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基于NFC技术手机APP充值系统的设计研究

作者：李中阳 黄君委 陈鑫

来源：《物联网技术》2019年第04期

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

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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。

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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。