Arduino-ESP32 NFC开发：近距离无线通信

2026-02-04 04:52:50作者：蔡怀权

概述

近场通信（NFC，Near Field Communication）是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输。在物联网和智能设备领域，NFC技术因其安全、便捷的特性而备受青睐。本文将深入探讨如何在Arduino-ESP32平台上实现NFC功能开发。

NFC技术基础

NFC工作原理

NFC工作在13.56MHz频率，通信距离通常在10厘米以内，支持三种工作模式：

工作模式	描述	典型应用
读卡器模式	ESP32作为主动设备读取NFC标签	门禁系统、产品信息读取
卡模拟模式	ESP32模拟NFC卡片被其他设备读取	移动支付、身份验证
点对点模式	两个NFC设备相互通信	文件传输、设备配对

ESP32 NFC硬件支持

ESP32系列芯片本身不包含原生NFC控制器，但可以通过外部NFC模块实现功能。常见的NFC模块包括：

PN532：最流行的NFC控制器芯片，支持ISO14443A/MIFARE协议
MFRC522：低成本RFID/NFC读卡器芯片
ST25DV：带有I²C接口的NFC标签芯片

硬件连接

PN532模块连接

PN532模块支持多种通信接口，以下是通过SPI接口连接ESP32的示例：

// PN532引脚定义
#define PN532_SCK  18
#define PN532_MISO 19
#define PN532_MOSI 23
#define PN532_SS   5

// SPI初始化
SPIClass spi = SPIClass(HSPI);
spi.begin(PN532_SCK, PN532_MISO, PN532_MOSI, PN532_SS);

MFRC522模块连接

// MFRC522引脚定义
#define RST_PIN    27
#define SS_PIN     5

// 硬件连接示意图
// ESP32    MFRC522
// 3.3V     VCC
// GND      GND
// GPIO23   MOSI
// GPIO19   MISO
// GPIO18   SCK
// GPIO5    SDA
// GPIO27   RST

软件开发环境搭建

安装必要的库

在Arduino IDE中安装以下NFC相关库：

Adafruit PN532 Library：用于PN532模块
MFRC522 Library：用于MFRC522读卡器
NDEF Library：用于NFC数据交换格式处理

项目配置

在platformio.ini中添加依赖：

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
lib_deps = 
    adafruit/Adafruit PN532@^1.6.0
    miguelbalboa/rfid@^1.4.9
    don/NDEF@^1.4.0

NFC读卡器模式开发

基本读卡功能

#include <Wire.h>
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_PN532.h>

#define PN532_IRQ   (4)
#define PN532_RESET (5) 

Adafruit_PN532 nfc(PN532_IRQ, PN532_RESET);

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Hello!");

  nfc.begin();
  uint32_t versiondata = nfc.getFirmwareVersion();
  if (!versiondata) {
    Serial.print("Didn't find PN53x board");
    while (1);
  }
  
  Serial.print("Found chip PN5"); Serial.println((versiondata>>24) & 0xFF, HEX);
  Serial.print("Firmware ver. "); Serial.print((versiondata>>16) & 0xFF, DEC);
  Serial.print('.'); Serial.println((versiondata>>8) & 0xFF, DEC);
  
  nfc.SAMConfig();
  Serial.println("Waiting for an ISO14443A Card ...");
}

void loop(void) {
  uint8_t success;
  uint8_t uid[] = { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };
  uint8_t uidLength;
  
  success = nfc.readPassiveTargetID(PN532_MIFARE_ISO14443A, uid, &uidLength);
  
  if (success) {
    Serial.println("Found an ISO14443A card");
    Serial.print("UID Length: ");Serial.print(uidLength, DEC);Serial.println(" bytes");
    Serial.print("UID Value: ");
    nfc.PrintHex(uid, uidLength);
    Serial.println("");
    
    delay(1000);
  }
}

MIFARE卡片数据读写

void readMifareClassic() {
  uint8_t keya[6] = { 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF };
  uint8_t data[16];
  
  Serial.println("Trying to authenticate block 4 with default KEYA value");
  success = nfc.mifareclassic_AuthenticateBlock(uid, uidLength, 4, 0, keya);
  
  if (success) {
    Serial.println("Sector 1 (Blocks 4..7) has been authenticated");
    success = nfc.mifareclassic_ReadDataBlock(4, data);
    
    if (success) {
      Serial.println("Reading Block 4:");
      nfc.PrintHexChar(data, 16);
      Serial.println("");
    }
  }
}

NFC卡模拟模式

ESP32模拟NFC标签

#include <NDEF.h>
#include <NfcAdapter.h>

NfcAdapter nfc = NfcAdapter();

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("NDEF Writer");
  nfc.begin();
}

void loop() {
  if (nfc.tagPresent()) {
    NdefMessage message = NdefMessage();
    message.addTextRecord("Hello, ESP32 NFC!");
    message.addUriRecord("https://www.espressif.com");
    
    bool success = nfc.write(message);
    if (success) {
      Serial.println("Success. Try reading this tag with your phone.");
    } else {
      Serial.println("Write failed");
    }
  }
  delay(5000);
}

NDEF数据格式处理

创建复杂的NDEF消息

NdefMessage createComplexMessage() {
  NdefMessage message;
  
  // 添加文本记录
  message.addTextRecord("ESP32 NFC Demo");
  
  // 添加URI记录
  message.addUriRecord("https://gitcode.com/GitHub_Trending/ar/arduino-esp32");
  
  // 添加智能海报记录
  message.addSmartPosterRecord("ESP32 Project", "https://www.espressif.com", 
                              "image/jpeg", (uint8_t*)imageData, imageSize);
  
  // 添加MIME类型记录
  message.addMimeMediaRecord("application/json", "{\"device\":\"ESP32\",\"version\":\"1.0\"}");
  
  return message;
}

解析NDEF消息

void processNdefMessage(NdefMessage& message) {
  Serial.print("NDEF Message contains ");
  Serial.print(message.getRecordCount());
  Serial.println(" NDEF Records");
  
  for (int i = 0; i < message.getRecordCount(); i++) {
    NdefRecord record = message.getRecord(i);
    
    Serial.print("Record ");Serial.print(i+1);Serial.print(": ");
    
    if (record.getTnf() == TNF_WELL_KNOWN) {
      if (record.getType() == "T") { // 文本记录
        String text = record.getPayload();
        Serial.print("Text: "); Serial.println(text);
      } else if (record.getType() == "U") { // URI记录
        String uri = record.getPayload();
        Serial.print("URI: "); Serial.println(uri);
      }
    }
  }
}

高级应用场景

智能门禁系统

class AccessControlSystem {
private:
  struct AuthorizedCard {
    uint8_t uid[7];
    String userName;
    uint8_t accessLevel;
  };
  
  AuthorizedCard authorizedCards[10] = {
    {{0x04, 0x5A, 0x2B, 0x8C, 0x15, 0x36, 0x00}, "Admin", 3},
    {{0x04, 0x6B, 0x7C, 0x9D, 0x2E, 0x4F, 0x00}, "User1", 1},
    {{0x04, 0x7C, 0x8D, 0xAE, 0x3F, 0x50, 0x00}, "User2", 1}
  };
  
public:
  bool checkAccess(uint8_t* uid, uint8_t uidLength) {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      if (memcmp(uid, authorizedCards[i].uid, uidLength) == 0) {
        Serial.print("Access granted for: ");
        Serial.println(authorizedCards[i].userName);
        return true;
      }
    }
    Serial.println("Access denied: Unknown card");
    return false;
  }
};

产品防伪验证

void antiCounterfeitCheck() {
  // 读取产品NFC标签中的加密数据
  uint8_t encryptedData[32];
  if (nfc.mifareclassic_ReadDataBlock(8, encryptedData)) {
    // 解密验证
    if (verifySignature(encryptedData)) {
      Serial.println("Genuine product");
      displayProductInfo(decryptProductInfo(encryptedData));
    } else {
      Serial.println("Counterfeit product detected!");
      triggerAlarm();
    }
  }
}

性能优化与最佳实践

电源管理

void setupPowerManagement() {
  // 配置ESP32低功耗模式
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(10 * 1000000); // 10秒唤醒一次
  
  // NFC模块电源控制
  pinMode(NFC_POWER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(NFC_POWER_PIN, LOW); // 初始状态关闭
}

void enableNFC() {
  digitalWrite(NFC_POWER_PIN, HIGH);
  delay(50); // 等待模块启动
  nfc.begin();
}

void disableNFC() {
  nfc.sleep();
  digitalWrite(NFC_POWER_PIN, LOW);
}

错误处理与重试机制

class RobustNFCReader {
private:
  int maxRetries = 3;
  int retryDelay = 1000;
  
public:
  bool readWithRetry() {
    for (int attempt = 0; attempt < maxRetries; attempt++) {
      if (nfc.readPassiveTargetID(PN532_MIFARE_ISO14443A, uid, &uidLength)) {
        return true;
      }
      delay(retryDelay);
    }
    return false;
  }
  
  void handleCommunicationError() {
    Serial.println("NFC communication error, resetting...");
    nfc.begin(); // 重新初始化
    delay(100);
  }
};

安全考虑

数据加密

#include <AES.h>
#include <Crypto.h>

AES128 aes;

void encryptNdefData(uint8_t* data, uint8_t* key) {
  aes.setKey(key, 16);
  aes.encryptBlock(data, data);
}

bool verifyDataIntegrity(uint8_t* data, uint8_t* expectedHash) {
  SHA256 sha;
  uint8_t hash[32];
  
  sha.update(data, 16);
  sha.finalize(hash, 32);
  
  return memcmp(hash, expectedHash, 32) == 0;
}

测试与调试

单元测试框架

#include <unity.h>

void test_nfc_authentication() {
  TEST_ASSERT_TRUE(nfc.SAMConfig());
}

void test_card_detection() {
  uint8_t uid[7];
  uint8_t uidLength;
  TEST_ASSERT_TRUE(nfc.readPassiveTargetID(PN532_MIFARE_ISO14443A, uid, &uidLength));
}

void setup() {
  UNITY_BEGIN();
  RUN_TEST(test_nfc_authentication);
  RUN_TEST(test_card_detection);
  UNITY_END();
}

void loop() {}

调试输出优化

#define NFC_DEBUG 1

void debugPrint(const char* message, uint8_t* data, uint8_t length) {
  #if NFC_DEBUG
  Serial.print(message);
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print(data[i], HEX);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
  #endif
}

常见问题与解决方案

问题排查表

问题现象	可能原因	解决方案
无法检测到卡片	天线连接不良	检查天线连接，确保接触良好
读取数据失败	认证密钥错误	使用正确的MIFARE密钥进行认证
通信超时	干扰或距离过远	减少通信距离，避免金属干扰
数据写入失败	卡片写保护	检查卡片是否处于写保护状态