基于NFC技術(shù)的巡更巡檢管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇 婕，王 忠

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065）

0 引 言

基于NFC技術(shù)的巡更巡檢管理系統(tǒng)，是一套融合NFC、移動(dòng)通信 （GPRS／CDMA／3G／4G）、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫和移動(dòng)終端等技術(shù)于一體的智能化電子巡更巡檢管理系統(tǒng)。它由NFC標(biāo)簽、NFC智能移動(dòng)終端APP和Web后臺(tái)管理系統(tǒng)3部分構(gòu)成。NFC標(biāo)簽選用工作頻率為13.56MHz、通信速率為106Kbit／s的成熟產(chǎn)品，智能移動(dòng)終端APP基于市場(chǎng)占有率最高的Android系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，Web后臺(tái)管理系統(tǒng)采用JavaEE平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)?；贜FC技術(shù)的巡更巡檢管理系統(tǒng)，具備巡檢計(jì)劃、任務(wù)分派、巡檢記錄、軌跡回放、查詢統(tǒng)計(jì)等功能，有效地解決了傳統(tǒng)電子巡更巡檢系統(tǒng)建設(shè)過程中布線復(fù)雜、施工難度大、監(jiān)管不完善等突出問題，能夠提供更加直觀清晰的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，大大提升對(duì)巡更巡檢人員的監(jiān)管力度，杜絕漏檢、不到位檢查、不按管理要求巡查等情況，有效防止治安事件或安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)集成了計(jì)劃管理、任務(wù)分派、實(shí)時(shí)巡更、實(shí)時(shí)上傳、實(shí)時(shí)定位、軌跡回放、查詢統(tǒng)計(jì)等多種功能。智能移動(dòng)終端APP采用Google Android平臺(tái)開發(fā)，融合目前GPRS、CDMA、3G和4G等移動(dòng)通信技術(shù)，使用MySQL進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理。NFC智能移動(dòng)終端APP可以讀取寫有巡更地點(diǎn)信息的NFC標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)信息的非接觸式移動(dòng)采集功能［1］。巡更信息通過移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)上傳，Web后臺(tái)管理系統(tǒng)可對(duì)巡更信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

1.1 系統(tǒng)原理

NFC技術(shù)是近距離高頻無線電通信技術(shù)，它基于無線電射 頻 識(shí) 別 （radio frequency identification，RFID）技術(shù)［2］。NFC技術(shù)允許兩臺(tái)設(shè)備之間、設(shè)備和NFC標(biāo)簽之間在小于4cm的通信距離內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NFC技術(shù)基于ISO／IEC 18092、ISO／IEC 21481、ECMA－340 以 及 ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼容ISO 14443A 和 FeliCaTM標(biāo)準(zhǔn)［3］。NFC技術(shù)工作頻率為13.56MHz，其工作原理與頻率為13.56MHz的RFID類似，都采用電磁感應(yīng)耦合技術(shù)［4，5］。NFC電磁感應(yīng)耦合系統(tǒng)及等效電路如圖1所示。

圖1 NFC電磁感應(yīng)耦合系統(tǒng)及等效電路

在NFC系統(tǒng)中，若設(shè)備依靠自己產(chǎn)生的RF場(chǎng)提供能量激活通信，則稱為主設(shè)備 （active device）。若設(shè)備依靠其它設(shè)備的RF場(chǎng)提供能量并響應(yīng)，則稱為從設(shè)備 （passive device）。發(fā)射器 （initiator）和應(yīng)答器 （transponder）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，要求至少有一方為主設(shè)備［6］。

1.2 系統(tǒng)組成

NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)由NFC智能移動(dòng)終端APP、NFC標(biāo)簽及Web后臺(tái)管理系統(tǒng)3個(gè)部分組成。智能移動(dòng)終端APP程序包括標(biāo)簽寫入和實(shí)時(shí)巡更兩個(gè)APP。標(biāo)簽寫入APP利用NFC技術(shù)，通過智能移動(dòng)終端將巡更地點(diǎn)信息寫入NFC標(biāo)簽中。實(shí)時(shí)巡更APP則是選定巡更人員身份信息，采集巡更地點(diǎn)NFC標(biāo)簽的巡更信息并實(shí)時(shí)上傳。Web后臺(tái)管理系統(tǒng)則是對(duì)巡更信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

圖2 NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

（1）在巡更地點(diǎn)安裝寫有地點(diǎn)信息的NFC標(biāo)簽，無需布線，安裝簡(jiǎn)便。利用NFC技術(shù)通過智能移動(dòng)終端APP采集巡更信息，設(shè)備攜帶方便。系統(tǒng)性能可靠，易維護(hù)；

（2）通過GPRS、CDMA、3G和4G等移動(dòng)通信技術(shù)，可將采集的巡更信息實(shí)時(shí)上傳至Web后臺(tái)管理系統(tǒng)。這保證了NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性［7，8］；

（3）智能移動(dòng)終端APP采用Google Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，該平臺(tái)開放性顯著。系統(tǒng)APP可移植于任意具有NFC功能的Android智能移動(dòng)終端，且具有很高的兼容性；

（4）采用MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，Android智能移動(dòng)終端APP通過訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器前端的Java Servlet與MySQL之間進(jìn)行通信，選擇JSON作為數(shù)據(jù)交互的方法，JSON具有安全、高效、通用、數(shù)據(jù)通信量小的特點(diǎn)［9］。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

首先，系統(tǒng)根據(jù)巡更計(jì)劃自動(dòng)生成巡更任務(wù)表，任務(wù)表包括巡更人員信息、巡更班次、巡更地點(diǎn)等。該巡更任務(wù)表存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，作為巡更工作完成的判斷依據(jù)。然后，用標(biāo)簽寫入APP在NFC標(biāo)簽中寫入巡更地點(diǎn)信息，并把NFC標(biāo)簽安裝在相應(yīng)的巡更地點(diǎn)。巡更時(shí)，巡更人員在實(shí)時(shí)巡更APP上選定自己的身份信息，再用NFC智能移動(dòng)終端觸碰巡更地點(diǎn)NFC標(biāo)簽，巡更信息便被采集。通過移動(dòng)通信技術(shù)將巡更信息實(shí)時(shí)上傳至Web后臺(tái)管理系統(tǒng)。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫將巡更信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并與巡更任務(wù)表進(jìn)行信息比對(duì)。管理人員將通過后臺(tái)對(duì)巡更信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 NFC標(biāo)簽

NFC標(biāo)簽有4種基本類型，其格式與容量各不相同。第1類與第2類標(biāo)簽是雙態(tài)的，是可讀可寫標(biāo)簽，也可設(shè)置為只讀。第3類與第4類標(biāo)簽則是只讀標(biāo)簽。

本系統(tǒng)所采用的Topaz標(biāo)簽是第1類標(biāo)簽，它基于ISO 14443A標(biāo)準(zhǔn)。其存儲(chǔ)容量為96B，內(nèi)存可被擴(kuò)充到2KB，通信速率為106Kbit／s。本系統(tǒng)在標(biāo)簽中寫入的地址信息是小量數(shù)據(jù)，因此選用簡(jiǎn)潔、成本低的Topaz標(biāo)簽。在寫入地址信息后，將Topaz標(biāo)簽設(shè)置為只讀。并將Topaz標(biāo)簽安裝在與之對(duì)應(yīng)的巡更地點(diǎn)。NFC Topaz標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 NFC Topaz標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

2.3 NFC智能移動(dòng)終端APP

智能移動(dòng)終端APP包括標(biāo)簽寫入APP和實(shí)時(shí)巡更APP。標(biāo)簽寫入APP則是將巡更地點(diǎn)的信息寫入NFC標(biāo)簽中。它安裝在管理員的NFC智能移動(dòng)終端上，并設(shè)置登錄權(quán)限。APP界面會(huì)根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫任務(wù)表內(nèi)容顯示巡更地點(diǎn)信息列表。選定要寫入的巡更地點(diǎn)信息后，將NFC標(biāo)簽緊貼NFC智能移動(dòng)終端感應(yīng)區(qū)，通過RF場(chǎng)，代表巡更地點(diǎn)信息的 NFC數(shù)據(jù)交換格式 （NFC data exchange format，NDEF）將被寫入NFC標(biāo)簽中。

實(shí)時(shí)巡更APP安裝在巡更人員NFC智能移動(dòng)終端上。巡更人員首先在APP界面上選定自己的身份信息。巡更時(shí)，巡更人員NFC智能移動(dòng)終端觸碰巡更地寫有地點(diǎn)信息的NFC標(biāo)簽，通過NFC技術(shù)，巡更信息將被手機(jī)采集。同時(shí)，已巡更地點(diǎn)也會(huì)顯示在APP界面。巡更人員可以根據(jù)巡更情況發(fā)布巡更地安全或異常信息。通過移動(dòng)通信技術(shù)，巡更信息將被實(shí)時(shí)上傳至Web后臺(tái)。

2.4 Web后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫將實(shí)時(shí)巡更信息與巡更任務(wù)表信息進(jìn)行比對(duì)，便可對(duì)巡更工作進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。同時(shí)，巡更地點(diǎn)安全或異常信息也將被實(shí)時(shí)監(jiān)控，管理人員可據(jù)此做出實(shí)時(shí)有效處理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)的移動(dòng)終端APP將采用Google Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。Web后臺(tái)管理系統(tǒng)采用JSP和Java Servlet開發(fā)，采用MySQL進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)管理。

3.1 讀寫NDEF數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

Android NFC支持標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng) （the tag dispatch system）和前臺(tái)調(diào)度系統(tǒng) （the tag dispatch system）。標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)是當(dāng)Android設(shè)備檢測(cè)到Tag時(shí)，AndroidManifest中定義的Intent filter將選擇合適的Activity來處理Tag，當(dāng)有多個(gè)Activity可以處理Tag時(shí)，會(huì)彈出Activity選擇窗口供用戶選擇。前臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)是允許一個(gè)在前臺(tái)運(yùn)行的Activity具有讀寫Tag的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)Android設(shè)備檢測(cè)到Tag時(shí)，若前臺(tái)Activity可以處理此類型的Tag，則該Activity具有優(yōu)先權(quán)，不會(huì)再彈出Activity選擇窗口［10］。標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)流程

NDEF是NFC論壇 （NFC Forum）定義的NFC數(shù)據(jù)交換格式，用于實(shí)現(xiàn)NFC設(shè)備和NFC標(biāo)簽以及NFC設(shè)備之間的交互通信。NDEF數(shù)據(jù)被封裝在一個(gè)NdefMessage中，NdefMessage包含一條或多條NdefRecord。Android對(duì)不包含NDEF數(shù)據(jù)的標(biāo)簽也提供支持，android.nfc.tech中定義了對(duì)其它標(biāo)簽進(jìn)行操作的類。

當(dāng)Android設(shè)備掃描到包含NDEF數(shù)據(jù)的標(biāo)簽時(shí)，它會(huì)解析NFC標(biāo)簽，明確數(shù)據(jù)的MIME類型或URI標(biāo)識(shí)，把MIME或URI以及數(shù)據(jù)負(fù)載封裝到一個(gè)Intent中。當(dāng)標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)完成對(duì)NFC標(biāo)簽和Intent對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)，會(huì)把該Intent對(duì)象發(fā)送給合適的Activity［10］。以下為讀寫NDEF數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼。

3.2 Android訪問MySQL的實(shí)現(xiàn)

Android遠(yuǎn)程連接MySQL，Android雖然自帶java.sql package，但是各數(shù)據(jù)庫的JDBC Driver是否可用存在爭(zhēng)議，且安全性差。

針對(duì)Android移動(dòng)終端與MySQL數(shù)據(jù)庫通信問題，選擇JSON作為數(shù)據(jù)交互的方法。JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，是基于Java Script的一個(gè)子集。Android訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器前端的Java Script，Java Script完成數(shù)據(jù)庫操作，把結(jié)果經(jīng)過JSON編碼后傳回，Android端再解析出結(jié)果。JSON方法實(shí)現(xiàn)了高效、安全的數(shù)據(jù)庫訪問。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)，通過編程開發(fā)實(shí)現(xiàn)了NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試后，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

標(biāo)簽寫入APP界面會(huì)顯示巡更地點(diǎn)信息列表。將所選地址信息寫入標(biāo)簽后，界面會(huì)顯示標(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)符（Unique Identifier，UID），并提示標(biāo)簽寫入狀態(tài)。用戶可根據(jù)寫入狀態(tài)，判斷標(biāo)簽是否寫入成功。標(biāo)簽錄入APP界面截圖如圖6所示。

圖6 標(biāo)簽錄入APP界面

實(shí)時(shí)巡更APP界面會(huì)顯示巡更人員身份信息列表供選擇，巡更人員身份可進(jìn)行切換。當(dāng)巡更人員觸碰標(biāo)簽完成巡更后，界面會(huì)標(biāo)記出已巡更地點(diǎn)。巡更人員可依據(jù)實(shí)際巡更情況，發(fā)布巡更地點(diǎn)安全或異常信息。實(shí)時(shí)巡更APP界面如圖7所示。

當(dāng)巡更信息上傳匯總至Web后臺(tái)管理系統(tǒng)后，系統(tǒng)界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示出每位巡更人員的巡更工作狀態(tài)。方便管理人員對(duì)巡更工作進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。Web后臺(tái)管理系統(tǒng)界面如圖8所示。

5 結(jié)束語

基于NFC技術(shù)的巡更巡檢管理系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)巡更系統(tǒng)中布線復(fù)雜、施工困難、監(jiān)管不完善、信息不及時(shí)等問題，利用NFC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巡更信息的移動(dòng)式采集；通過移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巡更信息實(shí)時(shí)上傳。該系統(tǒng)完成了電子巡更技術(shù)便捷性與實(shí)時(shí)性的統(tǒng)一，提高了巡更工作效率，真正實(shí)現(xiàn)了電子巡更智能化，具有廣泛的應(yīng)用前景。作者后續(xù)工作將致力于將Web后臺(tái)管理系統(tǒng)遷移到GIS平臺(tái)、智能終端增加實(shí)時(shí)定位模塊，建立更加完善的巡更巡檢管理系統(tǒng)。

圖7 實(shí)時(shí)巡更APP界面

圖8 Web后臺(tái)管理系統(tǒng)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.