王永建，朱運(yùn)起，李書森

(1. 中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京　100079；2. 中國(guó)通信建設(shè)第四工程局有限公司，鄭州　450052)

基于NFC的智慧城市手機(jī)一卡通探究

王永建1，朱運(yùn)起1，李書森2

(1. 中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京100079；2. 中國(guó)通信建設(shè)第四工程局有限公司，鄭州450052)

一卡通在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用廣泛，尤其是智能終端的普及和NFC技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)一卡通產(chǎn)生了重大變革。首先簡(jiǎn)析了NFC技術(shù)的基本原理，基于手機(jī)NFC的系統(tǒng)組成。然后進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用系統(tǒng)分層、系統(tǒng)接口。最后，結(jié)合總體設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，包括NFC業(yè)務(wù)管理、NFC接入系統(tǒng)管理、NFC手機(jī)客戶端。文中的設(shè)計(jì)思路在智慧城市試點(diǎn)建設(shè)中已應(yīng)用，并已被推廣。

NFC；手機(jī)一卡通；RFID；Web Service

本文著錄格式：王永建，朱運(yùn)起，李書森. 基于NFC的智慧城市手機(jī)一卡通探究[J]. 軟件，2016，37（9）：72-76

1　引言

隨著IC（Integrated Circuit）、密碼學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，一卡通在生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如公交、地鐵、出租、醫(yī)院、生活交費(fèi)、小額消費(fèi)商戶等機(jī)構(gòu)。

2012年12月5日，住建部發(fā)布關(guān)于開(kāi)展國(guó)家智慧城市試點(diǎn)工作的通知，啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)智慧城市試點(diǎn)建設(shè)工作[1]。2015年7月3日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管委會(huì)發(fā)布了《數(shù)字城市一卡通互聯(lián)互通通用技術(shù)要求》，對(duì)推進(jìn)一卡通在智慧城市中的應(yīng)用具有重要意義。

近些年NFC（Near Field Communication）、RFID（Radio Frequency Identification）、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展和智能終端的普及，逐漸替代傳統(tǒng)的非接觸射頻卡（Mifare One）。和傳統(tǒng)一卡通相比，依托智能手機(jī)的一卡通業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)采集方式向多樣化、便捷化、無(wú)介質(zhì)化發(fā)展，對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生了重大影響。由于這些技術(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)間較短，在系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用過(guò)程中仍存在問(wèn)題，仍需要不斷完善。

因此，一個(gè)安全、可靠、方便、易用，高質(zhì)量的NFC手機(jī)一卡通系統(tǒng)顯得尤為重要，本文對(duì)此進(jìn)行了設(shè)計(jì)探究。

2　NFC簡(jiǎn)析

NFC利用電磁感應(yīng)耦合方式傳遞信息，工作頻率在13.56 MHz，有效距離在20 cm內(nèi)，是一種非接觸式識(shí)別和互聯(lián)技術(shù)，可與現(xiàn)有的非接觸式IC卡技術(shù)兼容[2]。

NFC在單一芯片上結(jié)合了感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換，可以認(rèn)為“RFID+互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)=NFC”，相對(duì)于RFID來(lái)說(shuō)具有距離近、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)[3]。

NFC采用了雙向識(shí)別和連接，通信各方不存在固定的主從關(guān)系，通信可以由任意一個(gè)NFC設(shè)備發(fā)起。NFC通信模式可分兩種：主動(dòng)模式（主動(dòng)發(fā)起通信，以識(shí)別有效范圍內(nèi)NFC設(shè)備和讀取信息的一方為主動(dòng)方）和被動(dòng)模式（被主動(dòng)方有效識(shí)別和被讀取的一方為被動(dòng)方），主動(dòng)方常為讀卡機(jī)具，被動(dòng)方常為NFC卡或者嵌入NFC的移動(dòng)終端[4]。

NFC工作模式分為三種：（1）卡模式，類似IC卡，卡內(nèi)寫入了ID信息，需要刷卡、驗(yàn)證，通過(guò)讀卡器供電，手機(jī)無(wú)電不影響；（2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，和藍(lán)牙、紅外類似，可短距離數(shù)據(jù)通信，具有高效、快速、低功耗特點(diǎn)，支持不同種類設(shè)備間聲音、圖片、視頻等數(shù)據(jù)交換；（3）讀卡器，類似一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器，可讀取其它NFC標(biāo)簽或者寫入其它NFC設(shè)備。

智能手機(jī)中的NFC系統(tǒng)可分為三部分：安全組件（Secure Element）、NFC射頻控制器（NFC RF Controller）和NFC天線。NFC卡包括兩部分：（1）CAP包，用于建立卡空間，創(chuàng)建卡結(jié)構(gòu)等；（2）手機(jī)APP客戶端，用于給用戶提供可視化操作和友好體驗(yàn)的操作界面[5]。

3　總體設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括：手機(jī)NFC業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，支撐平臺(tái)（銀行系統(tǒng)、手機(jī)支付平臺(tái)、多應(yīng)用管理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等），接入系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示。

3.2應(yīng)用系統(tǒng)分層

本文將應(yīng)用系統(tǒng)分為三層，包括：平臺(tái)接入層、業(yè)務(wù)管理與控制層、運(yùn)營(yíng)支撐層。如圖2所示。

平臺(tái)接入層：完成系統(tǒng)與外界渠道的通信連接（包括BOSS、銀行、網(wǎng)管、行業(yè)網(wǎng)關(guān)及移動(dòng)支付系統(tǒng)等），屏蔽雙方的通信協(xié)議等差異，是本系統(tǒng)與外界的信息中轉(zhuǎn)層。

業(yè)務(wù)管理與控制層：主要是處理具體的公交業(yè)務(wù)、支付相關(guān)業(yè)務(wù)以及對(duì)賬結(jié)算功能。該層各子系統(tǒng)由于直接進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的處理，在設(shè)計(jì)上對(duì)基礎(chǔ)功能和拓展功能必須有清晰的定義，以保證系統(tǒng)的合理性和二次開(kāi)發(fā)的便利，同時(shí)該層負(fù)責(zé)存放整個(gè)系統(tǒng)的支付交易相關(guān)數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)上與外部系統(tǒng)完全隔離；

運(yùn)營(yíng)支撐層：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)支撐管理相關(guān)功能，該層主要包括業(yè)務(wù)管理門戶，對(duì)賬管理、統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)分析、系統(tǒng)管理、監(jiān)控管理等功能。

3.3系統(tǒng)接口

3.3.1接口分類

根據(jù)互聯(lián)對(duì)象和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，本文將系統(tǒng)接口分為六種，如圖3所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　系統(tǒng)接口關(guān)系圖

IF-1：通過(guò)BOSS接口實(shí)現(xiàn)BOSS與NFC應(yīng)用平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)交易文件上送等功能。

IF-2：通過(guò)手機(jī)支付平臺(tái)接口實(shí)現(xiàn)手機(jī)支付平臺(tái)與手機(jī)NFC應(yīng)用平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)支付扣款、查詢、退款等功能。

IF-3：通過(guò)行業(yè)應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)行業(yè)網(wǎng)關(guān)與公交應(yīng)用平臺(tái)的對(duì)接。

IF-4：通過(guò)網(wǎng)管平臺(tái)接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管平臺(tái)與公交應(yīng)用平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)傳遞手機(jī)NFC應(yīng)用平臺(tái)運(yùn)維數(shù)據(jù)至網(wǎng)管平臺(tái)的功能。

IF-5：手機(jī)NFC應(yīng)用平臺(tái)和銀行系統(tǒng)的接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)銀行卡扣款、對(duì)賬、調(diào)賬、查詢等功能；這些接口屬于非標(biāo)準(zhǔn)接口，會(huì)根據(jù)所接銀行系統(tǒng)的不同而不同，只能根據(jù)具體情況具體分析和開(kāi)發(fā)。

IF-6：通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)接口與手機(jī)NFC應(yīng)用平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)空中開(kāi)卡、空中圈存、余額查詢、明細(xì)查詢以及交易數(shù)據(jù)同步等功能。

3.3.2接口選擇

（1）應(yīng)用層接口

對(duì)于B/S模式的第三方系統(tǒng)接入一卡通系統(tǒng)，若采用應(yīng)用層接口互聯(lián)，接口的方式可以是.dll和.Java Package等形式。

接口程序中將第三方系統(tǒng)智能卡的讀寫、認(rèn)證、消費(fèi)、考勤等具體應(yīng)用進(jìn)行封裝，只需要第三方應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整即可[6]，如圖4（a）所示：

圖4　接口對(duì)接示意圖

（2）中間件層接口

中間件層統(tǒng)一定義所有的接口規(guī)范，制定嚴(yán)格的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)策略，必須通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)層才能訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。支持異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層要求標(biāo)準(zhǔn)的接口定義，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)的變化，前臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)需變化[7]。

對(duì)于基于Web Service的第三方應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)接需要為第三方提供相應(yīng)的Web Service接口，采用XML格式，如圖4（b）所示。

Web Service接口分為調(diào)用方法與調(diào)用實(shí)體實(shí)現(xiàn)，在校園一卡通與銀行或者其它支付系統(tǒng)的電子賬戶接口中，建議采用調(diào)用實(shí)體方法，不僅提高安全性，并且方便編程[8]?；赟OAP的Web Services雖然可以解決跨Internet的異構(gòu)訪問(wèn)問(wèn)題，但是需要進(jìn)行定制，管理和調(diào)用接口變得比較復(fù)雜。本文采用REST Web Services，既能容易的實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間調(diào)用，又能充分利用HTTP協(xié)議[9]。

4　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1NFC業(yè)務(wù)管理

4.1.1業(yè)務(wù)訂購(gòu)

NFC業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)將一卡通用戶和手機(jī)號(hào)碼，銀行卡或者第三方支付系統(tǒng)的綁定，為提升系統(tǒng)安全性和便于管理，要求每個(gè)一卡通用戶只能綁定一個(gè)手機(jī)號(hào)；每個(gè)一卡通用戶只能綁定一張銀行卡或者一個(gè)第三方支付系統(tǒng)賬號(hào)。

4.1.2支付渠道管理

主要負(fù)責(zé)對(duì)接入系統(tǒng)所對(duì)接支付渠道進(jìn)行管理，包括銀聯(lián)支付、和包支付，根據(jù)不同機(jī)構(gòu)要求，還可接入地方銀行、支付寶、微信等支付渠道。實(shí)現(xiàn)支付渠道和應(yīng)用系統(tǒng)的捆綁和解綁等。

4.1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要，收集接入系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況，包含用戶卡發(fā)放情況、充值數(shù)據(jù)情況等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提煉、分析，幫助決策者對(duì)未來(lái)業(yè)務(wù)狀況和戰(zhàn)略發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。包括訂購(gòu)關(guān)系統(tǒng)計(jì)、充值記錄統(tǒng)計(jì)、發(fā)卡記錄統(tǒng)計(jì)、異步充值記錄統(tǒng)計(jì)、異常充值交易記錄統(tǒng)計(jì)等。

4.1.4業(yè)務(wù)查詢管理

主要是對(duì)系統(tǒng)中的交易數(shù)據(jù)、用戶信息、充值繳費(fèi)信息等進(jìn)行查詢，包括用戶的信息查詢、充值明細(xì)查詢、售卡明細(xì)查詢、交易明細(xì)查詢等。

4.1.5交易對(duì)賬管理

手機(jī)NFC業(yè)務(wù)管理平臺(tái)提供支付渠道與接入系統(tǒng)一卡通賬號(hào)之間的資金往來(lái)，需要提供雙方的充值、售卡等交易的對(duì)賬功能。主要是支付渠道提供對(duì)賬文件，然后與接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，將支付渠道多的數(shù)據(jù)做退款處理。對(duì)賬方式將以文本文件以FTP的方式進(jìn)行文件上傳及下載。

4.2NFC接入系統(tǒng)管理

4.2.1指令封裝維護(hù)

各個(gè)接入系統(tǒng)所支持的卡片廠商將會(huì)不同，基于各個(gè)卡商的COS（Chip Operating System）的差異化，要求接入系統(tǒng)將會(huì)兼容多家主流卡商。由于不同接入系統(tǒng)還會(huì)存在個(gè)性化功能需求，所以要求接入系統(tǒng)將完成具體卡商的指令封裝，以便完成不同卡商指令的個(gè)性化兼容。

4.2.2交易安全管理

為了保證業(yè)務(wù)交易數(shù)據(jù)的可靠性、完整性和合法性認(rèn)證，系統(tǒng)必須保證各種不確定性因素并采取一系列機(jī)制保證交易的合法安全?？蛻舳伺c接入機(jī)構(gòu)的NFC應(yīng)用系統(tǒng)以密文的方式進(jìn)行傳輸，通過(guò)對(duì)客戶端及接入機(jī)構(gòu)NFC應(yīng)用系統(tǒng)配置傳輸保護(hù)密鑰來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

4.2.3交易協(xié)議管理

統(tǒng)一受理NFC管理平臺(tái)與接入系統(tǒng)的交易指令，完成接入系統(tǒng)交易指令的傳輸協(xié)議解析和適配，將適配后的指令轉(zhuǎn)發(fā)至業(yè)務(wù)邏輯處理層處理。最常規(guī)的方式有Http協(xié)議向Socket協(xié)議轉(zhuǎn)換、Socket協(xié)議向Http協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

4.3NFC手機(jī)客戶端

4.3.1NFC客戶端啟動(dòng)

客戶端需要具備空中發(fā)卡能力，是指NFC客戶端到后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)請(qǐng)求發(fā)卡密鑰組（包括應(yīng)用密鑰，充值密鑰，消費(fèi)密鑰等），并將上述密鑰灌裝到用戶卡片對(duì)應(yīng)的應(yīng)用中。

4.3.2空中售卡

空中售卡模塊主要適用與應(yīng)用預(yù)置模式，即NFC卡在灌裝密鑰完畢，卡的狀態(tài)為“未啟用”，此時(shí)卡片在還是不能正常充值和刷卡使用。通過(guò)客戶端的空中售卡功能，將對(duì)啟用標(biāo)志進(jìn)行更改為“啟用”狀態(tài)，完成用戶卡的發(fā)售，將以往由網(wǎng)點(diǎn)或柜臺(tái)完成的工作完全交付給客戶端進(jìn)行。

4.3.4空中充值信息查詢

客戶端支持空中充值的能力，接入系統(tǒng)向手機(jī)支付平臺(tái)請(qǐng)求扣款，如果扣款成功，將手機(jī)支付帳戶的資金圈存到接入系統(tǒng)帳戶?？蛻舳酥С只诳ㄆ挠囝~查詢，交易查詢。

4.3.5交易補(bǔ)發(fā)功能

用戶通過(guò)NFC客戶端充值時(shí)，由于其他原因?qū)е鲁渲荡_認(rèn)請(qǐng)求未發(fā)送到業(yè)務(wù)后臺(tái)，客戶端將記錄交易信息。每次用戶重啟客戶端或再次發(fā)起充值時(shí)，客戶端進(jìn)行判斷，如發(fā)現(xiàn)有未上送記錄，客戶端自動(dòng)發(fā)送，發(fā)送成功后，客戶端刪除相關(guān)數(shù)據(jù)。未上送報(bào)文以密文的形式保存到本地，加解密鑰為卡片SEID，算法采用3DES進(jìn)行加密。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文基于NFC技術(shù)，結(jié)合智慧城市應(yīng)用，對(duì)手機(jī)一卡通系統(tǒng)做了探究。目前，除NFC之外，一卡通可選用的技術(shù)有多種，如二維碼、條形碼、RFID、Beacon等，這些技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)景與應(yīng)用，很難哪種技術(shù)“一統(tǒng)天下”。因此，一卡通系統(tǒng)將會(huì)存在多種技術(shù)共存局面，隨著一卡通業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，大浪淘沙，將會(huì)剩下少量?jī)?yōu)良技術(shù)“橫行江湖”。

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Study of the Mobile Phone one Through Card Based on NFC in Intelligent City

WANG Yong-jian1, ZHU Yun-qi1, LI Shu-sen2
(1. China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co. Ltd, Beijing 100079, China; 2. China International Telecommunication Construction the Fourth Engineering Bureau Co. Ltd, Zhengzhou 450052, China)

One through card is widely used in intelligent city. Especially the popularity of intelligent terminals and the development of NFC technology, the traditional one through card has a significant change. Firstly, it analyzes the basic principle of NFC technology and the system composition of NFC based on mobile phone. Then it carries out the overall design, which includes the system structure, application system layer, system interface. Finally, in combination with the overall design, it carries out the design of system function, which includes the management of NFC business, the management of NFC access system, and the NFC client of mobile phone. The design idea,in the paper, has been applied in the construction of pilot intelligent city, and has already been promoted.

NFC; Mobile phone one through card; RFID; Web Service

TN393.1

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.017

王永建(1981-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔踩⒋髷?shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用；朱運(yùn)起(1965-)，男，本科，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)信息安全；李書森(1968-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、通信測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。