī)可實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)無(wú)需驗(yàn)證，直接配對(duì)，加快了實(shí)現(xiàn)通信的時(shí)間。本方案主要依據(jù)近場(chǎng)通信協(xié)議，描述軟硬件的大體實(shí)現(xiàn)方式。

(1)硬件系統(tǒng)搭建

NFC裝置具有兩大單元模塊：NFC單元和協(xié)議匹配單元。芯片通過UART接口和主芯片通信；外有射頻收發(fā)器件連接到近場(chǎng)通信所需專用天線，NFC的識(shí)別距離為20cm以內(nèi)。

如圖5所示，NFC單元通過S2C協(xié)議的信號(hào)與外部安全模塊進(jìn)行通信。協(xié)議匹配單元確定所插入安全模塊中的芯片類型，根據(jù)識(shí)別的結(jié)果產(chǎn)生芯片識(shí)別信號(hào)，并根據(jù)該芯片識(shí)別信號(hào)使輸入到NFC單元和從NFC單元輸出的基于S2C協(xié)議的信號(hào)的協(xié)議，與輸入到所述安全模塊和從所述安全模塊輸出的信號(hào)協(xié)議相匹配。目前外部安全模塊有以下三種方式：NFC+SIM(用戶標(biāo)識(shí)模塊)安全模式，NFC手機(jī)將采用單線協(xié)議SWP標(biāo)準(zhǔn)和SIM連接，SIM將托管移動(dòng)商務(wù)應(yīng)用程序和安全密鑰：第二種為NFC+SD／TF卡的連接方式，將安全模塊嵌入到SD／TF卡中；第三種為NFC+智能IC卡，將支付票證應(yīng)用程序和相關(guān)密鑰儲(chǔ)存在智能IC卡中，將NFC和智能IC卡組合在同一封裝和芯片中，其單位成本最具吸引力，也可作候選方案。目前NXP公司推出的PN65N就是內(nèi)部集成了SE芯片的。

手機(jī)上的軟件通過UART串口使NFC芯片和Baseband進(jìn)行通信，BB端和NFC之間需要有HCI協(xié)議層通信，用于BB端上層MMI應(yīng)用層調(diào)用。

如圖6所示，為具有近場(chǎng)通信的藍(lán)牙通信框圖。設(shè)備必須同時(shí)有藍(lán)牙模塊及NFC近場(chǎng)通信模塊。進(jìn)行通信時(shí)，兩個(gè)設(shè)備相互靠近，在10cm左右的NFC通信范圍內(nèi)，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)UUID設(shè)備號(hào)，然后將手機(jī)藍(lán)牙的12位MAC地址編入到一個(gè)NDEF信息中并啟動(dòng)UUID的監(jiān)聽服務(wù)，這樣就能使用NFC的近場(chǎng)通信特點(diǎn)完成快速藍(lán)牙連接。傳輸數(shù)據(jù)還是通過藍(lán)牙硬件自身的OBEX協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳輸，藍(lán)牙硬件本身不需要做改動(dòng)。

(2)軟件流程

圖7為軟件流程示意圖。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備相互靠近，NFC通信模塊檢測(cè)到通信消息，觸發(fā)NFC通信。通信建立后，通過NFC通信接口取到對(duì)方藍(lán)牙MAC地址，從本地藍(lán)牙模塊取得本地藍(lán)牙MAC地址，根據(jù)兩者生成唯一的UUID，通過該UUID來(lái)創(chuàng)建藍(lán)牙RFCOMM通信通道，從而快速實(shí)現(xiàn)高速藍(lán)牙通信。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過介紹NFC的原理及應(yīng)用模式，提出在手機(jī)上集成NFC芯片進(jìn)行功能擴(kuò)展的方案，世博刷卡手機(jī)經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證后量產(chǎn)，有關(guān)NFC功能協(xié)助藍(lán)牙快速配對(duì)和通信還在開發(fā)研究中。本方案應(yīng)用于一些智能手機(jī)產(chǎn)品中，相對(duì)于卡模式，只要運(yùn)營(yíng)商支持就可以滿足手機(jī)作為智能卡的需求。手機(jī)將逐漸取代信用卡、積分卡、交通卡完成交通購(gòu)票、小額支付賬單、積分購(gòu)物等服務(wù)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信應(yīng)用研究，還有很多領(lǐng)域有待開發(fā)，相信在不久的將來(lái)可以看到NFC帶給生活更多便捷。