Questo biglietto NFC si accende con l'energia dello smartphone

Un biglietto da visita può diventare un piccolo dispositivo elettronico alimentato dallo smartphone, senza batteria e senza alcun connettore. È l’idea messa in pratica dallo sviluppatore Kevin Tang, che ha trasformato una scheda PCB delle dimensioni di una carta di credito in un tag NFC capace di aprire un sito web e, nello stesso istante, accendere un LED integrato nel circuito. Il dettaglio più interessante non è però l’effetto scenografico: il progetto mostra molto bene quanta elettronica si nasconda dietro un gesto ormai normale come avvicinare il telefono a un dispositivo NFC.

La tecnologia NFC deriva dalla più ampia famiglia RFID e lavora, nelle implementazioni più comuni, sulla frequenza di 13,56 MHz. Le specifiche NFC hanno iniziato a prendere forma all’inizio degli anni 2000 e nel 2004 Nokia, Philips e Sony fondarono NFC Forum. Da allora la stessa logica di accoppiamento elettromagnetico ha trovato spazio in carte contactless, badge, trasporti pubblici, smartphone, etichette intelligenti e dispositivi embedded. La caratteristica decisiva dei tag passivi è rimasta sostanzialmente la stessa: non hanno bisogno di una propria batteria perché ricavano energia dal campo RF prodotto dal lettore.

Il telefono non legge soltanto il biglietto: lo alimenta

Il progetto di Tang spinge la proprietà descritta in apertura: al centro della scheda utilizzata dal maker c’è un NXP NTAG I2C plus, componente che combina interfaccia NFC, memoria EEPROM, SRAM, bus I2C ed energy harvesting (raccolta di energia dal campo NFC).

Il produttore NXP indica una velocità NFC di 106 kbps, un UID univoco a 7 byte, un buffer SRAM da 64 byte e, per la variante da 2 KB, 2 KB di EEPROM. In condizioni tipiche il chip può inoltre fornire sul pin VOUT circa 5 mA a 2 V quando riceve energia da uno smartphone NFC: parliamo di circa 10 mW, sufficienti per un LED e, con un progetto ben calibrato, anche per circuiti a bassissimo consumo.

Quando uno smartphone cerca un tag NFC passivo genera infatti un campo elettromagnetico attraverso la propria antenna. La bobina presente nel tag si accoppia magneticamente con quella del lettore; la tensione indotta alimenta il circuito integrato, che può quindi iniziare a funzionare senza pile. Nel biglietto di Tang l’antenna consiste in una spirale di rame con sette spire che percorrono buona parte del perimetro del PCB.

L’immagine è tratta da “The Business Card That Lights Up When You Tap It” (Kevin Tang).

Come funziona un tag NFC passivo

Un tag passivo non funziona come una minuscola radio dotata di trasmettitore autonomo: il lettore fornisce la portante RF; il tag modifica il carico applicato alla propria antenna secondo i dati che deve comunicare; il lettore rileva le conseguenti variazioni del campo. Il meccanismo prende il nome di load modulation e permette al circuito passivo di rispondere consumando pochissima energia.

In pratica, mentre il telefono legge il contenuto della memoria, sta contemporaneamente fornendo al chip l’energia necessaria per restare operativo. NTAG I2C plus aggiunge qualcosa di particolarmente utile: una parte della potenza ricavata dal campo RF può uscire dal pin VOUT e alimentare un circuito esterno. Tang ha collegato proprio lì il LED rosso posizionato sulla coda del personaggio stampato sulla scheda.

Il valore tipico di 5 mA a 2 V documentati da NXP non vanno comunque presi come 10 mW garantiti in qualunque situazione. Tensione e corrente cambiano con intensità del campo, geometria dell’antenna, orientamento, distanza dallo smartphone e carico applicato. Il datasheet parla inoltre di una capacità complessiva tra 150 e 220 nF vicino a VOUT per limitare i cali di tensione e raccomanda di contenere l’assorbimento durante la fase iniziale, quando la tensione deve ancora stabilizzarsi.

Un circuito progettato come se fosse software

Un aspetto originale riguarda il metodo utilizzato per realizzare la scheda. Tang non ha disegnato manualmente ogni elemento del circuito all’interno dell’editor PCB: si è servito di KiCad e Python per generare programmaticamente buona parte del layout: piste, antenna, testi e posizioni degli elementi derivano da parametri elaborati da uno script.

L’approccio adottato rende l’hardware molto più vicino a un progetto software riproducibile. Se serve aumentare il numero di spire, spostare una scritta o modificare una distanza, si interviene sul parametro corrispondente e si rigenera il layout anziché ripetere manualmente una lunga serie di operazioni. Per circuiti geometricamente regolari, pannelli, matrici, antenne o progetti con numerose varianti è un metodo particolarmente efficace.

Tang ha generato anche la bobina attraverso software e ha perfino stampato sul retro del biglietto i calcoli di risonanza (antenna e capacità d’ingresso del chip formano un circuito risonante che deve lavorare correttamente intorno a 13,56 MHz).

Il biglietto misura grosso modo quanto una carta di credito, ha una finitura nera e usa il rame e le serigrafie come parte della grafica. Sul lato anteriore compare persino un falso footprint dorato che ricorda i contatti di una smart card; il vero chip NFC si trova sul retro. Il risultato è quindi contemporaneamente scheda elettronica, oggetto grafico e dispositivo funzionante.

Tang ha inviato i file di produzione a JLCPCB. Secondo il suo resoconto, dieci schede complete di montaggio del chip e del LED sono costate circa 75 dollari.