离线环境下的可信交互：运动会 NFC 出入闸机系统的设计与实现
前言： 在校园大型活动（如运动会）中，人员频繁的出入管理始终是技术难点。由于操场等户外场地往往缺乏稳定的高带宽网络，传统的“云端实时校验”方案极易因网络抖动造成入场口拥堵。本文将分享我为校园运动会开发的一套基于 Python 和 USB NFC 设备的离线闸机系统，探讨如何通过字节级的数据布局，在“零网络”环境下实现可靠的状态机交互。
一、 系统架构：Kiosk 模式与异步通讯逻辑
本系统（核心代码 gui-op.py）采用了 Kiosk 风格 的全屏交互设计。底层驱动依赖 nfcpy 库监听 USB 读卡器，前端则利用 Tkinter 构建高响应度的 UI 界面。
二、 离线状态机：卡片扇区的数据建模
系统的“信任根”不在服务器，而在用户手中的卡片。通过直接在卡片物理扇区中读写状态位，我们实现了真正的去中心化校验。
1. MIFARE (Type 2) 标签的存储映射
在 MIFARE 卡片中，我选用了 Page 4 至 Page 7 这一连续块进行数据持久化：
| 地址 (Page) | 存储内容 | 工程含义 |
|---|---|---|
| Page 4 | Year (2 Bytes) | 身份准入码（用于区分不同届次或学年） |
| Page 5 | Date (2 Bytes) | 日期戳（确保操作属于当前活动日） |
| Page 6 | State (1 Byte) | 0: 场内 (In) / 1: 场外 (Out) |
| Page 7 | Metadata (4 Bytes) | 包含时分秒以及最后通过的闸机编号 (Gate ID) |
2. 逻辑闭环：签入与签出的状态跳变
在签入 (Entry) 模式下，系统会强制要求 Page 6 的值必须为 1。若读得 0，说明该持卡人未按规定从出口离场，系统将触发异常告警。此外，系统还会提取 Page 7 的离场时间与当前系统时钟比对，若 $\Delta t > 1200$ 秒，则视为凭证失效，有效防止了凭证转借行为。
三、 工程细节：应对现实中的“脏数据”
1. 毫秒级防抖 (Debouncing)
现实中，用户放置卡片的位置往往不精确，容易产生物理层面的抖动。为了防止产生重复的读写请求（Double-read），我在代码中维护了一个名为 recent_uids 的哈希表，并为每个 UID 设置了 2 秒的强制冷却期。这确保了在物理波动中，每一张卡片的逻辑处理都是幂等的。
2. 错误反馈的分级管理
系统针对不同故障设计了特定的视觉反馈分支：
- on_overtime: 离场时间超时。
- on_unpermitted: 身份代码（Year）不在白名单内。
- on_noout / on_noin: 状态机逻辑异常（如未出先入）。
四、 隐藏逻辑：代码中的“政策开关”
例如，系统对特定年份代码 9999 开放了“管理员后门”，允许无视所有状态限制直接通行；而 8888 则被标记为受限模式。此外，系统中还包含一个有趣的“正午逻辑”——程序会识别出那些在收摊前最后一刻离场的“大聪明”用户，并自动简化其校验流程。这些设计在保障严谨性的同时，也大幅提升了现场处理的灵活性。
五、 总结与未来改进
虚空终端 (VoidTerm) 的这套 NFC 方案证明了：即便在极简的硬件条件下，通过精细化的字节级控制，也能构建出工业级的可靠系统。下一阶段，我计划引入基于 HMAC 的校验算法，将 Page 6 的状态位与 UID 进行签名绑定，从而在物理层面杜绝任何手动伪造卡片数据的可能性。