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、移動通信 （GPRS／CDMA／3G／4G）、計算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫和移動終端等技術(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智能移動終端APP和Web后臺管理系統(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，智能移動終端APP基于市場占有率最高的Android系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，Web后臺管理系統(tǒng)采用JavaEE平臺進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲采用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)，具備巡檢計劃、任務(wù)分派、巡檢記錄、軌跡回放、查詢統(tǒng)計等功能，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時監(jiān)控信息，大大提升對巡更巡檢人員的監(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)集成了計劃管理、任務(wù)分派、實時巡更、實時上傳、實時定位、軌跡回放、查詢統(tǒng)計等多種功能。智能移動終端APP采用Google Android平臺開發(fā)，融合目前GPRS、CDMA、3G和4G等移動通信技術(shù)，使用MySQL進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)庫管理。NFC智能移動終端APP可以讀取寫有巡更地點信息的NFC標(biāo)簽，實現(xiàn)信息的非接觸式移動采集功能［1］。巡更信息通過移動通信技術(shù)實時上傳，Web后臺管理系統(tǒng)可對巡更信息進(jìn)行實時管理。

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 別 （radio frequency identification，RFID）技術(shù)［2］。NFC技術(shù)允許兩臺設(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，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智能移動終端APP、NFC標(biāo)簽及Web后臺管理系統(tǒng)3個部分組成。智能移動終端APP程序包括標(biāo)簽寫入和實時巡更兩個APP。標(biāo)簽寫入APP利用NFC技術(shù)，通過智能移動終端將巡更地點信息寫入NFC標(biāo)簽中。實時巡更APP則是選定巡更人員身份信息，采集巡更地點NFC標(biāo)簽的巡更信息并實時上傳。Web后臺管理系統(tǒng)則是對巡更信息進(jìn)行實時管理。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)特點

NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)特點如下：

圖2 NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

（1）在巡更地點安裝寫有地點信息的NFC標(biāo)簽，無需布線，安裝簡便。利用NFC技術(shù)通過智能移動終端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等移動通信技術(shù)，可將采集的巡更信息實時上傳至Web后臺管理系統(tǒng)。這保證了NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)的實時性［7，8］；

（3）智能移動終端APP采用Google Android平臺進(jìn)行開發(fā)，該平臺開放性顯著。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［9］。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

首先，系統(tǒng)根據(jù)巡更計劃自動生成巡更任務(wù)表，任務(wù)表包括巡更人員信息、巡更班次、巡更地點等。該巡更任務(wù)表存儲至數(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)簽中寫入巡更地點信息，并把NFC標(biāo)簽安裝在相應(yīng)的巡更地點。巡更時，巡更人員在實時巡更APP上選定自己的身份信息，再用NFC智能移動終端觸碰巡更地點NFC標(biāo)簽，巡更信息便被采集。通過移動通信技術(shù)將巡更信息實時上傳至Web后臺管理系統(tǒng)。后臺數(shù)據(jù)庫將巡更信息進(jìn)行存儲，并與巡更任務(wù)表進(jìn)行信息比對。管理人員將通過后臺對巡更信息進(jìn)行實時監(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)簽安裝在與之對應(yīng)的巡更地點。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智能移動終端APP

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

實時巡更APP安裝在巡更人員NFC智能移動終端上。巡更人員首先在APP界面上選定自己的身份信息。巡更時，巡更人員NFC智能移動終端觸碰巡更地寫有地點信息的NFC標(biāo)簽，通過NFC技術(shù)，巡更信息將被手機(jī)采集。同時，已巡更地點也會顯示在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。通過移動通信技術(shù)，巡更信息將被實時上傳至Web后臺。

2.4 Web后臺管理系統(tǒng)

后臺數(shù)據(jù)庫將實時巡更信息與巡更任務(wù)表信息進(jìn)行比對，便可對巡更工作進(jìn)行實時管理。同時，巡更地點安全或異常信息也將被實時監(jiān)控，管理人員可據(jù)此做出實時有效處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

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

3.1 讀寫NDEF數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

Android NFC支持標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng) （the tag dispatch system）和前臺調(diào)度系統(tǒng) （the tag dispatch system）。標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)是當(dāng)Android設(shè)備檢測到Tag時，AndroidManifest中定義的Intent filter將選擇合適的Activity來處理Tag，當(dāng)有多個Activity可以處理Tag時，會彈出Activity選擇窗口供用戶選擇。前臺調(diào)度系統(tǒng)是允許一個在前臺運行的Activity具有讀寫Tag的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)Android設(shè)備檢測到Tag時，若前臺Activity可以處理此類型的Tag，則該Activity具有優(yōu)先權(quán)，不會再彈出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NdefMessage中，NdefMessage包含一條或多條NdefRecord。Android對不包含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，它會解析NFC標(biāo)簽，明確數(shù)據(jù)的MIME類型或URI標(biāo)識，把MIME或URI以及數(shù)據(jù)負(fù)載封裝到一個Intent中。當(dāng)標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)完成對NFC標(biāo)簽和Intent對象的創(chuàng)建時，會把該Intent對象發(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是否可用存在爭議，且安全性差。

針對Android移動終端與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是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，是基于Java Script的一個子集。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方法實現(xiàn)了高效、安全的數(shù)據(jù)庫訪問。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)具體設(shè)計，通過編程開發(fā)實現(xiàn)了NFC巡更巡檢管理系統(tǒng)。經(jīng)測試后，驗證了該系統(tǒng)的可行性。

標(biāo)簽寫入APP界面會顯示巡更地點信息列表。將所選地址信息寫入標(biāo)簽后，界面會顯示標(biāo)簽唯一標(biāo)識符（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

實時巡更APP界面會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，界面會標(biāo)記出已巡更地點。巡更人員可依據(jù)實際巡更情況，發(fā)布巡更地點安全或異常信息。實時巡更APP界面如圖7所示。

當(dāng)巡更信息上傳匯總至Web后臺管理系統(tǒng)后，系統(tǒng)界面會實時顯示出每位巡更人員的巡更工作狀態(tài)。方便管理人員對巡更工作進(jìn)行實時管理。Web后臺管理系統(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、信息不及時等問題，利用NFC技術(shù)，實現(xiàn)了巡更信息的移動式采集；通過移動通信技術(shù)，實現(xiàn)了巡更信息實時上傳。該系統(tǒng)完成了電子巡更技術(shù)便捷性與實時性的統(tǒng)一，提高了巡更工作效率，真正實現(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后臺管理系統(tǒng)遷移到GIS平臺、智能終端增加實時定位模塊，建立更加完善的巡更巡檢管理系統(tǒng)。

圖7 實時巡更APP界面

圖8 Web后臺管理系統(tǒng)界面

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