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NFC 的運作原理是什麼?為何它嗶一下就能完成感應、支付和開鎖呢?

活躍星系核_96
・2018/08/28 ・6812字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

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  • 作者/施登騰 中國科技大學互動娛樂設計系 助理教授 (右手寫古器物藝術鑑賞,左手寫博物館科技新知,是古今複合型大學老師)

既熟悉又陌生的 NFC

NFC (Near Field Communication)指的是短距離無線通訊,這是在 Android 手機上相當普及的無線支付、傳輸、感應、通訊應用。

NFC 技術是在 RFID(即大家熟悉的悠遊卡感應)基礎上研發的,早在 1997 年就使用在星際大戰玩具上,後來由 Nokia、Sony、Philips 三家大廠共同研發,並在 2007 年初次使用於 Nokia 6131 手機後,於 2009 年正式推出這項技術。隨後,Google 開始投入 NFC 的研發與應用,所以在 2010 年就由 Samsung 協助開發出 Google 第一款搭載 NFC 的 Android 手機-Samsung Nexus S;並在 2011 的 Google I/O 大會上宣布與示範 NFC 在遊戲,以及分享通訊、網址、應用程式、或影片方向的應用。

隨著無線支付機制與習慣的普及,搭載 NFC 功能 Android 手機在 2012 年就有 300% 以上的成長,在 2017 年更達到 20 億台。而原本只支援無線支付 Apple Pay 的 iOS 系統手機,則在 2017 年 6 月 Apple 宣布 iOS 11 以及 iPhone 7 與 iPhone 7 Plus 以上的手機開始支援 NFC App;自此 iPhone 手機就可以使用無線支付以外的應用,開發者也能透過 Core NFC 開發與發佈應用程式。Apple 此舉被視為移除了 NFC 應用的最大障礙。

NFC近距通訊認證標誌。圖/nxp

了解 NFC 近場通訊的歷史背景後,大家都熟悉又陌生的 NFC 使用方法與應用功能,其實就像其他的通訊資訊傳輸一樣,說明如下:

  • 資料傳輸:可分享圖文、網址、通訊錄、電話號碼、樂曲、影片或相片等資料,並可作為支付、驗核、電子票證等類資訊的發送、接收、與確認。
  • 使用方式:可進行非接觸式點對點資料傳輸,範圍是0~20公分。此即NFC重要的近場高頻無線通訊技術基礎上的特殊數位資料傳送方式。
  • 對接形式:NFC 裝置與標籤的對接傳輸形式主要是以下圖所示之兩類,也就是「『NFC手機』+『NFC Tag』」或「『NFC手機』與『NFC手機』」等。
左邊圖示為:「NFC手機」接收「NFC Tag」訊號;右邊圖示為:「NFC手機」與「NFC手機」傳通。圖/taptrack.com

來看看 NFC 的精采應用

Nokia、Sony、Philips 三家公司為推廣 NFC 應用,並推動 NFC 技術標準,進而成立非營利組織 NFC Forum。該組織以 2017 年公佈的「NFC Innovation Award Winners and Semi-Finalists」( NFC 創新獎)的精彩作品去介紹,會讓大家對NFC有更多的認識,並且也據以提出可能的應用。

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最佳新創公司獎項得主:IO NFC Sticker (NFC貼紙)(支援Android 4.0以上)

Dimple 的 NFC 按鈕可透過手機設定並且直接貼在手機背面。圖片來源:youtube

「如果透過自己在手機機體上設定的NFC按鍵,一按就能馬上可以啟動手機裡的:相機、手電筒、電話、鬧鐘等功能。而且有專屬應用程式,要設定與更換按鍵功能都非常簡易,一排四個按鍵也不需電源,隨貼即用。」這聽起來是不是很實用呢?知名部落格 Unbox Therapy 對此產品也有很高的評鑑,他的拆封分享、設定使用、實際體驗等內容請見影片。

最佳手機應用程式獎得主Khushi Baby/ Healthy Baby (NFC穿戴項鍊)

此內建 NFC Tag 的數位項鍊是在印度鄉下推廣使用,它可以記錄幼童健康的數位資訊,而不需再用傳統的紙本紀錄,因為紙本既不方便又難維護,Khushi Baby 的 NFC 標籤,可以透過手機軟體即時更新儲存健康資料,使幼童健康履歷隨身攜帶,方便後續進行各式醫療前的個人健康資訊取得。況且 NFC 標籤既輕薄易用,又可放置在各式物品中。因此此為解決貧困鄉村醫療資訊問題的創新產品,也充分發揮「社會設計」的以設計手段解決社會問題的功能。

Khushi Baby項鍊內嵌NFC Tag。圖片來源:youtube
幼童穿戴Khushi Baby項鍊式NFC Tag的樣子,網站中也有更多的說明。圖片來源:khushibaby.org

最創新 NFC 產品、服務、成品決賽入圍:Blulog 溫度監控NFC卡

這項 NFC 應用是將 NFC Tag 設計在明片型大小的產品中,厚度僅有 2.5 mm,可與包裝箱隨運,並且全程記錄監控箱內商品的溫度,也具有 GPS 定位追蹤功能,可以說是具有多元智慧功能的溫度監控記錄數位標籤,是針對新鮮食品的低溫運輸系統(Cold Chain)所研發的科技產品。

此產品而且只要用以手機輕觸就可以讀取商品在低溫運輸過程中的溫度監控、GPS 歷程等資料,所偵測到的溫度誤差也只有 0.2~0.4℃ 而已。而且根據 Blulog 的官方網站資料, Blulog NFC 卡還有警報二極管(alert diodes)只要在低溫運輸過程中有問題,就會發出警示訊號,而且 Blulog NFC 卡最便宜的版本為 10 歐元,可維持 30 天到 1 年。

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Blulog的溫度監控NFC標籤很輕薄。圖片來源:youtube
只要用手機即可讀取Blulog數據。圖片來源:youtube

最佳新創公司決賽入圍:內建 NFC 讀取功能分酒機〈Kuvee Connect

Kuvee Connect 是款創新產品,可以由下插入葡萄酒瓶於器體內,並作為分酒機,Connect 器身上還有 LCD 觸控螢幕,會在葡萄酒插入後讀取該瓶葡萄酒的NFC資料,而在LCD觸控螢幕上顯示包括評價、評等、推薦資訊、酒商、酒莊等資訊。是款具有食用分酒機功能,又具備NFC資料讀取應用的創新產品。可透過影片進一步了解使用方法:

最佳手機應用程式獎決賽入圍: Nestech Smart Lock (智慧門鎖系統)

Nestech Smart Lock是由台灣團隊所研發的,主要是將NFC技術應用在電子鎖、飯店發卡系統上。目前該公司的電子鎖產品已經量產,在許多購物網站上都可以看到,並在功能上特別介紹「手機App遠端控制並直接產生密碼」、「子母卡感應設定」、「NFC手機前台管理」、「200組密碼」等特色。

台灣團隊Nestech推出智慧門鎖系統。圖片來源:youtube

以上是 NFC Forum 2017 年公佈的「NFC Innovation Award Winners and Semi-Finalists」( NFC 創新獎)中幾款值得推薦的 NFC 應用產品。如果還有興趣了解NFC的應用,可以再看看部落客艾格所寫的「手機的NFC功能來能幹嘛?6個你應該知道的NFC更多應用」。

談談 NFC Tag 標籤

NFC應用的原理是主要以點對點方式,在20公分近距離內即可讓NFC手機或標籤進行交易存取。特別是NFC Tag 標籤是相當輕薄的晶片,共有5類,實際產品照片如下圖,就像張貼紙般。

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NFC感應標籤十分輕薄。圖片來源:s.yimg.com

雖然 NFC Forum 網站也針對各類 NFC Tag 特性與功能提供說明  ,但在本文則引用臺灣科技大學整合數位服務實驗室所整理的簡報資料來介紹,而且該份簡報對於Android NFC技術有相當清楚的說明。

就如下圖所示,NFC Tag 基本上分為五類,共有 type 1-4 與其他類。這些類別在相容產品(Compatible Products)、記憶容量(Memory Size)、單價(Unit Price)、資料擷取(Data Access)方面均有不同。在台灣的售價大概是在 20~150 元左右。在形狀上共有:硬幣形、圓形吊牌形、貼紙形、電池釦形、卡片形等等,方圓均有,有些甚至與嵌入產品中,像是手錶、鑰匙扣、喇叭等等。

各類NFC標籤功能的列表說明。圖片來源:slideshare

博物館與展場可以如何使用 NFC 技術?

其實能找到的 NFC 博物館應用案例並不多,倒是 Nokia 在 2011 年與倫敦博物館(Museum of London)推出的 NFC 應用,算是比較早的案例。相對於掃描二維碼、圖文、物品,或由藍芽傳輸的等 QR Code、AR(Augmented Reality)、iBeacon 來說,NFC 確實是個簡便又迅速的資料傳輸/讀取技術。前面介紹過 NFC技術與 NFC 標籤,所以對 NFC 標籤可以內嵌數位資訊等候讀取的這個技術應該不陌生。但 NFC 如何應用在博物館展場提供數位服務呢?以倫敦博物館的案例來說,Nokia 在展區中設計了兩項 NFC 運用方式如下:

  • Find Out More : 在許多件展品的說明牌下方,另外貼有「Find Out More」的牌子,這牌子內嵌了儲存該展品的圖文、影片、網路資訊的 NFC 標籤,讓訪客用 Nokia 手機輕觸就可在螢幕上讀取資料,以更深入地認識展品。
  • Check In on Facebook / Sign Up to eNews/ Follow Us on Twitter:在服務區的 Check In/Sign Up/Follow 立牌中也內嵌 NFC 標籤,以手機輕觸後,即可登入或登錄專屬數位服務社群與新聞平台。
訪客正以手機輕觸說明牌去讀取展品資料。圖片來源:youtube

所以 2011 年 Nokia 在倫敦博物館所展示的 NFC 應用,也就是前面所介紹的 NFC 資料傳輸基本功能:「分享圖文、網址、通訊錄、電話號碼、樂曲、影片或相片等資料,並可作為支付、驗核、電子票證等類資訊的發送、接收、與確認。」

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基本上,從慣用方式上去理解 NFC 功能其實能更清楚,那就是 NFC 手機為終端的接收器 (Receiver)、驗證機 (Verification)、交易卡 (Trading Card) 等功能,因此就如下圖,使用 NFC 手機可進行下列事項,也提供展場功能規劃的設計想法。

此圖提供很完整的 NFC 智慧服務功能。圖片說明:rfpage
  • 停車管理 (Parking Access Management):與目前停車卡與悠遊卡使用方式一樣,可以有效進行進出管制與流量監控。展區管理也可導入此技術功能。
  • 門禁控管 (Access Control):就像前面介紹目前已有多款使用NFC的電子鎖,用在無鑰匙門禁(Keyless Access)也是很常見的功能。展區的展件、裝置、設施的啟動均可使用此功能。
  • 票務 (Ticketing):電子票務已是兵家必爭之地,因為智慧票務(Smart Ticketing)或電子票務(E-Ticketing)結合NFC的數位標籤或實體標籤後,已可取代傳統票卷,而且可以置入行銷宣傳,提供海報、廣告、傳單、資訊的連結。
  • 資訊傳輸讀取 (Data Exchange Between Two Mobiles/ Receive From NFC Tag):這是 NFC 最常見的基本應用。目前也用在醫療服務、健康照護等等領域,所以已有廠商著手於搭配的NFC Tag功能的小型配件,像是手環、項鍊等等。這功能也能提供博物館/美術館等展館很多資訊提供服務的想像,不管是隨附於展品、安排在特定位置、整合於特定設備。
  • 行動支付 (Contactless Payment):目前以手機作為智慧卡(Smart Card)或支付卡(E-Wallet),已經是目前很普及的用途。這對於博物館/美術館等展館導入金融服務與行銷服務是相當有幫助的,像是聯名卡、跨館際消費、會員服務、優惠服務等等。
  • 運輸卡 (Transport Cards):此功能常見於貨品運送上,作為運輸過程中貨物資訊、溫度監控、GPS 定位追蹤等,都是運輸業很需要也很實用的功能。博物館/美術館展品管理與運送上也會有此功能需求。

因此,在前面的許多說明與範例介紹後,相信各位也瞭解與認同,無論是本文要刻意導入的博物館/美術館使用方面的想像,或者是其他的應用,NFC 都是相當值得期待的數位技術與產品。在此相當推薦進一步去了解一款目前已在紐約庫柏休伊特設計博物館 Cooper-Hewitt Smithsonian Design Museum 使用的互動筆( The Pen),此數位筆型裝置也是使用 NFC 技術去讀取與儲存展品資訊。

The Pen是曾為克里夫蘭美術館製作 Gallery One 成功案例的 Local Projects 為紐約庫柏休伊特設計博物館所研發的。The Pen不僅能在多媒體螢幕上創作與互動,也能夠讀取 NFC 標籤的數位資訊,並且透過雲端蒐集個人喜歡的展品資料。下圖是其設計概念。而庫柏休伊特設計博物館在宣傳上,將此筆在展場中的用途功能定調為三大項:Explore探索」、「Create 創作」、「Collect蒐藏」

 

The Pen的設計構想。圖片來源:cooperhewitt.org

作為發揮「探索」、「創作」」、「蒐藏」功能的重要數位裝置,The Pen 除了當作參與創作而在螢幕上繪圖的數位筆之外(畢竟此展館是著名庫柏休伊特設計博物館),也作為 NFC 標籤的讀取與儲存裝置,可用The Pen探索與蒐藏自己喜歡的展品訊息。不僅透過筆端的傳感器讀取嵌入在展品說明卡上的小型NFC標籤中的訊息。

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也可以透過高解析螢幕的互動桌,讓訪客將 The Pen 所蒐藏的展品資訊,放到螢幕上觀看。此功能讓訪客有如在參觀過過程也擔任自己的策展人,設計自己專屬的展覽。所以在互動桌上整理編排好後就可以儲存到雲端(庫柏休伊特設計博物館管理),並且取得圖標(Collect Symbol)與編碼(Code)後,就可以到網站輸入專屬編碼,在家查看自己蒐藏的展品資訊。相關步驟如下面組圖,欲了解其操作請看影片

使用The Pen讀取資料。圖片來源:cooperhewitt.org
The Pen所儲存的訊息也可以在數位互動桌的螢幕上觀看。圖片來源:cooperhewitt.org
在博物館取得專屬編碼後,隨時都可上網登入讀取所蒐藏的展品訊息。圖片來源:cooperhewitt.org

小結

上面所介紹的 NFC 技術內容與範例,其實都提供了許多 NFC 應用在展示場域作為數位資訊或個人服務的許多想像。由於 NFC 標籤的價格不貴(前面提到約20~150元),也可透過許多 App 進行編輯與管理,而且相當輕薄可嵌入或黏貼於其他物品,或者製成特色商品,這些優勢都是值得納入服務構想的特色。下面有「Call to action」與「Participatory Experiences」等使用建議提供參考。

Call to action (行動呼籲)

非常建議採用「Call to action」的概念,以NFC手機為發想點,專注在NFC 手機作為終端的接收器(Receiver)、驗證機 (Verification)、交易卡與票卷 (Trading Card/Ticket)的功能,再去接軌各項適合訪客的數位服務功能。而且,使用像是「Find out more」的提示引導進行主動探索,以接續後面的蒐藏、讀取等服務。

The Pen算是目前比較值得了解仿效的數位 NFC 服務,其實若不考慮其數位繪筆功能的話,以 NFC 手機取代 The Pen 的方式,也能讓此展品資訊探索、蒐藏、讀取的操作方式與功能,在其他展館提供很直覺且客製化的數位服務。

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Participatory Experiences(參與式體驗)

由 The Pen所提供的個人化展品資料庫功能,與參與式體驗(Participatory Experiences)形式,其實也和其研發公司〈Local Projects〉在克里夫蘭美術館所提供的 ArtLens Wall 服務很像,都能提供個人專屬展件資料蒐藏與讀取。當然其差別就是 The Pen是在參觀過程中讀取與蒐藏鍾愛的展品資訊,然後在數位桌讀取編輯並上傳專屬雲端位址;而 ArtLens Wall 則是讓參觀者在 40英尺長、720p解析度的多媒體螢幕上,由該館提供的 4000 多件數位典藏品中,選取自己喜歡的展品,並將資料下載到專屬 iPad 導覽器上,作為導覽輔助進行參觀。

因此,本文建議在展場互動上,可以鼓勵參與的 Call to action 去觸發動機,以個人化的 Participatory experiences 去創造專屬感,這樣的話,NFC 所提供的便利技術與數位服務也就能夠更有創意的使用在各式場域與活動中。

訪客在借用ArtLens Wall專屬裝置後,就放置在ArtLens Wall前座子上,等候接收個人鍾愛的展品資料。圖片來源:youtube
訪客可以在ArtLens Wall近40尺的螢幕上,從4000餘件展品選擇。圖片來源:youtube
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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從悠遊卡到無障礙聽障服務都靠它!那些你沒想過的電磁感應應用
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2021/01/18 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

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  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 研究助理 蔡宜欣

使用悠遊卡已經是現代台灣人的日常生活習慣,不論是搭乘捷運、公車,或是到超商、合作店家消費,只要將卡片靠近感應器「嗶」一下就能讀卡扣款,既便利又快速。不過,悠遊卡既沒有裝電池也不需要插入讀卡機,為什麼還能傳遞資料呢?

悠遊卡只要靠近感應器「嗶」一下就能搭乘公車、捷運,還能到商店進行消費,非常便利與快速,使用悠遊卡已經是現在台灣人的生活日常。圖/悠遊卡公司

悠遊卡是怎麼辦到的?

西元 1831 年,英國科學家法拉第 (Michael Faraday) 發現,當磁鐵穿過不帶電的線圈中間或線圈經過靜止的磁鐵時,線圈會因為磁場變化而產生感應電流 (induced current) ,且當線圈匝數(圈數)愈多或是移動速度愈快時,產生的電流就會愈強,這樣神奇的「磁生電」現象就稱為電磁感應 (electromagnetic induction) ,也就是悠遊卡使用的原理之一1,2

法拉第發現當磁鐵穿越線圈或是線圈經過靜止的磁鐵時,線圈會因為磁場變化而出現感應電流。
圖/Wikimedia common

悠遊卡使用的無接觸感應技術稱為 RFID(Radio Frequency Identification,無線射頻辨識系統),每張悠遊卡中都有 RFID 標籤 (Tag),雖然標籤本身不會放電,但當它靠近讀卡機 (Reader) 的磁場周圍時會透過電磁感應的原理讓標籤上的線圈產生電流,這個電流便足以供應標籤將資訊傳到讀卡機。

不只是悠遊卡,舉凡感應式信用卡、高速公路電子收費 ETC (Electronic Toll Collection) 、圖書館或商店的防盜裝置、宿舍門禁卡、寵物晶片等也都是使用RFID 的技術呢!

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手機 NFC( Near Field Communication,近距離無線通訊)則是 RFID 的延伸版,同樣是使用電磁感應進行運作,差別在於 RFID 屬於單向提供資訊,NFC 則是讓短距離的兩方設備間能雙向交換資訊,過程快速又安全,有了NFC 功能的手機便可以進行我們耳熟能詳的行動支付3-6

電磁感應也能這樣用

家中的電磁爐也是利用電磁感應的原理,電磁爐內部的線圈會不斷交替磁場,間接讓金屬鍋具產生渦電流 (Eddy Current) ,達到電流生熱的效果,便能加熱鍋中的食物7,8。除此之外,電磁感應也可以用於傳遞音訊喔!

想想看,今天到電影院欣賞一場電影,旁邊觀眾討論劇情或偷講電話的干擾是否讓你的理智線快斷裂?對於聽損人士來說,雖然他們的助聽器可以將外部聲音合適的放大,讓聲音訊息變得「清晰」,但當外部聲音訊息是來自於電子設備時(如:小蜜蜂、喇叭、廣播系統),助聽器麥克風會將這些「電子設備處理過的機械音」再次處理後才播放,導致聲音在數次的轉換過程容易「失真」,自然音效品質便容易因此打折,更甭提旁邊可能還有其他觀眾發出的擾人噪音,讓看電影不再是一件浪漫又享受的事情。

這種時候,使用 T 線圈 (Telecoil/T-coil) 就能幫助聽損人士聽得更清晰!多數助聽輔具都有 T 線圈,是透過導線纏繞在鐵氧體 (ferrite) 材質的棒子上所組成的,聽損人士只要在設有聽力/電磁感應線圈系統 (Hearing Loop / induction loop system) 的環境裡開啟「 T 功能」,金屬線圈便會產生交流電,將目標音源訊號接收後直接調整並放大,避免數次的聲音處理,讓使用者聽到清楚又純粹的聲音9,10

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T 線圈是一個纏繞在鐵氧體棒上的金屬線圈裝置,內建於多數助聽器裡。圖/hearingloop

T 線圈與藍芽、遠端麥克風系統差在哪?

可以無線傳遞音訊的科技不只有一種,除了 T 線圈之外,助聽輔具也常具備藍芽功能 (Bluetooth) 或可搭配遠端麥克風系統 (Remote Microphone) ,那這三者有什麼不一樣?

藍芽功能雖然便於聽音樂、接聽電話,但會受到距離和特定助聽輔具型號的限制;遠端麥克風系統雖然可以與主講者戴的專屬麥克風連接,但在設備連接的數量及輔具的配對上仍較容易有所限制。

T 線圈則不同,大多數助聽輔具都有這樣的裝置,且感應線圈的設置也可以依照場地需求變更,範圍可以是一個運動球場大,也可以僅環繞在聆聽者周圍(如:設置於地板或椅子上),只要有裝設的地方就可以使用9

比起其他個人化的無線裝置,T 線圈省了逐一配對的步驟,只要在裝設的地點內活動,也不會受到距離所限制,同時在感應範圍內還能多人使用,因此這項科技大多被運用於公共場所,例如國外的車站、教堂、學校、博物館或歌劇院等11,12,讓聽損人士能輕鬆欣賞演奏、導覽或演講而不被雜音或距離所干擾,落實生活無障礙!

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T 線圈的標誌提醒聽損人士可以開啟 T 功能來聆聽。
圖/hearingloop

用電磁感應打造無障礙社會

目前台灣在國家兩廳院服務台、國家圖書館教室與演講廳、宜蘭演藝廳都有提供感應線圈的服務13-15,然而國內有提供這項服務的場域仍不常見。特別是在車站、機場或商店等回音很重又吵雜的場所,我們通常得要很仔細聽班機/車次廣播資訊才能依稀辨別,更別說對聽損人士而言這樣的困擾會更加倍增;若在這個時候可以有T功能可以使用,相信他們就能更輕鬆的聽到廣播。

英國地鐵的 T 線圈服務,讓聽損人士可以輕鬆聽到廣播訊息,降低因環境吵雜而產生的焦慮感。
圖/AV Magazine

從每天都在使用的悠遊卡、行動支付、電磁爐到聽覺無障礙設施,在生活上的電磁感應應用可能比你想得還多,這些發現與發明提升了我們的生活品質,讓生活更加便利。今天通勤的路上也可再仔細觀察看看,還有哪些產品或服務是使用電磁感應呢?

參考資料

  1. 【基礎】電磁感應
  2. 麥可‧法拉第
  3. RFID 與 NFC 技術有什麼不同?
  4. 從悠遊卡到 Apple Pay:漫談 RFID 與 NFC 技術
  5. https://kknews.cc/zh-tw/tech/6k9xyxl.html
  6. RFID原理與應用
  7. 電磁爐 (Electric Oven)
  8. 電磁爐
  9. T-Coils: Getting The Most Out Of Your Hearing Aid
  10. Harvey Dillon(2019). 助听器:第二版(胡向阳)。北京:华夏出版社(原著於2012出版)
  11. How New York City Hears People With Hearing Loss
  12. Hearing Loop
  13. 雅文基金會臉書
  14. 無障礙服務|國家兩廳院
  15. 國立臺灣圖書館——聽障服務
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。