基于nRF7002-DK的NFC功能切换系统(nRF Connect SDK+NFC)

【Funpack2-6】基于nRF7002-DK的NFC功能切换系统
Github: EmbeddedCamerata/nRF7002-DK-nfc-function-switching

项目介绍

本项目基于nRF7002-DK，使用nRF Connect SDK v2.4.2 开发，使用NFC外设，实现NFC记录英文文本信息、中文文本信息与打开安卓应用三个功能，并可通过按键切换，通过手机NFC触碰即可触发。

官网：nRF Connect SDK

硬件介绍

nRF7002-DK是用于nRF7002 Wi-Fi 6协同IC的开发套件，该开发套件采用nRF5340多协议片上系统 (SoC) 作为nRF7002的主处理器，在单一的电路板上包含了开发工作所需的一切，可让开发人员轻松开启基于nRF7002 的物联网项目。该 DK 包括 Arduino 连接器、两个可编程按钮、一个 Wi-Fi 双频段天线和一个低功耗蓝牙天线，以及电流测量引脚。

这款DK支持低功耗 Wi-Fi 应用开发，并实现了多项 Wi-Fi 6 功能，比如 OFDMA、波束成型和 TWT。nRF7002 Wi-Fi 6配套IC为另一个主机添加了低功耗Wi-Fi 6功能，提供无缝连接和基于Wi-Fi的定位（本地Wi-Fi集线器的SSID嗅探）功能。该IC设计用于搭配Nordic现有的nRF52®和nRF53®系列多协议片上系统 (SoC) 和nRF91®系列蜂窝物联网系统级封装 (SiP) 使用。nRF7002 IC 还可与非nordic主机器件搭配使用。通过SPI或QSPI与主机通信，并带有额外的共存功能，可与其他协议如蓝牙、Thread或Zigbee无缝共存。

nRF7002在Nordic的nRF Connect SDK中提供集成和支持。

板卡特性：

• 用于nRF7002双频带Wi-Fi 6配套IC的开发套件
• nRF5340 SoC主机器件
• Wi-Fi 6 (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax)、蓝牙低功耗(LE)、蓝牙网状网络、802.15.4、Thread、Zigbee®、ANT、2.4GHz专有和NFC无线协议支持2.4GHz、5GHz芯片和NFC天线
• SWF射频连接器
• SEGGER J-Link板载编程器/调试器
• 用户可编程LED (2x) 和按钮 (2x)
• 用于测量功耗的引脚
• 来自USB、外部或锂聚合物电池的2.9V至5.0V电源
• Arduino连接器

项目设计

开发环境及工程目录

根据 官网文档 手动安装SDK等依赖，nRF Connect SDK 版本 v2.4.2 。由于笔者是Linux环境，且有一定的洁癖，因此在安装 west 的时候单独为其使用Poetry，创建了一个Python虚拟环境。并在此基础上，安装额外的Python依赖。每次使用 west 先激活Python虚拟环境即可。

Poetry

工程目录可根据 ncs/nrf/samples 中的sample复制一份，并在此基础上添加自己的代码或配置。例如：

├ build（编译时所产生的构建文件）
├ src
│ ├ main.c
│ └ ...（如有需要，其他的源代码）
├ CMakeLists.txt
├ prj.conf
├ sample.yaml
├ README.md
└ ...

prj.conf 中配置需要启用的库，从而在编译程序的时候编译对应的头文件。sample.yaml 仅做描述示例程序之用。此外，Kconfig 是为了用户可在menuconfig内手动配置某些选项（主要是可选功能），在本工程中省略。

在 CMakeLists.txt 内，额外添加 set(BOARD nrf7002dk_nrf5340_cpuapp) ，从而在 west build 时可省略 -b nrf7002dk_nrf5340_cpuapp) 编译选项。

cmake_minimum_required(VERSION 3.20.0)
set(BOARD nrf7002dk_nrf5340_cpuapp)
find_package(Zephyr REQUIRED HINTS $ENV{ZEPHYR_BASE})
project(nfc_function_switching)
FILE(GLOB app_sources src/*.c)
# NORDIC SDK APP START
target_sources(app PRIVATE ${app_sources})
# NORDIC SDK APP END

总体流程图

硬件初始化

在此初始化板卡上的LED与按键。并将LED2打开以表示板卡正常工作。

dk_buttons_init(NULL);
dk_leds_init();
dk_set_led_on(SYSTEM_ON_LED);

NFC功能实现

首先通过 nfc_t2t_setup() 注册NFC事件的回调函数，其回调函数内主要响应NFC标签检测到外部NFC场时与移除时的事件。当检测到外部NFC场时，LED1亮起，移除时灭。

nfc_t2t_setup(nfc_callback, NULL)
static void nfc_callback(void *context,
						 nfc_t2t_event_t event,
						 const uint8_t *data,
						 size_t data_length)
{
	ARG_UNUSED(context);
	ARG_UNUSED(data);
	ARG_UNUSED(data_length);

	switch (event)
	{
	case NFC_T2T_EVENT_FIELD_ON:
		dk_set_led_on(NFC_FIELD_LED);
		break;
	case NFC_T2T_EVENT_FIELD_OFF:
		dk_set_led_off(NFC_FIELD_LED);
		break;
	default:
		break;
	}
}

文本记录

主要使用nRF提供的nfc库。先生成NDEF文本记录描述符，再将这个记录加入NDEF消息中，之后 nfc_ndef_msg_encode 编码，并存入 buffer 内，长度为 len 。

static int nfc_text_encode(uint8_t *buffer, uint32_t *len)
{
	NFC_NDEF_TEXT_RECORD_DESC_DEF(nfc_text_rec,
								  UTF_8,
								  en_code,
								  sizeof(en_code),
								  en_payload,
								  sizeof(en_payload));

	NFC_NDEF_MSG_DEF(nfc_text_msg, MAX_REC_COUNT);

	/* Add record */
	if (nfc_ndef_msg_record_add(&NFC_NDEF_MSG(nfc_text_msg),
								&NFC_NDEF_TEXT_RECORD_DESC(nfc_text_rec)) < 0)
	{
		printk("Cannot add record!\n");
		return -1;
	}

	/* Encode text message */
	if (nfc_ndef_msg_encode(&NFC_NDEF_MSG(nfc_text_msg), buffer, len) < 0)
	{
		printk("Cannot encode message!\n");
		return -1;
	}

	return 0;
}

需要注意的是如何编码中英文文本信息至NDEF。对于英文使用UTF-8编码，直接编码ASCII字符，例如“Hello, World!”：

static const uint8_t en_payload[] = {
	'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '!'};
static const uint8_t en_code[] = {'e', 'n'};

NFC_NDEF_TEXT_RECORD_DESC_DEF(nfc_text_rec,
						      UTF_8,
							  en_code,
							  sizeof(en_code),
							  en_payload,
							  sizeof(en_payload));

而对于中文信息，每个中文字符需要UTF-16编码，但是 NFC_NDEF_TEXT_RECORD_DESC_DEF 宏内传入的数据的类型却是 uint8_t const* ，因此需要将“遥遥领先！”对应十六进制“\u6590\u6590\u8698\u4851\u01ff”拆分，先写低位再高位，使用UTF-16编码：

static const uint8_t zh_payload[] = {
	'\x90', '\x65', '\x90', '\x65', '\x98', '\x86', '\x51', '\x48', '\xff', '\x01'};
static const uint8_t zh_code[] = {'z', 'h'};

NFC_NDEF_TEXT_RECORD_DESC_DEF(nfc_text_rec,
							  UTF_16,
							  zh_code,
							  sizeof(zh_code),
							  zh_payload,
							  sizeof(zh_payload));

安卓应用打开

所需要的是安卓应用的名称 android_pkg_name 。在此，将打开明日方舟 com.hypergryph.arknights 。并通过 nfc_launchapp_msg_encode 完成该类型消息的创建与编码，并存到 buffer，长度为 len 。

/* Package: com.hypergryph.arknights */
static const uint8_t android_pkg_name[] = {
	'c', 'o', 'm', '.',
	'h', 'y', 'p', 'e', 'r', 'g', 'r', 'y', 'p', 'h', '.',
	'a', 'r', 'k', 'n', 'i', 'g', 'h', 't', 's'};
static int nfc_launchapp_encode(uint8_t *buffer, uint32_t *len)
{
	/* Encode launch app data  */
	if (nfc_launchapp_msg_encode(android_pkg_name,
								 sizeof(android_pkg_name), NULL, 0, buffer, len) < 0)
	{
		printk("Cannot encode message!\n");
		return -1;
	}

	return 0;
}

按键切换NFC功能

实现该功能，需要一个 enum 类型变量 nfc_app_t 存储当前功能的类别。并在初始化NFC功能后，在 while (true) 循环内扫描按键，判断 DK_BTN1 是否按下，按下则切换功能类别，同时根据 nfc_app 重新生成NFC payload并设置。

typedef enum
{
	NFC_APP_TEXT = 0U,
	NFC_APP_LAUNCHAPP
} nfc_app_t;

// In main() function
while (true)
{
	dk_read_buttons(&button_state, NULL);

	if (button_state & DK_BTN1_MSK)
	{
		nfc_app = 1 - nfc_app;
		/* Stop sensing NFC field */
		if (nfc_t2t_emulation_stop() < 0)
		{
			printk("Cannot stop emulation!\n");
			return -1;
		}
		if (nfc_payload_set(nfc_app) < 0)
		{
			printk("NFC payload set failed!\n");
			goto fail;
		}
	}
	k_sleep(K_MSEC(200));
}

需要注意的是，两种功能的payload，长度、内容不同，如果它们共用同一个buffer存储NDEF消息，例如 static uint8_t buffer[256] ，实测会出错。因此，单独为两个功能各自设置一个buffer用于存储NDEF消息。那么，根据 nfc_app 的值，编码与设置不同类别的NDEF消息：

/* Buffer used to hold an NFC NDEF message. */
#define NDEF_MSG_BUF_SIZE 256
static uint8_t text_msg_buf[NDEF_MSG_BUF_SIZE];
static uint8_t launch_app_msg_buf[NDEF_MSG_BUF_SIZE];

// When nfc_app_t == NFC_APP_TEXT
len = sizeof(text_msg_buf);
nfc_text_encode(text_msg_buf, &len);
/* Set created message as the NFC payload */
nfc_t2t_payload_set(text_msg_buf, len);

// When nfc_app_t == NFC_APP_LAUNCHAPP
len = sizeof(launch_app_msg_buf);
nfc_launchapp_encode(launch_app_msg_buf, &len);
/* Set created message as the NFC payload */
nfc_t2t_payload_set(launch_app_msg_buf, len);

功能展示

板卡：

通过按键切换NFC功能，串口打印提示语句：

当功能为记录英文文本信息时，手机NFC触碰后，可读取UTF-8编码的文本信息“Hello, World!”。

当功能为记录中文文本信息时，手机NFC触碰后，可读取UTF-16编码的文本信息“遥遥领先！”。

当功能为记录安卓应用信息时，手机NFC触碰后，可读取应用信息“com.hypergryph.arknights”，即明日方舟包名。此外，当不用NFC标签助手等APP读取NFC信息，而直接触碰，则会唤起应用。

在手机NFC触碰后，LED2将亮起，手机移开后，NFC连接移除，LED2灭。

详细展示参见：B站：基于nRF7002-DK的NFC功能切换系统

项目总结

本次项目使用nRF7002-DK开发板，使我接触了Nordic家产品的开发环境，N家的开发环境如果使用VSCode插件全套的话，体验还算不错。但只是在笔者Linux端上VSCode插件识别不到板子，因此只能手动安装SDK、Zypher等工具，这个流程上倒是不难，只不过west工具还需要依赖Python，但隔离得不如esp-idf优雅。在编译流程上，有esp-idf的经验那么对于N家的流程就差不多。

工程上，借助NFC实现了多个功能切换，这让我学习了有关NFC的概念，对NFC功能了解更为深入，同时还让我接触到安卓设备投屏至Linux端的软件（推荐scrcpy）。希望日后再有机会用N家的开发板，能更深入地学习设备树、Kconfig、prj.conf、Zypher 等知识。