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iOS 11 NFC 技术

开发者头条 886℃


文 / Mob 技术专家 树志

前言

NFC这个词相信大家现在都已经不陌生了,各大城市的地铁、商场等等支持NFC支付一度成为头条的热点。其实很早之前就已经有二维码和NFC的诞生了,但是由于二维码成本低廉,技术门槛相对较低,因此,二维码迅速抢占了移动支付的市场,但是,与此同时NFC的发展并未因此停止。

其实在安卓端的NFC发展已经非常迅猛了,只是我们的苹果爸爸迟迟不肯带我们一起玩NFC。终于,在去年的WWDC上,苹果宣布“开放”其NFC接口,这为以后NFC的应用开发提供了更多的可能。

关于NFC

NFC(Near Field Communication)近场通信,当两个设备相互靠近时能进行信息交流的一个技术。

使用了NFC技术的设备(比如手机)可以在彼此靠近的情况下进行数据交换,是由非接触式射频识别(RFID)及互连互通技术整合演变而来,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。目前,苹果的CoreNFC对NFC的格式支持有限,暂时仅支持NDEF格式。

关于NDEF

NDEF(NFC Data Exchange Format)是一种能够在NFC设备或者标签之间进行信息交换的数据格式。NDEF格式由各种 NDEF Messages 和 NDEF Records 组成。NDEF格式使用了一种容易理解的格式来存储和交换信息,如:URI、纯文本等等。

NFC标签,像Mifare Classic卡片可以配置为NDEF标签,通过一个NFC设备写入的数据可以被其他NDEF兼容的设备访问。NDEF消息还可以用于两个活跃的NFC设备之间“点对点”模式交换数据。


NDEF Messages

NDEF Messages是NDEF Records交换机制的基础,每一个message包含一个或多个records。

NDEF Records

NDEF Records包含一个特定的payload,并且有以下结构来标识内容和记录大小:

Record Header(记录头)

记录头包含了很多重要的信息,它占用3个位来标识遵循TNF协议的记录的类型,讲人话就是这3个位用来表示这条记录的类型的。

TNF: Type Name Format 字段

一条NDEF记录的类型名称是一个3个位的数值,用来描述这条记录的类型,并且可以用来设置对该记录中其它的结构和内容的期望。简单的说就是这3个位不仅可以表示该条记录的类型,也可以在一定程度上决定了该条记录接下来的数据结构。可能的记录名称如下表:

TNF Value


Record Type

0x00

Empty Record 表明这条记录没有类型、id或有效payload。这个记录类型一般用于新格式化的NDEF卡上,因为NDEF标签必须有至少一个NDEF纪录。

0x01

Well-Known Record 表明记录类型字段使用RTD类型名称格式。这种类型名称用一个Record Type Definition (RTD)来存储任何指定的类型,例如:存储RTD文本、RTD URIs等等。同时,这是一种比较常用的也比较有用的记录类型。

0x02

MIME Media Record 表明payload是这条NDEF记录分块的中间或者最后一块。

0x03

Absolute URI Record 表明这条记录的类型字段一定包含一个URI字段。

0x04

External Record 表明这条记录的类型字段包含一个RTD格式的外部字段。

0x05

Unknown Record 表明payload的类型未知。

0x06

Unchanged Record 未发生变化的记录类型,释同MIME Media Record。

IL:ID Length 字段

IL是ID长度的标志位,用来表示下面的ID Length字段是否省略。如果这个位设置为0,则该条记录中省略ID Length。

SR:Short Record 位

短记录标志位,如果下面的PAYLOAD LENGTH字段小于等于一个字节,则该位设置为1 。

CF:Chunk Flag

块标识位,用于标识当前块是第一个记录块还是中间的记录块。

ME:Message End

结束标志位,用于标识当前记录是否是当前Message的最后一条记录。

MB:Message Begin

起始标志位,用于标识当前记录是否是当前Message的第一条记录。

Type Length

表示类型字段的长度。对于上面TNF字段描述中的某些值,该字段一直为0 。

Payload Length

表示该条记录的payload字段长度。如果上面的SR字段设置为1,则该字段占用1个字节的长度,但是如果SR设置为0,则该字段将有32个位,占用4个字节的长度。

ID Length

表示该条记录的ID的长度。只有当上面的IL位置1时该字段才会被省略。

Record Type

表示记录的类型,这个字段的值必须根据TNF位的设置确定。

Record ID

表示该条记录的ID。当IL位为0时,该字段省略。

Payload

表示该条记录的payload,该字段的长度务必与上面的Payload Length字段值一致。

关于 Well-Known Records 和 URI Records

首先要说的就是这两个概念的区别,Well-Known Records(TNF Record Type 0x01) 是最常用也是最有用的NFC记录类型,它是写在上面说到的TNF字段的三个位里的,它描述的是当前这条NDEF记录的整体类型,相当于一个总的架构决策。

URI Records(0x55/‘U’)是比较有用的数据类型,它是写在上面 Recode Type 字段的一个字节(8个位)里的,它描述的是这条NDEF记录携带的数据信息类型,简单的说就是这条记录携带了什么样的信息。

这里,关于这个URI Records我要多说几句,这个类型可以用来存储例如电话号码、网站地址以及各种协议的链接等等很多有用的信息,它的结构定义如下:

第一个字节表示该类型的识别码,这个识别码的主要是用于缩短URI的长度,它的有效值详见下表:

后面的N个字节就是用来表示一个URI去掉前面识别码之后剩余的部分,举个例子:例如我们要将 https://www.mob.com 写入,则在第一个字节里我们要写入的是 0x02,表示 https://www.,接下来要连续写入的就是 0x6D 0x6F 0x62 0x2E 0x63 0x6F 0x6D (详细请参考:ASCII码对照表http://ascii.911cha.com/)

以上所有内容就是关于NDEF数据格式的详细说明了,那么这里也很不幸的告诉大家,我们平时直接从某宝、某东或者某某某上买来的NFC卡片(俗称:白卡)都不会是NDEF格式的,所以。。。

将 Mifare Classic Cards 用作 NDEF 标签

Mifare Classic 1K和4K的卡可以被初始化为NFC的NDEF格式标签。关于Mifare的详细介绍请各位老板参见:Mifare维基百科 Mifare Classic 可以配置为NFC论坛兼容的NDEF标签,但必须以某种特定的方式组织它里面的数据才可以。具体要求可以参考如下资料:

AN1304 – NFC Type MIFARE Classic Tag Operation

https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN1304.pdf

上面的是使用手册的权威来源,下面将快速的介绍一下将 Mifare Classic Cards 用作 NDEF 标签所涉及的关键概念。

1. Mifare Application Directory (MAD)

Mifare应用程序的目录,为了在Mifare Classic卡片的扇区内存与单个NDEF记录之间建立关系而存在。MAD表明了哪个扇区包含着哪个NDEF记录。关于Mifare应用程序目录的权威信息来源如下:

AN10787 – MIFARE Application Directory (MAD)

https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN10787.pdf

为了兼容性考虑,官方根据卡片内存的大小定义了两种不同类型的MAD,简单说明一下区别,MAD1可以用在任何卡片上,而MAD2只能用在内存大于1K字节的卡片上。

2. 存储 NDEF Messages

为了在Mifare Classic卡上存储NDEF消息,消息需要被封装在一个叫做 TLV 块 的东西里面。关于 TLV 块 的基本结构描述如下:

TLV 是三个不同维度的缩写:T:Tag Field 标签L:Length Field 长度V:Value Field 数值

一个 TLV 块 由一个或多个字节组成,这取决于上面三个维度的存在情况,但至少有一个字节,因为 T 字段在每种情况下都是强制性的。

Tag Field

标签字段是唯一必填的字段,使用单个字节来标识 TLV 块 的类型,有效值如下:

Length Field

长度字段包含了数值字段的长度(字节),它可以使用一个或三个字节两种不同的方式表示:一个字节格式就是简单0x00~0xFF的一个字节数值;三个字节格式的组成如下:

Value Field

数值字段仅在长度字段存在且不等于0x00时才存在,这个字段就是 payload 的存储位置。

Terminator TLV

终止符,是数据区域中的最后一个TLV 块,固定的单个字节:0xFE,这个TLV 块也是是强制性的。

3. 一个带有NDEF记录的Mifare Classic 卡片的内存示例

上图示例中在扇区1包含了两个NDEF记录:

第一个记录在扇区1块4的前两个字节:根据上面的描述,每个记录都以TLV 块开头,并且TLV 块的第一个字节(值0x00)指示这是一个空块类型,第二个字节是长度字段,并且也是0x00,因此该记录没有payload,TLV 块的值字段不存在。当Mifare Classic卡首次格式化以确保至少有一条记录存在时,一般会插入此记录。

第二个记录从扇区1块4的第3个字节开始,到块5的第6个字节结束:

同样,对于前两个字节,根据TLV 块的描述,第一个字节 0x03 表示这是一个NDEF Message类型,第二个字节 0x11 表示该块的数据长度是17个字节。对于接下来17个字节的分析如下表:

Byte(s)

Value

Description

04:04

0xD1

NDEF记录的记录头,详细解释参考上面的NDEF记录描述部分。位分配如下:

TNF = 0x01 表示这是一个Well-Known类型的记录

IL  = 0    表示没有ID字段

SR  = 1    表示这是一个短记录

CF  = 0    表示这个块不是第一块

ME  = 1    表示当前记录为最后一条记录

MB  = 1    表示Message的开始

04:05

0x01

NDEF记录类型的长度,1个字节,因为下面的记录类型值是0x55

04:06

0x0D

表示payload的长度,13个字节

04:07

0x55

NDEF记录的类型,0x55表示URI类型

04:08

0x01

表示payload开始,后面的将是payload中的内容

04:09..05:04

payload内容的16进制数据

最后一个字节,0xFE 是TLV 块的终止符,表示这个块的结束,这个没什么好说的了~~

相关参考链接:

•NXP官方网站

https://www.nxp.com/

•NFC论坛

Home

•Mifare Classic S50 技术详解

http://www.cnblogs.com/SCPlatform/p/5116180.html

iOS CoreNFC

下面将通过一个简单的示例来演示怎么使用苹果爸爸推出的CoreNFC,该示例仅可以用来读取存储在卡片上的NDEF格式的信息。

为此,我使用了STM32F407单片机与Adafruit PN532 ShieldNFC读写模块配对,将信息写入NDEF格式的卡片上。本文中,我不会记录如何将普通的Mifare Classic卡片格式化成NDEF格式的卡片以及如何将数据写入到NDEF卡片中(iOS的CoreNFC暂时不支持写入)。

我们的app要使用NFC必须要进行应用授权:首先要创建一个支持NFC的证书,并且开启NFC Tag Reading,如下图:

导入证书之后,我们需要进行Info.plist配置Privacy – NFC Scan Usage Description权限,如下图:

要实现NFC功能,我们得先导入CoreNFC.framework,并导入其头文件#import目前为止,iOS模拟器还不支持CoreNFC,只能使用真机调试。

1. 初始化Session

与二维码扫描等类似,NFC 也具备一个用于信息交互的Session,并且这个Session要在使用期间一直持有,所以初始化Session代码如下:

@interface NFCTableViewController ()<NFCNDEFReaderSessionDelegate>/** NFC Session */@property (nonatomic, strong) NFCNDEFReaderSession *nfcSession;/** founded NFC Messages */@property (nonatomic, strong) NSMutableArray<NSArray<NFCNDEFMessage *> *> *nfcMessages;@end@implementation NFCTableViewController#pragma mark - initializeNFC

- (void)initializeNFCSession {    // 创建 Session
    self.nfcSession = [[NFCNDEFReaderSession alloc] initWithDelegate:self queue:dispatch_get_main_queue() invalidateAfterFirstRead:NO];    // 设置 Session 的提示信息
    self.nfcSession.alertMessage = @"You can scan NFC-tags by holding them behind the top of your iPhone.";
}@end

2. 启动Session

经过上面的初始化之后,有了Session就可以开启监听了,启动监听很简单,示例代码如下:

- (IBAction)startSearchBtnClick:(UIBarButtonItem *)sender {    NSLog(@"%s", __func__);    // 启动Session
    [self.nfcSession beginSession];
}

Session启动时会自动调出系统的扫描面板,如下图:

3. 监听代理回调

通过上面的方式把Session启动之后,设备就会自动开始扫描NDEF格式的标签信息,当扫描到标签信息,或者发生任何异常时都会通过代理方法回调,所以我们需要监听Session的回调信息,示例如下:

#pragma mark - NFCNDEFReaderSessionDelegate/*! * @method readerSession:didInvalidateWithError: * * @param session   The session object that is invalidated. * @param error     The error indicates the invalidation reason. * * @discussion      Gets called when a session becomes invalid.  At this point the client is expected to discard *                  the returned session object. *//** NFC 读取的session发生错误或session过期时回调,此时客户端应当丢弃返回的session,即此session不可重用。 @param session 发生错误的session @param error 错误信息 */- (void)readerSession:(NFCNDEFReaderSession *)session didInvalidateWithError:(NSError *)error {    if (error)
    {        NSLog(@"NFC-Session invalidated: %@", error);
    }    if (self.nfcSession)
    {        // 关闭当前session
        [self.nfcSession invalidateSession];
        self.nfcSession = nil;
    }    // 重新初始化一个新的session
    [self initializeNFCSession];
}/*! * @method readerSession:didDetectNDEFs: * * @param session   The session object used for tag detection. * @param messages  Array of @link NFCNDEFMessage @link/ objects. The order of the discovery on the tag is maintained. * * @discussion      Gets called when the reader detects NFC tag(s) with NDEF messages in the polling sequence.  Polling *                  is automatically restarted once the detected tag is removed from the reader's read range. *//** 当NFC Session在轮询队列中读取到NDEF信息时回调,此时轮询会自动重启一次再次检测NFC标签是否离开了读取范围。(原理类似于机械按键的防抖动) @param session 读取Session @param messages 读取到的信息 */- (void)readerSession:(NFCNDEFReaderSession *)session didDetectNDEFs:(NSArray<NFCNDEFMessage *> *)messages {    NSLog(@"New NFC Messages %zd detected:", messages.count);    for (NFCNDEFMessage *message in messages) {        NSLog(@"- %zd Records:", message.records.count);        for (NFCNDEFPayload *record in message.records) {            NSLog(@"\t- TNF(TypeNameFormat): %@", [self formattedTypeNameFormat:record.typeNameFormat]);            NSLog(@"\t- Payload: %@", [[NSString alloc] initWithData:record.payload encoding:NSUTF8StringEncoding]);            NSLog(@"\t- Type: %@", [[NSString alloc] initWithData:record.type encoding:NSUTF8StringEncoding]);            NSLog(@"\t- Identifier: %@", [[NSString alloc] initWithData:record.identifier encoding:NSUTF8StringEncoding]);
        }
    }
    
    [self.nfcMessages addObject:messages];    
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
        [self.tableView reloadData];
    });
}

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