基于NFC的智能手環查詢終端設計與實現

李瑩 姚富光 周川 劉丹丹 張龍

摘 要：針對傳統藍牙設備識別配對繁瑣的缺點，本文利用STM32F103微控制器，結合NFC、藍牙等無線短距離通信，設計了基于NFC智能手環查詢終端，實現智能手環與查詢終端之間的識別配對、數據傳輸、液晶屏顯示、數據存放和數據上傳等功能。

關鍵詞：智能手環；STM32F103； FSMC； NFC

Design and implementation of Intelligent bracelet query Terminal based on NFC

Li Ying， Yao FuGuang， Zhou Chuan ， Liu DanDan， Zhang Long

（Chongqing Of Education University， 400065）

Abstract： Aiming at the shortcoming of traditional Bluetooth device recognition pairing， this paper uses STM32F103 microcontroller， combined with wireless short distance communication such as NFC and Bluetooth， to design an NFC intelligent bracelet query terminal to realize the recognition pairing between intelligent bracelet and query terminal， data transmission， LCD display， Data storage and data upload functions.

Key words： Intelligent bracelet； STM32F103； FSMC； NFC

0 引言

當前，可穿戴設備的數據大多由智能手機來進行管理的，這種方式不但要求用戶下載相應APP，而且在數據傳輸前需完成繁瑣的藍牙配對等過程，用戶的使用感較差。近場通信技術NFC的出現，允許藍牙等無線通信技術達到更快的識別速度和更高的安全性。

本文著重利用藍牙、NFC技術，對智能手環與查詢終端之間的身份綁定問題和數據的交互進行研究和測試，設計了一種基于NFC的智能手環查詢終端系統的設計與實現方案，通過專用的終端，將手環的應用場景和使用效果得到優化，使兩者配對更加容易和高效。

1 系統通信技術分析

1.1 藍牙技術

藍牙（Bluetooth）是一種開放性的、短距離無線通信協議，可實現設備較短距離內通過無線連接進行網絡互聯，支持點對點以及點對多點的通信方式。藍牙主設備可生成一個微微網，最多同時建立與7個設備的數據通信，以達到數據同步的目的。

1.2 GPRS技術

GPRS（General Packet Radio Service）是一種在GSM的基礎上升級的分組數據交換傳輸網絡技術。該技術采用傳輸數據量的方式計費，成本相對較低，可實現實時在線通訊，完全滿足數據采集雙向數據信息傳輸的需求，特別適用于間斷性、突發性以及一定量的數據傳輸。隨著GPRS技術在移動通信領域的發展，已實際應用到許多無線數據傳輸的領域，也為數據的采集傳輸提供了一種可行的數據傳輸方式。

1.3 NFC技術

NFC（Near Field Communication），該技術是基于互聯網和RFID技術的短距離高頻無線通信技術，兼容ISO14443協議，通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應耦合方式傳遞，在彼此靠近的情況下允許電子設備之間進行通信。NFC通信距離較近，安全性較高，相比RFID技術增加了點對點通信，可與WIFI、藍牙等現有的無線技術進行互補。結合移動通信技術，NFC應用方式出現了接觸式通過（Touch and Go）、接觸支付（Touch and Pay）、接觸連接（Touch and Connect）以及接觸瀏覽（Touch and Explore），在信息安全、身份識別等領域的應用逐漸推廣。

2 系統設計與實現

本系統主要包括以下 4個硬件組成部分：①主控芯片模塊：控制各模塊的通信和相應讀寫操作，進行系統模塊間的調度；②存儲模塊：存放終端讀取到的數據；③通信模塊：將NFC、藍牙和GPRS三種通信技術相結合，實現身份識別綁定和數據傳輸；④LCD顯示模塊：用于顯示終端讀取到的相關數據信息。系統硬件組成如圖1所示：

2.1 主控制器

控制模塊是系統的控制核心，本終端的MCU芯片采用基于ARM Cortex-M內核的STM32系列的STM32F103ZET6，該芯片具有512KB的程序存儲空間，144個引腳，提供豐富的IO口供藍牙、NFC、GPRS、傳感器等設備的接入。

2.2 存儲部件

本終端利用SDIO接口對TF卡進行讀寫通信操作，但只能同時使用一個SDIO設備，使用的主控板中集成有一個Micro SD卡槽和SDIO接口的WiFi模塊，在進行TF卡讀寫操作之前，將WiFi模塊接口禁用使能。

TF卡的控制需使用相應的命令，對內部寄存器進行修改。通過函數GPIO_Configuration（）初始化SDIO外設，控制器產生時鐘信號，以CLK時鐘上升沿有效，通過命令控制總線CMD發送命令控制TF卡。

SD_SingleBlockTest（）驅動主機進行寫入TF卡操作，由數據線傳輸讀寫數據，若數據讀寫前檢測到TF卡處于忙狀態，則將數據線拉低，拒絕寫入操作。操作TF卡的相關的函數如下：

SD_Init（）：TF卡初始化；

SD_Erase（）：擦除之前的數據，當某次數據確認無誤上傳服務器之后，執行

SD_SingleBlock（）：對單塊進行讀寫操作；

Fill_Buffer（Buffer_Block_Tx， BLOCK_SIZE， 0x320F）：用用戶定義的數據填充緩沖區；

SD_WriteBlock（Buffer_Block_Tx，0x00，BLOCK_SIZE）：向指定的內存空間寫入數據；

SD_WaitWriteOperation（）：檢查數據是否傳輸完成。

2.3 無線通信模塊設計

本智能終端的核心部分是智能手環與終端的通信交互模塊，負責智能手環與數據讀取終端之間的身份識別和數據傳輸。

2.3.1 射頻模塊硬件電路

NFC模塊采用NXP公司高度集成化的非接觸式讀寫芯片PN532，包含80C51微控制器內核，集成了13.56MHz下的各種主動/被動式非接觸通信方法和協議，讀寫距離在10cm以內，支持1SO/IEC18092標準、IS01443-A標準，能夠實現NFC收發讀取的功能。PN532支持SPI、I2C、UART三種通信方式，具有靈活的中斷模式。

當器件處于掉電模式時能夠通過I2C、SPI自動喚醒，PN532的輸出緩沖器通過最少量的外部無源器件連接天線，高度集成的模擬電路、解調和譯碼響應。本設計使用了PN532的ISO/IEC 14443A/MIFARE讀寫器模式，圖2為PN532外圍電路圖：

2.3.2 藍牙模塊

系統的藍牙模塊使用HC-06藍牙模塊，基于Bluetooth Specification V2.0帶EDR藍牙協議的數傳模塊，可以大幅度地提高藍牙的傳輸速率和傳輸距離。模塊的實現主要分兩部分：一是MCU數據的讀寫，另一部分則是AT指令的相關配置。圖3為藍牙模塊電路原理圖：

該模塊在整個系統應用中，實現數據收發的功能，STM32主控單片機通過USART傳輸層發送命令來控制HC-06模塊。在命令響應工作模式下，通過串口發送AT指令，指令通過TX和RX引腳進行設置。串口的TX引腳連接STM32的RX引腳，RX引腳連接STM32的TX管腳，完成數據的接受和發送。

2.3.3 GPRS模塊

本系統采用支持GPRS的WF-SIM900A模塊，通過串口傳輸標準的AT命令對模塊進行控制，采用透明傳輸方式，用TCP協議實現控制器到服后臺的可靠連接，完成TCP/IP協議處理和無線數據的傳輸。

主控芯片將藍牙得到的數據信息，通過串口通信方式送往GPRS模塊，將模塊的RXD連接于主板的TXD引腳上，模塊的TXD引腳連接于主板的RXD上，兩者的GND引腳互相連接，通過串口進行通訊，完成數據傳輸。

數據傳輸分為發送數據和接受數據兩種情況，在發送數據前，通過AT指令進行移動臺類別的設定，互聯網協議的選擇、附著網絡、激活網絡、連接服務器等步驟，最終實現遠程無線數據采集的功能。

2.4 液晶顯示設計

STM32F103ZET6帶有靈活的靜態存儲控制器——FSMC，FSMC是ST公司針對100引腳以上的STM32系列，采用的一種新型的存儲器擴展控制技術。FSMC接口支持SRAM、NAND FLASH、HOR FLASH和PSRAM等存儲器。本終端采用常用的LCD液晶屏顯示手環的數據，LCD液晶屏為每個像素都設有一個半導體開關，每個像素都可以通過電脈沖直接控制，因而每個節點都相對獨立，并可以連續控制。

主控板將從藍牙接收到的數據，顯示到液晶屏。在控制LCD的時候，使用FSMC的NOR＼PSRAM模式，與控制NOR FLASH一樣使用模式B，寫NOR時序圖如圖4所示。將LED當作SRAM來控制顯示，通過函數以像素點為單位將信息的字符和數字顯示到LCD液晶屏中，構成主機與顯示屏端的通信鏈路。

3 系統數據流分析及設計

啟動終端設備，終端內的NFC射頻電場則開始同步啟動。將內置有NFC標簽，并且標簽扇區中事先通過專用的讀寫器，寫入藍牙MAC地址的手環，置于終端的NFC近場范圍內，通過復位應答、防沖突機制、選擇卡片、密鑰確認等特定的方式，進行信息交換，選擇目標標簽，建立連接，實現讀取手環NFC標簽中存放的藍牙MAC地址信息，再通過串口將獲得的

MAC地址傳入MCU中，MCU通過Flash中存放的信息，進行身份判斷，完成手環與終端之間的藍牙的連接，將信息傳輸至終端設備，并由串口將數據寫入TF卡中，最后由GPRS網絡上傳數據至后臺。

4 結語

本文利用NFC、藍牙等短距離無線通信技術，設計了一種基于NFC的智能手環數據讀取終端，將NFC結合藍牙技術，實現終端與手環之間的快速識別和配對，并通過液晶屏進行數據顯示，由GPRS完成數據上傳。

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基金項目：重慶第二師范學院校級科研項目（KY20180206）；創業孵化項目：重慶第二師范學院“啟智”眾創空間大學生創業孵化項目（ZC2018016）；教育部學校規劃建設發展中心“未來學校（幼兒教育）”專題研究項目：基于物聯感知技術的智慧幼兒園構建研究（NO.CSDP18FC3204）；基于物聯網和大數據的智慧教室構建研究及實踐（NO.2018-GX-017）

作者簡介：

李瑩（1995-），女，重慶云陽人，本科在讀，重慶第二師范學院學生，研究方向：嵌入式通信技術。