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基于NFC技能的门禁系统设计

发布时间:2018-11-20 01:06:06 文章来源:未来智讯    
    基于NFC技能的门禁系统设计作者: 田斌 张小娟 周倩倩 吴炬锋 朱志亮   【摘要】本文在对现有的智能门禁抑制系统进行全面分析的基础上,本着平安性、先进性、时效性、便捷性的要求,提出了一种基于NFC技能的门禁系统。通过自主开发软件实现对NFC芯片启动并发送相关指令给抑制单片机,从而匹配抑制步进电机的转动实现门禁系统设计。
  【关键词】智能门禁;NFC;安卓系统;单片机;步进电机
  1.前言
  传统机械锁存在防技能开启能力较低,平安系统低,钥匙容易丢失甚至被复制等问题。随着科技的不时发展和人们平安防范意识的提高,传统的机械门锁已经不能满足人们对于家居生活的平安要求了。为满足人们对门禁的平安需求,智能门禁[12]正在快速兴起。智能门禁系统超越过去单纯的门道及钥匙管理,发展成为一套完整的出入管理系统。目前,智能门禁系统可分为密码识别、卡片识别和生物识别三大类。密码识别是通过检验输入密码是否准确来识别进出权限,操作方便,成本低,然而平安性不高,无进出记录。相比密码识别,卡片识别由于成本低,平安性较高等优点在各行各业得到了广泛的应用。卡片分为磁卡和射频卡,磁卡选取磁带磁化录入信息,在没有设备的条件下不易被复制,因而有较强的数据平安性,然而卡片信息易因外界磁场丢失,设备易磨损,寿命较短。射频卡[4]最大特点是非接触,所以没有磨损,操作方便,但易受电磁波影响。生物识别是通过检验人员生物特征,如:指纹、掌形、掌纹、视网膜血管图形等方式来识别进出,平安性极好,然而它的价格相当昂贵,识别率不高,对环境要求高,在门禁系统方面的应用相当有限。
  归纳各种智能门禁系统的优缺点,本文提出一种基于NFC技能的高平安门禁系统。其中包括后台管理系统、门禁抑制器、门禁读卡器和门禁卡,后台管理系统包括计算机和SM1加密模块;SM1加密模块通过SATADevice接口与计算机主机接口连接,通过SATAHost接口与硬盘接口连接[9];门禁抑制器包括SM1加密模块,后台管理系统计算机通过网络设备与门禁抑制器通讯连接;门禁读卡器和门禁卡之间通过无线电非接触连接;系统选取高强度平安芯片的CPU智能卡技能进行身份辨别和数据加密通讯,选取NFC技能,使系统具有极强的兼容性和高平安性,有效防止传输环节泄密,实现非接触卡门禁到SM2卡的平滑升级。
  2.NFC技能的简述
  NFC即近距离无线通信技能[5],是一种短距离的高频无线通讯技能。该技能由飞利浦公司和索尼公司共同开发,能够在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通讯。NFC提供了一种大略、触控式的解决方案,能够让消费者大略直观地交换信息、访问内容与服务。NFC通讯技能采取了独特的信号衰减技能,具有距离近、带宽高、能耗低、方便易用和更富直观性等特点。此外, NFC通过一个芯片、一根天线和一些软件的组合,费用仅为2~3欧元,成本低廉。NFC还完全适合管理非接触式智能卡的ISO标准,这是其成为理想平台的一大显著特点,这种移动门禁抑制技能提高了原有门禁抑制系统的实用性和便利性。
  NFC事务模式:
  (1)主动模式
  在主动模式下,每台NFC设备需要向其他NFC设备发送数据信息时,都要产生自己的射频场。如图2.1.1所示,为了利于通讯,指标设备和倡议设备都会产生自己的射频场。在主动模式下通讯双方能够迅速的连接[1],这便是点对点的标准模式。
  图2.1.1 主动模式
  (2)被动模式
  在被动模式下,作为NFC倡议设备(也称主设备,主动启动NFC通讯的设备)的一方在整个通讯过程中提供射频场。
  图2.1.2 被动模式
  如图2.1.2所示,NFC倡议设备选择传输速度,将数据发送到指标设备上。指标设备不必产生自己的射频场,而是利用感应电动势来提供事务所需的电源,通过负载调制(Load Modulation)技能进行数据收发。移动终端主要以被动模式为主,大幅度降低功耗,延长电池使用时间。而在一个NFC通讯过程中,NFC设备能够在倡议设备和指标设备两者之间相互转换。这样电池电量较低的设备能够改变角色以节省电量。
  3.NFC在智能门禁应用上的优势
  3.1 与密码识别、卡片识别等智能门禁系统的相比的优势
  与密码识别、卡片识别等智能门禁系统相比,NFC门禁系统平安性更高,能将许多门禁应用整合成单一的、相当便利的模式,主要表现为以下几点:
  第一,在一般智能门禁中,绝大多数选取RS-232和RS-485的硬件接口标准,使各种读卡器以及监控设备相互连接起来。如果出现事先并未配备所需线路的设备,就只可在建筑物上打洞完成安装,而NFC门禁系统就能够避免这种现象的发生。
  第二,该方式为集成应用到门禁系统解决方案的用户带来巨大优势。除了提供集中式管理外,集成多种应用的门禁系统为用户提供便利,如无需携带多种卡即可完成开门、登录计算机、使用考勤和平安打印管理系统、支付餐费或交通费、执行非现金交易等应用。
  第三,方便用户投入其他新应用。目前包括指纹、虹膜或手掌几何特征、静脉纹等生物识别模板等都能平安地存储到卡上,作为身份验证的附加条件,并实现其他应用包括用于楼宇自动化和病历管理的门禁功能。
  3.2 与蓝牙等移动智能门禁系统相比的优势
  (1)平安性高
  NFC短距离通讯特征成就了其通信的平安性[2],主要表如今双方的连接和身份验证。NFC拥有平安的连接,它的无线加密连接只需要一个公钥,在带内通道的不可见、以及建立连接之后对密钥的对称加密,都加大了基于NFC 的无线连接的平安性;NFC设备身份验证,不是假装的被动/主动中间人生成的验证设备,而是确保连接密钥以预期的验证设备,只需将双方设备靠拢即可触发相关软件和用户界面。
  (2)连接建立的快速性   通过表1我们能够很直观的看到三者的区别。NFC的短距离通讯特性[6]恰是其优点,由于耗电量低、一次只和一台机器连接,拥有较高的保密性与平安性,NFC有利于避免信用卡交易时被盗用。
  (3)耗能低。NFC的耗电量远远小于蓝牙和红外装置,把NFC模块装载在智能手机里,不需要手机供电一样能够使用。
  (4)制造成本低。NFC技能已经解决了,只需要把一块NFC功能模块搭载到移动终端就能够使用,制造成本低。
  4.NFC门禁系统的技能要点
  本设计主要通过编写安卓软件来抑制NFC芯片进行数据的传输[8],与门禁系统上的单片机进行匹配,并抑制步进电机最后实现手机开门的功能。NFC技能与门禁系统的整合,最关键的是硬件和软件两方面。硬件方面,通过升级门禁系统的识别前端(即读卡器),在门禁的读头/锁头有NFC芯片,当它感应到NFC 手机的时候,NFC芯片会释放一个口令到门禁系统前端读卡器,随之抑制步进电机,实现门锁的打开或关闭。
  图4.1 NFC门禁硬件设计
  软件方面,安卓软件用于抑制移动电话NFC芯片,完成和门上单片机系统的数据通讯,并发送开门密码,最后实现对门禁权限空中授权、手机拨号开门、预约访问、门禁信息查询、手机布防撤防等功能。
  图4.2 基于NFC技能的门禁手机客户端
  4.1 安卓系统软件的开发
  安卓软件[3]用于抑制移动电话NFC芯片,以实现和门上单片机系统的数据通讯,并发送开门密码;还应该有前台输入密码的界面和保存房卡密码的功能。图4.1.1为安卓系统中的NFC框架。
  图4.1.1 安卓系统中的NFC框架
  从图4.1中我们能够看出NFC在软件实现上,能够分为4个层次,数据恰是通过一层层的传递,在主机和芯片之间建立了联系,从而使整个NFC功能得到实现。图4.1.2为应用程序启动流程图。
  图4.1.2 应用程序启动流程图
  在手机设置中勾选NFC选项后,程序会初始化一个Nfcservice的对象并在后台中运行。调用Nfcservice中的enable()函数来对NFC做初始化操作。
  初始化操作分以下几个步骤:
  (l)初始化一个NativeN允Manager对象,调用对象initialize Nativestrueture()函数完成对本地芯片的初始化事务。注册IZC回调函数,初始化IZC结构体,打开NFC设备文件,创建一个读线程不时循环等待IRQ停止。等有数据到来,停止返回并向上层传递数据。
  (2)初始化NdePushClient对象,用于将本地的NDEF信息通过LLCP连接发送到服务器,注册并接收一个reeeiver。初始化NdePushserver对象,通过LLCP连接接收NDEF信息。
  (3)调用maybeEnableDi搜索引擎优化ver()函数起初轮询操作,主要是调用NdePushserver对象的start()函数开启本地的服务端用来接收NDEF消息。不时循环创建LLCP连接,等待发送方发送消息。
  4.2 单片机/NFC系统的开发
  门上单片机系统[11]用于抑制门上的NFC芯片,实现与移动电话的通讯,并校验手机安卓系统发来的密码,决定是否开门。我们选取的是SMC532模组,是一个集成了MCU+NFC的模组,选取NXP的PN532作为NFC底层通讯链路,只需要大略的串口指令就能实现NFC 读写卡\卡模拟\点对点(P2P)通讯等功能。单片机的编程,主要是为了实现单片机读取NFC所传输的数据的功能,并进行数据匹配,实现单片机读取NFC输入的数据对步进电机的抑制,如果匹配成功,步进电机转一圈即成功;如果匹配不成功,则自动关闭系统。
  4.3 步进电机的应用
  步进电机[7][10]需要响应单片机的指令,实现开门的动作。步进电机选择28BYJ-48四相步进电机,并用uln2803外设电路驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。当对步进电机施加一系列连续不时的抑制脉冲时,它能够连续不时地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次,也就对应转子转过一定的角度(一个步距角)。当通电状态的改变完成一个循环时,转子转过一个齿距。四相步进电机能够在不同的通电方式下运行,常见的通电方式有单(单相绕组通电)四拍(A-B-C-D-A…)、双(双相绕组通电)四拍(AB-BC-CD-DA-AB-…)、八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…),由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口。
  5.归纳
  随着NFC技能的发展,NFC在日常生活中的应用也越来越多。然而在未来几年中,支持NFC的智能手机很难完全取代智能卡。NFC智能手机中的移动门禁虚拟凭证卡将与智能卡和身份卡共存,以便企业能选择,在其门禁抑制系统中,是使用智能卡、移动设备还是二者同时使用。但是随着NFC技能应用范围的不时扩大,NFC技能的潜力将得到更充分的发挥。基于NFC技能的手机一卡通已起初崭露头角,选取NFC手机实现开门、停车、移动支付等方式已经成为一种时尚,NFC技能对移动门禁的影响将日益扩大。
  参考文献
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