基于NFC技術的智能巡檢系統設計

陳志鵬+王彬

摘 要：為滿足安全巡檢的需求，提高巡檢的操作便捷性和實時性，文中提出并設計了一個基于NFC技術的智能巡檢系統。結合移動通信和NFC近場通信技術，使用App讀取巡檢標簽信息，通過網絡通信協議上傳記錄結果，并在Web后臺通過MySQL數據庫實現統一實時管理。

關鍵詞：NFC；巡檢；Android；Java

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

隨著社會的飛速發展，信息化應用需求不斷增加，用于支撐網絡通信的設備規模也日益擴大，為了設備持續高效的運轉，并及時排查存在的安全隱患，制定高效、便捷的巡檢方案變得越來越重要[1]。目前常用的巡檢方案多為粘貼標簽、紙面記錄和拍照記錄等方式，其弊端顯而易見。巡檢人員的操作流程繁瑣，不能實時有效的反饋并進行科學管理等。本文基于NFC技術設計了一套智能巡檢系統，該系統能夠實時高效的對巡檢進行管理，及時發現隱患并反饋安全問題。NFC技術自2003年被提出以來，在各大領域均發揮了重大作用，如防偽溯源、移動支付和名片管理等[2]。NFC技術成本較低、方便易用，它可以通過芯片、無線和軟件的組合來實現各種設備間的小范圍通信[3]，并滿足巡檢系統的各種設計需求。在智能手機上集成NFC模塊也使得本方案的實現成本得以降低，并不需要特別定制的讀卡器等設備。本文手機端的設計基于Google公司提供的Android系統平臺。

1 相關技術介紹

1.1 NFC技術介紹

NFC（Near Field Communication，NFC）技術為非接觸式射頻識別技術（RFID）的一種擴展，與互聯互通技術相互結合演變而來[4]，在ISO/IEC 18092定義了與NFC相關的技術細節[5]。由NXP公司提議發起，Sony、Nokia等國際著名硬件廠商聯合推出。共作用頻帶為13.56 MHz，大約可傳輸距離為10 cm[6]。

NFC技術在單一芯片上結合了感應式讀卡器功能、感應式卡片技術，能夠在短距離范圍內迅速與其它兼容設備建立雙向連接和識別，因此安全性相對較高。同時，NFC技術定義了多種工作模式，其主要區別在于設備間通信的RF射頻場是否由本設備發出，如果由NFC設備自身產生，則其工作在主動模式，在該模式下，當一臺NFC設備向另一臺發送數據時，通過對等網絡通信標準模式發起，通信的發起設備與目標設備都需要發出RF射頻場，并通過該射頻場進行通信[7]；如果由其他設備產生射頻場，則該設備工作于被動模式。目標設備利用感應的電動勢提供自身工作所需電源，應用負載調制（Load Modulation）技術進行數據收發。主動模式的設備通常具有自己的供電單元，如NFC的讀卡器和具有NFC功能模塊的手機等。而被動模式無需供電單元，如NFC的卡片和標簽等。此通信機制與基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接觸式智能卡兼容[8]。

1.2 Android技術介紹

Android系統由Google公司于2007年11月正式發布。該系統發布后迅速擁有廣大的用戶數量和應用市場。通常，Android系統自下向上分為四層，分別為Linux內核層、系統庫層、應用框架層、應用層[9]。其中，Linux內核層包括安全機制、內存管理、進程管理、網絡堆棧以及相關的驅動模塊，位于硬件和軟件之間，提供與硬件的交互。系統庫則包含了運行提供服務的一項C/C++庫，核心庫中包含了Java核心類庫的大多數功能及Java運行的虛擬機環境。應用框架層則為系統的應用提供了調用庫函數的API框架。應用層是數目繁多的Android應用程序[10]。Android架構圖如圖1所示。

2 系統概述

本文設計的NFC智能巡檢系統將移動終端和待管理設備緊密結合，可通過掃描帶有NFC標簽的工牌確認巡檢人員的身份。巡檢人員掃描在設備上貼有記錄設備信息的NFC標簽，即可記錄信息及巡檢路線，當出現安全問題時，也可以通過系統及時反饋問題，極大地簡化了人員的操作流程，達到了科學高效管理設備的目的。系統共分為六大功能模塊：

（1）后臺監控系統。后臺系統可以管理、監控各模塊的運行情況，在數據庫中記錄、比對各信息。

（2）身份識別模塊。通過掃描巡檢人員帶有NFC模塊的工牌，比對NFC的加密信息，實現識別巡檢人員，明確責任人的目的。

（3）設備管理模塊。該模塊用于記錄各設備的型號、參數等基本信息和是否運轉正常等管理數據。

（4）路線巡檢模塊。該模塊用于記錄、顯示巡檢人員的巡檢路線，查看是否存在遺漏或者未到達等情況。

（5）信息記錄模塊。該模塊用以實現巡檢人員記錄、反饋各設備運轉信息及巡檢結果等功能。

（6）問題告警模塊。當設備運轉發生異常，存在安全問題時，實現及時反饋、告警功能。

系統功能框架如圖2所示。

3 系統設計

3.1 系統架構設計

NFC智能巡檢系統由NFC標簽、可讀取標簽信息的App、管理記錄數據的Web后臺三部分組成。NFC標簽分為兩類，一類置于巡檢人員的工牌中，用于識別巡檢人員身份，明確責任。另一類置于待巡檢維護的設備上，記錄設備信息。通過App掃描NFC標簽，上傳巡檢人員的工牌數據用于登錄，比對人員身份信息后則成功登錄。巡檢人員持裝有該App的移動設備依次巡檢并觸碰位于各設備上的NFC標簽，上傳設備信息，記錄巡檢結果。Web后臺用于與移動設備的通信，根據上傳設備信息的先后確定巡檢路線并記錄巡檢結果，當安全問題發生時可及時發現并告警。系統整體架構設計如圖3所示。

3.2 系統特點

該系統具有如下特點：

（1）采用NFC標簽記錄設備信息，無需手工記錄，簡化了操作流程，極大地降低了出錯幾率。

（2）使用帶有NFC模塊的智能移動終端作為讀寫端，無需專門定制的讀寫器，設備攜帶方便，易維護更換。

（3）通過GPRS、3G、4G等技術，及時將數據上傳到Web后臺，保證系統的實時性。

（4）智能移動終端的App基于Android系統平臺開發，保證了系統的可開發性和可移植性。

（5）App通過JSON數據格式訪問服務器前端的Java Servlet，并與MySQL數據庫進行通信，具有安全、高效、通用和數據量小等特點。

3.3 各模塊具體設計

3.3.1 NFC標簽設計

目前提供的NFC標簽可分為以下四種：

（1）第一類型標簽基于ISO14443A協議，標簽內存最小為96個字節，通信速率為106 Kb/s，可存儲URL、電話號碼等小量數據。

（2）第二類標簽僅支持由phlips公司提供的MIFARE UltraLight類型卡。其內存大小為48 B，也可擴充到2 KB字節，通信速率為106 Kb/s。該類標簽同樣基于ISO14443A協議。

（3）第三類標簽為SONY公司提供的Fecila類型卡。內存大小為2 KB，通信速率為212 Kb/s。此類標簽適合較為復雜的應用場景，成本較高。

（4）第四類標簽同時兼容ISO14443A和ISO14443B兩種協議，應用APDU指令接收數據。相較于其他三種標簽類型，可擁有更大的存儲空間及安全加密認證模塊，完成更為復雜的操作。

考慮到需要存儲的信息較大及后續可能進行的安全模塊擴展，本設計采用第四類標簽。

3.3.2 移動端App設計

移動端App通過巡檢人員嵌入NFC標簽的工牌登錄，App界面根據后臺提供的巡檢列表任務顯示巡檢路線。到達目標地點后，巡檢人員使用智能移動終端設備緊貼NFC標簽，通過NDEF格式讀取標簽信息。并通過HTML協議將巡檢信息傳送到后臺。其通信設計如圖4所示。

3.3.3 Web后臺設計

Web后臺使用MySQL對用戶登錄、巡檢任務進行管理。通過HTML網絡通信協議與移動端App進行信息交互。包括用戶信息注冊模塊、用戶登錄模塊、巡檢任務列表模塊、異常設備告警模塊、權限管理模塊等。實現人員身份對比校驗，巡檢任務下發與核對，異常問題匯總等功能。使得巡更地點的情況被實時監控，管理人員可據此采取有效措施。

4 結 語

本文設計了一個基于NFC技術的智能巡檢系統，該系統主要由NFC標簽、智能移動終端App和Web后臺三個模塊組成。同時簡要介紹了NFC及Android技術的優勢及發展趨勢。將傳統的巡檢工作與NFC及物聯網技術相結合，極大地簡化了操作流程，降低了出錯幾率，完成了對巡檢任務地點的實時監控及措施反饋。

參考文獻

[1]劉善鋒.統一EMS在電信運營商的應用[J].中國新通信，2013（20）：78.

[2]趙飛龍，楊慰民.基于NFC的移動應用[J].中國新通信，2008，10（1）：22-25.

[3]厲經坤.高速客專中動力環境監控系統的安裝與調試[J].鐵道建筑技術，2010（7）：55-59.

[4] Liu Fagui， Lin Yuedong， Ruan Yongxiong， et al. Lightweight-ALE-Based Embedded RFID Middleware[C]. Beijing：24-26.

[5] ISO/IEC 18092. Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between Systems-Near Field Communication-Interface and Protocol （NFCIP-1） [S]. 1st Ed. Geneva， Switzerland： Joint Technical Committee ISO/IEC，2004.

[6]趙波鋒.基于RIFD技術的移動電子商務應用研究[D].長沙：湖南大學軟件學院，2010.

[7]韓麗英.基于NFC系統的SWP接口設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2010.

[8]趙宇楓.RFID與NFC技術與應用淺析[J].科學咨詢（科技管理），2011（5）：75-76.

[9]趙云雁.基于NFC技術的智能海報應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2012.

[10]張小菲.Android平臺上音頻系統的研究及播放器開發[D].西安：西安電子科技大學，2012.