科普：什么是NFC？

前言

进入21世纪以来，无线传输技术使得数据的传输变得更具创造力，在脱离了线缆连接的情况下，实现设备间的数据传输和交互如今已是许多人的日常生活。然而，这项技术从问世到普及也不过才短短二三十年而已。

时间虽短，扎根于信息时代的无线数据传输技术，却早已枝繁叶茂，向世界倾泻着它无尽的生命力。时至今日，在无线数据传输技术的主干上已经长出了Bluetooth（蓝牙技术）、WiFi（无线网络技术）、NFC（距离无线通讯技术）等众多技术分支。它们的存在给不仅丰富了人们的生活，还提供了诸多便利。

上期我们给大家介绍了Bluetooth（蓝牙技术），本期我们将接着为大家介绍另一类无线数据传输技术——NFC（近场通讯技术）。

概述

定义

NFC（Near Field Communication）近场通信技术，是一种新兴的无线数据传输技术，使用了NFC技术的设备（例如移动电话）可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，由非接触式射频识别（RFID）及互连互通技术整合演变而来的，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。

发展历史

NFC技术脱胎于触感感应技术，这项技术早于1980年代已经被发明。1983年，当时法国发明家Charlie Walton申请了一项名为"Proximity Coupling Device"的专利，这是最早的触摸感应技术之一，用于无线通信和身份验证。

1990年代：发展阶段

在1997年，几家公司包括飞利浦（Philips）和索尼（Sony）开始研究无线射频识别（RFID）技术，这是NFC技术的前身。RFID技术允许物体通过无线射频信号进行身份验证和跟踪，但在距离方面有一定的限制。

2002年：NFC标准化

NFC技术在2002年由飞利浦和索尼合并为NFC Forum。该组织的成立推动了NFC技术的标准化和推广，帮助促进NFC的发展。

2004年：NFC商业应用推出

诺基亚（Nokia）成为首家在商业手机中集成NFC技术的手机制造商。并创造了NFC论坛，其在2004年推出了Nokia 3220手机，这标志着NFC技术首次进入消费市场。

2006年：NFC支付试点项目

首次NFC支付试点项目在芬兰的萨尔科尼林纳（Salo）地区启动。这个试点项目是由诺基亚、银行和电信运营商合作进行的，试图探索NFC支付在现实生活中的应用。

2010年：Google推出Google Wallet

Google推出了Google Wallet，这是一款支持NFC技术的移动支付应用。它允许用户使用支持NFC的手机进行支付和存储信用卡等信息。

2014年：苹果推出Apple Pay

苹果终于在iPhone 6上推出了支持NFC技术的移动支付功能Apple Pay，这是NFC技术推广的一个重要里程碑。

2015年：NFC在其他领域的应用拓展

除了移动支付，NFC在其他领域的应用也开始扩展，包括智能标签、门禁系统、公共交通票务等。

随着时间的推移，NFC技术得到了广泛应用，并且在智能手机和其他消费电子设备中得到了普及。它在移动支付、物联网以及其他领域都有着广阔的前景。不断涌现的创新将继续推动NFC技术的发展和普及。

工作原理

NFC是一种短距高频的无线电技术，NFCIP-1标准规定NFC的通信距离为10厘米以内，运行频率13.56MHz，传输速度有106Kbit/s、212Kbit/s或者424Kbit/s三种。NFCIP-1标准详细规定NFC设备的传输速度、编解码方法、调制方案以及射频接口的帧格式，此标准中还定义了NFC的传输协议，其中包括启动协议和数据交换方法等。

RFID

NFC技术由免接触式射频识别(RFID)演变而来，RFID，Radio Frequency Identification，即射频识别，又名电子标签。RFID的工作原理就是给一件件物品上贴上一个包含RFID射频部分和天线环路的RFID电路。

RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米，只能实现信息的读取以及判定，而NFC技术则强调的是信息交互。近场通信是工作在13.56MHz频率运行于20厘米距离内。NFC与RFID在物理层面看上去很相似，但实际上是两个完全不同的领域，因为RFID本质上属于识别技术，而NFC属于通信技术。

技术标准

NFC的技术标准为诺基亚（Nokia）、飞利浦（Philips）和索尼（Sony）共同制定的标准 ，在ISO 18092、ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推动标准化，同时也兼容应用广泛的ISO 14443 、Type-A、ISO 15693、B以及Felica标准非接触式智能卡的基础架构（在业界简称为Type A，Type B和Type F）。

近场通信标准详细规定近场通信设备的调制方案、编码、传输速度与射频接口的帧格式，以及主动与被动近场通信模式初始化过程中数据冲突控制所需的初始化方案和条件，此外还定义了传输协议，包括协议启动和数据交换方法等。

工作模式

NFC有两种工作模式：主动模式、被动模式以及应用模式。

主动模式

在主动模式下NFC终端可以作为一个读卡器，发出射频场去识别和读/写别的NFC设备信息。

被动模式

这个模式正好和主动模式相反，此时NFC终端则被模拟成一张卡，它只在其他设备发出的射频场中被动响应，被读/写信息。

在被动模式中，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备，在整个通信过程中提供射频场(RF-field)。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到另一台设备。

另一台设备称为NFC目标设备，不必产生射频场，而使用负载调制(load modulation)技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。

应用形式

NFC标准为了和非接触式智能卡兼容，规定了一种灵活的网关系统，具体分为三种工作模式：点对点通信模式、读写器模式和NFC卡模拟模式。

点对点模式

支持两个近场通信设备之间相互通讯，实现信息交换和文件共享。例如多个具有NFC功能的数字相机、手机之间可以利用NFC技术进行无线互联，实现虚拟名片或数字相片等数据交换。该模式下数据交换速度比其他模式更快。

经过把点对点形式作为前提，让具备NFC功能的手机与计算机等相关设备，真正达成点对点的无线连接与数据传输，并且在后续的关联应用中，不仅可为本地应用，同时也可为网络应用。因此，点对点形式的应用，对于不同设备间的迅速蓝牙连接，及其通信数据传输方面有着十分重要的作用。 

读卡器模式

这种模式下NFC设备作为非接触读写器使用。例如支持NFC的手机在与标签交互时扮演读写器的角色，开启NFC功能的手机可以读写支持NFC数据格式标准的标签。

读卡器模式的NFC通信作为非接触读卡器使用，可以从展览信息电子标签、电影海报、广告页面等读取相关信息。

读卡器模式的NFC手机可以从TAG中采集数据资源，按照一定的应用需求完成信息处理功能，有些应用功能可以直接在本地完成，有些需要与TD-LTE等移动通信网络结合完成。基于读卡器模式的NFC应用领域包括广告读取、车票读取、电影院门票销售等。

卡模拟模式

模拟卡片模式，这种模式就是将具有NFC功能的设备模拟成一张标签或非接触卡，例如支持NFC的手机可以作为门禁卡、银行卡等而被读取。

卡模拟形式关键指的是把具有NFC功能的设备进行模拟，使之变成非接触卡的模式，比如，银行卡与门禁卡等。这种形式关键应用于商场或者交通等非接触性移动支付当中，在具体应用过程中，用户仅需把自身的手机或者其他有关的电子设备贴近读卡器，同时输入相应密码则可使交易达成。针对卡模拟形式中的卡片来讲，其关键是经过和非接触读卡器的RF域实行供电处理，这样即便NFC设备无电也同样可以继续开展工作。

技术对比

目前的近距离无线数据传输技术包括了RFID、蓝牙、红外等，NFC作为一种短距离的高频无线通讯技术，与其他技术相比有其自身的特点和共性。

技术特点

NFC技术有很多特点，包括以下常见一些：

短距离通信：NFC技术适用于短距离通信，典型的工作距离在几厘米之内。这使得设备必须相当接近才能建立连接，从而增加了安全性。

快速连接：NFC的连接速度非常快，通常仅需几百毫秒就能建立连接。这使得它在快速交换信息或进行简单任务时非常方便。

双向通信：NFC支持双向通信，即两个设备之间可以同时发送和接收数据。这种能力使得设备之间可以进行实时的数据交换和交互。

兼容性：NFC技术在许多现有的无线技术上建立，例如RFID（Radio Frequency Identification）和ISO/IEC 18092等。这使得它与其他技术兼容，能够与现有的基础设施进行交互。

安全性：NFC技术具有较高的安全性。由于其短距离通信特性，第三方很难在不被察觉的情况下进行监听或干扰。另外，NFC支持加密和安全认证，使得数据交换更加安全可靠。

技术对比

我们整理了NFC技术与其他无线数据传输技术的性能参数，并制成表格，详情如下：

通过对比我们可以看出，与其他短距离无线通讯技术相比，NFC的技术优势主要体现在极高的安全性、较低的成本以及功耗上面。在传输距离和传输速率上有明显短板。

应用领域

NFC的应用领域十分广泛，涵盖了充电、支付、安防、标签等众多领域，目前尚有应用潜力未被开发。

充电

2020年，NFC论坛发布了新的无线充电规范(Wireless Charging Specification)，简称WLC。让智能手机或其他支持NFC的设备转变为“便携式充电站”。

技术原理

NFC充电技术与Qi2一样，也是采用的电磁感应技术。WLC标准支持在NFC的设备中使用一根天线来实现通信和充电功能的二合一，因此目前通过这个解决方案最高仅能实现1W的充电速度(WLC标准的无线充电支持250毫瓦、500毫瓦、750毫瓦和1瓦四种功率的传输等级)。这意味着支持NFC的设备可以在没有电缆的情况下为用小型电池供电的IoT设备无线充电。

目前，新出的WLC 2.0 在 WLC 1.0 规范已定义的天线类别旁边定义了一个新的天线类。这种具有较小天线尺寸的新天线类别允许实施可通过NFC技术充电的微型物联网设备，此外，在充电功率上也提升至3W。

优势

我们之前介绍过Qi技术，同样作为无线充电技术，WLC的1W充电功率，要远低于Qi的5W以上功率，此外在技术沉淀上，WLC自推出以来才3年时间。但是，即便如此WLC也还有一些显著的优势。

NFC无线充电具有三大优势：一是能量传输与数据传输在物理层的硬件电路上合二为一，特别适用于一些对充电功率要求不高的产品，如小型低功耗的物联网设备，可以在设计中省去传统的Qi充电线圈。

二是NFC无线充电技术天线尺寸相较于高功率的Qi标准的无线充电技术天线尺寸要小数倍。这主要由两者工作频率决定的，即Qi标准工作频率一般为125KHz，而NFC无线充电技术工作频率在更高的13.56MHz。因此，Qi标准天线尺寸设计一般需要10厘米甚至更长，但NFC无线充电技术天线尺寸则可缩小到1厘米以下。

三是基于NFC的工作原理，提供更大的能量驱动一些无源设备，满足越来越多的无源物联网的需求。实际上，早在2019年，业界就推出支持NFC无线接触式充电的设备，可使数据传输与充电同时进行，主要应用于操作简便、体积更小的可穿戴设备。

因此，从应用的角度，NFC无线充电实际上是补充了无线充电联盟的Qi无线充电标准，同时加强了整个无线充电生态系统：Qi专注于5W以上的无线充电;NFC无线充电目前主要满足250至1000mW的充电，预计2023年内将支持3W充电。

应用范围

目前NFC无线充电技术适合为电源有限的小型设备充电，例如手写笔、耳机、健身追踪器、智能手表或其他小型消费类产品。

此外，在手写笔应用上，通用手写笔计划(USI)与NFC论坛合作试行了NFC无线充电，并将之纳入其数字手写笔的规范中。USI是非专有的有源数字手写笔技术的领导者，也是唯一可用的开放数字手写笔标准。

支付

NFC支付主要应用到NFC的卡模拟模式，将带有NFC功能的手机虚拟成银行卡、一卡通等的应用。这种应用，称为开环应用。理想状态下是带有NFC功能的手机可以作为一张银行卡在超市、商场的POS机上进行刷手机消费，但目前在国内还无法完全实现。但是在NFC技术的发源地日本，基于NFC卡模拟模式的应用已经十分普遍。

开环

主要原因是作为开环应用下的NFC支付有着繁冗的产业链，背后的卡商、方案商的利益和产业格局博弈十分复杂。就目前国内NFC开环应用的大环境来说，由于各方面利益的博弈，NFC开环支付应用已经错过了在支付宝和微信支付等移动支付普及之前的最佳时机，NFC开环支付已经不可能再单独发展起来。

闭环应用

NFC虚拟成一卡通卡的应用，称为闭环应用。目前NFC的闭环应用在国内的发展也不太理想，虽然在有些城市的公交系统已经开放了手机的NFC功能，但并没有得到普及。根本原因是以卡为载体的一卡通系统有一个发卡的获利，系统集成商和运营商(公交集团及学校等)在发卡上可以获得丰厚的利润。所以目前小米和华为都在一些城市试点开通手机的NFC公交卡功能，但目前都还需要开通服务费。但是随着NFC手机的普及技术的不断成熟，一卡通系统会逐渐支持NFC手机的应用，前景是乐观的，但过程注定是曲折的。

安防应用

NFC安防的应用主要是将手机虚拟成门禁卡、电子门票等。NFC虚拟门禁卡就是将现有的门禁卡数据写入手机的NFC，这样无需使用智能卡，使用手机就可以实现门禁功能，这样不仅是门禁的配置、监控和修改等十分方便，而且可以实现远程修改和配置，例如在需要时临时分发凭证卡等。NFC虚拟电子门票的应用就是在用户购票后，售票系统将门票信息发送给手机，带有NFC功能的手机可以把门票信息虚拟成电子门票，在检票是直接刷手机即可。

从上述描述我们会发现，NFC在安防领域的应用具有较好的前景，主要在于NFC的技术手段可构造更智能、更安全的安防系统。这毫无疑问也是契合安防系统发展趋势的。

标签

NFC标签的应用将信息录入NFC标签内，用户只需用NFC手机在NFC标签上挥一挥就能获取相关信息。相关应用场景有很多：

例如，我们可以将名片信息录入到NFC标签，然后两台NFC手机接触就能获取到双方文件信息。再例如商家可以把含有海报、促销信息、广告的NFC标签放在店门口，用户可以根据自己的需求用NFC手机获取相关的信息。

然而，虽然NFC标签在应用上十分便捷，成本也很低，但在目前移动网络的普及和二维码的逐渐流行，NFC标签的应用前景不容乐观。因为和NFC标签相比，二维码只需要生成和印刷成一个小图像，可以说几乎是零成本，提供的信息和NFC一样很丰富，很容易就会替代NFC标签的应用。

充电头总结

NFC技术对于中国人而言已经是较为熟悉的事物了，现如今在中国几乎所有主流手机品品牌都有“NFC”功能，此外，很多穿戴设备都有配备NFC芯片。我们用它乘车，用它开门，用它实现了生活中的诸多便利。可以说，就应用潜力而言，NFC发展空间还十分巨大，尤其是在安保、支付以及充电等热门领域。

然而，技术要想得到更广泛的应用，必须贴近人们的生活场景做改良和突破。以WLC标准的NFC充电技术为例，目前的定位是作为小功率设备的主要无线充电方案，但目前市面支持NFC无线充电的产品还非常少。在支付领域，受限于银行、金融等组织的利益分配问题，NFC技术也未能大展身手。凡此种种，不胜枚举。

这些局限性，既有NFC技术本身带来的，也有其他因素影响。但是无法阻碍技术发展的脚步，未来一旦出现更好的市场窗口，NFC技术必将得到长足的发展。

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