一種基于android的nc移動終端的設(shè)計與實現(xiàn)

一種基于android的nc移動終端的設(shè)計與實現(xiàn)

0整體系統(tǒng)模型短距離通信技術(shù)（rcm）是一種新型的短距離非接觸無線通信技術(shù)，近年來取得了迅速的進(jìn)展。NFC的工作頻段是13.56MHz,傳輸速率為106、212或424Kbps,理論上可以達(dá)到1Mbps或更高;有效的通信距離一般在10cm以內(nèi),最常用的是在3~6cm范圍內(nèi)。該特性能夠很好地保證數(shù)據(jù)通信過程安全。NFC技術(shù)與現(xiàn)有的基于射頻識別技術(shù)(RadioFrequencIdentification,RFID)的智能卡及讀卡設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施兼容。遵循ECMA340、ISO/IEC18902、ISO14443及ISO15693等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［1-2］(如圖1),可實現(xiàn)NFC設(shè)備之間建立簡單快速的臨時通信網(wǎng)絡(luò),安全地進(jìn)行信息交換、內(nèi)容讀取及身份鑒別等操作。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,支持NFC功能的移動智能終端,尤其是Android智能手機等,也呈爆發(fā)式增長。根據(jù)市場研究公司BergInsight的數(shù)據(jù):2012年支持NFC的智能終端增長量約為7000萬部,年增長率超過200%,各種基于NFC的第三方應(yīng)用也將大量出現(xiàn)。NFC技術(shù)因其獨特的安全性主要被用于移動支付、身份鑒定、門禁等系統(tǒng)中［3］,但在其他方面應(yīng)用少之又少,相關(guān)研究也更為缺乏。移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用在日常生活中,為生活創(chuàng)造便利?；诨ヂ?lián)網(wǎng)和新興通信技術(shù)的智能卡種類越來越多,如交通卡、門禁卡、禮品卡、一卡通等,單人持有智能卡的數(shù)量大幅增加給消費者的攜帶和使用帶來了很大的不便。據(jù)統(tǒng)計(如圖2),16歲至35歲之間的青年人中,高達(dá)75%的被調(diào)查者表示出行必需持有不止一張卡,其中60%以上希望能夠?qū)⑦@些日常生活出行經(jīng)常用到且需要隨身攜帶的“必需卡”進(jìn)行整合,實現(xiàn)“一卡通”或“無卡化”出行。本研究設(shè)計出一種智能卡集成系統(tǒng)模型,結(jié)合現(xiàn)有移動智能終端和NFC技術(shù),將各種智能卡簡單快速掃描,并存儲在移動智能終端中,使用時可通過匹配算法進(jìn)行智能識別并激活指定的卡片進(jìn)行刷卡操作和交易行為。系統(tǒng)不需要對現(xiàn)有的RFID等射頻識別類的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更換,能夠節(jié)省大量的人工和設(shè)備成本。該系統(tǒng)模型既實現(xiàn)了智能卡的無卡化集成,解決了個人多張卡片攜帶不便和容易遺失等問題,又實現(xiàn)了個人卡片的綜合管理,為日常生活帶來方便、快捷的智能卡應(yīng)用和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)體驗。1nfc功能擴(kuò)展AndroidOS自2.3.3版本開始支持NFC功能,Google已經(jīng)實現(xiàn)了基于NFC的一些基礎(chǔ)API技術(shù)接口,這就使得支持并帶有NFC芯片的Android智能設(shè)備均可以作為該智能卡集成系統(tǒng)的應(yīng)用平臺。本系統(tǒng)模型基于搭載Android4.0.4的三星GalaxyS3智能手機上進(jìn)行開發(fā)和初步測試。另外,對于沒有NFC芯片不支持該功能的設(shè)備,該系統(tǒng)模型也提出了相應(yīng)的解決方法,可通過嵌有NFC芯片的設(shè)備外殼或直接將NFC功能模塊貼在設(shè)備上來實現(xiàn)快速便捷的NFC功能擴(kuò)展,原理圖如圖3。在圖3中,NFC功能模塊由NFC芯片、主控芯片、藍(lán)牙芯片及其他必需的輔助電路和電源構(gòu)成,其中,NFC芯片和Bluetooth芯片通過ISP接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化信息傳遞。由于藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)已成為智能設(shè)備的標(biāo)配功能,所以我們的設(shè)計將NFC功能模塊通過Bluetooth的對象交換協(xié)議(ObjectExchange,簡稱OBEX)與不支持NFC功能的終端設(shè)備進(jìn)行通信,實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互和傳遞;安裝相應(yīng)的驅(qū)動和庫文件后,不支持NFC的終端設(shè)備就具備了NFC功能。這樣設(shè)備可以通過擴(kuò)展的NFC功能模塊與其他NFC設(shè)備或者Tag標(biāo)簽進(jìn)行NFC通信,實現(xiàn)快速的內(nèi)容訪問及數(shù)據(jù)讀寫等操作。本研究中的模型由恩智浦公司的NFC芯片PN532開發(fā)板、通用藍(lán)牙模塊和主控芯片STM32F103CR開發(fā)板等搭建而成。主控芯片STM32F103CR主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和命令轉(zhuǎn)發(fā)。本研究只是進(jìn)行了該硬件套件的功能性驗證,實現(xiàn)了藍(lán)牙設(shè)備之間的自動匹配鏈接,不需手工輸入藍(lán)牙通行碼進(jìn)行身份驗證即可成功配對連接,并可實現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)格式和NFC數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和通信等基礎(chǔ)功能。下面是藍(lán)牙設(shè)備無輸入自動配對功能的實現(xiàn)過程:1)首先將NFC功能模塊上的藍(lán)牙設(shè)備設(shè)置通行碼,例如0000。2)智能手機端應(yīng)用中在藍(lán)牙打開時將其注冊為Receiver,使其處于等待響應(yīng)狀態(tài)。3)在智能手機端藍(lán)牙設(shè)備收到廣播時,將NFC功能模塊上藍(lán)牙的通行碼設(shè)置進(jìn)去。4)實現(xiàn)藍(lán)牙配對、綁定狀態(tài)校驗等相關(guān)函數(shù)方法。這樣就實現(xiàn)了藍(lán)牙自動配對。本研究并沒有進(jìn)行該套件的外觀、母版電路等設(shè)計,重點進(jìn)行了軟件系統(tǒng)部分的研究和設(shè)計開發(fā)。2roid平臺該系統(tǒng)功能主要由軟件應(yīng)用部分組成?；贏ndroid平臺開發(fā),通過卡識別與信息處理和卡匹配模擬兩個子系統(tǒng)實現(xiàn)智能卡識別、數(shù)據(jù)掃描和讀取、卡存儲及智能卡模擬激活等部分的具體功能。2.1nfc未發(fā)揮作用檢測卡識別與信息處理子系統(tǒng),即卡集成子系統(tǒng),實現(xiàn)的功能主要包括卡識別、信息讀取和信息存儲等部分,該子系統(tǒng)的操作和處理流程如圖4所示。根據(jù)GoogleDevelopers網(wǎng)站上相關(guān)開發(fā)文檔中的說明,Android系統(tǒng)對NFC的支持和API接口主要封裝在android.nfc和android.nfc.tech兩個包中。其中,該子系統(tǒng)中檢測并發(fā)現(xiàn)NFC對象的方法在android.nfc中定義,一個NFC芯片對應(yīng)一個NFC適配器(NFCAdapter)。檢測和發(fā)現(xiàn)過程為:1)NFC初始化時構(gòu)造一個NFCManager對象,通過調(diào)用getDefaultAdapater方法獲取對NFC芯片的控制權(quán),同時完成對NFC芯片等硬件的初始化工作。2)NFCAdapter通過消息分發(fā)系統(tǒng)(TagDispatchSystem)自動創(chuàng)建一個包含NFCTag的Intent進(jìn)行廣播,通訊場中的NFCTag收到該廣播后進(jìn)行應(yīng)答,應(yīng)答成功則完成了Tag的發(fā)現(xiàn)過程［4］。需要注意的是,NFCDispatchSystem定義了3種不同優(yōu)先級的Intent,從高到低分別為NDEF_DISCOVERED、TECH_DISCOVERED、TAG_DISCOVERED,優(yōu)先級越高,則NFCAdapter越優(yōu)先和該Intent建立通信連接［5］。數(shù)據(jù)讀取的相關(guān)方法在android.nfc.tech中定義,NFCAdapter將Tag數(shù)據(jù)封裝成NFC數(shù)據(jù)交換格式(NFCDataExchangeFormat,NDEF)數(shù)據(jù)包,之后才能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和傳輸,最后將一張智能卡的所有數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為指定的格式(.nfcadapater)進(jìn)行存儲。通過掃描智能卡獲取器信息,并將信息轉(zhuǎn)換為特定格式的數(shù)據(jù)存儲在手機中,這就完成了一張智能卡的集成工作;多張智能卡只要一一進(jìn)行掃描,就可以將多張智能卡集成在智能設(shè)備中了。2.2電子注重技術(shù)卡匹配模擬子系統(tǒng)實現(xiàn)為指定的智能卡讀卡設(shè)備尋找匹配相應(yīng)的.nfcadapater數(shù)據(jù),模擬出卡片進(jìn)行刷卡操作并進(jìn)行相應(yīng)的操作日志記錄的功能。其操作的流程圖如圖5。智能卡.nfcadapater數(shù)據(jù)的匹配,可以通過和相對實體智能卡的UID、SAK、HASH及RFTechnology［4］等信息建立信息對照表,通過一定的匹配算法進(jìn)行選擇,實現(xiàn)對智能卡讀卡設(shè)備的智能化識別。對于匹配到多個.nfcadapater數(shù)據(jù)的情況,也可以通過誤差計算和輪詢來進(jìn)行二次匹配,提高匹配算法的有效率和成功率。目前,智能卡集成系統(tǒng)采用的匹配算法可以簡單地表述為:NFC目標(biāo)讀卡機發(fā)現(xiàn)→RFTechnology類型獲取→根據(jù)RFTechnology查詢卡數(shù)據(jù)中的所有記錄→若有SAK數(shù)據(jù)則根據(jù)SAK值進(jìn)行過濾查詢到的卡數(shù)據(jù)記錄→輪詢激活嘗試和NFC讀卡機通訊→卡片確認(rèn),將該卡數(shù)據(jù)添加該讀卡機的UID標(biāo)識,并更新HASH→建立通信鏈接并交換數(shù)據(jù)。該匹配算法在存有大量相同RFTechnology類型的卡數(shù)據(jù)時,效率低等缺點明顯,但考慮到單個用戶所持有的智能卡的數(shù)量一般為3~8張,所以每個用戶的系統(tǒng)里面存儲的卡數(shù)據(jù)有限,不會嚴(yán)重影響該匹配算法的效率。怎么樣改進(jìn)匹配算法的效率和成功率依然是后續(xù)研究的主要工作之一,后續(xù)也將通過更加復(fù)雜的關(guān)聯(lián)匹配等方法完善匹配算法,提升其效率。Android系統(tǒng)暫時沒有提供用NFC功能模塊直接模擬無源NFC標(biāo)簽的NFC卡模擬技術(shù)的相關(guān)API函數(shù)方法,所以電子錢包應(yīng)用的技術(shù)方案實際上是P2P的數(shù)據(jù)交互。但NFC芯片的底層驅(qū)動已經(jīng)支持通過NFC模擬出無源標(biāo)簽的功能,通過對nfclib類庫進(jìn)行功能擴(kuò)展,并編寫相應(yīng)的Java類作為中間件提供給Android系統(tǒng)調(diào)用,同樣實現(xiàn)了NFC的CardEmulation功能。目前采用軟件模擬的方法,即通過智能手機的處理器為NFC芯片劃分資源,并提供信息處理、通信響應(yīng)及部分SE安全單元的功能。這種方案不用增加專門的SE等硬件,實現(xiàn)起來相對比較方便,同時也大大提高了該解決方案的適用性。NFC卡模擬技術(shù)是本研究的重要組成部分。目前已經(jīng)實現(xiàn)的NFC-SIM芯片解決方案、NFC-SD芯片解決方案等的技術(shù)說明,對SWP單線協(xié)議進(jìn)行了研究并基于此進(jìn)行了多次反復(fù)試驗,最后較好地實現(xiàn)了卡模擬的目標(biāo)。3測試結(jié)果及分析該智能卡集成系統(tǒng)模型通過智能手機終端、APP應(yīng)用和未加密的RFID智能卡進(jìn)行功能驗證,結(jié)果表明NFC功能擴(kuò)展、卡識別、數(shù)據(jù)存儲、卡模擬等主要功能和整個流程全部可以走通。其APPDemo截圖和NFC擴(kuò)展套件驗證電路如圖6所示。圖6中的軟件系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果是建立在以下幾個條件之下的:1)Android4.04系統(tǒng)SamsungS3智能手機。2)測試智能卡為數(shù)據(jù)未加密的普通“維絡(luò)城”卡和北京“八達(dá)通”公交卡。3)“維絡(luò)城”優(yōu)惠券打印終端。4)智能卡集成系統(tǒng)APP測試bata版。測試結(jié)果顯示:卡識別和存儲功能經(jīng)多次測試,兩類卡的成功率均高于90%;“維絡(luò)城”卡模擬成功,并可以在其優(yōu)惠券打印終端上驗證身份通過,模擬成功率在30%左右;但加密的“八達(dá)通”公交卡進(jìn)行多次模擬均不成功。測試結(jié)果證明該研究中的解決方案可行,但系統(tǒng)需要進(jìn)一步進(jìn)行功能的優(yōu)化和穩(wěn)定性的改善。在研究過程中,為了擴(kuò)充NFC能夠兼容的傳統(tǒng)智能卡協(xié)議,采用了軟協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式,嘗試將ISO7816-3智能卡標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換為NFC可以支持的ISO14443或ISO15693等;對多種智能卡標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和NFC支持協(xié)議進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析,目前沒有取得滿意的效果。研究仍在進(jìn)行中,并希望通過軟協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)兼容擴(kuò)展,從而實現(xiàn)NFC應(yīng)用范圍的擴(kuò)展;由于不同協(xié)議的差異性相對比較明顯,預(yù)計這方面取得成果還需要大量的工作和時間。智能手機終端存儲記錄的目標(biāo)卡數(shù)據(jù),如何在接近讀卡設(shè)備時能夠快速進(jìn)行識別和匹配,也是本研究的一個創(chuàng)新點。在研究過程中,對于同一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)類型智能卡和不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)類型的智能卡的特點進(jìn)行分析和匯總,提取UID、SAK、HASH及RFTechnology等信息,并根據(jù)這些信息生成智能卡集成系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)識碼,建立一張新的映射表;提供簡單查詢和多種組合查詢方式,以提高查找匹配效率及其成功率。目前,該系統(tǒng)模型還存在較多問題,如NFC卡模擬功能的不穩(wěn)定并會造成死機;智能卡.nfcadapater數(shù)據(jù)智能匹配效率低;加密智能卡的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限、數(shù)據(jù)讀取和解密相關(guān)處理方法暫時還沒有實現(xiàn),該系統(tǒng)模型還需要進(jìn)一步合理化設(shè)計改造等,還需要進(jìn)一步的研究和學(xué)習(xí),繼續(xù)完善和實現(xiàn)本系統(tǒng)模型的設(shè)計目標(biāo),同時進(jìn)一步探索NFC技術(shù)可用的應(yīng)用場景。4微織構(gòu)系統(tǒng)fc技術(shù)NFC技術(shù)正在快速普及,除了索尼、三星等大廠商從NFC誕生起就加入了NFCFORUM,以支持其發(fā)展,近兩年Google、HTC也加入了NFCFORUM,為NFC技術(shù)推廣提供支持,此外,包括中興、聯(lián)想、小米等國內(nèi)設(shè)備廠商也開始在其設(shè)備中內(nèi)置NFC芯片,據(jù)蘋果公司最近的相關(guān)專利申請情況顯示,其有可能在新一代設(shè)備中加入NFC功能?？梢灶A(yù)見,在不