基于NFC技術手機APP充值系統的設計研究

李中陽 黃君委 陳鑫

摘 要：隨著智能手機的普及，NFC技術的不斷推廣，為了方便用戶購氣和減少燃氣公司的工作量，提出了采用雙界面CPU卡替換普通IC卡，讓用戶使用手機APP實現自助購氣充值功能的解決方案。文中闡述了雙界面CPU卡、NFC技術的工作原理及技術要點和手機APP的設計思路，實驗結果表明，其通信成功率可達100%。

關鍵詞：雙界面CPU卡;NFC;APP;智能手機;通信;充值系統

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

0 引 言

為了解決環境污染問題，我國政府加快了推進“氣化中國”的過程，全國各地燃氣公司都在鋪設燃氣管道、加大燃氣設備投入。帶預付費功能的IC卡燃氣表將走進千家萬戶[1]。

IC卡燃氣表雖然有提前歸攏資金的優勢，但也有其自身的缺陷。其購氣過程需要以IC卡為媒介，用戶攜卡到燃氣公司營業廳購氣，然后回家插卡才能用氣，在給燃氣公司帶來較大工作量的同時，也給用戶帶來了不便。而基于NFC技術手機APP售氣系統的誕生則有效解決了該問題，方便居民在家購氣。

1 整體方案設計

該系統以互聯網通信和第三方支付為基礎，采用近場通信（NFC）技術和雙界面智能CPU卡相結合模式，實現用戶自助充值功能，即用戶通過手機APP與雙界面智能CPU卡近距離接觸，采用NFC技術通信，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氣表中，實現完整的購氣上表過程。系統總體架構如圖1所示。

該系統主要由雙界面卡、手機APP、IC卡燃氣表、服務端和第三方支付組成。本文側重介紹雙界面卡、手機APP和NFC通信技術。

2 軟硬件設計

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、數據傳輸穩定、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支付應用，方便快捷。兩個界面分別遵循兩種不同的標準，接觸式接口符合ISO/IEC 7816 標準，非接觸式接口符合ISO/IEC 14443標準[4]。數據交互過程如圖2所示。

根據雙界面卡的具體實現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。即兩張卡進行物理合成，但功能相互獨立。

（2）接觸式與非接觸式芯片、操作系統彼此獨立，E2PROM內部分存各自數據，共用數據共享，密鑰體系共享。實現了雙界面卡的應用功能。

（3）接觸式與非觸式芯片、COS操作系統完全融合，二者運行狀態相同，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內核，ROM，E2PROM，RAM，安全控制模塊，加密（DES，3DES，RSA算法等）協助處理器等部件組成[5]。其COS操作系統分為接觸式與非接觸式系統，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卡設計，其主要由中央處理器CPU，E2PROM，隨機存儲器RAM，只讀存儲器ROM及COS操作系統構成。其按國際標準 ISO 7816 對接觸型電路進行集成，規定了電路卡的觸點尺寸和芯片位置，同時還規定了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）技術實現，由標簽、閱讀器和天線組成。其技術分類如下[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，但需外供電。

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

由于雙界面卡中手機支付接口的統一性，所以在設計開發時主要參照ISO14443 標準。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

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，其有效傳輸距離一般在10 cm內，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1 Mbit/s，且符合ISO21481，ISO18092，ECMA（340，352，356，373），ETSITS102 和190標準[8]。當前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諧振電路構成，NFC技術架構如圖3所示。

在NFC技術領域，需要了解兩個概念：NFC設備和NFC標簽。

（1）NFC設備指內置NFC芯片，包括具備NFC功能的各種電子設備，如PC電腦、NFC手機、NFC掃描儀等;

（2）NFC標簽是指可存儲少量信息，能與NFC設備通信的RFID標簽。

NFC設備可當作讀寫卡器讀取NFC標簽的信息，也可以模擬成一張射頻卡片被其它NFC設備或讀卡器讀取，同時，還可以與其它NFC設備建立連接，實現點對點通信。因此NFC設備根據不同的通信模式，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域一種極富競爭力的技術。同時，由于NFC非接觸卡內置安全加密芯片，數據通信安全級別高，因此，NFC技術在無線通信領域具有廣闊的應用前景，可廣泛應用于移動支付、智能媒體、信息交換、身份識別等領域。隨著NFC移動通信終端技術愈加成熟，其應用已不限于通信和流媒體方面，也為PC電腦、通信設備、智能手機、消費電子產品等智能設備和繳費系統提供了便捷的非接觸式數據通信解決方案。由于這些特性，本項目選擇其作為數據傳輸的關鍵技術，應用于充值的全過程。用戶購氣時，只要將手機NFC芯片感應區與雙界面卡的NFC標簽簡單靠攏，無需另行設定和安裝，它們就會自動啟用無線通信功能，實現數據傳輸，使用方便、快捷，能輕易進行信息交互，實現對雙界面卡的信息寫入功能。

2.3 手機APP設計

手機APP充值系統又稱手機客戶端充值系統，是智能手機普及后興起的一種基于智能手機近場通信技術（NFC）與雙界面卡非接觸式射頻卡實現的短距離無線通信充值方法。首先，用戶為自己手機預先安裝APP，之后將雙界面卡的射頻卡芯片RFID標簽接近手機的NFC芯片讀寫卡器區域，二者進行身份認證，建立通信信道，然后APP根據預先裝載的密鑰體系與雙界面卡內部的密鑰體系進行相互認證，實現讀寫卡功能，再將APP 服務端的購氣信息寫入用戶卡，最后，用戶將此卡插入表中，實現手機APP充值。充值流程如圖5所示。該充值方式方便、操作簡單，不受時間和環境的約束，任何時間、地點都能實現手機自助充值。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

隨著國民素質提高，生活節奏加快，網絡化、智能化快速發展，人們對于自助服務方式的設備和手段需求越來越迫切。因此，有效解決這個問題的手機APP充值功能受到用戶的青睞。只要帶NFC功能的手機下載、安裝本項目的手機APP，并綁定一種網絡支付平臺，如支付寶、信用卡或微信支付等，即可實現自助購氣功能。本實驗采用10只不同的手機安裝APP，其充值界面如圖6所示，均采用支付寶支付。選用10臺IC卡燃氣表，每次充值10～100元不等，每臺手機充值10次，充值結果見表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，而首次感應超出了有效通信區域范圍。由以上實驗結果可以得出：手機客戶端充值功能完全滿足設計要求，可以在用戶中廣泛推廣。

4 結 語

NFC技術應用于燃氣表還比較少。但是隨著智能手機NFC功能的逐步普及，其應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卡燃氣表自助充值功能的改造極為便利，只需將IC卡更換為雙界面卡即可。通過以上實驗證明，系統通信成功率非常高，在燃氣行業的應用前景非常廣闊。

參 考 文 獻

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