電話がタップすることで給電される、バッテリーレスLED付きPCB名刺

TL;DR: NFCチップと、それをタップした電話から給電されるバッテリーレスLEDを備えた回路基板の名刺を作成しました。ハードウェアは機能しましたが、通常のiPhoneのNFCアプリでは空のNTAG I²C Plusチップをフォーマットできませんでした。チップのネイティブコマンドを直接送信する小さなCore NFCアプリを作成したところ、各タップで私のサイトが開かれ、リザードンの尻尾が光るようになりました。 紙ではなく、回路基板の名刺を作りたかったのです。深い哲学があるわけではなく、単に回路基板を人に渡すのが楽しいだろうと思ったからです。そこで、クレジットカードサイズの光沢のある黒い名刺をデザインしました。金色のイラストと私の名前が印刷されています。ここまでは標準的です。 この名刺を単なる名刺でないものにしている2つの要素は、電話を近づけるまで見えません。1つ目はNFCチップです。名刺を電話にタップするとkevintang.xyzが開きます。これは、タップして支払うカードや交通パスと同じ技術で、13.56 MHzで動作します[1]。ボードの端に7回巻き付けられた銅のらせんがアンテナで、適切な周波数に共振させるのが作業の大部分でした。その部分は予想通りでした。 2つ目は、私が考えずにはいられない部分です。名刺には小さなリザードンが印刷されており、その尻尾の先端には赤いLEDが配置されています。つまり、名刺を電話にタップすると、その尻尾に火が灯るのです。名刺にはバッテリーがありません。コイン電池も、ワイヤーも、充電するものもありません。LEDは、電話が発するエネルギーだけで完全に動作しています。 これは実際に起こっていることで、魔法のように感じるのをやめるのにしばらく時間がかかりました（実際にはやめていません）。NFC電話はタグを聞くだけでなく、タグに電力を供給するために強力な無線フィールドをブロードキャストします。なぜなら、タグにもバッテリーがないからです。通常のNFCステッカーのチップは、その借りたエネルギーで応答するのに十分な時間だけ起動し、電話が離れるとすぐに消えます。 私が自分で作ってみるまで理解していなかったのは、一部のチップが余った電力をピンで提供し、好きなように使えるようにしてくれるということです。NXPのデータシートによると、あるテストセットアップでは、約2ボルトで約5ミリアンペアの電力を回収できると記載されています[2]。これはそれほど多くありませんが、LEDを点灯させたり、低消費電力センサーを点滅させたり、ごく短時間だけ小さなマイクロコントローラーを起動させたりするには十分です。 そして、その応答方法は聞くよりも奇妙です。タグは独自の信号を送信しません。電話のフィールドの吸収度をインスタントごとに変えることで応答し、電話はその自身の信号へのわずかな引き込みを感じ取り、それを0と1として読み取ります。 私が繰り返し思い出すアナロジーは鏡です。鏡は光を発しません。光源を反射するだけです。パッシブNFCタグは独自の無線を発しません。電話の無線を反射し、それをメッセージに変えます。電話がすべてのエネルギーをもたらし、カードはただ何を跳ね返すかを決定します。（これは、私が以前つまずいていたNFCとRFIDの区別です。NFCはRFIDのライバルではなく、13.56 MHzの短距離コーナーです。意図的に近距離なので、カードは意図的に触れたものにしか話しません。） 私は常にNFCを、電話に何かをさせる方法だと考えていました。リンクを開く、コーヒーの代金を支払う、チェックインするなどです。しかし、これはそれを逆転させます。タップすることでカードが何かをします。電話が近くにある半秒間、カードはライブデバイスになります。あなたがバッテリーを近づけたために、手に取った不活性なガラス繊維の長方形が生き返るのです。それを感じると、NFCタップの見方が変わります。あなたはタグを読み取っているのではなく、それに電力を供給しているのです。 これは全く新しいアイデアではありません。数年前、U.S. Bankは非接触型決済中にロゴが光るクレジットカードを出荷しました。それは非常に人気があり、品切れになったほどです[3]。しかし、それはまれで、毎回小さな奇跡のように感じられます。そして、それはオブジェクトの全く新しいカテゴリを示唆しています。つまり、電話で触れているその瞬間だけ生きている必要があるため、バッテリーを必要としないオブジェクトです。あなたはすでに手に持っている電話でそれを触れています。 カードはプログラムです。 私はボード全体をコードとして設計しました。マウスで配線を引き回すのが苦痛だと感じる人には、この方法をお勧めします。KiCad（無料のPCBツール）にはPython APIがあり、カード全体がスクリプトによって生成されます。すべてのトレース、アンテナコイル、各文字の位置：すべてが計算されています。コイルの巻き数を1つ増やしたいですか？数字を変更して再実行すれば完了です。ボードはプログラムのように再現可能であり、ハードウェア初心者にとっては非常に安心できるものです。触れるのが怖い、貴重な手描きの成果物はありません。 カードを裏返す人向けに、いくつかのジョークを入れずにはいられませんでした。裏側はコンポーネントのデータシートのようにレイアウトされています。つまり、すべてのハードウェア部品が出荷時に付属する密なリファレンスドキュメントです。シルクスクリーンには、アンテナの実際の共振計算式が印刷されており、好奇心旺盛なエンジニアがメーターでプローブして私の数値をチェックできる2つの実際の露出したテストポイントもあります。 そして前面には、チップカードに小さな金色の接点がある場所に、私の名刺にはその描画しかありません。同じ8パッドのフットプリントが基板に印刷されていますが、その下には何もありません。実際のNFCチップは裏側に隠されています。チップのように見えるものはデコイです。回路基板のレイアウトをしたことがある人ならすぐに気づきますが、それ以外の人は単なるチップカードだと思うでしょう。注意深く見る人のためにそこにあります。 裏側はデザインファイルからそのまま取り出したもので、実際のデータシートのようにレイアウトされており、共振計算式もすべて含まれています。TP1/TP2は実際にプローブできます。 リザードンの尻尾がLEDの場所です。 それから工場に送りました。現代のハードウェアの本当にすごい部分はこれです。ファイルをJLCPCBにアップロードしたところ、約75ドルで10枚のコピーが製造され、それぞれにチップとLEDがはんだ付けされました[4]。組み立て済みの回路基板10枚が、郵送で、高級ディナー1回分の値段で届きました。 数日後、この小さな青い箱が届きました。中には10枚の美しいカードが入っており、私は自分自身に非常に満足していました。約1日後。 それから書き込めなくなりました。 最初のカードを電話にタップしました。LEDが点滅したので、電力を得ており、アンテナは機能しており、ハードウェア部分は問題ありませんでしたが、何も起こりませんでした。リンクもありません。カードには電力はありますが、メッセージはありません。それは予想通りです。空のチップにはURLを書き込む必要があります。 そこで、NFC Toolsを開きました。これは皆が使う標準的なアプリです。カードをiPhoneに当てて、次のようなメッセージが表示されました。「NFCタグはサポートされていません。」 チップの選択で初歩的な間違いを犯しました。私が選んだNTAG I²C Plus[2]チップは、実際には単なるステッカータグではありません。それはブリッジチップであり、ガジェットの中に配置され、NFC部分はおまけとして、ワイヤーでマイクロコントローラーと通信するように設計されています。LED用のエネルギーハーベスティングピンを提供してくれるのも同じチップであり、私がそれを選んだ理由です。しかし、それはNDEFフォーマットなしで出荷されるため、コンシューマーアプリはURLレコードがどこにあるべきかを知ることができません。NFC ToolsはiOSの高レベルNDEFパスを使用しており、私の空のチップをサポートされていないと見なしました。 まあいいだろうと思いました。Androidで試してみよう。そのNFCスタックは、この種のことに far more寛容です。バックアップ用の電話を取り出し、アプリをインストールしようとしましたが、私の安価なプリペイドAndroidにはNFCラジオが全く搭載されていないことがわかりました。そのモデルは公式にはNFCをサポートしていますが、私の特定のキャリア版では、コストを節約するためにチップが省略されていました。電話は文字通りNFCを実行できません。 ハードウェアがないためのアプリはありません。通常のiPhoneアプリは機能せず、私のAndroidは機能しませんでした。10枚のゴージャスなカードがありましたが、1文字も書き込む方法がありませんでした。 自分自身のキーを書く 問題が解決したのは、コンシューマーアプリが失敗しているのはチップに書き込めないからではなく、高レベルのNDEFチェックで停止していることに気づいたからです。その下では、このチップは一般的なNFCタグと同じ基本的なメモリコマンドに応答します。重要な点ではコマンド互換性があります。アプリはIDをチェックするドアマンのようなもので、内部のチップは喜んで私の注文を受けてくれるでしょう。 そしてiOSは、タグに生のコマンドを送信することを許可してくれることがわかりました。もしあなたがアプリを書くことを厭わないなら。