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基于NFC技术的设备点检手机终端研究

来源:一卡通世界      作者:刘鹏 郭波 李敏      2014-10-13 16:20:46

  摘要:为进一步优化点检系统终端,研究了一种基于NFC技术的手机点检终端。该终端是采用NFC通信技术,结合低功耗、易优化的PN544芯片,在Android平台上设计、搭建而成。其优越性体现在不仅能够对设备识别、查询,并具有任务短信通知、超时短信提醒等功能,从而实现对点检工作的自动化智能跟踪管理。

  机电设备点检制是指按照预设时间和规定方法对设备进行检查和维护。以掌握设备技术状况来改善设备工作性能的方法。随着煤矿自动化和数字化程度的提高,点检已经逐步成为煤矿设备维护的主要方式。点检系统中,传统的终端没有针对性,无法很好地满足点检工作责任到人,任务跟踪管理的要求。而基于NFC技术的手机终端。可以根据检修任务的时间节点及时通知点检员。有利于点检员合理安排检修时间,从而提高工作效率。

  1 NFC协议通信方式

  通信一般发生在2台NFC设备或1台NFC设备与NFC芯片之间。最先发起连接请求的设备叫做发起设备,而被连接的设备叫做目标设备。根据设备间通信磁场或者说感应电动势产生的方式不同,NFC通信模式分为主动模式和被动模式两种。在主动模式下.每台设备发送数据时,都要产生自己的射频场,发起设备开始进行通信后,目标设备由自身供电来处理数字信号并产生发送射频场:而在被动模式下,目标设备不必自己产生射频场,而是依靠发起设备射频场的感应电动势进行供电通信,发起设备的射频场在发送数据结束后不能立即结束,而是需要一直维持对目标设备的持续供电。文章研究的手机终端上安装的NFC标签采用了此模式。

  NFC设备具有三种操作模式:

  1) 读/写:在这种模式下,开启NFC功能的手机可以读写任何支持的标签.读取其中的NFC标准格式的数据,文章研究采用此操作模式。

  2) 点对点:这种模式符合ISO/IEC 18092标准,如wi—Fi或蓝牙可以通过分享参数来启动,然后2个NFC设备进行数据交换。

  3) 模拟卡片:支持NFC的手机在与标签交互时扮演读取器的角色。这种模式手机也可做为标签或被读取的无线卡片。

  2 NFC PN544近场通信控制器

  PN544是NXP的第二代NFC控制器,专门被用于手机集成领域的全功能NFC芯片_1]。其主要优势包括:物理面积小,易于实现尺寸设计优化:低功耗优化;可选断电和低电压工作模式;主机基带支持MIFARE 1 K/4K读写功能:可选模块化通用软件堆栈,不受平台限制;优化天线设计,实现最佳射频性能。

  NXP针对低电平处理器和智能手机进行了性能优化,其结构上包括HT80C51MX主控制器、主数据接口单元、非接触式接口单元、UICC接口单元、时钟管理单元和电源管理单元。

  3 设备点检系统设计与实现

  该系统在Android系统下实现点检跟踪功能,Google在4.0之后对NFC的支持进行了更新,增加了一些接口。该系统的开发基于Android 4.0。Android系统的NFC功能实现采用的是封装套用的分层架构模型,第一层是应用层,包括用户应用程序和系统设置:第二层是管理层,为应用程序提供调用接口;第三层是服务层,该层在实现系统级NFC服务以及NFC本地接口的基础上.向管理层提供服务,管理层可以通过Binder机制与其进行通信:第四层是NFC硬件抽象层.该层的主要作用是实现对NFC硬件的控制操作。

  系统设计共分为六个模块:身份验证模块、设备识别模块、远程数据库通信模块、机电状态录入模块、任务跟踪模块、标签读取子模块。架构设计如图1所示。

设备点检手机终端结构

图1 设备点检手机终端结构

  现对每个模块的功能设计进行分析。

  1) 身份验证模块的功能是实现对当前点检人员的身份识别,因该系统以实现点检任务跟踪为目标,所以设备与人员都建立档案并分配唯一识别ID,此模块在实现方法上调用NFC识别子模块获取身份卡信息通过密码进行验证。

  2) 设备识别模块功能在于对系统内的设备进行非接触式智能识别,识别后与远程数据库通信模块传递信息,从服务器上获取设备列表并进行信息验证,验证后获取设备ID并调取数据库保存的该设备点检报告单空表显示在终端。

  3) 远程数据库通信模块负责对点检数据的上传与下载。对于Android平台不支持直接与SQLServer的接VI调用问题,在Android平台下,连接电脑服务器的Oracle和Microso~SQLServer等数据库系统,主要两种方法:在Android工程中引入JDBC驱动,直接连接;在服务器上运行数据中转服务器端与TCP协议或H1TrP协议协作,再将数据用JSON或者XML进行封装,然后再发封装好的数据返回给Android平台。但是,采用JDBC方法的主要问题是安全性不高。而且一旦要访问的数据量过多,容易造成内存溢出的问题。外,Android系统本身有对JSON或者XML 直接解析的API,所以采用第二种方法将数据库内容中转传输,实用性与安全性都得到了提高。

  4) 机电状态录入模块的功能是对录人数据的校验、反馈和同步。在点检人员对设备检查和仪表读数,将设备工作参数和状态录入后,系统会根据已经建立的各类设备点检标准表,对数据格式的完整性进行本地验证,若不存在语义错误,系统自动将结果同步至数据库:若存在错误,将会反馈提示重新录入。

  5) 任务跟踪模块调用SQLServer数据库中的存储过程,实现整个系统内设备点检计划到当日任务的计算。得到任务表之后该模块进行周期性的点检记录对比,当点检任务在计划时间段发生判定为已完成时,若系统内时间超过某任务截止时间且该任务状态仍是未完成则判定任务超时,此时系统进行两项工作:将该次超时信息上传至服务器中,调用短信收发模块进行负责人警告通知:在系统右下角弹出红色警示窗口,显示超时详细信息。

  6) 标签读取子模块是整个系统运行的最底层模块,它提供NFC标签信息的读取。在读取之前。该模块需要确定用户读取标签卡的芯片类型。确定芯片后自动获取 NFC标签内的信息码,通过编程实现该模块对数据存储形式的智能分析。根据该系统需求,一般设备与人员身份ID以字符串形式存储,当读取字符串与数据库中的记录集匹配后调用相应Activety进行对应操作。当手机终端启用NFC检测到TAG后,分发系统会形成包含NFC TAG信息的Intent进行自动发送。在终端接受并读取后,同时出现多个应用程序都可以处理此Intent,系统将给出对话框供用户选择。TAG分发系统定义了3个Intent,其优先级从高到低排序为:NDEF-DISCOVERED,TECH-DISCOVERED,TAG-DISCOVERED。当Android设备检测到NFC TAG靠近时,将会根据Action申明的顺序给应对的Activity发送含NFC消息的Intent。文章使用的Intent-filter的 Action的类型为TECH-DISCOVERED,从而可以处理所有类型为ACTION-TECH-DISCOVERED的Intent。图2给出了 Android NFC的消息处理机制过程。

NFC消息处理机制

图2 Android NFC消息处理机制

  文章使用MifareClassics类实现判断NFC卡TAG类型并读取芯片任意扇区数据块的核心代码:

代码

  文章依照以上设计思路进行编码实现手机终端的点检功能,对设备、人员的获取采用ISO 14443A协议智能标签近场识别方式,大道预期效果,界面如图3所示。

设备点检手机终端界面

图3 设备点检手机终端界面

  4 结语

  文章对NFC技术的应用进行研究,总结了NFC硬件和软件开发的整体思路,在此基础上,对基于NFC技术的设备点检手机终端进行了研究实验,通过 NFC标签的读取和查询,实现了对定检人员身份的验证和待检设备的智能识别,并通过信息提醒实现点检任务跟踪管理。在目前物联网技术迅速推广的背景下,NFC技术迅猛发展城市,改文章的研究和试探能够为国内相关领域的发展提供参考。

  作者简介:刘鹏,男,山西长治人,硕士,助理工程师,从事机电技术工作。

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