NFC开发相关

NFC概述

NFC（Near Field Communication，近场通信）也叫做近距离无线通信技术。该技术最早由Philips和Sony两家公司于2002年年末联合推出。2004年，Nokia、Philips、Sony等公司还共同组建了一个名为NFC Forum的非盈利性组织来推广和发展NFC技术。
从原理上说，NFC和Wi-Fi类似，二者都利用无线射频技术来实现设备之间的通信。不过，和Wi-Fi相比，NFC的工作频率为13.56MHz，有效距离为4cm左右，目前所支持的数据传输速率有106kbps、
212kbps和424kbps三种。

NFC发展过程

通过图8-1所示的NFC技术演化历程可知，NFC融合了三条主要的技术发展路线

RFID技术路线（左图）

无线射频识别技术。该技术路线发源于条形码（Barcodes），然后发展出了RFID，最终出现了NFC中的两个重要组件NFC Tag（标签）和NFC Reader。NFC Tag的作用和Barcodes类似，它是一种用于存储数据的被动式（Passive）RFID Tag，其最重要的特征就是NFC Tag自身不包含电源组件，所以它工作时必须依靠其他设备（比如NFC Reader）通过电磁感应的方式向其输送电能。和NFC Tag相对应的组件是NFC Reader，它首先通过电磁感应向NFC Tag输送电能使其工作，然后根据相关的无线射频通信协议来存取NFC Tag上的数据。

磁条卡（Magnetic Strip Cards）技术路线（右图）

该路线最终演化了NFC使用的Proximity Coupling Smart Card技术（有效距离为10cm，对应的规范为ISO/IEC14443。注意，图中的Close Coupling Smart Card的有效距离为1cm，对应的规范为
ISO/IEC 10536。Vicinity Coupling Smart Card的有效距离为1m，对应的规范为ISO/IEC 15693）。粗略来看Smart Card和RFID Tag类似，例如二者都只存储一些数据，而且自身都没有电源组件，但Smart Card在安全性上的要求远比RFID Tag严格。另外，Smart Card上还能运行一些小的嵌入式系统（如Java Card OS）或者应用程序（Applets）以完成更为复杂的工作。

移动终端线路（中间）

演化了携带NFC功能的终端设备（图中间）。随着移动终端越来越智能，NFC和这些设备也融合得更加紧密，使得NFC的应用场景得到了较大的拓展。智能手机可通过NFC来和AP交换安全配置信息。
一个与之类似的例子是NFC Connection Handover技术，它描述了两台智能终端如何通过NFC相关协议来选择合适的数据传输方式（例如Bluetooth或Wi-Fi，受限于传输速率以及有效距离，NFC本身不适合大数据量传输）。

NFC的工作模式

NFC支持如下3种工作模式：仿真卡模式(Card Emulation Mode)，点对点模式（P2P mode），读卡器模式（Reader/writer mode）。

Application之下的三个箭头描述了三种运行模式所使用的协议栈。这部分内容将留待下文分析。

读卡器模式 (R/W)

数据在NFC芯片中，可以简单理解成“刷标签”。本质上就是通过支持NFC的手机或其它电子设备从带有NFC芯片的标签、贴纸、名片等媒介中读写信息。通常NFC标签是不需要外部供电的。当支持NFC的外设向NFC读写数据时，它会发送某种磁场，而这个磁场会自动的向NFC标签供电。
以支持NFC功能的智能终端为例，NFC R/W运行模式所包含的组件如图所示：

图中展示了一个包含NFC芯片的智能终端与NFC Tag交互所涉及的组件。

左边的智能终端扮演NFC Reader角色。位于其内部的NFC芯片包含NFC Controller（NFC控制器，它可与Device HostSecure Element安全单元交互）、Antenna（天线）和Contactless Front-End（CLF，非接触式前端，负责射频信号的调制解调等工作）三个部分。
在R/W模式中，交互操作的发起方只能是NFC Reader，因此它也称为Initiator或Active Device。
右边的NFC Tag，由于需要NFC Reader通过电磁感应为其提供电能，所以在R/W模式中，NFC Tag只能作为交互操作的Target（也称为Passive Device）。
NFC Forum定义了四种类型的Tag，分别为Type 1、Type 2、Type 3和Type 4。这四种类型NFC Tag的区别在于存储空间大小、数据传输率以及底层使用的协议。下表列举了它们的不同点。

注意这里需要特别指出的是：虽然NFC Froum只有四种类型的Tag，但由于NFC本身源自RFID技术，二者在一些底层协议上也相互兼容，所以很多RFID Tag也能被NFC Reader识别和操作。

NFC Forum定义了两个通用的数据结构用于NFC Device之间（包括R/W模式中的NFC Reader和NFC Tag）传递数据。这两个通用数据结构分别是NFC Data Exchange Format（NDEF）以及NFC Record。具体可参考NDEF及NFC Record

仿真卡模式(CE)

数据在支持NFC的手机或其它电子设备中，可以简单理解成“刷手机”。本质上就是将支持NFC的手机或其它电子设备当成借记卡、公交卡、门禁卡等IC卡使用。基本原理是将相应IC卡中的信息凭证封装成数据包存储在支持NFC的外设中。
在使用时还需要一个NFC射频器（相当于刷卡器）。将手机靠近NFC射频器，手机就会接收到NFC射频器发过来的信号，在通过一系列复杂的验证后，将IC卡的相应信息传入NFC射频器，最后这些IC卡数据会传入NFC射频器连接的电脑，并进行相应的处理（如电子转帐、开门等操作）。

点对点模式

该模式与蓝牙、红外差不多，用于不同NFC设备之间进行数据交换，不过这个模式已经没有有“刷”的感觉了。其有效距离一般不能超过4厘米，但传输建立速度要比红外和蓝牙技术快很多，传输速度比红外块得多，如过双方都使用Android4.2，NFC会直接利用蓝牙传输。这种技术被称为Android Beam。所以使用Android Beam传输数据的两部设备不再限于4厘米之内。
点对点模式的典型应用是两部支持NFC的手机或平板电脑实现数据的点对点传输，例如，交换图片或同步设备联系人。因此，通过NFC，多个设备如数字相机，计算机，手机之间，都可以快速连接，并交换资料或者服务。

NFC相关规范

NFC使用的是无线射频技术。在RF层，与之相关的规范是ISO 18092（NFC Interface and Protocol I，简称NFCIP-1，该规范定义了NFC RF层的工作流程）和ISO14443 Type A、Type B，以及FeliCa。ISO 14443全称为非接触式IC卡标准，它从RF层面定义了如何与不同的非接触式IC卡（其实物可以是NFC Tag、RFID Tag、Smart Cards）交互。ISO 14443定义了Type A和Type B两种非接触式IC卡。除了ISO等标准组织制定的规范外，NFC Forum也制定了一系列的标准和规范

由图所示的NFC Forum规范框架可知，NFC Forum本身只定义了P2P模式和R/W模式相关的规范，规范的细节将留待下文详细介绍。CE模式比较复杂，下文也会讨论和它相关的一些知识。

在RF层，NFC Forum定义了三个主要规范。

Analog Specifications：该规范描述了NFC设备RF层的电气特性。
Digital Protocal Specification：该规范在ISO 18092、ISO 14443及JIS X6319-4之上定义了NFC设备之间的数字通信协议，它使得基于不同底层协议例如Type A或TypeF的NFC设备之间或者NFC设备与其他使用ISO 18092等规范的设备之间能够交互。
NFC Activities Specification：该规范为各运行模式对应的协议栈提供支持，例如P2P模式下两个NFC设备如何建立链接，R/W模式下NFC Device如何操作NFC Tag。
另外，除了上图所示的规范外，NFC还制定了一个NCI（NFC Controller Interface）规范，该规范制定了一套交互接口，使得主机设备（Device Host，以手机为例，NFC芯片被集成到某个手机中，那么手机就是Device Host）能够使用这套接口来和NFC芯片交互。

Android对NFC的支持

不同的NFC标签之间差异很大，有的只支持简单的读写操作，有时还会采用支持一次性写入的芯片，将NFC标签设计成只读的。当然，也存在一些复杂的NFC标签，例如，有一些NFC标签可以通过硬件加密的方式限制对某一区域的访问。还有一些标签自带操作环境，允许NFC设备与这些标签进行更复杂的交互。这些标签中的数据也会采用不同的格式。但Android SDK API主要支持NFC论坛标准（Forum Standard），这种标准被称为NDEF（NFC Data Exchange Format，NFC数据交换格式）。

NDEF数据的操作

Android SDK API支持如下3种NDEF数据的操作：
1）从NFC标签读取NDEF格式的数据。
2）向NFC标签写入NDEF格式的数据。
3）通过Android Beam技术将NDEF数据发送到另一部NFC设备。

用于描述NDEF格式数据的两个类：

1）NdefMessage：描述NDEF格式的信息，实际上我们写入NFC标签的就是NdefMessage对象。
2）NdefRecord：描述NDEF信息的一个信息段，一个NdefMessage可能包含一个或者多个NdefRecord。

NdefMessage和NdefRecord是Android NFC技术的核心类，无论读写NDEF格式的NFC标签，还是通过Android Beam技术传递Ndef格式的数据，都需要这两个类。

非NDEF数据的操作

对于某些特殊需求，可能要存任意的数据，对于这些数据，我们就需要自定义格式。这些数据格式实际上就是普通的字节流，至于字节流中的数据代表什么，就由开发人员自己定义了。

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