Рассматриваются современные NFC метки NTAG213, NTAG215 и NTAG216 разработанные компанией NXP Semiconductors, работающие по стандарту ISO/IEC 14443-A. Эти метки очень популярны благодаря своей доступности, универсальности и совместимости с большинством NFC-считывателей, включая смартфоны. Фактор дешевизны и доступности определяет массовое распространение этих NFC-меток.
Оглавление
Что такое NFC
NFC или Near Field Communication – это технология «связи ближнего действия». Она позволяет пользователям обмениваться информацией, просто поднося устройства друг к другу на расстояние до 10 см. По сути NFC это частный случай RFID (Radio Frequency Identification) - механизма радиочастотного обмена данными, хранящимися в так называемых транспондерах или метках, который основан на стандартах ISO/IEC 18092 NFC IP-1, JIS X 6319-4 и ISO/IEC 14443 для бесконтактных смарт-карт.
Скорость передачи данных при таком способе невысокая, по сравнению с Bluetooth. Однако NFC выигрывает за счёт доступности и быстрого подключения – всего за доли секунды.
Сегодня мобильные устройства с NFC-модулями могут использоваться для:
бесконтактных платежей – оплачивать покупки можно без наличных или пластиковой карты одним касанием терминала телефоном;
обмена данными между устройствами – передать фото или текстовый файл можно даже без доступа к сети Интернет;
скачивания информации – например, для проверки оригинальности товара или узнать расписание движения городских автобусов.
Для работы технологии, помимо смартфона с модулем NFC, требуется также специальная метка.
Понятие и устройство NFC-меток
Все модули Near Field Communication делятся на два типа: пассивные и активные. Первые содержат данные и команды, которые подлежат передаче. Их ещё называют метками (tag - тег). Второй тип модулей считывает информацию, закодированную в пассивных тегах.
NFC метка работает на частоте 13,56 МГц и представляет собой небольшой плоский лист, в который зашит микрочип для хранения данных и антенна для их передачи. Как только в зону действия антенны попадает считывающее устройство, оно распознаёт зашифрованные данные и выполняет необходимые действия, например, позволяет оплатить покупку. NFC-метки не требуют аккумуляторов и подключения к сети. Устройства получает питание от мобильных устройств во время соединения.
Варианты NFC-меток
В зависимости от объёма памяти и функциональности выделяется несколько типов меток. Самые простые предназначены для хранения и передачи простых данных – URL-адреса, контактов, сведений о продукте или продавце. Они могут иметь ряд ограничений, например, считываться не всеми устройствами.
Более сложные метки отличаются объёмом памяти, стандартами ISO, уровнем защиты информации, условиями её передачи. Одни позволяют несколько раз перезаписывать данные, другие предназначены только для их считывания.
Где могут применяться NFC-метки
Наклейки с микрочипами сегодня набирают всё большую популярность. Они помогают автоматизировать самые разные процессы, как в бизнесе, так и в повседневной жизни. Например, метки будут полезны для организации:
Торговли. Владельцы смартфонов могут оплачивать покупки в одно касание, даже при отсутствии пластиковой карты, списывать и накапливать баллы по программе лояльности. Удобно также сканировать NFC-метку для проверки подлинности продукции.
Пространства в умном доме. Управлять бытовой техникой можно при помощи смартфона. Разместите наклейку с меткой у входной двери, чтобы автоматически открыть её без кода и домофона. А специальные приложения помогут настроить теги таким образом, чтобы при его сканировании запускались приборы или включался свет в комнате.
Безопасности автомобиля. Установите NFC-метку в салоне авто или на ручках, для автоматической блокировки и открытия двери, включения зажигание, активации навигатора.
Аутентификации личности. Повысить безопасность на предприятии просто. Установка NFC-меток позволит не только сверять данные лиц, входящих в помещение, но и отслеживать их перемещение.
Работы гостиниц. Электронный ключ – удобное устройство, которое легко заменить смартфоном. Так снижается риск потери пластиковой карточки постояльцами отеля. Чтобы попасть в свой номер, достаточно приложить смартфон к наклейке с меткой.
Конструкция NFC-метки
NFC метка состоит из чипа и антенны. Электропитание чип получает на основе электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока при изменении магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле. Короче говоря, если взять катушку проволоки и внутри двигать магнит туда-сюда , то в катушке появится электрический ток. На этом принципе основана генерация электроэнергии. Например, в ТЭЦ сжигается топливо, далее пар вращает турбину, турбина соединена с электрогенератором. В электрогенераторе вращается магнитный сердечник внутри медной катушки, постоянное изменение магнитного поля приводит к появление электрического тока.
Для получения информации с NFC метки, считывающее устройство (например, смартфон) генерирует электромагнитное поле, путем пропуска электрического тока по антенне (электромагнит), которое взаимодействует с антенной NFC-метки.
Далее, электромагнитное поле индуцирует ток в антенне NFC-метки. Индуцированный ток питает микрочип NFC-метки, позволяя ей передавать информацию обратно в считывающее устройство.
Для работы NFC-метки не требуется аккумулятор, а значит, она может работать практически вечно (пока не разрушится антенна и/или чип).
Таким образом, расстояние необходимое для считывания NFC метки определяется мощностью и размером антенны NFC считывателя, и размером антенны самой NFC-метки. Чем больше антенна NFC-метки, тем больше расстояние, на котором, можно считать эту NFC метку.
Разновидность NFC меток
NFC метки представлены как стикеры (или же наклейки), карты, браслеты, брелки и т.д. NFC метки доступны в огромном количестве и в разных форматах. Некоторые производители ссылаются на разные варианты по-разному, дабы усложнить еще задачу выбора. Все варианты перечислять нет необходимости, для конечного покупателя в основном доступно два варианта: печатные стикеры и антиметаллические стикеры.
Печатные стикеры (печатные NFC метки, Normal back)
Конструкция печатных NFC меток такая же, как и у базовых прозрачных или белых стикеров, только верхний слой, заменили на печатный слой для нанесения изображения или текста. Дополнительно, может быть еще один слой поверх, например, как ламинат для защиты печатного слоя.
Антиметаллические стикеры (Anti Metal Back)
Это специально разработанная конструкция для размещения NFC меток на металлических поверхностях. В данном типе меток, между слоем для приклеивания к поверхности и самой метки размещается слой из ферритовой фольги. Ферритовая фольга – это тонкий лист из ферритного материала, часто с клеем на одной стороне. Она используется для экранирования электромагнитных помех, особенно в устройствах, работающих на высоких частотах, а также в беспроводной зарядке. Ферриты – это ферромагнитные материалы, которые хорошо поглощают электромагнитные волны и могут быть изготовлены в виде пластин, бусин, чипов и других форм. Стикеры данного типа самые дорогие при сходных характеристиках.
NFC метки NTAG213, NTAG215 и NTAG216
NTAG213, NTAG215 и NTAG216 — это современные NFC метки, разработанные компанией NXP Semiconductors, соответствующие стандарту ISO/IEC 14443-A. Эти метки очень популярны благодаря своей доступности, универсальности и совместимости с большинством NFC-считывателей, включая смартфоны.
Международный стандарт ISO/IEC 14443определяет:
Частоту работы в 13,56 МГц;
Дальность действия до 10 см (на практике обычно 2–5 см);
Скорость передачи 106 кбит/с (иногда до 848 кбит/с в некоторых реализациях);
Тип модуляции ASK (Амплитудная сдвиговая ключевая модуляция);
Кодирование Miller encoding (модифицированный манчестер);
Электропитание. Питание пассивных меток от поля считывателя.
Типы связи:
NFC-A: Основан на стандарте ISO/IEC 14443A для бесконтактных карт. Типы связи отличаются используемыми режимами кодирования сигнала и модуляции. NFC-A использует код Миллера и амплитудную модуляцию. Двоичные данные передаются со скоростью около 106 Кбит/с, сигнал должен изменяться от 0 % до 100 %, чтобы различать двоичную 1 и двоичный 0. Метки NTAG213, NTAG215 и NTAG216, как раз и работают по типу NFC-A.
NFC-B: Основан на стандарте ISO/IEC 14443B для бесконтактных карт. NFC-B использует метод Манчестерского кодирования. Двоичные данные также передаются со скоростью около 106 Кбит/с. Здесь вместо 100% используется 10% -ое изменение амплитуды для двоичного 0 (то есть низкого уровня) и 100 % для двоичной 1 (то есть высокого). В Манчестерском кодировании переход с низкого на высокий уровень представляет двоичный 0, а переход с высокого на низкий уровень представляет двоичную 1.
NFC-F: Основан на стандарте FeliCA JIS X6319-4, также известный как просто FeliCa. Стандарт регулируется японской JICSAP, соответственно в Японии эта технология, и наиболее популярна. Скорость передачи данных 212/424 Кбит/с, используется Манчестерское кодирование и амплитудная модуляция.
Метки MIFARE Ultralight / NTAG213/215/216, достаточно дешёвые, с ограниченной памятью, используются в билетах, NFC-наклейках, маркетинге.
NFC метки NTAG213, NTAG215 и NTAG216, обладают следующими свойствами:
Уникальный идентификатор UID 7 байт (в некоторых версиях);
Совместимы с NFC Forum Type 2 Tag;
Частота работы 13.56 МГц;
Совместимы со всеми Android и iOS устройствами с NFC;
Программируются один раз или с возможностью повторной записи;
Кол-во циклов записи 100 000;
Срок хранения данных 10 лет.
NFC метки NTAG* отличаются друг от друга размером EEPROM-памяти:
NTAG213: 144 байт (вкл. 128 байт пользовательских данных). Применение: простые URL, Wi-Fi, текстовые данные;
NTAG215: 504 байт (вкл. 480 байт пользовательских данных). Применение: NFC-визитки, команды для приложений;
NTAG216: 888 байт (вкл. 872 байта пользовательских данных). Применение: большие объёмы данных (медкарты, логистика, приложения с большим количеством информации).
Доступны следующие методы защиты:
Парольная защита: защита 32-битным паролем (PWD) + 32-битным пак (PACK);
Lock-биты: блокировка какой-то части или всей памяти на изменение;
Перевод в режим только чтение: защита всей метки от перезаписи;
Все методы защиты предназначены только для блокировки от перезаписи, метки NTAG* не поддерживают шифрование, в отличие от более защищённых меток, например, MIFARE DESFire, поэтому н е подходят для хранения конфиденциальных данных (нет полноценной криптографии).
Стандарт NFC Forum NDEF (NFC Data Exchange Format)
Иерархия уровней:
ISO 14443A: физический и канальный уровень (радиообмен, UID, команды чтения/записи);
Tag Type 2: определяет структуру памяти (NFC Forum);
NDEF: определяет, как структурировать данные в памяти метки.
Сам по себе стандарт ISO/IEC 14443A не определяет типы данных, которые можно записывать на метку. Этот стандарт определяет только физический и протокольный уровень обмена между считывателем и картой: модуляцию, антиколлизию, команды, структуру UID и т. д. Если сравнивать с сетевой моделью OSI, стандарт ISO/IEC 14443A определяет транспортный уровень, а формат NDEF (NFC Data Exchange Format), разработанный организацией NFC Forum (создает спецификации для технологии NFC), определяет прикладной уровень, т.е. формат данных. Формат NDEF абстрагирует сложность взаимодействия с различными протоколами меток стандартизированным способом. Этот формат достаточно гибок, для структурирования данных в известные форматы, такие как обычный текст, медиа и URI, или создания своего собственного типа данных.
В формат NDEF входят понятия, Сообщения (Messages) и Записи (Records). Сообщение NDEF — это пакет данных, который можно передавать между устройствами. Каждая NDEF метка может хранить до одного сообщения NDEF. Внутри сообщения находится одна или несколько записей NDEF. Записи — это фрагменты информации, которые мы хотим передать. Короче говоря, если мы хотим передать список ссылок на сайты в NDEF, мы можем создать сообщение, состоящее из нескольких записей URI.
Типы NDEF-записей
На метки NTAG213/215/216 в формате NFC Forum Type 2 + NDEF можно записывать следующие типы NDEF-записей:
Тип данных | Пример | Комментарий |
|---|---|---|
URI (ссылка) |
| Очень распространён |
Текст |
| Может быть многоязычным |
vCard | Контакт, имя, телефон, email | Для цифровых визиток |
Wi-Fi конфигурация | SSID, пароль | Автоподключение |
Bluetooth | Адрес Bluetooth-устройства | Для сопряжения |
Android App Record (AAR) | Ссылка на приложение в Play Store | Запускает или предлагает установить приложение |
SmartPoster | Комбинация URI + текст + иконка | Расширенные рекламные метки |
Метки запуска | Команды для автоматизации (Trigger, Tasker и др.) | Автоматизация сценариев |
На одну метку допускается запись нескольких NDEF-записей (Records), например можно записать произвольный текст (комментарий) и ссылку на веб-сайт. Единственное ограничение это объем памяти метки.
Примеры NDEF-записей
1. URI (ссылка на сайт)
Занимает примерно 20–30 байт, в зависимости от длины адреса.
2. Текстовая запись
Тип: Text
Язык: ru
Содержание: "Добро пожаловать на Хабр!"
3. Wi-Fi подключение (Android)
SSID: MyWiFi
Пароль: 12345678
Безопасность: WPA2
Начиная с Android 10+ это действие требует подтверждения от пользователя.
4. Запуск приложения
AAR (Android Application Record):
com.example.myapp
Если приложение не установлено — открывается маркет Google Play.
Не-NDEF форматы
Разработчик может самостоятельно определить произвольные данные (например, байты, структуры), например такой сценарий используется в:
Автоматических пропусках;
Собственных идентификационных системах;
Играх (например, фигурки Amiibo, где NTAG215 используется без NDEF).
Спецификация
Более детальные спецификации доступны на официальном сайте https://nfc-forum.org. Спецификация NDEF описана в NFC Forum Type 2 Tag Technical Specification Version 1.2, доступна на официальном сайте за деньги или платную подписку. Бесплатно доступна только старая версия NFC Forum Type Tags White Paper V1.0 от 2009 года.
Варианты меток NTAG213/215/216
На Aliexpress представлено большое количество различных NFC меток. Купленные метки читаются на расстояние 4 см от смартфона.
Самую старшую метку NTAG216 на 888 байт, размером 25 мм, с антиметаллическим слоем, можно купить за ~470 рублей пакетом в 6 штук, цена одной метки составит ~78 рублей. Самые дешевые NTAG213, без антиметаллического слоя, можно приобрести комплектом в 6 штук за ~324 рубля, цена одной метки составит ~54 рубля.
Программирование
Для работы с NFC метками используются следующие приложения для Android:
Если вы желаете построить самостоятельно IoT систему, то необходимо использовать плату Adafruit PN532 NFC/RFID Controller Shield for Arduino.
Для наглядного понимания работы технологии NFC предоставлено демонстрационной приложение Clevent для Android. Данное приложение использует технологию NFC для создания системы предоплаты, которая хранит кредиты в тегах NFC в формате NDEF. Исходный код доступен в репозитории https://github.com/scavazzini/clevent.
Приложение NFC Tools
Приложение NFC Tools выдает следующие сведения при считывание метки NTAG216:
Тип тега: ISO 14443-3A, NTAG216
Формат данных: NFC Forum Type 2
Размер: 0/868 Байт (метка пустая, без записей)
Для записи доступны следующие типы:
Для теста добавим две записи:
Текст;
Ссылку - URL.
При считывание NFC метки, появится окно с отображением текста и действий. В первой строке отображается текст, в последующих предлагается выбрать приложение для открытия URL ссылки. Для чтения стандартных NDEF-записей дополнительное приложение не требуется, поддержка уже встроена в ОС Android.
Очень полезный тип данных это — тип Экстренные ситуации. Данный тип описывает личные данные ФИО, дату рождения, группу крови, контакты для связи. Для людей с проблемами здоровья, NFC-метку с данными можно вшить в верхнюю одежду. Единственное, отсутствует государственный стандарт для определение признаков данной метки на одежде. Так же в обязательном порядке можно было размещать NFC метку у горных туристов, и любителей экстремальных путешествий.
Дополнительно, вы можете определить собственный тип записи, описываемый как тип MIME. Например, запишем произвольный тип записи как "text/habr", текст "Крутой пост!".
Можно дописать NFC метку, таким образом, на метке будет две записи объемом 288 Байт.
При считывание метки с данными для подключения к Wi-Fi точки доступа, появляется окно с запросом подключения.
В закладке Другое, перечислены дополнительные функции работы с NFC меткой, такие как: сделать дубликат, заблокировать на запись, установить/удалить пароль и т.д.
В приложение есть нативной режим работы с NFC меткой - Продвинутые команды NFC.
Пароль на NFC метку можно установить алфавитно-цифровой. В случае установки пароля на NFC метку, при попытки записи выводится сообщение Ошибка записи.
Приложение NFC Tasks
Приложение NFC Tasks позволяет выполнять определенные задачи при считывания NFC метки. Причем на NFC метку записывается сама задача, а не идентификатор задачи, т.е. при считывание NFC метки на другом телефоне, так же будет выполнена задача. В случае отсутствия на другом телефоне приложение NFC Tasks, откроется маркет приложения Google Play с предложением установить приложение NFC Tasks.
Список выполняемых задач достаточно большой:
Создадим новую задачу, в которую входит перевод телефона в беззвучный режим и установка будильника на 08:10 утра.
При считывание данной метки, регуляторы воспроизведения звука будут выставлены в значения определенные в метке, и так же добавится запись в будильник "Работа" на 08:10.
Приложение MIFARE Ultralight Tool
В приложение MIFARE Ultralight Tool доступно полное считывание всех страниц EEPROM-памяти.
Другие NFC-метки
На рынке продаются самые разнообразные NFC метки любых размеров и форм исполнения.
NFC метки в популярных картах.
Сценарии использования NFC-меток
Ремонтные центры. Недавно Samsung запустила «техподдержку с QR и NFC» в своих ремонтных центрах. Отныне владельцы смартфонов смогут зарегистрировать свои устройства для ремонта с помощью QR-кодов или NFC вместо заполнения регистрационной формы, что сокращает время ожидания услуги. Новая возможность доступна через учётную запись Samsung для устройств Galaxy с Android 10 или новее в 36 странах, включая США, Аргентину, Бразилию, Чехию, Францию, Корею, Таиланд и другие.
Выполнение задач для спортивной тренировки. Используется приложение NFC Tasks:
"Как я использую метки: к примеру, я ежу на велосипеде. Перед велопрогулкой я касаюсь телефоном к велосумке: выключается Wi-Fi, мобильные данные, автоповорот, включается GPS, устанавливается максимальная громкость звонка и запускается приложение Runtastic Mountain Bike Pro. При повторном касании к метке все происходит в обратном порядке." - источник mysku.club.
Дома. "Например для спальни — выключаются Wi-Fi и Bluetooth, включается режим ‘Без звука’ и запускается приложение будильник. Т.е. предполагается такой сценарий — в спальне я прикасаюсь к черной метке телефон выключает все что можно, и запускает будильник. Мне остается только установить или проверить время сигнала и все. " - источник mysku.club.
NFC Release 15
Развитие NFC стандарта не стоит на месте. NFC Forum анонсировал новую спецификацию NFC Release 15, которая станет доступна общественности осенью 2025 года. В новой спецификации стандартная дальность взаимодействия увеличена с 0.5 до 2 см, что обеспечит более быстрое и надежное бесконтактное взаимодействие. Некоторые пользователи могут посчитать увеличение расстояние до 2 см несущественным, но на практике это имеет большое значение т.к. бесконтактное взаимодействие NFC начнется раньше и потребует менее точное позиционирование устройства.
