NFC (Near Field Communication)¶

基本信息¶

属性	值
工作频率	13.56 MHz
通信距离	≤ 10 cm
数据速率	106 / 212 / 424 kbps
标准	ISO 14443, ISO 18092, ISO 15693
功耗	~15-50 mA (活跃)
典型芯片	NXP SN220, ST ST25

工作原理¶

NFC 基于电磁感应耦合,工作在 13.56 MHz 频段:

NFC 通信原理 — NFC 近场通信原理：13.56 MHz 电磁感应耦合 (≤ 10cm)

三种工作模式¶

模式	说明	应用
读写模式	手机读写 NFC 标签	读取公交卡余额、NFC 标签
点对点模式	两个 NFC 设备相互通信	Android Beam (已淘汰)
卡模拟模式	手机模拟为 NFC 卡片	Apple Pay、Google Pay、门禁模拟

安全元件 (Secure Element)¶

NFC 支付需要安全元件存储密钥和支付凭证:

方案	说明	使用者
eSE	嵌入式安全元件 (独立芯片)	Apple (Apple Pay)
SIM-SE	SIM 卡内安全元件	运营商方案
HCE	主机卡模拟 (软件方案)	Android (Google Pay)

NDEF 数据格式¶

NDEF (NFC Data Exchange Format) 是 NFC Forum 定义的标准数据封装格式,用于在 NFC 标签和设备之间交换数据。

NDEF Record 结构¶

每个 NDEF 消息由一个或多个 NDEF Record 组成,每条记录包含:

字段	长度	说明
TNF (Type Name Format)	3 bit	标识 Type 字段的格式
Type	可变	记录类型 (如 "U" 表示 URI, "T" 表示文本)
Payload Length	1 或 4 字节	负载数据长度
Payload	可变	实际数据内容

常见 TNF 类型¶

TNF 值	名称	说明
0x01	NFC Forum well-known	标准类型 (URI, Text, Smart Poster)
0x02	Media-type (RFC 2046)	MIME 类型 (如 `application/json`)
0x03	Absolute URI	完整 URI 作为类型
0x04	NFC Forum external	自定义扩展类型

URI 前缀缩写码¶

NDEF URI Record 的 Payload 第一个字节是前缀缩写码,可节省存储空间:

代码	前缀	代码	前缀
0x01	`http://www.`	0x02	`https://www.`
0x03	`http://`	0x04	`https://`
0x05	`tel:`	0x06	`mailto:`

关键参数解析¶

通信距离与耦合系数¶

NFC 基于互感耦合,两个线圈之间的互感量:

\[M = k\sqrt{L_1 L_2}\]

其中 \(k\) 为耦合系数 (0-1),\(L_1, L_2\) 为两个线圈的电感。NFC 工作距离 ≤ 10 cm 时, \(k\) 一般在 0.01-0.3 之间。

数据速率与调制方式¶

模式	速率	调制方式	编码
NFC-A (106A)	106 kbps	ASK 100%	Modified Miller
NFC-B (106B)	106 kbps	ASK 10%	NRZ-L
NFC-F (212F)	212 kbps	ASK ±10%	Manchester
NFC-F (424F)	424 kbps	ASK ±10%	Manchester

无源标签供电¶

NFC 读写器的磁场为无源标签提供工作能量。标签线圈感应电压:

\[V_{induced} = -M \frac{dI}{dt}\]

典型 NFC 标签工作功耗约 1-5 mW,在 13.56 MHz 载波下完全由读写器磁场供电。

应用实例¶

1. NDEF 消息解析¶

def parse_ndef_message(raw_bytes):
    """解析 NDEF 消息字节流，返回记录列表
    raw_bytes — NDEF 消息的原始字节 (bytes)
    """
    records = []
    pos = 0
    while pos < len(raw_bytes):
        header = raw_bytes[pos]
        tnf = header & 0x07
        is_short = bool(header & 0x10)       # SR 位
        has_id = bool(header & 0x08)          # IL 位
        pos += 1
        type_len = raw_bytes[pos]; pos += 1
        payload_len = raw_bytes[pos]; pos += 1  # SR=1 时 1 字节
        id_len = raw_bytes[pos] if has_id else 0
        if has_id: pos += 1
        rec_type = raw_bytes[pos:pos+type_len]; pos += type_len
        rec_id = raw_bytes[pos:pos+id_len]; pos += id_len
        payload = raw_bytes[pos:pos+payload_len]; pos += payload_len
        records.append({
            'tnf': tnf, 'type': rec_type, 'payload': payload, 'id': rec_id
        })
    return records

# 示例: 合成一条 NDEF URI Record (https://www.example.com)
ndef_msg = bytes([0xD1, 0x01, 0x0C, 0x55,     # header, type_len=1, payload_len=12, type='U'
                  0x02]) + b'example.com'       # 0x02='https://www.' + 'example.com'
for rec in parse_ndef_message(ndef_msg):
    print(f"  TNF={rec['tnf']}, Type={rec['type']}, Payload={rec['payload']}")

2. NDEF URI 解码¶

def decode_ndef_uri(payload):
    """解码 NDEF URI 记录的 payload，返回完整 URI"""
    URI_PREFIXES = {
        0x00: '', 0x01: 'http://www.', 0x02: 'https://www.',
        0x03: 'http://', 0x04: 'https://',
        0x05: 'tel:', 0x06: 'mailto:',
    }
    prefix_code = payload[0]
    prefix = URI_PREFIXES.get(prefix_code, '')
    rest = payload[1:].decode('utf-8', errors='replace')
    return prefix + rest

# 示例
payload = bytes([0x02]) + b'example.com'    # 0x02 = 'https://www.'
print(decode_ndef_uri(payload))              # → https://www.example.com
payload2 = bytes([0x04]) + b'github.com/Zebedee2021'
print(decode_ndef_uri(payload2))             # → https://github.com/Zebedee2021