段學(xué)松，劉童瑤，繆程澳，曲中水

（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

1 概述

近場(chǎng)通信（Near Field Communication，NFC）作為一種由RFID 技術(shù)演變而來(lái)新興的技術(shù)，可以在彼此靠近的情況下低功耗進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。利用NFC 配合藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的非實(shí)時(shí)非在線(xiàn)維護(hù)是一種新的數(shù)據(jù)維護(hù)方式，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 傳統(tǒng)的電子設(shè)備數(shù)據(jù)維護(hù)方法概述

2.1 空中下載技術(shù)

空中下載技術(shù)（Over The Air Technology，OTA）是一種無(wú)線(xiàn)升級(jí)技術(shù)，常用于Android 手機(jī)等嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)升級(jí)上。首先通過(guò)運(yùn)營(yíng)商提供的數(shù)據(jù)流量或者Wifi等方式把系統(tǒng)升級(jí)包下載至本地手機(jī)，然后通過(guò)解壓縮系統(tǒng)升級(jí)包到特定目錄來(lái)修復(fù)設(shè)備或者更新系統(tǒng)。

2.2 ISP 在系統(tǒng)編程技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備都支持ISP（In System Programing）在系統(tǒng)編程技術(shù)。ISP 技術(shù)能夠做到無(wú)需取下電路板上的器件的情況下對(duì)器件編程。ISP 技術(shù)一般由上位機(jī)以有線(xiàn)的方式對(duì)下位機(jī)的器件進(jìn)行編程，因此需要在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候預(yù)留相關(guān)的接口。ISP 技術(shù)無(wú)論是在各種單片機(jī)還是在FPGA 上都有比較廣泛地應(yīng)用。

3 NFC P2P 傳輸協(xié)議分析

NFC 用于P2P 數(shù)據(jù)交換時(shí)，采用的是簡(jiǎn)單NDEF 交換協(xié)議（simple NDEF exchange protocol，SNEP）[1]。兩個(gè)NFC 設(shè)備進(jìn)行通信前，要把數(shù)據(jù)封裝為NDEF 格式[1]，才能通過(guò)SNEP 協(xié)議進(jìn)行通信。

4 基于NFC 的電子設(shè)備非實(shí)時(shí)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分組成。

4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的主控板采用ARM 公司的STM32 開(kāi)發(fā)板，但是考慮到不同的電子設(shè)備的功耗要求以及數(shù)據(jù)修改量，硬件系統(tǒng)分為兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.1.1 針對(duì)功耗要求苛刻、少量數(shù)據(jù)修改的電子設(shè)備的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案（方案一）

電子設(shè)備對(duì)功耗要求比較苛刻，而對(duì)數(shù)據(jù)僅有少量的修改的情況比較常見(jiàn)，對(duì)于這種情況，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)當(dāng)選擇傳輸功耗較低，數(shù)據(jù)傳輸速度也很低的NFC 模塊PN532 作為數(shù)據(jù)傳輸控制的硬件設(shè)備。硬件系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)維護(hù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)維護(hù)的功能。由于對(duì)傳輸?shù)乃俾室筝^低，因此用單片機(jī)的片內(nèi)RAM 即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，無(wú)需采用多余的存儲(chǔ)模塊，降低了成本。

4.1.2 針對(duì)功耗要求不高、大量數(shù)據(jù)修改的電子設(shè)備的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案（方案二）

當(dāng)電子設(shè)備對(duì)功耗要求不是十分嚴(yán)格時(shí)，為了提高傳輸效率，達(dá)到功耗與數(shù)據(jù)傳輸速率的平衡，采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)把藍(lán)牙的配置信息以及配對(duì)PIN寫(xiě)入NFC 標(biāo)簽的方式加速藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)NFC 技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)融合[2]。藍(lán)牙模塊采用HC05[5]藍(lán)牙模塊。硬件系統(tǒng)同樣通過(guò)數(shù)據(jù)維護(hù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行修改。當(dāng)需要大量的數(shù)據(jù)修改時(shí)，需要用存儲(chǔ)設(shè)備作為緩沖區(qū)來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)。考慮到價(jià)格以及可拓展性等因素，采用SD 卡作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，上位機(jī)通過(guò)掃描帶有藍(lán)牙配對(duì)信息的NFC 標(biāo)簽并獲得藍(lán)牙HC05 模塊的配置信息以及配對(duì)的PIN 后，直接連接到HC05 模塊，與上位機(jī)通信收到的數(shù)據(jù)都會(huì)先被臨時(shí)存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)維護(hù)接口寫(xiě)入要維護(hù)的電子設(shè)備中。

圖1 MMHF 的協(xié)議規(guī)范

圖2 Android 讀取NFC 標(biāo)簽和NFCP2P 通信的樣例代碼

4.2 硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的通信協(xié)議

4.2.1 NFC 傳輸協(xié)議定義

上位機(jī)主要通過(guò)NFC 實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。考慮到NFC 傳輸速度較慢，同時(shí)為了方便發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包，可以把NDEF 協(xié)議再一次封裝為MMHF（Memory Maintenance Hex File）協(xié)議。該協(xié)議是適用于本系統(tǒng)手機(jī)到下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?zhuān)用協(xié)議。下位機(jī)可根據(jù)本協(xié)議的修改記錄對(duì)EEPROM 修改指定地址的數(shù)據(jù)。MMHF 的協(xié)議規(guī)范如圖1 所示。

MMHF 的協(xié)議字段具體含義如下：

Header （4Byte）：大小為4 字節(jié)的固定字符串“MMHF”，是識(shí)別傳輸協(xié)議的頭部。

Type（6Byte）：大小為6Byte 用來(lái)記錄的是下位機(jī)存儲(chǔ)芯片的型號(hào)的字符串。

Check（16Byte）：大小為16Byte 的字符串，是一個(gè)校驗(yàn)碼，用于確保和驗(yàn)證該數(shù)據(jù)是維護(hù)人員發(fā)出的，增加了一定安全性，該值由開(kāi)發(fā)人員自主設(shè)定，如果下位機(jī)校驗(yàn)Check 字段不是設(shè)定的值，會(huì)把發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)丟棄。

BodyCnt（1Byte）：BodyCnt 是一個(gè)大小為1Byte 數(shù)，記錄了需要傳輸?shù)拇螖?shù)。

Body（大小不固定）：多條修改記錄的集合，其大小不固定。

AllRecordSize（1Byte）：大小為1Byte 的數(shù)，記錄所在的Body 中修改記錄的總字節(jié)大小。由于下位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小有限，因此單次傳輸一個(gè)Body 中的所有修改記錄的總大小不能超過(guò)115B。Android 解析本文件的時(shí)候會(huì)檢查記錄的總大小，如果超過(guò)115B 會(huì)報(bào)錯(cuò)。

RecordCnt（1Byte）：大小為8bit 的數(shù)，記錄的是本文件中修改記錄的數(shù)量。

Record（大小不固定）：一條EEPROM 的修改記錄，包含地址和數(shù)據(jù)。

4.2.2 藍(lán)牙傳輸協(xié)議定義

上位機(jī)主要通過(guò)藍(lán)牙來(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，為了方便接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，可以在藍(lán)牙SSP 協(xié)議的基礎(chǔ)上，繼續(xù)封裝協(xié)議，命名為SSP+協(xié)議。協(xié)議分為6 段。其中，START1 段為一個(gè)字節(jié)大小的固定16 進(jìn)制數(shù)：0x0A，START2 段為一個(gè)字節(jié)大小的固定16 進(jìn)制數(shù)0xFA，這兩個(gè)字節(jié)作為數(shù)據(jù)包的包頭，用來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)包是基于SSP+協(xié)議的。

圖3 通過(guò)MAC 地址直接連接已經(jīng)配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備樣例程序代碼

Count 段大小是一個(gè)兩個(gè)字節(jié)，表示要接收的字節(jié)流的長(zhǎng)度。Data[]段大小為Count 字節(jié)，表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)數(shù)據(jù)。END1 段是一個(gè)字節(jié)大小的固定16 進(jìn)制數(shù)0x00，END2 段是一個(gè)字節(jié)大小的固定16 進(jìn)制數(shù)0x0B，這兩個(gè)字節(jié)作為數(shù)據(jù)包的包尾，用來(lái)作為識(shí)別數(shù)據(jù)包結(jié)束。

4.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Android[6]是一套真正意義上的開(kāi)發(fā)性的移動(dòng)設(shè)備綜合平臺(tái)，它包括操作系統(tǒng)、中間件和一些關(guān)鍵的平臺(tái)應(yīng)用。安卓系統(tǒng)具有開(kāi)放性、豐富的硬件、大量的開(kāi)發(fā)商等特點(diǎn)。安卓系統(tǒng)是開(kāi)放免費(fèi)的，并且Android 手機(jī)本身普遍具有NFC 和藍(lán)牙兩種功能，因此上位機(jī)采用Android系統(tǒng)的智能手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)比較合適。

4.3.1 Android 下NFC 通信[3]的實(shí)現(xiàn)

Android 中用NdefMessage 和NdefRecord 兩個(gè)類(lèi)來(lái)表示NFC 標(biāo)簽中的信息。NFC 標(biāo)簽的識(shí)別實(shí)時(shí)過(guò)程是由硬件實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件發(fā)現(xiàn)有NFC 標(biāo)簽的時(shí)候，會(huì)對(duì)已經(jīng)注冊(cè)NFC 權(quán)限[3]的Activity 產(chǎn)生一個(gè)onNewIntent（）的調(diào)用。在Android 系統(tǒng)中用SNEP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩個(gè)NFC 設(shè)備的通信，要用到兩個(gè)API 接口，分別是當(dāng)與支持NFCP2P的設(shè)備接觸時(shí)，發(fā)送含有多個(gè)NFC 標(biāo)簽的消息到設(shè)備的setNdefPushMessage（）和產(chǎn)生一個(gè)消息發(fā)送成功回調(diào)的setNdefPushMessageCallback（）。Android 利用NFC 通信的代碼如圖2 所示。

4.3.2 Android 下藍(lán)牙通信[4]的實(shí)現(xiàn)

Android 同樣也采用適配器管理類(lèi)來(lái)操作藍(lán)牙設(shè)備。獲取藍(lán)牙適配器，同樣僅需一行語(yǔ)句：BluetoothAdaptermBluet oothAdapter=BluetoothAdapter.getDefaultAdapter（this）。得到適配器之后通過(guò)BluetoothDevice 類(lèi)來(lái)獲得藍(lán)牙設(shè)備。藍(lán)牙通信與NFC 不同的是，藍(lán)牙通信需要建立連接，因此藍(lán)牙有專(zhuān)用的BluetoothSocket 類(lèi)。代碼如圖3 所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于NFC 無(wú)線(xiàn)通信的電子設(shè)備非實(shí)時(shí)維護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種具有實(shí)用價(jià)值的創(chuàng)新性的系統(tǒng)維護(hù)方式，利用現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備的便利性、普及性，對(duì)于非聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)給出了一種新的解決方案，不僅節(jié)省了設(shè)備異地維護(hù)過(guò)程的人力物力，也提高了解決問(wèn)題的效率。