基于NFC技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)探究

鄭一鳴

（河北省唐山市第一中學(xué)，唐山 063000）

基于NFC技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)探究

鄭一鳴

（河北省唐山市第一中學(xué)，唐山 063000）

本文從NFC技術(shù)講起，對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)描述了NFC的工作原理，并著重分析基于NFC技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，針對(duì)智能門禁提出自己的見(jiàn)解。

NFC；門禁系統(tǒng)；安全解鎖

1 NFC技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 NFC技術(shù)的概念

隨著電子產(chǎn)品的大眾化和普及化，對(duì)于電子產(chǎn)品有一定了解的朋友對(duì)于NFC這個(gè)概念一定不會(huì)陌生。人們?cè)谏钪邪l(fā)現(xiàn)很多場(chǎng)景中需要用到近距離實(shí)時(shí)通信技術(shù)，例如打卡系統(tǒng)等，所以NFC這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。NFC（Near Field Communication）即近距離無(wú)線通信技術(shù)，顧名思義也就是在近距離范圍內(nèi)的一種無(wú)線通信技術(shù)。而它的前身便是我們生活中早已應(yīng)用的RFID射頻識(shí)別技術(shù)，不管是NFC還是RFID，都是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)概念中的重要組成部分。在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行安全、迅速而自動(dòng)的無(wú)線通信，讓用戶更直觀簡(jiǎn)單地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是NFC技術(shù)的主要目的，這也在很大程度上方便了用戶。

1.2 NFC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著雷達(dá)技術(shù)和微電子科學(xué)的進(jìn)步，RFID射頻識(shí)別技術(shù)被電子信息工程師所發(fā)明出來(lái)，之后經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，到2000年，基于RFID技術(shù)的電子產(chǎn)品在人們生活中隨處可見(jiàn)。20世紀(jì)90年代，以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)歷互聯(lián)網(wǎng)、智能計(jì)算技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)的融合與應(yīng)用形成了今天的物聯(lián)網(wǎng)。NFC的最初設(shè)想就是將RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單重組，NFC早在2003年就已經(jīng)項(xiàng)目立項(xiàng)，飛利浦、索尼和諾基亞等公司共同開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)新技術(shù)，并向整個(gè)行業(yè)范圍進(jìn)行推廣，現(xiàn)在不管是手機(jī)、平板電腦還是其他便攜式設(shè)備都搭載有NFC模塊。目前而言，NFC是與WIFI、藍(lán)牙、ZIGBEE等技術(shù)并列的主流無(wú)線通信技術(shù)。

由于其近距離和無(wú)線等特性，NFC技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、移動(dòng)中信息訪問(wèn)以及移動(dòng)支付與交易等。當(dāng)前逐漸在比如機(jī)場(chǎng)登機(jī)、地鐵進(jìn)站、大廈的門禁、公交一卡通、信用卡刷卡等領(lǐng)域推廣使用。

2 NFC的工作原理

2.1 NFC原理

NFC工作模式與RFID類似，一般按以下三個(gè)步驟執(zhí)行，其原理如圖1所示。

圖1 NFC工作原理圖

（1）偵測(cè)標(biāo)簽。NFC讀寫(xiě)器持續(xù)發(fā)射無(wú)線射頻信號(hào)，也就是在整個(gè)讀寫(xiě)器范圍內(nèi)構(gòu)成一個(gè)識(shí)別磁場(chǎng)，其電磁波頻率為13.56MHz。當(dāng)帶有NFC模塊的標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，利用磁場(chǎng)耦合獲得的能量，產(chǎn)生相同頻率或改變頻率的射頻信號(hào)，讀寫(xiě)器探測(cè)到這種變化，就可以判斷出附近有NFC模塊進(jìn)入磁場(chǎng)，從而達(dá)到偵測(cè)標(biāo)簽的目的。另一種途徑是由NFC模塊主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)來(lái)供讀寫(xiě)器識(shí)別。

（2）讀取標(biāo)簽。讀寫(xiě)器把需要接收的信息種類作為源信息，進(jìn)行編碼打包、加載后經(jīng)天線向外發(fā)送，當(dāng)進(jìn)入到讀寫(xiě)器工作區(qū)域的NFC模塊接收到此信號(hào)時(shí)，其內(nèi)部信息處理系統(tǒng)會(huì)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行整流、調(diào)制、解碼等，根據(jù)具體的要求完成讀取標(biāo)簽的操作。

（3）解碼傳送。讀寫(xiě)器通過(guò)讀取并解碼后，獲取與識(shí)別建立通信連接，實(shí)現(xiàn)近距離與NFC模塊的識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。

2.2 NFC的技術(shù)特征

2.2.1 基本參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

NFC技術(shù)通過(guò)Philips、Sony和Nokia等論壇成員在ISO/IEC 18092、ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推動(dòng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，逐步被國(guó)際組織認(rèn)可成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。比RFID更加先進(jìn)的是，NFC具有雙向連接和識(shí)別的特點(diǎn)，也就是說(shuō)NFC系統(tǒng)的兩端之間可以互相傳遞信息。其工作頻率是13.56MHz，實(shí)際傳輸距離在10cm以內(nèi)，其傳輸速度有106kb/s、212kb/s或者424kb/s三種，實(shí)際已經(jīng)做到了短距離高速傳輸。

2.2.2 設(shè)備組成

NFC系統(tǒng)中最重要的設(shè)備是讀寫(xiě)器和標(biāo)簽。

讀寫(xiě)器（Reader/Interrogator）在NFC體系內(nèi)是具有讀取NFC標(biāo)簽功能的專用讀卡設(shè)備，通常是能產(chǎn)生13.56MHz無(wú)線電頻率的集成電路，一般由編碼器、解碼器、比較器和天線所組成；NFC天線是一種近場(chǎng)耦合天線，在標(biāo)簽和讀寫(xiě)器間傳遞射頻信號(hào)，在產(chǎn)品中一般需要內(nèi)置，現(xiàn)在通常采用磁性薄膜貼合柔性電路板（FPC）方式來(lái)做天線。

標(biāo)簽（Tag）是儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的IC，可被NFC設(shè)備讀取，通常應(yīng)用在被動(dòng)通信模式下。如符合ISO/IEC14443規(guī)范的Philips公司的MIFARE卡和Sony公司的Felica卡。標(biāo)簽一般由金屬線圈和邏輯線路組成，可分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽兩種。

2.3 NFC的工作方式

NFC通信模式包括主動(dòng)模式和被動(dòng)模式，工作方式則有卡模擬模式（Card emulation）、讀/寫(xiě)模式（Reader/Writer）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（Peer-to-Peer）三種?？Ｊ娇梢岳斫釴FC設(shè)備為一個(gè)智能IC卡，相當(dāng)于我們平時(shí)刷公交卡的模式，其信息只能被讀取，屬于被動(dòng)工作模式；讀/寫(xiě)模式下，NFC設(shè)備作為讀卡器去讀/寫(xiě)其他NFC設(shè)備，屬于主動(dòng)工作模式；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式中，NFC設(shè)備雙方都發(fā)送射頻信號(hào)，通過(guò)射頻信息的處理來(lái)建立通信連接，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)交換。

3 門禁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

門禁系統(tǒng)又稱出入管理控制系統(tǒng)，是解決通道出入安全防范的新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)是在傳統(tǒng)門鎖的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。現(xiàn)代門禁系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)門鎖的弊端，極大滿足了用戶的多種需求。特別是近幾年感應(yīng)卡技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，門禁系統(tǒng)得以跨躍式發(fā)展，出現(xiàn)了感應(yīng)卡式、生物識(shí)別等各種技術(shù)的門禁系統(tǒng)，它們?cè)诎踩?，便利性等方面各有特長(zhǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)化門禁系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣。

當(dāng)前，在人們生活中使用的門禁有機(jī)械鎖、電子鎖、射頻感應(yīng)鎖、生物識(shí)別以及網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)。對(duì)比這些門鎖，智能門禁系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其安全性和可靠性，借助多媒體技術(shù)將門禁的功能加以擴(kuò)充，做到可視和雙向控制。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了，可維修性和易用性增強(qiáng)，大大提高了用戶的體驗(yàn)性和便利性。

4 基于NFC的智能門禁系統(tǒng)

4.1 NFC門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4.1.1 門端

圖2 NFC門禁系統(tǒng)控制圖

一個(gè)完整的門禁系統(tǒng)由讀卡器、控制器、電鎖、出門開(kāi)關(guān)、門磁、電源、處理中心七個(gè)模塊組成。如圖2所示。

（1）門禁控制器：分為STM8技術(shù)的單片機(jī)控制器和STM32技術(shù)的微控制器，它的主芯片是一個(gè)高度集成的非接觸讀寫(xiě)芯片，集成了13.56MHz下的各種主動(dòng)/被動(dòng)式非接觸通信方法和協(xié)議。它是門禁系統(tǒng)的控制核心，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖的開(kāi)關(guān)控制。

（2）讀卡器：是能產(chǎn)生13.56MHz無(wú)線電頻率的集成電路，具有讀取NFC標(biāo)簽功能的識(shí)讀設(shè)備。

（3）電鎖：分為斷電開(kāi)門型、斷電閉門型和集成機(jī)械鑰匙型電鎖等三種，適合不同級(jí)別的安全場(chǎng)所，工作電壓有12VDC和24VDC兩種，以12VDC居多。開(kāi)鎖的鑰匙就可以集成到我們常用的智能手機(jī)上或是工作人員的工作證中。

（4）出門開(kāi)關(guān)：按一下就可以打開(kāi)門的裝置，適合于出門無(wú)限制的情況。

（5）門磁：用于檢測(cè)門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

（6）電源：整個(gè)門禁系統(tǒng)的供電設(shè)備。

（7）處理中心：是一塊高度集成的芯片，也就是整個(gè)系統(tǒng)的“CPU”，負(fù)責(zé)信息計(jì)算處理的相關(guān)工作。

4.1.2 客戶端

主要指智能手機(jī)和其中的NFC模塊，還包括智能軟件App部分。

4.2 NFC門禁系統(tǒng)的原理和功能

4.2.1 NFC門禁系統(tǒng)的原理NFC門禁系統(tǒng)的原理可以描述為下面的過(guò)程：（1）用戶通過(guò)NFC手機(jī)App請(qǐng)求注冊(cè)，傳輸相關(guān)注冊(cè)信息至服務(wù)端。

（2）管理員進(jìn)入后臺(tái)管理系統(tǒng)，通過(guò)用戶請(qǐng)求及分配權(quán)限后，將開(kāi)鎖列表及權(quán)限返回至NFC手機(jī)。

（3）用戶開(kāi)鎖時(shí)，請(qǐng)求服務(wù)端獲取開(kāi)鎖指令。

（4）使用NFC手機(jī)靠近NFC模塊，讀卡器獲取手機(jī)NFC模塊的信息后，解碼傳輸?shù)街骺貦C(jī)管理員處。

（5）將開(kāi)鎖指令傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證一致，表明用戶合法則開(kāi)鎖；驗(yàn)證不一致，表明用戶不合法則向移動(dòng)端發(fā)送失敗信息，結(jié)束操作。

其原理示意圖為圖3所示。

圖3 NFC門禁系統(tǒng)的工作原理

4.2.2 NFC門禁系統(tǒng)的主要功能

NFC門禁系統(tǒng)的基本和核心功能是刷卡解鎖，用戶憑借事先錄入的管理信息按照一定的權(quán)限進(jìn)出通道，并且進(jìn)出記錄保存以后可以查詢。系統(tǒng)還具有密碼管理、數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)對(duì)話和遠(yuǎn)程控制功能。當(dāng)出現(xiàn)因遺忘未關(guān)門或者非法侵入等異常情況時(shí)，門禁系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警功能，提示管理員或安保人員出現(xiàn)緊急情況，最大限度保護(hù)用戶的人身、財(cái)產(chǎn)安全。

4.3 NFC模式與其他模式的對(duì)比

NFC門禁系統(tǒng)與其他門禁系統(tǒng)的比較如表1所示。

表1 NFC門禁系統(tǒng)和其他門禁系統(tǒng)的對(duì)比

從表1可以看出，NFC智能門禁系統(tǒng)具有安全性強(qiáng)，用戶易用性和體驗(yàn)性高，功能全面等特點(diǎn)，隨著NFC技術(shù)的發(fā)展制作成本也會(huì)大幅降低。

5 NFC智能門禁系統(tǒng)的未來(lái)

隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，NFC技術(shù)已逐步整合到物聯(lián)網(wǎng)世界而成為了其中的一部分?；贜FC技術(shù)的門禁系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)越性必將得到更大發(fā)展，在技術(shù)安全性上不斷增強(qiáng)加密措施，通過(guò)結(jié)合其他門禁系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)出多功能門禁系統(tǒng)。特別是NFC模塊被更多地安裝到智能手機(jī)上，便于用戶“無(wú)約束”的安全體驗(yàn)和靈活使用。我們甚至可以預(yù)見(jiàn)，不久的將來(lái)，NFC會(huì)令門禁在門上消失，用戶只需通過(guò)手機(jī)碰觸門上的NFC標(biāo)簽，系統(tǒng)便會(huì)把門的位置、使用者憑證及訪客所在位置組合，用來(lái)作為向門禁系統(tǒng)要求開(kāi)門的請(qǐng)示。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.006

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）10-0017-03