基于NFC技术的巡更巡检管理系统的设计与实现

苏 婕，王 忠

（四川大学 电气信息学院，四川 成都610065）

0 引 言

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。

1 系统概述

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。

1.1 系统原理

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］。

1.2 系统组成

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。

1.3 系统特点

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］。

2 系统具体设计

2.1 系统架构

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。

2.2 NFC标签

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

2.3 NFC智能移动终端APP

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。

2.4 Web后台管理系统

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。

3 系统实现方法

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。

3.1 读写NDEF数据的实现

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。

3.2 Android访问MySQL的实现

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。

4 系统测试结果

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。

5 结束语

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

［1］Zhao J，Huang S，Wei Y.Design and implementation of the intelligent patrol management system based on RFID ［C］／／International Conference on Electrical and Control Engineering.IEEE，2011：3879－3881.

［2］Want R.Near field communication ［J］.Pervasive Computing，IEEE，2011，10 （3）：4－7.

［3］Michahelles F，Thiesse F，Schmidt A，et al.Pervasive RFID and near field communication technology ［J］.Pervasive Computing，IEEE，2007，6 （3）：94－96.

［4］ISO／IEC18092，Information technology—telecommunications and information exchange between systems—near field communication interface and protocol（NFCIP－1）［S］.

［5］ISO／IEC21481，Information technology—telecommunications and information exchange between systems—near field communication interface and protocol－2（NFCIP－2）［S］.

［6］Fischer J.NFC in cell phones：The new paradigm for an interactive world［Near－Field Communications］ ［J］.Communications Magazine，IEEE，2009，47 （6）：22－28.

［7］Chen W，Hancke G P，Mayes K E，et al.NFC mobile transactions and authentication based on GSM network ［C］／／Second International Workshop on Near Field Communication.Monaco：IEEE，2010：83－89.

［8］Chen W D，Hancke G P，Mayes K E，et al.Using 3Gnetwork components to enable NFC mobile transactions and authentication ［C］／／IEEE International Conference on Progress in Informatics and Computing.Shanghai：IEEE，2010：441－448.

［9］Shrestha R，Aihong Y.Design of secure location and message sharing system for android platform ［C］／／IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering.Zhangjiajie：IEEE，2012：117－121.

［10］Roland M，Langer J，Scharinger J.Security vulnerabilities of the NDEF signature record type ［C］／／3rd International Workshop on Near Field Communication.Hagenberg：IEEE，2011：65－70.