苏 婕,王 忠
(四川大学 电气信息学院,四川 成都610065)
基于NFC技术的巡更巡检管理系统,是一套融合NFC、移动通信 (GPRS/CDMA/3G/4G)、计算机通信、数据库和移动终端等技术于一体的智能化电子巡更巡检管理系统。它由NFC标签、NFC智能移动终端APP和Web后台管理系统3部分构成。NFC标签选用工作频率为13.56MHz、通信速率为106Kbit/s的成熟产品,智能移动终端APP基于市场占有率最高的Android系统进行开发,Web后台管理系统采用JavaEE平台进行开发,数据存储采用MySQL数据库管理系统。基于NFC技术的巡更巡检管理系统,具备巡检计划、任务分派、巡检记录、轨迹回放、查询统计等功能,有效地解决了传统电子巡更巡检系统建设过程中布线复杂、施工难度大、监管不完善等突出问题,能够提供更加直观清晰的实时监控信息,大大提升对巡更巡检人员的监管力度,杜绝漏检、不到位检查、不按管理要求巡查等情况,有效防止治安事件或安全事故的发生。
NFC巡更巡检管理系统集成了计划管理、任务分派、实时巡更、实时上传、实时定位、轨迹回放、查询统计等多种功能。智能移动终端APP采用Google Android平台开发,融合目前GPRS、CDMA、3G和4G等移动通信技术,使用MySQL进行后台数据库管理。NFC智能移动终端APP可以读取写有巡更地点信息的NFC标签,实现信息的非接触式移动采集功能[1]。巡更信息通过移动通信技术实时上传,Web后台管理系统可对巡更信息进行实时管理。
NFC技术是近距离高频无线电通信技术,它基于无线电射 频 识 别 (radio frequency identification,RFID)技术[2]。NFC技术允许两台设备之间、设备和NFC标签之间在小于4cm的通信距离内进行数据传输。NFC技术基于ISO/IEC 18092、ISO/IEC 21481、ECMA-340 以 及 ETSI TS 102 190标准,同时兼容ISO 14443A 和 FeliCaTM标准[3]。NFC技术工作频率为13.56MHz,其工作原理与频率为13.56MHz的RFID类似,都采用电磁感应耦合技术[4,5]。NFC电磁感应耦合系统及等效电路如图1所示。
图1 NFC电磁感应耦合系统及等效电路
在NFC系统中,若设备依靠自己产生的RF场提供能量激活通信,则称为主设备 (active device)。若设备依靠其它设备的RF场提供能量并响应,则称为从设备 (passive device)。发射器 (initiator)和应答器 (transponder)之间进行数据交互时,要求至少有一方为主设备[6]。
NFC巡更巡检管理系统由NFC智能移动终端APP、NFC标签及Web后台管理系统3个部分组成。智能移动终端APP程序包括标签写入和实时巡更两个APP。标签写入APP利用NFC技术,通过智能移动终端将巡更地点信息写入NFC标签中。实时巡更APP则是选定巡更人员身份信息,采集巡更地点NFC标签的巡更信息并实时上传。Web后台管理系统则是对巡更信息进行实时管理。系统组织结构如图2所示。
NFC巡更巡检管理系统特点如下:
图2 NFC巡更巡检管理系统组织结构
(1)在巡更地点安装写有地点信息的NFC标签,无需布线,安装简便。利用NFC技术通过智能移动终端APP采集巡更信息,设备携带方便。系统性能可靠,易维护;
(2)通过GPRS、CDMA、3G和4G等移动通信技术,可将采集的巡更信息实时上传至Web后台管理系统。这保证了NFC巡更巡检管理系统的实时性[7,8];
(3)智能移动终端APP采用Google Android平台进行开发,该平台开放性显著。系统APP可移植于任意具有NFC功能的Android智能移动终端,且具有很高的兼容性;
(4)采用MySQL进行数据管理,Android智能移动终端APP通过访问远程服务器前端的Java Servlet与MySQL之间进行通信,选择JSON作为数据交互的方法,JSON具有安全、高效、通用、数据通信量小的特点[9]。
首先,系统根据巡更计划自动生成巡更任务表,任务表包括巡更人员信息、巡更班次、巡更地点等。该巡更任务表存储至数据库,作为巡更工作完成的判断依据。然后,用标签写入APP在NFC标签中写入巡更地点信息,并把NFC标签安装在相应的巡更地点。巡更时,巡更人员在实时巡更APP上选定自己的身份信息,再用NFC智能移动终端触碰巡更地点NFC标签,巡更信息便被采集。通过移动通信技术将巡更信息实时上传至Web后台管理系统。后台数据库将巡更信息进行存储,并与巡更任务表进行信息比对。管理人员将通过后台对巡更信息进行实时监控和管理。NFC巡更巡检管理系统网络拓扑结构如图3所示。
NFC标签有4种基本类型,其格式与容量各不相同。第1类与第2类标签是双态的,是可读可写标签,也可设置为只读。第3类与第4类标签则是只读标签。
本系统所采用的Topaz标签是第1类标签,它基于ISO 14443A标准。其存储容量为96B,内存可被扩充到2KB,通信速率为106Kbit/s。本系统在标签中写入的地址信息是小量数据,因此选用简洁、成本低的Topaz标签。在写入地址信息后,将Topaz标签设置为只读。并将Topaz标签安装在与之对应的巡更地点。NFC Topaz标签结构如图4所示。
图3 NFC巡更巡检管理系统网络拓扑结构
图4 NFC Topaz标签结构
智能移动终端APP包括标签写入APP和实时巡更APP。标签写入APP则是将巡更地点的信息写入NFC标签中。它安装在管理员的NFC智能移动终端上,并设置登录权限。APP界面会根据后台数据库任务表内容显示巡更地点信息列表。选定要写入的巡更地点信息后,将NFC标签紧贴NFC智能移动终端感应区,通过RF场,代表巡更地点信息的 NFC数据交换格式 (NFC data exchange format,NDEF)将被写入NFC标签中。
实时巡更APP安装在巡更人员NFC智能移动终端上。巡更人员首先在APP界面上选定自己的身份信息。巡更时,巡更人员NFC智能移动终端触碰巡更地写有地点信息的NFC标签,通过NFC技术,巡更信息将被手机采集。同时,已巡更地点也会显示在APP界面。巡更人员可以根据巡更情况发布巡更地安全或异常信息。通过移动通信技术,巡更信息将被实时上传至Web后台。
后台数据库将实时巡更信息与巡更任务表信息进行比对,便可对巡更工作进行实时管理。同时,巡更地点安全或异常信息也将被实时监控,管理人员可据此做出实时有效处理。
NFC巡更巡检管理系统的移动终端APP将采用Google Android平台进行开发。Web后台管理系统采用JSP和Java Servlet开发,采用MySQL进行后台数据管理。
Android NFC支持标签调度系统 (the tag dispatch system)和前台调度系统 (the tag dispatch system)。标签调度系统是当Android设备检测到Tag时,AndroidManifest中定义的Intent filter将选择合适的Activity来处理Tag,当有多个Activity可以处理Tag时,会弹出Activity选择窗口供用户选择。前台调度系统是允许一个在前台运行的Activity具有读写Tag的优先权,当Android设备检测到Tag时,若前台Activity可以处理此类型的Tag,则该Activity具有优先权,不会再弹出Activity选择窗口[10]。标签调度系统流程如图5所示。
图5 标签调度系统流程
NDEF是NFC论坛 (NFC Forum)定义的NFC数据交换格式,用于实现NFC设备和NFC标签以及NFC设备之间的交互通信。NDEF数据被封装在一个NdefMessage中,NdefMessage包含一条或多条NdefRecord。Android对不包含NDEF数据的标签也提供支持,android.nfc.tech中定义了对其它标签进行操作的类。
当Android设备扫描到包含NDEF数据的标签时,它会解析NFC标签,明确数据的MIME类型或URI标识,把MIME或URI以及数据负载封装到一个Intent中。当标签调度系统完成对NFC标签和Intent对象的创建时,会把该Intent对象发送给合适的Activity[10]。以下为读写NDEF数据的关键代码。
Android远程连接MySQL,Android虽然自带java.sql package,但是各数据库的JDBC Driver是否可用存在争议,且安全性差。
针对Android移动终端与MySQL数据库通信问题,选择JSON作为数据交互的方法。JSON是一种轻量级的数据交换格式,是基于Java Script的一个子集。Android访问远程服务器前端的Java Script,Java Script完成数据库操作,把结果经过JSON编码后传回,Android端再解析出结果。JSON方法实现了高效、安全的数据库访问。
根据系统具体设计,通过编程开发实现了NFC巡更巡检管理系统。经测试后,验证了该系统的可行性。
标签写入APP界面会显示巡更地点信息列表。将所选地址信息写入标签后,界面会显示标签唯一标识符(Unique Identifier,UID),并提示标签写入状态。用户可根据写入状态,判断标签是否写入成功。标签录入APP界面截图如图6所示。
图6 标签录入APP界面
实时巡更APP界面会显示巡更人员身份信息列表供选择,巡更人员身份可进行切换。当巡更人员触碰标签完成巡更后,界面会标记出已巡更地点。巡更人员可依据实际巡更情况,发布巡更地点安全或异常信息。实时巡更APP界面如图7所示。
当巡更信息上传汇总至Web后台管理系统后,系统界面会实时显示出每位巡更人员的巡更工作状态。方便管理人员对巡更工作进行实时管理。Web后台管理系统界面如图8所示。
基于NFC技术的巡更巡检管理系统,针对传统巡更系统中布线复杂、施工困难、监管不完善、信息不及时等问题,利用NFC技术,实现了巡更信息的移动式采集;通过移动通信技术,实现了巡更信息实时上传。该系统完成了电子巡更技术便捷性与实时性的统一,提高了巡更工作效率,真正实现了电子巡更智能化,具有广泛的应用前景。作者后续工作将致力于将Web后台管理系统迁移到GIS平台、智能终端增加实时定位模块,建立更加完善的巡更巡检管理系统。
图7 实时巡更APP界面
图8 Web后台管理系统界面
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