基于NFC技术的智能设备快速Wi-Fi配网方案设计与实现.pdf

集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 31Research and Design 研究与设计作系统也已经预装了NFC支持，并且大多数Android手机都可以使用NFC功能。因此，利用NFC技术实现Wi-Fi配网是一个有潜力的方向。2 常用的组网方式目前，主流的智能设备Wi-Fi配网技术主要有以下几种方式。（1）手动输入密码配网：这是最常见的一种配网方式，即用户在连接Wi-Fi网络时需要手动输入Wi-Fi密码。虽然这种方式简单易懂，但需要设备具备输入界面，且在输入过程中存在输入错误和密码泄露的风险。（2）声波配网：这种方式是通过移动设备播放特定频率的声波，配合路由器端的识别设备，实现不需要输入密码即可连接Wi-Fi网络的功能。但在环境噪音比较大的情况下，声波配网存在识别失败的问题。（3）蓝牙配网：这种方式是将移动设备与Wi-Fi路由器通过蓝牙连接，通过蓝牙通信实现不0 引言随着智能家居、物联网等技术的发展，越来越多的设备需要连接到无线网络。其中，Wi-Fi网络是最常用的无线网络之一，然而Wi-Fi配网却是一个相对烦琐的过程，需要用户输入Wi-Fi网络的SDD、密码等信息，有些智能设备例如智能音箱等并不具有输入界面。因此，研究如何将智能设备实现快速、方便、安全的Wi-Fi配网方案，是一个具有实际意义的问题。1 研究背景NFC技术是一种短距离无线通信技术，可以实现近距离的无线数据传输。NFC技术的优点是通信距离短、传输速度快、功耗低、安全性高等。同时，随着NFC和智能手机技术的不断发展，NFC技术在智能手机上的普及率也在逐年增加。目前，NFC技术已经成为很多智能手机的标配。例如，苹果公司的iPhone从iPhone 6开始就支持NFC技术，可以用于移动支付和其他NFC应用。而谷歌的Android操作者简介：蔡磊，上海复旦微电子集团股份有限公司；研究方向：电子工程。收稿日期：2023-03-29；修回日期：2023-06-22。摘要：阐述一种基于NFC技术的Wi-Fi配网方案。该方案通过移动终端的NFC读写功能向智能设备中的 NFC芯片写入无线路由器的SSID以及PASSWORD，即可实现连接Wi-Fi网络的功能。用户使用NFC功能手机靠近待配网智能设备的NFC芯片，即可自动开启手机上的配网应用程序；然后将手机再靠近NFC芯片，写入Wi-Fi信息，即可实现智能设备的Wi-Fi连接。关键词：Wi-Fi配网，智能家居，NFC，ISO14443，NDEF。中图分类号：TN929.5 文章编号：1674-2583(2023)07-0031-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.07.012文献引用格式：蔡磊.基于NFC技术的智能设备快速Wi-Fi配网方案设计与实现J.集成电路应用,2023,40(07):31-33.基于NFC技术的智能设备快速Wi-Fi配网方案设计与实现蔡磊（上海复旦微电子集团股份有限公司，上海 200433）Abstract This paper describes a Wi-Fi provisioning solution based on NFC technology.The scheme utilizes the NFC read/write functionality of mobile terminals to write the SSID and PASSWORD of the wireless router into the NFC chip of smart devices,thereby enabling WIFI network connection.Users can simply bring an NFC-enabled mobile phone close to the NFC chip of the smart device,and automatically launches the provisioning app on the phone.Then,by bringing the phone close to the NFC chip again,writing the Wi-Fi information,achieving Wi-Fi provisioning for the smart device.Index Terms Wi-Fi provisioning,smart home,NFC,ISO14443,NDEF.Design and Implementation of Fast Wi-Fi Distribution Network Scheme for Intelligent Devices Based on NFC TechnologyCAI Lei(Shanghai Fudan Microelectronics Group Co.,Ltd.,Shanghai 200433,China.）32 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 Research and Design 研究与设计需要输入密码即可连接Wi-Fi网络的功能。但是，蓝牙配网在不同手机之间的兼容性问题、配对过程的复杂性等方面存在一定的局限。（4）设备热点配网：设备开启自带的Wi-Fi热点。手机搜索并发现热点后，连接到该设备的热点。建立连接通道后，手机将Wi-Fi热点（路由器）的SSID/密码发送给设备。Wi-Fi设备使用该SSID/密码连接Wi-Fi热点（路由器）。以上主流的Wi-Fi配网技术各有优劣，但在实际使用中，由于种种原因，不同的配网方式可能存在不同的问题，如兼容性、易用性、安全性等。因此，需要不断探索新的Wi-Fi配网技术，以提高用户的使用体验和安全性。3 NFC技术与Wi-Fi配网首先在智能设备上安装一款NFC芯片，该芯片通信界面需要具备两个通道：（1）NFC通信界面。（2）设备MCU通信界面，如I2C、SPI等接口。由双界面的NFCTAG作为信息交换的中介，移动终端采用NFCREADER模式向NFCTAG写入路由器配网的相关信息，智能设备通过读出NFCTAG的路由器配网信息并完成组网。移动终端为手机或者是基于安卓系统开发的PDA设备，为保证能够与智能设备正常通信，移动终端需要有能够支持高频13.56MHz的NFC读写器芯片。需要开发对应的控制App，该App可以调用移动终端底层的NFCREADER驱动，然后利用NFCREADER对外界的NFCTAG进行读写操作，从而实现数据的交互。移动终端的NFCREADER为高频13.56Mhz的读写器，支持ISO14443-TYPEA、ISO14443-TYPEB或者是ISO15693协议。App可以是Android系统或者是IOS系统下运行的应用程序。附图说明，如图1为NFC快速配网方法。移动终端首先通过App从智能设备端的双界面NFC TAG读出智能设备的相关信息，引导App进行下一步的动作，或者是NFC TAG符合NFCFORUM，NFCTAG内部写有App信息，NFCREADER读出App信息后拉起相关App应用，App再调用NFCREADER读出NFCTAG中的设备信息，然后再往NFCTAG中写入路由器的 SSID以及PASSWORD，最终再发送指令让NFCTAG输出中断信号，告诉智能设备的主控，目前路由器信息已经填写完毕，可以正常联网到该路由器下。在连接到路由器后，移动终端的App即显示该设备的信息，以便后续移动终端可以在远程随时控制该智能设备。4 方案设计与实现 4.1 整体方案如图2所示为快速组网方案图。智能手机自带NFC模块能够调谐出13.56MHz的载波信号，该调解信号符合ISO14443协议，以便于能够与智能设备上的NFCTAG正常通信。智能设备是包含主控芯片及Wi-Fi芯片。利用该主控芯片所具备的I2C通信接口与NFCTAG进行通信。NFCTAG起到一个中继的作用，作为数据的中转站，使信息能够正常交互，NFCTAG包含设备信息或者包含设备控制的App信息，以便移动终端方便后续操作，利用NFCFORUM可以拉起一个App，再利用App能调用移动终端底层的NFCREADER并发出调制的13.56MHz信号与NFCTAG通信，并往NFCTAG写入路由器信息，并让NFCTAG输出中断信号以便能够触发智能设备的主控，让其进行下一步的动作，即主控从NFCTAG获取路由器信息，并完成联网，联网完成后图2 NFC快速配网方案图图1 NFC快速配网方法示意图 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 33Research and Design 研究与设计访问云端数据，并让App自动添加该设备信息，以便后续能够随时远程控制。4.2 设备选型（1）NFC芯片。NFC通道芯片选择FM11NT082产品。FM11NT082是复且微电子公司开发的第二代符合ISO/EC14443-A协议的NFC双界面标签及通道芯片。该芯片集成了通道功能和双界面标签功能，用户可通过更改配置位，在二者之间进行切换。在双界面标签模式下，用户可通过更改寄存器，临时切换至通道模式，进行实时的数据传输，传输完毕，芯片重新上电后，回到双界面标签模式。（2）用户终端。智能手机作为受众最广的智能设备最合适的硬件终端。软件方面微信小程序作为轻应用，具有轻量、用户活跃、不需要下载等优点。同时，微信小程序目前在安卓系统也支持NFC读写器模式。如果是IOS系统可以通过App来实现同样的功能。（3）主控MCU。主控MCU选型为FM15L023，采用ARM SC000，这是基于M0的安全内核，主频48MHz。存储方面，提供了128kB的Flash以及16kB的RAM。这款MCU的低功耗特性比较优秀，Deepsleep模式下可以达到0.6uA。支持常用的接口如UART，SPI，I2C，并且集成了AES加密算法。（4）Wi-Fi芯片。ESP-12F是由安信可科技开发的Wi-Fi模块，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能。4.3 应用模式目前智能设备引导用户打开配网应用的通常做法是通过二维码方式。但这种方式会带来额外的印刷成本。并且假如App内页面较多的话用户也比较难找到对应的功能页面。通过NFC标签的NDEF技术，不仅用户可以快速唤起应用，还是传递相应的参数直接打开应用内的页面。本方案基于小程序URLScheme，微信支持通过NFC标签快捷拉起小程序页面的能力。可用于智能设备的快速配网、快捷控制等场景。使得用户不需要操作就可以快捷打开应用且直接呼出应用内的配网页面。4.4 NFC芯片数据区划分为了能达到上述效果，NFC标签在数据区需要按表1数据结构组织数据。表1所示为Wi-Fi智能模块NFC标签数据结构定义。4.5 快速配网的操作流程（1）用户将智能手机NFC模块启用，靠近智能设备NFC芯片天线处。（2）NFC模块读取到NDEF格式数据，系统自动解析读到两条Record，系统自动打开微信并拉起微信小程序。（3）用户微信小程序输入配网信息，也可选择预置的配网信息，写入NFC芯片自定义区域。（4）当数据写入完成后，芯片会触发IRQ中断信号，主控MCU获取此信号后去读取自定义区域获得配网信息，调用Wi-Fi模块完成配网工作。（5）设备联网成功后，用户可以通过云端继续进行设备绑定、远程控制等操作，完成设备通用功能。5 结语本文提出了一种基于NFC技术的Wi-Fi配网方案，该方案的实现基于Android系统和微信小程序平台，使用了NFC双通道芯片实现了目标功能。实践结果表明，该方案具备使用便利、安全性高、成功率高等优点，可以实现快速、方便、安全的Wi-Fi配网，适用于各种应用场景。参考文献1王璇.基于Wi-Fi Direct的移动共享和通讯平台的设计与实现D.陕西：西安电子科技大学,2014.2赵呈学.基于Wi-Fi的接近侦测系统的设计与优化D.四川：电子科技大学,2012.3杨艾平.基于Wi-FiDirect的Android文件传输研究与实现D.上海：东华大学,2014.4 葛涵涛,冯志芳,刘加.智能家居中的通信技术与应用J.电信网技术,2017(07):75-80.表1 Wi-Fi智能模块NFC标签数据结构定义