一種基于NFC的具有身份識別功能的智能口罩的設計

關鍵詞：NFC；智能口罩；身份識別

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

實現身份識別有很多種方式，隨著人工智能等科技手段在疫情防控中的不斷應用，身份特征學習、身份識別逐漸成為研究熱點[1-2]。目前，用于公共場合身份識別的主要是基于智能手機的移動應用[3]，也有一些學者提出利用人體的生理特征或行為特征（如指紋特征、人臉特征[4-5]、步態特征和簽名筆跡等）實現身份認證。但是，以上技術在使用時存在如下問題：進入公共場合需要進行身份確認時，需要使用手機出示身份認證碼，無法實現無接觸式疫情防控。現有認證方案的局限性，如生理特征識別技術涉及的個人隱私問題、智能手機識別技術的制造成本問題等，已經無法滿足互聯網環境下對身份認證可靠性及隱私性的高要求[6]。

NFC（近場通信）技術應用的普及，給解決上述問題提供了新的思路。NFC技術是由RFID技術發展演化升級而來的一項技術，具備很多優點[7-8]，如不需要物理接觸、存儲容量大、不需要電源等。本文提出一種基于NFC的智能口罩方案，用于解決個人身份識別問題，降低了防疫期間的接觸感染風險。

2 一種具有身份識別功能的智能口罩的設計（Designof an intelligent mask with identity recognitionfunction）

具有身份識別功能的智能口罩主體為包含NFC芯片的智能口罩，為了實現身份識別功能，還需要配套信息采集硬件和使用云平臺。其中，NFC芯片是底層的硬件基礎，放置于佩戴在使用者身上的口罩，用于記錄使用者的身份信息，并通過具有NFC采集功能的硬件把口罩內的個人信息采集后上傳給云平臺，云平臺對上傳的數據進行處理、分析和存儲，并對比識別認證用戶信息，從而實現個人身份的識別，實現本方案的系統結構圖如圖1所示。

2.1 智能口罩設計

此種智能口罩的結構包含外層、內層、濾芯層、調節帶及設置在調節帶上的活動調節扣、設置在罩體內層中間位置的鼻夾處條狀海綿條、設置在罩體對應鼻孔處右側的呼吸閥、設置在罩體內層輪廓的若干段硅橡膠線、設置在罩體左側的透明的塑料小口袋，可以將預先儲存個人信息的NFC貼紙芯片放入透明塑料口袋中。智能口罩結構如圖2所示；NFC貼紙標簽如圖3所示。遺棄口罩本體時，可將存放個人信息的NFC貼紙芯片取出，再放入新的口罩使用，提高了口罩的實用性和環保性。

本文使用的NFC技術是一種短距高頻的無線電技術，它的工作模式一般分為被動模式和主動模式。被動模式中NFC發起設備（也稱為主設備）需要供電設備輸出的能量提供射頻場，并將數據發送到NFC目標設備中（也稱從設備），傳輸速率需在106 kbps、212 kbps或424 kbps中選擇。從設備不產生射頻場，所以不需要供電設備，而是利用主設備產生的射頻場轉換成電能為從設備的電路供電；從設備接收到主設備發送的數據，并且利用負載調制技術，以相同的速度將從設備數據傳回主設備。

智能口罩中利用NFC被動模式從設備的無源特性，可由人員密集場所統一將人員信息寫入NFC芯片，再將芯片放入口罩的口袋中。這樣，在需要人員身份驗證的場合就不需要任何附加設備就可以完成無接觸的人員身份驗證。

智能口罩中的NFC標簽可采用Type1、Type2類型。其中，Type1類型的NFC標簽基于ISO14443A協議，具有可讀寫功能，用戶可將其配置為只讀，其存儲能力為96字節，可用來存云服務器網址URL或少量用戶數據，通信速度為106 kb/s，典型芯片為Topaz 512（BCM20203）。Type2類型的NFC標簽也是基于ISO14443A協議，其內存大小為48字節，但可以被擴充到2 k字節，通信速度也是106 kb/s，典型的芯片類型為NTag203/210/213/215/216等。

2.2 具有NFC采集功能的智能硬件設備

作為個人信息采集的平臺，智能口罩配套的硬件采集設備采用讀卡器模式工作，通過主動發出射頻場識別和讀取口罩本體中的NFC標簽。硬件感知系統包括射頻電路、通信電路以及其他外圍設備，用于完成智能口罩中的個人信息采集，并將獲得的數據傳輸至云平臺中，采集系統結構如圖4所示。

采集部分的硬件是以STM32開發板為中心，匹配與其兼容的NFC獲取硬件單元（如手機），其中各部分連接及需實現的功能如下。①NFC獲取硬件單元：一般指NFC讀卡器（如手機），用于識別讀取NFC智能口罩中的個人信息；②電源：用于為STM32開發板供電；③顯示器：采用LCD顯示器與開發板連接，完成數據顯示。

2.3 云平臺

當智能硬件完成個人信息的采集后，可利用Wi-Fi技術實現與云平臺的通信，以此將獲取的用戶數據與云平臺中記錄的數據進行對比，完成用戶身份識別，具體功能如圖5所示。

3 系統實現（Implementation of the system）

本研究采用MySQL數據庫、PHP語言、Java語言結合的技術方案進行智能口罩身份識別功能的驗證。其中，MySQL數據庫用于有效存儲數據設計，PHP語言用于云平臺搭建，Java語言用于個人信息采集的開發。

3.1 有效存儲數據的設計

用戶的個人信息數據會統一存儲在數據庫系統中，為了保證數據的安全，同時便于有效維護，以應對大規模終端數據采集設備帶來的高并發性，數據庫中需要創建索引來提高查詢速度。文中數據庫表包括個人信息存儲表（表1）、導出信息數據表、緊急通知導出信息表等。

3.2 系統實現方案設計

本研究所提系統的實現方案主要運用物聯網技術，由硬件端、服務器端和移動應用端構成。利用置于智能口罩中的NFC芯片存儲個人信息，在需要進行人員身份識別的公共場所（如學校、人員密集型單位）使用具有NFC信息采集的設備（如手機等）即可在無須大規模硬件升級的條件下，實現基于口罩的人員身份識別功能。

圖6和圖7為智能口罩的核心功能（個人信息識別功能）實現的效果圖，從中可以看到將信息采集設備貼近掃描口罩時，可以讀取口罩芯片內的個人信息，該信息上傳云平臺進行信息驗證后，可返回相應的驗證結果。

4 結論（Conclusion）

目前，市面上的醫用口罩采取了多種方式提高殺菌效率、佩戴舒適度和氣密性，但功能單一，一般只具備抵抗液體、過濾顆粒物和細菌等效用。也有些方案結合電子技術，提出了智能化口罩的概念，但無法通過口罩進行個人身份信息的識別，在用戶進入需要進行身份確認的公共場合時，仍需要利用手機出示身份認證碼，無法實現無接觸式身份識別。本研究提出一種基于無源NFC的智能口罩設計方案，可以解決個人身份信息的識別問題，實現了無接觸式疫情防控，能夠大大提高人員信息檢查的效率，降低工作人員的排查壓力。

作者簡介：

陳秀寓（1977-），女，碩士，副教授.研究領域：教學模式及其應用，信息研究.