基于NFC技術(shù)的校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 燕，宋 璇，熊博磊

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

基于NFC技術(shù)的校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 燕，宋 璇，熊博磊

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

針對(duì)傳統(tǒng)卡片式校園一卡通系統(tǒng)缺乏人機(jī)交互功能，提出基于NFC技術(shù)的校園手機(jī)一卡通系統(tǒng).首先，設(shè)計(jì)由校園一卡通應(yīng)用平臺(tái)、校園一卡通管理平臺(tái)以及運(yùn)營商/銀行服務(wù)平臺(tái)組成的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；其次，為防止傳輸數(shù)據(jù)被竊聽或篡改，設(shè)計(jì)NFC安全通信的加密方案；最后，針對(duì)校園的使用環(huán)境以及NFC技術(shù)的不同工作模式，介紹校園手機(jī)一卡通的三個(gè)典型應(yīng)用子系統(tǒng)：移動(dòng)支付子系統(tǒng)、身份認(rèn)證子系統(tǒng)及數(shù)字圖書館子系統(tǒng).同時(shí)，分析NFC校園手機(jī)一卡通的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并為建設(shè)數(shù)字化智能校園提供一種新思路.

NFC技術(shù)；校園一卡通；手機(jī)；通信安全

目前，高校普遍采用的是以IC卡為信息載體的傳統(tǒng)校園一卡通技術(shù)，將在校師生的各種證件、考勤、消費(fèi)、餐飲等多種管理系統(tǒng)集成為一體，主要是采用單片機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的共享、身份識(shí)別等功能.近年來，隨著近距離無線通信(near field communication，NFC)技術(shù)[1-3]的發(fā)展以及移動(dòng)支付手段的多樣化，NFC校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)的研究得到了眾多的關(guān)注[4-6].

NFC技術(shù)是一種非接觸式識(shí)別和互聯(lián)技術(shù)，它是RFID技術(shù)[7]的延伸，NFC繼承了RFID人機(jī)交互的先進(jìn)功能，但是大幅度地降低了設(shè)備成本，NFC技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)在各種移動(dòng)設(shè)備終端、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC機(jī)和智能控件工具間進(jìn)行快速、安全、便捷的近距離無線通信.基于此，設(shè)計(jì)了基于NFC技術(shù)的手機(jī)一卡通系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)校園一卡通功能植入NFC手機(jī)中，并且由于NFC手機(jī)一卡通內(nèi)嵌的CPU卡中帶有COS微型操作系統(tǒng)，設(shè)置的加密和解密算法提高了系統(tǒng)的安全性能.通過使用手機(jī)一卡通，在校師生可以在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的查詢飯卡消費(fèi)及充值、上班與上課考勤、出入圖書館身份認(rèn)證、教務(wù)查詢、校園活動(dòng)信息共享等各項(xiàng)校園生活需求，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)校園一卡通向“人機(jī)對(duì)話”手機(jī)一卡通的轉(zhuǎn)變，改變和擴(kuò)展了原有傳統(tǒng)校園一卡通的應(yīng)用場景和使用方式，有效地提高了高校校園的智能化管理程度.

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的NFC手機(jī)一卡通系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，分別是校園一卡通應(yīng)用平臺(tái)、校園一卡通管理平臺(tái)以及運(yùn)營商/銀行服務(wù)平臺(tái).NFC校園一卡通手機(jī)卡的設(shè)計(jì)采用SIMPASS技術(shù)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的SIM卡功能，還具有通過天線進(jìn)行無線射頻通信的非接觸面，將手機(jī)變成一張非接觸智能卡，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)一卡通的功能.當(dāng)NFC手機(jī)靠近校園一卡通業(yè)務(wù)平臺(tái)上各業(yè)務(wù)標(biāo)簽時(shí)就能夠主動(dòng)地讀取NFC標(biāo)簽信息，一卡通管理中心通過校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)管理，針對(duì)移動(dòng)支付業(yè)務(wù)，移動(dòng)支付的數(shù)據(jù)通過VPN發(fā)送到運(yùn)營商的數(shù)據(jù)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)算，銀行系統(tǒng)與一卡通系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)算、實(shí)時(shí)圈存等.NFC校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 NFC校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 NFC通信安全性設(shè)計(jì)

由于手機(jī)校園一卡通的多功能，所以在校師生對(duì)校園一卡通的依賴程度不斷加強(qiáng)，因此，防止傳輸數(shù)據(jù)被竊聽或篡改，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸渤蔀榱耸謾C(jī)一卡通系統(tǒng)應(yīng)用過程中備受關(guān)注的問題.在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先，采用加密機(jī)對(duì)校園網(wǎng)的中心服務(wù)器進(jìn)行加密、數(shù)字簽名等安全工作.其次，在NFC手機(jī)與NFC標(biāo)簽通信過程中建立一個(gè)安全可信的通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、報(bào)文認(rèn)證來防止NFC標(biāo)簽內(nèi)容被修改，根據(jù)不同類型的傳輸數(shù)據(jù)采取不同的加密算法，保障各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性、完整性和保密性.各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)利用寫卡器將簽名信息封裝在各自的NFC標(biāo)簽中并通過加密機(jī)加上密鑰，NFC手機(jī)終端用戶通過從校園網(wǎng)下載安全證書安裝在手機(jī)中.當(dāng)手機(jī)靠近NFC標(biāo)簽時(shí)，已下載的安全證書會(huì)自動(dòng)分析標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，利用密鑰和解密算法獲得解密后的信息，通過與明文信息的比較，判斷標(biāo)簽信息是否被篡改，如果標(biāo)簽被非法修改，那么信息會(huì)因?yàn)榕c簽名解密后的信息不一致而無法讀取，保證NFC標(biāo)簽中敏感信息不被修改，這樣保證了各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)中信息的安全可靠性.NFC標(biāo)簽加密信息讀取過程流程圖如圖2所示.

3 NFC校園手機(jī)一卡通應(yīng)用系統(tǒng)

圖2 NFC標(biāo)簽加密信息讀取過程流程圖

NFC技術(shù)運(yùn)行在13.56 MHz的頻率范圍內(nèi)，能在大約10 cm范圍內(nèi)建立設(shè)備之間的連接，NFC終端具有讀卡器、卡模擬以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)三種工作模式.主動(dòng)模式下，NFC終端可以用作一個(gè)讀卡器，即將手機(jī)設(shè)備作為非接觸式讀卡器使用，主動(dòng)讀取海報(bào)或展覽信息上電子標(biāo)簽的相關(guān)信息，如影訊信息發(fā)布、圖書閱讀等.而在被動(dòng)模式下，NFC終端可以模擬成一張非接觸卡片或標(biāo)簽，通過非接觸式NFC讀卡器的射頻域來供電，即便NFC手機(jī)沒有電也可以工作，如移動(dòng)支付、門禁系統(tǒng)等.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的工作模式可以實(shí)現(xiàn)具備NFC功能的兩個(gè)設(shè)備之間的信息共享及數(shù)據(jù)交換，如手機(jī)和PC機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的圖片交換、名片交換等.針對(duì)校園應(yīng)用環(huán)境及NFC不同的工作模式介紹三個(gè)具體的應(yīng)用系統(tǒng).

1) 移動(dòng)支付子系統(tǒng).NFC是近場支付的主流技術(shù)，支付處理在現(xiàn)場進(jìn)行并且不需要移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，而是通過NFC射頻通信與POS收款機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)等設(shè)備進(jìn)行本地通訊，是一種新興的移動(dòng)支付方式.手機(jī)卡上雖然集成了普通SIM卡功能及一卡通功能，但是仍然分屬兩個(gè)賬戶，因此，手機(jī)欠話費(fèi)并不影響一卡通的使用.校園手機(jī)一卡通通過銀行圈存系統(tǒng)，用戶可以自助將個(gè)人銀行的金額轉(zhuǎn)入校園一卡通電子錢包，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地使用NFC手機(jī)進(jìn)行消費(fèi)、余額查詢、充值等業(yè)務(wù)，免去了排隊(duì)、找零的等待煩惱.在學(xué)校各消費(fèi)網(wǎng)點(diǎn)，如食堂、超市、小賣部、浴室、校醫(yī)院等都可以通過使用NFC校園手機(jī)一卡通進(jìn)行支付，該系統(tǒng)將銀行、移動(dòng)運(yùn)營商、消費(fèi)網(wǎng)點(diǎn)以及用戶緊密聯(lián)系在一起，為學(xué)生及教師的日常校園生活提供方便.

2) 身份認(rèn)證子系統(tǒng).NFC技術(shù)的通信距離在10～20 cm，其通信安全性能較好，尤其是在安全元件(secure element，SE)的支持下，NFC卡模擬的功能成為身份認(rèn)證的重要手段.學(xué)生考勤和宿舍門禁是身份認(rèn)證系統(tǒng)的典型應(yīng)用，通過采用手機(jī)一卡通技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在校學(xué)生與教師的出勤考核、出入宿舍的記錄、圖書館的借閱記錄以及機(jī)房上機(jī)記錄，由于NFC標(biāo)簽具有重復(fù)讀寫并且可記錄讀取次數(shù)的功能，因而學(xué)生的在校活動(dòng)、信息查詢及數(shù)據(jù)采集等的統(tǒng)計(jì)過程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高了高校教學(xué)活動(dòng)及教學(xué)管理的規(guī)范性以及在校學(xué)生的安全性.另外，由于學(xué)生進(jìn)課堂、食堂用餐、進(jìn)宿舍等活動(dòng)時(shí)間都比較集中，而NFC技術(shù)能夠有效解決在刷卡時(shí)容易產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)讀取數(shù)據(jù)的問題.

3) 數(shù)字圖書館子系統(tǒng).在傳統(tǒng)圖書上集成NFC芯片的NFC圖書將給在校師生帶來閱讀方式的改變，通過掃描NFC標(biāo)簽可以查閱圖書館公告信息、新書上架信息、圖書目錄等，幫助讀者查詢所需閱讀資料，另外，在手機(jī)上還可以完成所借圖書信息、續(xù)借等功能.隨著NFC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，原有的圖書出版模式將被改變，用戶可以通過NFC手機(jī)設(shè)備讀取NFC圖書標(biāo)簽，瀏覽感興趣的圖書內(nèi)容，另外，在紙質(zhì)圖書中添加視頻、游戲、社交互動(dòng)等功能，將豐富圖書出版的形式，作為紙質(zhì)圖書的有益補(bǔ)充，帶給學(xué)生繽紛多彩的閱讀體驗(yàn).另外，NFC圖書因其具有加密功能而且成本較低，能夠有效地防止盜版.NFC數(shù)字圖書館的設(shè)計(jì)將改變?cè)袌D書閱讀模式，有效地提高圖書館的工作效率及服務(wù)質(zhì)量.

4 結(jié)論

將NFC技術(shù)應(yīng)用在校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及安全通信進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析；針對(duì)校園應(yīng)用環(huán)境及NFC技術(shù)不同的工作模式，探討了校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)的三個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng).校園手機(jī)一卡通系統(tǒng)采用NFC信息技術(shù)手段為在校師生提供智能化的校園綜合管理平臺(tái)，有效地提高了校園管理的工作效率，本研究提出的基于NFC技術(shù)的校園一卡通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了校園數(shù)據(jù)管理的集成與共享，以方便快捷的方式為用戶提供較高安全性能的服務(wù)，為數(shù)字化校園的建設(shè)提供了一種新思路.由于國內(nèi)針對(duì)NFC校園一卡通系統(tǒng)的研究還屬于起步階段，因此對(duì)于NFC校園一卡通的數(shù)據(jù)處理還有待于進(jìn)一步的研究.

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(責(zé)任編輯：沈鳳英)

Design and Application of the Campus Mobile Phone One Card System Based on NFC Technology

ZHOU Yan，SONG Xuan，XIONG Bo-lei
(School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

In view of the lack of human-computer interaction function in traditional campus one card system，a campus mobile phone one card system based on NFC technology is proposed in this paper. Firstly，the network structure is designed as three layers，including the application platform，the management platform and the operator/bank service platform. Secondly，in order to prevent the data transmitted from being eavesdropped or tampered，the NFC encryption scheme is designed for secure communication. Finally，for the campus environment and the different working modes of NFC technology，here three typical application subsystems of the campus mobile phone one card system are introduced，including the subsystems of mobile payment，the identity authentication and the book reading. At the same time，this article summarizes the characteristics and advantages of the NFC mobile phone campus one card techniques. Furthermore，this paper provides a new way for the construction of digital intelligent campus.

NFC technology；campus one card solution；mobile phone；communication security

TN919.3

A

1008-5475(2015)01-0030-04

2014-10-22；

2014-11-20

江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(201311054001Y)

周 燕(1980-)，女，江蘇蘇州人，講師，工程師，碩士，主要從事人工智能及嵌入式系統(tǒng)研究.