Nghiên cứu phát triển ứng dụng Near Field Communication trong máy tính ubiquitous - Luận án TS. Technische Universität München

• Tác giả: Florian Resatsch
• Người hướng dẫn: Prof. Helmut Krcmar
• Trường học: Đại học Kỹ thuật München
• Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
• Đề tài: Phát triển và đánh giá các ứng dụng Giao tiếp Phạm vi gần (NFC)
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: München

Tóm tắt

I. Tổng quan về ubiquitous computing và NFC

Ubiquitous computing, hay điện toán ubiquitos, là mô hình công nghệ trong đó máy tính được tích hợp sâu vào môi trường sống hàng ngày, cho phép con người tương tác liền mạch với hệ thống số mà không cần ý thức rõ ràng về sự hiện diện của chúng. Trong số các công nghệ thúc đẩy tầm nhìn này, Near Field Communication (NFC) nổi lên như một nền tảng đầy tiềm năng. NFC cho phép truyền dữ liệu không dây ở khoảng cách ngắn, thường dưới 10 centimet, thông qua cảm ứng từ trường. Công nghệ này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ giữa cuộn dây đọc và thẻ NFC, sử dụng phương pháp điều chế tải để truyền thông tin. Với sự phổ biến ngày càng tăng của điện thoại di động tích hợp NFC, công nghệ này có khả năng trở thành cầu nối giữa thế giới vật lý và kỹ thuật số cho hàng triệu người tiêu dùng. Nghiên cứu của Resatsch (2009) chỉ ra rằng NFC có thể trở thành công nghệ ubiquitous computing thực sự khi thành công trong việc thâm nhập các kênh phân phối và tích hợp sâu vào thị trường thiết bị di động.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động của NFC

Near Field Communication là công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn hoạt động ở tần số 13,56 MHz. Hệ thống NFC bao gồm hai thành phần chính: thiết bị đọc (reader) và thẻ tag. Khi dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây đọc, nó tạo ra trường điện từ tại vị trí đó. Nếu một thẻ NFC có cuộn dây nhỏ hơn được đặt trong phạm vi hoạt động, điện áp xoay chiều sẽ xuất hiện trên thẻ và trường từ bị ảnh hưởng bởi dữ liệu chứa trong chip. Điện áp được chỉnh lưu để cung cấp năng lượng cho chip thẻ. Sau khi được cấp nguồn, dữ liệu được gửi trở lại thiết bị đọc thông qua phương pháp điều chế tải. Công nghệ này được chia thành hai loại chính: RFID trường xa hoạt động trên 100 MHz với khoảng cách lên đến 3 mét, và RFID trường gần sử dụng cảm ứng từ với khoảng cách ngắn hơn nhiều.

1.2. Vị thế của NFC trong tầm nhìn ubiquitous computing

Ubiquitous computing đòi hỏi các công nghệ có khả năng tích hợp tự nhiên vào môi trường sống mà không tạo ra rào cản tương tác. NFC đáp ứng yêu cầu này thông qua tính đơn giản trong thao tác chỉ cần chạm hoặc đưa thiết bị lại gần nhau. So với các công nghệ không dây khác như Bluetooth hay Wi-Fi, NFC không yêu cầu quá trình ghép nối phức tạp, giảm thiểu rào cản sử dụng cho người dùng phổ thông. Điện thoại di động đóng vai trò then chốt trong việc phổ biến NFC đến người tiêu dùng. Khi được tích hợp vào thiết bị di động mà mọi người đã quen thuộc, NFC có tiềm năng trở thành công nghệ ubiquitous computing thực sự nằm trong tay người dùng. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm thanh toán di động, chia sẻ dữ liệu, xác thực danh tính và truy cập thông tin sản phẩm tại điểm bán hàng.

II. Thách thức trong phát triển ứng dụng NFC

Việc phát triển và đánh giá ứng dụng NFC đối mặt với nhiều thách thức phức tạp liên quan đến cả khía cạnh kỹ thuật và thị trường. Thứ nhất, công nghệ NFC yêu cầu đầu tư đáng kể vào hạ tầng thẻ tag để triển khai ở quy mô lớn. Các khoản đầu tư vào hạ tầng thông tin công nghệ ubiquitous computing thường rất cao, tạo ra rủi ro tài chính lớn cho doanh nghiệp. Thứ hai, tính chất vật lý của công nghệ đòi hỏi sự tham gia của người dùng ngay từ giai đoạn phát triển sớm nhất để đảm bảo sản phẩm cuối cùng được thị trường chấp nhận. Quá trình chuyển đổi từ nguyên mẫu thử nghiệm sang sản phẩm hoàn thiện là một thách thức đặc biệt quan trọng. Thứ ba, chuỗi giá trị NFC phức tạp với nhiều bên liên quan bao gồm nhà sản xuất thiết bị, nhà mạng viễn thông, nhà phát triển ứng dụng và đơn vị chấp nhận thanh toán. Sự phối hợp giữa các bên này đòi hỏi mô hình kinh doanh khả thi và cơ chế chia sẻ lợi nhuận rõ ràng. Nghiên cứu thị trường và đánh giá sự chấp nhận của người dùng là công cụ quan trọng giúp giảm thiểu rủi ro đầu tư.

2.1. Rào cản hạ tầng và đầu tư công nghệ

Hạ tầng NFC yêu cầu triển khai hệ thống thẻ tag vật lý tại nhiều địa điểm khác nhau, từ cửa hàng bán lẻ đến phương tiện giao thông công cộng. Chi phí sản xuất và lắp đặt thẻ tag, dù đã giảm đáng kể nhờ tiến bộ trong sản xuất bán dẫn, vẫn là gánh nặng tài chính không nhỏ. Chu kỳ lợi ích của RFID và NFC thể hiện mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau: nhiều ứng dụng hơn thu hút nhiều người dùng hơn, tạo ra lợi ích lớn hơn cho doanh nghiệp, từ đó khuyến khích đầu tư thêm công nghệ. Tuy nhiên, việc phá vỡ thế bế tắc ban đầu đòi hỏi cam kết đầu tư dài hạn và tầm nhìn chiến lược từ các bên liên quan, đặc biệt là nhà sản xuất thiết bị và nhà bán lẻ lớn.

2.2. Thách thức trong đánh giá trải nghiệm người dùng

Đánh giá ứng dụng NFC trong môi trường ubiquitous computing đòi hỏi phương pháp nghiên cứu phù hợp với bản chất vật lý của công nghệ. Khác với phần mềm truyền thống, ứng dụng NFC gắn liền với tương tác vật lý giữa người dùng và thiết bị, yêu cầu người tham gia nghiên cứu trải nghiệm trực tiếp trong môi trường thực tế. Việc thu thập phản hồi từ giai đoạn nguyên mẫu sớm giúp nhà phát triển hiểu rõ nhu cầu và hành vi thực tế của người dùng. Tuy nhiên, khó khăn nằm ở việc mô phỏng chính xác điều kiện sử dụng thực tế khi hạ tầng NFC chưa được triển khai rộng rãi. Phương pháp đánh giá cần kết hợp giữa thí nghiệm có kiểm soát trong phòng lab và thử nghiệm thực địa để đảm bảo tính toàn diện của kết quả.

III. Phương pháp phát triển và đánh giá ứng dụng NFC

Phát triển ứng dụng NFC hiệu quả đòi hỏi quy trình có cấu trúc, tích hợp phản hồi người dùng liên tục từ giai đoạn ý tưởng đến sản phẩm hoàn thiện. Phương pháp tiếp cận dựa trên thiết kế lấy người dùng làm trung tâm là yếu tố quyết định thành công. Quy trình bao gồm nhiều giai đoạn: phân tích nhu cầu, thiết kế khái niệm, xây dựng nguyên mẫu, thử nghiệm người dùng và đánh giá thị trường. Mỗi giai đoạn đều cần có cơ chế đánh giá riêng để đảm bảo sản phẩm đi đúng hướng. Việc áp dụng chu trình phát triển lặp cho phép nhà phát triển nhanh chóng kiểm chứng giả thuyết và điều chỉnh hướng đi dựa trên dữ liệu thực tế. Nghiên cứu của Resatsch đề xuất mô hình phát triển tích hợp các phương pháp định lượng và định tính, bao gồm khảo sát quy mô lớn, phỏng vấn chuyên sâu và thử nghiệm sử dụng thực tế. Mô hình này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá cả khía cạnh chức năng lẫn trải nghiệm cảm xúc của người dùng khi tương tác với công nghệ NFC.

3.1. Quy trình thiết kế lấy người dùng làm trung tâm

Quy trình thiết kế ứng dụng NFC bắt đầu bằng việc hiểu sâu hành vi và nhu cầu của người dùng mục tiêu. Giai đoạn phân tích bao gồm nghiên cứu thị trường, phỏng vấn người dùng tiềm năng và phân tích các ứng dụng NFC hiện có. Từ đó, nhóm phát triển xây dựng persona và kịch bản sử dụng để định hướng thiết kế. Nguyên mẫu được tạo dựng theo nhiều mức độ từ nguyên mẫu giấy đến nguyên mẫu chức năng có thể tương tác thực tế. Với tính chất vật lý của NFC, nguyên mẫu cần mô phỏng chính xác thao tác chạm và phản hồi từ thiết bị. Mỗi vòng lặp thiết kế đều bao gồm thử nghiệm người dùng, thu thập dữ liệu về thời gian hoàn thành tác vụ, tỷ lệ lỗi và mức độ hài lòng. Kết quả được phân tích để cải thiện thiết kế trước khi chuyển sang vòng lặp tiếp theo.

3.2. Phương pháp đánh giá đa chiều ứng dụng NFC

Đánh giá ứng dụng NFC cần áp dụng phương pháp đa chiều để đo lường đầy đủ hiệu quả và khả năng chấp nhận. Phương pháp định lượng bao gồm khảo sát quy mô lớn về thái độ và ý định sử dụng, đo lường các chỉ số hiệu suất như thời gian giao dịch và tỷ lệ thành công. Phương pháp định tính bao gồm phỏng vấn sâu, quan sát hành vi sử dụng trong môi trường tự nhiên và nhóm tập trung. Đánh giá cần xem xét các tiêu chí: tính dễ sử dụng, tính hữu ích, sự tin tưởng bảo mật và ý định tiếp tục sử dụng. Thử nghiệm thực địa tại các địa điểm triển khai thực tế cung cấp dữ liệu quý giá về hành vi người dùng trong điều kiện sử dụng chân thực nhất. Kết hợp cả hai phương pháp giúp xây dựng bức tranh toàn diện về khả năng thành công thị trường của ứng dụng.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng NFC thực tiễn

NFC đại diện cho một trong những công nghệ có tiềm năng lớn nhất hiện thực hóa tầm nhìn ubiquitous computing trong cuộc sống hàng ngày. Nghiên cứu về phát triển và đánh giá ứng dụng NFC đã chỉ ra rằng thành công của công nghệ này phụ thuộc vào ba yếu tố cốt lõi: hạ tầng kỹ thuật vững chắc, mô hình kinh doanh khả thi và trải nghiệm người dùng vượt trội. Chuỗi lợi ích của NFC hoạt động theo nguyên lý mạng lưới: khi số lượng ứng dụng tăng, giá trị mang lại cho người dùng và doanh nghiệp tăng theo, thúc đẩy đầu tư thêm vào hạ tầng và công nghệ. Các ứng dụng thực tiễn của NFC trải rộng từ thanh toán không tiếp xúc, vé điện tử, quản lý truy cập, chia sẻ thông tin liên lạc đến tương tác với sản phẩm tại điểm bán. Điện thoại di động tích hợp NFC đóng vai trò then chốt trong việc đưa công nghệ đến tay hàng triệu người tiêu dùng. Tương lai của NFC phụ thuộc vào khả năng hợp tác giữa các bên trong chuỗi giá trị và sự đổi mới liên tục trong phát triển ứng dụng.

4.1. Các ứng dụng thực tiễn tiêu biểu của NFC

Ứng dụng thanh toán không tiếp xúc là lĩnh vực triển khai NFC thành công nhất, cho phép người dùng thực hiện giao dịch bằng cách chạm điện thoại vào thiết bị đầu cuối tại cửa hàng. Vé điện tử và vé giao thông công cộng NFC giúp hành khách lên xuống phương tiện mà không cần vé giấy, giảm thời gian chờ đợi. Quản lý truy cập sử dụng NFC thay thế khóa vật lý trong khách sạn, văn phòng và khu dân cư. Chia sẻ dữ liệu giữa hai thiết bị NFC cho phép truyền tải liên kết, danh bia liên lạc và nội dung số chỉ bằng thao tác chạm đơn giản. Ứng dụng tương tác sản phẩm tại điểm bán cho phép người tiêu dùng truy xuất nguồn gốc, đánh giá và thông tin chi tiết về sản phẩm bằng cách chạm điện thoại vào nhãn sản phẩm có gắn thẻ NFC.

4.2. Triển vọng và hướng phát triển tương lai

Tương lai của NFC trong bối cảnh ubiquitous computing hứa hẹn nhiều đột phá khi công nghệ tiếp tục được tích hợp sâu vào thiết bị đeo, thiết bị gia đình thông minh và hệ sinh thái Internet vạn vật. Sự hội tụ giữa NFC với các công nghệ khác như blockchain, trí tuệ nhân tạo và điện toán đám mây sẽ mở ra khả năng ứng dụng mới, từ xác thực danh tính phi tập trung đến hệ thống chăm sóc sức khỏe cá nhân hóa. Đầu tư vào nghiên cứu thị trường và đánh giá sự chấp nhận người dùng tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chiến lược phát triển. Các mô hình kinh doanh sáng tạo dựa trên dữ liệu và dịch vụ gia tăng sẽ tạo ra giá trị bền vững cho toàn bộ chuỗi giá trị NFC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Florian Resatsch Ubiquitous Computing GABLER RESEARCH Informationsmanagement und Computer Aided Team Herausgegeben von Professor Dr. Helmut Krcmar Die Schriftenreihe präsentiert Ergebnisse der betriebswirtschaftlichen Forschung im Themenfeld der Wirtschaftsinformatik. Das Zusammenwirken von Informations- und Kommunikationstechnologien mit Wettbewerb, Organisation und Menschen wird von umfassenden Änderungen gekennzeichnet. Die Schriftenreihe greift diese Fragen auf und stellt neue Erkenntnisse aus Theorie und Praxis sowie anwen- dungsorientierte Konzepte und Modelle zur Diskussion. Florian Resatsch Ubiquitous Computing Developing and Evaluating Near Field Communication Applications With a foreword by Prof. Helmut Krcmar RESEARCH Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at http://dnb. Dissertation Technische Universität München, 2009 1st Edition 2010 All rights reserved © Gabler Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010 Editorial Office: Ute Wrasmann | Anita Wilke Gabler Verlag is a brand of Springer Fachmedien. Springer Fachmedien is part of Springer Science+Business Media.de No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photo- copying, recording, or otherwise, without the prior written permission of the copyright holder. Registered and/or industrial names, trade names, trade descriptions etc. cited in this publica- tion are part of the law for trade-mark protection and may not be used free in any form or by any means even if this is not specifically marked. Coverdesign: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Printed on acid-free paper Printed in Germany ISBN 978-3-8349-2167-3 7050_book.fm Page ii Wednesday, July 12, 2006 3:27 PM Foreword Ubiquitous Computing has been the subject of discussion in various research areas for some time now. Over the past several years RFID and Near Field Communication (NFC) technologies have become the driving force behind the vision of Ubiquitous Computing. In particular, NFC could become a real Ubiquitous Computing technology in consumer hands if it succeeds in capturing distribution channels, for example due to integration into the mobile devices market. Even if that will be the case in the future, application developers and entrepreneurs interested in using RFID or NFC technologies will be faced with the challenges of negotiating the process of moving early prototypes into a final product. In particular, given the physical nature of the technology, it is imperative that the user be involved in the very early stages of development in order to bring successful, consumer-accepted applications to market. In 2009, NFC technology still finds itself in the starting blocks—accordingly, these research results come at the right time. Previous approaches to the challenge of developing NFC applications have neither applied research methods specific to Ubiquitous Computing, nor have they integrated the appropriate design guidelines. Florian Resatsch’s work focuses specifically on these issues and makes use of a unified developmental and evaluation process model. The work draws on knowledge from a range of disciplines and combines these into a process for developing and evaluating Ubiquitous Computing applications using Near Field Communication (NFC) as an enabling technology. Various design guidelines for NFC applications are developed based on three engaging case studies. With these results Florian Resatsch shows the importance of combining various disciplines into a single multi- methodological approach in order to better understand the subject of “Ubiquitous Computing” from the user’s perspective. His work makes clear the necessity of a process-oriented approach in enabling the development of information technology applications based on NFC. Researchers in information systems will gain new insight into which research methods are applicable to which phases of product and prototype development. Important insights into the use and application of generic technology acceptance models and the piloting/prototyping of NFC-based applications are succinctly presented. Three case-studies, each in a different phase of the development cycle, add to the insights. For practitioners a number of recommendations for orchestrating the development of user- friendly applications are provided. In particular, the compiled design guidelines can help entrepreneurs to focus early on important issues in the application development process. The specific guidelines on how to user-test the infrastructure and the detailed design parameters will prove helpful. Given these contributions to the field I hope that this book by Florian Resatsch will find the attention it deserves. Helmut Krcmar Acknowledgements From first recognizing the idea of a world in which ubiquitous computing would be a reality to the final version of this book more than five years have passed. A very long list of people contributed to this work and I would like to express my gratitude to everyone involved—I enjoyed and appreciated every single minute of their time they made available. First, I would like to thank my advisor Prof. Helmut Krcmar for his continuous support during the Ph. Krcmar accepted the subject of this dissertation—he was open to and interested in the very new topic of Near Field Communication. I highly appreciate this open attitude and interest. Second, I thank Prof. Serge Miranda from the Université de Nice Sophia Antipolis in France who was so kind to be on my committee. Third, I am very thankful for the support of Prof. Jan Marco Leimeister who provided constructive feedback, thorough help, contacts to fellows, and advice during the entire development of this thesis. He initiated the ubiquitous computing working group at the department and got me involved in it. Particular thanks go to Prof. Thomas Schildhauer for his generous support during the time I worked at the Institute of Electronic Business e. (IEB) in Berlin, where I was able to work while completing my Ph. studies, and for the many contacts he shared over the last several years. A thank you also goes to Heiner Andexer who supported the idea of ubiquitous computing and who helped me maintain a realistic vision of things. There is also Jörg (Dr. Jörg Aßmann) whom I thank for his unconditional support, his wicked humor, his insightful remarks on the thesis, and encouragement to pursue my empirical studies. This thesis would not have been possible without the help of the project partners of the case studies Easymeeting, Mobile Prosumer, and Public Transport Company. I thank the management of the DVZ and all the employees of the DVZ who were willing to answer my questions in two interview sessions. In the case of the Mobile Prosumer, I would also like to thank Guido Leuchtenberg for his highly appreciated help in conducting the focus groups for the project, and Peter Sonneck and Franz Kilzer for arranging for the support of the project. For the Public Transport Company project I would like to thank Peter Preuss for making this whole study possible. Peter continuously supported the research efforts with very constructive business-minded feedback. Thanks also to Petra Krallmann who advised me in how to approach the statistical analysis of the study. I would also like to thank Eva Münkhoff from the University of Paderborn and Prof. Robert Wilken from the ESCP-EAP—both provided feedback on the research setup and calculations. Furthermore I would like to thank my friends and colleagues Daniel Michelis and Thomas Nicolai, with whom I got into the topic of ubiquitous computing in the first place. Over the years they have given me support—mentally and also in terms of content. We began our research together in 2005 and discovered our topics over the course of time. Thank you to Dr. Christian Kaspar who read the work several times, gave feedback at various stages, and helped me with his Ph. His input considerably improved the thesis. There is also Uwe Sandner for helping me to quickly become a Java developer and to understand theoretical computer science which I needed in order to start the Ph. program at VIII Acknowledgements the University. Tony Modica without whom my theoretical computer science would not have been as good as it was in the exams. Tony helped me to understand many facts and theories. Thanks to Stephan Karpischek for initiating the Mobile Prosumer project and getting me involved in it. I enjoyed our fruitful discussions and continuous quest for making the Mobile Prosumer a good research project despite the many stumbling blocks. Martin Pischke who read my thesis at a very early stage, long before it was finished, and his useful feedback. Erik Smith for the fantastic short notice general editing and proof-reading of the thesis, and also Marilyn Tremaine who edited parts of the thesis in the context of the paper publications. But there is more: First, the colleagues in the department of Information Systems at the Technische Universität München, who helped me as an external Ph. student to keep up with all the organizational demands of the university. In particular, thanks to Stefanie Leimeister, Uta Knebel, and Dr. Peggy Sekatzek who were all available to give me feedback on my work and tips in the process. Second, all my colleagues at the Institute of Electronic Business e. who were aware of my intention to finish the Ph. and supported my decisions. Finally the most important people need to be thanked: my parents, who have given me the freedom to pursue my studies and for their great understanding during the long phase of my life when I was constantly under some sort of time pressure…and always running out of time for regular visits. And my girlfriend Corina Weber! There is more to thank her for than what fits on these pages: for listening to my complaints and the (from time to time arising) frustrations, and for believing in me during this long period. For her continuous support and love, and her endless patience. She knows how much I owe her. Florian Resatsch Abstract The term ubiquitous computing (Ubicomp) describes a reality in which numerous computers are woven into the fabric of daily life. Radio Frequency Technology (RFID) is considered the primary micro-processing technology driving the Ubicomp vision. Similar technologically to RFID, Near Field Communication (NFC) was first introduced to markets in 2005. NFC is a standardized interface technology for the exchange of data between electronic devices such as PCs, mobile telephones, and RFID tags. The use of NFC in mobile phones is the focus of this thesis. A subset of RFID technology, NFC has the potential to directly impact vast numbers of mobile phone users worldwide. But not much is known about how users will react to NFC technology when introduced to markets on a large scale. The challenges for companies interested in developing and marketing NFC applications lie in: being able to justify the high initial investments in NFC infrastructure, not knowing whether users will accept the technology, not knowing which technology future users will employ in their daily lives, and recognizing that consumers need to experiment with NFC to get a better idea of what it has to offer. So that companies may respond to these challenges, this thesis presents a directed process for developing and evaluating NFC applications from initial idea to final product, and introduces a set of guidelines for designing future applications. The focus of the research lies in developing and evaluating NFC-based Ubicomp applications. It combines existing theories of Ubicomp, human-computer interaction, and technology acceptance in proposing an iterative process model: the ubiquitous computing application development and evaluation process model (UCAN) as a utility theory for developing and evaluating NFC applications. To test the process model the thesis uses three NFC-based artifacts from specific case studies, all of which solve a general domain-specific problem and target the end-user. To answer the research problem the thesis makes use of the paradigm of design science. In employing this problem-solving paradigm, artifacts are developed within the framework of a utility theory. The utility theory, or process model, is in this case UCAN. The three artifacts are embedded within case studies that are subjected to the UCAN process. The case studies are: “Easymeeting” (office), “Mobile Prosumer” (retail), and “Public Transport Company” (ticketing). To analyze the artifacts, multiple methods were used and compared during the evaluation process. UCAN is used to determine which evaluation methods are applicable to each phase of the process—it is theorized and refined throughout the thesis.