基于NFC技术的智能巡检系统设计

陈志鹏+王彬

摘 要：为满足安全巡检的需求，提高巡检的操作便捷性和实时性，文中提出并设计了一个基于NFC技术的智能巡检系统。结合移动通信和NFC近场通信技术，使用App读取巡检标签信息，通过网络通信协议上传记录结果，并在Web后台通过MySQL数据库实现统一实时管理。

关键词：NFC；巡检；Android；Java

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

随着社会的飞速发展，信息化应用需求不断增加，用于支撑网络通信的设备规模也日益扩大，为了设备持续高效的运转，并及时排查存在的安全隐患，制定高效、便捷的巡检方案变得越来越重要[1]。目前常用的巡检方案多为粘贴标签、纸面记录和拍照记录等方式，其弊端显而易见。巡检人员的操作流程繁琐，不能实时有效的反馈并进行科学管理等。本文基于NFC技术设计了一套智能巡检系统，该系统能够实时高效的对巡检进行管理，及时发现隐患并反馈安全问题。NFC技术自2003年被提出以来，在各大领域均发挥了重大作用，如防伪溯源、移动支付和名片管理等[2]。NFC技术成本较低、方便易用，它可以通过芯片、无线和软件的组合来实现各种设备间的小范围通信[3]，并满足巡检系统的各种设计需求。在智能手机上集成NFC模块也使得本方案的实现成本得以降低，并不需要特别定制的读卡器等设备。本文手机端的设计基于Google公司提供的Android系统平台。

1 相关技术介绍

1.1 NFC技术介绍

NFC（Near Field Communication，NFC）技术为非接触式射频识别技术（RFID）的一种扩展，与互联互通技术相互结合演变而来[4]，在ISO/IEC 18092定义了与NFC相关的技术细节[5]。由NXP公司提议发起，Sony、Nokia等国际著名硬件厂商联合推出。共作用频带为13.56 MHz，大约可传输距离为10 cm[6]。

NFC技术在单一芯片上结合了感应式读卡器功能、感应式卡片技术，能够在短距离范围内迅速与其它兼容设备建立雙向连接和识别，因此安全性相对较高。同时，NFC技术定义了多种工作模式，其主要区别在于设备间通信的RF射频场是否由本设备发出，如果由NFC设备自身产生，则其工作在主动模式，在该模式下，当一台NFC设备向另一台发送数据时，通过对等网络通信标准模式发起，通信的发起设备与目标设备都需要发出RF射频场，并通过该射频场进行通信[7]；如果由其他设备产生射频场，则该设备工作于被动模式。目标设备利用感应的电动势提供自身工作所需电源，应用负载调制（Load Modulation）技术进行数据收发。主动模式的设备通常具有自己的供电单元，如NFC的读卡器和具有NFC功能模块的手机等。而被动模式无需供电单元，如NFC的卡片和标签等。此通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接触式智能卡兼容[8]。

1.2 Android技术介绍

Android系统由Google公司于2007年11月正式发布。该系统发布后迅速拥有广大的用户数量和应用市场。通常，Android系统自下向上分为四层，分别为Linux内核层、系统库层、应用框架层、应用层[9]。其中，Linux内核层包括安全机制、内存管理、进程管理、网络堆栈以及相关的驱动模块，位于硬件和软件之间，提供与硬件的交互。系统库则包含了运行提供服务的一项C/C++库，核心库中包含了Java核心类库的大多数功能及Java运行的虚拟机环境。应用框架层则为系统的应用提供了调用库函数的API框架。应用层是数目繁多的Android应用程序[10]。Android架构图如图1所示。

2 系统概述

本文设计的NFC智能巡检系统将移动终端和待管理设备紧密结合，可通过扫描带有NFC标签的工牌确认巡检人员的身份。巡检人员扫描在设备上贴有记录设备信息的NFC标签，即可记录信息及巡检路线，当出现安全问题时，也可以通过系统及时反馈问题，极大地简化了人员的操作流程，达到了科学高效管理设备的目的。系统共分为六大功能模块：

（1）后台监控系统。后台系统可以管理、监控各模块的运行情况，在数据库中记录、比对各信息。

（2）身份识别模块。通过扫描巡检人员带有NFC模块的工牌，比对NFC的加密信息，实现识别巡检人员，明确责任人的目的。

（3）设备管理模块。该模块用于记录各设备的型号、参数等基本信息和是否运转正常等管理数据。

（4）路线巡检模块。该模块用于记录、显示巡检人员的巡检路线，查看是否存在遗漏或者未到达等情况。

（5）信息记录模块。该模块用以实现巡检人员记录、反馈各设备运转信息及巡检结果等功能。

（6）问题告警模块。当设备运转发生异常，存在安全问题时，实现及时反馈、告警功能。

系统功能框架如图2所示。

3 系统设计

3.1 系统架构设计

NFC智能巡检系统由NFC标签、可读取标签信息的App、管理记录数据的Web后台三部分组成。NFC标签分为两类，一类置于巡检人员的工牌中，用于识别巡检人员身份，明确责任。另一类置于待巡检维护的设备上，记录设备信息。通过App扫描NFC标签，上传巡检人员的工牌数据用于登录，比对人员身份信息后则成功登录。巡检人员持装有该App的移动设备依次巡检并触碰位于各设备上的NFC标签，上传设备信息，记录巡检结果。Web后台用于与移动设备的通信，根据上传设备信息的先后确定巡检路线并记录巡检结果，当安全问题发生时可及时发现并告警。系统整体架构设计如图3所示。

3.2 系统特点

该系统具有如下特点：

（1）采用NFC标签记录设备信息，无需手工记录，简化了操作流程，极大地降低了出错几率。

（2）使用带有NFC模块的智能移动终端作为读写端，无需专门定制的读写器，设备携带方便，易维护更换。

（3）通过GPRS、3G、4G等技术，及时将数据上传到Web后台，保证系统的实时性。

（4）智能移动终端的App基于Android系统平台开发，保证了系统的可开发性和可移植性。

（5）App通过JSON数据格式访问服务器前端的Java Servlet，并与MySQL数据库进行通信，具有安全、高效、通用和数据量小等特点。

3.3 各模块具体设计

3.3.1 NFC标签设计

目前提供的NFC标签可分为以下四种：

（1）第一类型标签基于ISO14443A协议，标签内存最小为96个字节，通信速率为106 Kb/s，可存储URL、电话号码等小量数据。

（2）第二类标签仅支持由phlips公司提供的MIFARE UltraLight类型卡。其内存大小为48 B，也可扩充到2 KB字节，通信速率为106 Kb/s。该类标签同样基于ISO14443A协议。

（3）第三类标签为SONY公司提供的Fecila类型卡。内存大小为2 KB，通信速率为212 Kb/s。此类标签适合较为复杂的应用场景，成本较高。

（4）第四类标签同时兼容ISO14443A和ISO14443B两种协议，应用APDU指令接收数据。相较于其他三种标签类型，可拥有更大的存储空间及安全加密认证模块，完成更为复杂的操作。

考虑到需要存储的信息较大及后续可能进行的安全模块扩展，本设计采用第四类标签。

3.3.2 移动端App设计

移動端App通过巡检人员嵌入NFC标签的工牌登录，App界面根据后台提供的巡检列表任务显示巡检路线。到达目标地点后，巡检人员使用智能移动终端设备紧贴NFC标签，通过NDEF格式读取标签信息。并通过HTML协议将巡检信息传送到后台。其通信设计如图4所示。

3.3.3 Web后台设计

Web后台使用MySQL对用户登录、巡检任务进行管理。通过HTML网络通信协议与移动端App进行信息交互。包括用户信息注册模块、用户登录模块、巡检任务列表模块、异常设备告警模块、权限管理模块等。实现人员身份对比校验，巡检任务下发与核对，异常问题汇总等功能。使得巡更地点的情况被实时监控，管理人员可据此采取有效措施。

4 结 语

本文设计了一个基于NFC技术的智能巡检系统，该系统主要由NFC标签、智能移动终端App和Web后台三个模块组成。同时简要介绍了NFC及Android技术的优势及发展趋势。将传统的巡检工作与NFC及物联网技术相结合，极大地简化了操作流程，降低了出错几率，完成了对巡检任务地点的实时监控及措施反馈。

参考文献

[1]刘善锋.统一EMS在电信运营商的应用[J].中国新通信，2013（20）：78.

[2]赵飞龙，杨慰民.基于NFC的移动应用[J].中国新通信，2008，10（1）：22-25.

[3]厉经坤.高速客专中动力环境监控系统的安装与调试[J].铁道建筑技术，2010（7）：55-59.

[4] Liu Fagui， Lin Yuedong， Ruan Yongxiong， et al. Lightweight-ALE-Based Embedded RFID Middleware[C]. Beijing：24-26.

[5] ISO/IEC 18092. Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between Systems-Near Field Communication-Interface and Protocol （NFCIP-1） [S]. 1st Ed. Geneva， Switzerland： Joint Technical Committee ISO/IEC，2004.

[6]赵波锋.基于RIFD技术的移动电子商务应用研究[D].长沙：湖南大学软件学院，2010.

[7]韩丽英.基于NFC系统的SWP接口设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2010.

[8]赵宇枫.RFID与NFC技术与应用浅析[J].科学咨询（科技管理），2011（5）：75-76.

[9]赵云雁.基于NFC技术的智能海报应用研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[10]张小菲.Android平台上音频系统的研究及播放器开发[D].西安：西安电子科技大学，2012.