Eine Einführung in NFC

Früher arbeitete ich in einem Forschungslabor, das sich vor allem mit Radio-Frequency-Identification-(RFID)- und Near-Field-Communication-(NFC)-Technologie beschäftigte, insbesondere für die Landwirtschaft und die Rinderidentifikation. Dies waren sehr spezielle Anwendungsfelder. Das Labor arbeitete jedoch auch an Projekten, die den Einzelhandel und verschiedene andere NFC-Anwendungen betrafen. Es ist eine erstaunliche Technologie, die Sie möglicherweise tagtäglich nutzen, ohne darüber weiter nachzudenken – von der Gebäudezugangsberechtigung bis hin zu Mobile Payment über Ihr Smartphone.

NFC ähnelt und basiert in vielerlei Hinsicht auf RFID, ist aber ein eigenständiges Konzept. Es gibt passive und aktive RFID-Tags, wobei aktive Tags aus relativ großen Entfernungen gelesen werden können. NFC, wie der Name schon sagt, arbeitet im Nahfeldbereich des elektromagnetischen Feldes. 

RFID sind schon lange auf dem Markt und wird es auch in absehbarer Zeit geben. NFC ist eine direkte Weiterentwicklung von RFID, die man vielleicht als einen parallelen Zweig betrachten könnte. Auf der einfachsten Ebene handelt es sich bei NFC typischerweise um zwei induktiv gekoppelte Geräte, wobei die Kommunikation durch Modulation der von dem passiven Gerät aufgenommenen Leistung erfolgt. Passive RFID absorbiert HF-Leistung und nutzt diese dann, um Daten zurück an das Lesegerät zu übertragen. Aktive RFIDs nutzen dagegen eine eigene Stromquelle, um Daten zurück an das Lesegerät zu übertragen. Wie offenbar immer bei NFC, gibt es eine Ausnahme von diesen Regeln: Ein NFC-Tag vom Typ 5 arbeitet auf größere Entfernungen (bis zu 1 Meter), aber darauf kommen wir später noch zu sprechen.

In der typischsten NFC-Implementierung ist das Gerät aktiv, das als Master in der Kommunikation fungiert und das modulierte HF-Nahfeld erzeugt, welches das passive Slave-Gerät versorgt. Das aktive Gerät wird oft als Reader bezeichnet, während das passive Gerät Tag genannt wird. Gängige Anwendungsbeispiele für Tags sind Aufkleber und Embedded Systems; das häufigste Lesegerät, das Sie wahrscheinlich im Alltag für NFC sehen werden, ist ein Smartphone oder ein Zahlungsterminal.

Nahfeldkommunikation

In der typischen HF-Kommunikation strahlt die Sendeantenne HF-Signale in den freien Raum ab, wofür Antennen von mindestens λ/4 (Viertelwellenlänge) erforderlich sind, um wirksam zu sein. Zwei RF-Geräte können typischerweise kommunizieren, wenn sie über 2λ (zwei Wellenlängen) getrennt sind; bei einem 2,4-GHz-Signal sind dies z. B. etwa 245 mm (10 Zoll). 

NFC kommuniziert stattdessen innerhalb des Nahfeldbereichs des Raums unterhalb λ/2 (weniger als eine halbe Wellenlänge). Zwei Nahfeldgeräte fungieren als gekoppelte Induktivitäten bzw. zwei Wicklungen eines Transformators, die um einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.

Bildquelle: Hochfrequenzstrahlung

Dank der Einführung von NFC als physische Schnittstelle für Zahlungen über Apple und Google ist die Zahl der mit dieser Technologie ausgelieferten Smartphones und die Vertrautheit der Nutzer mit dieser Technologie in den letzten Jahren sprunghaft angestiegen. Dies erlaubt eine große Bandbreite interessanter Anwendungsmöglichkeiten und Projekte rund um NFC.

Technische Parameter von NFCs

Da NFC-Tags im Nahfeld betrieben werden, unterscheiden sich die technischen Möglichkeiten und Spezifikationen radikal von konventionellen drahtlosen Fernfeldtechnologien, mit denen Sie vielleicht besser vertraut sind. Schauen wir uns einige der interessanten technischen Daten im Umfeld von NFC an und wie sich diese Technologie im Vergleich zu einer drahtlosen Fernfeldtechnologie verhalten würde.

Betriebsradius:

Die typische maximale Reichweite von Wi-Fi-Geräten im Freien liegt bei 2,4 GHz bei etwa 50 bis 75 Meter, obwohl spezielle Punkt-zu-Punkt-Geräte unter Einhaltung des Standards mehr als 100 km erreichen können. Bluetooth-Geräte arbeiten zwar wie Wi-Fi ebenfalls auf dem 2,4-GHz-Band, gehen jedoch Kompromisse bei der Bandbreite ein, um den Stromverbrauch zu minimieren, und erreichen bei der Revision 5.0 eine Reichweite von über 300 Metern. LoRa-Geräte können dagegen eine Reichweite von mehr als 10 km überbrücken, obwohl der Stromverbrauch wesentlich geringer ist als bei den beiden anderen Technologien – zulasten der erheblich geringeren Bandbreite.

NFC ist konstruktionsbedingt auf maximal 10 cm begrenzt. 

Nahfeld-Kommunikationssysteme basierend auf magnetischer Induktion wie NFC haben eine sehr restriktive Leistungsdichte. Sie nimmt proportional zum Kehrwert der sechsten Potenz des Abstands ab. Dieser Abfall ist signifikant höher als bei der Fernfeldkommunikation, sodass am Ende des Nahfeldbereichs für z. B. 13,56 MHz (eine der gängigsten Frequenzen für NFC) die Energiepegel 10.000 bis 1.000.000 Mal (-40 dB bis -60 dB) niedriger liegen als bei einem äquivalenten Fernfeldsender.

Wie jede gute Regel hat auch diese eine Ausnahme. NFC Type 5 Tags, die das ISO-15693-Protokoll verwenden, können mit spezieller Hardware noch bei einem Meter Abstand ausgelesen werden. Die meisten Smartphones halten sich in der Praxis jedoch an die 10-cm-Grenze. Einige Hochleistungs-NFC-Antennen ermöglichen das Lesen von Aufklebern in einer Entfernung von bis zu 15 cm, während auf der anderen Seite des Spektrums kleinere Aufkleber die Distanz auf etwa 2 cm begrenzen.

Der reduzierte Abstand macht eine bewusste Handlung des Benutzers erforderlich, damit das Protokoll funktioniert. NFC ist das einzige weit verbreitete drahtlose Kommunikationsprotokoll, dessen Nutzung im Gegensatz zu den ständig aktiven Wi-Fi- und Bluetooth-Systemen eine bewusste Handlung des Benutzers erfordert.

Frequenz

Megahertz ist eine Maßeinheit, die niemand in den Spezifikationen eines drahtlos kommunizierenden, modernen Smartphones erwarten würde. Das iPhone 11 kommuniziert in Frequenzbereichen bis zu 8 GHz, und 60 GHz WiGig-Geräte setzen sich mehr und mehr auf dem Markt durch. NFC verfolgt einen anderen Ansatz und senkt den Stromverbrauch, die Reichweite, den Preis – und die Frequenz.

Die relativ geringe Frequenz im Vergleich zu weit verbreiteten Hochgeschwindigkeitsverbindungen, gepaart mit der geringen Reichweite, macht die Implementierung von NFC-Antennen relativ problemlos. Ein cleverer Konstrukteur möchte vielleicht aus Gründen der Einfachheit (oder aus mangelnder Erfahrung) ein Bluetooth- bzw. Wi-Fi-Modul mit integrierter Antenne einsetzen. Im NFC-Bereich wird Ihr Design, solange Sie sich an die Designempfehlungen Ihres ICs halten, wahrscheinlich unabhängig von kleineren Herstellungsabweichungen oder Objekten im Nahbereich, gut funktionieren. Dies ist bei Frequenzen im Mikrowellenbereich der Fall.

Datenrate

Der NFC-Standard unterstützt eine maximale Bandbreite von 424 kbit/s, etwa die achtfache Geschwindigkeit eines klassischen 56-kbit/s-Modems. Diese Limitierung macht den Standard in seiner Leistung vergleichbar mit Bluetooth, bei etwa der halben Datenübertragungsrate von Revision 4.0. Leider hat der Standard viel Overhead, und die meisten Geräte operieren oft unterhalb von 50 kbit/s. Selbst mit einer so begrenzten Übertragungsleistung der Verbindung, sind die Anwendungen, mit etwas Einfallsreichtum und Kreativität, endlos. Da der Speicherumfang der meisten Tags relativ begrenzt ist, besteht eh kaum Bedarf für höhere Datenraten.

Speicher

Die meisten NFC-Tags enthalten ein Speichervolumen zwischen 100 Byte und 1 KByte, obwohl Modelle mit einer Speicherkapazität von bis zu 64 KByte erhältlich sind. Diese größeren Speicherkapazitäten werden häufig für den Einsatz von Chipkarten verwendet.

Die Speichermenge klingt zwar recht begrenzt, erlaubt aber eine beträchtliche Anzahl von 8–16 Bit (1–2 Byte) Sensormesswerten oder Informationen über das Objekt, an dem der Tag angebracht ist.

Stromaufnahme

Viele NFC-ICs bieten einen Energy-Harvesting-Ausgang, der unter optimalen Bedingungen etwa 5 mA liefert. Hier einige Vorschläge, in keiner bestimmten Reihenfolge, was man mit weniger als 5mA tun könnte:

• Versorgung externer Sensoren und analoger Schaltungen. Zur Temperaturmessung zur Verfolgung verderblicher Güter sind NFC-ICs mit eingebetteten Temperatursensoren bereits weit verbreitet.
• Versorgung eines externen Speichers, der größer ist als das, was Ihr NFC-IC bietet
• Aktualisieren eines E-Ink-Displays
• Aufladen einer kleinen Lithium-Batterie
• Aufladen eines Superkondensators (elektrolytischer Doppelschichtkondensator).

Kosten

NFC-Aufkleber, Tags und Basis-ICs werden häufig für das Asset-Tracking eingesetzt und müssen deshalb äußerst erschwinglich sein. Wenn jeder Artikel in einem Supermarkt oder jedes Kleidungsstück in einem Bekleidungsgeschäft mit einem NFC-Tag versehen werden soll, würden selbst 50 ct je Tag zu teuer sein. Glücklicherweise erlaubt die Simplizität von NFC die einfache Herstellung von Aufklebern, Etiketten und Basis-Tags, wobei die Kosten je nach Volumen zwischen 10 und 50 ct pro Tag liegen.

NFC-Tags

Wenn man die NFC-Standards liest, bekommt man den Eindruck, dass sie zur Unterstützung einer Vielzahl bestehender Standards und Anwendungen entwickelt wurden. Erfreulicherweise braucht praktisch kein Elektronikingenieur, der sich mit den gängigen NFC-Implementierungen befasst, ein tiefes Verständnis der NFC-Tag-Typen: Alle modernen Smartphones sind mit jeden einzelnen NFC-Tag-Typ kompatibel. Die Fähigkeiten und Merkmale jedes einzelnen NFC-ICs, – ob aktiv oder passiv, Tag oder Reader, Aufkleber oder ein ganzes SoC –, werden im Datenblatt klar angegeben.

Die überwiegende Mehrheit der NFC-Karten, Aufkleber und Asset-Tags implementiert den NFC-Forum-Tag Typ 2. Durch die NFC-Kommunikation oder eine I2C-Schnittstelle für den Anschluss an einen Mikrocontroller können rudimentäre Speicherung und Abruf von Daten durch Tag Typ 2 erfüllt werden.

Die Fähigkeit, Berechnungen zusätzlich zur Speicherung und zum Abruf durchzuführen, sowie erweiterte Sicherheitsfunktionen werden in erster Linie durch den Tag-Typ 4 unterstützt. Und schließlich benötigen Sie einen Tag Typ 5, wenn Sie eine Fernablesung in Verbindung mit der Möglichkeit der Interaktion der Benutzer mit dem Tag über ein Smartphone benötigen.

Wenn Sie ein Lesegerät für eine benutzerdefinierte Anwendung bauen, wird der von Ihnen verwendete Tag-Typ höchstwahrscheinlich von der Anwendung bestimmt und davon, welche Tags Sie beschaffen können, statt von der Auswahl eines bestimmten Tag-Typs. Wenn Sie ein benutzerdefiniertes Tag erstellen, wird die Auswahl in der Regel ebenfalls für Sie getroffen, da der NFC-IC, den Sie für Ihre Tag-Implementierung verwenden, den Tag-Typ bestimmen wird.

NFC Forum Tag Type 1

Der NFC-Tag Typ 1 ist, wie die Zahl vermuten lässt, der einfachste und billigste unter allen NFC-Tag-Typen. Typische Typ-1-Tags unterstützen die Nur-Lese- oder Einmal-Schreib-Operation. Es sind jedoch R/W-fähige Modelle verfügbar, die in der Regel über einen Speicher von etwa hundert Byte (max. 2 KByte) und eine vergleichsweise geringe Bandbreite von 106 kbit/s verfügen. Zu den typischen Anwendungen gehören Aufkleber, Marketing, Produktverfolgung, und als solche sind diese Tags für den durchschnittlichen Elektronikingenieur nur von begrenztem Interesse.

Der Standard für NFC-Typ-1-Tags ist ISO 14443A.

NFC Forum Tag Type 2

Ähnlich wie Typ-1-Tags unterstützen NFC Typ 2 Tags nur die ISO 14443A sowohl im Nur-Lese- als auch im Schreib-Lese-Betrieb. Viele Typ-2-ICs bieten Energy-Harvesting-Funktionalität und I2C-Verbindung zu einem externen Mikrocontroller; Typ-2-Tags sind jedoch als Aufkleber, Karten und Tickets weit verbreitet.

Wie bereits erwähnt, ist ein Typ-2-Tag in einer Vielzahl von Formen und Größen am häufigsten auf dem Markt anzutreffen, von Aufklebern bis hin zu Kabelbindern.

NFC Forum Tag Type 3

Der Typ-3-Tag, der auf dem Sony FeliCa-Protokoll basiert, wird hauptsächlich in Japan und Asien eingesetzt und häufig für elektronisches Geld, Identifikation, Fahrkarten und ähnliche Anwendungen auf dem relevanten japanischen Markt verwendet. Der Standard wurde nur in begrenztem Umfang für internationale elektronische Güter angenommen, und seine Hauptverwendungszwecke umfassen die Unterstützung von Legacy-Anwendungen.

NFC Forum Tag Type 4

Der Typ-4-Tag, der mit den Protokollen ISO 14443A und ISO 14443B kompatibel ist, unterstützt zusätzlich die Norm ISO 7815 zur Identifizierung von Chipkarten. Diese Tags können die in ihrem Speicher befindlichen Daten verändern und werden üblicherweise für Sicherheits-, Identifikations- und Zahlungsanwendungen eingesetzt.

NFC Forum Tag Type 5

Der Typ-5-Tag ist die jüngste Spezifikation, die veröffentlicht wurde. Die zugrunde liegende physikalische Schicht unterscheidet sich von allen anderen NFC-Tag-Typen, da sie auf der RFID-Technologie (ISO 15693) anstelle von ISO 14443A basiert und eine erhöhte Lesedistanz von bis zu 1,5 m ermöglicht. NFC-Geräte für Verbraucher, wie z. B. Smartphones, sind jedoch wie alle anderen NFC-Tag-Typen auf 10 cm begrenzt, und die Interaktion aus größerer Entfernung erfordert spezielle Lesegeräte.

NFC-Interaktionarten

NFC unterstützt drei Hauptkommunikationsmodi: Lesen/Schreiben, Peer-to-Peer und Kartenemulation.

Lese-/Schreibmodus

Der Lese-/Schreibmodus ist die einfachste und gebräuchlichste Betriebsart des NFC-Standards. Das NFC-Tag implementiert einen Speicher, dessen Inhalt normalerweise aus NDEF (NFC Data Exchange Format) formatierten Daten besteht. Der Leser kann den Inhalt eines solchen Speichers lesen oder schreiben.

Die Definition ist relativ einfach, aber wie die meisten einfachen Konzepte in der Elektronik ist sie außergewöhnlich vielseitig.

Auf den Speicher des NFC-Tags kann oft nicht nur vom Lesegerät, sondern auch vom Tag selbst zugegriffen werden, wenn er die Fähigkeiten eines vollständigen System-on-Chips (SoCs) besitzt oder mit einem externen Mikrocontroller verbunden ist. In diesem Szenario fungiert der Tag wie ein Dual-Port-Speicher – vergleichbar mit einer Datenbank, auf die von zwei Computern zugegriffen wird. Darüber hinaus kann der Tag selbst sowohl vom NFC-Lesegerät als auch von der sekundären MCU mit Strom versorgt werden. Der Tag wird also immer dann mit Energie versorgt, wenn auf ihn zugegriffen wird.

Peer-to-Peer-Modus

Im Peer-to-Peer-Modus kommunizieren zwei aktive Geräte über einen der beiden folgenden Wege miteinander.

Ein Gerät simuliert, ein Tag zu sein, während das andere Gerät simuliert, ein Reader zu sein. Dieses Szenario ist eindeutig eine Master-Slave-Lösung. Es ist gut geeignet, wenn Sie einen „intelligenten“ und einen „dummen“ Teil Ihres Systems haben, etwa einen Master-Mikrocontroller, der über eine physikalische Barriere mit einer sekundären kleineren MCU kommuniziert. Dieser Modus ermöglicht es dem System auch, die Kompatibilität mit Smartphones sicherzustellen, da das Smartphone selbst als Lesegerät und das Embedded-Device als Tag fungieren kann.

Der abstraktere, aber auch flexiblere Ansatz der Implementierung von Peer-to-Peer erfolgt über ein Protokoll namens LLCP (Logical Link Control Protocol), das binäre Kommunikation sowohl mit (wie bei TCP) als auch ohne (wie bei UDP) zugrundeliegende Verbindung unterstützt. Das LLCP-Protokoll soll eine willkürliche und flexible Kommunikation zwischen zwei aktiven Geräten auf eine Weise ermöglichen, die BSD-Sockets ähnelt und vielen Embedded- und Unix-Programmierern bekannt ist. Das LLCP-Protokoll ermöglicht als einziges die schnelle Portierung bestehender Protokolle wie Modbus, RS485, CAN, LIN oder UART über eine NFC-Verbindung und ermöglicht so neue Wege der Kommunikation.

Der Nachteil des Datenaustauschs über das LLCP-Protokoll ist die fehlende Unterstützung für Smartphones, sodass der Datenaustausch auf Embedded-to-Embedded-Kommunikation oder Embedded-to-PC beschränkt ist. Wenn Sie eine benutzerdefinierte NFC-Anwendung erstellen oder NFC zur Erfüllung Ihrer Projektanforderungen verwendet werden könnte, ohne dass eine Smartphone-Integration erforderlich ist, dann ist LLCP genau das Richtige, wenn Sie eine drahtlose Nahbereichsverbindung benötigen. 

Kartenemulationsmodus

Der Kartenemulationsmodus ermöglicht es NFC-fähigen Geräten, NFC-Tags zu simulieren, vergleichbar mit Apple Pay®-Zahlungen über das iPhone bzw. Android-Geräte über Google Pay®. Dieser Modus dürfte für die meisten Anwendungen der Elektrotechnik von geringer Bedeutung sein.

Fazit

NFC ist ein vielseitiges Protokoll, das gegenüber RFID bedeutende neue Leistungsmerkmale für das Lesen und die Kommunikation von Tags mit kurzer Reichweite bietet. Es kann zur Zugriffskontrolle/Authentifizierung auf Geräte, zur gemeinsamen Nutzung von Sensordaten und für eine Vielzahl anderer Anwendungen verwendet werden.

Angenommen, Sie benötigen eine sichere drahtlose Verbindung mit kurzer Reichweite. In diesem Fall bietet NFC erhebliche Vorteile gegenüber einem typischen drahtlosen Fernfeldprotokoll, da die Kommunikationsreichweite von Natur aus begrenzt ist und die Feldstärke schnell abfällt, was das Abhören der Kommunikationen schwierig macht. Dies kann, neben der Nutzung von verschlüsselten Protokollen, eine weitere Sicherheitsebene schaffen. 

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