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Raspberry Pi + PaSoRi と Android HCE で NFC 通信

はじめに

タイトルのような環境で,APDUを用いたHCEとの通信を行いたかったのでメモ.

Raspberry Piとは

美味しいお菓子.
https://www.raspberrypi.org/

PaSoRiとは

PCでNFCが扱えるやべーやつ.
https://www.sony.co.jp/Products/felica/consumer/products/RC-S380.html

Androidとは

iOSじゃないやつ.
https://www.android.com/

HCEとは

Host Card Emulationの略で,Android端末をNFCタグとして扱う方法.
APDUという規格を使って,自由なデータ通信もできる.
今回はHCE-F(FeliCa準拠)じゃないほうを使う.
https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/nfc/hce

環境

  • Raspberry Pi 3 Model B+
    • Arch Linux ARMv7 (Kernel 4.14.90-1-ARCH)
  • SONY PaSoRi RC-S380
  • ASUS Zenfone 4 Z01KDA/ZE554KL
    • Android 8.0.0

準備

Pythonのインストール

nfcpyはPython 3系に対応していないので,2系を使う.
v1.0.0 で Python 3 系に対応しました.

# pacman -Syu python python-pip

nfcpyのインストール

# pip install nfcpy

テスト

nfcpyのGitリポジトリからサンプルを入手して実行する.

# pacman -Syu git
$ git clone https://github.com/nfcpy/nfcpy
$ cd nfcpy/examples
$ python tagtool.py
Output
No handlers could be found for logger "nfc.llcp.sec"
[nfc.clf] searching for reader on path usb
[nfc.clf] no reader available on path usb
[main] no contactless reader found on usb
[main] no contactless reader available

リーダが見つからない,と言われるので,lsusbで確認してみる.

$ lsusb
Output
Bus 001 Device 004: ID 054c:06c3 Sony Corp. RC-S380
Bus 001 Device 003: ID 0424:2514 Standard Microsystems Corp. USB 2.0 Hub
Bus 001 Device 002: ID 0424:2514 Standard Microsystems Corp. USB 2.0 Hub
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

しっかり認識されている.
では,デバイスIDを指定して実行してみる.

$ python tagtool.py --device usb:054c:06c3
Output
No handlers could be found for logger "nfc.llcp.sec"
[nfc.clf] searching for reader on path usb:054c:06c3
[main] access denied for device with path usb:054c:06c3
[main] no contactless reader available

今度はアクセスが拒否された.
デバイスIDを指定しないと,アクセスが拒否されたリーダは無視するようだ.
udevのルールを用いて,plugdevグループのユーザにリーダの使用を許可する.

# echo SUBSYSTEM==\"usb\", ACTION==\"add\", ATTRS{idVendor}==\"054c\", ATTRS{idProduct}==\"06c3\", GROUP=\"plugdev\" >> /etc/udev/rules.d/nfcdev.rules

リーダを使うユーザがplugdevグループに参加していなければならないので,確認する.

$ groups
Output
wheel siketyan

グループがない,もしくは参加していなければ,作成および参加を行う.

# groupadd plugdev
# usermod -aG plugdev siketyan

接続しなおすか,再起動して再確認.

$ python tagtool.py --device usb:054c:06c3
Output
No handlers could be found for logger "nfc.llcp.sec"
[nfc.clf] searching for reader on path usb:054c:06c3
[main] the reader on usb:054c:06c3 is busy
[main] no contactless reader available

今度は,リーダがビジーだと言われた.
カーネルモジュールのport100と競合しているようなので,無効化して再確認.

# rmmod port100
$ python tagtool.py
Output
No handlers could be found for logger "nfc.llcp.sec"
[nfc.clf] searching for reader on path usb
[nfc.clf] using SONY RC-S380/P NFC Port-100 v1.11 at usb:001:005
** waiting for a tag **

タグ待ちに入った!
Android端末をタッチしてみる.

Output
Type4ATag MIU=255 FWT=0.038664

ちゃんと認識したみたい!

攻めと受け

NFCにおいてどちらが攻めでどちらが受けかという問題は,けっこう難しい.
今回の場合,先に電波を出してタグを探すのはPaSoRi側なので,こちらが攻めかもしれない.
ただ,物理的にはタグを近づけていくのでこちらが攻めかもしれない.
ここでは,PaSoRi側を攻め,タグ側を受けと仮定して話を進める.

Android HCEで受け側をつくる

Google信者の方はAndroid Studio,JetBrains信者の方はIntelliJ IDEAで,新規Androidプロジェクトを作成する.
Android SDKのセットアップは情報が多いと思うので適当に.

まずはManifestを書く.
今回はNFCによってバイブレータ動作させたいので,VIBRATE権限を要求.

res/AndroidManifest.xml
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest
    xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    package="com.sikeserver.nfc.test">
    <uses-feature
            android:name="android.hardware.nfc.hce"
            android:required="true"
            tools:targetApi="eclair" />

    <uses-permission android:name="android.permission.NFC" />
    <uses-permission android:name="android.permission.VIBRATE"/>
    <application android:allowBackup="true"
        android:label="@string/app_name"
        android:icon="@mipmap/ic_launcher"
        android:roundIcon="@mipmap/ic_launcher_round"
        android:supportsRtl="true"
        android:theme="@style/AppTheme"
        tools:targetApi="donut">
        <service
            android:name=".service.ApduService"
            android:exported="true"
            android:permission="android.permission.BIND_NFC_SERVICE">
            <intent-filter>
                <action android:name="android.nfc.cardemulation.action.HOST_APDU_SERVICE" />
                <category android:name="android.intent.category.DEFAULT" />
            </intent-filter>

            <meta-data
                android:name="android.nfc.cardemulation.host_apdu_service"
                android:resource="@xml/apduservice" />
        </service>
    </application>
</manifest>
res/xml/apduservice.xml
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<host-apdu-service
    xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    android:description="@string/app_name"
    android:requireDeviceUnlock="false">
    <aid-group
        android:description="@string/app_name"
        android:category="other">
        <aid-filter android:name="F1145141919810" />
    </aid-group>
</host-apdu-service>

Manifestで指定したサービスをJavaで書く.

main/java/service/com/sikeserver/nfc/test/service/ApduService.java
package com.sikeserver.nfc.test.service

import android.nfc.cardemulation.HostApduService;
import android.os.Bundle;
import android.os.VibrationEffect;
import android.os.Vibrator;
import android.util.Log;

import java.util.Arrays;

public class ApduService extends HostApduService {
    private static final byte[] COMMAND_SELECT = new byte[] {
        (byte) 0x00, // CLA
        (byte) 0xA4, // INS
        (byte) 0x04, // P1
        (byte) 0x00, // P2
        (byte) 0x07,

        // AID
        (byte) 0xF1,
        (byte) 0x14,
        (byte) 0x51,
        (byte) 0x41,
        (byte) 0x91,
        (byte) 0x98,
        (byte) 0x10
    };

    private static final byte[] COMMAND_VIBRATE = new byte[] {
        (byte) 0x00, // CLA
        (byte) 0x11, // INS
        (byte) 0x45, // P1
        (byte) 0x14  // P2
    };

    private static final byte[] RESPONSE_OK = new byte[] {
        (byte) 0x90, // SW1
        (byte) 0x00  // SW2
    };

    @Override
    public byte[] processCommandApdu(byte[] command, Bundle extras) {
        if (Arrays.equals(command, COMMAND_SELECT)) {
            Log.d("NFCTest", "AID Selected");
        } else if (Arrays.equals(command, COMMAND_VIBRATE)) {
            Log.d("NFCTest", "Vibrate");

            Vibrator vibrator = (Vibrator) getSystemService(VIBRATOR_SERVICE);
            if (vibrator != null) {
                vibrator.vibrate(
                    VibrationEffect.createOneShot(
                        100,
                        VibrationEffect.DEFAULT_AMPLITUDE
                    )
                );
            }
        }

        return RESPONSE_OK;
    }
}

Pythonで攻め側をつくる

がーって書く.
詳しくはnfcpyのドキュメントを参照のこと.
AIDとバイブレートコマンドは適宜書き換えて.

import nfc


def select(tag):
    result = tag.send_apdu(
        0x00, # CLA
        0xA4, # INS
        0x04, # P1
        0x00, # P2
        bytearray.fromhex('F1145141919810'), # AID
        check_status=False
    )

    return True


def vibrate(tag):
    result = tag.send_apdu(
        0x00, # CLA
        0x11, # INS
        0x45, # P1
        0x14, # P2
        check_status=False
    )

    return True


def startup(targets):
    return targets


def connected(tag):
    print("Tag Connected")

    select(tag)
    vibrate(tag)

    return True


def released(tag):
    print('Tag Released')


def main():
    clf = nfc.ContactlessFrontend('usb')
    print(clf)
    if clf:
        while clf.connect(rdwr={
            'on-startup': startup,
            'on-connect': connected,
            'on-release': released,
        }):
            pass


if __name__ == '__main__':
    main()

まとめ

ピッってできるとたのしい!

参考

Siketyan
Department of Information and Computer Engineering, National Institute of Technology, Toyota College
https://siketyan.dev/
sweak
様々な Web アプリケーションを開発するサークルです。
https://sweak.net
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