異軍突起的近場交互

邱元陽

編者按：在一些現(xiàn)代戰(zhàn)爭和警匪題材的影片中，我們常?？梢钥吹竭@樣一些展現(xiàn)高新通訊技術(shù)的鏡頭——接洽的雙方掏出手機，用手機背部互相一碰，手機屏幕的特寫中即顯示文件傳輸完成。這就是近場交互，即近距離的設(shè)備和設(shè)備之間的一種交互方式。這些設(shè)備可以是移動設(shè)備、計算機、投影儀、打印機、電視、刷卡機等移動商務(wù)和家庭娛樂電子設(shè)備，與我們的日常生活息息相關(guān)。在此，主持人和嘉賓將分兩期對近場交互進行探討，希望能給大家一些啟示。

有人曾戲言，現(xiàn)在出門要帶的必需品之一是手機：交流、辦公、學習、娛樂、消費等功能一應(yīng)俱全?？梢娛謾C在大眾的手里發(fā)揮著越來越重要的作用，交互是其明顯的一個特征。應(yīng)用在手機上的近場交互，是基于近場通訊（NFC）技術(shù)的新的移動交互方式。

近場通訊（Near Field Communication，NFC），也叫近場通信，即近距離無線通訊，是一種短距離的高頻無線通訊技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進行非接觸式點對點數(shù)據(jù)傳輸（20厘米內(nèi)）來交換數(shù)據(jù)。

近場通訊在近幾年異軍突起，逐漸在移動支付、智能展板、數(shù)據(jù)傳輸、門禁考勤等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

● 亂花漸入：細數(shù)手機無線交互

近場通訊是由射頻識別（RFID）發(fā)展而來的，逐漸在手機上普及，并成為現(xiàn)在近場交互的主流形式。我們先來回顧一下手機上曾經(jīng)使用過的各種無線交互形式。

1.紅外交互（IR）

隨著家用電器向智能化方向發(fā)展，很多家電都帶有遙控功能，大到電視、空調(diào)，小到電風扇、機頂盒，都配置了遙控器。這么多的遙控器使用起來還真容易混淆和丟失，于是在手機上使用“萬能遙控”軟件就有了很大需求。當然，前提是手機支持紅外線功能，目前市場主流產(chǎn)品如三星S4、華為榮耀3、小米4、HTC One等眾多品牌和型號都帶有紅外交互功能。沒有該功能的手機可以通過藍牙轉(zhuǎn)紅外、耳機接口轉(zhuǎn)紅外、USB（OTG）接口轉(zhuǎn)紅外等硬件模塊來實現(xiàn)紅外交互。

使用940nm紅外發(fā)射管和三極耳機插頭，可以自己制作手機紅外發(fā)射器（如圖1）。

2.ANT+

ANT+是ANT傳輸協(xié)議上的超低功耗版本，它是為健康、訓(xùn)練和運動專門開發(fā)的，主要用于低功耗無線設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種碼表、智能手表、心率計、功率計、速度感應(yīng)、踏頻感應(yīng)等設(shè)備中，使用CR2032電池供電，可以與支持ANT+協(xié)議的手機無線連接互動。三星的Galaxy S3、S4，Note3，以及很多索尼的型號，都支持ANT+，Android從4.3版本開始支持ANT+協(xié)議。

3.GPS

GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是目前非常成熟的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，幾乎是智能手機的標配，可用于實時導(dǎo)航、定位跟蹤、防盜反劫、行駛監(jiān)控、呼叫指揮、電子圍欄、大地測量等社會生活的各個方面。

4.WIFI

WIFI，也寫作Wi-Fi，是一種無線互連技術(shù)，可以看作是WLAN（無線局域網(wǎng)）的一個子集。這個名詞大家早已耳熟能詳，是移動設(shè)備無線連接方式中功能最強大的一種，最常用于互聯(lián)網(wǎng)接入和局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)交換。無線網(wǎng)卡和WLAN支持已經(jīng)是智能手機的必要組成部分。

通過WIFI，手機不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和免流量上網(wǎng)，也能進行多屏互動、遠程協(xié)助等新型應(yīng)用。

5.射頻識別（RFID）

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。

掃描器發(fā)射特定頻率的無線電波能量給接收器，用以驅(qū)動接收器電路將內(nèi)部的代碼送出，掃描器再接收此代碼，實現(xiàn)通訊。接收器的特點在于無需電源、無需接觸，因此應(yīng)用非常廣泛，常常做成各種非接觸卡和感應(yīng)卡，如身份證、公交卡、門禁卡、飯卡等非接觸式IC卡。商場中衣物上的防盜卡扣，使用的也是RFID。

RFID接收芯片可以內(nèi)置于手機的SIM卡中（一般使用2.4GHz頻段），實現(xiàn)手機功能與RFID功能的集成，通過刷手機實現(xiàn)金融服務(wù)、購物消費、乘車服務(wù)、身份認證等多種應(yīng)用。目前國內(nèi)三大移動運營商均有RFID-SIM一卡通產(chǎn)品（如圖2）。

如果把RFID讀寫功能整合到手機中，就是RFID手機了。但是因為后來居上的NFC的原因，一般都直接整合進NFC功能了。

6.藍牙（Bluetooth）

藍牙（Bluetooth）是一種短距離無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波。

藍牙是一種點對點的短距離無線傳輸，連接時需要配對，在筆記本電腦和手機上的應(yīng)用非常成熟，藍牙耳機、藍牙音箱、藍牙鍵盤也已經(jīng)很普及。藍牙與NFC結(jié)合，可以彌補配對的麻煩，實現(xiàn)快速配對和信息傳遞（如圖3）。

7.近場通訊（NFC）

近場通訊（NFC）技術(shù)從RFID演變而來（向下兼容RFID），由飛利浦半導(dǎo)體、諾基亞和索尼共同研制開發(fā)，其基礎(chǔ)就是RFID及互連技術(shù)。NFC是一種短距高頻的無線電技術(shù)，在13.56MHz頻率運行于20厘米距離內(nèi)，其傳輸速度有106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s三種，采用主動和被動兩種讀取模式。目前，近場通訊已成為ISO/IEC IS 18092國際標準、ECMA-340標準與ETSI TS 102 190標準。

Andriod系統(tǒng)從2.3版本開始提供對NFC的原生支持，在操作系統(tǒng)的支持下，很多手機都增加了NFC模塊。

● 異軍突起：細剖近場通訊原理

NFC的通訊原理與RFID一樣，也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞信息，但傳輸范圍小，與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容。NFC的安全性較高，可實現(xiàn)相互認證和動態(tài)加密，是一種近距離的安全通信方式。

RFID手機僅作為標簽使用，而NFC手機內(nèi)置NFC芯片，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，因而更適合用于電子貨幣支付。NFC技術(shù)支持多種應(yīng)用，包括移動支付與交易、對等式通信及移動中信息訪問等。

NFC應(yīng)用中也有單純的標簽（NFC Tag），它是內(nèi)置有NFC芯片的商標、海報、展板、印花或者卡片。標簽中的NFC芯片無需電池支持，可通過其他NFC裝置產(chǎn)生的無線射頻場進行激活，利用感應(yīng)電流來驅(qū)動電路。

NFC沒有讀卡器和卡，或者說NFC設(shè)備集成了讀卡器和卡的功能，只是這些NFC設(shè)備的身份不同而已。NFC設(shè)備可以用作非接觸IC卡、讀寫器終端甚至數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其通訊模式有主動和被動之分。

1.NFC設(shè)備通訊模式

（1）主動模式

在主動模式下，NFC設(shè)備相當于一個讀寫器，發(fā)出射頻場去識別和讀寫其他NFC設(shè)備的信息，如NFC手機在讀取NFC標簽時，就在主動模式下工作。

（2）被動模式

在被動模式下，NFC設(shè)備被模擬成一張卡，在其他NFC設(shè)備發(fā)出的射頻場中被動響應(yīng)，被讀寫信息，如NFC標簽，就工作在被動模式下。NFC手機在讀寫器上“刷卡”時，也工作在被動模式下。

在被動模式下，NFC發(fā)起設(shè)備（主設(shè)備）在整個通訊過程中提供射頻場（RF-field），選擇106kbps、212kbps或424kbps中的一種傳輸速率，將數(shù)據(jù)發(fā)送到NFC目標設(shè)備（從設(shè)備）。從設(shè)備不產(chǎn)生射頻場，而使用負載調(diào)制（load modulation）技術(shù)，以相同速率將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備。

（3）雙向模式

此模式下，兩端的NFC設(shè)備都主動發(fā)出射頻場來建立點對點的通信，相當于兩個NFC設(shè)備都處于主動模式，如兩部NFC手機通過NFC進行連接時，就是雙向模式（如圖4）。

2.NFC設(shè)備整合方式

（1）與手機完全整合

NFC可以完全與手機整合，這就要求NFC控制器和安全構(gòu)件都被整合進手機中，前者負責通訊，后者負責數(shù)據(jù)安全，如三星的Galaxy S4 Lte、諾基亞的Lumia 930、蘋果的iPhone 6、魅族的MX3、HTC的ONE X等（如圖5）。

（2）整合到SIM卡

NFC還可以整合進SIM卡上，并在移動運營商的網(wǎng)絡(luò)上進行識別，如中國移動與北京交通部門合作的“移動NFC手機一卡通”（如圖6）。

（3）整合到存儲卡

SD卡、microSD卡（TF卡）是手機上常用的存儲卡，NFC也可能整合到這種存儲卡上。對于早期的iPhone用戶，則可以通過“手機套”來使用microSD卡，從而使用整合在卡中的NFC技術(shù)（如圖7）。

3.NFC設(shè)備使用模式

（1）卡模式

卡模式中，NFC設(shè)備可作為信用卡、借記卡、標識卡或門票使用，實現(xiàn)“移動錢包”功能，如北京地鐵上使用的NFC技術(shù)。

在該模式下，NFC設(shè)備相當于一張采用RFID的IC卡，可替代多種IC卡，用于商場刷卡、公交乘車、門禁管制、賓館鑰匙等。此時卡片是被動設(shè)備，無需供電，通過非接觸讀卡器的RF域來感應(yīng)供電，即使在手機等寄主設(shè)備沒電的情況下也可以工作。

Andriod 4.4以后的版本，還支持HCE（Host Card Emulation），通過手機端軟件模擬卡實現(xiàn)卡模式。

（2）讀模式

NFC設(shè)備作為非接觸讀卡器使用。讀模式中，NFC設(shè)備可以讀取標簽，類似于條碼掃描原理，也許在普及后還能取代條碼閱讀?？捎糜趶暮蠡蛘哒拱宓碾娮訕撕炆献x取相關(guān)信息，如加拿大豐業(yè)銀行宣傳活動中的數(shù)字標牌面板，用NFC手機可以讀取信息并獲得四場免費電影。

（3）點對點模式

也稱P2P模式，NFC設(shè)備之間可以交換信息，如用兩個NFC手機交換聯(lián)系方式。

該模式用于數(shù)據(jù)交換，傳輸距離較短，傳輸建立較快，功耗低。將兩個NFC設(shè)備連接，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)點對點傳輸，下載音樂、交換圖片或同步地址薄。通過NFC，還能讓多個設(shè)備，如DC、PDA、PC和手機之間都可以交換資料。簡單一“碰”，即可快速建立藍牙連接，或者交換手機名片（如圖8）。

4.NFC的協(xié)議過程

（1）初始化

以手機為例，NFC模塊開啟時，初始化一些參數(shù)，這時NFC芯片處于IDLE的狀態(tài)，不會產(chǎn)生射頻場，即處于偵聽狀態(tài)。

（2）模式選擇

相應(yīng)的應(yīng)用程序啟動后，NFC芯片會得到相應(yīng)的模式配置，一般用通訊標準、通訊模式、工作模式三個參數(shù)的組合來表達。

（3）發(fā)現(xiàn)

模式配置好后，如果在Poll工作模式下，NFC芯片將會打開射頻場，并根據(jù)配置模式開啟發(fā)現(xiàn)功能，來發(fā)現(xiàn)周圍的NFC設(shè)備。如果在Listen工作模式下，NFC芯片就會等待對方設(shè)備發(fā)來的Poll命令。

（4）激活

當目標設(shè)備被選中后，將會進行設(shè)備激活。

（5）鏈路激活

在點對點通訊時，還需要對鏈路進行激活。底層鏈路建立好后，NFC設(shè)備間就可以進行通訊了。

● 一觸即發(fā)：細看近場通訊標簽

近場通訊技術(shù)的關(guān)鍵要素之一，在于NFC裝置與被動式NFC標簽溝通的能力，要求二者一“觸”即發(fā)。這也正是NFC應(yīng)用成為可能的關(guān)鍵。

為了定義主動式NFC讀寫器與被動式標簽之間的通訊，NFC論壇在2006年6月推出了其第一個標準技術(shù)架構(gòu)和NFC合規(guī)裝置的標準，包括NFC數(shù)據(jù)交換格式（NDEF）、三種記錄類型定義（RTD），用于智能海報、文本、互聯(lián)網(wǎng)資源讀取應(yīng)用。

NFC標簽是被動式裝置，可用來與主動式NFC裝置（主動式NFC讀寫器）通信。隨著NFC技術(shù)的流行，NFC標簽將滲透到很多新的領(lǐng)域。

NFC標簽可用于儲存小量數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街鲃邮絅FC裝置的場合，如在海報、卡片、名片中，起作用的部分可用來做主動設(shè)備的接觸點。

NFC標簽所含儲存的數(shù)據(jù)可為任何形式，但一般是用來貯存URL地址（類似于二維碼網(wǎng)址），以供NFC裝置找到進一步的信息。所需數(shù)據(jù)量很少，故可使用NFC標簽（如圖9）。

1.NFC標簽的類型

NFC的基本標簽類型有4種，以1～4類來標識，分別基于ISO 14443的A與B類型（非接觸式智能卡的國際標準）、ISO 18092（符合被動式通訊模式的Sony FeliCa標準），各有不同的格式與容量。

（1）第1類標簽（Tag 1 Type）

基于ISO14443A標準，存儲容量為96字節(jié)（可擴充到2k字節(jié)），速度是106 kbit/s，具有可讀、重新寫入的能力。用戶可將其配置為只讀，用來存儲URL網(wǎng)址或其他小量數(shù)據(jù)。這類標簽較簡潔，故成本低，適用于許多NFC應(yīng)用。

（2）第2類標簽（Tag 2 Type）

基于ISO14443A，存儲容量為48字節(jié)（可擴充到2k字節(jié)），速度是106 kbit/s，具有可讀、重新寫入的能力。用戶可將其配置為只讀。

（3）第3類標簽（Tag 3 Type）

基于Sony FeliCa體系，存儲容量為2k字節(jié)，速度是212kbit/s，只讀。這類標簽成本較高，適合較復(fù)雜的應(yīng)用。

（4）第4類標簽（Tag 4 Type）

基于ISO14443A、B兼容標準，存儲容量可達32k字節(jié)，速度在106～424 kbit/s之間，制造時被預(yù)先設(shè)定為只讀或可讀/可重寫。

4類標簽，前兩類與后兩類在內(nèi)存容量、構(gòu)成方面大不相同，應(yīng)用范圍重疊較少。第1、2類標簽是雙態(tài)的，可為讀/寫或只讀，第3、4類常常是只讀的，數(shù)據(jù)在生產(chǎn)時寫入或者后期通過標簽寫入器寫入。

2.NFC標簽的運行

NFC標簽是無需電源的被動裝置。在使用時，用戶用具有NFC功能的設(shè)備與其接近，標簽通過電感從讀寫器獲得很小的電源，驅(qū)動標簽的電路，把信息傳輸?shù)阶x寫器。

標簽內(nèi)存里的數(shù)據(jù)傳送到NFC設(shè)備后，根據(jù)其實際內(nèi)容（如URL網(wǎng)址、文本、其他數(shù)據(jù)）來決定后續(xù)操作，可能是打開某一網(wǎng)址、顯示文本內(nèi)容、進行文件傳輸?shù)取?/p>

簡單的低成本NFC標簽可以一次性使用，如用于智能海報、展板等。

3.NFC標簽的生產(chǎn)

在保證功能的前提下，標簽應(yīng)該能夠低成本量產(chǎn)，因此在設(shè)計標簽時要考慮以下的幾個關(guān)鍵參數(shù)。

（1）讀取速度

速度決定了在兩個NFC裝置接近時傳輸標簽數(shù)據(jù)的時間。如果速度太慢，在裝置離開后還沒有完成傳輸，在可靠性上就是致命的。即使有友好提示，重復(fù)多次的接近操作也會讓用戶厭煩。第1類NFC標簽允許所有數(shù)據(jù)整塊（Block）傳輸，保證了標簽的讀取性能。

（2）晶片尺寸

在NFC標簽設(shè)計中，晶片尺寸（Die Size）具有決定了它可以用于什么樣的設(shè)備和場合。尺寸較大時可以用在智能海報中，尺寸較小時，才能用在手機卡、手機后蓋等小物件上，而且成本也會降低，隱蔽性更好。存儲容量較小也決定了標簽可以做得很小。

（3）單位價格

NFC標簽的目標應(yīng)用是極低成本的，單位價格甚為關(guān)鍵。標簽成本受內(nèi)存大小和所含附加特征帶來的集成電路復(fù)雜性等眾多因素的影響。

● 無卡不入：細說近場通訊應(yīng)用

NFC技術(shù)的誕生已經(jīng)有十幾年的時間，但是在早期并沒有得到大面積應(yīng)用。因為最初它的優(yōu)勢在于快速支付，而微信、支付寶等形式誕生后，人們有了更多方便的支付方式可以選擇，NFC的掃機支付不再令人神往。然而，NFC的應(yīng)用遠遠不止支付手段這一方面，而是涉及社會生活的方方面面。

NFC的應(yīng)用主要可分為四個基本類型：移動支付、電子票證、智能媒體、數(shù)據(jù)交換。

1.移動支付

NFC最實用的功能就是移動支付，使手機成為一個移動錢包，目前在地鐵、公交、商場、飯店等部分場所已經(jīng)可以使用，但普及程度還遠遠不夠。

2.電子票證

讓NFC設(shè)備充當公交卡、門禁卡、電子鑰匙、車票門票等，是完全可能的。目前很多地市都以SIM卡形式支持這種公交一卡通（部分是使用老式的RFID-SIM卡）。

3.智能媒體

包括各種智能展板、海報、卡片、名片、標簽等。使用NFC手機讀取這些NFC標簽就可以獲得相關(guān)信息。例如，讀取電影海報能下載和播放預(yù)告片，讀取名片能把聯(lián)系方式保存到手機上，讀取街頭的公共標簽就能瀏覽交通、天氣等各種信息。其實這種用法與二維碼的掃碼非常類似。

4.數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換常常是無線連接不可避免的要求。NFC也具有數(shù)據(jù)傳輸功能，如傳輸圖片、交換通訊錄、傳遞文件等。但是NFC的傳輸速度太慢（如圖10）。

如果NFC與藍牙配合，結(jié)果就大不相同了。先用NFC進行識別，這個過程“碰一下”就完成了，省去了驗證碼的輸入和手工配對的麻煩；然后再用藍牙建立連接和傳輸數(shù)據(jù)，速度快且傳輸量大。這樣的好處是，碰一下后即可分開，不需要一直保持近距離，因為后面的數(shù)據(jù)傳輸是由藍牙連接來完成的。

類似的，手機碰碰電腦，手機碰碰鍵盤，信息交換就輕松愉快地開始了——前提是，它們都支持NFC。

5.特定動作

通過特定的NFC標簽，還可以讓手機產(chǎn)生特定的動作。例如，登錄WIFI網(wǎng)絡(luò)，連接藍牙設(shè)備，轉(zhuǎn)換手機模式，直接撥打電話等。

市場上已經(jīng)有了帶NFC智能配對功能的音響產(chǎn)品，打開手機的NFC功能并在音響的特定區(qū)域碰一下，便可實現(xiàn)手機與音響之間的藍牙配對連接，省去了密碼驗證和配對的麻煩。當然，目前也已經(jīng)有了可直接智能搜索自動配對的藍牙音箱。

如果在會議室門口設(shè)置一個特殊的NFC標簽，與會者入場時掃一下就能將手機設(shè)為會議模式，肯定也是很受歡迎的；在轎車駕駛室內(nèi)設(shè)置一個NFC標簽，用于觸碰時快速切換手機至駕駛模式，那也會更方便；而在廣告牌的電話號碼下，設(shè)置一個NFC標簽，手機碰一下就可以直接撥打這個電話或者發(fā)送短信，恐怕也會吸引不少商家；在賓館房間內(nèi)的床頭邊，設(shè)置啟用/關(guān)閉鬧鐘等一系列快捷NFC標簽，不但人性化，也會大受歡迎……

● 結(jié)束語

據(jù)ABI市場調(diào)查公司的數(shù)據(jù)，2017年市場上NFC設(shè)備總數(shù)將達19.5億臺，涉及產(chǎn)品包括智能手機、平板電腦以及家庭娛樂終端。樂觀地看，我們可以期待NFC技術(shù)一路高歌。然而，支付寶、微信等在移動支付上的優(yōu)勢，二維碼在快速訪問上的優(yōu)勢，云存儲在數(shù)據(jù)傳輸上的優(yōu)勢，都是NFC的巨大威脅。

經(jīng)過近十年的發(fā)展，NFC技術(shù)已經(jīng)為我們展現(xiàn)了一幅迷人的應(yīng)用畫卷，它的普及和應(yīng)用仍然要受到NFC硬件產(chǎn)品多樣化和NFC智能標簽豐富性的影響。雖然它已經(jīng)異軍突起，勢力初見端倪，但畢竟應(yīng)用因服務(wù)而生，其前途是鮮花一片還是步步危機，我們只能拭目以待，并給它一陣鼓勵的掌聲。