基于NFC技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)性，文中提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NFC技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)。結(jié)合移動(dòng)通信和NFC近場(chǎng)通信技術(shù)，使用App讀取巡檢標(biāo)簽信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上傳記錄結(jié)果，并在Web后臺(tái)通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一實(shí)時(shí)管理。

關(guān)鍵詞：NFC；巡檢；Android；Java

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，信息化應(yīng)用需求不斷增加，用于支撐網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備規(guī)模也日益擴(kuò)大，為了設(shè)備持續(xù)高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，并及時(shí)排查存在的安全隱患，制定高效、便捷的巡檢方案變得越來(lái)越重要[1]。目前常用的巡檢方案多為粘貼標(biāo)簽、紙面記錄和拍照記錄等方式，其弊端顯而易見(jiàn)。巡檢人員的操作流程繁瑣，不能實(shí)時(shí)有效的反饋并進(jìn)行科學(xué)管理等。本文基于NFC技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)高效的對(duì)巡檢進(jìn)行管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并反饋安全問(wèn)題。NFC技術(shù)自2003年被提出以來(lái)，在各大領(lǐng)域均發(fā)揮了重大作用，如防偽溯源、移動(dòng)支付和名片管理等[2]。NFC技術(shù)成本較低、方便易用，它可以通過(guò)芯片、無(wú)線和軟件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備間的小范圍通信[3]，并滿足巡檢系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)需求。在智能手機(jī)上集成NFC模塊也使得本方案的實(shí)現(xiàn)成本得以降低，并不需要特別定制的讀卡器等設(shè)備。本文手機(jī)端的設(shè)計(jì)基于Google公司提供的Android系統(tǒng)平臺(tái)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 NFC技術(shù)介紹

NFC（Near Field Communication，NFC）技術(shù)為非接觸式射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的一種擴(kuò)展，與互聯(lián)互通技術(shù)相互結(jié)合演變而來(lái)[4]，在ISO/IEC 18092定義了與NFC相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)[5]。由NXP公司提議發(fā)起，Sony、Nokia等國(guó)際著名硬件廠商聯(lián)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(shù)在單一芯片上結(jié)合了感應(yīng)式讀卡器功能、感應(yīng)式卡片技術(shù)，能夠在短距離范圍內(nèi)迅速與其它兼容設(shè)備建立雙向連接和識(shí)別，因此安全性相對(duì)較高。同時(shí)，NFC技術(shù)定義了多種工作模式，其主要區(qū)別在于設(shè)備間通信的RF射頻場(chǎng)是否由本設(shè)備發(fā)出，如果由NFC設(shè)備自身產(chǎn)生，則其工作在主動(dòng)模式，在該模式下，當(dāng)一臺(tái)NFC設(shè)備向另一臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)模式發(fā)起，通信的發(fā)起設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備都需要發(fā)出RF射頻場(chǎng)，并通過(guò)該射頻場(chǎng)進(jìn)行通信[7]；如果由其他設(shè)備產(chǎn)生射頻場(chǎng)，則該設(shè)備工作于被動(dòng)模式。目標(biāo)設(shè)備利用感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)提供自身工作所需電源，應(yīng)用負(fù)載調(diào)制（Load Modulation）技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。主動(dòng)模式的設(shè)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(jī)等。而被動(dòng)模式無(wú)需供電單元，如NFC的卡片和標(biāo)簽等。此通信機(jī)制與基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接觸式智能卡兼容[8]。

1.2 Android技術(shù)介紹

Android系統(tǒng)由Google公司于2007年11月正式發(fā)布。該系統(tǒng)發(fā)布后迅速擁有廣大的用戶數(shù)量和應(yīng)用市場(chǎng)。通常，Android系統(tǒng)自下向上分為四層，分別為L(zhǎng)inux內(nèi)核層、系統(tǒng)庫(kù)層、應(yīng)用框架層、應(yīng)用層[9]。其中，Linux內(nèi)核層包括安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)模塊，位于硬件和軟件之間，提供與硬件的交互。系統(tǒng)庫(kù)則包含了運(yùn)行提供服務(wù)的一項(xiàng)C/C++庫(kù)，核心庫(kù)中包含了Java核心類庫(kù)的大多數(shù)功能及Java運(yùn)行的虛擬機(jī)環(huán)境。應(yīng)用框架層則為系統(tǒng)的應(yīng)用提供了調(diào)用庫(kù)函數(shù)的API框架。應(yīng)用層是數(shù)目繁多的Android應(yīng)用程序[10]。Android架構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)的NFC智能巡檢系統(tǒng)將移動(dòng)終端和待管理設(shè)備緊密結(jié)合，可通過(guò)掃描帶有NFC標(biāo)簽的工牌確認(rèn)巡檢人員的身份。巡檢人員掃描在設(shè)備上貼有記錄設(shè)備信息的NFC標(biāo)簽，即可記錄信息及巡檢路線，當(dāng)出現(xiàn)安全問(wèn)題時(shí)，也可以通過(guò)系統(tǒng)及時(shí)反饋問(wèn)題，極大地簡(jiǎn)化了人員的操作流程，達(dá)到了科學(xué)高效管理設(shè)備的目的。系統(tǒng)共分為六大功能模塊：

（1）后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。后臺(tái)系統(tǒng)可以管理、監(jiān)控各模塊的運(yùn)行情況，在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄、比對(duì)各信息。

（2）身份識(shí)別模塊。通過(guò)掃描巡檢人員帶有NFC模塊的工牌，比對(duì)NFC的加密信息，實(shí)現(xiàn)識(shí)別巡檢人員，明確責(zé)任人的目的。

（3）設(shè)備管理模塊。該模塊用于記錄各設(shè)備的型號(hào)、參數(shù)等基本信息和是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常等管理數(shù)據(jù)。

（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(dá)等情況。

（5）信息記錄模塊。該模塊用以實(shí)現(xiàn)巡檢人員記錄、反饋各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息及巡檢結(jié)果等功能。

（6）問(wèn)題告警模塊。當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生異常，存在安全問(wèn)題時(shí)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋、告警功能。

系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

NFC智能巡檢系統(tǒng)由NFC標(biāo)簽、可讀取標(biāo)簽信息的App、管理記錄數(shù)據(jù)的Web后臺(tái)三部分組成。NFC標(biāo)簽分為兩類，一類置于巡檢人員的工牌中，用于識(shí)別巡檢人員身份，明確責(zé)任。另一類置于待巡檢維護(hù)的設(shè)備上，記錄設(shè)備信息。通過(guò)App掃描NFC標(biāo)簽，上傳巡檢人員的工牌數(shù)據(jù)用于登錄，比對(duì)人員身份信息后則成功登錄。巡檢人員持裝有該App的移動(dòng)設(shè)備依次巡檢并觸碰位于各設(shè)備上的NFC標(biāo)簽，上傳設(shè)備信息，記錄巡檢結(jié)果。Web后臺(tái)用于與移動(dòng)設(shè)備的通信，根據(jù)上傳設(shè)備信息的先后確定巡檢路線并記錄巡檢結(jié)果，當(dāng)安全問(wèn)題發(fā)生時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并告警。系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用NFC標(biāo)簽記錄設(shè)備信息，無(wú)需手工記錄，簡(jiǎn)化了操作流程，極大地降低了出錯(cuò)幾率。

（2）使用帶有NFC模塊的智能移動(dòng)終端作為讀寫端，無(wú)需專門定制的讀寫器，設(shè)備攜帶方便，易維護(hù)更換。

（3）通過(guò)GPRS、3G、4G等技術(shù)，及時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到Web后臺(tái)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

（4）智能移動(dòng)終端的App基于Android系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，保證了系統(tǒng)的可開(kāi)發(fā)性和可移植性。

（5）App通過(guò)JSON數(shù)據(jù)格式訪問(wèn)服務(wù)器前端的Java Servlet，并與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，具有安全、高效、通用和數(shù)據(jù)量小等特點(diǎn)。

3.3 各模塊具體設(shè)計(jì)

3.3.1 NFC標(biāo)簽設(shè)計(jì)

目前提供的NFC標(biāo)簽可分為以下四種：

（1）第一類型標(biāo)簽基于ISO14443A協(xié)議，標(biāo)簽內(nèi)存最小為96個(gè)字節(jié)，通信速率為106 Kb/s，可存儲(chǔ)URL、電話號(hào)碼等小量數(shù)據(jù)。

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

（3）第三類標(biāo)簽為SONY公司提供的Fecila類型卡。內(nèi)存大小為2 KB，通信速率為212 Kb/s。此類標(biāo)簽適合較為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，成本較高。

（4）第四類標(biāo)簽同時(shí)兼容ISO14443A和ISO14443B兩種協(xié)議，應(yīng)用APDU指令接收數(shù)據(jù)。相較于其他三種標(biāo)簽類型，可擁有更大的存儲(chǔ)空間及安全加密認(rèn)證模塊，完成更為復(fù)雜的操作。

考慮到需要存儲(chǔ)的信息較大及后續(xù)可能進(jìn)行的安全模塊擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)采用第四類標(biāo)簽。

3.3.2 移動(dòng)端App設(shè)計(jì)

移動(dòng)端App通過(guò)巡檢人員嵌入NFC標(biāo)簽的工牌登錄，App界面根據(jù)后臺(tái)提供的巡檢列表任務(wù)顯示巡檢路線。到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)后，巡檢人員使用智能移動(dòng)終端設(shè)備緊貼NFC標(biāo)簽，通過(guò)NDEF格式讀取標(biāo)簽信息。并通過(guò)HTML協(xié)議將巡檢信息傳送到后臺(tái)。其通信設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.3.3 Web后臺(tái)設(shè)計(jì)

Web后臺(tái)使用MySQL對(duì)用戶登錄、巡檢任務(wù)進(jìn)行管理。通過(guò)HTML網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與移動(dòng)端App進(jìn)行信息交互。包括用戶信息注冊(cè)模塊、用戶登錄模塊、巡檢任務(wù)列表模塊、異常設(shè)備告警模塊、權(quán)限管理模塊等。實(shí)現(xiàn)人員身份對(duì)比校驗(yàn)，巡檢任務(wù)下發(fā)與核對(duì)，異常問(wèn)題匯總等功能。使得巡更地點(diǎn)的情況被實(shí)時(shí)監(jiān)控，管理人員可據(jù)此采取有效措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NFC技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由NFC標(biāo)簽、智能移動(dòng)終端App和Web后臺(tái)三個(gè)模塊組成。同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了NFC及Android技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)。將傳統(tǒng)的巡檢工作與NFC及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，極大地簡(jiǎn)化了操作流程，降低了出錯(cuò)幾率，完成了對(duì)巡檢任務(wù)地點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及措施反饋。

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