基于NFC的智能手環(huán)查詢(xún)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李瑩 姚富光 周川 劉丹丹 張龍

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備識(shí)別配對(duì)繁瑣的缺點(diǎn)，本文利用STM32F103微控制器，結(jié)合NFC、藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)短距離通信，設(shè)計(jì)了基于NFC智能手環(huán)查詢(xún)終端，實(shí)現(xiàn)智能手環(huán)與查詢(xún)終端之間的識(shí)別配對(duì)、數(shù)據(jù)傳輸、液晶屏顯示、數(shù)據(jù)存放和數(shù)據(jù)上傳等功能。

關(guān)鍵詞：智能手環(huán)；STM32F103； FSMC； NFC

Design and implementation of Intelligent bracelet query Terminal based on NFC

Li Ying， Yao FuGuang， Zhou Chuan ， Liu DanDan， Zhang Long

（Chongqing Of Education University， 400065）

Abstract： Aiming at the shortcoming of traditional Bluetooth device recognition pairing， this paper uses STM32F103 microcontroller， combined with wireless short distance communication such as NFC and Bluetooth， to design an NFC intelligent bracelet query terminal to realize the recognition pairing between intelligent bracelet and query terminal， data transmission， LCD display， Data storage and data upload functions.

Key words： Intelligent bracelet； STM32F103； FSMC； NFC

0 引言

當(dāng)前，可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)大多由智能手機(jī)來(lái)進(jìn)行管理的，這種方式不但要求用戶(hù)下載相應(yīng)APP，而且在數(shù)據(jù)傳輸前需完成繁瑣的藍(lán)牙配對(duì)等過(guò)程，用戶(hù)的使用感較差。近場(chǎng)通信技術(shù)NFC的出現(xiàn)，允許藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)達(dá)到更快的識(shí)別速度和更高的安全性。

本文著重利用藍(lán)牙、NFC技術(shù)，對(duì)智能手環(huán)與查詢(xún)終端之間的身份綁定問(wèn)題和數(shù)據(jù)的交互進(jìn)行研究和測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于NFC的智能手環(huán)查詢(xún)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)專(zhuān)用的終端，將手環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)景和使用效果得到優(yōu)化，使兩者配對(duì)更加容易和高效。

1 系統(tǒng)通信技術(shù)分析

1.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種開(kāi)放性的、短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備較短距離內(nèi)通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。藍(lán)牙主設(shè)備可生成一個(gè)微微網(wǎng)，最多同時(shí)建立與7個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到數(shù)據(jù)同步的目的。

1.2 GPRS技術(shù)

GPRS（General Packet Radio Service）是一種在GSM的基礎(chǔ)上升級(jí)的分組數(shù)據(jù)交換傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)采用傳輸數(shù)據(jù)量的方式計(jì)費(fèi)，成本相對(duì)較低，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)通訊，完全滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集雙向數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男枨?，特別適用于間斷性、突發(fā)性以及一定量的數(shù)據(jù)傳輸。隨著GPRS技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展，已實(shí)際應(yīng)用到許多無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，也為數(shù)據(jù)的采集傳輸提供了一種可行的數(shù)據(jù)傳輸方式。

1.3 NFC技術(shù)

NFC（Near Field Communication），該技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)的短距離高頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，兼容ISO14443協(xié)議，通過(guò)頻譜中無(wú)線(xiàn)頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，在彼此靠近的情況下允許電子設(shè)備之間進(jìn)行通信。NFC通信距離較近，安全性較高，相比RFID技術(shù)增加了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，可與WIFI、藍(lán)牙等現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行互補(bǔ)。結(jié)合移動(dòng)通信技術(shù)，NFC應(yīng)用方式出現(xiàn)了接觸式通過(guò)（Touch and Go）、接觸支付（Touch and Pay）、接觸連接（Touch and Connect）以及接觸瀏覽（Touch and Explore），在信息安全、身份識(shí)別等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸推廣。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要包括以下 4個(gè)硬件組成部分：①主控芯片模塊：控制各模塊的通信和相應(yīng)讀寫(xiě)操作，進(jìn)行系統(tǒng)模塊間的調(diào)度；②存儲(chǔ)模塊：存放終端讀取到的數(shù)據(jù)；③通信模塊：將NFC、藍(lán)牙和GPRS三種通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別綁定和數(shù)據(jù)傳輸；④LCD顯示模塊：用于顯示終端讀取到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示：

2.1 主控制器

控制模塊是系統(tǒng)的控制核心，本終端的MCU芯片采用基于ARM Cortex-M內(nèi)核的STM32系列的STM32F103ZET6，該芯片具有512KB的程序存儲(chǔ)空間，144個(gè)引腳，提供豐富的IO口供藍(lán)牙、NFC、GPRS、傳感器等設(shè)備的接入。

2.2 存儲(chǔ)部件

本終端利用SDIO接口對(duì)TF卡進(jìn)行讀寫(xiě)通信操作，但只能同時(shí)使用一個(gè)SDIO設(shè)備，使用的主控板中集成有一個(gè)Micro SD卡槽和SDIO接口的WiFi模塊，在進(jìn)行TF卡讀寫(xiě)操作之前，將WiFi模塊接口禁用使能。

TF卡的控制需使用相應(yīng)的命令，對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行修改。通過(guò)函數(shù)GPIO_Configuration（）初始化SDIO外設(shè)，控制器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，以CLK時(shí)鐘上升沿有效，通過(guò)命令控制總線(xiàn)CMD發(fā)送命令控制TF卡。

SD_SingleBlockTest（）驅(qū)動(dòng)主機(jī)進(jìn)行寫(xiě)入TF卡操作，由數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)讀寫(xiě)前檢測(cè)到TF卡處于忙狀態(tài)，則將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉低，拒絕寫(xiě)入操作。操作TF卡的相關(guān)的函數(shù)如下：

SD_Init（）：TF卡初始化；

SD_Erase（）：擦除之前的數(shù)據(jù)，當(dāng)某次數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)誤上傳服務(wù)器之后，執(zhí)行

SD_SingleBlock（）：對(duì)單塊進(jìn)行讀寫(xiě)操作；

Fill_Buffer（Buffer_Block_Tx， BLOCK_SIZE， 0x320F）：用用戶(hù)定義的數(shù)據(jù)填充緩沖區(qū)；

SD_WriteBlock（Buffer_Block_Tx，0x00，BLOCK_SIZE）：向指定的內(nèi)存空間寫(xiě)入數(shù)據(jù)；

SD_WaitWriteOperation（）：檢查數(shù)據(jù)是否傳輸完成。

2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)

本智能終端的核心部分是智能手環(huán)與終端的通信交互模塊，負(fù)責(zé)智能手環(huán)與數(shù)據(jù)讀取終端之間的身份識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.1 射頻模塊硬件電路

NFC模塊采用NXP公司高度集成化的非接觸式讀寫(xiě)芯片PN532，包含80C51微控制器內(nèi)核，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，讀寫(xiě)距離在10cm以?xún)?nèi)，支持1SO/IEC18092標(biāo)準(zhǔn)、IS01443-A標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)NFC收發(fā)讀取的功能。PN532支持SPI、I2C、UART三種通信方式，具有靈活的中斷模式。

當(dāng)器件處于掉電模式時(shí)能夠通過(guò)I2C、SPI自動(dòng)喚醒，PN532的輸出緩沖器通過(guò)最少量的外部無(wú)源器件連接天線(xiàn)，高度集成的模擬電路、解調(diào)和譯碼響應(yīng)。本設(shè)計(jì)使用了PN532的ISO/IEC 14443A/MIFARE讀寫(xiě)器模式，圖2為PN532外圍電路圖：

2.3.2 藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊使用HC-06藍(lán)牙模塊，基于Bluetooth Specification V2.0帶EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊，可以大幅度地提高藍(lán)牙的傳輸速率和傳輸距離。模塊的實(shí)現(xiàn)主要分兩部分：一是MCU數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，另一部分則是AT指令的相關(guān)配置。圖3為藍(lán)牙模塊電路原理圖：

該模塊在整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的功能，STM32主控單片機(jī)通過(guò)USART傳輸層發(fā)送命令來(lái)控制HC-06模塊。在命令響應(yīng)工作模式下，通過(guò)串口發(fā)送AT指令，指令通過(guò)TX和RX引腳進(jìn)行設(shè)置。串口的TX引腳連接STM32的RX引腳，RX引腳連接STM32的TX管腳，完成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。

2.3.3 GPRS模塊

本系統(tǒng)采用支持GPRS的WF-SIM900A模塊，通過(guò)串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT命令對(duì)模塊進(jìn)行控制，采用透明傳輸方式，用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器到服后臺(tái)的可靠連接，完成TCP/IP協(xié)議處理和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

主控芯片將藍(lán)牙得到的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)串口通信方式送往GPRS模塊，將模塊的RXD連接于主板的TXD引腳上，模塊的TXD引腳連接于主板的RXD上，兩者的GND引腳互相連接，通過(guò)串口進(jìn)行通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸分為發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)兩種情況，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通過(guò)AT指令進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)類(lèi)別的設(shè)定，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的選擇、附著網(wǎng)絡(luò)、激活網(wǎng)絡(luò)、連接服務(wù)器等步驟，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。

2.4 液晶顯示設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6帶有靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器——FSMC，F(xiàn)SMC是ST公司針對(duì)100引腳以上的STM32系列，采用的一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展控制技術(shù)。FSMC接口支持SRAM、NAND FLASH、HOR FLASH和PSRAM等存儲(chǔ)器。本終端采用常用的LCD液晶屏顯示手環(huán)的數(shù)據(jù)，LCD液晶屏為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素都可以通過(guò)電脈沖直接控制，因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并可以連續(xù)控制。

主控板將從藍(lán)牙接收到的數(shù)據(jù)，顯示到液晶屏。在控制LCD的時(shí)候，使用FSMC的NOR＼PSRAM模式，與控制NOR FLASH一樣使用模式B，寫(xiě)NOR時(shí)序圖如圖4所示。將LED當(dāng)作SRAM來(lái)控制顯示，通過(guò)函數(shù)以像素點(diǎn)為單位將信息的字符和數(shù)字顯示到LCD液晶屏中，構(gòu)成主機(jī)與顯示屏端的通信鏈路。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析及設(shè)計(jì)

啟動(dòng)終端設(shè)備，終端內(nèi)的NFC射頻電場(chǎng)則開(kāi)始同步啟動(dòng)。將內(nèi)置有NFC標(biāo)簽，并且標(biāo)簽扇區(qū)中事先通過(guò)專(zhuān)用的讀寫(xiě)器，寫(xiě)入藍(lán)牙MAC地址的手環(huán)，置于終端的NFC近場(chǎng)范圍內(nèi)，通過(guò)復(fù)位應(yīng)答、防沖突機(jī)制、選擇卡片、密鑰確認(rèn)等特定的方式，進(jìn)行信息交換，選擇目標(biāo)標(biāo)簽，建立連接，實(shí)現(xiàn)讀取手環(huán)NFC標(biāo)簽中存放的藍(lán)牙MAC地址信息，再通過(guò)串口將獲得的

MAC地址傳入MCU中，MCU通過(guò)Flash中存放的信息，進(jìn)行身份判斷，完成手環(huán)與終端之間的藍(lán)牙的連接，將信息傳輸至終端設(shè)備，并由串口將數(shù)據(jù)寫(xiě)入TF卡中，最后由GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至后臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用NFC、藍(lán)牙等短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于NFC的智能手環(huán)數(shù)據(jù)讀取終端，將NFC結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)終端與手環(huán)之間的快速識(shí)別和配對(duì)，并通過(guò)液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，由GPRS完成數(shù)據(jù)上傳。

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作者簡(jiǎn)介：

李瑩（1995-），女，重慶云陽(yáng)人，本科在讀，重慶第二師范學(xué)院學(xué)生，研究方向：嵌入式通信技術(shù)。