基于NFC的智能手环查询终端设计与实现

李莹 姚富光 周川 刘丹丹 张龙

摘 要：针对传统蓝牙设备识别配对繁琐的缺点，本文利用STM32F103微控制器，结合NFC、蓝牙等无线短距离通信，设计了基于NFC智能手环查询终端，实现智能手环与查询终端之间的识别配对、数据传输、液晶屏显示、数据存放和数据上传等功能。

关键词：智能手环；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，可穿戴设备的数据大多由智能手机来进行管理的，这种方式不但要求用户下载相应APP，而且在数据传输前需完成繁琐的蓝牙配对等过程，用户的使用感较差。近场通信技术NFC的出现，允许蓝牙等无线通信技术达到更快的识别速度和更高的安全性。

本文着重利用蓝牙、NFC技术，对智能手环与查询终端之间的身份绑定问题和数据的交互进行研究和测试，设计了一种基于NFC的智能手环查询终端系统的设计与实现方案，通过专用的终端，将手环的应用场景和使用效果得到优化，使两者配对更加容易和高效。

1 系统通信技术分析

1.1 蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）是一种开放性的、短距离无线通信协议，可实现设备较短距离内通过无线连接进行网络互联，支持点对点以及点对多点的通信方式。蓝牙主设备可生成一个微微网，最多同时建立与7个设备的数据通信，以达到数据同步的目的。

1.2 GPRS技术

GPRS（General Packet Radio Service）是一种在GSM的基础上升级的分组数据交换传输网络技术。该技术采用传输数据量的方式计费，成本相对较低，可实现实时在线通讯，完全满足数据采集双向数据信息传输的需求，特别适用于间断性、突发性以及一定量的数据传输。随着GPRS技术在移动通信领域的发展，已实际应用到许多无线数据传输的领域，也为数据的采集传输提供了一种可行的数据传输方式。

1.3 NFC技术

NFC（Near Field Communication），该技术是基于互联网和RFID技术的短距离高频无线通信技术，兼容ISO14443协议，通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，在彼此靠近的情况下允许电子设备之间进行通信。NFC通信距离较近，安全性较高，相比RFID技术增加了点对点通信，可与WIFI、蓝牙等现有的无线技术进行互补。结合移动通信技术，NFC应用方式出现了接触式通过（Touch and Go）、接触支付（Touch and Pay）、接触连接（Touch and Connect）以及接触浏览（Touch and Explore），在信息安全、身份识别等领域的应用逐渐推广。

2 系统设计与实现

本系统主要包括以下 4个硬件组成部分：①主控芯片模块：控制各模块的通信和相应读写操作，进行系统模块间的调度；②存储模块：存放终端读取到的数据；③通信模块：将NFC、蓝牙和GPRS三种通信技术相结合，实现身份识别绑定和数据传输；④LCD显示模块：用于显示终端读取到的相关数据信息。系统硬件组成如图1所示：

2.1 主控制器

控制模块是系统的控制核心，本终端的MCU芯片采用基于ARM Cortex-M内核的STM32系列的STM32F103ZET6，该芯片具有512KB的程序存储空间，144个引脚，提供丰富的IO口供蓝牙、NFC、GPRS、传感器等设备的接入。

2.2 存储部件

本终端利用SDIO接口对TF卡进行读写通信操作，但只能同时使用一个SDIO设备，使用的主控板中集成有一个Micro SD卡槽和SDIO接口的WiFi模块，在进行TF卡读写操作之前，将WiFi模块接口禁用使能。

TF卡的控制需使用相应的命令，对内部寄存器进行修改。通过函数GPIO_Configuration（）初始化SDIO外设，控制器产生时钟信号，以CLK时钟上升沿有效，通过命令控制总线CMD发送命令控制TF卡。

SD_SingleBlockTest（）驱动主机进行写入TF卡操作，由数据线传输读写数据，若数据读写前检测到TF卡处于忙状态，则将数据线拉低，拒绝写入操作。操作TF卡的相关的函数如下：

SD_Init（）：TF卡初始化；

SD_Erase（）：擦除之前的数据，当某次数据确认无误上传服务器之后，执行

SD_SingleBlock（）：对单块进行读写操作；

Fill_Buffer（Buffer_Block_Tx， BLOCK_SIZE， 0x320F）：用用户定义的数据填充缓冲区；

SD_WriteBlock（Buffer_Block_Tx，0x00，BLOCK_SIZE）：向指定的内存空间写入数据；

SD_WaitWriteOperation（）：检查数据是否传输完成。

2.3 无线通信模块设计

本智能终端的核心部分是智能手环与终端的通信交互模块，负责智能手环与数据读取终端之间的身份识别和数据传输。

2.3.1 射频模块硬件电路

NFC模块采用NXP公司高度集成化的非接触式读写芯片PN532，包含80C51微控制器内核，集成了13.56MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议，读写距离在10cm以内，支持1SO/IEC18092标准、IS01443-A标准，能够实现NFC收发读取的功能。PN532支持SPI、I2C、UART三种通信方式，具有灵活的中断模式。

当器件处于掉电模式时能够通过I2C、SPI自动唤醒，PN532的输出缓冲器通过最少量的外部无源器件连接天线，高度集成的模拟电路、解调和译码响应。本设计使用了PN532的ISO/IEC 14443A/MIFARE读写器模式，图2为PN532外围电路图：

2.3.2 蓝牙模块

系统的蓝牙模块使用HC-06蓝牙模块，基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块，可以大幅度地提高蓝牙的传输速率和传输距离。模块的实现主要分两部分：一是MCU数据的读写，另一部分则是AT指令的相关配置。图3为蓝牙模块电路原理图：

该模块在整个系统应用中，实现数据收发的功能，STM32主控单片机通过USART传输层发送命令来控制HC-06模块。在命令响应工作模式下，通过串口发送AT指令，指令通过TX和RX引腳进行设置。串口的TX引脚连接STM32的RX引脚，RX引脚连接STM32的TX管脚，完成数据的接受和发送。

2.3.3 GPRS模块

本系统采用支持GPRS的WF-SIM900A模块，通过串口传输标准的AT命令对模块进行控制，采用透明传输方式，用TCP协议实现控制器到服后台的可靠连接，完成TCP/IP协议处理和无线数据的传输。

主控芯片将蓝牙得到的数据信息，通过串口通信方式送往GPRS模块，将模块的RXD连接于主板的TXD引脚上，模块的TXD引脚连接于主板的RXD上，两者的GND引脚互相连接，通过串口进行通讯，完成数据传输。

数据传输分为发送数据和接受数据两种情况，在发送数据前，通过AT指令进行移动台类别的设定，互联网协议的选择、附着网络、激活网络、连接服务器等步骤，最终实现远程无线数据采集的功能。

2.4 液晶显示设计

STM32F103ZET6带有灵活的静态存储控制器——FSMC，FSMC是ST公司针对100引脚以上的STM32系列，采用的一种新型的存储器扩展控制技术。FSMC接口支持SRAM、NAND FLASH、HOR FLASH和PSRAM等存储器。本终端采用常用的LCD液晶屏显示手环的数据，LCD液晶屏为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过电脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制。

主控板将从蓝牙接收到的数据，显示到液晶屏。在控制LCD的时候，使用FSMC的NOR＼PSRAM模式，与控制NOR FLASH一样使用模式B，写NOR时序图如图4所示。将LED当作SRAM来控制显示，通过函数以像素点为单位将信息的字符和数字显示到LCD液晶屏中，构成主机与显示屏端的通信链路。

3 系统数据流分析及设计

启动终端设备，终端内的NFC射频电场则开始同步启动。将内置有NFC标签，并且标签扇区中事先通过专用的读写器，写入蓝牙MAC地址的手环，置于终端的NFC近场范围内，通过复位应答、防冲突机制、选择卡片、密钥确认等特定的方式，进行信息交换，选择目标标签，建立连接，实现读取手环NFC标签中存放的蓝牙MAC地址信息，再通过串口将获得的

MAC地址传入MCU中，MCU通过Flash中存放的信息，进行身份判断，完成手环与终端之间的蓝牙的连接，将信息传输至终端设备，并由串口将数据写入TF卡中，最后由GPRS网络上传数据至后台。

4 结语

本文利用NFC、蓝牙等短距离无线通信技术，设计了一种基于NFC的智能手环数据读取终端，将NFC结合蓝牙技术，实现终端与手环之间的快速识别和配对，并通过液晶屏进行数据显示，由GPRS完成数据上传。

参考文献：

[1] 马捷，鄂金龙. 用NFC技术快速建立蓝牙安全连接问题的研究[J]. 计算机应用与软件，2013：207-212+224.

[2] Bluetooth Special Interest Group. IEEE802.15.1 Specification of the Bluetooth System Profile V2.1+EDR[S]. 2007.

[3] 杨光露，王广胜. 基于蓝牙和NFC技术的便携卷烟标签打印系统设计[J]. 物联网技术，2018.12：89-91.

[4] 谭晖. 低功耗蓝牙与智能硬件设计[M]. 北京航空航天大学出版社，2016：258-271.

[5] 李川. 智能无人监考考试系统设计：电脑知识与技术[J]. 2018，14（30），193-195.

[6] 苏婕，王忠. 基于NFC技术的巡更巡检管理系统的设计与实现[J]. 计算机工程与设计，2015，36（4）：1068-1072.

[7] 庄俊贤. NFC在智能终端上的应用研究[J]：计算机产品与流通，2018，（02）：132.

[8] 张正平，夏斌，刘桥. 基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计[J]. 四川理工学院学报，2007，20（05）：18-21.

[9] 张立坤. 基于近场通信技术的蓝牙配对模块的研发[D]. 黑龙江大学，2014.

基金项目：重庆第二师范学院校级科研项目（KY20180206）；创业孵化项目：重庆第二师范学院“启智”众创空间大学生创业孵化项目（ZC2018016）；教育部学校规划建设发展中心“未来学校（幼儿教育）”专题研究项目：基于物联感知技术的智慧幼儿园构建研究（NO.CSDP18FC3204）；基于物联网和大数据的智慧教室构建研究及实践（NO.2018-GX-017）

作者简介：

李莹（1995-），女，重庆云阳人，本科在读，重庆第二师范学院学生，研究方向：嵌入式通信技术。