基于NFC技术手机APP充值系统的设计研究

李中阳 黄君委 陈鑫

摘 要：随着智能手机的普及，NFC技术的不断推广，为了方便用户购气和减少燃气公司的工作量，提出了采用双界面CPU卡替换普通IC卡，让用户使用手机APP实现自助购气充值功能的解决方案。文中阐述了双界面CPU卡、NFC技术的工作原理及技术要点和手机APP的设计思路，实验结果表明，其通信成功率可达100%。

关键词：双界面CPU卡;NFC;APP;智能手机;通信;充值系统

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

为了解决环境污染问题，我国政府加快了推进“气化中国”的过程，全国各地燃气公司都在铺设燃气管道、加大燃气设备投入。带预付费功能的IC卡燃气表将走进千家万户[1]。

IC卡燃气表虽然有提前归拢资金的优势，但也有其自身的缺陷。其购气过程需要以IC卡为媒介，用户携卡到燃气公司营业厅购气，然后回家插卡才能用气，在给燃气公司带来较大工作量的同时，也给用户带来了不便。而基于NFC技术手机APP售气系统的诞生则有效解决了该问题，方便居民在家购气。

1 整体方案设计

该系统以互联网通信和第三方支付为基础，采用近场通信（NFC）技术和双界面智能CPU卡相结合模式，实现用户自助充值功能，即用户通过手机APP与双界面智能CPU卡近距离接触，采用NFC技术通信，将购气信息写入双界面卡，然后插卡上表将购气信息写入燃气表中，实现完整的购气上表过程。系统总体架构如图1所示。

该系统主要由双界面卡、手机APP、IC卡燃气表、服务端和第三方支付组成。本文侧重介绍双界面卡、手机APP和NFC通信技术。

2 软硬件设计

2.1 双界面智能CPU卡

双界面智能CPU卡[2]是一种基于单芯片的集接触式与非接触式于一体的智能CPU卡，其两种接口共享同一主芯片、COS操作系统和存储空间。接触接口和非接触接口共用一個I/O接口、一个逻辑控制平台，接触式和非接触式可自动选择。其既具备接触式CPU卡安全性高、数据传输稳定、存储容量大等特点[3]，又具备非接触式CPU卡操作方便、传输速度快、交易时间短等特点，特别适用于商城、超市和饭店等场所的小额手机支付应用，方便快捷。两个界面分别遵循两种不同的标准，接触式接口符合ISO/IEC 7816 标准，非接触式接口符合ISO/IEC 14443标准[4]。数据交互过程如图2所示。

根据双界面卡的具体实现方式和不同制作方法，可以分为以下三种：

（1）把接触式和非接触式芯片和天线封装在一张卡中构成一张双界面卡，二者采用独立的芯片、存储空间和操作系统。即两张卡进行物理合成，但功能相互独立。

（2）接触式与非接触式芯片、操作系统彼此独立，E2PROM内部分存各自数据，共用数据共享，密钥体系共享。实现了双界面卡的应用功能。

（3）接触式与非触式芯片、COS操作系统完全融合，二者运行状态相同，共用一个主芯片管理，共用一个E2PROM存储空间，共用一套密钥体系，实现了完全融合。

以上三种双界面卡中，仅最后一种才是真正意义上的双界面智能CPU 卡，本项目采用第三种双界面卡。其一般由CPU内核，ROM，E2PROM，RAM，安全控制模块，加密（DES，3DES，RSA算法等）协助处理器等部件组成[5]。其COS操作系统分为接触式与非接触式系统，既彼此独立又相互融合。

2.1.1 接触式智能CPU卡

双界面卡接触界面按智能CPU卡设计，其主要由中央处理器CPU，E2PROM，随机存储器RAM，只读存储器ROM及COS操作系统构成。其按国际标准 ISO 7816 对接触型电路进行集成，规定了电路卡的触点尺寸和芯片位置，同时还规定了CPU卡必须有8个触点。在集成电路引脚中C1～C8的引脚功能定义见表1所列。

2.1.2 非接触式射频卡

双界面卡的非接触式射频卡主要由射频识别RFID（Radio Frequency Identification，RFID）技术实现，由标签、阅读器和天线组成。其技术分类如下[6]：

（1）按频率可以分为低频、高频、超高频和微波。

（2）按能源供给方式可以分为无源、半有源和有源。无源RFID读写距离近，有源RFID读写距离远，但需外供电。

（3）按调制方式可以分为主动式和被动式。主动式主动发送信号和数据给读写器;被动式利用读写器的载波来调制自己的信号，并发射数据。

由于双界面卡中手机支付接口的统一性，所以在设计开发时主要参照ISO14443 标准。让其作为用户购气的传输媒介，起到承上启下的信息传输作用。

2.2 NFC技术

NFC（Near Field Communication，NFC）近场通信[7]，又称近距离无线通信，是一种新型非接触式短距离无线通信技术，其有效传输距离一般在10 cm内，工作频段为13.56 MHz，

传输速率有106 Kbit/s，212 Kbit/s，424 Kbit/s等多种，理论速率可达1 Mbit/s，且符合ISO21481，ISO18092，ECMA（340，352，356，373），ETSITS102 和190标准[8]。当前NFC芯片与非接触式射频卡使用相同的频带，所以与射频卡设备兼容，也与该项目使用的双界面智能CPU卡的非接触面射频卡兼容。NFC主要由NFC芯片、微处理器、天线和RC谐振电路构成，NFC技术架构如图3所示。

在NFC技术领域，需要了解两个概念：NFC设备和NFC标签。

（1）NFC设备指内置NFC芯片，包括具备NFC功能的各种电子设备，如PC电脑、NFC手机、NFC扫描仪等;

（2）NFC标签是指可存储少量信息，能与NFC设备通信的RFID标签。

NFC设备可当作读写卡器读取NFC标签的信息，也可以模拟成一张射频卡片被其它NFC设备或读卡器读取，同时，还可以与其它NFC设备建立连接，实现点对点通信。因此NFC设备根据不同的通信模式，可以分为读卡器模式、点对点模式及卡模拟模式。NFC工作模式如图4所示。

由于NFC技术具备兼容性强、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，其已成为近距离无线通信领域一种极富竞争力的技术。同时，由于NFC非接触卡内置安全加密芯片，数据通信安全级别高，因此，NFC技术在无线通信领域具有广阔的应用前景，可广泛应用于移动支付、智能媒体、信息交换、身份识别等领域。随着NFC移动通信终端技术愈加成熟，其应用已不限于通信和流媒体方面，也为PC电脑、通信设备、智能手机、消费电子产品等智能设备和缴费系统提供了便捷的非接触式数据通信解决方案。由于这些特性，本项目选择其作为数据传输的关键技术，应用于充值的全过程。用户购气时，只要将手机NFC芯片感应区与双界面卡的NFC标签简单靠拢，无需另行设定和安装，它们就会自动启用无线通信功能，实现数据传输，使用方便、快捷，能轻易进行信息交互，实现对双界面卡的信息写入功能。

2.3 手机APP设计

手机APP充值系统又称手机客户端充值系统，是智能手机普及后兴起的一种基于智能手机近场通信技术（NFC）与双界面卡非接触式射频卡实现的短距离无线通信充值方法。首先，用户为自己手机预先安装APP，之后将双界面卡的射频卡芯片RFID标签接近手机的NFC芯片读写卡器区域，二者进行身份认证，建立通信信道，然后APP根据预先装载的密钥体系与双界面卡内部的密钥体系进行相互认证，实现读写卡功能，再将APP 服务端的购气信息写入用户卡，最后，用户将此卡插入表中，实现手机APP充值。充值流程如图5所示。该充值方式方便、操作简单，不受时间和环境的约束，任何时间、地点都能实现手机自助充值。为一些不能断气或要及时用气的场所如酒店、浴室等带来了极大便利。

3 充值实验

随着国民素质提高，生活节奏加快，网络化、智能化快速发展，人们对于自助服务方式的设备和手段需求越来越迫切。因此，有效解决这个问题的手机APP充值功能受到用户的青睐。只要带NFC功能的手机下载、安装本项目的手机APP，并绑定一种网络支付平台，如支付宝、信用卡或微信支付等，即可实现自助购气功能。本实验采用10只不同的手机安装APP，其充值界面如图6所示，均采用支付宝支付。选用10台IC卡燃气表，每次充值10～100元不等，每台手机充值10次，充值结果见表2所列。

由以上表格可知，本次实验的充值成功率为100%，其中有个别情况充值需要感应2次，主要是因为NFC近场通信的距离相对比较短，双界面卡的射频芯片需要放置在NFC芯片有效接收范围内，而首次感应超出了有效通信区域范围。由以上实验结果可以得出：手机客户端充值功能完全满足设计要求，可以在用户中广泛推广。

4 结 语

NFC技术应用于燃气表还比较少。但是随着智能手机NFC功能的逐步普及，其应用场景会越来越广阔，用户使用也更加方便，成本更低，特别是对IC卡燃气表自助充值功能的改造极为便利，只需将IC卡更换为双界面卡即可。通过以上实验证明，系统通信成功率非常高，在燃气行业的应用前景非常广阔。

參 考 文 献

[1]张娟.浅谈“三表一卡通”预付费卡业务建设[J].中小企业管理与科技，2012（3）：294.

[2]闵昊.智能卡领域的一大技术进步：双界面卡[J].安防科技，2003（6）：34-35.

[3]杨肇敏.不断发展的集成电路卡[J]. 金融电子化，2000（9）：23-26.

[4]刘瑞玲，李代平.手机支付双界面卡的接触式与非接触式接口标准的研究[J].微型机与应用，2010，29（14）：69-71.

[5]王宇明.低功耗双界面CPU智能卡芯片的研究与设计[D].上海：复旦大学，2011.

[6]董丽峰. RFID中间件技术在物联网中的应用及研究[J].信息科学，2010（6）：72-74.

[7]潘雪峰，毛敏.NFC近场通信技术的底层原理研究[J].科技和产业，2013，13（5）：120-122.

[8]张湘东，张文安，李庆艳.NFC应用开发技术体系详解[J].电信技术，2013（10）：60-63.

[9]李映彤.对预付费客户抄核收管理的探讨[J].科技创新与应用，2016（3）：186.

[10]王晓丽，杨屹东，邸音声.拓展负荷管理系统功能实现远程预付费购电[J].华北电力技术，2009（3）：27-29.