基于NFC技术的智能门禁系统探究

郑一鸣

（河北省唐山市第一中学，唐山 063000）

基于NFC技术的智能门禁系统探究

郑一鸣

（河北省唐山市第一中学，唐山 063000）

本文从NFC技术讲起，对这一技术的发展与应用做了简要介绍，重点描述了NFC的工作原理，并着重分析基于NFC技术的智能门禁系统的结构与实现过程，针对智能门禁提出自己的见解。

NFC；门禁系统；安全解锁

1 NFC技术简介

1.1 NFC技术的概念

随着电子产品的大众化和普及化，对于电子产品有一定了解的朋友对于NFC这个概念一定不会陌生。人们在生活中发现很多场景中需要用到近距离实时通信技术，例如打卡系统等，所以NFC这项技术应运而生。NFC（Near Field Communication）即近距离无线通信技术，顾名思义也就是在近距离范围内的一种无线通信技术。而它的前身便是我们生活中早已应用的RFID射频识别技术，不管是NFC还是RFID，都是现代物联网概念中的重要组成部分。在短距离内与兼容设备进行安全、迅速而自动的无线通信，让用户更直观简单地进行数据传输是NFC技术的主要目的，这也在很大程度上方便了用户。

1.2 NFC技术的发展和应用

20世纪50年代以来，随着雷达技术和微电子科学的进步，RFID射频识别技术被电子信息工程师所发明出来，之后经过半个世纪的发展，到2000年，基于RFID技术的电子产品在人们生活中随处可见。20世纪90年代，以RFID技术为基础，经历互联网、智能计算技术、传感网技术的融合与应用形成了今天的物联网。NFC的最初设想就是将RFID技术和互联网络技术进行简单重组，NFC早在2003年就已经项目立项，飞利浦、索尼和诺基亚等公司共同开发了这项新技术，并向整个行业范围进行推广，现在不管是手机、平板电脑还是其他便携式设备都搭载有NFC模块。目前而言，NFC是与WIFI、蓝牙、ZIGBEE等技术并列的主流无线通信技术。

由于其近距离和无线等特性，NFC技术在多个领域得到应用，包括点对点通信、移动中信息访问以及移动支付与交易等。当前逐渐在比如机场登机、地铁进站、大厦的门禁、公交一卡通、信用卡刷卡等领域推广使用。

2 NFC的工作原理

2.1 NFC原理

NFC工作模式与RFID类似，一般按以下三个步骤执行，其原理如图1所示。

图1 NFC工作原理图

（1）侦测标签。NFC读写器持续发射无线射频信号，也就是在整个读写器范围内构成一个识别磁场，其电磁波频率为13.56MHz。当带有NFC模块的标签进入磁场后，利用磁场耦合获得的能量，产生相同频率或改变频率的射频信号，读写器探测到这种变化，就可以判断出附近有NFC模块进入磁场，从而达到侦测标签的目的。另一种途径是由NFC模块主动发送某一频率的信号来供读写器识别。

（2）读取标签。读写器把需要接收的信息种类作为源信息，进行编码打包、加载后经天线向外发送，当进入到读写器工作区域的NFC模块接收到此信号时，其内部信息处理系统会对此信号进行整流、调制、解码等，根据具体的要求完成读取标签的操作。

（3）解码传送。读写器通过读取并解码后，获取与识别建立通信连接，实现近距离与NFC模块的识别和数据交换。

2.2 NFC的技术特征

2.2.1 基本参数与标准

NFC技术通过Philips、Sony和Nokia等论坛成员在ISO/IEC 18092、ECMA 340和ETSI TS 102 190框架下推动国际标准化，逐步被国际组织认可成为国际标准。比RFID更加先进的是，NFC具有双向连接和识别的特点，也就是说NFC系统的两端之间可以互相传递信息。其工作频率是13.56MHz，实际传输距离在10cm以内，其传输速度有106kb/s、212kb/s或者424kb/s三种，实际已经做到了短距离高速传输。

2.2.2 设备组成

NFC系统中最重要的设备是读写器和标签。

读写器（Reader/Interrogator）在NFC体系内是具有读取NFC标签功能的专用读卡设备，通常是能产生13.56MHz无线电频率的集成电路，一般由编码器、解码器、比较器和天线所组成；NFC天线是一种近场耦合天线，在标签和读写器间传递射频信号，在产品中一般需要内置，现在通常采用磁性薄膜贴合柔性电路板（FPC）方式来做天线。

标签（Tag）是储存数据的IC，可被NFC设备读取，通常应用在被动通信模式下。如符合ISO/IEC14443规范的Philips公司的MIFARE卡和Sony公司的Felica卡。标签一般由金属线圈和逻辑线路组成，可分为有源标签和无源标签两种。

2.3 NFC的工作方式

NFC通信模式包括主动模式和被动模式，工作方式则有卡模拟模式（Card emulation）、读/写模式（Reader/Writer）和点对点模式（Peer-to-Peer）三种。卡模式可以理解NFC设备为一个智能IC卡，相当于我们平时刷公交卡的模式，其信息只能被读取，属于被动工作模式；读/写模式下，NFC设备作为读卡器去读/写其他NFC设备，属于主动工作模式；点对点模式中，NFC设备双方都发送射频信号，通过射频信息的处理来建立通信连接，从而实现点对点的无线数据交换。

3 门禁系统简介

门禁系统又称出入管理控制系统，是解决通道出入安全防范的新型现代化安全管理系统。门禁系统是在传统门锁的基础上发展而来的。现代门禁系统克服了传统门锁的弊端，极大满足了用户的多种需求。特别是近几年感应卡技术、生物识别技术以及互联网的飞速发展，门禁系统得以跨跃式发展，出现了感应卡式、生物识别等各种技术的门禁系统，它们在安全性，便利性等方面各有特长，这些网络化门禁系统的应用也越来越广。

当前，在人们生活中使用的门禁有机械锁、电子锁、射频感应锁、生物识别以及网络门禁系统。对比这些门锁，智能门禁系统最大的优点在于其安全性和可靠性，借助多媒体技术将门禁的功能加以扩充，做到可视和双向控制。整个系统简洁明了，可维修性和易用性增强，大大提高了用户的体验性和便利性。

4 基于NFC的智能门禁系统

4.1 NFC门禁系统的结构

4.1.1 门端

图2 NFC门禁系统控制图

一个完整的门禁系统由读卡器、控制器、电锁、出门开关、门磁、电源、处理中心七个模块组成。如图2所示。

（1）门禁控制器：分为STM8技术的单片机控制器和STM32技术的微控制器，它的主芯片是一个高度集成的非接触读写芯片，集成了13.56MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议。它是门禁系统的控制核心，最终实现对锁的开关控制。

（2）读卡器：是能产生13.56MHz无线电频率的集成电路，具有读取NFC标签功能的识读设备。

（3）电锁：分为断电开门型、断电闭门型和集成机械钥匙型电锁等三种，适合不同级别的安全场所，工作电压有12VDC和24VDC两种，以12VDC居多。开锁的钥匙就可以集成到我们常用的智能手机上或是工作人员的工作证中。

（4）出门开关：按一下就可以打开门的装置，适合于出门无限制的情况。

（5）门磁：用于检测门的开关状态。

（6）电源：整个门禁系统的供电设备。

（7）处理中心：是一块高度集成的芯片，也就是整个系统的“CPU”，负责信息计算处理的相关工作。

4.1.2 客户端

主要指智能手机和其中的NFC模块，还包括智能软件App部分。

4.2 NFC门禁系统的原理和功能

4.2.1 NFC门禁系统的原理NFC门禁系统的原理可以描述为下面的过程：（1）用户通过NFC手机App请求注册，传输相关注册信息至服务端。

（2）管理员进入后台管理系统，通过用户请求及分配权限后，将开锁列表及权限返回至NFC手机。

（3）用户开锁时，请求服务端获取开锁指令。

（4）使用NFC手机靠近NFC模块，读卡器获取手机NFC模块的信息后，解码传输到主控机管理员处。

（5）将开锁指令传输至数据库进行验证，如果验证一致，表明用户合法则开锁；验证不一致，表明用户不合法则向移动端发送失败信息，结束操作。

其原理示意图为图3所示。

图3 NFC门禁系统的工作原理

4.2.2 NFC门禁系统的主要功能

NFC门禁系统的基本和核心功能是刷卡解锁，用户凭借事先录入的管理信息按照一定的权限进出通道，并且进出记录保存以后可以查询。系统还具有密码管理、数据显示、实时对话和远程控制功能。当出现因遗忘未关门或者非法侵入等异常情况时，门禁系统自动启动报警功能，提示管理员或安保人员出现紧急情况，最大限度保护用户的人身、财产安全。

4.3 NFC模式与其他模式的对比

NFC门禁系统与其他门禁系统的比较如表1所示。

表1 NFC门禁系统和其他门禁系统的对比

从表1可以看出，NFC智能门禁系统具有安全性强，用户易用性和体验性高，功能全面等特点，随着NFC技术的发展制作成本也会大幅降低。

5 NFC智能门禁系统的未来

随着时代的发展与进步，NFC技术已逐步整合到物联网世界而成为了其中的一部分。基于NFC技术的门禁系统以其独特的优越性必将得到更大发展，在技术安全性上不断增强加密措施，通过结合其他门禁系统的优势开发出多功能门禁系统。特别是NFC模块被更多地安装到智能手机上，便于用户“无约束”的安全体验和灵活使用。我们甚至可以预见，不久的将来，NFC会令门禁在门上消失，用户只需通过手机碰触门上的NFC标签，系统便会把门的位置、使用者凭证及访客所在位置组合，用来作为向门禁系统要求开门的请示。

[1] 韩露，桑亚楼．NFC技术及其应用．移动通信，2008(3): 25-28

[2] 王惟洁，朱军．NFC技术及其应用前景．通信与信息技术，2013(6):67-69

[3] 刘浩．基于NFC技术的近场通信应用探索．中国无线电，2010(12):34-35

[4] 汪亮．基于NFC近场通信技术的门禁系统研究和设计．湖南大学工程硕士学位论文，2013: 15-18

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.006

TN92文献标示码：A

1672-7274（2017）10-0017-03