基于NFC的手機工號牌系統的設計與實現

鄭嘉泓 裴航 董昌龍

摘? ?要：隨著信息技術的發展，現代人對家庭環境的要求越來越高，智能家居的概念逐漸成為人們的關注熱點。智能鎖作為智能家居中的重要部分，具有廣闊的市場前景。文章使用Arduino開發板作為核心，根據開發要求實現了基于NFC技術的工號牌系統。

關鍵詞：智能家居;Arduino開發板;NFC技術

隨著“萬物互聯”概念的提出，物聯網技術得到了飛速發展，越來越多的企業對近場通信技術（Near Field Communication，NFC）進行重點關注，NFC支持的終端產品也得到了快速增長。不過在NFC基礎上，此種技術通常都是應用于移動支付，而在其他方面卻很少得到有效應用。NFC虛擬成一張一卡通應用，稱為閉環應用。目前NFC的閉環應用在國內的發展不太理想，雖然在有些城市的公交系統已經開放了手機的NFC功能，但并沒有得到普及。隨著NFC手機的普及和技術的不斷成熟，一卡通系統會逐漸支持NFC手機的應用，正如如今的工號牌一樣。隨著技術的不斷進步，以手機為主體的NFC工號牌系統將會替代現在的刷卡系統，能夠便于企業的規范化管理，提高企業的管理效率。

1? ? 系統方案設計

系統總體框架如圖1所示。手機NFC通過傳感器模塊與Arduino主控板進行通信實現簽到等功能，同時利用Arduino主控板的數字引腳5控制單路繼電器的吸起和落下，從而控制電子鎖電源的導通和斷開，進而實現NFC對電子鎖的控制。

2? ? 硬件設計

2.1? Arduino主控板

Arduino是基于開放源代碼的軟硬體平臺，硬件具有豐富的接口，有數字I/O口、模擬I/O口，同時支持SPI，IIC，UART串口通信。Arduino編程語言沒有復雜的單片機底層代碼，沒有難懂的匯編程序，只有簡單而實用的函數。直接調用就可以完成各種需要的功能，而且簡便的編程環境擁有極大的自由度，可拓展性能非常高。標準化的接口模式、豐富的開放源代碼，從而使復雜命令的編程工作變得簡單。

常用的Arduino主控板有：Arduino Uno，Arduino Mega 2560，Arduino Nano，LilyPad Arduino，Arduino Leonardo等。本系統中所使用的ArduinoUNOR3是一個基于ATmega328核心的微控制器板，由14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可以用作PWM輸出）、6個模擬輸入、一個16 MHz的陶瓷諧振器、USB接口、電源插孔、ICSP頭和一個復位按鈕組成。開發板在出廠時已完成了啟動程序的固化，使用過程中可以直接使用USB線進行程序下載。

2.2? NFC識別模塊

本系統對于NFC讀取采用了與之相近的RFID-RC522板塊，如圖2所示，該板塊讀取手機NFC的標簽，然后利用串口通信發給服務器端，由服務器端來運行開鎖、簽到等功能。

2.3? 單路繼電器

單路繼電器模塊是一個小電流信號控制大功率設備的常用電子模塊，可實現單片機控制大功率器件，廣泛用于單片機系統設計的智能家居項目。

2.4? 電磁鎖

電磁鎖的原理：電磁鎖內部有電磁線圈，利用電生磁的原理，當電流通過硅鋼片時，電磁鎖會產生強大的吸力，緊緊地吸住門上鐵片，達到鎖門的效果。只要小小的電流，電磁鎖就會產生莫大的磁力。當控制電磁鎖電源系統識別人員正確后則會斷電，電磁鎖失去吸力即可開門。開門后經預設延時后電磁鎖恢復通電狀態與門上鐵片吸合，門再次鎖緊。

硬件系統連接順序是：NFC識別模塊連接Arduino主控板，Arduino數字引腳5控制單路繼電器的吸起和落下，單路繼電器控制電磁鎖的電源。

3? ? 軟件設計

3.1? 硬件端程序代碼

設計思路：NFC讀寫模塊識別到手機NFC的ID，通過串口發送給服務器端，服務器端判斷該ID是否為該企業員工，如果是，則發送5給Arduino，Arduino控制繼電器使電磁鎖電源斷開，門鎖打開;延遲10 s，讓繼電器落下，電磁鎖電源合上，門鎖閉合。打開Arduino開發編碼環境界面，輸入以下代碼，編譯通過后下載到Arduino主控板。

#include”rfid1.h”

RFID1 rfid;

uchar serNum[5];

void setup（）

{

pinMode（11，OUTPUT）;

Serial.begin（9600）;

rfid.begin（7，5，4，3，6，2）;

delay（100）;

rfid.init（）;

}

void loop（）

{

char a;

if（Serial.available（））{

a = Serial.read（）;

if （a==5） {

analogWrite（11，255）;

delay（10000）;

analogWrite（11，0）;

}

else {analogWrite（11，0）;}

}

uchar status;

uchar str[MAX_LEN];

status = rfid.request（PICC_REQIDL， str）;

if （status ！= MI_OK）

{

return;

}

status = rfid.anticoll（str）;

if （status == MI_OK）

{

memcpy（serNum， str， 5）;

rfid.showCardID（serNum）;

}

delay（1000）;

rfid.halt（）;

}

3.2? 服務器端程序

該系統中的服務器端，采用Java語言進行編寫，利用串口通信與Arduino進行操作交互，調用MySQL數據庫進行員工的數據處理，同時還用Java Web編寫了簡易、方便的后臺管理系統，便于企業管理者操作。

（1）員工注冊。員工入職，需要利用APP用手機NFC通過注冊程序注冊信息到數據庫中，如圖3所示。

（2）簽到程序。員工注冊之后，手機就可當做工號牌使用，可以用于每天的簽到、開鎖。只需把手機靠近NFC識別模塊即可，如圖4所示。

（3）后臺管理系統。利用Java Web編寫簡易的、可視化后臺管理系統，用于員工信息的增、刪、改、查等操作，

3.3? 手機客戶端程序

手機客戶端采用Android studio進行編寫，實現了用戶的登陸、對手機NFC模塊的寫入、個人信息的獲取等操作。手機客戶端與服務器端利用socket進行數據通信處理。

4? ? 結語

本系統是基于NFC的手機企業工號牌設計，內容包括方案的設計、硬件選型、軟件編程。經實驗測試，系統工作可靠、運行穩定、功耗低，能實現簽到、開鎖等功能。此外，本設計還可以推廣到校園一卡通、公交一卡通、手機支付、TSM平臺等領域，為NFC技術在物聯網技術發展中的應用提供一定的參考價值。

[參考文獻]

[1]梁晶，史記征.基于Arduino的智能鎖系統設計與實現[J].電腦知識與技術，2019（32）：86-88.