异军突起的近场交互

邱元阳

编者按：在一些现代战争和警匪题材的影片中，我们常常可以看到这样一些展现高新通讯技术的镜头——接洽的双方掏出手机，用手机背部互相一碰，手机屏幕的特写中即显示文件传输完成。这就是近场交互，即近距离的设备和设备之间的一种交互方式。这些设备可以是移动设备、计算机、投影仪、打印机、电视、刷卡机等移动商务和家庭娱乐电子设备，与我们的日常生活息息相关。在此，主持人和嘉宾将分两期对近场交互进行探讨，希望能给大家一些启示。

有人曾戏言，现在出门要带的必需品之一是手机：交流、办公、学习、娱乐、消费等功能一应俱全。可见手机在大众的手里发挥着越来越重要的作用，交互是其明显的一个特征。应用在手机上的近场交互，是基于近场通讯（NFC）技术的新的移动交互方式。

近场通讯（Near Field Communication，NFC），也叫近场通信，即近距离无线通讯，是一种短距离的高频无线通讯技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（20厘米内）来交换数据。

近场通讯在近几年异军突起，逐渐在移动支付、智能展板、数据传输、门禁考勤等领域得到广泛应用。

● 乱花渐入：细数手机无线交互

近场通讯是由射频识别（RFID）发展而来的，逐渐在手机上普及，并成为现在近场交互的主流形式。我们先来回顾一下手机上曾经使用过的各种无线交互形式。

1.红外交互（IR）

随着家用电器向智能化方向发展，很多家电都带有遥控功能，大到电视、空调，小到电风扇、机顶盒，都配置了遥控器。这么多的遥控器使用起来还真容易混淆和丢失，于是在手机上使用“万能遥控”软件就有了很大需求。当然，前提是手机支持红外线功能，目前市场主流产品如三星S4、华为荣耀3、小米4、HTC One等众多品牌和型号都带有红外交互功能。没有该功能的手机可以通过蓝牙转红外、耳机接口转红外、USB（OTG）接口转红外等硬件模块来实现红外交互。

使用940nm红外发射管和三极耳机插头，可以自己制作手机红外发射器（如图1）。

2.ANT+

ANT+是ANT传输协议上的超低功耗版本，它是为健康、训练和运动专门开发的，主要用于低功耗无线设备，广泛应用于各种码表、智能手表、心率计、功率计、速度感应、踏频感应等设备中，使用CR2032电池供电，可以与支持ANT+协议的手机无线连接互动。三星的Galaxy S3、S4，Note3，以及很多索尼的型号，都支持ANT+，Android从4.3版本开始支持ANT+协议。

3.GPS

GPS（Global Positioning System，全球定位系统）是目前非常成熟的定位导航系统，几乎是智能手机的标配，可用于实时导航、定位跟踪、防盗反劫、行驶监控、呼叫指挥、电子围栏、大地测量等社会生活的各个方面。

4.WIFI

WIFI，也写作Wi-Fi，是一种无线互连技术，可以看作是WLAN（无线局域网）的一个子集。这个名词大家早已耳熟能详，是移动设备无线连接方式中功能最强大的一种，最常用于互联网接入和局域网内数据交换。无线网卡和WLAN支持已经是智能手机的必要组成部分。

通过WIFI，手机不仅能实现数据传输和免流量上网，也能进行多屏互动、远程协助等新型应用。

5.射频识别（RFID）

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

扫描器发射特定频率的无线电波能量给接收器，用以驱动接收器电路将内部的代码送出，扫描器再接收此代码，实现通讯。接收器的特点在于无需电源、无需接触，因此应用非常广泛，常常做成各种非接触卡和感应卡，如身份证、公交卡、门禁卡、饭卡等非接触式IC卡。商场中衣物上的防盗卡扣，使用的也是RFID。

RFID接收芯片可以内置于手机的SIM卡中（一般使用2.4GHz频段），实现手机功能与RFID功能的集成，通过刷手机实现金融服务、购物消费、乘车服务、身份认证等多种应用。目前国内三大移动运营商均有RFID-SIM一卡通产品（如图2）。

如果把RFID读写功能整合到手机中，就是RFID手机了。但是因为后来居上的NFC的原因，一般都直接整合进NFC功能了。

6.蓝牙（Bluetooth）

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术，可实现固定设备、移动设备之间的数据交换，使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波。

蓝牙是一种点对点的短距离无线传输，连接时需要配对，在笔记本电脑和手机上的应用非常成熟，蓝牙耳机、蓝牙音箱、蓝牙键盘也已经很普及。蓝牙与NFC结合，可以弥补配对的麻烦，实现快速配对和信息传递（如图3）。

7.近场通讯（NFC）

近场通讯（NFC）技术从RFID演变而来（向下兼容RFID），由飞利浦半导体、诺基亚和索尼共同研制开发，其基础就是RFID及互连技术。NFC是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于20厘米距离内，其传输速度有106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s三种，采用主动和被动两种读取模式。目前，近场通讯已成为ISO/IEC IS 18092国际标准、ECMA-340标准与ETSI TS 102 190标准。

Andriod系统从2.3版本开始提供对NFC的原生支持，在操作系统的支持下，很多手机都增加了NFC模块。

● 异军突起：细剖近场通讯原理

NFC的通讯原理与RFID一样，也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递信息，但传输范围小，与现有非接触智能卡技术兼容。NFC的安全性较高，可实现相互认证和动态加密，是一种近距离的安全通信方式。

RFID手机仅作为标签使用，而NFC手机内置NFC芯片，可以实现数据的双向传输，因而更适合用于电子货币支付。NFC技术支持多种应用，包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等。

NFC应用中也有单纯的标签（NFC Tag），它是内置有NFC芯片的商标、海报、展板、印花或者卡片。标签中的NFC芯片无需电池支持，可通过其他NFC装置产生的无线射频场进行激活，利用感应电流来驱动电路。

NFC没有读卡器和卡，或者说NFC设备集成了读卡器和卡的功能，只是这些NFC设备的身份不同而已。NFC设备可以用作非接触IC卡、读写器终端甚至数据传输链路，其通讯模式有主动和被动之分。

1.NFC设备通讯模式

（1）主动模式

在主动模式下，NFC设备相当于一个读写器，发出射频场去识别和读写其他NFC设备的信息，如NFC手机在读取NFC标签时，就在主动模式下工作。

（2）被动模式

在被动模式下，NFC设备被模拟成一张卡，在其他NFC设备发出的射频场中被动响应，被读写信息，如NFC标签，就工作在被动模式下。NFC手机在读写器上“刷卡”时，也工作在被动模式下。

在被动模式下，NFC发起设备（主设备）在整个通讯过程中提供射频场（RF-field），选择106kbps、212kbps或424kbps中的一种传输速率，将数据发送到NFC目标设备（从设备）。从设备不产生射频场，而使用负载调制（load modulation）技术，以相同速率将数据传回发起设备。

（3）双向模式

此模式下，两端的NFC设备都主动发出射频场来建立点对点的通信，相当于两个NFC设备都处于主动模式，如两部NFC手机通过NFC进行连接时，就是双向模式（如图4）。

2.NFC设备整合方式

（1）与手机完全整合

NFC可以完全与手机整合，这就要求NFC控制器和安全构件都被整合进手机中，前者负责通讯，后者负责数据安全，如三星的Galaxy S4 Lte、诺基亚的Lumia 930、苹果的iPhone 6、魅族的MX3、HTC的ONE X等（如图5）。

（2）整合到SIM卡

NFC还可以整合进SIM卡上，并在移动运营商的网络上进行识别，如中国移动与北京交通部门合作的“移动NFC手机一卡通”（如图6）。

（3）整合到存储卡

SD卡、microSD卡（TF卡）是手机上常用的存储卡，NFC也可能整合到这种存储卡上。对于早期的iPhone用户，则可以通过“手机套”来使用microSD卡，从而使用整合在卡中的NFC技术（如图7）。

3.NFC设备使用模式

（1）卡模式

卡模式中，NFC设备可作为信用卡、借记卡、标识卡或门票使用，实现“移动钱包”功能，如北京地铁上使用的NFC技术。

在该模式下，NFC设备相当于一张采用RFID的IC卡，可替代多种IC卡，用于商场刷卡、公交乘车、门禁管制、宾馆钥匙等。此时卡片是被动设备，无需供电，通过非接触读卡器的RF域来感应供电，即使在手机等寄主设备没电的情况下也可以工作。

Andriod 4.4以后的版本，还支持HCE（Host Card Emulation），通过手机端软件模拟卡实现卡模式。

（2）读模式

NFC设备作为非接触读卡器使用。读模式中，NFC设备可以读取标签，类似于条码扫描原理，也许在普及后还能取代条码阅读。可用于从海报或者展板的电子标签上读取相关信息，如加拿大丰业银行宣传活动中的数字标牌面板，用NFC手机可以读取信息并获得四场免费电影。

（3）点对点模式

也称P2P模式，NFC设备之间可以交换信息，如用两个NFC手机交换联系方式。

该模式用于数据交换，传输距离较短，传输建立较快，功耗低。将两个NFC设备连接，能实现数据点对点传输，下载音乐、交换图片或同步地址薄。通过NFC，还能让多个设备，如DC、PDA、PC和手机之间都可以交换资料。简单一“碰”，即可快速建立蓝牙连接，或者交换手机名片（如图8）。

4.NFC的协议过程

（1）初始化

以手机为例，NFC模块开启时，初始化一些参数，这时NFC芯片处于IDLE的状态，不会产生射频场，即处于侦听状态。

（2）模式选择

相应的应用程序启动后，NFC芯片会得到相应的模式配置，一般用通讯标准、通讯模式、工作模式三个参数的组合来表达。

（3）发现

模式配置好后，如果在Poll工作模式下，NFC芯片将会打开射频场，并根据配置模式开启发现功能，来发现周围的NFC设备。如果在Listen工作模式下，NFC芯片就会等待对方设备发来的Poll命令。

（4）激活

当目标设备被选中后，将会进行设备激活。

（5）链路激活

在点对点通讯时，还需要对链路进行激活。底层链路建立好后，NFC设备间就可以进行通讯了。

● 一触即发：细看近场通讯标签

近场通讯技术的关键要素之一，在于NFC装置与被动式NFC标签沟通的能力，要求二者一“触”即发。这也正是NFC应用成为可能的关键。

为了定义主动式NFC读写器与被动式标签之间的通讯，NFC论坛在2006年6月推出了其第一个标准技术架构和NFC合规装置的标准，包括NFC数据交换格式（NDEF）、三种记录类型定义（RTD），用于智能海报、文本、互联网资源读取应用。

NFC标签是被动式装置，可用来与主动式NFC装置（主动式NFC读写器）通信。随着NFC技术的流行，NFC标签将渗透到很多新的领域。

NFC标签可用于储存小量数据并传输到主动式NFC装置的场合，如在海报、卡片、名片中，起作用的部分可用来做主动设备的接触点。

NFC标签所含储存的数据可为任何形式，但一般是用来贮存URL地址（类似于二维码网址），以供NFC装置找到进一步的信息。所需数据量很少，故可使用NFC标签（如图9）。

1.NFC标签的类型

NFC的基本标签类型有4种，以1～4类来标识，分别基于ISO 14443的A与B类型（非接触式智能卡的国际标准）、ISO 18092（符合被动式通讯模式的Sony FeliCa标准），各有不同的格式与容量。

（1）第1类标签（Tag 1 Type）

基于ISO14443A标准，存储容量为96字节（可扩充到2k字节），速度是106 kbit/s，具有可读、重新写入的能力。用户可将其配置为只读，用来存储URL网址或其他小量数据。这类标签较简洁，故成本低，适用于许多NFC应用。

（2）第2类标签（Tag 2 Type）

基于ISO14443A，存储容量为48字节（可扩充到2k字节），速度是106 kbit/s，具有可读、重新写入的能力。用户可将其配置为只读。

（3）第3类标签（Tag 3 Type）

基于Sony FeliCa体系，存储容量为2k字节，速度是212kbit/s，只读。这类标签成本较高，适合较复杂的应用。

（4）第4类标签（Tag 4 Type）

基于ISO14443A、B兼容标准，存储容量可达32k字节，速度在106～424 kbit/s之间，制造时被预先设定为只读或可读/可重写。

4类标签，前两类与后两类在内存容量、构成方面大不相同，应用范围重叠较少。第1、2类标签是双态的，可为读/写或只读，第3、4类常常是只读的，数据在生产时写入或者后期通过标签写入器写入。

2.NFC标签的运行

NFC标签是无需电源的被动装置。在使用时，用户用具有NFC功能的设备与其接近，标签通过电感从读写器获得很小的电源，驱动标签的电路，把信息传输到读写器。

标签内存里的数据传送到NFC设备后，根据其实际内容（如URL网址、文本、其他数据）来决定后续操作，可能是打开某一网址、显示文本内容、进行文件传输等。

简单的低成本NFC标签可以一次性使用，如用于智能海报、展板等。

3.NFC标签的生产

在保证功能的前提下，标签应该能够低成本量产，因此在设计标签时要考虑以下的几个关键参数。

（1）读取速度

速度决定了在两个NFC装置接近时传输标签数据的时间。如果速度太慢，在装置离开后还没有完成传输，在可靠性上就是致命的。即使有友好提示，重复多次的接近操作也会让用户厌烦。第1类NFC标签允许所有数据整块（Block）传输，保证了标签的读取性能。

（2）晶片尺寸

在NFC标签设计中，晶片尺寸（Die Size）具有决定了它可以用于什么样的设备和场合。尺寸较大时可以用在智能海报中，尺寸较小时，才能用在手机卡、手机后盖等小物件上，而且成本也会降低，隐蔽性更好。存储容量较小也决定了标签可以做得很小。

（3）单位价格

NFC标签的目标应用是极低成本的，单位价格甚为关键。标签成本受内存大小和所含附加特征带来的集成电路复杂性等众多因素的影响。

● 无卡不入：细说近场通讯应用

NFC技术的诞生已经有十几年的时间，但是在早期并没有得到大面积应用。因为最初它的优势在于快速支付，而微信、支付宝等形式诞生后，人们有了更多方便的支付方式可以选择，NFC的扫机支付不再令人神往。然而，NFC的应用远远不止支付手段这一方面，而是涉及社会生活的方方面面。

NFC的应用主要可分为四个基本类型：移动支付、电子票证、智能媒体、数据交换。

1.移动支付

NFC最实用的功能就是移动支付，使手机成为一个移动钱包，目前在地铁、公交、商场、饭店等部分场所已经可以使用，但普及程度还远远不够。

2.电子票证

让NFC设备充当公交卡、门禁卡、电子钥匙、车票门票等，是完全可能的。目前很多地市都以SIM卡形式支持这种公交一卡通（部分是使用老式的RFID-SIM卡）。

3.智能媒体

包括各种智能展板、海报、卡片、名片、标签等。使用NFC手机读取这些NFC标签就可以获得相关信息。例如，读取电影海报能下载和播放预告片，读取名片能把联系方式保存到手机上，读取街头的公共标签就能浏览交通、天气等各种信息。其实这种用法与二维码的扫码非常类似。

4.数据交换

数据交换常常是无线连接不可避免的要求。NFC也具有数据传输功能，如传输图片、交换通讯录、传递文件等。但是NFC的传输速度太慢（如图10）。

如果NFC与蓝牙配合，结果就大不相同了。先用NFC进行识别，这个过程“碰一下”就完成了，省去了验证码的输入和手工配对的麻烦；然后再用蓝牙建立连接和传输数据，速度快且传输量大。这样的好处是，碰一下后即可分开，不需要一直保持近距离，因为后面的数据传输是由蓝牙连接来完成的。

类似的，手机碰碰电脑，手机碰碰键盘，信息交换就轻松愉快地开始了——前提是，它们都支持NFC。

5.特定动作

通过特定的NFC标签，还可以让手机产生特定的动作。例如，登录WIFI网络，连接蓝牙设备，转换手机模式，直接拨打电话等。

市场上已经有了带NFC智能配对功能的音响产品，打开手机的NFC功能并在音响的特定区域碰一下，便可实现手机与音响之间的蓝牙配对连接，省去了密码验证和配对的麻烦。当然，目前也已经有了可直接智能搜索自动配对的蓝牙音箱。

如果在会议室门口设置一个特殊的NFC标签，与会者入场时扫一下就能将手机设为会议模式，肯定也是很受欢迎的；在轿车驾驶室内设置一个NFC标签，用于触碰时快速切换手机至驾驶模式，那也会更方便；而在广告牌的电话号码下，设置一个NFC标签，手机碰一下就可以直接拨打这个电话或者发送短信，恐怕也会吸引不少商家；在宾馆房间内的床头边，设置启用/关闭闹钟等一系列快捷NFC标签，不但人性化，也会大受欢迎……

● 结束语

据ABI市场调查公司的数据，2017年市场上NFC设备总数将达19.5亿台，涉及产品包括智能手机、平板电脑以及家庭娱乐终端。乐观地看，我们可以期待NFC技术一路高歌。然而，支付宝、微信等在移动支付上的优势，二维码在快速访问上的优势，云存储在数据传输上的优势，都是NFC的巨大威胁。

经过近十年的发展，NFC技术已经为我们展现了一幅迷人的应用画卷，它的普及和应用仍然要受到NFC硬件产品多样化和NFC智能标签丰富性的影响。虽然它已经异军突起，势力初见端倪，但毕竟应用因服务而生，其前途是鲜花一片还是步步危机，我们只能拭目以待，并给它一阵鼓励的掌声。