基于NFC技術(shù)手機(jī)APP充值系統(tǒng)的設(shè)計研究

李中陽 黃君委 陳鑫

摘 要：隨著智能手機(jī)的普及，NFC技術(shù)的不斷推廣，為了方便用戶購氣和減少燃?xì)夤镜墓ぷ髁?，提出了采用雙界面CPU卡替換普通IC卡，讓用戶使用手機(jī)APP實現(xiàn)自助購氣充值功能的解決方案。文中闡述了雙界面CPU卡、NFC技術(shù)的工作原理及技術(shù)要點和手機(jī)APP的設(shè)計思路，實驗結(jié)果表明，其通信成功率可達(dá)100%。

關(guān)鍵詞：雙界面CPU卡;NFC;APP;智能手機(jī);通信;充值系統(tǒng)

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

為了解決環(huán)境污染問題，我國政府加快了推進(jìn)“氣化中國”的過程，全國各地燃?xì)夤径荚阡佋O(shè)燃?xì)夤艿?、加大燃?xì)庠O(shè)備投入。帶預(yù)付費功能的IC卡燃?xì)獗韺⒆哌M(jìn)千家萬戶[1]。

IC卡燃?xì)獗黼m然有提前歸攏資金的優(yōu)勢，但也有其自身的缺陷。其購氣過程需要以IC卡為媒介，用戶攜卡到燃?xì)夤緺I業(yè)廳購氣，然后回家插卡才能用氣，在給燃?xì)夤編磔^大工作量的同時，也給用戶帶來了不便。而基于NFC技術(shù)手機(jī)APP售氣系統(tǒng)的誕生則有效解決了該問題，方便居民在家購氣。

1 整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)通信和第三方支付為基礎(chǔ)，采用近場通信（NFC）技術(shù)和雙界面智能CPU卡相結(jié)合模式，實現(xiàn)用戶自助充值功能，即用戶通過手機(jī)APP與雙界面智能CPU卡近距離接觸，采用NFC技術(shù)通信，將購氣信息寫入雙界面卡，然后插卡上表將購氣信息寫入燃?xì)獗碇校瑢崿F(xiàn)完整的購氣上表過程。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由雙界面卡、手機(jī)APP、IC卡燃?xì)獗?、服?wù)端和第三方支付組成。本文側(cè)重介紹雙界面卡、手機(jī)APP和NFC通信技術(shù)。

2 軟硬件設(shè)計

2.1 雙界面智能CPU卡

雙界面智能CPU卡[2]是一種基于單芯片的集接觸式與非接觸式于一體的智能CPU卡，其兩種接口共享同一主芯片、COS操作系統(tǒng)和存儲空間。接觸接口和非接觸接口共用一個I/O接口、一個邏輯控制平臺，接觸式和非接觸式可自動選擇。其既具備接觸式CPU卡安全性高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、存儲容量大等特點[3]，又具備非接觸式CPU卡操作方便、傳輸速度快、交易時間短等特點，特別適用于商城、超市和飯店等場所的小額手機(jī)支付應(yīng)用，方便快捷。兩個界面分別遵循兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)，接觸式接口符合ISO/IEC 7816 標(biāo)準(zhǔn)，非接觸式接口符合ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)[4]。數(shù)據(jù)交互過程如圖2所示。

根據(jù)雙界面卡的具體實現(xiàn)方式和不同制作方法，可以分為以下三種：

（1）把接觸式和非接觸式芯片和天線封裝在一張卡中構(gòu)成一張雙界面卡，二者采用獨立的芯片、存儲空間和操作系統(tǒng)。即兩張卡進(jìn)行物理合成，但功能相互獨立。

（2）接觸式與非接觸式芯片、操作系統(tǒng)彼此獨立，E2PROM內(nèi)部分存各自數(shù)據(jù)，共用數(shù)據(jù)共享，密鑰體系共享。實現(xiàn)了雙界面卡的應(yīng)用功能。

（3）接觸式與非觸式芯片、COS操作系統(tǒng)完全融合，二者運行狀態(tài)相同，共用一個主芯片管理，共用一個E2PROM存儲空間，共用一套密鑰體系，實現(xiàn)了完全融合。

以上三種雙界面卡中，僅最后一種才是真正意義上的雙界面智能CPU 卡，本項目采用第三種雙界面卡。其一般由CPU內(nèi)核，ROM，E2PROM，RAM，安全控制模塊，加密（DES，3DES，RSA算法等）協(xié)助處理器等部件組成[5]。其COS操作系統(tǒng)分為接觸式與非接觸式系統(tǒng)，既彼此獨立又相互融合。

2.1.1 接觸式智能CPU卡

雙界面卡接觸界面按智能CPU卡設(shè)計，其主要由中央處理器CPU，E2PROM，隨機(jī)存儲器RAM，只讀存儲器ROM及COS操作系統(tǒng)構(gòu)成。其按國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 7816 對接觸型電路進(jìn)行集成，規(guī)定了電路卡的觸點尺寸和芯片位置，同時還規(guī)定了CPU卡必須有8個觸點。在集成電路引腳中C1～C8的引腳功能定義見表1所列。

2.1.2 非接觸式射頻卡

雙界面卡的非接觸式射頻卡主要由射頻識別RFID（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實現(xiàn)，由標(biāo)簽、閱讀器和天線組成。其技術(shù)分類如下[6]：

（1）按頻率可以分為低頻、高頻、超高頻和微波。

（2）按能源供給方式可以分為無源、半有源和有源。無源RFID讀寫距離近，有源RFID讀寫距離遠(yuǎn)，但需外供電。

（3）按調(diào)制方式可以分為主動式和被動式。主動式主動發(fā)送信號和數(shù)據(jù)給讀寫器;被動式利用讀寫器的載波來調(diào)制自己的信號，并發(fā)射數(shù)據(jù)。

由于雙界面卡中手機(jī)支付接口的統(tǒng)一性，所以在設(shè)計開發(fā)時主要參照ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)。讓其作為用戶購氣的傳輸媒介，起到承上啟下的信息傳輸作用。

2.2 NFC技術(shù)

NFC（Near Field Communication，NFC）近場通信[7]，又稱近距離無線通信，是一種新型非接觸式短距離無線通信技術(shù)，其有效傳輸距離一般在10 cm內(nèi)，工作頻段為13.56 MHz，

傳輸速率有106 Kbit/s，212 Kbit/s，424 Kbit/s等多種，理論速率可達(dá)1 Mbit/s，且符合ISO21481，ISO18092，ECMA（340，352，356，373），ETSITS102 和190標(biāo)準(zhǔn)[8]。當(dāng)前NFC芯片與非接觸式射頻卡使用相同的頻帶，所以與射頻卡設(shè)備兼容，也與該項目使用的雙界面智能CPU卡的非接觸面射頻卡兼容。NFC主要由NFC芯片、微處理器、天線和RC諧振電路構(gòu)成，NFC技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

在NFC技術(shù)領(lǐng)域，需要了解兩個概念：NFC設(shè)備和NFC標(biāo)簽。

（1）NFC設(shè)備指內(nèi)置NFC芯片，包括具備NFC功能的各種電子設(shè)備，如PC電腦、NFC手機(jī)、NFC掃描儀等;

（2）NFC標(biāo)簽是指可存儲少量信息，能與NFC設(shè)備通信的RFID標(biāo)簽。

NFC設(shè)備可當(dāng)作讀寫卡器讀取NFC標(biāo)簽的信息，也可以模擬成一張射頻卡片被其它NFC設(shè)備或讀卡器讀取，同時，還可以與其它NFC設(shè)備建立連接，實現(xiàn)點對點通信。因此NFC設(shè)備根據(jù)不同的通信模式，可以分為讀卡器模式、點對點模式及卡模擬模式。NFC工作模式如圖4所示。

由于NFC技術(shù)具備兼容性強、功耗低、使用方便、價格低廉等特點，其已成為近距離無線通信領(lǐng)域一種極富競爭力的技術(shù)。同時，由于NFC非接觸卡內(nèi)置安全加密芯片，數(shù)據(jù)通信安全級別高，因此，NFC技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于移動支付、智能媒體、信息交換、身份識別等領(lǐng)域。隨著NFC移動通信終端技術(shù)愈加成熟，其應(yīng)用已不限于通信和流媒體方面，也為PC電腦、通信設(shè)備、智能手機(jī)、消費電子產(chǎn)品等智能設(shè)備和繳費系統(tǒng)提供了便捷的非接觸式數(shù)據(jù)通信解決方案。由于這些特性，本項目選擇其作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用于充值的全過程。用戶購氣時，只要將手機(jī)NFC芯片感應(yīng)區(qū)與雙界面卡的NFC標(biāo)簽簡單靠攏，無需另行設(shè)定和安裝，它們就會自動啟用無線通信功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使用方便、快捷，能輕易進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)對雙界面卡的信息寫入功能。

2.3 手機(jī)APP設(shè)計

手機(jī)APP充值系統(tǒng)又稱手機(jī)客戶端充值系統(tǒng)，是智能手機(jī)普及后興起的一種基于智能手機(jī)近場通信技術(shù)（NFC）與雙界面卡非接觸式射頻卡實現(xiàn)的短距離無線通信充值方法。首先，用戶為自己手機(jī)預(yù)先安裝APP，之后將雙界面卡的射頻卡芯片RFID標(biāo)簽接近手機(jī)的NFC芯片讀寫卡器區(qū)域，二者進(jìn)行身份認(rèn)證，建立通信信道，然后APP根據(jù)預(yù)先裝載的密鑰體系與雙界面卡內(nèi)部的密鑰體系進(jìn)行相互認(rèn)證，實現(xiàn)讀寫卡功能，再將APP 服務(wù)端的購氣信息寫入用戶卡，最后，用戶將此卡插入表中，實現(xiàn)手機(jī)APP充值。充值流程如圖5所示。該充值方式方便、操作簡單，不受時間和環(huán)境的約束，任何時間、地點都能實現(xiàn)手機(jī)自助充值。為一些不能斷氣或要及時用氣的場所如酒店、浴室等帶來了極大便利。

3 充值實驗

隨著國民素質(zhì)提高，生活節(jié)奏加快，網(wǎng)絡(luò)化、智能化快速發(fā)展，人們對于自助服務(wù)方式的設(shè)備和手段需求越來越迫切。因此，有效解決這個問題的手機(jī)APP充值功能受到用戶的青睞。只要帶NFC功能的手機(jī)下載、安裝本項目的手機(jī)APP，并綁定一種網(wǎng)絡(luò)支付平臺，如支付寶、信用卡或微信支付等，即可實現(xiàn)自助購氣功能。本實驗采用10只不同的手機(jī)安裝APP，其充值界面如圖6所示，均采用支付寶支付。選用10臺IC卡燃?xì)獗?，每次充?0～100元不等，每臺手機(jī)充值10次，充值結(jié)果見表2所列。

由以上表格可知，本次實驗的充值成功率為100%，其中有個別情況充值需要感應(yīng)2次，主要是因為NFC近場通信的距離相對比較短，雙界面卡的射頻芯片需要放置在NFC芯片有效接收范圍內(nèi)，而首次感應(yīng)超出了有效通信區(qū)域范圍。由以上實驗結(jié)果可以得出：手機(jī)客戶端充值功能完全滿足設(shè)計要求，可以在用戶中廣泛推廣。

4 結(jié) 語

NFC技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)獗磉€比較少。但是隨著智能手機(jī)NFC功能的逐步普及，其應(yīng)用場景會越來越廣闊，用戶使用也更加方便，成本更低，特別是對IC卡燃?xì)獗碜灾渲倒δ艿母脑鞓O為便利，只需將IC卡更換為雙界面卡即可。通過以上實驗證明，系統(tǒng)通信成功率非常高，在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用前景非常廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張娟.淺談“三表一卡通”預(yù)付費卡業(yè)務(wù)建設(shè)[J].中小企業(yè)管理與科技，2012（3）：294.

[2]閔昊.智能卡領(lǐng)域的一大技術(shù)進(jìn)步：雙界面卡[J].安防科技，2003（6）：34-35.

[3]楊肇敏.不斷發(fā)展的集成電路卡[J]. 金融電子化，2000（9）：23-26.

[4]劉瑞玲，李代平.手機(jī)支付雙界面卡的接觸式與非接觸式接口標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（14）：69-71.

[5]王宇明.低功耗雙界面CPU智能卡芯片的研究與設(shè)計[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2011.

[6]董麗峰. RFID中間件技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用及研究[J].信息科學(xué)，2010（6）：72-74.

[7]潘雪峰，毛敏.NFC近場通信技術(shù)的底層原理研究[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2013，13（5）：120-122.

[8]張湘東，張文安，李慶艷.NFC應(yīng)用開發(fā)技術(shù)體系詳解[J].電信技術(shù)，2013（10）：60-63.

[9]李映彤.對預(yù)付費客戶抄核收管理的探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（3）：186.

[10]王曉麗，楊屹東，邸音聲.拓展負(fù)荷管理系統(tǒng)功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)付費購電[J].華北電力技術(shù)，2009（3）：27-29.