摘要
本文介绍了支持NFC的安全解决方案，采用ADI公司的DeepCover安全认证芯片，结合基于SHA-3算法的质询-响应认证机制与应答器，可在医疗、消费电子及工业系统中对耗材进行认证、追踪与管理，防范各类形态产品的伪造问题及未授权复用风险。
引言
在当今互联互通的世界中，安全认证对于保护各行业的关键数据、安全相关信息及经过认证的耗材至关重要。无论是医疗健康、消费电子还是工业环境，验证元件的真实性与完整性都具有重要意义。安全认证芯片可帮助设备识别并拒绝未授权、伪造或过期的元件，此类不合格元件可能影响产品质量、安全性或导致不符合法规要求。随着企业对数据安全与产品真实性的担忧日益加剧，越来越多的企业开始寻求先进解决方案以确保系统的完整性。
在各类可用技术中，近场通信(NFC)凭借短距离、非接触式交互且无需大功率供电的特点，成为一种实用的技术选择。作为介于有线系统与无线系统之间的技术，NFC为需要频繁更换或移动的便携式产品或耗材带来显著优势。有线连接依赖物理连接器与线缆，在工业过滤器、医疗输液泵等应用中可靠 较低，因为这些场景中的振动与磨损可能导致连接中断或设备故障。而NFC的非接触式设计消除了物理磨损点，提升了元件的耐用性与可靠性，同时简化了元件更换流程，尤其适用于需要对经认证部件进行频繁更换或操作的场景。
相较于Wi-Fi、Bluetooth®等无线技术，NFC同样具备优势。尽管Wi-Fi与蓝牙能提供更广的连接范围，但更长的通信距离也增加了潜在攻击面，因此需通过高强度的加密才能防范数据拦截或未授权的访问。而NFC的通信距离通常仅为几厘米，可在使用现场实现安全、可控的交互。此外，NFC功耗很低，标签或应答器可通过读卡器实现被动供电；不同于Wi-Fi或蓝牙需要持续供电，NFC在未激活时处于休眠状态，能效更高。
MAX66301 DeepCover®安全认证芯片将NFC技术与基于SHA-3算法的质询-响应认证机制相结合，可防范未授权访问与产品伪造。MAX66301与 MAX66250应答器搭配使用时，具备多项功能：防止产品伪造、监控耗材使用寿命、追踪使用历史。传统NFC标签在防篡改、防未授权使用及防克隆方面缺乏足够保护，而这两款器件协同工作，能提供安全可靠的认证功能。
本文将探讨这两款器件如何为关键系统提供防护：通过集成先进加密功能与安全数据存储，可满足应用场景中对认证验证、有效期管控、使用情况监控的需求。下文将首先概述NFC技术及其局限性，随后介绍三个真实应用场景，以凸显此类解决方案的优势。
NFC技术简介
什么是NFC？
NFC是一种短距离无线通信技术，当两台设备靠近（通常距离仅几厘米）时，即可实现数据交换。NFC工作频率为13.56 MHz，广泛应用于非接触式支付系统、安全门禁及产品认证等场景。尽管部分NFC协议归属于NFC技术范畴，但未遵循ISO/IEC标准；不过，绝大多数实际应用均符合ISO/IEC 14443与ISO/IEC 15693标准，以确保跨行业的兼容性与集成便捷性。
NFC的工作原理
NFC通过两台设备（读卡器与标签）之间的电磁感应实现通信：读卡器的天线会产生交变磁场，可在无源标签的线圈中感应出电流，为标签供电。通电之后，标签会通过负载调制的方式（即调制磁场）向读卡器回传数据；而读卡器则通过幅度调制发送数据。这种设计使设备具备紧凑、高能效的特点：标签运行所需能量极少，通常仅为微瓦(μW)至低毫瓦(mW)级别。
NFC的安全性局限
尽管NFC技术具备便捷性与灵活性，但其本身存在固有的安全性局限：
- 短距离安全风险：即便是近距离通信，NFC仍可能面临窃听、拦截与中继攻击的威胁。
- 伪造标签风险： 如果缺乏可靠的认证机制，未授权或伪造的标签可能绕过安全防护。
- 数据完整性风险： 标准NFC标签可能缺乏用于安全地追踪有效期或使用历史记录的机制。
MAX66250安全认证标签通过三项关键功能应对上述薄弱环节：可靠的认证机制、可控的有效期管理、安全的使用记录追踪。MAX66250的安全核心在于基于SHA-3算法的质询-响应认证：读卡器向标签发送随机质询信号，标签使用密钥计算出加密响应，再由读卡器验证响应有效性；只有响应匹配时，才能确认标签的真实性。
为管理耗材产品的生命周期，MAX66250还集成了一个17位、一次性可设置、仅支持递减的非易失性计数器，且计数器的读取需经过认证。这意味着只有认证成功后才能访问计数器数值，可防范篡改或未授权重置。对于历史记录追踪，MAX66250通过以下设计强化安全性：针对敏感数据的安全存储、用于用户数据的256位安全EEPROM（电可擦可编程只读存储器）、可阻止未授权访问或探测的加密保护。这些功能共同构成了一套多层防护解决方案，能够为需要极高安全性与完整性的关键应用场景提供认证、监控与管理支持。
如需深入了解NFC技术，可参考安全微控制器NFC概述应用笔记。
应用场景示例
像MAX66250这样支持NFC的安全认证器件，在众多需非接触式安全交互的行业中均有应用。无论是医疗健康、工业制造、消费电子还是物流领域，对认证验证、访问管控、篡改防范的需求都在不断增长。从医疗设备中耗材的真实性核验，到仅限授权人员进入受限区域的权限管理，NFC认证器件都能以实用、高能效的特性，提供可靠的安全保障。
随着各行业面临的伪造、未授权使用等问题日益突出，并且合规要求也越来越严格，产品对更安全的NFC技术的需求也日益迫切。传统NFC标签往往缺乏先进安全功能，易遭受克隆、篡改与数据拦截；在身份认证的真实性直接影响安全性与质量的关键应用中，此类问题尤为突出。而MAX66250凭借双向SHA-3认证、可控有效期管理及使用记录追踪功能，能够满足这些安全需求，提供超越标准NFC的防护能力。下文将通过三个真实应用场景，探讨这些功能如何在实际应用中提升安全性、可靠性与合规性。
1. 医疗输液泵
医疗输液泵是医疗健康领域的关键设备，可按照设定的时间间隔精准输送指定剂量的药物。这类系统依赖药液储药筒等耗材组件运行，为了保证输液精度与设备可靠性，耗材需定期更换。然而，若缺乏安全的耗材认证机制，产品会面临多重风险：既可能出现储药筒伪造问题，也可能因耗材污染或使用情况未受监控导致设备运行故障。
伪造耗材会对患者安全构成严重威胁。未授权的药液储药筒可能导致给药剂量不准确，进而影响治疗效果，甚至危害患者健康。除安全风险外，输液泵内部组件还会易因液体污染受损：此类系统中常用的传统机电接口依赖物理连接，长期使用后会出现磨损，可能导致液体渗漏并损坏内部元件。在此场景下，NFC技术的非接触式解决方案具备关键优势：既能规避物理接口相关风险，又能确保输液泵与耗材之间通信通道的安全性。
为全面应对上述薄弱环节，建议采用集成MAX66301 NFC读卡器MAX66250 NFC标签的解决方案（见图1）。其中，MAX66301可嵌入输液泵的储药筒仓内，由系统微控制器驱动（微控制器同时负责控制输液泵的驱动装置）；药液储药筒则配备MAX66250 NFC标签，标签可外接于储药筒表面或直接嵌入筒身内部。当储药筒插入输液泵时，MAX66301读卡器会与标签启动质询-响应认证流程。只有在认证成功后，输液泵才会启动运行，从而确保仅使用正品储药筒。参见图2。
除了可靠认证功能外，这套解决方案还支持可控的有效期管理与使用记录追踪。MAX66250内置一个17位、一次性可设置、非易失性、具有认证读取功能的仅递减计数器，且计数器的读取需经过认证。这一设计使系统能够对储药筒的有效期或使用次数进行限制。例如，可通过已使用时间或使用次数两种方式判定储药筒是否过期，确保耗材在安全使用周期内完成更换。储药筒的生产日期、首次使用时间、总使用次数等详细信息，会与上述有效期数据一同安全存储在EEPROM中。这种加密保护存储通过加密算法与认证机制，确保数据无法在未经授权时被篡改或读取，既实现了防篡改，又无需外部联网，即可提供可追溯的使用历史记录。
通过集成NFC技术，这套系统不仅提升了安全性与可靠性，还简化了医护人员与患者的操作流程：无物理连接器的设计最大限度减少了设备损耗，非接触式交互则降低了设备内部液体被污染的风险，从而有效保护输液泵的关键组件。此外，支持NFC的解决方案使储药筒的更换过程无缝且安全，用户无需复杂操作即可维持输液泵的正常运行。
尽管自动禁用过期耗材并非在所有场景下都适用，但系统可发出醒目的警报提示，告知用户需更换耗材。在关键场景中，输液泵可启用可解除的锁定机制，即在安装有效储药筒前，禁止驱动装置启动。这种灵活的设计在安全性与易用性之间取得平衡，确保医护人员能在不牺牲系统安全性的基础上将重点放在患者的护理上。
MAX66301与MAX66250的集成应用，为输液泵安全设立了新标杆：既解决了关键安全漏洞，又提供了易用且防污染的解决方案。这套支持NFC的系统充分展现了安全认证技术在医疗应用中的变革潜力，对提升患者安全与设备可靠性均具有重要意义。
2. 消费类滤水器（如冰箱的滤水器）
借鉴为医疗输液泵开发的设计原理，类似的支持NFC功能的解决方案可应用于冰箱中的滤水器系统。与输液泵类似，这类系统同样依赖滤水器这类耗材组件。为保证水质与使用安全，需定期更换滤水器。但这类系统也面临着与输液泵相似的挑战，包括滤水器存在伪造问题、缺乏认证机制、对使用情况或有效期的追踪不足等。
在支持NFC的设计中，MAX66301 NFC读卡器集成于滤水器外壳内，MAX66250 NFC标签则集成于滤水器的滤芯中，确保用户仅使用经过授权的正品滤水器。当插入新的滤水器时，NFC读卡器会与标签启动质询-响应认证流程；认证成功之后，系统才会确认滤水器合规，并允许水流通过。参见图3。
医疗输液泵与滤水器这两类设计的核心共性特征在于二者均创新性地采用了圆柱形螺线管天线。这种天线可产生环形NFC磁场，为读卡器与标签之间的稳定通信提供支持。这种环形磁场能确保在曲面环境下实现可靠认证，无需读卡器与标签的天线实现精准对齐。只要将螺线管天线绕在圆柱形支架上，并与滤芯（或储药筒）的NFC标签保持固定距离，无论标签朝向如何，都能实现无缝交互。
标签还具备额外功能，可支持可控的有效期管理与使用记录追踪。标签内置的17位、一次性可设置、非易失性、具有认证读取功能的仅递减计数器（读取需经认证），既能够强制满足有效期要求，也可追踪使用情况（如过滤水的总体积）。安全EEPROM可用于存储关键数据，包括安装日期、首次使用时间及总使用历史，为设备维护与耗材更换提供完整记录。这些数据通过加密机制保护，确保不会被篡改或被未授权方访问。
从运行角度来看，这套支持NFC的设计提升了设备的耐用性与可靠性。由于无需物理连接器，在高湿度环境中（传统连接器长期使用易老化），这套方案能最大限度减少设备损耗。此外，环形NFC磁场无需精准对齐即可保证稳定的认证性能，大幅简化了消费者更换滤芯的操作流程。
当滤水器接近有效期或超出安全使用限制时，系统可通过冰箱的用户界面或关联应用程序向用户发出警报；在关键场景下，还能启用可解除的锁定机制，即在安装有效滤芯前，禁止水流通过。这一设计既确保了水质安全，又为用户更换滤芯提供了操作灵活性。
将医疗输液泵的安全认证框架拓展应用于滤水器，充分体现了MAX66301与MAX66250这一器件组合的通用性与适应性；而在曲面环境中引入环形NFC磁场的设计理念，则进一步优化了方案，证明可靠的认证、可控的有效期管理、使用记录追踪等功能可无缝集成到日常家电中。这套支持NFC的系统为净水技术带来了显著进步，兼顾了安全性、正品保障与易用性。
3. 工业级HEPA过滤器
NFC技术的通用性远不止于医疗输液泵、滤水器等圆柱形结构的应用场景。在工业应用场景中，即便面对平面结构，NFC技术凭借出色的适应性，依旧能实现安全可靠的集成，工业级HEPA过滤器的应用场景便充分体现了这一点。工业级HEPA过滤器对洁净室、制药生产、食品加工等环境的空气质量维持起着关键作用。这类过滤器通常长期处于高强度运行状态，其性能直接影响场景的安全性与合规性。然而，目前采用的追踪机制（例如通过光传感器检测过滤器污染程度），在确保质量与安全方面仍存在不足。
基于光传感器的追踪机制存在一个普遍问题：容易被人为操控。操作人员可能会清洗过滤器后重新安装，通过这种方式欺骗传感器，使其重置使用数据。这种做法看似能节省成本，实则会大幅降低过滤器的过滤效率，让性能衰减的过滤器继续运行，将直接对用户安全构成威胁。为解决这一漏洞，支持NFC的解决方案集成了一套安全认证与使用记录追踪机制，使第三方无法进行篡改或绕过安全机制。
这套设计将MAX66301 NFC读卡器集成于过滤器外壳内，同时将MAX66250 NFC标签附着在HEPA过滤器的平面上（见图4）。借助平面结构特性，NFC标签可牢牢固定在特定位置，确保通信的稳定性与可靠性。在过滤器投入使用前，系统会通过质询-响应认证流程验证其真实性，确保仅使用经过授权的正品过滤器。与光传感器不同，标签中存储的使用数据经过加密保护，可有效防范篡改或未授权修改。
此外，MAX66250还能实现精准的使用记录追踪，确保过滤器在合适的周期内完成更换。这套方案不再依赖污染物堆积量等环境检测指标，而是通过存储在安全EEPROM中的已认证数据，直接追踪过滤器的生命周期。存储的信息包括过滤器的安装日期、首次使用时间、总运行时长或运行周期，形成一份可靠且防篡改的使用记录；未经加密授权，任何人都无法修改这份记录。这种设计彻底消除了过滤器重复使用带来的风险，确保性能衰减的过滤器不会被重新投入使用。
从运行角度来看，平面结构的NFC集成方案具备多项优势：无需物理连接器或机械接口，既提升了设备耐用性，又简化了安装流程，即便在高振动的工业环境中也能稳定运行。此外，NFC读卡器与标签的紧凑设计可无缝集成到现有过滤器外壳中，无需对设备进行大幅改造。
通过部署支持NFC的认证与追踪功能，工业级HEPA过滤器系统不仅能确保符合空气质量标准，还能防范过滤器伪造或维护不当带来的安全风险。这套解决方案进一步展现了NFC技术的灵活适配特性，充分证明其能够适应不同结构形态与应用环境。从圆柱形耗材（如储药筒、滤水器滤芯）到平面过滤器（如HEPA过滤器），MAX66301与MAX66250的组合能够提供可靠、灵活的技术基础，助力各类不同应用场景提升安全性、可靠性与运行效率。
结语
在对安全性、安全保障及合规性有严格要求的应用场景中，MAX66301与MAX66250的器件组合可提供一套全面的NFC解决方案，实现安全认证、有效期管控与使用记录追踪三大核心功能。文中重点围绕医疗输液泵、消费类滤水器及工业级HEPA过滤器三大应用场景展开，证明这套技术能够针对性解决不同场景下的安全漏洞，既保障产品本身的完整性，又切实提升用户使用过程中的安全性。这套支持NFC功能的安全认证系统，有望为各行业的安全高效运营树立全新标准。